虚拟仿真技术辅助的建筑冷热源系统优化设计实践教学研究*

山东建筑大学 曲云霞 谢晓娜 崔 萍

0 引言

随着我国经济的快速增长及人们对室内舒适度的需求逐渐提高，我国建筑供暖空调系统的能耗日益增加，已占到社会总能耗的20%以上，逐渐逼近发达国家的水平(30%)[1]。建筑冷热源是建筑空调系统的主要耗能设备，也是能否达到暖通空调效果的关键。我国的能源结构以煤炭为主，大量化石能源的燃烧对环境造成了极大破坏，对人们的健康造成危害。如何提高冷热源机房的能源效率已成为广大设计人员与建筑业主所关注的问题。

建筑冷热源设备的选择是建筑环境与能源应用专业的重点和难点。“制冷技术”课程和“建筑热源”课程分别讲授了冷热源设备构成、原理及性能特点，但其实际的运行效率不只取决于冷热源设备本身的性能，还与空调系统中其他设备及建筑负荷特点紧密相关。因此，冷热源设备选型应在负荷已知的情况下与输配系统设计同步进行，这涉及到“流体输配管网”和“空气调节”课程中的一些知识点。“制冷技术”这门课程安排在大四上学期，在此之前，学生已修完其他3门相关课程；在此之后，大四下学期将进行毕业设计。因此考虑在“制冷技术”课程的结尾阶段安排一门虚拟仿真实验课程，实验内容结合了以上4门课程的相关知识点，让学生设计一套简单的冷热源系统，既达到进一步深化前面课程中所学知识点的目的，又为毕业设计打下一定基础，使学生提前对毕业设计的整体思路有一定理解。

建筑冷热源系统优化设计虚拟仿真实验平台建立了针对面积为5 000 m2左右的商业或办公建筑的小型设备库，学生可设计多种不同参数的冷热源案例，在软件界面上完成系统中主要设备的选型，并由软件内置的选型检测功能对不符合要求的选型进行报错，不断纠正不规范选型。通过在虚拟三维场景中进行系统搭建使学生熟悉系统的构成和管道连接。将冷热源系统中主要设备参数全面展现并可由学生手动修改，通过在虚拟三维场景中运行搭建好的冷热源系统，展示不同设备参数下的运行效果；通过构建不同实验案例，促进学生对设备参数的全面理解，提高冷热源系统优化设计能力。最后通过一个虚拟仿真实验案例，更详细地展示了冷热源系统的设计过程，使学生的综合设计能力得到提升。

1 虚拟仿真平台模块内容

为了让学生更好地掌握建筑冷热源系统设计与运行的相关知识，研究团队开发了虚拟仿真实验平台，该虚拟仿真平台是基于Unity3D与Maya工具开发完成的。平台开发时，提前将主要设备的计算模型嵌入平台底层，学生可通过设定不同的参数调研计算模型进而输出设备的性能参数。将相关内容分解为11个实验步骤(如图1所示)：步骤1～4的输出结果作为冷热源系统设备选型的主要依据；步骤5是冷热源系统优化设计模块的主页面，可在此页面上进行2组以上冷热源方案的设备选型；步骤6对步骤5中设计的冷热源系统进行初投资和运行费用估算，并从中选择最优冷热源方案；步骤7～9、步骤10～11分别对设计的最优冷热源系统进行设计工况、部分负荷工况下的运行，通过观察分析运行数据，理解设备的不同参数取值对运行结果的影响。

图1 虚拟仿真实验步骤流程图

1.1 模块1：建筑物冷热负荷计算

建筑物冷热负荷计算模块由实验步骤1～4构成。这一模块的主要功能为根据建筑物的使用功能和地点，确定建筑物所处热工分区，让学生了解和掌握建筑物的结构、使用功能和设计地点对建筑物负荷的影响。

在这一模块中，可选择1栋办公建筑或商业建筑，并对其进行冷热负荷计算。学生只需选择建筑地点、建筑类型、建筑体形系数、窗墙面积比、建筑围护结构类型等信息，软件会根据选定的这些信息，生成负荷计算需要的室外气象参数、建筑围护结构面积、建筑围护结构传热系数等参数，大幅度简化了负荷计算工作量，与毕业设计的训练重点互为补充，使学生的注意力放在影响负荷结果主要因素的设定上。通过在实验过程中设置不同输入参数，引导学生理解这些参数对负荷计算结果的影响[2-4]，进而研究它们对冷热源系统设计的影响。在图2所示软件界面中，学生可从左至右依次完成选择建筑类型、选择空调分区和设定围护结构热工参数的操作。在图3所示软件界面中，采用冷负荷系数法计算了各部分冷负荷，学生可在界面上修改建筑围护结构传热系数、窗墙面积比、室内产热量、新风量，并观察各部分负荷结果的实时变化。

