孫育英， 蓋軼靜， 王 偉， 吳 旭， 洪 陽

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能虛擬仿真教學(xué)實訓(xùn)平臺的開發(fā)

孫育英， 蓋軼靜， 王 偉， 吳 旭， 洪 陽

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

掌握管網(wǎng)性能相關(guān)理論，對空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)合理設(shè)計、良好調(diào)適與優(yōu)化運行有重要意義。為解決當(dāng)前高等學(xué)校在管網(wǎng)性能實踐教學(xué)中存在的問題，基于 Dymola動態(tài)仿真軟件，建立了空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型，開發(fā)了虛擬仿真實訓(xùn)平臺，設(shè)計了管網(wǎng)性能虛擬仿真實驗，并展示實踐教學(xué)應(yīng)用案例。該實訓(xùn)平臺可適用于建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程及相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)，為管網(wǎng)水力和風(fēng)機(jī)性能學(xué)習(xí)提供了直觀、生動、靈活的實驗方法，可有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

實踐教學(xué)；虛擬仿真；管網(wǎng)性能；空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

管網(wǎng)性能是空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計、調(diào)試及運行管理的關(guān)鍵知識點[1]，也是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程——流體輸配管網(wǎng)的教學(xué)重點和難點[2]。理論與實踐相結(jié)合，有助于加強(qiáng)學(xué)生對網(wǎng)管水力特性認(rèn)識，掌握管網(wǎng)設(shè)計、調(diào)試與運行調(diào)節(jié)方法[3]。但在實際教學(xué)中，由于空調(diào)系統(tǒng)投資高、占地面積大、運行維護(hù)成本高等問題，導(dǎo)致教學(xué)通常缺少實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生

被動輸入知識，缺少主動思考，影響人才培養(yǎng)質(zhì)量[4-6]。

虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，為實踐教學(xué)難題提供了有效解決途徑[7-9]。然而，在空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)虛擬仿真教學(xué)上，尚缺乏實踐[10]與研究[11]。因此，本文依據(jù)專業(yè)教學(xué)要求，基于Dymola軟件開發(fā)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型，設(shè)計管網(wǎng)性能的虛擬仿真實驗方案，建立管網(wǎng)性能虛擬仿真實訓(xùn)平臺，使學(xué)生更加直觀化、系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)并實踐管網(wǎng)壓力分布圖、風(fēng)機(jī)性能曲線、管網(wǎng)特性曲線、風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)的匹配等知識點。

1 虛擬仿真平臺的開發(fā)

1.1 仿真對象

模型仿真對象為一虛擬建筑，如圖1所示，建筑長45.6 m、寬16.8 m、高5.0 m，空調(diào)面積620 m2，空調(diào)冷負(fù)荷為81 kW?？照{(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)定風(fēng)量系統(tǒng)，設(shè)計總送風(fēng)量為 33 600 m3/h，新風(fēng)量為4 000 m3/h。主要設(shè)備有空調(diào)機(jī)組1臺、送風(fēng)口28個，回風(fēng)口3個，具體參數(shù)見表1。在圖1中，對最不利環(huán)路進(jìn)行了管段編號，各分支管路上均設(shè)有風(fēng)閥、風(fēng)量計，閥門前后及三通接口均設(shè)有壓力表。

圖1 建筑平面圖

表1 設(shè)備參數(shù)表

1.2 仿真模型的建立

建立和實際相符合的、動態(tài)的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型，是虛擬仿真實訓(xùn)平臺開發(fā)的核心工作，也是保障虛擬仿真實驗效果的前提。

空調(diào)系統(tǒng)包含大量復(fù)雜的物理過程，其過程的數(shù)學(xué)描述涵蓋非線性常微分、偏微分及代數(shù)微分方程等復(fù)雜方程[12]。Dymola軟件以Modelica語言為基礎(chǔ)，是一種基于方程式的多物理仿真平臺，能夠很好地解決因果類仿真平臺的代數(shù)循環(huán)問題[13-14]，具備將建模和數(shù)值方法的理想解耦等顯著優(yōu)勢[15]。因此，本文選擇Dymola軟件作為仿真工具，在Modelica基礎(chǔ)庫和美國勞倫斯伯克利實驗室Building1.6庫的基礎(chǔ)上，建立空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型，基本流程如圖 2所示，主要包括 3個步驟：

