2.实验教学项目描述
2-1名称
绿色建筑集中空调系统参数优化运行实验 |
2-2实验目的 近年来，随着我国国民经济的迅速发展，能源问题已成为整个社会迫切需要解决的问题之一，建设一个节约型社会是我国一项重大的国策，而建筑能耗占社会总能耗的40%-50%。而空调能耗又占了到建筑能耗中最大的比例，有的建筑甚至高达50%。因此设计、建造低耗、高效的集中空调系统是绿色建筑技术中非常重要的组成部分。 建筑环境与能源应用工程专业课程《空调工程》主要讲述建筑内空调及供暖系统的调节原理和运行方式及设计过程等。由于中央空调系统复杂，运行调节受天气影响较大。由于实际的操作空调系统进行实践教学，不仅容易损坏造价昂贵的冷热源设备，并且存在一定的危险性。因此在实践教学中，学生对于集中式空调的操作、优化运行能力难以得到锻炼。 而本实验的目的就是为了利用虚拟实验的安全性锻炼学生对绿色建筑集中空调系统的操作能力和优化运行能力： （1）了解集中空调系统的组成部分，及其各个部件的安装顺序、安装位置和作用。 （2）了解认识集中空调系统的运行原理，通过改变环境参数及运行参数，掌握风系统、水系统及环境参数变化时空调系统冷冻水温、冷却水温、送风温度、送风相对湿度产生的变化。并能够从数据中分析空调系统的故障。 （3）掌握不同负荷情况下，绿色建筑集中空调系统优化运行方法。 |
2-3 实验课时 （1）实验所属课程所占课时：48 （2）该实验项目所占课时： 4 |
2-4实验原理（简要阐述实验原理，并说明核心要素的仿真度） 实验原理 （1）冷冻水系统、冷却水系统、AHU系统设备与构成 1）水冷冷水机组是一种常用的绿色建筑空调系统的冷源。其通过压缩制冷提供整个空调系统所使用的冷冻水。同时冷水机组制冷时产生的热量由冷却水带走。 2）冷冻水由冷冻水泵输送至楼层的空调末端装置。冷冻水泵的配置通常与冷水机组相对应。同型号的冷水机组有N台，则冷冻水泵通常配置N+1台。额定流量与冷冻机组的流量相匹配。 3）冷却水由冷却水泵输送至室外的冷却塔进行散热。冷却水泵的配置与冷水机组相对应。同型号的冷水机组有N台，则冷却水泵通常配置N+1台。额定流量与冷冻机组的流量相匹配。 4）冷却塔用于冷却水的散热，包含布水器、风机、填料等设备。 5）空调末端一般由空气-水换热器与风机组成。不同形式的末端设备结构有所不同。冷冻水供至空调末端与空气换热。调节好的空气则被送入房间制冷。 6）冷水机组的接口主要有冷冻水进、出口，冷冻水进、出口。在冷冻水进口、冷却水进口分别需要安装检修阀、压力表、过滤器、压力表、温度计、泄水阀、软接头等管件。而在冷冻水出口、冷却水出口分别需要安装检修阀、调节阀、压力表、温度计、水流开关、泄水阀、软接头等阀门管件。 7）冷冻水泵、冷却水泵进口分别需要按顺序安装检修阀、压力表、过滤器、压力表、泄水阀、软接头等管件。冷冻水泵冷却水泵的出口分别需要按顺序安装检修阀、止回阀、压力表、泄水阀、软接头等阀门管件。 8）冷却塔的进口分别需要按顺序检修阀、压力表、温度计、调节阀、软接头等管件。而冷却塔出口分别需要安装检修阀、调节阀、压力表、温度计、水泄水阀、软接头等阀门管件。 （2）锅炉系统结构原理 1）锅炉是冬季供暖的一种常用热源。其通过燃烧的方式产生并提供整个建筑供热所需要的热水。燃烧产生的烟气排至室外。产生的蒸汽或高温热水通过换热器与较低温度的热水进行换热。换热后产生的较低温度的热水输送至各个末端。 2）板式换热器，锅炉出水一般温度较高，因此需要进行换热才能供至系统末端。板式换热器就一种水-水换热器。 3）热水循环泵。热水循环泵是将锅炉产生的热水供至末端的设备 （3）集中空调系统运行原理 1）空调系统的运行原理即为三个系统的运行。 冷冻水系统：将冷水机组蒸发器产生的6℃或者7℃的冷水供至空调末端，与空调末端换热后温度升高5-7℃，重新循环至冷水机组进行制冷。 