图2 建筑展示和相关信息输入页面

图3 建筑冷负荷计算页面

1.2 模块2：冷热源设备的初步选型

冷热源设备的初步选型模块包含实验步骤5。该模块为学生提供了多种冷热源方案，目的是让学生了解各种方案的特点及如何进行冷热源设备选型。

目前软件里已经嵌入了4种冷热源方案[5]，分别为：“冷水机组+供热板式换热器”“地源热泵”“冷水机组+燃气锅炉”“空气源热泵”(见图4左侧)，学生可分别选中这些方案进行设计。每选中1种方案，其包含的主要设备的相关参数就显示在图4右侧。设备价格随设备型号台数的变化也会实时显示，学生可直观地理解建筑负荷对设备投资的影响及主机台数对设备投资的影响。另外，设备参数之间的关联也可直观显示，例如：冷却塔流量与冷却水泵、冷水机组冷凝器流量一致，略大于冷水泵水量；而冷水泵流量与冷水机组蒸发器流量一致；各设备的台数一致，水泵可多选一台备用等。

图4 冷热源方案初选及设备选型页面

1.3 模块3：冷热源方案优化分析

冷热源方案优化分析模块包含实验步骤6。冷热源方案的优化包括冷热源设备的初投资分析和运行费用分析两部分。该模块的主要目的是让学生了解冷热源方案的确定原则及费用计算方法。

1.发挥资源优势，做强冰雪旅游产业。冰雪旅游业是冰雪产业的主体，发展冰雪产业，首先要做强冰雪旅游业。吉林省应以冰雪资源优势为基础，以长吉都市、长白山、查干湖地区为中心，结合地域特色，实现错位有序发展，建成“一山、两城、三区”的冰雪旅游产业空间发展布局，构建知名冰雪产业品牌。

由模块2确定了冷热源设备的初步选型之后，便可作为冷热源方案优化页面的备选方案；有2种以上备选方案，则可点击进入到方案优化页面，如图5所示，设备优化页面将会给出每种冷热源方案的设备投资、预估运行费用、全寿命周期费用等数据，作为最终确定冷热源方案的主要依据。

图5 冷热源方案优化页面

1.4 模块4：冷热源系统的构建及运行工况分析

冷热源系统的构建及运行工况分析模块包含实验步骤7～11。

冷热源设备选型确定之后，最关键的内容是如何将冷热源设备与空调末端系统相连接。这一模块的主要目标是让学生了解和掌握集中空调系统的冷热源及其附属设备有哪些、冷热源设备与末端空调设备如何连接、影响系统运行工况的因素有哪些。

确定冷热源方案后，在三维场景中进行设备摆放及管道连接(如图6所示)，能够帮助学生克服空间想象力不足的问题，从而更好地完成机房系统图的绘制工作。

图6 三维场景的冷热源机房

各设备旁边均有控制面板，是常规尺寸的6倍，以方便学生对设备进行开关操作。还可对设备的一些运行参数进行调整，例如调整冷却塔出水温度后，会弹出冷水机组COP随之变化的规律(如图7所示)。在三维情境中嵌入这些知识，更有利于学生将理论与实际相结合，更深入地掌握相关知识。

图7 调整冷却塔出水温度对冷水机组COP的影响

在运行环节，训练学生按顺序启动设备，并进行运行初调节。运行能耗显示界面(见图8)能够展示冷水机组和水泵当前运行功率和运行效率。

学生可体验2种部分负荷调节方式：阀门调节和变频器调节(如图9所示)，部分负荷运行能耗也将展示在与图8相似的界面中。在此过程中，学生可体会水流量变化后水泵工作点的偏移，以及由此导致的水泵功率和运行效率的变化(如图8所示)；据此可向学生讲解合理进行水泵选型的重要性。

图8 运行能耗显示界面

图9 2种部分负荷调节方式的页面

2 虚拟仿真实验案例

在模块1中将建筑地点分别选择为哈尔滨和上海，建筑类型选择办公建筑，体形系数设为0.3，窗墙面积比设为0.3，并按照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》设定围护结构传热系数和室内产热量，形成2种工况。运行虚拟仿真实验软件2次，建筑冷热负荷计算结果见表1。

表1 建筑冷热负荷计算结果

在模块2中，针对工况1设计4种冷热源方案，针对工况2设计3种冷热源方案。在模块3中，计算各方案的初投资、年运行费用,结果列于表2中。引导学生以经济性指标为基础数据选择冷热源方案。

