《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 8-10熱水供暖系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

熱水供暖系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑偻ㄟ^(guò)“沉浸式”探索和學(xué)習(xí)，掌握熱源為燃?xì)鉄崴仩t，末端為散熱器和輻射地板的完整的供暖系統(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(guò)對(duì)供暖末端及熱源系統(tǒng)多項(xiàng)影響參數(shù)的變工況虛擬實(shí)驗(yàn)分析，全面地掌握新鍋爐、散熱器、輻射地板等設(shè)備及供暖系統(tǒng)性能的影響因素、規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，了解熱源與末端之間的動(dòng)態(tài)耦合。③通過(guò)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(wèn)題的能力，激發(fā)創(chuàng)新思維。2.實(shí)驗(yàn)原理熱水供暖系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了以熱水鍋爐為熱源，輻射地板和散熱器系統(tǒng)為供暖末端的熱水供暖系統(tǒng)，并以該模型設(shè)置變工況虛擬實(shí)驗(yàn)。熱水鍋爐系統(tǒng)設(shè)置了兩臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t，鍋爐系統(tǒng)一側(cè)次熱水系統(tǒng)直接供散熱器末端系統(tǒng)，另一部分熱水通過(guò)板式換熱器進(jìn)行換熱，制取二次側(cè)低溫?zé)崴┠┒说匕遢椛涔┡到y(tǒng)。一二次側(cè)熱水泵、板式換熱器均與鍋爐設(shè)備一一對(duì)應(yīng)。板式換熱器通過(guò)恒溫控制閥調(diào)節(jié)一次側(cè)水流量，控制二次側(cè)水溫。系統(tǒng)管路設(shè)置了相關(guān)手動(dòng)、自動(dòng)控制閥及監(jiān)控儀表等構(gòu)件。末端由多個(gè)樓層的地板輻射供暖系統(tǒng)和散熱器系統(tǒng)組成，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)三維模型分別呈現(xiàn)1個(gè)地板輻射供暖系統(tǒng)樓層和散熱器系統(tǒng)樓層。地板輻射供暖系統(tǒng)樓層共12個(gè)供暖房間，分為兩組分集水器，每組包含6個(gè)房間，管路采用異程式。散熱器系統(tǒng)樓層共12個(gè)供暖房間，每個(gè)房間一組散熱器設(shè)備，管路采用水平同程式。系統(tǒng)原理圖如下所示。圖1系統(tǒng)原理圖采暖鍋爐的供熱量檢測(cè)持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于24h，按以下公式計(jì)算： Qr=c0t qr=Qr/t式中Qr——鍋爐累計(jì)供熱量，V——熱水平均小時(shí)流量，m3/s；?tr——熱水供、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·℃）；qr——單位時(shí)間鍋爐供熱量，kWt——測(cè)試時(shí)段時(shí)間，s。采暖鍋爐的輸入測(cè)量反映鍋爐系統(tǒng)的能耗，鍋爐燃料輸入熱量按以下公式計(jì)算： Qi=G?Qcy qi=Qi/式中Qi——鍋爐累積能耗，G——測(cè)試時(shí)間內(nèi)采暖鍋爐燃?xì)饬?，Nm3；Qcy——測(cè)試時(shí)間內(nèi)燃用氣的平均低位發(fā)熱值，kJ／Nmqi——單位時(shí)間鍋爐耗熱量，kW；t——測(cè)試時(shí)段時(shí)間，s。鍋爐測(cè)試期間平均運(yùn)行效率可按以下公式計(jì)算： η=QrQi式中η——檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)采暖鍋爐日平均運(yùn)行效率，kJ/kJ；Qr——檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)采暖鍋爐的產(chǎn)生熱量Qi——檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)采暖鍋爐的輸入熱量kJ建筑負(fù)荷率為建筑當(dāng)下實(shí)際冷熱負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的比值。在供熱實(shí)驗(yàn)中，可以以熱源的供熱量作為建筑當(dāng)下實(shí)際熱負(fù)荷，建筑負(fù)荷率計(jì)算如下： φ1=qrq式中φ1qr——單位時(shí)間鍋爐供熱量，kWqs——建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW在本實(shí)驗(yàn)中，板式換熱器一次側(cè)是熱流體，二次側(cè)是冷流體，兩側(cè)換熱量計(jì)算公式如下： ?c=qmcc ?h=qmhc式中?c，?h——qmc，qmh——冷、熱流體質(zhì)量流量，cpc，cph——冷、熱流體的定壓比熱容，kJ/（tc1，tc2——冷流體進(jìn)、出口溫度，th1，th2——熱流體進(jìn)、出口溫度，熱水泵輸送系數(shù)RRE反映水泵單位能耗輸送的供熱量，板式換熱器一次側(cè)、二次側(cè)水泵的輸送系數(shù)可按以下公式計(jì)算： RRE1=?hN RRE2=?cN式中RRE1，RRE?h，?c——一次側(cè)換熱量、二次側(cè)換熱量，Nb1，Nb2——一次側(cè)水泵、二次側(cè)水泵耗功率，實(shí)驗(yàn)中，末端供熱設(shè)備散熱器和輻射地暖可通過(guò)其進(jìn)出口熱水溫差和流量計(jì)算其總的散熱量，如下所示； QH=cVρ?t式中QH——末端設(shè)備總散熱量，V——熱水平均流量，m3/h；?t——熱水進(jìn)出水溫差，℃；ρ——水平均密度，kg/m3；c——平均溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）。