《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 8-6空调冷热源系统综合虚拟仿真实验

空调冷热源系统综合虚拟仿真实验1.实验目的①通过“沉浸式”探索和学习，掌握冷水机组冷源系统、锅炉热源系统的组成和管路形式，深入了解系统中各种设备、阀件、构件的工作原理和应用思路。②通过对冷热源系统多项影响参数的变工况虚拟实验分析，全面地掌握冷水机组、锅炉、水泵、冷却塔等设备及冷热源系统性能的影响因素、规律和内在机理。③通过自主性、探究性学习，培养学生自主学习和思考的能力，提高学生解决复杂工程问题的能力，激发创新思维。2.实验原理空调冷热源系统综合虚拟仿真实验构建了冷水机组冷源系统三维仿真模型和热水锅炉热源系统三维仿真模型，并基于以上系统，设计了变工况运行的虚拟实验。冷水机组冷源系统原理图如图1所示。图1冷水机组冷源系统原理图系统设置了三台额定制冷量为700kW的冷水机组，冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵与冷水机组一一配套，水泵与机组采用先并后串”的连接方式，冷源系统管路设置了相关手动、自动阀门，参数监测仪表。冷水机组蒸发器冷冻水由分水器送至末端系统，供冷升温后由集水器经由冷冻水泵送回至冷水机组蒸发器，如此反复循环制冷。冷水机组制冷剂吸收冷冻水热量，进压缩机增压升温，在冷凝器中将热量传递给冷却水，冷却水送至冷却塔与室外空气换热降温后由冷却水泵送回至冷水机组冷凝器，如此反复循环换热。冷水机组供冷量按以下公式计算： Q0=cVρt2式中Q0——冷水机组制冷量，WV——冷冻水平均流量，m³/h；t1——冷冻水出口平均温度，℃t2——冷冻水进口平均温度，℃ρ——水平均密度，kg/m³；c——平均温度下水的比热容，kJ/（kg·℃）。电驱动压缩机的蒸气压缩循环冷水机组的性能系数(COP)应按下式计算： COP=Q0Ni式中COP——水冷机组的制冷性能系数，W/W；Q0——冷水机组机组制冷量，WNi——水冷机组耗功率，W；冷站能效比EER可按下式计算： EER=Q0Nj式中EER——冷站的能效比，W/W；Q0——冷站多台冷水机组的总供冷量，WΣNj—冷站各设备的总耗功率，kW。包括冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔的耗功率。热水锅炉热源系统原理图如图2所示。图2热水锅炉热源系统原理图系统设置了三台额定制热量为630kW的燃气热水锅炉机组，热水泵与锅炉机组一一配套，水泵与机组采用“先并后串”的连接方式，热源系统管路设置了相关手动、自动阀门，参数监测仪表。锅炉通过燃烧天然气制备热水，热水由分水器送至末端系统，供热降温后由热水泵经由集水器送回至锅炉中，如此反复循环供热。锅炉的供热量检测持续时间不应少于24h，按以下公式计算： Qr=c0t式中Qr——锅炉日累计供热量，（kJ）；V——热水小时流量（m³/s）；∆tr——热水供、回水温差ρ——水平均密度（kg/m³）；c——平均温度下水的比热容kJ/（kg·℃）;qr——单位时间锅炉供热量（kW）；t——测试时段时间，s。测试时间内，锅炉的单位时间供热量按下式计算： qr=Qr/式中qr——单位时间锅炉供热量（Qr——锅炉日累计供热量，kJt——测试时段时间，s。