(1) 數(shù)學(xué)模型搭建。根據(jù)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)的構(gòu)成，初步搭建模型，主要包含風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、風(fēng)道調(diào)節(jié)閥、傳感器、三通等元件，元件之間通過相同類型的連接器連接，在模型編譯時，連接轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)方程。

(2) 模型參數(shù)設(shè)定。以設(shè)計參數(shù)為依據(jù)，合理設(shè)定風(fēng)系統(tǒng)模型參數(shù)，包括流體類型、管徑、管長、阻力特性、風(fēng)機(jī)類型、性能曲線，閥門特性，傳感器特性等，并驗證模型的合理性。

(3) 模型仿真運行。模型編譯無誤后，用戶輸入運行時間和計算方式，對模型進(jìn)行模擬運算，通過數(shù)據(jù)觀測窗口觀察數(shù)據(jù)變化。然后，根據(jù)數(shù)據(jù)變化的合理性返回修改模型參數(shù)，使得模擬結(jié)

果更加合理、可靠。

圖2 Dymola仿真建模基本流程圖

其中，模型建立過程中的重點問題是模型參數(shù)初始化。仿真模型模擬的是一棟虛擬建筑，已知建筑尺寸及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等信息，根據(jù)建筑需求，選定定風(fēng)量一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行管路設(shè)計，確定管道長度、閥門位置等信息。然后進(jìn)行負(fù)荷計算、風(fēng)量計算、水力計算，確定風(fēng)管尺寸以及風(fēng)口風(fēng)量等；在此基礎(chǔ)上結(jié)合風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本，進(jìn)行風(fēng)機(jī)設(shè)備選型。最終，根據(jù)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行模型參數(shù)的設(shè)定。設(shè)計結(jié)果如圖1與表1所示。

根據(jù)上述方法建立空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)模型，如圖 3所示，主要元件的數(shù)學(xué)方程描述如下。

圖3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)模型圖

(1) 風(fēng)機(jī)。本實驗采用離心式定頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)機(jī)樣本資料的數(shù)據(jù)，確定模型如下

式中，ΔP為風(fēng)機(jī)揚(yáng)程(Pa)；V˙ (t)為體積流量(m3/h)；為多項式系數(shù)，由設(shè)備樣本的性能曲線決定。

(2) 風(fēng)管。風(fēng)管模型是一個帶有固定流動阻力系數(shù)的阻力模型，假定空氣為不可壓縮流體，其描述如下

式中，m為質(zhì)量流量(kg/s)；Δp為風(fēng)管進(jìn)出口的壓降(Pa)；k為阻力特性系數(shù)，是與截面形狀尺寸、局部阻力系數(shù)、材料摩擦系數(shù)以及空氣性質(zhì)等有關(guān)的一個常數(shù)。

(3) 風(fēng)量調(diào)節(jié)閥。是通過改變閥門開度來改變閥門特性，進(jìn)而改變管道中的流動阻力特性。參考 ASHRAE 825-RP中的描述和規(guī)定，閥門特性kd(y)與閥門的開度角y之間具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此，通過閥門的流體壓降、質(zhì)量流速與流動特性k(y)關(guān)系如下

其中，p為管道進(jìn)出口的壓差(Pa)；m為通過分管的空氣質(zhì)量(kg/s)。

1.3 虛擬仿真平臺的開發(fā)

基于空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型，開發(fā)人機(jī)交互平臺，為用戶提供學(xué)習(xí)和實訓(xùn)的虛擬仿真實訓(xùn)環(huán)境。本文應(yīng)用 3DMAX技術(shù)建立了三維模型，形象展示了建筑物和空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)；應(yīng)用ASP.NET技術(shù)開發(fā)了人機(jī)交互界面，建立了易于使用和操控的實訓(xùn)平臺。

在開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題是實現(xiàn)實訓(xùn)平臺與仿真模型的數(shù)據(jù)實時交互。本文首先將空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型生成具有標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)特性模型(functional mock-up unit, FMU)，然后在利用JAVA語言對FMU模型進(jìn)行實時調(diào)用。由于FMU的模擬速度很快，為了實現(xiàn)實時仿真與數(shù)據(jù)交換，應(yīng)設(shè)置模擬步長，調(diào)用FMU對一個模擬步長的時間進(jìn)行模擬計算，然后等待與實際時間同步后，再計算下一個步長。

