建筑冷熱源系統變工況運行調節(jié)的虛擬仿真教學方法研究

　　摘要在現有教學培養(yǎng)環(huán)節(jié)，一般只講解建筑冷熱源系統在設計工況下的相關知識，部分負荷下的運行調節(jié)作為難點內容很難講解清楚，而培養(yǎng)高質量的運行管理人員是冷熱源機房高效節(jié)能運行的關鍵。在冷熱源系統優(yōu)化設計與運行調節(jié)虛擬仿真實驗中開發(fā)了變工況運行調節(jié)模塊，介紹了建筑冷熱源系統虛擬仿真實驗模塊、冷熱源系統變工況運行調節(jié)方法、冷熱源系統變工況虛擬運行調節(jié)及主要設備運行功率計算與顯示�；�于水泵工作點確定方法這一核心知識點，針對啟動工況、設計工況、部分負荷工況，可將冷熱源系統的實際調節(jié)操作與理論工作點的變化通過人機交互操作直觀深刻地展示出來，使學生能掌握部分負荷工況下冷熱源輸配系統的變流量運行原理與操作。

　　關鍵詞冷熱源變工況運行部分負荷水泵工作點流量調節(jié)運行功率虛擬仿真實驗教學

　　0引言

　　隨著我國經濟的快速增長及人們對室內舒適度的需求逐漸提高，我國建筑供暖空調系統的能耗日益增加，已占到社會總能耗的20%以上，逐步逼近發(fā)達國家30%的水平[1]。我國的能源結構以煤炭為主，大量化石能源的燃燒對環(huán)境造成了極大破壞，霧霾現象頻繁出現，對人們的健康造成危害。近年來國家在節(jié)能減排方面出臺了一系列政策，促進了多樣化建筑冷熱源系統的應用，對設計、施工、運行及管理都提出了新的挑戰(zhàn)。建筑冷熱源系統是一個復雜的系統，由冷熱源主機、室外側排熱設備、用戶側用冷設備、水泵及管路系統組成。

　　建筑供暖論文： 既有大型性公共建筑供暖制冷節(jié)能改造方案實例優(yōu)化分析

　　在教學培養(yǎng)環(huán)節(jié)，一般只講解設計工況下的相關知識，部分負荷下的運行調節(jié)作為難點內容很難講解清楚。雖然參觀與實習可以給學生提供一個現場學習系統運行調節(jié)的真實場景，但很難去實際操作及現場調試系統運行工況。而在工程實踐中建筑冷熱源系統的設計、運行與評價也都存在著嚴重脫節(jié)現象，由于學校運行調節(jié)方面專業(yè)教育的缺乏，設計人員設計時，很少考慮運行環(huán)節(jié)的效果和節(jié)能問題，對設計完的項目也很難去跟蹤實測運行效果或對設計項目進行評價。

　　我國還有很多項目的冷熱源水系統仍然按照定流量運行，水泵運行節(jié)能無從談起[2]。培養(yǎng)高質量的運行管理人員是冷熱源機房節(jié)能運行的關鍵，例如香港太古制冷站主要靠人工運行調節(jié)而成為高效節(jié)能的制冷站[3]。為了更好地完成冷熱源變工況運行調節(jié)的教學，本研究在冷熱源系統優(yōu)化設計與運行調節(jié)虛擬仿真實驗中開發(fā)了變工況運行調節(jié)模塊，本文將詳細講解這個模塊的有關內容。

　　1建筑冷熱源系統虛擬仿真實驗模塊介紹

　　本研究開發(fā)的建筑冷熱源系統優(yōu)化設計與運行調節(jié)虛擬仿真實驗由4個模塊組成，分別為負荷計算模塊、設備選型及方案優(yōu)化分析模塊、系統搭建模塊、系統變工況運行調節(jié)模塊。前3個模塊完成后，會在三維虛擬場景中搭建好冷熱源機房。在此基礎上進行冷熱源系統啟動工況、設計負荷工況、部分負荷工況的運行調節(jié)。4個模塊的內容簡介見文獻[4]，本文將針對模塊4的內容進行詳細說明。