锅炉的输入测量反应锅炉系统的能耗，锅炉燃料输入热量按以下公式计算： Qi=G∙Qcy式中Qi——测试持续时间内锅炉累积能耗，G——测试时间内采暖锅炉燃气量，Nm3；Qcy——测试持续时间内燃用气的平均低位发热值，kJ／Nm qi=Qi/式中Qi——检测持续时间内锅炉的输入热量，qi——单位时间锅炉耗热量，kWt——测试时段时间，s。锅炉测试期间平均运行效率可按以下公式计算： η=QrQi式中η——检测持续时间内锅炉平均运行效率，kJ/kJ；Qr——检测持续时间内锅炉的产生热量，kJQi——检测持续时间内锅炉的输入热量，kJ热水泵输送系数反映水泵单位能耗输送的供热量，按以下公式计算： ∂=qrNb式中∂——qr——单位时间锅炉供热量，kWNb——水泵耗功率，kW冷水机组内部的蒸发器、冷凝器，锅炉的省煤器均属于间壁式热质交换设备，其换热量计算如下式所示： Q=K0A0式中Q——间壁式热质交换设备的换热量，W；K0，Ki——换热器管外表面传热系数、换热器管内表面传热系数，A0，Ai——换热器管外表面面积、换热器管内表面面积，m∆t——冷、热流体总温差。传热系数计算公式如下： K0=1d0 Ki=1d0式中d0，di——λ——换热器管壁导热系数，W/K·℃；h0，hi——换热器管外流体对流换热系数、管内流体对流换热系数，根据传热学，流体温度和流速均是影响流体对流换热系数的重要因素。当冷冻水温度、流量变化时，将影响冷水机组蒸发器换热量；当冷却水温度、流量变化时，将影响冷水机组冷凝器换热量；当热水温度、流量变化时，将影响锅炉省煤器换热量。此外，通常换热器在运行时，由于流体的杂质、生锈或流体与壁面材料之间的其他反应，换热器表面常常会被污染。表面上沉淀的膜或是垢层会大大增加流体之间的传热阻力，影响换热器的换热量。管内外表面的传热系数计算公式为： K0=1d0 Ki=1d0式中Rf,i，Rf,0——管内、管外污垢热阻，3.实验系统及装置空调冷热源系统综合虚拟仿真实验系统采用Web端访问形式，无需安装任何插件。电脑相关配置要求如下：①操作系统：WindowsServer2008R2及以上版本；②Web服务程序：IIS7.0及以上版本Microsoft.NETFramework4.0；③推荐使用chrome浏览器（其他浏览器可能出现操作命令冲突）； ④支持操作系统WindowsXP\7\8\10等版本，可兼容32位和64位。⑤在实验过程中涉及数据分析、报告编写，电脑应安装由MicrosoftOffice、WPS等文档软件。4.实验步骤及方法1）实验系统登录①重庆大学校内学生通过重庆大学官网服务大厅进入个人信息门户，检索“虚拟仿真实验教学共享平台”，在左侧菜单“我的实验”中找到必修实验《空调冷热源系统综合虚拟仿真实验》，如图3、图4所示。图3重庆大学官网图4检索虚拟仿真实验教学共享平台②其他学校学生由虚拟仿真实验教学共享平台，登录进入，在左侧菜单“我的实验”中找到必修实验《空调冷热源系统综合虚拟仿真实验》，如图5所示。图SEQ图\*ARABIC\s35虚拟仿真实验教学共享平台2）自主实验（1）进入实验后，可点击“学习资料”下载实验报告等学习资料，点击“开始实验”进入实验操作，如图6所示。图6实验界面（2）进入实验操作之后，可点击观看学习视频，如图7所示。图7视频学习（3）点击”虚拟实验操作“，进入实验项目操作，平台会自动跳转进入“虚拟仿真实验系统”，如图8、图9所示。图8进入实验操作系统图9系统加载（4）在虚拟实验系统中，依次完成“课前自学”“系统探索”“虚拟实验”3部分实验内容，如图10所示。①课前自学中可以下载学习资料，利用网站链接查找所需资料，如图11所示。