空调风系统管网性能虚拟仿真教学实训平台的开发

孙育英， 盖轶静， 王 伟， 吴 旭， 洪 阳

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

空调风系统管网性能虚拟仿真教学实训平台的开发

孙育英， 盖轶静， 王 伟， 吴 旭， 洪 阳

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

掌握管网性能相关理论，对空调风系统合理设计、良好调适与优化运行有重要意义。为解决当前高等学校在管网性能实践教学中存在的问题，基于 Dymola动态仿真软件，建立了空调风系统管网仿真模型，开发了虚拟仿真实训平台，设计了管网性能虚拟仿真实验，并展示实践教学应用案例。该实训平台可适用于建筑环境与能源应用工程及相关专业的实践教学，为管网水力和风机性能学习提供了直观、生动、灵活的实验方法，可有效提高教学质量和学生学习兴趣。

实践教学；虚拟仿真；管网性能；空调风系统

管网性能是空调风系统管网设计、调试及运行管理的关键知识点[1]，也是建筑环境与能源应用工程专业的主干专业基础课程——流体输配管网的教学重点和难点[2]。理论与实践相结合，有助于加强学生对网管水力特性认识，掌握管网设计、调试与运行调节方法[3]。但在实际教学中，由于空调系统投资高、占地面积大、运行维护成本高等问题，导致教学通常缺少实践环节，学生

被动输入知识，缺少主动思考，影响人才培养质量[4-6]。

虚拟仿真技术的出现与发展，为实践教学难题提供了有效解决途径[7-9]。然而，在空调风系统管网虚拟仿真教学上，尚缺乏实践[10]与研究[11]。因此，本文依据专业教学要求，基于Dymola软件开发空调风系统管网仿真模型，设计管网性能的虚拟仿真实验方案，建立管网性能虚拟仿真实训平台，使学生更加直观化、系统化地学习并实践管网压力分布图、风机性能曲线、管网特性曲线、风机与管网的匹配等知识点。

1 虚拟仿真平台的开发

1.1 仿真对象

模型仿真对象为一虚拟建筑，如图1所示，建筑长45.6 m、宽16.8 m、高5.0 m，空调面积620 m2，空调冷负荷为81 kW。空调系统采用一次回风定风量系统，设计总送风量为 33 600 m3/h，新风量为4 000 m3/h。主要设备有空调机组1台、送风口28个，回风口3个，具体参数见表1。在图1中，对最不利环路进行了管段编号，各分支管路上均设有风阀、风量计，阀门前后及三通接口均设有压力表。

图1 建筑平面图

表1 设备参数表

1.2 仿真模型的建立

建立和实际相符合的、动态的空调风系统管网仿真模型，是虚拟仿真实训平台开发的核心工作，也是保障虚拟仿真实验效果的前提。

空调系统包含大量复杂的物理过程，其过程的数学描述涵盖非线性常微分、偏微分及代数微分方程等复杂方程[12]。Dymola软件以Modelica语言为基础，是一种基于方程式的多物理仿真平台，能够很好地解决因果类仿真平台的代数循环问题[13-14]，具备将建模和数值方法的理想解耦等显著优势[15]。因此，本文选择Dymola软件作为仿真工具，在Modelica基础库和美国劳伦斯伯克利实验室Building1.6库的基础上，建立空调风系统管网仿真模型，基本流程如图 2所示，主要包括 3个步骤：

(1) 数学模型搭建。根据空调风系统管网的构成，初步搭建模型，主要包含风机、风管、风道调节阀、传感器、三通等元件，元件之间通过相同类型的连接器连接，在模型编译时，连接转化为数学方程。

(2) 模型参数设定。以设计参数为依据，合理设定风系统模型参数，包括流体类型、管径、管长、阻力特性、风机类型、性能曲线，阀门特性，传感器特性等，并验证模型的合理性。

(3) 模型仿真运行。模型编译无误后，用户输入运行时间和计算方式，对模型进行模拟运算，通过数据观测窗口观察数据变化。然后，根据数据变化的合理性返回修改模型参数，使得模拟结