冷却水系统：将冷水机组冷凝器产生的37℃的热水供至室外冷却塔，进行散热冷却后，水温降低5℃左右，重新循环至冷水机组进行换热。 空调风系统：空调末端将空气与冷冻水在末端表冷器处进行换热。空调末端将处理好的空气送入房间，进行房间的空气调节。 2）空调系统的开机顺序通常是从末端到主机，顺序依次为空调末端、新风风系统、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵，空调主机。关机顺序相反依次为空调主机、冷却水泵、冷冻水泵、冷却塔、空调末端、新风系统。错误的开机顺序容易造成主机的喘振等故障，影响系统的正常运行。 （4）空调系统各个参数的相互影响 1）通过对冷冻进出口水温的测试、冷冻水流量的测试。可以计算建筑空调负荷。 2）通过空调负荷的测试、冷水机组功率的测试，可以计算冷水机组的cop。 3）通过改变运行中的冷却水入口温度、冷冻水设定温度、冷冻水流量、冷却水流量、风系统风量等系统参数，制冷机组的冷量、制冷机组cop、房间温度的会有相应的变化。 4）空调系统存在故障时，可以通过故障的现象推测故障的原因。例如冷冻水系统供水温度过高，可能是由于冷水机组运行故障、冷却水系统水温过高、或者冷水机组开启台数不够。 （5）集中空调系统的优化运行 空调系统设计是按照最大负荷进行设备的选择和配置，而实际运行中往往负荷并不是最大负荷，这是需要根据负荷的大小进行优化的运行。冷水机组的开启数量、冷冻水泵的运行频率，冷却水泵的运行频率等都可以进行优化运行。 核心要素的仿真度 虚拟场景建立了与实物设备相对应的三维模型（冷却塔、制冷机房、锅炉房、新风机房、空调机房、办公室，建筑大楼）并进行贴图渲染。使用粒子系统仿真空调系统启动运行时产生的水流风流效果。 通过UI系统界面显示各设备的参数信息。水温、水流量、制冷量等核心参数均为现场实测获得仿真度高。内置能量平衡控制方程模拟设备各项主要参数关联及显示变化。 |
2-5实验仪器设备（装置或软件等） 涉及的虚拟装置有：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、空调箱、热水锅炉、热水循环泵等集中空调设备。以及各个设备的阀门附件等装置。按照设备真实尺寸建模。示意图详见图1至图5
图1 冷冻机房三维示意图
图2 冷却塔三维模型示意图
图3 新风机房三维模型示意图
图4空调机房三维示意图
图5 锅炉房三维示意图 |
2-6实验材料（或预设参数等） 虚拟实验的预设参数分为两部分：标准工况，实际工况。其中设计工况的环境参数按照上海市夏季空调设计参数：夏季室外干球温度34.6℃，湿球温度28.2℃，室内空调温度25℃，相对湿度≤60%。 标准工况冷却水温度32℃，冷却水出水温度37℃，冷冻水出水温度6℃，回水13℃。室内温度25℃，相对湿度≤60%。 实际工况冷却水进水温度32-30℃可以变化，冷却水出水温度根据负荷率变化。冷冻水出水温度6-8℃变化。冷冻水回水根据负荷率变化。负荷率变化60%-80%之间。 |
2-7实验教学方法（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果） （1）采用的教学方法 虚拟仿真实验是信息技术与实验教学的深度融合产物，极大地拓展了学生的学习资源和空间，特别适应现代的发展，以及丰富了学生学习模式。 采用虚拟仿真技术进行绿色建筑集中空调优化运行实验，让学生在虚拟现实的系统下操作设备，既增强了感性认识，同时保证了学生的安全性。 整个教学实施过程分为课程预习、虚拟认知实验、现场参观、设备安装实验、实验室缩尺模型实验、虚拟运行调节实验、现场实测实验及虚拟优化实验、课后复习等9个过程。通过线上虚拟实验、线下模型实验室、线下实地场景，三个部分的交替教学；按照空调系统的整体概念、系统的整体结构、系统各个件的作用、系统的运行原理以及系统如何调节、系统如何优化运行的学习路线，使学生逐步深入了解集中空调系统、操作集中空调系统。