實訓(xùn)平臺的交互式界面如圖4所示，導(dǎo)航菜單分為“學(xué)習(xí)引導(dǎo)”、“參數(shù)輸入”和“數(shù)據(jù)觀察”3個部分?！皩W(xué)習(xí)引導(dǎo)”幫助學(xué)生了解實驗的目的和任務(wù)；“參數(shù)輸入”允許學(xué)生制定實驗策略并進(jìn)行閥門開度修改；“數(shù)據(jù)輸出”展示出系統(tǒng)各個管段的風(fēng)量、靜壓等動態(tài)運行數(shù)據(jù)。

圖4 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能虛擬仿真實訓(xùn)平臺

2 虛擬仿真實驗過程

2.1 實驗?zāi)康募霸?/p>

根據(jù)《流體輸配管網(wǎng)》課程的教學(xué)重點和難點，基于“空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能虛擬仿真實訓(xùn)平臺”，對虛擬仿真實驗教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計。通過實驗，使學(xué)生了解風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力分布，以及風(fēng)機(jī)性能與管網(wǎng)的配合關(guān)系，學(xué)習(xí)繪制管網(wǎng)壓力分布圖、風(fēng)機(jī)和管網(wǎng)特性曲線圖，掌握管網(wǎng)性能的相關(guān)理論。實驗原理如下：

(1) 管網(wǎng)壓力分布圖?？煞从沉黧w的流動規(guī)律，決定管網(wǎng)中的流量分配。在氣體管路中，將各節(jié)點的全壓(靜壓)在縱軸上以相同的比例標(biāo)在圖上，連接各點的全壓(靜壓)點可得到全壓(靜壓)分布曲線。如圖 5所示，管網(wǎng)壓力分布圖中橫軸為管網(wǎng)示意圖，具有完整的管段編號及明確的壓力測點位置，縱軸為與測點相對應(yīng)的全壓(靜壓)。其中，氣體管網(wǎng)壓力分布圖的理論計算依據(jù)為氣體管路能量方程，參見文獻(xiàn)[1]公式(6-1-1)。

圖5 氣體管網(wǎng)壓力分布圖

(2) 風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)的性能曲線。風(fēng)機(jī)性能曲線是直角坐標(biāo)圖中以流量為橫坐標(biāo)，壓力為縱坐標(biāo)的曲線。該曲線反映了風(fēng)機(jī)在不同流量時，其流量與揚(yáng)程之間的關(guān)系。與之類似，風(fēng)機(jī)的效率曲線以流量為橫坐標(biāo)，效率為縱坐標(biāo)，反映了風(fēng)機(jī)在不同流量下運行時，其流量與效率之間的關(guān)系。如圖6所示，可通過多點測試風(fēng)機(jī)流量、揚(yáng)程和效率的方法，將測點A-F和A′-F′在坐標(biāo)系中標(biāo)出，即可分別近似確定風(fēng)機(jī)性能曲線與風(fēng)機(jī)效率曲線。

圖6 風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中運行匹配情況原理圖

管網(wǎng)特性曲線是在壓力-流量圖中，反應(yīng)管網(wǎng)流體流動所需能量與流量之間的關(guān)系曲線。當(dāng)管網(wǎng)靜水壓線Hst的高度、風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的運行工況點、阻抗S，這三者確定其二之后，即可繪制出管網(wǎng)特性曲線。其方程參見文獻(xiàn)[1]公式(6-1-4)。

風(fēng)機(jī)性能與管網(wǎng)特性的匹配決定了管網(wǎng)實際運行情況。將風(fēng)機(jī)在管網(wǎng)中的實際性能曲線中的

流量-壓頭曲線與接入管網(wǎng)系統(tǒng)的管網(wǎng)特性曲線，用相同的比例尺、相同的單位繪制在同一直角坐標(biāo)圖上，那么兩條曲線的交點，即為該風(fēng)機(jī)在該管網(wǎng)系統(tǒng)中的工作狀態(tài)點。

