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放射加熱, 冷却, 融雪の目に見えない不思議

Viega のエンジニアは, シミュレーションアプリケーションを使用して有限要素モデリングの結果をお客様と共有し, 住宅用および商業用の両方のアプリケーション用の放射冷暖房システムを設計する際に貴重なエンジニアリングサポートを提供します.


Nicolas Huc著
2019年7月

救急隊員が日常的に競争する時間との戦い, 救急車や緊急ヘリコプターの運転に伴うパニック, ストレス, アドレナリン, ラッシュを想像してください. 次に, 真冬に緊急作業員が現場に到着し, 氷と雪に覆われたヘリコプターの着陸ゾーンを見つけたところを想像してみてください. このような厳しい時間的制約の下で, この領域を十分に早くシャベルでかくことはできるのでしょうか? 隠された氷の上で滑ってしまう緊急車両はどうですか?このように大変な状況で, これらの北極の状態のなすがままに置かれることはリスクに値するのでしょうか?

患者輸送用の緊急ヘリコプター格納庫.

幸いなことに, これらの問題を防ぐことができる技術があり, それはますます顕著になりつつあります. 温水融雪システムです. サーマルマス(通常はコンクリート)で覆われた配管により, 融雪を必要とする領域全体に温水を循環させます. 緊急事態では,適切に設計されている場合, システムは氷と雪の蓄積を防ぎ, 手動でのクリーンアップの必要性を軽減します.

暖房または冷房が必要なアプリケーションの場合, 放射床システムは同様の配管設計を使用して, 床の下に設置された配管内の水の流れと温度を調整することにより, 空間の流れと温度を制御します(図2).

気候パネルの放射管(左). コンクリートの放射管(右).

輻射加熱システムの設計と製造を行う会社である Viega は, 特別な温度制御方法が必要な状況への取り組みを支援しています.

放射床システム

それらはローマ帝国以来様々な形で存在してきましたが, 放射システムは商業および住宅用途の両方のために現代社会で特に有用であることが判明しています. 放射暖房は, 床暖房のアプリケーションだけでなく, 部屋の温度を制御するためにも使用されます. 床を暖かい温度に保つことができるとき, それは部屋の熱放射を放ちます. この放射線は不透明な表面でのみ吸収されます. つまり, それは私たちの体に吸収され(空気には吸収されない), 温かい感覚を生み出します.

チューブのレイアウトは, Viega によって特定の構成で設計されています. 次に, 配管はパネルシステムのフローリングの下に配置されます. 温水(または冷却アプリケーションでは冷水)がチューブを流れ, 周囲の材料を加熱します. 床の最上面は, 部屋の残りの部分に熱を放射します. これは, 日陰の場所から日当たりの良い場所に移動するときと同じです. 気温は同じですが, 熱放射の吸収のため, 肌はかなり温かくなります. 特別なチューブは, 架橋された高密度ポリエチレン(一般にPEXとして知られています)でできています. 架橋の利点は2つあります. それは, より高い温度と圧力に耐える能力を提供することと, 応力亀裂に対する耐性を高めることです. これらのチューブは, 温度と圧力の定格, 最小曲げ半径, およびパイプ壁の厚さの基準に準拠して, 厳しく検証されています.

最近注目されるようになった建築設計の最前線での環境意識とエネルギー効率は, 放射暖房の人気の高まりに大きく貢献しています. 輻射暖房システムは, 最新の高効率水ボイラーと非常に相性が良く, 空気を循環させず, ベースボードシステムよりも低い水温(115°F対180°F)を利用するため, エネルギー消費を最適化します. 配管の水温は, バルブの開閉によって簡単に制御され、部屋全体でより一定の温度になります.

システム設計

Viega の冷暖房設計の責任者であるBrett Austin氏は, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用して, お客様のニーズを満たすシステムを設計しています. 「COMSOL® は私たちの冷暖房設計とレイアウトプログラムを補完します」とAustin氏は言います. 「私たちはレイアウトをフロアプランに描き, それを COMSOL に移動し, 最終的にお客様と共有します. シミュレーションのおかげで, 設計を裏付けるためのエンジニアリングデータを提供することができます.」プロジェクトが提案されると, 現場の機械エンジニアが冷暖房出力, 構造仕様, 床材, および通常は許容可能な水温の範囲に関する要件を提供します. 次に, シミュレーションを使用して, チューブの配置と間隔, 温度分布(図3), および加熱または冷却能力を決定し, お客様のニーズが確実に満たされるようにします. 「COMSOL は主に, 多方向出力またはより複雑な構造がある非標準アプリケーションに役立ちます」とAustin氏は言う.

輻射加熱システムの断面温度分布. 矢印は伝導熱流束の方向を示し, 床の上面,つまり上部の空気への熱伝達率を示します. 温度は°Fで表示されます.

