《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實驗》 教案 8-9空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實驗

空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實驗1.實驗?zāi)康蘑偻ㄟ^“沉浸式”探索和學(xué)習(xí)，掌握冷熱源為風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)，末端為由一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)和風(fēng)機盤管+獨立新風(fēng)系統(tǒng)的完整的中央空調(diào)系統(tǒng)的組成和管路形式，深入了解系統(tǒng)中各種設(shè)備、閥件、構(gòu)件的工作原理和應(yīng)用思路。②通過對空調(diào)末端及冷熱源系統(tǒng)多項影響參數(shù)的變工況虛擬實驗分析，全面地掌握新風(fēng)機、全空氣處理機、風(fēng)機盤管、風(fēng)冷熱泵等設(shè)備及中央空調(diào)系統(tǒng)性能的影響因素、規(guī)律和內(nèi)在機理，了解冷熱源與末端之間的動態(tài)耦合。③通過自主性、探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和思考的能力，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，激發(fā)創(chuàng)新思維。2.實驗原理空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實驗構(gòu)建了以風(fēng)冷熱泵機組為冷熱源，風(fēng)機盤管+獨立新風(fēng)系統(tǒng)，全空氣系統(tǒng)為空調(diào)末端的三維仿真模型，并基于該模型設(shè)計了變工況虛擬實驗。空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。冷源系統(tǒng)設(shè)置2臺風(fēng)冷熱泵機組，配套兩臺空調(diào)水泵，機組提供冷凍水供給末端系統(tǒng)，再經(jīng)過水泵送回?zé)岜脵C組，循環(huán)反復(fù)進行換熱?？照{(diào)末端系統(tǒng)共有1層全空氣系統(tǒng)和8層風(fēng)機盤管+獨立新風(fēng)系統(tǒng)，管路采用異程式連接。系統(tǒng)管路設(shè)置了手動、自動閥門及監(jiān)測系統(tǒng)儀表的構(gòu)件。風(fēng)冷熱泵機組供冷(（熱）量按以下公式計算： Q0=cVρ?t3600式中Q0——機組制冷（熱）量，V——空調(diào)水平均流量，m3/h；?t——供回水溫差，℃；ρ——水平均密度（kg/m3）；c——平均溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）。圖1空調(diào)系統(tǒng)原理圖冷源系統(tǒng)的能效比COPC可按下式計算： COPc=Q0N式中COP——熱泵機組的制冷（制熱）性能系數(shù)，W/W；COPc——冷源系統(tǒng)的能效比，W/WQ0——機組測定工況下的平均制冷（熱）量，WNj——冷源系統(tǒng)各設(shè)備的凈輸入功率總和，kW風(fēng)冷熱泵冷源系統(tǒng)設(shè)備包括熱泵機組和冷凍水泵。風(fēng)機盤管、新風(fēng)機、全空氣系統(tǒng)空氣處理機組，風(fēng)側(cè)供冷（熱）量可按以下公式計算： Qa=Gaρ式中Qa——機組風(fēng)側(cè)供冷（熱）量，Ga——實測風(fēng)量，m3/hρa——環(huán)境中濕空氣密度，kg/m3h1a——進風(fēng)口濕空氣的焓值，kJ/kg（ah2a——出風(fēng)口濕空氣的焓值，kJ/kg（a水側(cè)供冷（熱）量按以下公式計算： Qw=cGwρ式中Qw——Gw——水流量，m3/hρw——水密度，kg/m3t1w——機組進水溫度，℃t2w——機組出水溫度，℃c——平均溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）。