虛擬仿真技術(shù)輔助的建筑冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計實踐教學(xué)研究*

山東建筑大學(xué) 曲云霞 謝曉娜 崔 萍

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長及人們對室內(nèi)舒適度的需求逐漸提高，我國建筑供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗日益增加，已占到社會總能耗的20%以上，逐漸逼近發(fā)達(dá)國家的水平(30%)[1]。建筑冷熱源是建筑空調(diào)系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，也是能否達(dá)到暖通空調(diào)效果的關(guān)鍵。我國的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，大量化石能源的燃燒對環(huán)境造成了極大破壞，對人們的健康造成危害。如何提高冷熱源機(jī)房的能源效率已成為廣大設(shè)計人員與建筑業(yè)主所關(guān)注的問題。

建筑冷熱源設(shè)備的選擇是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)的重點和難點?！爸评浼夹g(shù)”課程和“建筑熱源”課程分別講授了冷熱源設(shè)備構(gòu)成、原理及性能特點，但其實際的運(yùn)行效率不只取決于冷熱源設(shè)備本身的性能，還與空調(diào)系統(tǒng)中其他設(shè)備及建筑負(fù)荷特點緊密相關(guān)。因此，冷熱源設(shè)備選型應(yīng)在負(fù)荷已知的情況下與輸配系統(tǒng)設(shè)計同步進(jìn)行，這涉及到“流體輸配管網(wǎng)”和“空氣調(diào)節(jié)”課程中的一些知識點?！爸评浼夹g(shù)”這門課程安排在大四上學(xué)期，在此之前，學(xué)生已修完其他3門相關(guān)課程；在此之后，大四下學(xué)期將進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計。因此考慮在“制冷技術(shù)”課程的結(jié)尾階段安排一門虛擬仿真實驗課程，實驗內(nèi)容結(jié)合了以上4門課程的相關(guān)知識點，讓學(xué)生設(shè)計一套簡單的冷熱源系統(tǒng)，既達(dá)到進(jìn)一步深化前面課程中所學(xué)知識點的目的，又為畢業(yè)設(shè)計打下一定基礎(chǔ)，使學(xué)生提前對畢業(yè)設(shè)計的整體思路有一定理解。

建筑冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計虛擬仿真實驗平臺建立了針對面積為5 000 m2左右的商業(yè)或辦公建筑的小型設(shè)備庫，學(xué)生可設(shè)計多種不同參數(shù)的冷熱源案例，在軟件界面上完成系統(tǒng)中主要設(shè)備的選型，并由軟件內(nèi)置的選型檢測功能對不符合要求的選型進(jìn)行報錯，不斷糾正不規(guī)范選型。通過在虛擬三維場景中進(jìn)行系統(tǒng)搭建使學(xué)生熟悉系統(tǒng)的構(gòu)成和管道連接。將冷熱源系統(tǒng)中主要設(shè)備參數(shù)全面展現(xiàn)并可由學(xué)生手動修改，通過在虛擬三維場景中運(yùn)行搭建好的冷熱源系統(tǒng)，展示不同設(shè)備參數(shù)下的運(yùn)行效果；通過構(gòu)建不同實驗案例，促進(jìn)學(xué)生對設(shè)備參數(shù)的全面理解，提高冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計能力。最后通過一個虛擬仿真實驗案例，更詳細(xì)地展示了冷熱源系統(tǒng)的設(shè)計過程，使學(xué)生的綜合設(shè)計能力得到提升。