Viega は, シミュレーションアプリケーションと COMSOL Server™ を使用してお客様と共有することにより, マルチフィジックスシミュレーションのメリットを享受しています. Viega のチームは, 見込みのお客様と面会しているときに, 水温や配管の直径などのパラメータをすばやく調整し, 加熱または冷却システムの出力をその場で表示できるようになりました. 「潜在的なお客様は多くの場合, 初めに複数の反復を含む多くの質問をします」とAustin 氏は説明します. 「しかし, シミュレーションアプリケーションを使用することで, 視覚化の貴重なサービスを期待以上のレベルで提供できます. これは, オフィスから世界中のほぼどこへでもデータを共有できる優れたツールです.」

ARTIC

南カリフォルニアのような環境では, 冷房の方が暖房よりも快適さをもたらすことが多いです. そのため, アナハイム地域交通総合輸送センター(ARTIC, 図4)は, 放射冷却システムの設置について尋ねるためにViega に来てくれました. 建物のサイズが大きいため, 強制空気循環システムを実現することはほぼ不可能であり, 絶望的に高価になります. もう一度, チームはフローリングの小さな部分をモデル化し, レイアウト全体にデータを外挿してみました. しかし, この状況にはいくつかの追加の困難があり, Austin氏のバランス調整がかなり必要でした. まず, ドーム型の構造と大きな窓スペースのために(図5), 異常に高い太陽光発電があり, 建物に大きな熱エネルギーが追加されていました. したがって, これに対抗するには, 冷却能力を非常に高くする必要がありました. 反対に, ARTIC 側のエンジニアによる制約のため, チューブの水温は通常の冷却システムよりもはるかに低くする必要がありました(50°F対58°F). しかし, チュービングが密集していた一部のエリアでは, 温度が露点付近の床の表面に近づいていたため, Viega は, 結露の心配がないことをお客様にお伝えし,安心していただきたいと考えておりました.

アナハイム地域輸送相互輸送センター(ARTIC). 左:実際の床が敷かれる前の, 放射暖房システムが取り付けられた ARTIC.右:ARTIC内部の最終結果.

チームは, COMSOL Multiphysics を使用して, 結露の発生を防ぐために何をすべきかを決定することができました. パイプの周りに断熱材の薄い層を取り付けることにしました. 「私たちは, 現場のエンジニアと一緒に解決法を考案し, 供給チューブの上に絶縁層を追加して, 出力をわずかに減らしました」とAustin氏は言います.「直感に反するように見えますが, この場合, 構造上の制約により, チューブが密集している領域での結露を防ぎます.」さらにチームは, 他のプロジェクトでは, COMSOL を使用して時間依存のシミュレーションを実行し, 床のスラブを一晩冷却してエネルギーを節約する制御戦略の開発も支援しました. 冷水は一晩中流され, コンクリートを低温に冷却します. 午前中は水が止まり, 床の温度は1日中冷えます. これは必要な冷却力の削減に大きく貢献します. シミュレーションを通して, 出力が1日を通してどれだけ続くか, およびこれが実行可能な戦略であるかどうかを確認することができました.

サンバレースキーリゾート

融雪システムは, 非常口やヘリコプターの着陸台の重要な安全機能として機能することもできますが, スペクトルのもう一方の端である「贅沢」においても, 同じように役立つことができます. 高級スキー場は顧客の安全を非常に重視しており, 洗練された信頼性の高い融雪システムは不可欠です. 融雪システムでは, 地面が暖かい温度に保たれ, 雪と氷が継続的に溶けます.

Viega がアイダホ州ケッチャムにあるサンバレースキーリゾートから依頼を受けたとき, Austin氏は彼らがやろうとしている仕事がどれほど大きいかを知っていました. スキーリゾートは, リゾート全体に輝く融雪システムを設置することを望んでおり, 60,000平方フィートを超える散歩エリアと私道が必要でした. シミュレーションを使用してこのような大規模なプロジェクトを担うには, Austin氏と彼のチームがシステムのセクションをモデル化する必要がありました. 「幸いなことに, ほとんどの仕事には同じようなタイプのパネルがあります」と彼は説明します.「内部プログラムを使用して, CAD形式でセクションを描画しました. 」次に, ソフトウェアのおかげで, 小さな切り抜きを描画し, 放射パネルの材料特性と水温を指定して, サンバレーの担当者に結果をスムーズに提示することができ, この仕事の完成に大きく貢献しました.

アイダホ州のサンバレースキーリゾートに設置されたチューブ.

サンバレースキーリゾートは, Viega の設計と設置から多大な利益を得ました. 歩道が多いすべての経路とエリアが含まれていました(図6). これらのエリアを耕したりシ ャベルで掘ったりすることが常に可能であるとは限らなかったため, 別の除雪方法が必要でした. このような融雪システムは, 塩分や化学薬品を必要としないため, 掃除の規模を最小限に抑え, メンテナンスを削減し, プロ的な外観を作ってくれます.また, 最も重要なこととして, 安全性がさらに高まり, 「氷のない」ゾーンが可能になるため, ライアビリティーが軽減されます.

COMSOL Server™での作業を続行

COMSOL Server は, Viega のサービスを販売チームと結びつける強力なソリューションを提供しています. 「COMSOL は私たちの仕事に多くの付加価値を与え, 有限要素モデリングを私たちの営業チームに拡張してくれました」とAustin氏は言います. 「ソフトウェアは非常に直感的で使いやすいものでした. 将来的には, より多くのフィジックスインターフェースを組み合わせて使用して, モデリング機能を強化する予定です.」

A photograph of four members of the Viega design team. Viega
Viega のチーム. 左から右へ:Liam Collins, 準放射設計エンジニア, Travis Simoneau, 準放射設計エンジニア, Josef Marcum, 放射設計エンジニア, Brett Austin, 監督, 熱冷却デザイン.

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