想要快速地預測諸如房屋這樣暴露在外界環境條件下的封閉結構的溫度嗎？房屋內的溫度取決於周圍的空氣溫度、風速和太陽負荷，而這幾個因素都變化無常。為簡單起見，我們往往近似地認為室內空氣流通足夠充分。今天，我們將討論如何利用 COMSOL Multiphysics 來快速構建此類熱模型。

近似處理房屋內外的氣流

比方說，您想快速預測暴露在外界環境條件下的封閉結構的溫度。它可以是一個小型結構，比如電線杆上的分線盒，或是一個集裝箱，又或是所有人都熟悉的結構：房屋。

首先，我們考慮一所小房子，如下圖所示。其中包含四面牆壁、一個房頂、一間大房間、一扇門和幾扇窗戶。假設有一臺風扇使室內空氣流通很好，這意味著如果測量室內任意一點的空氣溫度，則與室內其他任意點的溫度完全相同。如果我們所研究的房子有混合通風系統，那麼這一假設就是一種非常有效的近似處理方式。

簡單的房屋模型。我們感興趣的是結構內的溫度。

因為空氣流通充分，我們只需求解一個均勻的與空間無關的空氣溫度。由於室內有空調且牆壁也會傳熱，因此室內的空氣溫度會隨時間發生變化。在牆的外側，我們也需要應用熱邊界條件，來反映周圍環境的空氣溫度、風速和太陽熱負荷。

眾所周知，天氣極其難以預測。因此，我們未嘗試構建房屋周圍環境的熱模型，而是選擇採用天氣的歷史資料。美國採暖、製冷與空調工程師協會收集了全世界多個氣象站的資訊，將其編製成一個數據庫。在 COMSOL Multiphysics 5.2a 版本中，這些製成表的資料已可用作模擬時的輸入。

氣象站記錄太陽直接輻照度和散射輻照度、風速以及氣溫。

製成表的氣象資料包含了全球 6000 多個氣象站的歷史資料。由此就可獲得溫度、露點、風速、氣壓、以及太陽直接輻照度和散射輻照度隨日期和時間變化的關係。直接輻照度指直接來自太陽的輻射，而散射輻照度源自直射陽光經過大氣中微粒和雲層而發生散射之後的太陽輻射。您可以使用周邊任何一個氣象站的資料，藉此合理地估計出適合模型的環境條件。至於是使用平均溫度、平均低溫或平均高溫、最低溫或最高溫、露點還是風速，則由您來決定。平均高溫和平均低溫定義為平均溫度加上或減去一個標準差。

兩天中的平均溫度、平均高溫和平均低溫、最高溫和最低溫的樣本圖。

現在，讓我們來看一下怎樣使用 COMSOL Multiphysics 中的新功能來幫助我們對房屋內的空氣溫度以及外部的環境條件進行建模。

室內空氣充分流通：等溫域

要模擬與該所房屋內空氣類似的，流通充分的流體域，可以利用傳熱模組中的等溫域功能。為此，首先要在物理模型設定視窗中勾選相關複選框，如下方螢幕截圖所示。

“等溫域”複選框。

啟用此功能後，便可以將“等溫域”功能新增到傳熱介面，如下方螢幕截圖所示。預設情況下，這個功能會根據指派的材料屬性計算域的總質量和熱容。如需要，也可以不透過計算而直接採用使用者指定的域質量和比熱。

等溫域介面。

等溫域中溫度隨時間的變化取決於經邊界流入域和流出域的熱通量。這透過“等溫域介面”邊界條件來定義，如下方螢幕截圖所示。可以從以下幾個不同的條件中指定一個：熱絕緣、連續性、熱接觸、通風和對流熱通量。最後一個條件“對流熱通量”最適合描述流通充分流體域和固體域之間的傳熱。

等溫域和周圍域之間的邊界條件。

我們已經瞭解瞭如何定義房屋內的平均空氣溫度，現在將視角轉向室外，討論暴露在環境條件下外部表面上的邊界條件。

表格式的環境熱條件：COMSOL Multiphysics 5.2a 版本中的新功能

第一步是依據我們要使用的資料，選擇氣象站的位置。這在所有的傳熱介面中的設定視窗都可以處理，如下圖所示。可以從 6000 個不同的氣象站中選擇，同時選取所需資料的日期和時間。預設情況下，軟體會根據求解器更新時間，所以如果模擬時間非常長，則環境條件會發生改變。

螢幕截圖顯示如何定義外界環境資料。

選中定義環境條件的位置和時間後，周圍空氣溫度和風速即定義完畢，並可由該物理場介面中的其他功能引用，例如由“熱通量”邊界條件引用。

環境溫度、壓力和風速由“熱通量”邊界條件引用。

使用太陽位置選項時，環境太陽輻照度用於外部輻射源功能，如下圖所示。注意此環境資料包含晴朗天空條件下中午的太陽輻射熱通量。在此功能中輸入位置和當日時間後，本軟體會自動重新計算一天內入射太陽光的方向，具體描述請參閱之前關於太陽採暖的部落格文章。
環境太陽輻照度是“外部輻射源”功能的一個輸入項。

我們已瞭解了要使用的所有功能，下面看看一些具有代表性的模擬結果。例如，下方的動畫繪製了溫度隨時間的變化，並顯示太陽通量的入射方向。

展示溫度和入射太陽通量的動畫。

關於 COMSOL Multiphysics 中進行熱模擬的更多可能性

本文中，針對暴露在周圍環境中且內部空氣充分流通的結構，我們討論了模擬類似結構所需的一系列功能。如果要計算自己結構中氣流和空氣溫度變化，請一定閱讀我們的部落格文章“模擬位移通風系統” 。或許還想加熱或冷卻您的結構。請檢視我的上一篇部落格文章“利用事件介面模擬恆溫器”，瞭解該主題的簡介。

或者您對模擬大型建築的通風系統更感興趣。那麼也可以考慮管道流模組，這是 COMSOL Multiphysics 的產品之一。該影片演示讓您深入瞭解用於加熱和通風的管道流模擬。
我們在這裡沒有具體討論牆壁的模擬。上方展示的模型簡單地將牆壁視為材料不同的均勻長方體。COMSOL Multiphysics 是詳細分析因熱橋引起熱損耗的理想平臺。可以利用下面幾個示例模型開始入門：

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