熱泵機組內(nèi)部的蒸發(fā)器、冷凝器，末端空調(diào)設(shè)備的表冷器等均屬于間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備，其換熱量計算如下式所示： Q=K0A0式中Q——間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的換熱量，W；K0，Ki——換熱器管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、換熱器管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，A0，Ai——換熱器管外表面面積、換熱器管內(nèi)表面面積，m?t——冷、熱流體總溫差。傳熱系數(shù)計算公式如下： K0=1d0 Ki=1d0式中d0，di——λ——換熱器管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/K·℃；h0，hi——換熱器管外流體對流換熱系數(shù)、管內(nèi)流體對流換熱系數(shù)，根據(jù)傳熱學(xué)，流體溫度和流速均勻是影響流體對流換熱系數(shù)的重要因素。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)冷凍水溫度、流量發(fā)生變化時，冷水機組蒸發(fā)器、末端空調(diào)設(shè)備的換熱量都會發(fā)生變化，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源與末端換熱耦合，對建筑的供冷量發(fā)生變化。冷凍水泵輸送系數(shù)RRE反映水泵單位能耗輸送的供冷量，按以下公式計算： RRE=Q0Nb式中RRE——水泵輸送系數(shù)；Q0——系統(tǒng)供冷量，kWNb——水泵耗功率，kW末端設(shè)備能效系數(shù)EER反映末端設(shè)備單位能耗提供的供冷量，按以下公式計算： EER=Q0Nk式中EER——末端設(shè)備能效系數(shù)；Q0——系統(tǒng)供冷量，kWNk——末端設(shè)備耗功率，kW3.實驗系統(tǒng)及裝置空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用Web端訪問形式，無需安裝任何插件。電腦相關(guān)配置要求如下：①操作系統(tǒng)：WindowsServer2008R2及以上版本；②Web服務(wù)程序：IIS7.0及以上版本Microsoft.NETFramework4.0；③推薦使用chrome瀏覽器（其他瀏覽器可能出現(xiàn)操作命令沖突）； ④支持操作系統(tǒng)WindowsXP\7\8\10等版本，可兼容32位和64位。⑤在實驗過程中涉及數(shù)據(jù)分析、報告編寫，電腦應(yīng)安裝由MicrosoftOffice、WPS等文檔軟件。4.實驗步驟及方法1）實驗系統(tǒng)登錄（1）重慶大學(xué)校內(nèi)學(xué)生通過重慶大學(xué)官網(wǎng)服務(wù)大廳進入個人信息門戶，檢索“虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺”，在左側(cè)菜單“我的實驗”中找到必修實驗《空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實驗》如圖2、圖3所示。圖2重慶大學(xué)官網(wǎng)圖3檢索虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺（2）其他學(xué)校學(xué)生由虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺，登錄進入，在左側(cè)菜單“我的實驗”中找到必修實驗《空調(diào)系統(tǒng)綜合虛擬仿真實驗》，如圖4所示。圖4虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺2）自主實驗①進入實驗后，可點擊“學(xué)習(xí)資料”下載實驗報告等學(xué)習(xí)資料，點擊“開始實驗”進入實驗操作。②進入實驗操作之后，可點擊觀看學(xué)習(xí)視頻。③點擊“虛擬實驗操作”，進入實驗項目操作，平臺會自動跳轉(zhuǎn)進入“虛擬仿真實驗系統(tǒng)”，如圖5、圖6所示。圖5進入實驗操作系統(tǒng)圖6系統(tǒng)加載（4）在虛擬實驗系統(tǒng)中，依次完成“課前自學(xué)”、“系統(tǒng)探索”、“虛擬實驗”3部分實驗內(nèi)容。課前自學(xué)中可以下載學(xué)習(xí)資料，利用網(wǎng)站鏈接查找所需資料?！