图6 学习过程流程图
（2）教学方法的使用目的 改变教师传统的注入式教学方式。采用虚拟仿真教学的方式，将课本教学的宏观性和实际场景的真实性串联起来。避免了从课本上学到的空调系统知识无法和实际设备对应，同时避免了在实际场景中过于沉入细节和缺少宏观概念的缺点。 （3）实施过程 整个教学实施过程分为课程预习、虚拟认知实验、现场参观、设备安装实验、实验室缩尺模型实验、虚拟运行调节实验、现场实测实验及虚拟优化实验、课后复习等9个过程。具体过程如图6所示： 1）课程预习 通过预习了解虚拟仿真系统所仿真的对象，以及虚拟仿真系统的操作流程。通过教师通过考核的方式，检查学生预习情况。预习流程如图7所示：
图7 预习流程图 2）虚拟认知实验 通过实验教学的网站上的文字和原理图内容，掌握集中空调系统冷热源的作用、冷却水系统的作用与构成、冷冻水系统的作用与构成、热水系统的作用与构成、AHU机房的作用与构成。以及各个系统的典型工程案例。 通过虚拟漫游了解集中空调系统各个部分的位置、外观、安装方式。各个设备的安装附件，安装顺序等细节。 3）现场参观 在虚拟认知以后进行现场（中石油上海大厦）参观，可以在有限的参观时间内，重点感受实际集中空调系统的大小。以及安装、运行中可能遇到的问题。更可以带着宏观的概念参观实际系统。避免传统实习过程中只看见设备，却看不懂设备。 4）虚拟设备安装实验 现场参观后进行，虚拟设备安装实验，通过对设备系统以及阀门附件进行安装，巩固现场参观后的成果，并考核现场参观后学生的掌握程度。 5）实验室缩尺模型实验 虚拟设备安装实验，集中空调系统各个部件有了基本的认识之后。学生在上海理工大学模块化集中空调实验装置上进行缩尺集中空调的实验。了解冷源制冷的原理，制冷量的测试方法、冷冻水温的变化规律，COP的测试、空气处理过程的测试与空调负荷的测试等实验。了解各个参数的测试方法与测点位置。实验装置如图8所示。
图8 模块化集中空调实验系统 6）虚拟运行调节实验 相对小模型实验，虚拟系统更加真实，在虚拟集中空调系统中调节集中空调系统中冷冻水、冷却水的设定温度、水泵的运行频率等。观察系统冷冻水、冷却水供回水温度、主机功率，COP。送风温度等变化趋势。掌握集中空调系统中各个参数的耦合方式。 7）现场实测实验 虚拟集中系统中进行操作后，学生有了基本的知识和操作技能后。到该系统的蓝本建筑中石油上海大厦内进行稳定工况的实测实验。进一步锻炼系统操作步骤，参数测试方法等技能。 8）虚拟优化实验 由于现场建筑需要正常营业，不能开放给学生进行操作。因此经过现场的单一工况测试和计算后。可以在虚拟场景中给出不同的运行条件，如室外温度变化、或人员负荷变化。在变化的条件下发挥学生的探索精神，找到不同运行条件下的最优化运行方案。 9）课后复习 实验完成后进入“考核” 系统进入考核总结 ：学生做完实验练习，进入考核系统进行实验考核，每步操作没有任何提示，当有学生考核进行不下去的时候，可以请求提示，每提示一次，系统提示总分扣2分。考核完成后，系统自动给出考核总分以及操作正确的得分项和操作错误的扣分项。 学生考核完成后，要撰写实验报告，包括实验目的、原理、实验数据处理和结果、实验结论以及对该实验的评价和建议，并提交给老师。 （4）实施效果 该虚拟仿真实验系统建成后，已在系统上进行了320人次的实验教学。分别完成了空调系统认知、管道安装、运行调节、和运行优化四个模块的实验总计1600学时.人。 传统的实验教学方法，为了完成集中空调的认知部分的实验教学，通常要16学时的校外实习，并联系场地进行认知。