空调系统运行认知虚拟仿真实验

一、实验目的

1、掌握空调系统构成，完成空调系统各设备模块的认知，掌握其工作原理和设计方法。

2、通过人机交互虚拟操作，熟练掌握空调系统的运行机理和动态调节方法。

3、通过虚拟仿真实验的数据分析，深刻理解暖通空调系统动态运行调节对节能降碳的重要意义。

二、实验原理

通过虚拟仿真系统，多维度真实还原暖通空调系统组成，冷热源、空调及输运系统的运行原理，包括冷热媒输运、循环，设计要点，相关规范要求；空调系统运行动态调节操作，训练学生掌握空调系统动态运行调节能力等。

知识点：共3个

（1）空调系统组成及工作原理和设计方法；

（2）一次回风系统运行调节；

（3）风机盘管运行调节。

核心要素仿真设计：

（1）场景漫游：在基于真实空调系统的仿真模型中，学生可在“漫游模式”中通过“地图导航”、“漫游观察”完成认知实习，包括空调系统组成、风系统主要设备、水系统主要设备、各功能段及其作用和运行机理。

（2）基于真实设计资料及测试数据的数值仿真：包括供回水参数、空调送风温湿度均参考实际设计资料，后台运行曲线也是基于工程数据资料。

（3）面向实际方案设计及组织实施流程：根据实际试验的流程进行虚拟仿真，通过运行调节的互动操作，掌握整个运行调节实施流程的原理和方法，完整掌握运行调节内容、实施流程、控制措施及数据采集过程，能够真实再现空调运行调节全过程

三、实验教学方法

（1）课前预习。学生可在课前针对实验内容进行基础知识自主学习，对实验教学项目进行全景认知，熟悉实验项目相关知识点和操作步骤等。

（2）课堂讲解。在实验操作前对实验内容，实验目的、实验原理、实验操作及注意事项进行详细讲解。

（3）模拟操作。首先，在教师指导下，学生进入各模块“漫游观察”暖通空调设备结构及运行原理，完成认知实习。其次，学生进入一次回风系统运行调节虚拟工作环境，完成空调系统参数设定，并对PI参数进行整定，使系统的过渡过程达到4:1的衰减振荡，静态偏差小于0.2℃。最后，进入风机盘管运行调节实验，设定运行参数，分别对三速风机盘管运行调节实验和直流无刷风机盘管运行调节实验进行数据测试和分析。结合学生在实际操作中存在的问题反馈，有针对性地对知识点进行讲解。

（4）分组讨论。学生对系统模拟数据进行梳理和讨论，完成报告，反馈学习效果，教师给予指导意见。

四、虚拟仿真实验操作指引

1、暖通空调设备认知模块

 

外网通过服务器登录，服务器IP地址：172.20.101.140

 

 

首先打开软件并进行服务器登录，点击进入系统，登录进入到操作界面；

 

软件左侧有四个大类；

 

四个大类中含有如下设备的介绍；

   

通过点击某个设备，进入到设备操作界面；

 

通过点击下图中的按钮，可以在设备中找到对应部位的位置；

 

通过操作鼠标，可以对3D设备进行操作；

通过按动如下图的按钮可以出现对相应功能；

 

拆分3D设备

 

合并拆分的设备；

 

透明按钮的功能

 

2、空调系统运行调节实验

（1）一次回风系统运行调节虚拟仿真实验

1.实验目的

（1）了解一次回风空调系统的构成与工作原理；

（2）掌握定风量一次回风系统的室内温度控制方法，以及PID参数整定方法；

（3）掌握室内湿度控制方法，以及双位控制原理；

2.实验设备

（1）一次回风系统运行调节虚拟仿真实验软件

 

（2）虚拟仿真实验对象：

实验对象为某办公建筑一间小展厅，建筑空调面积约23m2，空调系统采用一次回风定风量系统，设计送风量为635m3/h，设计新风量为120m3/h。冷热源采用空气源热泵系统。该系统设置有1台定风量空调机组，采用双管制，换热盘管冬季可以通热水，夏季通冷水，对空气进行加热/冷却处理；采用湿膜加湿器，对空气进行加湿处理。自控系统对一次回风系统进行监控管理，电表对空调机组及冷热源的总电耗进行计量。