　　2冷熱源系統變工況運行調節(jié)方法

　　2.1變工況運行調節(jié)內容

　　變工況運行調節(jié)的目的是滿足空調系統對冷熱量的需求�？照{區(qū)域內的熱量被空氣帶入空調末端，空氣在空調末端的換熱器中與冷水進行熱量交換，因此這部分熱量又由冷水帶入冷水機組，然后通過冷水機組的制冷循環(huán)排到室外。根據能量守恒定律可知，冷水機組制冷量應等于所服務空調區(qū)域的總冷負荷(外加一定的輸送損失)。由于空調區(qū)域冷負荷隨室外氣象和室內熱源不斷變化，冷水機組制冷量也需隨之變化;而冷水機組制冷量調節(jié)主要由冷水機組出廠時自帶的控制系統完成，冷熱源機房運行管理人員只需在控制面板上設定出水溫度即可，因此冷水機組制冷量調節(jié)不作為虛擬仿真實驗的主要內容，只分析它在不同工況下運行功率和效率的改變。

　　近些年來，冷水機組變流量技術和水泵變頻技術越來越成熟，應用越來越廣泛。但我國大多數空調冷水系統仍然按照定流量方式運行，因此本虛擬仿真實驗將以冷水系統一級泵變流量系統作為展示對象，向學生講授如何調節(jié)冷水流量來滿足空調系統的冷量需求，并實現變流量節(jié)能運行。

　　2.2管路系統流量調節(jié)方法從前文分析可以看出，變工況調節(jié)的主要調節(jié)內容為管路內的冷水流量。管路實際運行的水流量取決于水泵性能曲線與管路特性曲線的交點。當水泵選型完成后，水泵性能曲線便確定下來了，只有在水泵上安裝變頻器進行調節(jié)，才能改變水泵性能曲線[56];而調節(jié)空調末端電動調節(jié)閥、旁通管路電動調節(jié)閥、管路系統中的手動閥門等手段能改變管路系統的特性曲線。

　　3冷熱源系統變工況虛擬運行調節(jié)

　　3.1啟動操作與啟動工況設置啟動操作環(huán)節(jié)的主要目的是使學生掌握冷熱源機房的設備啟動順序，在左側設備列表中自上而下依次點擊各設備，則在右邊頁面中會出現此設備及其控制面板，控制面板是正常尺寸的6倍，以方便在三維虛擬空間中進行操作。學生點擊控制面板上的開關即可啟動此設備。

　　4主要設備運行功率計算與顯示進行冷熱源系統變工況運行調節(jié)的主要目的是降低運行能耗，冷熱源系統的主要耗能設備是主機和水泵，下面仍然以冷水機組系統為例，給出冷水機組和冷水泵運行功率的計算公式，并分析運行調節(jié)過程中各參數的變化對設備運行功率的影響，最后給出設備運行功率的界面顯示方式。

　　5結語

　　本文介紹了在三維虛擬仿真環(huán)境中對冷熱源系統變工況運行模塊的開發(fā)。作為建筑冷熱源系統優(yōu)化設計與運行調節(jié)虛擬仿真實驗的一部分，在系統搭建完成后，訓練了學生按順序啟動系統中所有設備的能力。基于水泵工作點確定方法這一核心知識點，通過閥門調節(jié)操作，將水泵工作點從啟動工況工作點調節(jié)到設計工況工作點，伴隨著學生對閥門的操作，界面上實時顯示出工作點移動過程，通過這種人機交互的操作，使學生掌握冷熱源輸配系統初調節(jié)的原理與操作。

　　仍然基于水泵工作點確定方法這一核心知識點，用2種方法分別進行了部分負荷工況調節(jié)，界面上實時顯示通過調節(jié)空調末端閥門改變管路特性曲線引起的水泵工作點變化過程，以及通過調節(jié)水泵變頻器改變水泵性能曲線引起的水泵工作點變化過程。通過這種人機交互的操作，使學生掌握部分負荷工況下冷熱源輸配系統的變流量運行原理與操作。分析了調節(jié)過程對設備功率的影響，并通過直觀的圖形顯示出來。

　　參考文獻：

　　[1]江億，彭琛，燕達.中國建筑節(jié)能的技術路線圖[J].建筑科技，2012(17)：1219

　　[2]蔡宏武.實際運行調節(jié)下的空調水系統特性研究[D].北京：清華大學，2009：1012

　　[3]清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2014[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：349359

　　[4]曲云霞，謝曉娜，崔萍.虛擬仿真技術輔助的建筑冷熱源系統優(yōu)化設計實踐教學研究[J].暖通空調，2021，51(11)：111115，124

　　作者：謝曉娜☆崔萍曲云霞張林華

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