考虑到安全问题通常都是分批次进入实习场地，并且在实习场地通常只能走马观花。无法设计运行原理等知识。16学时的校外实习通常交通和等待的时间占用一半以上。教学效果得不到保证。 对于集中空调运行与调节实验教学，由于真实系统开放教学实验可能性非常小，通常使用模型实验装置进行。模型实验装置由于系统较小，与真实系统的运行调节存在本质的差异。例如模型机组的稳定时间短，而真实系统的稳定时间长惯性大。模型实验装置进行实验是通常每组10人，完成2学时教学实验需要进行10组轮换，根据以往的教学安排通常需要延续4周左右的时间才能完成实验教学。而这是理论教学早已进入下一个环节，实验教学已经滞后。 虚拟仿真系统的上线使得集中空调系统的认知、运行调节相关的实验教学成为可能。由于同时在线人数基本不受限制。系统同时进行100人的实验操作，而且不受场地限制。只要能够上网就能进行实验教学。 学生通过认知实验，不仅能直观的看到设备的原貌，还能在虚拟仿真实验系统中对应原理图和动画中清楚的了解部件所在的位置，和所起的作用。 通过运行调节实验，学生能够实际动手去“操作”设备。通过对虚拟设备的操作进一步加深对系统的理解。和对各个参数作用以及相互耦合关系的掌握。而优化实验能够锻炼学生活学活用专业知识，是学生在解决实际问题的过程中提高专业素养，锻炼工程思维培养工程能力。 通过优化运行实验，学生能够通过实验规律的方法，形成操作的经验，并尝试使用最优化、高效的运行方式使室内环境达到舒适水平。提升对基础知识的认知水平，达到能够应用的程度。 在已经进行的2学时虚拟仿真实践环节中，100名建筑环境与能源应用工程专业大三本科生通过教学前后知识点掌握情况的问卷调查。一般知识点掌握率提高了10%，而较难知识点掌握率提高了30%。充分说明了虚拟仿真实验系统的教学效果和优势。 |
2-8实验方法与步骤要求（学生交互性操作步骤应不少于10步） 实验方法描述： 本虚拟项目主要通过对空调系统知识内容、设备结构原理介绍、系统运行启动调节，设备参数优化来考查学生对绿色建筑集中空调系统参数优化运行实验的掌握程度。 学生交互性操作步骤说明： 步骤一：实验平台进入与浏览器要求 打开浏览器，在地址栏中输入实验项目展示网站网址,进入登录界面如图9所示，学生输入相关信息进行注册登录，后台系统对学生的个人信息系统进行匹配，以便对学生实验结果进行评价管理，页面提示使用支持WebGL的浏览器，如360安全浏览器，并提供PC端、手机Android和IOS版本的浏览器下载官方地址，不用特殊插件。
图9 实验注册与登录界面 步骤二：实验平台信息注册与登陆 注册或登录实验平台（教师在后台已按照注册或教务处班级信息已建立学生数据库），填写实验注册信息：学号、姓名、班级、学校、密码，后台系统自动录入注册信息并保存，实时与教务网系统保持连接和上传。校外访客与学生也可以通过注册登陆系统录入信息，并新增至后台数据库与各高校企业数据相关联，登陆实验平台进行实验，并将实验结果保存至后台数据库。 步骤三：实验流程介绍 进入实验平台，左侧为菜单栏目录，第1项为实验准备与认知内容，阅读并了解实验手册、操作说明和空调系统专业相关知识。第2-5项为实验环节，通过进入集中空调系统虚拟场景进行交互操作，依次完成空调系统机房浏览、设备安装、调节启动、参数优化和校验实验。第6项为实验结果评测与提交环节，通过在线答题，填写和提交实验报告并综合实验操作成绩进行评分。(如图10所示)
1.实验认知与准备模块 2.实验操作模块 3.实验评测模块  图10 主菜单目录 步骤四：操作说明和实验手册阅读 了解实验整体流程与实验平台操作方法。阅读实验手册（如图11），了解实验目的、实验软件、实验步骤、实验结果、实验报告。阅读操作说明，了解操作流程、虚拟场景交互平台、实验过程计分方法。
