建筑冷熱源系統(tǒng)變工況運行調(diào)節(jié)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(jīng)濟的快速增長及人們對室內(nèi)舒適度的需求逐漸提高，我國建筑供暖空調(diào)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，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(tǒng)的應用，對設(shè)計、施工、運行及管理都提出了新的挑戰(zhàn)。

建筑冷熱源系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，由冷熱源主機、室外側(cè)排熱設(shè)備、用戶側(cè)用冷設(shè)備、水泵及管路系統(tǒng)組成。在教學培養(yǎng)環(huán)節(jié)，一般只講解設(shè)計工況下的相關(guān)知識，部分負荷下的運行調(diào)節(jié)作為難點內(nèi)容很難講解清楚。雖然參觀與實習可以給學生提供一個現(xiàn)場學習系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的真實場景，但很難去實際操作及現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)運行工況。而在工程實踐中建筑冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計、運行與評價也都存在著嚴重脫節(jié)現(xiàn)象，由于學校運行調(diào)節(jié)方面專業(yè)教育的缺乏，設(shè)計人員設(shè)計時，很少考慮運行環(huán)節(jié)的效果和節(jié)能問題，對設(shè)計完的項目也很難去跟蹤實測運行效果或?qū)υO(shè)計項目進行評價。

我國還有很多項目的冷熱源水系統(tǒng)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(zhì)量的運行管理人員是冷熱源機房節(jié)能運行的關(guān)鍵，例如香港太古制冷站主要靠人工運行調(diào)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(diào)節(jié)的教學，本研究在冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與運行調(diào)節(jié)虛擬仿真實驗中開發(fā)了變工況運行調(diào)節(jié)模塊，本文將詳細講解這個模塊的有關(guān)內(nèi)容。

1 建筑冷熱源系統(tǒng)虛擬仿真實驗模塊介紹

本研究開發(fā)的建筑冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與運行調(diào)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(shè)備選型及方案優(yōu)化分析模塊、系統(tǒng)搭建模塊、系統(tǒng)變工況運行調(diào)節(jié)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(chǔ)上進行冷熱源系統(tǒng)啟動工況、設(shè)計負荷工況、部分負荷工況的運行調(diào)節(jié)。4個模塊的內(nèi)容簡介見文獻[4]，本文將針對模塊4的內(nèi)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(tǒng)變工況運行調(diào)節(jié)方法

2.1 變工況運行調(diào)節(jié)內(nèi)容

變工況運行調(diào)節(jié)的目的是滿足空調(diào)系統(tǒng)對冷熱量的需求?？照{(diào)系統(tǒng)的能量傳遞路線如圖3所示，空調(diào)區(qū)域內(nèi)的熱量被空氣帶入空調(diào)末端，空氣在空調(diào)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(jù)能量守恒定律可知，冷水機組制冷量應等于所服務空調(diào)區(qū)域的總冷負荷(外加一定的輸送損失)。由于空調(diào)區(qū)域冷負荷隨室外氣象和室內(nèi)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(diào)節(jié)主要由冷水機組出廠時自帶的控制系統(tǒng)完成，冷熱源機房運行管理人員只需在控制面板上設(shè)定出水溫度即可，因此冷水機組制冷量調(diào)節(jié)不作為虛擬仿真實驗的主要內(nèi)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(diào)系統(tǒng)能量傳遞路線

近些年來，冷水機組變流量技術(shù)和水泵變頻技術(shù)越來越成熟，應用越來越廣泛。但我國大多數(shù)空調(diào)冷水系統(tǒng)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(tǒng)一級泵變流量系統(tǒng)作為展示對象，如圖4所示，向?qū)W生講授如何調(diào)節(jié)冷水流量來滿足空調(diào)系統(tǒng)的冷量需求，并實現(xiàn)變流量節(jié)能運行。

圖4 冷水一級泵變流量系統(tǒng)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(shè)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(diào)區(qū)域負荷減小時，由于空調(diào)末端換熱面積不變，求解相應的傳熱方程可知空調(diào)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(jié)果，原因為：1) 末端有很多開/關(guān)控制的風機盤管一類的換熱器，導致供回水溫差變??；2) 部分負荷下不一定只靠調(diào)節(jié)水量適應負荷，同時還可能調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shè)計值5 ℃，定供回水溫差來調(diào)節(jié)水量，這也經(jīng)常是一個可行的控制方法，不會影響對運行調(diào)節(jié)方法的講解。

2.2 管路系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方法

從前文分析可以看出，變工況調(diào)節(jié)的主要調(diào)節(jié)內(nèi)容為管路內(nèi)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(diào)節(jié)，才能改變水泵性能曲線[5-6]；而調(diào)節(jié)空調(diào)末端電動調(diào)節(jié)閥、旁通管路電動調(diào)節(jié)閥、管路系統(tǒng)中的手動閥門等手段能改變管路系統(tǒng)的特性曲線。

