【热水造成能源浪费】第四部分：时间
日期：2015-03-03 Tags：水源浪费 模拟仿真 流体仿真 CFD仿真
热水供应不仅费能，而且费时。我居住的房子有近200年历史了。房子的最初设计就不是很好，加之不同于好酒愈久愈醇, 一次又一次的翻新、整修、修理再修理，使得热水供应系统有了些许改进。但受限于流量原因，热水总是来的非常缓慢且水温不高（当然，当今世界的首要问题——75亿人口连获得干净水源都困难，更别提预热好的干净水源了）。别的先不说，光是如何将水从A输送到B就已经是人类千百年来所一直面临的难题，直到流体仿真的出现。
打开我厨房的水龙头，你需要等很久，才会有缓缓的热水流出来。尽管我都知道接下来要发生什么，我依然每次都用胖指温度传感器（其实就是我的胖手指啦~）打开水龙头，浪费的时间大约80秒，只能站在那里，盯着我的手指，傻傻地等。有一种声音经常萦绕在我脑海中，“你应该想办法解决它了，而不是傻傻地站着”。
流量如此之小是因为采用重力供水系统（本身设计就不合理）的缘故。位于上游的压头水箱将水供到下方加热水箱，然后通过一根直径为15mm的长塑料管连接到厨房水槽。压头水箱水位偏低，位置也仅仅比加热水箱高1m左右，所以根本提供不了足够的压力来支撑超过23m的供水沿程。
Flowmaster是一款一维的CFD系统仿真软件。对于大型多支路流体输送系统，三维CFD通常在计算能力方面应用效率不高。而一维CFD基于网络节点法综合求解流动和传热问题，将大大节省计算时间，并且在设计早期就能确定泵和管道的相关选型。
由于我个人刚开始熟悉Flowmaster软件，所以我向同事Doug Kolak寻求帮助，仿真我的热水系统（多谢Doug）。没有CAD图纸，我就画了一个草图给他。当然，这么多年都在用电脑键盘，我的绘画能力仅相当于一个8岁孩子^_^。
对于该系统，最显著的改进就是水泵的引入。相对重力，水泵的强制循环能提供更快的供水速度。Flowmaster能在早期就对这两种配置（重力和水泵）进行仿真，并且通过监测水温上升时间和下游水箱蓄水时间来显示泵供水的优势。下图是两种方案的动态展示，有趣的是，你还可以看到由热流前锋引发的水温逐渐上升的动态过程，直到水龙头出口。
Flowmaster模型是由预先设置好流动和传热特性的不同元器件组成，包括水箱、水泵、管道、扩散器、喷射泵、弯头、T型三通，Y型三通等400多种应用范围极广的元件。尽管我这个热水系统模型相对简单，但末端水槽的控制系统却非常值得研究：当水龙头的出口水温超过40℃时，水槽便开始自动蓄水（效果相当于当我手指感觉水太热的时候，就将水龙头移到另一个塑料碗中），当水槽蓄水量超过容量的99%时，水龙头自动关闭。
水泵的引入，在将热水到达水龙头的时间缩短了近一半的同时，也将塑料碗的蓄水时间缩短了一半。而且水龙头的出口水温也有些许的升高（这是由于沿程花费的时间减少了，通过管壁的热量损失也就少了）。如果增大供水管径，水泵将在高流量工作点运行，热水效果会更加明显。事实上我们可以采用逆向设计思路：假设定义水箱的蓄水时间为模型输入值，那么就可以通过迎合该设计目标来获取元件的几何尺寸，几秒钟就能仿真出结果。比起传统的三维CFD软件来，Flowmaster优势巨大。
FloTHERM软件介绍：http://simu-cad.com/product-434.aspx
FloEFD软件介绍：http://simu-cad.com/product-1655.aspx
Flowmaster软件介绍：http://simu-cad.com/product-1654.aspx
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