3.实验要求

（1）实验前应预先了解定风量一次回风系统的构成和基本原理。

（2）实验过程中，掌握室内温度控制方法，了解PID控制原理，以及PID参数对室内温度控制质量影响，对PI参数进行整定，使系统的过渡过程达到4:1的衰减振荡，静态偏差小于0.2℃。

（3）对室内湿度控制进行测试，至少完成2~3个控制周期，分析双位控制原理。

（4）实验完成后，下载数据，将tdms数据文件另存为Excel文件，存储Excel文件后进行数据处理，完成实验报告。

4 实验原理

4.1 PID控制原理

一次回风系统根据室内温度与设定温度的差值，通过PID控制算法调节空调机组盘管水阀的开度，达到控制室内温度的目的。

 

PID控制是一种反馈控制技术，由比例（P）、积分（I）、微分（D）控制三部分组合而成，表达式为：

其中，Kp为比例系数，Kp与比例度成倒数关系，TI为积分时间，TD为微分时间，m(t)为控制量，e(t)为被控制量与给定值的偏差。

PID控制各个部分的作用如下：

比例控制（P）是依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。偏差一旦产生，控制器立刻产生控制作用，以减少偏差。比例作用的强弱取决于比例系数Kp，Kp值越大，比例作用越强，系统响应越快，在有静差的情况下有利于减小静差，但Kp过大会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

积分控制（I）是依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成正比，只有当余差完全消失，积分作用才停止。积分作用的强弱取决于积分时间TI，TI越小，积分作用越强，TI过小会引起震荡。

微分控制（D）是依据“偏差变化速率”来动作，它的输出信号与被调参数的变化速度（即被调参数对时间的导数）成正比，微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。微分作用的强弱取决于微分时间TD，TD越大，微分作用越强，但系统对扰动的抑制能力减弱，TD过大会引起震荡。

PID控制器参数的工程整定方法，主要有试凑法、临界比例法、衰减曲线法和反应曲线法等。凑试法是一种广泛应用的方法，根据被调参数变化的情况再调整PID参数的方法，此方法边观察过程曲线，边修改参数，直到合适为止。一般采用先比例、后积分，再微分的整定步骤，常用口诀：

参数整定找最佳，从小到大顺序查；先是比例后积分，最后再把微分加；

曲线振荡很频繁，比例系数要减少；曲线漂浮绕大湾，比例系数往上扳；

曲线偏离回复慢，积分时间往下降；曲线波动周期长，积分时间再加长。

4.2 双位控制原理

一次回风系统根据室内湿度与设定湿度的差值，通过双位控制算法调节空调机组中湿膜加湿器的开关，达到控制室内湿度的目的。

 

双位控制的原理是当调节器的输入信号发生变化后，调节器的输出信号只有最大和最小两种输出信号，通常为“开”和“关”。双位控制的关系式为：

 

式中，m(t)为输出信号，e(t)为误差信号，M1和M2为两个常数，为差动范围。

5 实验步骤

5.1 基于PI控制的室内温度控制实验

（1）打开实验软件，设定运行参数。运行模式选择“制热”，选择冬季典型日，加湿器选择“关闭”，盘管供水温度设定为30~55℃，室内人员2~4人，设备散热量400~1000W。将TI设置成最大值（500），使之成为比例控制器，Kp选择为1~10。

（2）降低室内温度到16~22℃，为PI控制实验做准备。室内设定温度选择18~22℃，新风设定为“焓值控制”，点击“开始仿真”，对室内温度进行降温。

（3）当室内温度降至18~22℃时，进行PI测试，更改新风为“最小新风量”，室内设定温度改为24~26℃，观察室内温度、水阀的在PI控制器下的调节过程。

（4）改变比例系数，增大Kp值（50~100），重复步骤（1）~（3），观察增大比例系数对调节过程的影响。

（5）加入积分环节，如果只用比例控制，系统的静差不能满足要求，则需加入积分环节。在Kp基础上，进行不同积分时间TI（如1.5、50）的实验。每次实验，均需仿照步骤（1）~步骤（3），降温之后再进PI性能测试。观察TI对调节质量的影响。可继续整定TI，在保持系统良好动态性能的情况下消除静差。