果更加合理、可靠。

图2 Dymola仿真建模基本流程图

其中，模型建立过程中的重点问题是模型参数初始化。仿真模型模拟的是一栋虚拟建筑，已知建筑尺寸及围护结构等信息，根据建筑需求，选定定风量一次回风空调系统，进行管路设计，确定管道长度、阀门位置等信息。然后进行负荷计算、风量计算、水力计算，确定风管尺寸以及风口风量等；在此基础上结合风机产品样本，进行风机设备选型。最终，根据风系统设计结果，进行模型参数的设定。设计结果如图1与表1所示。

根据上述方法建立空调风系统模型，如图 3所示，主要元件的数学方程描述如下。

图3 空调风系统管网模型图

(1) 风机。本实验采用离心式定频风机，根据风机样本资料的数据，确定模型如下

式中，ΔP为风机扬程(Pa)；V˙ (t)为体积流量(m3/h)；为多项式系数，由设备样本的性能曲线决定。

(2) 风管。风管模型是一个带有固定流动阻力系数的阻力模型，假定空气为不可压缩流体，其描述如下

式中，m为质量流量(kg/s)；Δp为风管进出口的压降(Pa)；k为阻力特性系数，是与截面形状尺寸、局部阻力系数、材料摩擦系数以及空气性质等有关的一个常数。

(3) 风量调节阀。是通过改变阀门开度来改变阀门特性，进而改变管道中的流动阻力特性。参考 ASHRAE 825-RP中的描述和规定，阀门特性kd(y)与阀门的开度角y之间具有指数函数关系，因此，通过阀门的流体压降、质量流速与流动特性k(y)关系如下

其中，p为管道进出口的压差(Pa)；m为通过分管的空气质量(kg/s)。

1.3 虚拟仿真平台的开发

基于空调风系统管网仿真模型，开发人机交互平台，为用户提供学习和实训的虚拟仿真实训环境。本文应用 3DMAX技术建立了三维模型，形象展示了建筑物和空调风系统；应用ASP.NET技术开发了人机交互界面，建立了易于使用和操控的实训平台。

在开发过程中的关键问题是实现实训平台与仿真模型的数据实时交互。本文首先将空调风系统管网仿真模型生成具有标准接口协议的空调风系统管网特性模型(functional mock-up unit, FMU)，然后在利用JAVA语言对FMU模型进行实时调用。由于FMU的模拟速度很快，为了实现实时仿真与数据交换，应设置模拟步长，调用FMU对一个模拟步长的时间进行模拟计算，然后等待与实际时间同步后，再计算下一个步长。

实训平台的交互式界面如图4所示，导航菜单分为“学习引导”、“参数输入”和“数据观察”3个部分。“学习引导”帮助学生了解实验的目的和任务；“参数输入”允许学生制定实验策略并进行阀门开度修改；“数据输出”展示出系统各个管段的风量、静压等动态运行数据。

图4 空调风系统管网性能虚拟仿真实训平台

2 虚拟仿真实验过程

2.1 实验目的及原理

根据《流体输配管网》课程的教学重点和难点，基于“空调风系统管网性能虚拟仿真实训平台”，对虚拟仿真实验教学方案进行设计。通过实验，使学生了解风系统管网的压力分布，以及风机性能与管网的配合关系，学习绘制管网压力分布图、风机和管网特性曲线图，掌握管网性能的相关理论。实验原理如下：

(1) 管网压力分布图。可反映流体的流动规律，决定管网中的流量分配。在气体管路中，将各节点的全压(静压)在纵轴上以相同的比例标在图上，连接各点的全压(静压)点可得到全压(静压)分布曲线。如图 5所示，管网压力分布图中横轴为管网示意图，具有完整的管段编号及明确的压力测点位置，纵轴为与测点相对应的全压(静压)。其中，气体管网压力分布图的理论计算依据为气体管路能量方程，参见文献[1]公式(6-1-1)。

图5 气体管网压力分布图

(2) 风机与管网的性能曲线。风机性能曲线是直角坐标图中以流量为横坐标，压力为纵坐标的曲线。该曲线反映了风机在不同流量时，其流量与扬程之间的关系。与之类似，风机的效率曲线以流量为横坐标，效率为纵坐标，反映了风机在不同流量下运行时，其流量与效率之间的关系。如图6所示，可通过多点测试风机流量、扬程和效率的方法，将测点A-F和A′-F′在坐标系中标出，即可分别近似确定风机性能曲线与风机效率曲线。

