山东建筑大学 谢晓娜 崔 萍 曲云霞 张林华
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，逐步逼近发达国家30%的水平[1]。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，雾霾现象频繁出现，对人们的健康造成危害。近年来国家在节能减排方面出台了一系列政策，促进了多样化建筑冷热源系统的应用，对设计、施工、运行及管理都提出了新的挑战。
建筑冷热源系统是一个复杂的系统，由冷热源主机、室外侧排热设备、用户侧用冷设备、水泵及管路系统组成。在教学培养环节，一般只讲解设计工况下的相关知识，部分负荷下的运行调节作为难点内容很难讲解清楚。虽然参观与实习可以给学生提供一个现场学习系统运行调节的真实场景，但很难去实际操作及现场调试系统运行工况。而在工程实践中建筑冷热源系统的设计、运行与评价也都存在着严重脱节现象，由于学校运行调节方面专业教育的缺乏，设计人员设计时，很少考虑运行环节的效果和节能问题，对设计完的项目也很难去跟踪实测运行效果或对设计项目进行评价。
我国还有很多项目的冷热源水系统仍然按照定流量运行，水泵运行节能无从谈起[2]。培养高质量的运行管理人员是冷热源机房节能运行的关键，例如香港太古制冷站主要靠人工运行调节而成为高效节能的制冷站[3]。为了更好地完成冷热源变工况运行调节的教学，本研究在冷热源系统优化设计与运行调节虚拟仿真实验中开发了变工况运行调节模块，本文将详细讲解这个模块的有关内容。
本研究开发的建筑冷热源系统优化设计与运行调节虚拟仿真实验由4个模块组成，分别为负荷计算模块、设备选型及方案优化分析模块、系统搭建模块、系统变工况运行调节模块，如图1所示。前3个模块完成后，会在三维虚拟场景中搭建好冷热源机房，如图2所示。在此基础上进行冷热源系统启动工况、设计负荷工况、部分负荷工况的运行调节。4个模块的内容简介见文献[4]，本文将针对模块4的内容进行详细说明。
图2 在三维虚拟场景中搭建的冷热源机房
2.1 变工况运行调节内容
变工况运行调节的目的是满足空调系统对冷热量的需求。空调系统的能量传递路线如图3所示，空调区域内的热量被空气带入空调末端，空气在空调末端的换热器中与冷水进行热量交换，因此这部分热量又由冷水带入冷水机组，然后通过冷水机组的制冷循环排到室外。根据能量守恒定律可知，冷水机组制冷量应等于所服务空调区域的总冷负荷(外加一定的输送损失)。由于空调区域冷负荷随室外气象和室内热源不断变化，冷水机组制冷量也需随之变化；
而冷水机组制冷量调节主要由冷水机组出厂时自带的控制系统完成，冷热源机房运行管理人员只需在控制面板上设定出水温度即可，因此冷水机组制冷量调节不作为虚拟仿真实验的主要内容，只分析它在不同工况下运行功率和效率的改变。
图3 空调系统能量传递路线
近些年来，冷水机组变流量技术和水泵变频技术越来越成熟，应用越来越广泛。但我国大多数空调冷水系统仍然按照定流量方式运行，因此本虚拟仿真实验将以冷水系统一级泵变流量系统作为展示对象，如图4所示，向学生讲授如何调节冷水流量来满足空调系统的冷量需求，并实现变流量节能运行。
图4 冷水一级泵变流量系统示意图
冷水流量可用式(1)计算：
式中 G为冷水流量，m3/s；
Q为冷水机组制冷量，W；
cp为冷水比定压热容，J/(kg·K)；
ρ为冷水密度，kg/m3；
Δt为冷水供回水温差，℃。