1 虛擬仿真平臺模塊內(nèi)容

為了讓學(xué)生更好地掌握建筑冷熱源系統(tǒng)設(shè)計與運(yùn)行的相關(guān)知識，研究團(tuán)隊開發(fā)了虛擬仿真實驗平臺，該虛擬仿真平臺是基于Unity3D與Maya工具開發(fā)完成的。平臺開發(fā)時，提前將主要設(shè)備的計算模型嵌入平臺底層，學(xué)生可通過設(shè)定不同的參數(shù)調(diào)研計算模型進(jìn)而輸出設(shè)備的性能參數(shù)。將相關(guān)內(nèi)容分解為11個實驗步驟(如圖1所示)：步驟1～4的輸出結(jié)果作為冷熱源系統(tǒng)設(shè)備選型的主要依據(jù)；步驟5是冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模塊的主頁面，可在此頁面上進(jìn)行2組以上冷熱源方案的設(shè)備選型；步驟6對步驟5中設(shè)計的冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行初投資和運(yùn)行費(fèi)用估算，并從中選擇最優(yōu)冷熱源方案；步驟7～9、步驟10～11分別對設(shè)計的最優(yōu)冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計工況、部分負(fù)荷工況下的運(yùn)行，通過觀察分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，理解設(shè)備的不同參數(shù)取值對運(yùn)行結(jié)果的影響。

圖1 虛擬仿真實驗步驟流程圖

1.1 模塊1：建筑物冷熱負(fù)荷計算

建筑物冷熱負(fù)荷計算模塊由實驗步驟1～4構(gòu)成。這一模塊的主要功能為根據(jù)建筑物的使用功能和地點，確定建筑物所處熱工分區(qū)，讓學(xué)生了解和掌握建筑物的結(jié)構(gòu)、使用功能和設(shè)計地點對建筑物負(fù)荷的影響。

在這一模塊中，可選擇1棟辦公建筑或商業(yè)建筑，并對其進(jìn)行冷熱負(fù)荷計算。學(xué)生只需選擇建筑地點、建筑類型、建筑體形系數(shù)、窗墻面積比、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型等信息，軟件會根據(jù)選定的這些信息，生成負(fù)荷計算需要的室外氣象參數(shù)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等參數(shù)，大幅度簡化了負(fù)荷計算工作量，與畢業(yè)設(shè)計的訓(xùn)練重點互為補(bǔ)充，使學(xué)生的注意力放在影響負(fù)荷結(jié)果主要因素的設(shè)定上。通過在實驗過程中設(shè)置不同輸入?yún)?shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解這些參數(shù)對負(fù)荷計算結(jié)果的影響[2-4]，進(jìn)而研究它們對冷熱源系統(tǒng)設(shè)計的影響。在圖2所示軟件界面中，學(xué)生可從左至右依次完成選擇建筑類型、選擇空調(diào)分區(qū)和設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的操作。在圖3所示軟件界面中，采用冷負(fù)荷系數(shù)法計算了各部分冷負(fù)荷，學(xué)生可在界面上修改建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、窗墻面積比、室內(nèi)產(chǎn)熱量、新風(fēng)量，并觀察各部分負(fù)荷結(jié)果的實時變化。

圖2 建筑展示和相關(guān)信息輸入頁面

圖3 建筑冷負(fù)荷計算頁面

1.2 模塊2：冷熱源設(shè)備的初步選型

冷熱源設(shè)備的初步選型模塊包含實驗步驟5。該模塊為學(xué)生提供了多種冷熱源方案，目的是讓學(xué)生了解各種方案的特點及如何進(jìn)行冷熱源設(shè)備選型。

目前軟件里已經(jīng)嵌入了4種冷熱源方案[5]，分別為：“冷水機(jī)組+供熱板式換熱器”“地源熱泵”“冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t”“空氣源熱泵”(見圖4左側(cè))，學(xué)生可分別選中這些方案進(jìn)行設(shè)計。每選中1種方案，其包含的主要設(shè)備的相關(guān)參數(shù)就顯示在圖4右側(cè)。設(shè)備價格隨設(shè)備型號臺數(shù)的變化也會實時顯示，學(xué)生可直觀地理解建筑負(fù)荷對設(shè)備投資的影響及主機(jī)臺數(shù)對設(shè)備投資的影響。另外，設(shè)備參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)也可直觀顯示，例如：冷卻塔流量與冷卻水泵、冷水機(jī)組冷凝器流量一致，略大于冷水泵水量；而冷水泵流量與冷水機(jī)組蒸發(fā)器流量一致；各設(shè)備的臺數(shù)一致，水泵可多選一臺備用等。