图6 风机在管网中运行匹配情况原理图

管网特性曲线是在压力-流量图中，反应管网流体流动所需能量与流量之间的关系曲线。当管网静水压线Hst的高度、风机在管网中的运行工况点、阻抗S，这三者确定其二之后，即可绘制出管网特性曲线。其方程参见文献[1]公式(6-1-4)。

风机性能与管网特性的匹配决定了管网实际运行情况。将风机在管网中的实际性能曲线中的

流量-压头曲线与接入管网系统的管网特性曲线，用相同的比例尺、相同的单位绘制在同一直角坐标图上，那么两条曲线的交点，即为该风机在该管网系统中的工作状态点。

2.2 实验步骤

(1) 实验前准备。本实验在风系统平衡调试已完成的基础上展开。实验前，点击仿真软件界面上的运行按钮，查看总风量、各风口风量，检查确认风系统是否处于平衡状态，方可开始实验。根据《通风与空调工程施工规范GB50738-2011》的规定，空调风系统经过平衡调整，各风口风量与设计风量最大偏差不应超过±15%[16]。

(2) 管网压力分布模拟实验。①压力分布图的准备：根据风系统平面图以及仿真系统测点位置，在坐标纸上，将最不利环路简化成直线示意图，并标出各管路的标号。②风系统的仿真运行：点击仿真软件界面上的运行按钮，等待风系统运行稳定，查看各测点的运行压力和流量值，并记录。③全压的计算：根据各测点的压力、流量以及截面积，计算各压力点的全压(空气密度按1.2 kg/m3计算)，并记录。全压可依据文献[1]的7.1公式进行计算。④压力分布图的完成：根据全压的计算结果，将其标在压力分布图上，绘制完成最不利环路全压的压力分布图。

(3) 风机性能模拟实验。①风系统的仿真运行：点击仿真软件界面上的运行按钮，待风系统运行稳定，查看送风机的流量、进出口压力、风机运行功率，计算风机扬程、轴功率，记录实验数据。轴功率可依据文献[1]的5.4.4中公式进行计算。②风机风量的调整：在输入参数界面中，调整总送风管路的调节阀，减少阀门开度 10%，重复(1)，直至阀门开度达到 10%。③风机性能曲线的绘制：在坐标图中，根据测试数据，绘制风机性能曲线和风机功率随流量变化的曲线。近似画出设计流量下的管网特性曲线，并指出运行工况点。④计算此时送风系统的阻抗和比摩阻。

2.3 实验结果

根据上述实验步骤，进行虚拟仿真实验。图7给出启动模拟后的最末端风口风量、风机风量及进出口压力的变化曲线，各参数从模拟初始状态很快到达稳定状态，仿真系统运行时间为60 s，其计算仅需2~5 s。可见，该虚拟仿真实验系统能够实现快速、稳定模拟，大大节约了实验耗时。

图7 模拟启动后风量、压力变化情况

图 8为根据仿真实验结果绘制的最不利环路压力分布图，其管道标号与图 1所示一致。从图中可以看出，新风入口压力为零，经新风管道及新风阀后压力下降，经送风风机，压力上升，之后沿程下降，风口出口的室内环境为微正压。模拟结果符合风系统压力分布规律，通过界面显示的压力表读数，学生可直观且系统化地观察到系统压力分布，并分析压力分布是否合理。

图8 定风量系统最不利环路压力分布图

图 9为根据仿真实验结果绘制的风机性能与管网特性曲线。在仿真实验中，利用总送风管路的调节阀调整风机流量，进行了10组工况仿真。如图 9(a)所示，当该阀门全开时，流量达到35 940 m3/h，超过设计流量的6%；当阀门开度为80%时，流量达到设计流量；当阀门继续减少，流量也随之减小。图9(a)也反映了阀门的调节特性，阀门开度与流量基本呈线性变化，调节阀的调节性能较好。