在设计工况下，供回水温差取5 ℃，代入式(1)可得到相应的冷水流量。当空调区域负荷减小时，由于空调末端换热面积不变，求解相应的传热方程可知空调末端需要的冷水流量会减小，供回水温差将大于5 ℃[2]。实际上供回水温差小于理论求解结果，原因为：1) 末端有很多开/关控制的风机盘管一类的换热器，导致供回水温差变小；
2) 部分负荷下不一定只靠调节水量适应负荷，同时还可能调节风量适应负荷，抑制了供回水温差的增大；
3) 各支路负荷峰值会不同步，各支路水量调节策略也有所不同，导致总水量变化不大。在本虚拟仿真实验中取供回水温差等于设计值5 ℃，定供回水温差来调节水量，这也经常是一个可行的控制方法，不会影响对运行调节方法的讲解。
2.2 管路系统流量调节方法
从前文分析可以看出，变工况调节的主要调节内容为管路内的冷水流量。管路实际运行的水流量取决于水泵性能曲线与管路特性曲线的交点。当水泵选型完成后，水泵性能曲线便确定下来了，只有在水泵上安装变频器进行调节，才能改变水泵性能曲线[5-6]；
而调节空调末端电动调节阀、旁通管路电动调节阀、管路系统中的手动阀门等手段能改变管路系统的特性曲线。
不同运行工况下的流量调节方法如表1所示，下面将分别在虚拟仿真场景中进行这些运行调节操作。
表1 不同运行工况下的流量调节方法
3.1 启动操作与启动工况
设置启动操作环节的主要目的是使学生掌握冷热源机房的设备启动顺序，在左侧设备列表中自上而下依次点击各设备，则在右边页面中会出现此设备及其控制面板，控制面板是正常尺寸的6倍，以方便在三维虚拟空间中进行操作。学生点击控制面板上的开关即可启动此设备，如图5所示。
图5 设备开启顺序与方法
启动完成后，接着进入水泵工作点确定界面，如图6所示，这里需要学生掌握管路特性曲线1与水泵性能曲线2的交点即为冷水泵工作点这一知识点。从图6还可以看出冷水泵工作点的流量高于设计流量(两曲线交点在直线3右边)，此时需要实验辅导教师讲解清楚这种现象产生的原因：在水泵选型环节，水泵额定流量和扬程均略高于设计值，因此系统刚启动后管路内的流量高于设计流量。
1.管路特性曲线；
2.水泵性能曲线；
3.设计流量等流量线。图6 启动工况下的水泵工作点
3.2 初调节与设计工况
在设计负荷工况下，管路内流量应等于设计流量。因此在启动工况的基础上，调小机房管路上的手动阀门(一般是分、集水器上的阀门，这里以分水器阀门为例)，则管路特性曲线(见图7曲线1)在阀门调节过程中发生改变，变为曲线2，其与水泵性能曲线3的交点会逐渐接近设计流量的等流量线(直线4)，直到落到直线4上，则调节成功。这个调节过程称为初调节，这个环节通过生动的人机互动，创造深刻的学习情境，使学生掌握初调节的原理与方法。
1.启动时管路特性曲线；
2.初调节过程中管路特性曲线；
3.水泵性能曲线；
4.设计流量等流量线。图7 通过初调节达到设计流量的调节过程
3.3 部分负荷运行调节
1) 阀门调节。
建筑负荷变小后，空调末端(简单起见，这里将所有末端简化为一个空调机组末端)对冷水的流量需求减小，自控系统会发出指令将其电动调节阀关小，因此管路特性曲线(见图8曲线2)继续偏移，变为曲线3。其与水泵特性曲线4的交点逐渐接近部分负荷工况下运行流量的等流量线(直线6)，直到落到直线6上，则调节成功。这里将自控系统调节电动阀门的过程做到界面上，让学生手动调节，加深印象；
这一环节也通过人机互动创造更深刻的学习情境。
1.启动时管路特性曲线；
2.初调节完成后管路特性曲线；
3.部分负荷下阀门调节过程中管路特性曲线；
4.水泵性能曲线；
5.设计流量等流量线；