圖4 冷熱源方案初選及設(shè)備選型頁面

1.3 模塊3：冷熱源方案優(yōu)化分析

冷熱源方案優(yōu)化分析模塊包含實驗步驟6。冷熱源方案的優(yōu)化包括冷熱源設(shè)備的初投資分析和運(yùn)行費(fèi)用分析兩部分。該模塊的主要目的是讓學(xué)生了解冷熱源方案的確定原則及費(fèi)用計算方法。

1.發(fā)揮資源優(yōu)勢，做強(qiáng)冰雪旅游產(chǎn)業(yè)。冰雪旅游業(yè)是冰雪產(chǎn)業(yè)的主體，發(fā)展冰雪產(chǎn)業(yè)，首先要做強(qiáng)冰雪旅游業(yè)。吉林省應(yīng)以冰雪資源優(yōu)勢為基礎(chǔ)，以長吉都市、長白山、查干湖地區(qū)為中心，結(jié)合地域特色，實現(xiàn)錯位有序發(fā)展，建成“一山、兩城、三區(qū)”的冰雪旅游產(chǎn)業(yè)空間發(fā)展布局，構(gòu)建知名冰雪產(chǎn)業(yè)品牌。

由模塊2確定了冷熱源設(shè)備的初步選型之后，便可作為冷熱源方案優(yōu)化頁面的備選方案；有2種以上備選方案，則可點擊進(jìn)入到方案優(yōu)化頁面，如圖5所示，設(shè)備優(yōu)化頁面將會給出每種冷熱源方案的設(shè)備投資、預(yù)估運(yùn)行費(fèi)用、全壽命周期費(fèi)用等數(shù)據(jù)，作為最終確定冷熱源方案的主要依據(jù)。

圖5 冷熱源方案優(yōu)化頁面

1.4 模塊4：冷熱源系統(tǒng)的構(gòu)建及運(yùn)行工況分析

冷熱源系統(tǒng)的構(gòu)建及運(yùn)行工況分析模塊包含實驗步驟7～11。

冷熱源設(shè)備選型確定之后，最關(guān)鍵的內(nèi)容是如何將冷熱源設(shè)備與空調(diào)末端系統(tǒng)相連接。這一模塊的主要目標(biāo)是讓學(xué)生了解和掌握集中空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源及其附屬設(shè)備有哪些、冷熱源設(shè)備與末端空調(diào)設(shè)備如何連接、影響系統(tǒng)運(yùn)行工況的因素有哪些。

確定冷熱源方案后，在三維場景中進(jìn)行設(shè)備擺放及管道連接(如圖6所示)，能夠幫助學(xué)生克服空間想象力不足的問題，從而更好地完成機(jī)房系統(tǒng)圖的繪制工作。

圖6 三維場景的冷熱源機(jī)房

各設(shè)備旁邊均有控制面板，是常規(guī)尺寸的6倍，以方便學(xué)生對設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作。還可對設(shè)備的一些運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，例如調(diào)整冷卻塔出水溫度后，會彈出冷水機(jī)組COP隨之變化的規(guī)律(如圖7所示)。在三維情境中嵌入這些知識，更有利于學(xué)生將理論與實際相結(jié)合，更深入地掌握相關(guān)知識。

圖7 調(diào)整冷卻塔出水溫度對冷水機(jī)組COP的影響

在運(yùn)行環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生按順序啟動設(shè)備，并進(jìn)行運(yùn)行初調(diào)節(jié)。運(yùn)行能耗顯示界面(見圖8)能夠展示冷水機(jī)組和水泵當(dāng)前運(yùn)行功率和運(yùn)行效率。

學(xué)生可體驗2種部分負(fù)荷調(diào)節(jié)方式：閥門調(diào)節(jié)和變頻器調(diào)節(jié)(如圖9所示)，部分負(fù)荷運(yùn)行能耗也將展示在與圖8相似的界面中。在此過程中，學(xué)生可體會水流量變化后水泵工作點的偏移，以及由此導(dǎo)致的水泵功率和運(yùn)行效率的變化(如圖8所示)；據(jù)此可向?qū)W生講解合理進(jìn)行水泵選型的重要性。