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图11 实验手册阅读 步骤五：空调系统知识阅读与预答题测验 阅读空调系统认知项，认知空调系统的定义、组成及类型、工作原理，掌握实验专业知识基础，并进行预答题测验环节，检验学生空调系统专业基础知识储备情况，答题结果记入总评分。如图12所示
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图12 空调系统结构与工作原理认知 步骤六：进入集中空调系统的结构认知与管道安装实验 1）空调系统机房场景浏览 进行空调系统机房浏览实验模块，进入绿色建筑集中式空调虚拟场景。（如图13）。
屋顶设备层   办公层  冷热源机房层  操作流程 交互按钮 
图13 集中空调系统建筑场景 空调系统整体结构与工作原理场景浏览。查看操作说明、显示空调结构、自动漫游按钮、工作原理按钮，显示交互操作相关知识，自动变换视角环视整个建筑集中式空调系统，了解其结构布局、运行原理和管道连接方式。如图14所示。
图14 空调系统结构与工作原理 认知各机房内部设备信息与安装布局。依次进入冷却塔、空调机房、办公室、新风机房、制冷机房、锅炉房。了解各机房场景内设备信息、主要参数、安装布局、连接方式。如图15所示。
图15 空调机房内部场景 2）进行现场参观后进入管道安装实验认知 点击设备安装实验菜单栏，进入安装实验模块，阅读实验介绍。了解实验操作内容和各管件设备信息与作用。为下一步管道安装实验操作提供知识储备。如图16所示。
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图16 管道安装实验介绍
3）管道安装实验操作 进入安装实验操作部分。阅读实验手册了解实验流程和实验操作方法。通过认知零部件栏中的压力表、软接头、电动蜂阀、温度计、Y型过滤器等管件设备信息，并匹配场景中管道上相应的高亮位置实现安装交互。依次正确安装 所有部件来达到实验要求，点击重新装配、完成装配按钮对实验流程进行控制和完成安装实验。通过管道安装实验了解各管件作用与安装布局。如图17所示。
图17 管道安装实验 步骤七：进行模型实验后进入集中式空调系统运行调节实验 1）空调系统调节启动实验认知 进入空调系统启动和参数调节实验模块。阅读调节启动实验介绍，了解空调系统启停流程（风系统→冷却塔→冷却水管蝶阀→冷却水泵→冷冻水管蝶阀→冷却水泵→冷水机组）和各设备的开启顺序，以及各项设备参数说明和调节方法，为下一步启动调节实验操作提供知识储备。如图18所示。 空调系统启动流程图
 
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图18 启动调节实验认知 2）空调系统启动前设备参数调节 进入实验系统调节启动实验操作部分。阅读实验手册了解实验操作方法和流程。在设备参数下侧输入框中输入制冷机组开启台数、冷冻水泵开启台数、冷却水泵开启台数等相关设备参数。了解设备参数调节对空调系统运行影响。 3）空调系统启停流程控制操作 操作各设备的运行状态来正确启停空调系统。依次交互对应的设备（风机、冷却塔、冷却水泵、冷却塔、制冷机组等相关设备）的启停按钮来正确启停空调系统。右侧参数表中各项设备参数（冷却水流量、冷冻水流量、建筑总负荷、COP指数等）依据给定参数值经过制冷效率、冷却（冻）水量等公式（COP=制冷能力（KW）/耗电量（KW）、冷冻水量V1=制冷量（KW）/(4.187*冷冻水出入水温差(℃)△T1）计算，生成数值实时浮动显示于参数表内，并根据设备启停状态参数实时变化。了解空调系统启停运行流程以及空调各项参数指标的影响。如图19所示。