不同運行工況下的流量調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)操作。

表1 不同運行工況下的流量調(diào)節(jié)方法

3 冷熱源系統(tǒng)變工況虛擬運行調(diào)節(jié)

3.1 啟動操作與啟動工況

設(shè)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(shè)備啟動順序，在左側(cè)設(shè)備列表中自上而下依次點擊各設(shè)備，則在右邊頁面中會出現(xiàn)此設(shè)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(guān)即可啟動此設(shè)備，如圖5所示。

圖5 設(shè)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(shè)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(xiàn)象產(chǎn)生的原因：在水泵選型環(huán)節(jié)，水泵額定流量和揚程均略高于設(shè)計值，因此系統(tǒng)剛啟動后管路內(nèi)的流量高于設(shè)計流量。

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

3.2 初調(diào)節(jié)與設(shè)計工況

在設(shè)計負荷工況下，管路內(nèi)流量應等于設(shè)計流量。因此在啟動工況的基礎(chǔ)上，調(diào)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(diào)節(jié)過程中發(fā)生改變，變?yōu)榍€2，其與水泵性能曲線3的交點會逐漸接近設(shè)計流量的等流量線(直線4)，直到落到直線4上，則調(diào)節(jié)成功。這個調(diào)節(jié)過程稱為初調(diào)節(jié)，這個環(huán)節(jié)通過生動的人機互動，創(chuàng)造深刻的學習情境，使學生掌握初調(diào)節(jié)的原理與方法。

1.啟動時管路特性曲線；2.初調(diào)節(jié)過程中管路特性曲線；3.水泵性能曲線；4.設(shè)計流量等流量線。圖7 通過初調(diào)節(jié)達到設(shè)計流量的調(diào)節(jié)過程

3.3 部分負荷運行調(diào)節(jié)

1) 閥門調(diào)節(jié)。

建筑負荷變小后，空調(diào)末端(簡單起見，這里將所有末端簡化為一個空調(diào)機組末端)對冷水的流量需求減小，自控系統(tǒng)會發(fā)出指令將其電動調(diào)節(jié)閥關(guān)小，因此管路特性曲線(見圖8曲線2)繼續(xù)偏移，變?yōu)榍€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(diào)節(jié)成功。這里將自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動閥門的過程做到界面上，讓學生手動調(diào)節(jié)，加深印象；這一環(huán)節(jié)也通過人機互動創(chuàng)造更深刻的學習情境。

1.啟動時管路特性曲線；2.初調(diào)節(jié)完成后管路特性曲線；3.部分負荷下閥門調(diào)節(jié)過程中管路特性曲線；4.水泵性能曲線；5.設(shè)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(diào)節(jié)達到部分負荷流量的調(diào)節(jié)過程

2) 變頻調(diào)節(jié)。

冷水泵的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。水泵的轉(zhuǎn)速也會隨之改變，水泵的性能曲線(見圖9曲線3)會發(fā)生變化，變?yōu)榍€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(diào)節(jié)成功。這一環(huán)節(jié)也通過人機互動創(chuàng)造更深刻的學習情境。

4 主要設(shè)備運行功率計算與顯示

進行冷熱源系統(tǒng)變工況運行調(diào)節(jié)的主要目的是降低運行能耗，冷熱源系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備是主機和水泵，下面仍然以冷水機組系統(tǒng)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(diào)節(jié)過程中各參數(shù)的變化對設(shè)備運行功率的影響，最后給出設(shè)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(fā)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(shù)。

從式(2)可以看出，當空調(diào)區(qū)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(diào)節(jié)過程中，變化參數(shù)為空調(diào)區(qū)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(guān)系及冷水泵效率與流量的關(guān)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(diào)節(jié)方法的運行功率遠低于閥門調(diào)節(jié)方法的。

4.3 運行結(jié)果顯示

各設(shè)備在不同運行工況下的參數(shù)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(shè)計工況的對比，使學生對變工況運行的節(jié)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(jié)能原因。

圖11 設(shè)備功率實時顯示界面

5 結(jié)語

本文介紹了在三維虛擬仿真環(huán)境中對冷熱源系統(tǒng)變工況運行模塊的開發(fā)。作為建筑冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與運行調(diào)節(jié)虛擬仿真實驗的一部分，在系統(tǒng)搭建完成后，訓練了學生按順序啟動系統(tǒng)中所有設(shè)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(diào)節(jié)操作，將水泵工作點從啟動工況工作點調(diào)節(jié)到設(shè)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(tǒng)初調(diào)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(diào)節(jié)，界面上實時顯示通過調(diào)節(jié)空調(diào)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(diào)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(tǒng)的變流量運行原理與操作。

分析了調(diào)節(jié)過程對設(shè)備功率的影響，并通過直觀的圖形顯示出來。