圖8 運(yùn)行能耗顯示界面

圖9 2種部分負(fù)荷調(diào)節(jié)方式的頁面

2 虛擬仿真實驗案例

在模塊1中將建筑地點分別選擇為哈爾濱和上海，建筑類型選擇辦公建筑，體形系數(shù)設(shè)為0.3，窗墻面積比設(shè)為0.3，并按照GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和室內(nèi)產(chǎn)熱量，形成2種工況。運(yùn)行虛擬仿真實驗軟件2次，建筑冷熱負(fù)荷計算結(jié)果見表1。

表1 建筑冷熱負(fù)荷計算結(jié)果

在模塊2中，針對工況1設(shè)計4種冷熱源方案，針對工況2設(shè)計3種冷熱源方案。在模塊3中，計算各方案的初投資、年運(yùn)行費(fèi)用,結(jié)果列于表2中。引導(dǎo)學(xué)生以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇冷熱源方案。

對于工況1哈爾濱地區(qū)的建筑，冷水機(jī)組+城市熱網(wǎng)方案總投資較高，運(yùn)行費(fèi)用也較高，地源熱泵方案總投資最高，但運(yùn)行費(fèi)用最低，冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t方案總投資最低，運(yùn)行費(fèi)用接近最低，空氣源熱泵方案總投資較高，運(yùn)行費(fèi)用非常高。因此，在哈爾濱地區(qū)，首先可以排除空氣源熱泵方案。剩下的3種方案中：經(jīng)濟(jì)性最差的是冷水機(jī)組+城市熱網(wǎng)，但這種方案熱源穩(wěn)定、建設(shè)周期短；另外2種方案中冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t經(jīng)濟(jì)性最好，但要考慮天然氣冬季可能出現(xiàn)短缺的問題；地源熱泵的經(jīng)濟(jì)性雖然也比較好，但需要有足夠埋管場地。

對于工況2上海地區(qū)的建筑，由于上海地區(qū)無城市熱網(wǎng)，因此不考慮冷水機(jī)組+城市熱網(wǎng)方案，地源熱泵方案總投資明顯高于其他方案，雖然運(yùn)行費(fèi)用最低，但投資回收期較長，冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t方案初投資位于其他2種方案之間，運(yùn)行費(fèi)用與地源熱泵方案相近，若當(dāng)?shù)貧庠闯渥悖ㄗh選用這種方案，空氣源熱泵總投資最低，運(yùn)行費(fèi)用雖然較高，但從經(jīng)濟(jì)性上看也可以作為備選方案，空氣源熱泵需要安裝在室外，要解決好安裝場地的問題。

表2 不同方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 萬元

在模塊4中對選定的冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行搭建、啟動、初調(diào)節(jié)及部分負(fù)荷調(diào)節(jié)的操作。

以哈爾濱地區(qū)冷水機(jī)組系統(tǒng)為例，在學(xué)生按照指導(dǎo)完成搭建及啟動系統(tǒng)的操作后，布置他們記錄系統(tǒng)的主要設(shè)備運(yùn)行功率，并在改變冷卻塔出口水溫和冷水機(jī)組出口水溫后，再次記錄設(shè)備運(yùn)行功率，如表3所示。引導(dǎo)學(xué)生分析冷卻塔出口水溫和冷水機(jī)組出口水溫對主機(jī)運(yùn)行功率的影響。

表3 改變水溫對主機(jī)運(yùn)行功率的影響

記錄初調(diào)節(jié)前后的冷水泵運(yùn)行功率和效率，結(jié)果見表4，引導(dǎo)學(xué)生對初調(diào)節(jié)的作用進(jìn)行分析。

