虛擬仿真技術輔助的建筑冷熱源系統優化設計實踐教學研究*

山東建筑大學 曲云霞 謝曉娜 崔 萍

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，逐漸逼近發達國家的水平(30%)[1]。建筑冷熱源是建筑空調系統的主要耗能設備，也是能否達到暖通空調效果的關鍵。我國的能源結構以煤炭為主，大量化石能源的燃燒對環境造成了極大破壞，對人們的健康造成危害。如何提高冷熱源機房的能源效率已成為廣大設計人員與建筑業主所關注的問題。

建筑冷熱源設備的選擇是建筑環境與能源應用專業的重點和難點。“制冷技術”課程和“建筑熱源”課程分別講授了冷熱源設備構成、原理及性能特點，但其實際的運行效率不只取決于冷熱源設備本身的性能，還與空調系統中其他設備及建筑負荷特點緊密相關。因此，冷熱源設備選型應在負荷已知的情況下與輸配系統設計同步進行，這涉及到“流體輸配管網”和“空氣調節”課程中的一些知識點。“制冷技術”這門課程安排在大四上學期，在此之前，學生已修完其他3門相關課程；在此之后，大四下學期將進行畢業設計。因此考慮在“制冷技術”課程的結尾階段安排一門虛擬仿真實驗課程，實驗內容結合了以上4門課程的相關知識點，讓學生設計一套簡單的冷熱源系統，既達到進一步深化前面課程中所學知識點的目的，又為畢業設計打下一定基礎，使學生提前對畢業設計的整體思路有一定理解。

建筑冷熱源系統優化設計虛擬仿真實驗平臺建立了針對面積為5 000 m2左右的商業或辦公建筑的小型設備庫，學生可設計多種不同參數的冷熱源案例，在軟件界面上完成系統中主要設備的選型，并由軟件內置的選型檢測功能對不符合要求的選型進行報錯，不斷糾正不規范選型。通過在虛擬三維場景中進行系統搭建使學生熟悉系統的構成和管道連接。將冷熱源系統中主要設備參數全面展現并可由學生手動修改，通過在虛擬三維場景中運行搭建好的冷熱源系統，展示不同設備參數下的運行效果；通過構建不同實驗案例，促進學生對設備參數的全面理解，提高冷熱源系統優化設計能力。最后通過一個虛擬仿真實驗案例，更詳細地展示了冷熱源系統的設計過程，使學生的綜合設計能力得到提升。

1 虛擬仿真平臺模塊內容

為了讓學生更好地掌握建筑冷熱源系統設計與運行的相關知識，研究團隊開發了虛擬仿真實驗平臺，該虛擬仿真平臺是基于Unity3D與Maya工具開發完成的。平臺開發時，提前將主要設備的計算模型嵌入平臺底層，學生可通過設定不同的參數調研計算模型進而輸出設備的性能參數。將相關內容分解為11個實驗步驟(如圖1所示)：步驟1～4的輸出結果作為冷熱源系統設備選型的主要依據；步驟5是冷熱源系統優化設計模塊的主頁面，可在此頁面上進行2組以上冷熱源方案的設備選型；步驟6對步驟5中設計的冷熱源系統進行初投資和運行費用估算，并從中選擇最優冷熱源方案；步驟7～9、步驟10～11分別對設計的最優冷熱源系統進行設計工況、部分負荷工況下的運行，通過觀察分析運行數據，理解設備的不同參數取值對運行結果的影響。

圖1 虛擬仿真實驗步驟流程圖

1.1 模塊1：建筑物冷熱負荷計算

建筑物冷熱負荷計算模塊由實驗步驟1～4構成。這一模塊的主要功能為根據建筑物的使用功能和地點，確定建筑物所處熱工分區，讓學生了解和掌握建筑物的結構、使用功能和設計地點對建筑物負荷的影響。

在這一模塊中，可選擇1棟辦公建筑或商業建筑，并對其進行冷熱負荷計算。學生只需選擇建筑地點、建筑類型、建筑體形系數、窗墻面積比、建筑圍護結構類型等信息，軟件會根據選定的這些信息，生成負荷計算需要的室外氣象參數、建筑圍護結構面積、建筑圍護結構傳熱系數等參數，大幅度簡化了負荷計算工作量，與畢業設計的訓練重點互為補充，使學生的注意力放在影響負荷結果主要因素的設定上。通過在實驗過程中設置不同輸入參數，引導學生理解這些參數對負荷計算結果的影響[2-4]，進而研究它們對冷熱源系統設計的影響。在圖2所示軟件界面中，學生可從左至右依次完成選擇建筑類型、選擇空調分區和設定圍護結構熱工參數的操作。在圖3所示軟件界面中，采用冷負荷系數法計算了各部分冷負荷，學生可在界面上修改建筑圍護結構傳熱系數、窗墻面積比、室內產熱量、新風量，并觀察各部分負荷結果的實時變化。