基于10组工况仿真数据，图9(b)给出风机性能曲线和效率曲线。对于风机，随着流量的增大，风机扬程逐渐下降，而风机效率先呈上升趋势，在设计工况点效率最高，之后随流量增大而呈下降趋势，如图中倒三角及其连线所示。对于管网，在阀门调节的过程中，10组工况分别对应10条管网特性曲线，当总送风管路的调节阀门开度最大时，系统阻抗最小，管网特性曲线也最平缓。当阀门关小时，系统阻抗变大，管网特性曲线变陡，图9(b)中仅展示设计工况下的管网性能曲线。

图9 风机性能与管网特性曲线

综上所述，本文开发的仿真模型可用于空调风系统管网性能实验，仿真计算中能快速收敛，结果合理，能够达到实验教学目的。通过仿真实验，完成实验报告及思考题，可促进学生对管网性能相关知识的掌握。

3 结 束 语

本文为了提高流体输配管网课程的教学质量，解决实践教学实施困难的问题，设计开发空调风系统管网特性虚拟仿真实训平台。依据教学要求设计实验方案，基于Dymola建立一个典型的建筑空调风系统管网仿真模型，基于ASP.NET和3DMAX技术建立交互式实验系统，并进行了虚拟仿真实验过程探索，绘制管网压力分布图、风机性能及管网特性曲线。该虚拟仿真实训平台的开发，将丰富流体输配管网课程的实践教学环节，其灵活、高效、直观的实验方法，将更能调动学生学习的积极主动性，对于学生深入理解和把握管网性能等专业知识起到良好的作用。

[1] 肖益民, 付祥钊. 流体输配管网[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010: 3-6.

[2] 全贞花, 王 伟, 肖 婧. 流体输配管网课程教学研究[J]. 高等建筑教育, 2009, 18(3): 94-96.

[3] 王建华, 郝育新, 刘令涛. 工程图学计算机辅助教学实践与思考[J]. 图学学报, 2012, 33(6): 116-120.

[4] 尚少文, 郭海丰, 马兴冠. 建筑环境与设备工程专业课程教学改革探讨[J]. 沈阳建筑大学学报: 社会科学版, 2011, 13(2): 249-252.

[5] 付祥钊, 邓晓梅, 孙婵娟. 建筑环境与设备工程专业实践教学效果调查与分析[J]. 高等建筑教育, 2009, 18(1): 16-21.

[6] 王金岗, 林 磊. 工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J]. 职教论坛, 2013, (17): 26-29.

[7] 谷志攀, 刘 静, 阳季春, 等. 基于“工程意识”培养的“流体输配管网”课程教改探索[J]. 中国电力教育, 2013, (23): 85-86.

[8] 陈海强. 制冷空调仿真系统原理及其在技能训练中的应用[J]. 中国现代教育装备, 2009, (5): 50-52.

[9] 杨 婉, 李 勇. 某智能建筑冷热源自动控制仿真教学系统的设计[J]. 制冷空调与电力机械, 2008, 29(3): 49-51.

[10] 王 旭. 地方性本科高校虚拟仿真实验教学模式研究[J]. 教育观察旬刊, 2015, 4(16): 61-62.

[11] 吴伯谦, 王 彬, 袁旭东. 模拟仿真软件在 HVAC领域中的应用[J]. 制冷与空调, 2006, 6(4): 5-9.

[12] Li K, Yu Z. Design and simulative evaluation of architectural physical environment w ith ecotect [J]. Computer Aided Drafting, Design and Manufaturing, 2006, 16(2): 44-50.

[13] 李 骥, 邹 瑜, 魏 峥. 建筑能耗模拟软件的特点及应用中存在的问题[J]. 建筑科学, 2010, 26(2): 24-28.

[14] 吴家禾. 计算机模拟软件在建筑节能设计中的应用研究[J]. 江苏建筑, 2014, (3): 96-99.

[15] 赵建军, 丁建完, 周凡利, 等. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理[J]. 系统仿真学报, 2006, 18(z2): 570-573.

[16] GB 50738. 通风与空调工程施工规范[S]. 北京: 中华人民共和国住房和城乡建设部, 2011.

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

北京工业大学促进人才培养综合改革项目(4000543214552)；北京市教委科技计划面上项目(KM 201410005022)

孙育英(1974–)，女，山东德州人，讲师，博士。主要研究方向为建筑设备节能与优化控制。E-mail：sunyuying@bjut.edu.cn