表4 初調(diào)節(jié)對冷水泵運(yùn)行功率及效率的影響

在冷水泵選型時，若水泵的額定流量和揚(yáng)程與設(shè)計流量和管路總阻力比較接近，如圖10a所示，則系統(tǒng)啟動后是否進(jìn)行初調(diào)節(jié)對水泵運(yùn)行功率影響較小(如表4所示)。但由于管路阻力影響因素復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計算，因此設(shè)計人員在水泵選型時偏向于揚(yáng)程更大的水泵，以提高安全余量，這樣往往會造成系統(tǒng)啟動后，水泵流量高于設(shè)計流量(如圖10b所示)，水泵運(yùn)行功率高，運(yùn)行效率低。因此系統(tǒng)啟動后，必須進(jìn)行管路系統(tǒng)的初調(diào)節(jié)(如圖10c所示)，將水泵流量降低到設(shè)計流量，從而降低水泵運(yùn)行功率(如表4所示)，提高水泵運(yùn)行效率[7]。

圖10 選型過大對水泵工作點的影響

部分負(fù)荷時，水泵可以定流量或者變流量運(yùn)行，變流量運(yùn)行又分為2種方式：調(diào)節(jié)閥門實現(xiàn)變流量運(yùn)行，以及調(diào)節(jié)變頻器實現(xiàn)變流量運(yùn)行。讓學(xué)生將這3種情況下的冷水泵運(yùn)行功率和運(yùn)行效率記錄在表5中，并引導(dǎo)他們進(jìn)行分析：變流量運(yùn)行能夠降低水泵運(yùn)行功率，其中調(diào)節(jié)變頻器方式的節(jié)能效果更明顯。

表5 變流量調(diào)節(jié)對水泵運(yùn)行功率及效率的影響

3 結(jié)語

建筑冷熱源系統(tǒng)設(shè)計涉及到的知識分布在各專業(yè)課中，各專業(yè)課教師主要著重于本課程內(nèi)容的講解，而不同內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)成了教學(xué)真空地帶。畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置的目的是填補(bǔ)這個真空地帶，但實際實施時發(fā)現(xiàn)存在很多問題。為了解決現(xiàn)有教學(xué)體系在冷熱源設(shè)計能力培養(yǎng)中的缺陷，本研究開發(fā)了虛擬仿真教學(xué)軟件作為現(xiàn)有教學(xué)體系的補(bǔ)充。

以面積為5 000 m2左右的商業(yè)建筑或辦公建筑為例，學(xué)生可自主選擇設(shè)計地點，選擇不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后即可在軟件界面上完成系統(tǒng)中主要設(shè)備的選型，并由軟件內(nèi)置的選型檢測功能對不符合要求的選型進(jìn)行報錯，不斷糾正不規(guī)范選型。通過在虛擬三維場景中進(jìn)行系統(tǒng)搭建以熟悉系統(tǒng)的構(gòu)成和管道連接。將冷熱源系統(tǒng)中主要設(shè)備參數(shù)全面展現(xiàn)并可由學(xué)生手動修改，通過在虛擬三維場景中運(yùn)行搭建好的冷熱源系統(tǒng)，可展示不同設(shè)備參數(shù)下的運(yùn)行效果；通過構(gòu)建不同實驗案例，促進(jìn)學(xué)生對設(shè)備參數(shù)的全面理解，提高冷熱源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計能力。

通過對筆者所在學(xué)校建環(huán)專業(yè)大三與大四學(xué)生開展該虛擬仿真實驗教學(xué)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生能夠自主設(shè)計冷熱源系統(tǒng)并對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，實現(xiàn)了三維可構(gòu)建、可模擬、可運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)計。同時據(jù)學(xué)生反饋，該實驗平臺以三維動畫及任務(wù)驅(qū)動的方式進(jìn)行虛擬實驗，學(xué)習(xí)趣味性較強(qiáng)，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。通過該實驗項目的學(xué)習(xí)，學(xué)生將全面了解建筑冷熱源系統(tǒng)，掌握冷熱源系統(tǒng)各主要設(shè)備的運(yùn)行原理及系統(tǒng)設(shè)計方法，進(jìn)一步加深對理論知識與系統(tǒng)專業(yè)知識的理解，提升綜合運(yùn)用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力。