《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 8-6空調(diào)冷熱源系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

空調(diào)冷熱源系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑偻ㄟ^“沉浸式”探索和學(xué)習(xí)，掌握冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)、鍋爐熱源系統(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通過對冷熱源系統(tǒng)多項(xiàng)影響參數(shù)的變工況虛擬實(shí)驗(yàn)分析，全面地掌握冷水機(jī)組、鍋爐、水泵、冷卻塔等設(shè)備及冷熱源系統(tǒng)性能的影響因素、規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理。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(shí)驗(yàn)原理空調(diào)冷熱源系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)三維仿真模型和熱水鍋爐熱源系統(tǒng)三維仿真模型，并基于以上系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了變工況運(yùn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)。冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1冷水機(jī)組冷源系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)設(shè)置了三臺額定制冷量為700kW的冷水機(jī)組，冷卻塔、冷卻水泵、冷凍水泵與冷水機(jī)組一一配套，水泵與機(jī)組采用先并后串”的連接方式，冷源系統(tǒng)管路設(shè)置了相關(guān)手動、自動閥門，參數(shù)監(jiān)測儀表。冷水機(jī)組蒸發(fā)器冷凍水由分水器送至末端系統(tǒng)，供冷升溫后由集水器經(jīng)由冷凍水泵送回至冷水機(jī)組蒸發(fā)器，如此反復(fù)循環(huán)制冷。冷水機(jī)組制冷劑吸收冷凍水熱量，進(jìn)壓縮機(jī)增壓升溫，在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻水，冷卻水送至冷卻塔與室外空氣換熱降溫后由冷卻水泵送回至冷水機(jī)組冷凝器，如此反復(fù)循環(huán)換熱。冷水機(jī)組供冷量按以下公式計(jì)算： Q0=cVρt2式中Q0——冷水機(jī)組制冷量，WV——冷凍水平均流量，m3/h；t1——冷凍水出口平均溫度，℃t2——冷凍水進(jìn)口平均溫度，℃ρ——水平均密度，kg/m3；c——平均溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）。電驅(qū)動壓縮機(jī)的蒸氣壓縮循環(huán)冷水機(jī)組的性能系數(shù)(COP)應(yīng)按下式計(jì)算： COP=Q0Ni式中COP——水冷機(jī)組的制冷性能系數(shù)，W/W；Q0——冷水機(jī)組機(jī)組制冷量，WNi——水冷機(jī)組耗功率，W；冷站能效比EER可按下式計(jì)算： EER=Q0Nj式中EER——冷站的能效比，W/W；Q0——冷站多臺冷水機(jī)組的總供冷量，WΣNj—冷站各設(shè)備的總耗功率，kW。包括冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔的耗功率。熱水鍋爐熱源系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖2熱水鍋爐熱源系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)設(shè)置了三臺額定制熱量為630kW的燃?xì)鉄崴仩t機(jī)組，熱水泵與鍋爐機(jī)組一一配套，水泵與機(jī)組采用“先并后串”的連接方式，熱源系統(tǒng)管路設(shè)置了相關(guān)手動、自動閥門，參數(shù)監(jiān)測儀表。鍋爐通過燃燒天然氣制備熱水，熱水由分水器送至末端系統(tǒng)，供熱降溫后由熱水泵經(jīng)由集水器送回至鍋爐中，如此反復(fù)循環(huán)供熱。鍋爐的供熱量檢測持續(xù)時間不應(yīng)少于24h，按以下公式計(jì)算： Qr=c0t式中Qr——鍋爐日累計(jì)供熱量，（kJ）；V——熱水小時流量（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——單位時間鍋爐供熱量（kW）；t——測試時段時間，s。測試時間內(nèi)，鍋爐的單位時間供熱量按下式計(jì)算： qr=Qr/式中qr——單位時間鍋爐供熱量（Qr——鍋爐日累計(jì)供熱量，kJt——測試時段時間，s。鍋爐的輸入測量反應(yīng)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式中Qi——測試持續(xù)時間內(nèi)鍋爐累積能耗，G——測試時間內(nèi)采暖鍋爐燃?xì)饬?