《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 8-10热水供暖系统综合虚拟仿真实验

热水供暖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，掌握热源为燃气热水锅炉，末端为散热器和辐射地板的完整的供暖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通过对供暖末端及热源系统多项影响参数的变工况虚拟实验分析，全面地掌握新锅炉、散热器、辐射地板等设备及供暖系统性能的影响因素、规律和内在机理，了解热源与末端之间的动态耦合。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.实验原理热水供暖系统综合虚拟仿真实验构建了以热水锅炉为热源，辐射地板和散热器系统为供暖末端的热水供暖系统，并以该模型设置变工况虚拟实验。热水锅炉系统设置了两台燃气热水锅炉，锅炉系统一侧次热水系统直接供散热器末端系统，另一部分热水通过板式换热器进行换热，制取二次侧低温热水供末端地板辐射供暖系统。一二次侧热水泵、板式换热器均与锅炉设备一一对应。板式换热器通过恒温控制阀调节一次侧水流量，控制二次侧水温。系统管路设置了相关手动、自动控制阀及监控仪表等构件。末端由多个楼层的地板辐射供暖系统和散热器系统组成，虚拟仿真实验三维模型分别呈现1个地板辐射供暖系统楼层和散热器系统楼层。地板辐射供暖系统楼层共12个供暖房间，分为两组分集水器，每组包含6个房间，管路采用异程式。散热器系统楼层共12个供暖房间，每个房间一组散热器设备，管路采用水平同程式。系统原理图如下所示。图1系统原理图采暖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 qr=Qr/t式中Qr——锅炉累计供热量，V——热水平均小时流量，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，kWt——测试时段时间，s。采暖锅炉的输入测量反映锅炉系统的能耗，锅炉燃料输入热量按以下公式计算： Qi=G∙Qcy qi=Qi/式中Qi——锅炉累积能耗，G——测试时间内采暖锅炉燃气量，Nm3；Qcy——测试时间内燃用气的平均低位发热值，kJ／Nmqi——单位时间锅炉耗热量，kW；t——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——检测持续时间内采暖锅炉日平均运行效率，kJ/kJ；Qr——检测持续时间内采暖锅炉的产生热量Qi——检测持续时间内采暖锅炉的输入热量kJ建筑负荷率为建筑当下实际冷热负荷与设计负荷的比值。在供热实验中，可以以热源的供热量作为建筑当下实际热负荷，建筑负荷率计算如下： φ1=qrq式中φ1qr——单位时间锅炉供热量，kWqs——建筑设计热负荷，kW在本实验中，板式换热器一次侧是热流体，二次侧是冷流体，两侧换热量计算公式如下： ϕc=qmcc ϕh=qmhc式中ϕc，ϕh——qmc，qmh——冷、热流体质量流量，cpc，cph——冷、热流体的定压比热容，kJ/（tc1，tc2——冷流体进、出口温度，th1，th2——热流体进、出口温度，热水泵输送系数RRE反映水泵单位能耗输送的供热量，板式换热器一次侧、二次侧水泵的输送系数可按以下公式计算： RRE1=ϕhN RRE2=ϕcN式中RRE1，RREϕh，ϕc——一次侧换热量、二次侧换热量，Nb1，Nb2——一次侧水泵、二次侧水泵耗功率，实验中，末端供热设备散热器和辐射地暖可通过其进出口热水温差和流量计算其总的散热量，如下所示； QH=cVρ∆t式中QH——末端设备总散热量，V——热水平均流量，m³/h；∆t——热水进出水温差，℃；ρ——水平均密度，kg/m³；c——平均温度下水的比热容，kJ/（kg·℃）。辐射面对室内的供热量由对流换热和辐射换热两部分组成，应按下列公式计算： Qh=S×q辐射单位面积辐射换热量按下式计算： qf=5×10-8t敷设在地面的辐射系统，辐射单位面积对流换热量按以下公式计算： qd=2.13tpj式中S——辐射地板面积，m2Qh——辐射地板对室内的供热量，Wqf——辐射单位面积辐射换热量，W/m2qd——辐射单位面积对流换热量，W/m2tpj——辐射表面平均温度，tfj——非加热表面平均温度，℃tn——室内空气温度，℃辐射表面平均温度由表面多个测点的平均温度计算得到，如下式所示： tpj=i=1nt式中tpj——辐射表面平均温度，ti——辐射表面第i个测点温度，℃n——辐射表面测点总数量。