輻射面對(duì)室內(nèi)的供熱量由對(duì)流換熱和輻射換熱兩部分組成，應(yīng)按下列公式計(jì)算： Qh=S×q輻射單位面積輻射換熱量按下式計(jì)算： qf=5×10-8t敷設(shè)在地面的輻射系統(tǒng)，輻射單位面積對(duì)流換熱量按以下公式計(jì)算： qd=2.13tpj式中S——輻射地板面積，m2Qh——輻射地板對(duì)室內(nèi)的供熱量，Wqf——輻射單位面積輻射換熱量，W/m2qd——輻射單位面積對(duì)流換熱量，W/m2tpj——輻射表面平均溫度，tfj——非加熱表面平均溫度，℃tn——室內(nèi)空氣溫度，℃輻射表面平均溫度由表面多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度計(jì)算得到，如下式所示： tpj=i=1nt式中tpj——輻射表面平均溫度，ti——輻射表面第i個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度，℃n——輻射表面測(cè)點(diǎn)總數(shù)量。室內(nèi)非加熱表面的面積平均溫度由計(jì)算所有非加入表面加權(quán)平均溫度獲得，按下式計(jì)算： tfj=i=1n式中tfj——非加熱表面平均溫度，ti——第i個(gè)非加熱表面溫度，℃Ai——第i個(gè)非加熱表面面積，m2n——非加熱表面總數(shù)量。地板輻射供暖系統(tǒng)在換熱過(guò)程中，一部分熱量通過(guò)地板擴(kuò)散至其他區(qū)域成為換熱損耗。輻射地板向房間的供熱量與系統(tǒng)總的換熱量之間的比值為有效換熱比重，該值越高，說(shuō)明系統(tǒng)的換熱損耗越小。 φ2=式中φ2QH——末端設(shè)備總散熱量，WQh——輻射地板對(duì)室內(nèi)的供熱量，W3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置熱水供暖系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Web端訪問(wèn)形式，無(wú)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。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及數(shù)據(jù)分析、報(bào)告編寫，電腦應(yīng)安裝由MicrosoftOffice、WPS等文檔軟件。4.實(shí)驗(yàn)步驟及方法1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)登錄（1）重慶大學(xué)校內(nèi)學(xué)生通過(guò)重慶大學(xué)官網(wǎng)（服務(wù)大廳進(jìn)入個(gè)人信息門戶，檢索“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)”，在左側(cè)菜單“我的實(shí)驗(yàn)”中找到必修實(shí)驗(yàn)《熱水供暖系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，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(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)（2）其他學(xué)校學(xué)生由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)，登錄進(jìn)入，在左側(cè)菜單“我的實(shí)驗(yàn)”中找到必修實(shí)驗(yàn)《熱水供暖系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，如圖4所示。圖4虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)2）自主實(shí)驗(yàn)①進(jìn)入實(shí)驗(yàn)后，可點(diǎn)擊“學(xué)習(xí)資料”，結(jié)合教學(xué)需求下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告等學(xué)習(xí)資料，如圖5所示。文件資料“熱水供暖虛擬仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告”是僅針對(duì)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；文件資料“重慶大學(xué)供暖系統(tǒng)創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)”則是融合該虛仿項(xiàng)目和實(shí)體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建設(shè)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料，除虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目報(bào)告外，另含學(xué)習(xí)資料。