图19 空调系统设备调节启动与机组运行参数表 4）数据记录及曲线分析 分析空调启停过程中参数变化规律。在系统启停完成，空调系统正常运行后，通过交互保存数据、生成图表等相关按钮对实验过程参数进行记录并生成图表分析空调系统启停对主要参数（冷冻水温、冷冻水温、机组COP等）变化的影响。了解各项参数指标之间的关联性并结合专业知识进行分析。（如图20）
图20 运行参数变化曲线 步骤八：现场测试实验后进入集中空调系统参数优化运行实验 1）参数优化校验实验认知环节 通过环境与工况条件的变化，调节和优化机组的运行性能效率。进入参数优化实验模块，阅读参数优化和校验实验介绍，了解优化校验实验流程，判断影响系统运行负荷和机组性能效率的因素，应对系统不同负荷情况下匹配各类机组合适运行状态，并通过重复优化实验使实验结果进一步接近最优值。如图21所示。
图21 参数优化实验认知 2）环境工况选择与机组运行控制 进入参数优化校验实验操作部分，通过交互输入框设置环境和工况参数，系统通过给定工况值结合能耗公式自动计算整个空调系统总冷负荷。根据总冷负荷确定合适的机组运行状态以满足负荷需求，达到正常运行功率并稳定运行后计算机组平均负荷率（平均负荷率=当前制冷量/机组总容量），确定各机组之间的负荷状态。如图22所示。
图22 冷水机组启动优化
3）性能参数计算与重新优化 通过机组平均负荷率计算COP值并重新进行优化实验，使性能参数逐步逼近最优值达到优化目的。在相应的负荷条件下，根据负荷构成等性能参数，查看机组性能曲线图（如图23），计算机组平均COP值，系统自动记录实验结果。通过重新优化实验得到正常负载且能耗最低的运行模式，比较多次优化实验结果，选择临界值与COP最优值差值最小数据组为最佳优化结果。实现逐步系统性能优化过程，达到冷源系统运行性能最优的目的。
图23 性能负荷曲线 步骤九：学生专业知识能力测验 进入线上答题模块，本软件后台数据库支持空调系统专业各类试题题库，实验者在这一环节重新答题，对比第5步预答题测验环节，检验实验认知与操作流程对专业知识能力的提升。系统将随机从后台各类题库中抽取专业各方面知识习题，学生选择正确答案进行作答并提交，系统自动评测学生答题结果并计入总评分，巩固学生专业知识。如图24所示。
图24 作业答题模块 步骤十：实验报告提交和评分结果确定 进入实验报告填写与提交模块，学生根据实验认知与操作流程完成实验报告的填写。完成并提交后，评分系统将从人工评分和系统后台评分两个方面进行综合评测，系统自动排版并生成标准实验报告模板供老师进行评阅，老师可在线录入学生成绩并提交至后台，同时系统依据学生填写的实验报告子项内容中的关键词、内容幅度等考核标准进行评分，综合人工评分成绩与后台评分系统成绩共同录入评分系统，从而判断学生对空调系统专业知识和实验内容的理解程度。完成并提交所有实验项后系统根据整体实验操作流程对各步骤结果进行评分汇总，得出实验成绩并导入后台数据库进行记录备份。如图25所示。
图25 实验报告模块
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2-9实验结果与结论要求
需要根据集中式建筑空调系统的总负荷，来合理设置开启机组的台数。
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2-10考核要求 1.了解空调系统结构和运行原理认知。 2.掌握空调系统启动顺序和运行参数调节。 3.测试设备参数对空调系统的影响，并优化达到最优匹配结果。 4.完成实验问题测试和实验报告填写。
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表1 虚拟仿真实验考核要求以及评分细则表
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