2.2 實驗步驟

(1) 實驗前準(zhǔn)備。本實驗在風(fēng)系統(tǒng)平衡調(diào)試已完成的基礎(chǔ)上展開。實驗前，點擊仿真軟件界面上的運行按鈕，查看總風(fēng)量、各風(fēng)口風(fēng)量，檢查確認(rèn)風(fēng)系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)，方可開始實驗。根據(jù)《通風(fēng)與空調(diào)工程施工規(guī)范GB50738-2011》的規(guī)定，空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過平衡調(diào)整，各風(fēng)口風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量最大偏差不應(yīng)超過±15%[16]。

(2) 管網(wǎng)壓力分布模擬實驗。①壓力分布圖的準(zhǔn)備：根據(jù)風(fēng)系統(tǒng)平面圖以及仿真系統(tǒng)測點位置，在坐標(biāo)紙上，將最不利環(huán)路簡化成直線示意圖，并標(biāo)出各管路的標(biāo)號。②風(fēng)系統(tǒng)的仿真運行：點擊仿真軟件界面上的運行按鈕，等待風(fēng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，查看各測點的運行壓力和流量值，并記錄。③全壓的計算：根據(jù)各測點的壓力、流量以及截面積，計算各壓力點的全壓(空氣密度按1.2 kg/m3計算)，并記錄。全壓可依據(jù)文獻(xiàn)[1]的7.1公式進(jìn)行計算。④壓力分布圖的完成：根據(jù)全壓的計算結(jié)果，將其標(biāo)在壓力分布圖上，繪制完成最不利環(huán)路全壓的壓力分布圖。

(3) 風(fēng)機(jī)性能模擬實驗。①風(fēng)系統(tǒng)的仿真運行：點擊仿真軟件界面上的運行按鈕，待風(fēng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，查看送風(fēng)機(jī)的流量、進(jìn)出口壓力、風(fēng)機(jī)運行功率，計算風(fēng)機(jī)揚(yáng)程、軸功率，記錄實驗數(shù)據(jù)。軸功率可依據(jù)文獻(xiàn)[1]的5.4.4中公式進(jìn)行計算。②風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)整：在輸入?yún)?shù)界面中，調(diào)整總送風(fēng)管路的調(diào)節(jié)閥，減少閥門開度 10%，重復(fù)(1)，直至閥門開度達(dá)到 10%。③風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制：在坐標(biāo)圖中，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機(jī)性能曲線和風(fēng)機(jī)功率隨流量變化的曲線。近似畫出設(shè)計流量下的管網(wǎng)特性曲線，并指出運行工況點。④計算此時送風(fēng)系統(tǒng)的阻抗和比摩阻。

2.3 實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗步驟，進(jìn)行虛擬仿真實驗。圖7給出啟動模擬后的最末端風(fēng)口風(fēng)量、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及進(jìn)出口壓力的變化曲線，各參數(shù)從模擬初始狀態(tài)很快到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，仿真系統(tǒng)運行時間為60 s，其計算僅需2~5 s。可見，該虛擬仿真實驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、穩(wěn)定模擬，大大節(jié)約了實驗耗時。

圖7 模擬啟動后風(fēng)量、壓力變化情況

圖 8為根據(jù)仿真實驗結(jié)果繪制的最不利環(huán)路壓力分布圖，其管道標(biāo)號與圖 1所示一致。從圖中可以看出，新風(fēng)入口壓力為零，經(jīng)新風(fēng)管道及新風(fēng)閥后壓力下降，經(jīng)送風(fēng)風(fēng)機(jī)，壓力上升，之后沿程下降，風(fēng)口出口的室內(nèi)環(huán)境為微正壓。模擬結(jié)果符合風(fēng)系統(tǒng)壓力分布規(guī)律，通過界面顯示的壓力表讀數(shù)，學(xué)生可直觀且系統(tǒng)化地觀察到系統(tǒng)壓力分布，并分析壓力分布是否合理。

