山東建筑大學(xué) 謝曉娜 崔 萍 曲云霞 張林華

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長及人們對(duì)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(huì)總能耗的20%以上，逐步逼近發(fā)達(dá)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(duì)環(huán)境造成了極大破壞，霧霾現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，對(duì)人們的健康造成危害。近年來國家在節(jié)能減排方面出臺(tái)了一系列政策，促進(jìn)了多樣化建筑冷熱源系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及管理都提出了新的挑戰(zhàn)。

建筑冷熱源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由冷熱源主機(jī)、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(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，一般只講解設(shè)計(jì)工況下的相關(guān)知識(shí)，部分負(fù)荷下的運(yùn)行調(diào)節(jié)作為難點(diǎn)內(nèi)容很難講解清楚。雖然參觀與實(shí)習(xí)可以給學(xué)生提供一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的真實(shí)場(chǎng)景，但很難去實(shí)際操作及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試系統(tǒng)運(yùn)行工況。而在工程實(shí)踐中建筑冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與評(píng)價(jià)也都存在著嚴(yán)重脫節(jié)現(xiàn)象，由于學(xué)校運(yùn)行調(diào)節(jié)方面專業(yè)教育的缺乏，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)，很少考慮運(yùn)行環(huán)節(jié)的效果和節(jié)能問題，對(duì)設(shè)計(jì)完的項(xiàng)目也很難去跟蹤實(shí)測(cè)運(yùn)行效果或?qū)υO(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)。

我國還有很多項(xiàng)目的冷熱源水系統(tǒng)仍然按照定流量運(yùn)行，水泵運(yùn)行節(jié)能無從談起[2]。培養(yǎng)高質(zhì)量的運(yùn)行管理人員是冷熱源機(jī)房節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵，例如香港太古制冷站主要靠人工運(yùn)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(yùn)行調(diào)節(jié)的教學(xué)，本研究在冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)節(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中開發(fā)了變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)模塊，本文將詳細(xì)講解這個(gè)模塊的有關(guān)內(nèi)容。

1 建筑冷熱源系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K介紹

本研究開發(fā)的建筑冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)節(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由4個(gè)模塊組成，分別為負(fù)荷計(jì)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(yùn)行調(diào)節(jié)模塊，如圖1所示。前3個(gè)模塊完成后，會(huì)在三維虛擬場(chǎng)景中搭建好冷熱源機(jī)房，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行冷熱源系統(tǒng)啟動(dòng)工況、設(shè)計(jì)負(fù)荷工況、部分負(fù)荷工況的運(yùn)行調(diào)節(jié)。4個(gè)模塊的內(nèi)容簡介見文獻(xiàn)[4]，本文將針對(duì)模塊4的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖2 在三維虛擬場(chǎng)景中搭建的冷熱源機(jī)房

2 冷熱源系統(tǒng)變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)方法

2.1 變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)內(nèi)容

變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)的目的是滿足空調(diào)系統(tǒng)對(duì)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(jìn)行熱量交換，因此這部分熱量又由冷水帶入冷水機(jī)組，然后通過冷水機(jī)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(jī)組制冷量應(yīng)等于所服務(wù)空調(diào)區(qū)域的總冷負(fù)荷(外加一定的輸送損失)。由于空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷隨室外氣象和室內(nèi)熱源不斷變化，冷水機(jī)組制冷量也需隨之變化；而冷水機(jī)組制冷量調(diào)節(jié)主要由冷水機(jī)組出廠時(shí)自帶的控制系統(tǒng)完成，冷熱源機(jī)房運(yùn)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(jī)組制冷量調(diào)節(jié)不作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，只分析它在不同工況下運(yùn)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(jī)組變流量技術(shù)和水泵變頻技術(shù)越來越成熟，應(yīng)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(yùn)行，因此本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將以冷水系統(tǒng)一級(jí)泵變流量系統(tǒng)作為展示對(duì)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(shí)現(xiàn)變流量節(jié)能運(yùn)行。