（6）每次虚拟运行时间建议为2~3小时以上，截取趋势图，点击“停止运行”按钮，结束实验，下载数据文件。

5.2 基于双位控制的室内湿度控制实验

（1）重新进入软件，设定运行参数。运行模式选择“制热”，选择冬季典型日，加湿器选择“双位调节控制”，盘管供水温度设定为30~45℃，室内人员2~4人，设备散热量400~1000W。PI参数采用5.1实验中已经整定好的参数。室内温度设定为24~26℃。

（2）点击“开始运行”按钮，观察室内湿度、湿膜加湿器开关情况的变化趋势，分析室内湿度控制原理。

（3）虚拟运行时间建议为2~3小时以上，截取趋势图，点击“停止运行”按钮，结束实验，下载数据文件。

2、风机盘管运行调节实验

1.实验目的

（1）了解三速/直流无刷风机盘管的构成与工作原理；

（2）掌握风机盘管空调系统的运行调节方法；

（3）了解室内温度设定值对空调能耗的影响规律。

2.实验设备

（1）风机盘管运行调节虚拟仿真实验软件

 

（2）虚拟仿真实验对象：

空调房间面积为15平方米，配置1台三速或直流无刷风机盘管，具体参数如下表所示，冷热源为空气源热泵系统。风机盘管设置温控器，监测室内温度，并根据室内温度控制风盘转速和水阀开关，电表对风机盘管及冷热源的总电耗进行计量。

表1 风机盘管性能参数表

3 实验要求

（1）实验前应预先了解风机盘管的构成和基本原理。

（2）实验过程中，比较三速风机盘管和直流无刷风机盘管的运行特性，掌握风机盘管运行调节方法。

（3）了解室内设定温度对空调能耗的影响。

（4）实验完成后，导出实验数据，完成实验报告。实验数据存储在软件安装的磁盘根目录下“存储”文件夹，每次打开虚拟仿真软件，会产生一个tdms数据文件，关闭软件后，可双击打开数据文件，另存为EXCEL文件进行数据处理。

4 实验步骤

4.1 三速风机盘管运行调节实验

（1）打开实验软件，设定运行参数。选择三速风机“自动”控制，运行模式选择“制冷”，设定夏季典型日，盘管供水温度设定为7~10℃，室内温度设定为20~26℃，室内人员2~4人，设备散热量400~1000W。

（2）点击“开始仿真”按钮，风机盘管开始运行，数据趋势图会自动绘制室内温度、水阀开度、风机状态等数据，可通过多次修改室内设定温度，观察风机不同档位的切换过程，分析三速风机控制原理。实验结束后，截取趋势图，点击“停止运行”按钮，结束实验，拷贝数据文件。

（3）重新进入软件，按照步骤（1）设定运行参数，保持室内设定温度不变，测试三速风机“自动”控制过程。虚拟运行时间建议为2~3小时，截取趋势图，点击“停止运行”按钮，结束实验，下载数据文件。

4.2 直流无刷风机盘管运行调节实验

（1）重新进入软件，选择变速风机，其他参数设置应与4.1步骤（3）的参数相同。

（2）点击“开始运行”按钮，观察直流无刷风机转速和水阀的变化趋势，分析控制原理。

（3）虚拟运行时间建议为2~3小时，截取趋势图，点击“停止运行”按钮，结束实验，下载数据文件。

4.3 室内温度设定对空调能耗影响实验

（1）重新进入软件，选择变速风机，室内温度设定为26℃，其他参数设置应与4.1步骤（3）的参数相同。

（2）点击“开始仿真”按钮，风机盘管开始运行，观察室内温度、风机频率和系统能耗等变化。

（3）虚拟运行时间建议为2~3小时，截取趋势图，点击“停止运行”按钮，结束实验，下载数据文件。比较不同室内设定温度对系统能耗的影响。