圖8 定風(fēng)量系統(tǒng)最不利環(huán)路壓力分布圖

圖 9為根據(jù)仿真實驗結(jié)果繪制的風(fēng)機(jī)性能與管網(wǎng)特性曲線。在仿真實驗中，利用總送風(fēng)管路的調(diào)節(jié)閥調(diào)整風(fēng)機(jī)流量，進(jìn)行了10組工況仿真。如圖 9(a)所示，當(dāng)該閥門全開時，流量達(dá)到35 940 m3/h，超過設(shè)計流量的6%；當(dāng)閥門開度為80%時，流量達(dá)到設(shè)計流量；當(dāng)閥門繼續(xù)減少，流量也隨之減小。圖9(a)也反映了閥門的調(diào)節(jié)特性，閥門開度與流量基本呈線性變化，調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能較好。

基于10組工況仿真數(shù)據(jù)，圖9(b)給出風(fēng)機(jī)性能曲線和效率曲線。對于風(fēng)機(jī)，隨著流量的增大，風(fēng)機(jī)揚(yáng)程逐漸下降，而風(fēng)機(jī)效率先呈上升趨勢，在設(shè)計工況點效率最高，之后隨流量增大而呈下降趨勢，如圖中倒三角及其連線所示。對于管網(wǎng)，在閥門調(diào)節(jié)的過程中，10組工況分別對應(yīng)10條管網(wǎng)特性曲線，當(dāng)總送風(fēng)管路的調(diào)節(jié)閥門開度最大時，系統(tǒng)阻抗最小，管網(wǎng)特性曲線也最平緩。當(dāng)閥門關(guān)小時，系統(tǒng)阻抗變大，管網(wǎng)特性曲線變陡，圖9(b)中僅展示設(shè)計工況下的管網(wǎng)性能曲線。

圖9 風(fēng)機(jī)性能與管網(wǎng)特性曲線

綜上所述，本文開發(fā)的仿真模型可用于空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能實驗，仿真計算中能快速收斂，結(jié)果合理，能夠達(dá)到實驗教學(xué)目的。通過仿真實驗，完成實驗報告及思考題，可促進(jìn)學(xué)生對管網(wǎng)性能相關(guān)知識的掌握。

3 結(jié) 束 語

本文為了提高流體輸配管網(wǎng)課程的教學(xué)質(zhì)量，解決實踐教學(xué)實施困難的問題，設(shè)計開發(fā)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)特性虛擬仿真實訓(xùn)平臺。依據(jù)教學(xué)要求設(shè)計實驗方案，基于Dymola建立一個典型的建筑空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)仿真模型，基于ASP.NET和3DMAX技術(shù)建立交互式實驗系統(tǒng)，并進(jìn)行了虛擬仿真實驗過程探索，繪制管網(wǎng)壓力分布圖、風(fēng)機(jī)性能及管網(wǎng)特性曲線。該虛擬仿真實訓(xùn)平臺的開發(fā)，將豐富流體輸配管網(wǎng)課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其靈活、高效、直觀的實驗方法，將更能調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，對于學(xué)生深入理解和把握管網(wǎng)性能等專業(yè)知識起到良好的作用。

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Virtual Simulation Experiment Development of Pipe Network Performance for Air-Conditioning Duct System Teaching

Sun Yuying, Ge Yijing, Wang Wei, Wu Xu, Hong Yang

(College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

It is great significance to learn the theory of network performance for improving the design, adjustment and operation of air conditioning system. Aiming at the problem that the practical teaching of pipe network characteristics was hard to conduct for the lim it of actual conditions, a simulation model of air conditioning system was built based on Dymola, and a virtual experiment simulation practical teaching platform was developed. A virtual simulation experiment was designed, and then a practice application case was showed. The results show that this virtual experiment simulation platform can be applicable to HVAC practical teaching, and it provides an intuitive, vivid, flexible method for the study of hydraulic and fan performance. It will be helpful to improve the teaching quality and students’ learning interest.

practical teaching; virtual simulation; pipe network performance; air conditioning system

TP 391.9

10.11996/JG.j.2095-302X.2016040550

A

2095-302X(2016)04-0550-06

2015-11-21；定稿日期：2015-12-23

北京工業(yè)大學(xué)促進(jìn)人才培養(yǎng)綜合改革項目(4000543214552)；北京市教委科技計劃面上項目(KM 201410005022)

孫育英(1974–)，女，山東德州人，講師，博士。主要研究方向為建筑設(shè)備節(jié)能與優(yōu)化控制。E-mail：sunyuying@bjut.edu.cn