圖4 冷水一級(jí)泵變流量系統(tǒng)示意圖

冷水流量可用式(1)計(jì)算：

式中 G為冷水流量，m3/s；Q為冷水機(jī)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(jì)工況下，供回水溫差取5 ℃，代入式(1)可得到相應(yīng)的冷水流量。當(dāng)空調(diào)區(qū)域負(fù)荷減小時(shí)，由于空調(diào)末端換熱面積不變，求解相應(yīng)的傳熱方程可知空調(diào)末端需要的冷水流量會(huì)減小，供回水溫差將大于5 ℃[2]。實(shí)際上供回水溫差小于理論求解結(jié)果，原因?yàn)椋?) 末端有很多開/關(guān)控制的風(fēng)機(jī)盤管一類的換熱器，導(dǎo)致供回水溫差變小；2) 部分負(fù)荷下不一定只靠調(diào)節(jié)水量適應(yīng)負(fù)荷，同時(shí)還可能調(diào)節(jié)風(fēng)量適應(yīng)負(fù)荷，抑制了供回水溫差的增大；3) 各支路負(fù)荷峰值會(huì)不同步，各支路水量調(diào)節(jié)策略也有所不同，導(dǎo)致總水量變化不大。在本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中取供回水溫差等于設(shè)計(jì)值5 ℃，定供回水溫差來調(diào)節(jié)水量，這也經(jīng)常是一個(gè)可行的控制方法，不會(huì)影響對(duì)運(yùn)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(shí)際運(yùn)行的水流量取決于水泵性能曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)。當(dāng)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(jìn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥、旁通管路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、管路系統(tǒng)中的手動(dòng)閥門等手段能改變管路系統(tǒng)的特性曲線。

不同運(yùn)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(chǎng)景中進(jìn)行這些運(yùn)行調(diào)節(jié)操作。

表1 不同運(yùn)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(yùn)行調(diào)節(jié)

3.1 啟動(dòng)操作與啟動(dòng)工況

設(shè)置啟動(dòng)操作環(huán)節(jié)的主要目的是使學(xué)生掌握冷熱源機(jī)房的設(shè)備啟動(dòng)順序，在左側(cè)設(shè)備列表中自上而下依次點(diǎn)擊各設(shè)備，則在右邊頁面中會(huì)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(jìn)行操作。學(xué)生點(diǎn)擊控制面板上的開關(guān)即可啟動(dòng)此設(shè)備，如圖5所示。

圖5 設(shè)備開啟順序與方法

啟動(dòng)完成后，接著進(jìn)入水泵工作點(diǎn)確定界面，如圖6所示，這里需要學(xué)生掌握管路特性曲線1與水泵性能曲線2的交點(diǎn)即為冷水泵工作點(diǎn)這一知識(shí)點(diǎn)。從圖6還可以看出冷水泵工作點(diǎn)的流量高于設(shè)計(jì)流量(兩曲線交點(diǎn)在直線3右邊)，此時(shí)需要實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)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(yáng)程均略高于設(shè)計(jì)值，因此系統(tǒng)剛啟動(dòng)后管路內(nèi)的流量高于設(shè)計(jì)流量。

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

3.2 初調(diào)節(jié)與設(shè)計(jì)工況

在設(shè)計(jì)負(fù)荷工況下，管路內(nèi)流量應(yīng)等于設(shè)計(jì)流量。因此在啟動(dòng)工況的基礎(chǔ)上，調(diào)小機(jī)房管路上的手動(dòng)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(diǎn)會(huì)逐漸接近設(shè)計(jì)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(gè)調(diào)節(jié)過程稱為初調(diào)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)通過生動(dòng)的人機(jī)互動(dòng)，創(chuàng)造深刻的學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生掌握初調(diào)節(jié)的原理與方法。

1.啟動(dòng)時(shí)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(jì)流量等流量線。圖7 通過初調(diào)節(jié)達(dá)到設(shè)計(jì)流量的調(diào)節(jié)過程

3.3 部分負(fù)荷運(yùn)行調(diào)節(jié)

1) 閥門調(diào)節(jié)。

建筑負(fù)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(gè)空調(diào)機(jī)組末端)對(duì)冷水的流量需求減小，自控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令將其電動(dòng)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(diǎn)逐漸接近部分負(fù)荷工況下運(yùn)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(dòng)閥門的過程做到界面上，讓學(xué)生手動(dòng)調(diào)節(jié)，加深印象；這一環(huán)節(jié)也通過人機(jī)互動(dòng)創(chuàng)造更深刻的學(xué)習(xí)情境。

1.啟動(dòng)時(shí)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(fù)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(jì)流量等流量線；6.部分負(fù)荷運(yùn)行流量等流量線。圖8 通過閥門調(diào)節(jié)達(dá)到部分負(fù)荷流量的調(diào)節(jié)過程

