建筑冷熱源系統變工況運行調節的虛擬仿真教學方法研究*

山東建筑大學 謝曉娜 崔 萍 曲云霞 張林華

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。

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。在教學培養環節，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現象，由于學校運行調節方面專業教育的缺乏，設計人員設計時，很少考慮運行環節的效果和節能問題，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，水泵運行節能無從談起[2]。培養高質量的運行管理人員是冷熱源機房節能運行的關鍵，例如香港太古制冷站主要靠人工運行調節而成為高效節能的制冷站[3]。為了更好地完成冷熱源變工況運行調節的教學，本研究在冷熱源系統優化設計與運行調節虛擬仿真實驗中開發了變工況運行調節模塊，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

本研究開發的建筑冷熱源系統優化設計與運行調節虛擬仿真實驗由4個模塊組成，分別為負荷計算模塊、設備選型及方案優化分析模塊、系統搭建模塊、系統變工況運行調節模塊，如圖1所示。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，如圖2所示。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。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。

圖2 在三維虛擬場景中搭建的冷熱源機房

2 冷熱源系統變工況運行調節方法

2.1 變工況運行調節內容

變工況運行調節的目的是滿足空調系統對冷熱量的需求。空調系統的能量傳遞路線如圖3所示，空調區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域的總冷負荷(外加一定的輸送損失)。由于空調區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。

圖3 空調系統能量傳遞路線

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，如圖4所示，向學生講授如何調節冷水流量來滿足空調系統的冷量需求，并實現變流量節能運行。

圖4 冷水一級泵變流量系統示意圖

冷水流量可用式(1)計算：

式中 G為冷水流量，m3/s；Q為冷水機組制冷量，W；cp為冷水比定壓熱容，J/(kg·K)；ρ為冷水密度，kg/m3；Δt為冷水供回水溫差，℃。

在設計工況下，供回水溫差取5 ℃，代入式(1)可得到相應的冷水流量。當空調區域負荷減小時，由于空調末端換熱面積不變，求解相應的傳熱方程可知空調末端需要的冷水流量會減小，供回水溫差將大于5 ℃[2]。實際上供回水溫差小于理論求解結果，原因為：1) 末端有很多開/關控制的風機盤管一類的換熱器，導致供回水溫差變小；2) 部分負荷下不一定只靠調節水量適應負荷，同時還可能調節風量適應負荷，抑制了供回水溫差的增大；3) 各支路負荷峰值會不同步，各支路水量調節策略也有所不同，導致總水量變化不大。在本虛擬仿真實驗中取供回水溫差等于設計值5 ℃，定供回水溫差來調節水量，這也經常是一個可行的控制方法，不會影響對運行調節方法的講解。

2.2 管路系統流量調節方法

從前文分析可以看出，變工況調節的主要調節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，才能改變水泵性能曲線[5-6]；而調節空調末端電動調節閥、旁通管路電動調節閥、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。

不同運行工況下的流量調節方法如表1所示，下面將分別在虛擬仿真場景中進行這些運行調節操作。

表1 不同運行工況下的流量調節方法

3 冷熱源系統變工況虛擬運行調節

3.1 啟動操作與啟動工況

設置啟動操作環節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，如圖5所示。

圖5 設備開啟順序與方法

啟動完成后，接著進入水泵工作點確定界面，如圖6所示，這里需要學生掌握管路特性曲線1與水泵性能曲線2的交點即為冷水泵工作點這一知識點。從圖6還可以看出冷水泵工作點的流量高于設計流量(兩曲線交點在直線3右邊)，此時需要實驗輔導教師講解清楚這種現象產生的原因：在水泵選型環節，水泵額定流量和揚程均略高于設計值，因此系統剛啟動后管路內的流量高于設計流量。

1.管路特性曲線；2.水泵性能曲線；3.設計流量等流量線。圖6 啟動工況下的水泵工作點

3.2 初調節與設計工況

在設計負荷工況下，管路內流量應等于設計流量。因此在啟動工況的基礎上，調小機房管路上的手動閥門(一般是分、集水器上的閥門，這里以分水器閥門為例)，則管路特性曲線(見圖7曲線1)在閥門調節過程中發生改變，變為曲線2，其與水泵性能曲線3的交點會逐漸接近設計流量的等流量線(直線4)，直到落到直線4上，則調節成功。這個調節過程稱為初調節，這個環節通過生動的人機互動，創造深刻的學習情境，使學生掌握初調節的原理與方法。