跋到y(tǒng)探索”空調(diào)系統(tǒng)三維仿真模型由頂層風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)、9層全空氣末端系統(tǒng)、1~8層風(fēng)機盤管+獨立新風(fēng)末端系統(tǒng)組成，初次使用大概需要1~3min的加載時間，如圖7所示。按照左下角操作提示，觀看模型系統(tǒng)，可點擊任意閥門、設(shè)備，查看知識解說。圖7三維仿真模型完成系統(tǒng)探索之后，進行“虛擬實驗”，如圖8所示。圖8虛擬實驗系統(tǒng)實驗可改變冷凍水溫度、冷凍水流量、AHU系統(tǒng)開閉狀態(tài)、AHU系統(tǒng)水閥開度、風(fēng)機盤管風(fēng)檔（高、中、低3檔）等參數(shù)，進行不同工況實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)，進行實驗分析；實驗為單因素工況實驗，當(dāng)改變某一參數(shù)數(shù)值時，其他參數(shù)恢復(fù)為初始默認(rèn)值。實驗初始工況為：冷凍水供水溫度7℃，冷凍水流量260m3/h，AHU系統(tǒng)開啟狀態(tài)，AHU系統(tǒng)水閥開度80%，風(fēng)機盤管風(fēng)量中檔。輸入不同工況數(shù)據(jù)，點擊“確定”，即可導(dǎo)出實驗數(shù)據(jù)，作為實驗分析依據(jù)。為能較為完整的分析系統(tǒng)規(guī)律，水流量、水溫參數(shù)宜進行至少4個工況的實驗。3）實驗考核完成實驗系統(tǒng)“虛擬實驗”之后，返回共享平臺界面，完成客觀考核題，提交實驗報告。5.實驗數(shù)據(jù)及分析1）實驗數(shù)據(jù)進行虛擬實驗過程中，每完成一個工況實驗，可導(dǎo)出相應(yīng)工況的實驗測試數(shù)據(jù)。實驗測試數(shù)據(jù)填入表1中。表1實驗測試參數(shù)表1組別參數(shù)工況1工況2工況3工況4工況5……氣象參數(shù)溫度/℃相對濕度/%室內(nèi)初始設(shè)定參數(shù)溫度/℃相對濕度/%1#熱泵監(jiān)測參數(shù)啟停狀態(tài)供水溫度/℃回水溫度/℃2#熱泵監(jiān)測參數(shù)啟停狀態(tài)供水溫度/℃回水溫度/℃冷凍總管監(jiān)測參數(shù)供水溫度/℃回水溫度/℃供水壓力/kPa回水壓力/kPa總管流量/(m3·h-1)總冷量/kW熱泵機組運行性能參數(shù)滿荷載制冷量/kW滿荷載輸入功率/kW機組荷載率/%COP修正系數(shù)系統(tǒng)能耗冷熱系統(tǒng)總能耗/kW熱泵機組總能耗/kW冷凍泵總能耗/kW末端設(shè)備總能耗/kW系統(tǒng)能效EER（冷站能效）COP（機組能效）冷凍水泵RRE末端設(shè)備EER建筑負(fù)荷系統(tǒng)負(fù)荷率/%表2實驗測試參數(shù)表2組別參數(shù)工況1工況2工況3工況4工況5……AHU機組參數(shù)啟停狀態(tài)水閥開度/%回風(fēng)閥開度/%新風(fēng)閥開度/%回風(fēng)濕度/℃回風(fēng)相對濕度/%混風(fēng)相對濕度/%混風(fēng)溫度/℃送風(fēng)溫度/℃送風(fēng)相對濕度/%送風(fēng)量/(m3·h-1)供水溫度/℃回水溫度/℃水流量/(m3·h-1)機組水側(cè)供冷量/kW機組風(fēng)側(cè)制冷量/kW濾網(wǎng)報警PAU機組參數(shù)啟停狀態(tài)水閥開度/%新風(fēng)閥開度/%新風(fēng)進風(fēng)濕度/%新風(fēng)進風(fēng)溫度/℃新風(fēng)送風(fēng)溫度/℃新風(fēng)送風(fēng)濕度/%風(fēng)量/(m3·h-1)供水溫度/℃回水溫度/℃水流量/(m3·h-1)水側(cè)制冷量/kW風(fēng)側(cè)制冷量/kW濾網(wǎng)報警FCU機組參數(shù)啟停狀態(tài)水閥開度/%風(fēng)量檔風(fēng)量/(m3·h-1)回風(fēng)溫度/℃回風(fēng)相對濕度/%送風(fēng)溫度/℃送風(fēng)相對濕度/%供水溫度/℃回水溫度/℃水流量/(m3·h-1)水側(cè)供冷量/kW風(fēng)側(cè)供冷量/kW2）實驗分析（1）根據(jù)實驗，請分析風(fēng)冷熱泵機組以及冷源系統(tǒng)的能效受哪些因素影響。（2）水流量不變的情況下，改變冷凍水供水溫度，螺桿式風(fēng)冷熱泵機組的滿負(fù)載