，Nm3；Qcy——測試持續(xù)時間內(nèi)燃用氣的平均低位發(fā)熱值，kJ／Nm qi=Qi/式中Qi——檢測持續(xù)時間內(nèi)鍋爐的輸入熱量，qi——單位時間鍋爐耗熱量，kWt——測試時段時間，s。鍋爐測試期間平均運(yùn)行效率可按以下公式計(jì)算： η=QrQi式中η——檢測持續(xù)時間內(nèi)鍋爐平均運(yùn)行效率，kJ/kJ；Qr——檢測持續(xù)時間內(nèi)鍋爐的產(chǎn)生熱量，kJQi——檢測持續(xù)時間內(nèi)鍋爐的輸入熱量，kJ熱水泵輸送系數(shù)反映水泵單位能耗輸送的供熱量，按以下公式計(jì)算： ?=qrNb式中?——qr——單位時間鍋爐供熱量，kWNb——水泵耗功率，kW冷水機(jī)組內(nèi)部的蒸發(fā)器、冷凝器，鍋爐的省煤器均屬于間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備，其換熱量計(jì)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(jì)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)，流體溫度和流速均是影響流體對流換熱系數(shù)的重要因素。當(dāng)冷凍水溫度、流量變化時，將影響冷水機(jī)組蒸發(fā)器換熱量；當(dāng)冷卻水溫度、流量變化時，將影響冷水機(jī)組冷凝器換熱量；當(dāng)熱水溫度、流量變化時，將影響鍋爐省煤器換熱量。此外，通常換熱器在運(yùn)行時，由于流體的雜質(zhì)、生銹或流體與壁面材料之間的其他反應(yīng)，換熱器表面常常會被污染。表面上沉淀的膜或是垢層會大大增加流體之間的傳熱阻力，影響換熱器的換熱量。管內(nèi)外表面的傳熱系數(shù)計(jì)算公式為： K0=1d0 Ki=1d0式中Rf,i，Rf,0——管內(nèi)、管外污垢熱阻，3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置空調(diào)冷熱源系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中涉及數(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)生通過重慶大學(xué)官網(wǎng)服務(wù)大廳進(jìn)入個人信息門戶，檢索“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺”，在左側(cè)菜單“我的實(shí)驗(yàn)”中找到必修實(shí)驗(yàn)《空調(diào)冷熱源系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，如圖3、圖4所示。圖3重慶大學(xué)官網(wǎng)圖4檢索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺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，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)《空調(diào)冷熱源系統(tǒng)綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》，如圖5所示。圖SEQ圖\*ARABIC\s35虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺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”下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告等學(xué)習(xí)資料，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作，如圖6所示。圖6實(shí)驗(yàn)界面（2）進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作之后，可點(diǎn)擊觀看學(xué)習(xí)視頻，如圖7所示。圖7視頻學(xué)習(xí)（3）點(diǎn)擊”虛擬實(shí)驗(yàn)操作“，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目操作，平臺會自動跳轉(zhuǎn)進(jìn)入“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，如圖8、圖9所示。圖8進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)圖9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，如圖10所示。①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，如圖11所示。圖10實(shí)驗(yàn)?zāi)K圖11下載自學(xué)資料②分別學(xué)習(xí)“系統(tǒng)探索”冷水機(jī)組、鍋爐機(jī)組系統(tǒng)三維仿真模型，初次使用大概需要1~3min的加載時間，如圖12所示。圖12仿真模型下載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，查看知識解說，如圖13所示。