圖2 建筑展示和相關信息輸入頁面

圖3 建筑冷負荷計算頁面

1.2 模塊2：冷熱源設備的初步選型

冷熱源設備的初步選型模塊包含實驗步驟5。該模塊為學生提供了多種冷熱源方案，目的是讓學生了解各種方案的特點及如何進行冷熱源設備選型。

目前軟件里已經嵌入了4種冷熱源方案[5]，分別為：“冷水機組+供熱板式換熱器”“地源熱泵”“冷水機組+燃氣鍋爐”“空氣源熱泵”(見圖4左側)，學生可分別選中這些方案進行設計。每選中1種方案，其包含的主要設備的相關參數就顯示在圖4右側。設備價格隨設備型號臺數的變化也會實時顯示，學生可直觀地理解建筑負荷對設備投資的影響及主機臺數對設備投資的影響。另外，設備參數之間的關聯也可直觀顯示，例如：冷卻塔流量與冷卻水泵、冷水機組冷凝器流量一致，略大于冷水泵水量；而冷水泵流量與冷水機組蒸發器流量一致；各設備的臺數一致，水泵可多選一臺備用等。

圖4 冷熱源方案初選及設備選型頁面

1.3 模塊3：冷熱源方案優化分析

冷熱源方案優化分析模塊包含實驗步驟6。冷熱源方案的優化包括冷熱源設備的初投資分析和運行費用分析兩部分。該模塊的主要目的是讓學生了解冷熱源方案的確定原則及費用計算方法。

1.發揮資源優勢，做強冰雪旅游產業。冰雪旅游業是冰雪產業的主體，發展冰雪產業，首先要做強冰雪旅游業。吉林省應以冰雪資源優勢為基礎，以長吉都市、長白山、查干湖地區為中心，結合地域特色，實現錯位有序發展，建成“一山、兩城、三區”的冰雪旅游產業空間發展布局，構建知名冰雪產業品牌。

由模塊2確定了冷熱源設備的初步選型之后，便可作為冷熱源方案優化頁面的備選方案；有2種以上備選方案，則可點擊進入到方案優化頁面，如圖5所示，設備優化頁面將會給出每種冷熱源方案的設備投資、預估運行費用、全壽命周期費用等數據，作為最終確定冷熱源方案的主要依據。

圖5 冷熱源方案優化頁面

1.4 模塊4：冷熱源系統的構建及運行工況分析

冷熱源系統的構建及運行工況分析模塊包含實驗步驟7～11。

冷熱源設備選型確定之后，最關鍵的內容是如何將冷熱源設備與空調末端系統相連接。這一模塊的主要目標是讓學生了解和掌握集中空調系統的冷熱源及其附屬設備有哪些、冷熱源設備與末端空調設備如何連接、影響系統運行工況的因素有哪些。

確定冷熱源方案后，在三維場景中進行設備擺放及管道連接(如圖6所示)，能夠幫助學生克服空間想象力不足的問題，從而更好地完成機房系統圖的繪制工作。

圖6 三維場景的冷熱源機房

各設備旁邊均有控制面板，是常規尺寸的6倍，以方便學生對設備進行開關操作。還可對設備的一些運行參數進行調整，例如調整冷卻塔出水溫度后，會彈出冷水機組COP隨之變化的規律(如圖7所示)。在三維情境中嵌入這些知識，更有利于學生將理論與實際相結合，更深入地掌握相關知識。

圖7 調整冷卻塔出水溫度對冷水機組COP的影響

在運行環節，訓練學生按順序啟動設備，并進行運行初調節。運行能耗顯示界面(見圖8)能夠展示冷水機組和水泵當前運行功率和運行效率。

學生可體驗2種部分負荷調節方式：閥門調節和變頻器調節(如圖9所示)，部分負荷運行能耗也將展示在與圖8相似的界面中。在此過程中，學生可體會水流量變化后水泵工作點的偏移，以及由此導致的水泵功率和運行效率的變化(如圖8所示)；據此可向學生講解合理進行水泵選型的重要性。

圖8 運行能耗顯示界面

圖9 2種部分負荷調節方式的頁面

2 虛擬仿真實驗案例

在模塊1中將建筑地點分別選擇為哈爾濱和上海，建筑類型選擇辦公建筑，體形系數設為0.3，窗墻面積比設為0.3，并按照GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》設定圍護結構傳熱系數和室內產熱量，形成2種工況。運行虛擬仿真實驗軟件2次，建筑冷熱負荷計算結果見表1。

表1 建筑冷熱負荷計算結果

在模塊2中，針對工況1設計4種冷熱源方案，針對工況2設計3種冷熱源方案。在模塊3中，計算各方案的初投資、年運行費用,結果列于表2中。引導學生以經濟性指標為基礎數據選擇冷熱源方案。