6.部分负荷运行流量等流量线。图8 通过阀门调节达到部分负荷流量的调节过程
2) 变频调节。
冷水泵的转动频率与电动机供电频率一致，我国供电体系的供电频率为50 Hz。在冷水泵电动机上安装变频器，可平滑地改变异步电动机的供电频率，即可改变电动机转子的转速。水泵的转速也会随之改变，水泵的性能曲线(见图9曲线3)会发生变化，变为曲线4，其与管路特性曲线2的交点向部分负荷运行流量的等流量线6偏移，直到落到直线6上，则调节成功。这一环节也通过人机互动创造更深刻的学习情境。
进行冷热源系统变工况运行调节的主要目的是降低运行能耗，冷热源系统的主要耗能设备是主机和水泵，下面仍然以冷水机组系统为例，给出冷水机组和冷水泵运行功率的计算公式，并分析运行调节过程中各参数的变化对设备运行功率的影响，最后给出设备运行功率的界面显示方式。
4.1 冷水机组运行功率
当冷水机组的制冷量发生变化时，其运行功率计算公式如下[7]：
式中 Pc为冷水机组运行功率，W；
COP为冷水机组性能系数。
从式(2)可以看出，当空调区域冷负荷(冷水机组的制冷量)减小时，冷水机组运行功率也会随之减小，减小幅度受冷水机组运行COP的影响。在变工况运行调节过程中，变化参数为空调区域冷负荷和冷水流量；
冷水流量对COP影响较小，因此这里只考虑负荷率对COP的影响，如图10所示。
图10 变工况下冷水机组COP与负荷率的关系及冷水泵效率与流量的关系
4.2 水泵运行功率
水泵运行功率的计算公式如下[8]：
Pp=ρgGHη1η2
(3)
式中 Pp为水泵运行功率，W；
H为水泵运行扬程，m；
η1为水泵运行效率；
η2为电动机效率。
从式(3)可以看出，水泵运行功率主要取决于运行流量与运行扬程的乘积，另外还受水泵运行效率的影响。将图8、9所示工作点的流量和扬程代入式(3)，可以计算出变频调节方法的运行功率远低于阀门调节方法的。
4.3 运行结果显示
各设备在不同运行工况下的参数会在实验界面上以汇总报告的形式实时显示，如图11所示。为了让学生更直观地理解部分负荷下运行功率降低的效果，采用图10所示的形式表示冷水机组运行功率与COP曲线、水泵运行功率与效率曲线。图10中上部通过指针的指向直观显示部分负荷工况下运行功率与设计工况的对比，使学生对变工况运行的节能潜力有直观的认识；
下部冷水机组COP曲线和水泵运行效率曲线以图形形式显示出来，便于学生对照式(2)、(3)分析节能原因。
图11 设备功率实时显示界面
本文介绍了在三维虚拟仿真环境中对冷热源系统变工况运行模块的开发。作为建筑冷热源系统优化设计与运行调节虚拟仿真实验的一部分，在系统搭建完成后，训练了学生按顺序启动系统中所有设备的能力。
基于水泵工作点确定方法这一核心知识点，通过阀门调节操作，将水泵工作点从启动工况工作点调节到设计工况工作点，伴随着学生对阀门的操作，界面上实时显示出工作点移动过程，通过这种人机交互的操作，使学生掌握冷热源输配系统初调节的原理与操作。
仍然基于水泵工作点确定方法这一核心知识点，用2种方法分别进行了部分负荷工况调节，界面上实时显示通过调节空调末端阀门改变管路特性曲线引起的水泵工作点变化过程，以及通过调节水泵变频器改变水泵性能曲线引起的水泵工作点变化过程。通过这种人机交互的操作，使学生掌握部分负荷工况下冷热源输配系统的变流量运行原理与操作。
分析了调节过程对设备功率的影响，并通过直观的图形显示出来。
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