1.啟動時管路特性曲線；2.初調節過程中管路特性曲線；3.水泵性能曲線；4.設計流量等流量線。圖7 通過初調節達到設計流量的調節過程

3.3 部分負荷運行調節

1) 閥門調節。

建筑負荷變小后，空調末端(簡單起見，這里將所有末端簡化為一個空調機組末端)對冷水的流量需求減小，自控系統會發出指令將其電動調節閥關小，因此管路特性曲線(見圖8曲線2)繼續偏移，變為曲線3。其與水泵特性曲線4的交點逐漸接近部分負荷工況下運行流量的等流量線(直線6)，直到落到直線6上，則調節成功。這里將自控系統調節電動閥門的過程做到界面上，讓學生手動調節，加深印象；這一環節也通過人機互動創造更深刻的學習情境。

1.啟動時管路特性曲線；2.初調節完成后管路特性曲線；3.部分負荷下閥門調節過程中管路特性曲線；4.水泵性能曲線；5.設計流量等流量線；6.部分負荷運行流量等流量線。圖8 通過閥門調節達到部分負荷流量的調節過程

2) 變頻調節。

冷水泵的轉動頻率與電動機供電頻率一致，我國供電體系的供電頻率為50 Hz。在冷水泵電動機上安裝變頻器，可平滑地改變異步電動機的供電頻率，即可改變電動機轉子的轉速。水泵的轉速也會隨之改變，水泵的性能曲線(見圖9曲線3)會發生變化，變為曲線4，其與管路特性曲線2的交點向部分負荷運行流量的等流量線6偏移，直到落到直線6上，則調節成功。這一環節也通過人機互動創造更深刻的學習情境。

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。

4.1 冷水機組運行功率

當冷水機組的制冷量發生變化時，其運行功率計算公式如下[7]：

式中 Pc為冷水機組運行功率，W；COP為冷水機組性能系數。

從式(2)可以看出，當空調區域冷負荷(冷水機組的制冷量)減小時，冷水機組運行功率也會隨之減小，減小幅度受冷水機組運行COP的影響。在變工況運行調節過程中，變化參數為空調區域冷負荷和冷水流量；冷水流量對COP影響較小，因此這里只考慮負荷率對COP的影響，如圖10所示。

圖10 變工況下冷水機組COP與負荷率的關系及冷水泵效率與流量的關系

4.2 水泵運行功率

水泵運行功率的計算公式如下[8]：

Pp=ρgGHη1η2

(3)

式中 Pp為水泵運行功率，W；H為水泵運行揚程，m；η1為水泵運行效率；η2為電動機效率。

從式(3)可以看出，水泵運行功率主要取決于運行流量與運行揚程的乘積，另外還受水泵運行效率的影響。將圖8、9所示工作點的流量和揚程代入式(3)，可以計算出變頻調節方法的運行功率遠低于閥門調節方法的。

4.3 運行結果顯示

各設備在不同運行工況下的參數會在實驗界面上以匯總報告的形式實時顯示，如圖11所示。為了讓學生更直觀地理解部分負荷下運行功率降低的效果，采用圖10所示的形式表示冷水機組運行功率與COP曲線、水泵運行功率與效率曲線。圖10中上部通過指針的指向直觀顯示部分負荷工況下運行功率與設計工況的對比，使學生對變工況運行的節能潛力有直觀的認識；下部冷水機組COP曲線和水泵運行效率曲線以圖形形式顯示出來，便于學生對照式(2)、(3)分析節能原因。

圖11 設備功率實時顯示界面

5 結語

本文介紹了在三維虛擬仿真環境中對冷熱源系統變工況運行模塊的開發。作為建筑冷熱源系統優化設計與運行調節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，通過閥門調節操作，將水泵工作點從啟動工況工作點調節到設計工況工作點，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，界面上實時顯示通過調節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。

分析了調節過程對設備功率的影響，并通過直觀的圖形顯示出來。