圖13三維仿真系統(tǒng)③分別學(xué)習(xí)“虛擬實(shí)驗(yàn)”中冷水機(jī)組、鍋爐機(jī)組系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)之前，需要正確啟動系統(tǒng)，離開實(shí)驗(yàn)時，需正確關(guān)閉系統(tǒng)，如圖14所示。圖14虛擬實(shí)驗(yàn)冷源系統(tǒng)變工況虛擬實(shí)驗(yàn)可改變冷凍水流量、冷卻水流量、冷凍水供水溫度、冷卻水進(jìn)水溫度、蒸發(fā)器結(jié)垢狀態(tài)、冷凝器結(jié)垢狀態(tài)等參數(shù)，進(jìn)行不同工況實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析；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，其他參數(shù)恢復(fù)為初始默認(rèn)值。實(shí)驗(yàn)初始工況為：冷凍水供水溫度7.1℃，冷凍水流量437.6m3/h，冷卻水回水溫度30.8℃，冷卻水流量620.8m3/h，蒸發(fā)器未結(jié)垢，冷凝器未結(jié)垢。熱源系統(tǒng)變工況虛擬實(shí)驗(yàn)可改變熱水流量、熱水供水溫度、鍋爐結(jié)垢狀態(tài)等參數(shù)，進(jìn)行不同工況實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。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，其他參數(shù)恢復(fù)為初始默認(rèn)值。實(shí)驗(yàn)初始工況為：熱水供水溫度75℃，熱水流量64.8m3/h，鍋爐未結(jié)垢，如圖15所示。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)，作為實(shí)驗(yàn)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(jìn)行至少4個工況的實(shí)驗(yàn)。圖SEQ圖\*ARABIC\s315實(shí)驗(yàn)工況調(diào)節(jié)④完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)“虛擬實(shí)驗(yàn)”之后，返回共享平臺界面，完成客觀考核題，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如圖16所示。圖16實(shí)驗(yàn)考核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)過程中，每完成一個工況實(shí)驗(yàn)，可導(dǎo)出相應(yīng)工況的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，見表1。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：表1冷源系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)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)室外環(huán)境室外溫度/℃室外環(huán)境室外相對濕度/%1#冷水機(jī)組冷機(jī)狀態(tài)蒸發(fā)溫度/℃冷凝溫度/℃冷凍水供水溫度/℃冷凍水回水溫度/℃冷卻水進(jìn)水溫度/℃冷卻水出水溫度/℃蒸發(fā)器進(jìn)水壓力/kPa蒸發(fā)器出水壓力/kPa冷凝器進(jìn)水壓力/kPa冷凝器出水壓力/kPa2#冷水機(jī)組冷機(jī)狀態(tài)蒸發(fā)溫度/℃冷凝溫度/℃冷凍水供水溫度/℃冷凍水回水溫度/℃冷卻水進(jìn)水溫度/℃冷卻水出水溫度/℃蒸發(fā)器進(jìn)水壓力/kPa蒸發(fā)器出水壓力/kPa冷凝器進(jìn)水壓力/kPa冷凝器出水壓力/kPa3#冷水機(jī)組冷機(jī)狀態(tài)蒸發(fā)溫度/℃冷凝溫度/℃冷凍水供水溫度/℃冷凍水回水溫度/℃冷卻水進(jìn)水溫度/℃冷卻水出水溫度/℃蒸發(fā)器進(jìn)水壓力/kPa蒸發(fā)器出水壓力/kPa冷凝器進(jìn)水壓力/kPa冷凝器出水壓力/kPa冷凍總管總管供水溫度/℃總管回水溫度/℃總管供水壓力/kPa總管回水壓力/kPa總管流量/(m3·h-1)冷卻總管總管供水溫度/℃總管回水溫度/℃總管供水壓力/kPa總管回水壓力/kPa總管流量/(m3·h-1)系統(tǒng)能耗計(jì)算冷量/kW系統(tǒng)負(fù)荷率/%冷站總能耗/kW冷機(jī)能耗/kW冷凍泵能耗/kW冷卻泵能耗/kW冷卻塔能耗/kW能效冷站能效比EER機(jī)組性能系數(shù)COP表2熱源系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)組別參數(shù)工況1工況2工況3工況4工況5……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/℃3#鍋爐鍋爐狀態(tài)出水溫度/℃回水溫度/℃氣象參數(shù)室外溫度/℃室外相對濕度/%供熱總管總管供水壓力/kPa總管回水壓力/kPa總管供水溫度/℃總管回水溫度/℃總管流量/(m3·h-1)系統(tǒng)能耗/效率總供熱量/kW負(fù)荷率/%耗燃?xì)饬?Nm3