室内非加热表面的面积平均温度由计算所有非加入表面加权平均温度获得，按下式计算： tfj=i=1n式中tfj——非加热表面平均温度，ti——第i个非加热表面温度，℃Ai——第i个非加热表面面积，m2n——非加热表面总数量。地板辐射供暖系统在换热过程中，一部分热量通过地板扩散至其他区域成为换热损耗。辐射地板向房间的供热量与系统总的换热量之间的比值为有效换热比重，该值越高，说明系统的换热损耗越小。 φ2=式中φ2QH——末端设备总散热量，WQh——辐射地板对室内的供热量，W3.实验系统及装置热水供暖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。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《热水供暖系统综合虚拟仿真实验》，如图2、图3所示。图2重庆大学官网图3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《热水供暖系统综合虚拟仿真实验》，如图4所示。图4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”，结合教学需求下载实验报告等学习资料，如图5所示。文件资料“热水供暖虚拟仿真实验报告”是仅针对本实验项目内容的实验报告；文件资料“重庆大学供暖系统创新性综合实验”则是融合该虚仿项目和实体实验项目，建设的创新性实验的相关资料，除虚拟仿真实验项目报告外，另含学习资料。图5下载学习资料（2）点击“开始实验”进入实验操作之后，可点击观看实验教学视频，如图6所示。图6观看学习视频（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7、图8所示。图7进入实验操作系统图8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。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。“系统探索”热水供暖系统三维仿真模型由顶层热源系统、散热器系统、辐射地暖系统3个楼层组成，初次使用大概需要1~3min的加载时间，如图9所示。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。图9三维仿真模型在“虚拟实验”界面（图10）更改系统干管热水温度、二次侧热水温度工况，进行模拟实验，并获得系统各工况下主要运行参数。本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：总管供水温度75℃，二次侧供水温度45℃。输入不同工况数据，点击“确定”，即可导出实验数据，为满足实验分析深度，热水温度参数应分别进行不少于4组工况的实验。图10虚拟实验3）实验考核完成实验系统“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。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。实验测试数据包括以下内容：表1实验测试参数表1组别参数工况1工况2工况3工况4工况5……气象参数室外温度/℃室外相对湿度/%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/℃供热总管总管供水温度/℃总管回水温度/℃总管流量/(m³·h-1)总供热量/kW负荷率/%散热器系统干管流量/(m³·h-1)板式换热器系统板换一次侧进水温度/℃板换一次侧出水温度/℃板换一次侧流量m3/h板换二次侧进水温度/℃板换二次侧出水温度/℃板换二次侧流量m3/h一次侧换热量/kW二次侧换热量/kW温控蝶阀开度/%系统能耗及能效耗燃气量/Nm3锅炉效率/%一次侧水泵耗电量/kW二次侧水泵耗电量/kW一次侧水泵输送系数二次侧水泵输送系数表2实验测试参数表2组别参数工况1工况2工况3工况4工况5……室内初始设定参数散热器房间室内温度/℃辐射地板房间室内温度/℃室内相对湿度/%散热器末端房间供水温度/℃回水温度/℃水流量/(m³·h-1)阀门开度供热量/kW室内相对湿度/%室内干球温度/℃室内黑球温度/℃辐射地板末端房间供水温度/℃回水温度/℃水流量/(m³·h-1)阀门开度/%水侧换热量/kW辐射地板换热量/kW有效散热量比重/%辐射地板表面温度/℃室内相对湿度/%室内干球温度/℃室内黑球温度/℃达到设定温度时间/h2）实验分析（1）根据虚拟实验，对比散