圖5下載學(xué)習(xí)資料（2）點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作之后，可點(diǎn)擊觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，如圖6所示。圖6觀看學(xué)習(xí)視頻（3）點(diǎn)擊“虛擬實(shí)驗(yàn)操作”，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)進(jìn)入“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，如圖7、圖8所示。圖7進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)圖8系統(tǒng)加載（4）在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，依次完成“課前自學(xué)”“系統(tǒng)探索”“虛擬實(shí)驗(yàn)”3部分實(shí)驗(yàn)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”熱水供暖系統(tǒng)三維仿真模型由頂層熱源系統(tǒng)、散熱器系統(tǒng)、輻射地暖系統(tǒng)3個(gè)樓層組成，初次使用大概需要1~3min的加載時(shí)間，如圖9所示。按照左下角操作提示，觀看模型系統(tǒng)，可點(diǎn)擊任意閥門、設(shè)備，查看知識(shí)解說(shuō)。圖9三維仿真模型在“虛擬實(shí)驗(yàn)”界面（圖10）更改系統(tǒng)干管熱水溫度、二次側(cè)熱水溫度工況，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并獲得系統(tǒng)各工況下主要運(yùn)行參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)為單因素工況實(shí)驗(yàn)，當(dāng)改變某一參數(shù)數(shù)值時(shí)，其他參數(shù)恢復(fù)為初始默認(rèn)值。實(shí)驗(yàn)初始工況為：總管供水溫度75℃，二次側(cè)供水溫度45℃。輸入不同工況數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“確定”，即可導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為滿足實(shí)驗(yàn)分析深度，熱水溫度參數(shù)應(yīng)分別進(jìn)行不少于4組工況的實(shí)驗(yàn)。圖10虛擬實(shí)驗(yàn)3）實(shí)驗(yàn)考核完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)“虛擬實(shí)驗(yàn)”之后，返回共享平臺(tái)界面，完成客觀考核題，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每完成一個(gè)工況實(shí)驗(yàn)，可導(dǎo)出相應(yīng)工況的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：表1實(shí)驗(yàn)測(cè)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)室外溫度/℃室外相對(duì)濕度/%1#鍋爐鍋爐狀態(tài)出水溫度/℃回水溫度/℃2#鍋爐鍋爐狀態(tài)出水溫度/℃回水溫度/℃供熱總管總管供水溫度/℃總管回水溫度/℃總管流量/(m3·h-1)總供熱量/kW負(fù)荷率/%散熱器系統(tǒng)干管流量/(m3·h-1)板式換熱器系統(tǒng)板換一次側(cè)進(jìn)水溫度/℃板換一次側(cè)出水溫度/℃板換一次側(cè)流量m3/h板換二次側(cè)進(jìn)水溫度/℃板換二次側(cè)出水溫度/℃板換二次側(cè)流量m3/h一次側(cè)換熱量/kW二次側(cè)換熱量/kW溫控蝶閥開度/%系統(tǒng)能耗及能效耗燃?xì)饬?Nm3鍋爐效率/%一次側(cè)水泵耗電量/kW二次側(cè)水泵耗電量/kW一次側(cè)水泵輸送系數(shù)二次側(cè)水泵輸送系數(shù)表2實(shí)驗(yàn)測(cè)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……室內(nèi)初始設(shè)定參數(shù)散熱器房間室內(nèi)溫度/℃輻射地板房間室內(nèi)溫度/℃室內(nèi)相對(duì)濕度/%散熱器末端房間供水溫度/℃回水溫度/℃水流量/(m3·h-1)閥門開度供熱量/kW室內(nèi)相對(duì)濕度/%室內(nèi)干球溫度/℃室內(nèi)黑球溫度/℃輻射地板末端房間供水溫度/℃回水溫度/℃水流量/(m3·h-1)閥門開度/%水側(cè)換熱量/kW輻射地板換熱量/kW有效散熱量比重/%輻射地板表面溫度/℃室內(nèi)相對(duì)濕度/%室內(nèi)干球溫度/℃室內(nèi)黑球溫度/℃達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)間/h2）實(shí)驗(yàn)分析（1）根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比散