製冷空調系統仿真原理與技術（簡體書）

《製冷空調系統仿真原理與技術》全面闡述了製冷系統穩態仿真技術的原理，包括製冷系統仿真技術概論、計算方法基礎、製冷劑和載冷劑(包括濕空氣)的熱物性簡化計算、壓縮機模型、節流元件模型、冷凝器模型、蒸發器模型、輔助設備模型(包括泵與風機、連接管、四通換向閥、儲液器和氣液分離器等)、製冷系統模型以及仿真技術在製冷空調系統中的應用等內容。《製冷空調系統仿真原理與技術》可供製冷空調相關研發人員參考使用，也可作為製冷、暖通專業研究生和本科生的選修課程教材。．

《制冷空調系統仿真原理與技術》可供制冷空調相關研發人員參考使用，也可作為制冷、暖通專業研究生和本科生的選修課程教材。

中國是一個制冷大國，制冷空調裝置產能居世界第一。但是，中國目前還不是一個制冷強國，國內制冷空調產品制造企業絕大多數還缺乏獨立的先進的產品研發與設計能力。造成這種現象的一個重要原因是決定本行業技術能力的工程師培養體系還不健全。企業缺失系統培養專業工程師的意識，希望大學承擔這部分責任，而大學的專業知識教育相對落后，且與企業脫節嚴重，短期的實踐環節只是給學生一些感性認識，無法真正掌握并學以致用。
制冷系統仿真技術是制冷空調產品研發與設計的核心技術之一，在歐美企業中已經有50年左右的發展與應用歷史，其仿真技術水平也遠遠超過同期的大學和研究機構研究水平。在國內外學術界，這方面的教材或學術著作還屈指可數。上海交通大學的研究人員在20世紀90年代末至2002年先后出版過與制冷系統仿真相關的三本專著（作者曾參與撰寫），被相當多的國內高校相關專業選為教材，在企業中也擁有相當多的讀者。但是從作者得到的反饋來看，主要存在兩個問題：①內容不適合入門者學習；②模型與產品設計要求存在較大的距離。這一方面說明國內的高校和企業對制冷系統仿真技術的需求很高；另一方面也反映了目前仍缺少一本理論與實踐結合得比較緊密的制冷空調系統仿真教材類書籍。
作者曾在上海交通大學從事制冷系統仿真技術研究和教學多年，此后又在全球最大的制冷空調設備生產企業美國開利公司（Carrier Corporation）主管仿真模擬核心技術研發部門，負責開利全球的仿真技術研發、應用與仿真軟件的培訓工作。對制冷系統仿真技術的研發與教學，積累了一定的經驗。作者希望通過本書，可以幫助國內高校相關專業的學生和國內相關企業的工程師更好地進行制冷系統仿真技術的入門學習和實踐。作者也希望看到國內相關企業通過仿真技術的合理應用與推廣，真正建立起以仿真技術為核心的產品研發核心技術體系。
本書稿也凝聚了楊亮博士的大量心血和開利公司的大力支持。本書的出版還要感謝上海市教育委員會科研創新項目（11ZZ30）、中央高校基本科研業務費專項資金的資助。最后，本書完稿之際，恰逢同濟大學建校105周年暨工程教育百年紀念、同濟大學機械學院百年院慶，謹以此書表達祝賀及敬意！
由于編者水平有限，書中不足之處在所難免，希望廣大讀者批評指正。
張春路
2012年9月于同濟大學Contents