图10实验模块图11下载自学资料②分别学习“系统探索”冷水机组、锅炉机组系统三维仿真模型，初次使用大概需要1~3min的加载时间，如图12所示。图12仿真模型下载按照左下角操作提示，观看模型系统，可点击任意阀门、设备，查看知识解说，如图13所示。图13三维仿真系统③分别学习“虚拟实验”中冷水机组、锅炉机组系统虚拟实验。进行虚拟实验之前，需要正确启动系统，离开实验时，需正确关闭系统，如图14所示。图14虚拟实验冷源系统变工况虚拟实验可改变冷冻水流量、冷却水流量、冷冻水供水温度、冷却水进水温度、蒸发器结垢状态、冷凝器结垢状态等参数，进行不同工况实验，获取实验数据，进行实验分析；实验为单因素工况实验，当改变某一参数数值时，其他参数恢复为初始默认值。实验初始工况为：冷冻水供水温度7.1℃，冷冻水流量437.6m3/h，冷却水回水温度30.8℃，冷却水流量620.8m3/h，蒸发器未结垢，冷凝器未结垢。热源系统变工况虚拟实验可改变热水流量、热水供水温度、锅炉结垢状态等参数，进行不同工况实验，获取实验数据，进行实验分析。实验为单因素工况实验，当改变某一参数数值时，其他参数恢复为初始默认值。实验初始工况为：热水供水温度75℃，热水流量64.8m3/h，锅炉未结垢，如图15所示。输入不同工况数据，点击“确定”，即可导出实验数据，作为实验分析依据。为能较为完整的分析系统规律，水流量、水温参数宜进行至少4个工况的实验。图SEQ图\*ARABIC\s315实验工况调节④完成实验系统“虚拟实验”之后，返回共享平台界面，完成客观考核题，提交实验报告，如图16所示。图16实验考核5.实验数据及分析1）实验数据进行虚拟实验过程中，每完成一个工况实验，可导出相应工况的实验测试数据，见表1。实验测试数据包括以下内容：表1冷源系统虚拟实验测试数据组别参数工况1工况2工况3工况4工况5……气象参数室外环境室外温度/℃室外环境室外相对湿度/%1#冷水机组冷机状态蒸发温度/℃冷凝温度/℃冷冻水供水温度/℃冷冻水回水温度/℃冷却水进水温度/℃冷却水出水温度/℃蒸发器进水压力/kPa蒸发器出水压力/kPa冷凝器进水压力/kPa冷凝器出水压力/kPa2#冷水机组冷机状态蒸发温度/℃冷凝温度/℃冷冻水供水温度/℃冷冻水回水温度/℃冷却水进水温度/℃冷却水出水温度/℃蒸发器进水压力/kPa蒸发器出水压力/kPa冷凝器进水压力/kPa冷凝器出水压力/kPa3#冷水机组冷机状态蒸发温度/℃冷凝温度/℃冷冻水供水温度/℃冷冻水回水温度/℃冷却水进水温度/℃冷却水出水温度/℃蒸发器进水压力/kPa蒸发器出水压力/kPa冷凝器进水压力/kPa冷凝器出水压力/kPa冷冻总管总管供水温度/℃总管回水温度/℃总管供水压力/kPa总管回水压力/kPa总管流量/(m³·h-1)冷却总管总管供水温度/℃总管回水温度/℃总管供水压力/kPa总管回水压力/kPa总管流量/(m³·h-1)系统能耗计算冷量/kW系统负荷率/%冷站总能耗/kW冷机能耗/kW冷冻泵能耗/kW冷却泵能耗/kW冷却塔能耗/kW能效冷站能效比EER机组性能系数COP表2热源系统虚拟实验测试数据组别参数工况1工况2工况3工况4工况5……1#锅炉锅炉状态出水温度/℃回水温度/℃2#锅炉锅炉状态出水温度/℃回水温度/℃3#锅炉锅炉状态出水温度/℃回水温度/℃气象参数室外温度/℃室外相对湿度/%供热总管总管供水压力/kPa总管回水压力/kPa总管供水温度/℃总管回水温度/℃总管流量/(m³·h-1)系统能耗/效率总供热量/kW负荷率/%耗燃气量/Nm3