对于工况1哈尔滨地区的建筑，冷水机组+城市热网方案总投资较高，运行费用也较高，地源热泵方案总投资最高，但运行费用最低，冷水机组+燃气锅炉方案总投资最低，运行费用接近最低，空气源热泵方案总投资较高，运行费用非常高。因此，在哈尔滨地区，首先可以排除空气源热泵方案。剩下的3种方案中：经济性最差的是冷水机组+城市热网，但这种方案热源稳定、建设周期短；另外2种方案中冷水机组+燃气锅炉经济性最好，但要考虑天然气冬季可能出现短缺的问题；地源热泵的经济性虽然也比较好，但需要有足够埋管场地。

对于工况2上海地区的建筑，由于上海地区无城市热网，因此不考虑冷水机组+城市热网方案，地源热泵方案总投资明显高于其他方案，虽然运行费用最低，但投资回收期较长，冷水机组+燃气锅炉方案初投资位于其他2种方案之间，运行费用与地源热泵方案相近，若当地气源充足，建议选用这种方案，空气源热泵总投资最低，运行费用虽然较高，但从经济性上看也可以作为备选方案，空气源热泵需要安装在室外，要解决好安装场地的问题。

表2 不同方案的经济性指标 万元

在模块4中对选定的冷热源系统进行搭建、启动、初调节及部分负荷调节的操作。

以哈尔滨地区冷水机组系统为例，在学生按照指导完成搭建及启动系统的操作后，布置他们记录系统的主要设备运行功率，并在改变冷却塔出口水温和冷水机组出口水温后，再次记录设备运行功率，如表3所示。引导学生分析冷却塔出口水温和冷水机组出口水温对主机运行功率的影响。

表3 改变水温对主机运行功率的影响

记录初调节前后的冷水泵运行功率和效率，结果见表4，引导学生对初调节的作用进行分析。

表4 初调节对冷水泵运行功率及效率的影响

在冷水泵选型时，若水泵的额定流量和扬程与设计流量和管路总阻力比较接近，如图10a所示，则系统启动后是否进行初调节对水泵运行功率影响较小(如表4所示)。但由于管路阻力影响因素复杂，难以准确计算，因此设计人员在水泵选型时偏向于扬程更大的水泵，以提高安全余量，这样往往会造成系统启动后，水泵流量高于设计流量(如图10b所示)，水泵运行功率高，运行效率低。因此系统启动后，必须进行管路系统的初调节(如图10c所示)，将水泵流量降低到设计流量，从而降低水泵运行功率(如表4所示)，提高水泵运行效率[7]。

图10 选型过大对水泵工作点的影响

部分负荷时，水泵可以定流量或者变流量运行，变流量运行又分为2种方式：调节阀门实现变流量运行，以及调节变频器实现变流量运行。让学生将这3种情况下的冷水泵运行功率和运行效率记录在表5中，并引导他们进行分析：变流量运行能够降低水泵运行功率，其中调节变频器方式的节能效果更明显。

表5 变流量调节对水泵运行功率及效率的影响

3 结语

建筑冷热源系统设计涉及到的知识分布在各专业课中，各专业课教师主要着重于本课程内容的讲解，而不同内容之间的关联成了教学真空地带。毕业设计教学环节设置的目的是填补这个真空地带，但实际实施时发现存在很多问题。为了解决现有教学体系在冷热源设计能力培养中的缺陷，本研究开发了虚拟仿真教学软件作为现有教学体系的补充。

以面积为5 000 m2左右的商业建筑或办公建筑为例，学生可自主选择设计地点，选择不同围护结构参数，然后即可在软件界面上完成系统中主要设备的选型，并由软件内置的选型检测功能对不符合要求的选型进行报错，不断纠正不规范选型。通过在虚拟三维场景中进行系统搭建以熟悉系统的构成和管道连接。将冷热源系统中主要设备参数全面展现并可由学生手动修改，通过在虚拟三维场景中运行搭建好的冷热源系统，可展示不同设备参数下的运行效果；通过构建不同实验案例，促进学生对设备参数的全面理解，提高冷热源系统优化设计能力。

通过对笔者所在学校建环专业大三与大四学生开展该虚拟仿真实验教学的数据统计结果发现，大部分学生能够自主设计冷热源系统并对系统进行调试运行，实现了三维可构建、可模拟、可运行的系统设计。同时据学生反馈，该实验平台以三维动画及任务驱动的方式进行虚拟实验，学习趣味性较强，激发了学生自主学习的积极性。通过该实验项目的学习，学生将全面了解建筑冷热源系统，掌握冷热源系统各主要设备的运行原理及系统设计方法，进一步加深对理论知识与系统专业知识的理解，提升综合运用专业知识解决实际工程问题的能力。