對于工況1哈爾濱地區的建筑，冷水機組+城市熱網方案總投資較高，運行費用也較高，地源熱泵方案總投資最高，但運行費用最低，冷水機組+燃氣鍋爐方案總投資最低，運行費用接近最低，空氣源熱泵方案總投資較高，運行費用非常高。因此，在哈爾濱地區，首先可以排除空氣源熱泵方案。剩下的3種方案中：經濟性最差的是冷水機組+城市熱網，但這種方案熱源穩定、建設周期短；另外2種方案中冷水機組+燃氣鍋爐經濟性最好，但要考慮天然氣冬季可能出現短缺的問題；地源熱泵的經濟性雖然也比較好，但需要有足夠埋管場地。

對于工況2上海地區的建筑，由于上海地區無城市熱網，因此不考慮冷水機組+城市熱網方案，地源熱泵方案總投資明顯高于其他方案，雖然運行費用最低，但投資回收期較長，冷水機組+燃氣鍋爐方案初投資位于其他2種方案之間，運行費用與地源熱泵方案相近，若當地氣源充足，建議選用這種方案，空氣源熱泵總投資最低，運行費用雖然較高，但從經濟性上看也可以作為備選方案，空氣源熱泵需要安裝在室外，要解決好安裝場地的問題。

表2 不同方案的經濟性指標 萬元

在模塊4中對選定的冷熱源系統進行搭建、啟動、初調節及部分負荷調節的操作。

以哈爾濱地區冷水機組系統為例，在學生按照指導完成搭建及啟動系統的操作后，布置他們記錄系統的主要設備運行功率，并在改變冷卻塔出口水溫和冷水機組出口水溫后，再次記錄設備運行功率，如表3所示。引導學生分析冷卻塔出口水溫和冷水機組出口水溫對主機運行功率的影響。

表3 改變水溫對主機運行功率的影響

記錄初調節前后的冷水泵運行功率和效率，結果見表4，引導學生對初調節的作用進行分析。

表4 初調節對冷水泵運行功率及效率的影響

在冷水泵選型時，若水泵的額定流量和揚程與設計流量和管路總阻力比較接近，如圖10a所示，則系統啟動后是否進行初調節對水泵運行功率影響較小(如表4所示)。但由于管路阻力影響因素復雜，難以準確計算，因此設計人員在水泵選型時偏向于揚程更大的水泵，以提高安全余量，這樣往往會造成系統啟動后，水泵流量高于設計流量(如圖10b所示)，水泵運行功率高，運行效率低。因此系統啟動后，必須進行管路系統的初調節(如圖10c所示)，將水泵流量降低到設計流量，從而降低水泵運行功率(如表4所示)，提高水泵運行效率[7]。

圖10 選型過大對水泵工作點的影響

部分負荷時，水泵可以定流量或者變流量運行，變流量運行又分為2種方式：調節閥門實現變流量運行，以及調節變頻器實現變流量運行。讓學生將這3種情況下的冷水泵運行功率和運行效率記錄在表5中，并引導他們進行分析：變流量運行能夠降低水泵運行功率，其中調節變頻器方式的節能效果更明顯。

表5 變流量調節對水泵運行功率及效率的影響

3 結語

建筑冷熱源系統設計涉及到的知識分布在各專業課中，各專業課教師主要著重于本課程內容的講解，而不同內容之間的關聯成了教學真空地帶。畢業設計教學環節設置的目的是填補這個真空地帶，但實際實施時發現存在很多問題。為了解決現有教學體系在冷熱源設計能力培養中的缺陷，本研究開發了虛擬仿真教學軟件作為現有教學體系的補充。

以面積為5 000 m2左右的商業建筑或辦公建筑為例，學生可自主選擇設計地點，選擇不同圍護結構參數，然后即可在軟件界面上完成系統中主要設備的選型，并由軟件內置的選型檢測功能對不符合要求的選型進行報錯，不斷糾正不規范選型。通過在虛擬三維場景中進行系統搭建以熟悉系統的構成和管道連接。將冷熱源系統中主要設備參數全面展現并可由學生手動修改，通過在虛擬三維場景中運行搭建好的冷熱源系統，可展示不同設備參數下的運行效果；通過構建不同實驗案例，促進學生對設備參數的全面理解，提高冷熱源系統優化設計能力。

通過對筆者所在學校建環專業大三與大四學生開展該虛擬仿真實驗教學的數據統計結果發現，大部分學生能夠自主設計冷熱源系統并對系統進行調試運行，實現了三維可構建、可模擬、可運行的系統設計。同時據學生反饋，該實驗平臺以三維動畫及任務驅動的方式進行虛擬實驗，學習趣味性較強，激發了學生自主學習的積極性。通過該實驗項目的學習，學生將全面了解建筑冷熱源系統，掌握冷熱源系統各主要設備的運行原理及系統設計方法，進一步加深對理論知識與系統專業知識的理解，提升綜合運用專業知識解決實際工程問題的能力。