2) 變頻調(diào)節(jié)。

冷水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上安裝變頻器，可平滑地改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，即可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。水泵的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之改變，水泵的性能曲線(見圖9曲線3)會(huì)發(fā)生變化，變?yōu)榍€4，其與管路特性曲線2的交點(diǎn)向部分負(fù)荷運(yùn)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(jī)互動(dòng)創(chuàng)造更深刻的學(xué)習(xí)情境。

4 主要設(shè)備運(yùn)行功率計(jì)算與顯示

進(jìn)行冷熱源系統(tǒng)變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)的主要目的是降低運(yùn)行能耗，冷熱源系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備是主機(jī)和水泵，下面仍然以冷水機(jī)組系統(tǒng)為例，給出冷水機(jī)組和冷水泵運(yùn)行功率的計(jì)算公式，并分析運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中各參數(shù)的變化對(duì)設(shè)備運(yùn)行功率的影響，最后給出設(shè)備運(yùn)行功率的界面顯示方式。

4.1 冷水機(jī)組運(yùn)行功率

當(dāng)冷水機(jī)組的制冷量發(fā)生變化時(shí)，其運(yùn)行功率計(jì)算公式如下[7]：

式中 Pc為冷水機(jī)組運(yùn)行功率，W；COP為冷水機(jī)組性能系數(shù)。

從式(2)可以看出，當(dāng)空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷(冷水機(jī)組的制冷量)減小時(shí)，冷水機(jī)組運(yùn)行功率也會(huì)隨之減小，減小幅度受冷水機(jī)組運(yùn)行COP的影響。在變工況運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中，變化參數(shù)為空調(diào)區(qū)域冷負(fù)荷和冷水流量；冷水流量對(duì)COP影響較小，因此這里只考慮負(fù)荷率對(duì)COP的影響，如圖10所示。

圖10 變工況下冷水機(jī)組COP與負(fù)荷率的關(guān)系及冷水泵效率與流量的關(guān)系

4.2 水泵運(yùn)行功率

水泵運(yùn)行功率的計(jì)算公式如下[8]：

Pp=ρgGHη1η2

(3)

式中 Pp為水泵運(yùn)行功率，W；H為水泵運(yùn)行揚(yáng)程，m；η1為水泵運(yùn)行效率；η2為電動(dòng)機(jī)效率。

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

4.3 運(yùn)行結(jié)果顯示

各設(shè)備在不同運(yùn)行工況下的參數(shù)會(huì)在實(shí)驗(yàn)界面上以匯總報(bào)告的形式實(shí)時(shí)顯示，如圖11所示。為了讓學(xué)生更直觀地理解部分負(fù)荷下運(yùn)行功率降低的效果，采用圖10所示的形式表示冷水機(jī)組運(yùn)行功率與COP曲線、水泵運(yùn)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(fù)荷工況下運(yùn)行功率與設(shè)計(jì)工況的對(duì)比，使學(xué)生對(duì)變工況運(yùn)行的節(jié)能潛力有直觀的認(rèn)識(shí)；下部冷水機(jī)組COP曲線和水泵運(yùn)行效率曲線以圖形形式顯示出來，便于學(xué)生對(duì)照式(2)、(3)分析節(jié)能原因。

圖11 設(shè)備功率實(shí)時(shí)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(duì)冷熱源系統(tǒng)變工況運(yùn)行模塊的開發(fā)。作為建筑冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)節(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的一部分，在系統(tǒng)搭建完成后，訓(xùn)練了學(xué)生按順序啟動(dòng)系統(tǒng)中所有設(shè)備的能力。

基于水泵工作點(diǎn)確定方法這一核心知識(shí)點(diǎn)，通過閥門調(diào)節(jié)操作，將水泵工作點(diǎn)從啟動(dòng)工況工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)工況工作點(diǎn)，伴隨著學(xué)生對(duì)閥門的操作，界面上實(shí)時(shí)顯示出工作點(diǎn)移動(dòng)過程，通過這種人機(jī)交互的操作，使學(xué)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(diǎn)確定方法這一核心知識(shí)點(diǎn)，用2種方法分別進(jìn)行了部分負(fù)荷工況調(diào)節(jié)，界面上實(shí)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)變化過程。通過這種人機(jī)交互的操作，使學(xué)生掌握部分負(fù)荷工況下冷熱源輸配系統(tǒng)的變流量運(yùn)行原理與操作。

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