第1章 概論1.1製冷系統仿真技術研究的意義1.2製冷系統仿真模擬技術的研究現狀評述1.2.1面向製冷系統匹配設計的穩態仿真技術1.2.2面向製冷系統控制設計的動態仿真技術1.2.3面向大系統設計與控制的綜合仿真技術1.2.4從仿真模擬到現代產品設計方法學1.3本書的內容安排第2章 計算方法基礎2.1單變量非線性方程求解方法2.1.1兩分法2.1.2牛頓法2.1.3割線法2.1.4試值法2.1.5反向二次插值法2.1.6 Brent法2.1.7單變量方程算法小結2.2多變量非線性方程組求解方法2.2.1牛頓法2.2.2 Broyden法2.3插值與擬合2.3.1線性插值2.3.2雙線性插值2.3.3曲線擬合的線性最小二乘法第3章 製冷劑和載冷劑的熱物性計算3.1製冷劑熱物性簡化計算3.1.1系統仿真對製冷劑熱物性計算的要求3.1.2 Cleland擬合模型3.1.3隱式三次多項式擬合模型3.1.4表格插值法3.2濕空氣熱物性計算3.2.1濕空氣的組成3.2.2濕空氣的熱力性質3.2.3濕空氣的焓濕圖3.3載冷劑熱物性計算3.3.1純質液體的熱物性計算3.3.2溶液的熱物性計算第4章 壓縮機模型4.1系統仿真對壓縮機模型的要求4.2壓縮機效率模型4.3壓縮機AHRI 10係數模型4.4變容量壓縮機模型4.4.1變頻壓縮機模型4.4.2數碼渦旋壓縮機模型4.4.3滑閥調節容量的螺杆壓縮機模型4.5帶經濟器的壓縮機模型4.6離心壓縮機模型4.6.1單級離心壓縮機性能的半經驗模型4.6.2離心壓縮機的經驗模型第5章 節流元件模型5.1節流元件5.1.1節流元件類型5.1.2系統仿真對節流元件模型的要求5.2毛細管和短管模型5.2.1製冷劑在毛細管和短管內的流動特性5.2.2均相流分佈參數模型5.2.3經驗關聯式模型5.2.4毛細管近似積分模型5.3孔板模型5.4熱力膨脹閥MOP模型5.5電子膨脹閥模型5.5.1圖表模型5.5.2經驗關聯式模型第6章 冷凝器模型6.1冷凝器四區模型6.1.1四區模型的定義6.1.2微元模型6.1.3算法6.2考慮製冷劑管路排布的翅片管換熱器分佈參數模型6.2.1建模策略6.2.2翅片管換熱器模型與算法6.3管殼式冷凝器模型6.3.1建模策略6.3.2微元模型6.3.3管殼式冷凝器模型與算法6.4冷凝器模型常用實驗關聯式6.4.1水平管內單相流動換熱與壓降6.4.2水平管內兩相凝結換熱與壓降6.4.3水平管束外兩相凝結換熱6.4.4翅片管換熱器空氣側換熱與壓降第7章 蒸發器模型7.1蒸發器三區模型7.1.1三區模型的定義7.1.2微元模型7.1.3算法7.2翅片管蒸發器分佈參數模型7.3滿液式蒸發器模型7.3.1建模策略7.3.2微元模型7.3.3滿液式蒸發器模型與算法7.4蒸發器模型常用實驗關聯式7.4.1水平管內單相流動換熱與壓降7.4.2水平管內兩相沸騰換熱與壓降7.4.3水平管束外兩相沸騰換熱7.4.4翅片管換熱器空氣側換熱與壓降第8章 輔助設備模型8.1連接管模型8.1.1連接管對系統性能的影響8.1.2連接管模型8.2四通換向閥模型8.2.1四通換向閥對系統性能的影響8.2.2四通換向閥模型8.3儲液器和氣液分離器模型8.3.1儲液器對系統性能的影響8.3.2儲液器模型8.3.3氣液分離器對系統性能的影響8.3.4氣液分離器模型8.4泵與風機模型8.4.1泵對系統性能的影響8.4.2泵模型8.4.3風機對系統性能的影響8.4.4風機模型8.4.5風機定律第9章 製冷系統仿真9.1系統循環分析9.1.1簡單製冷/熱泵循環9.1.2帶經濟器的製冷/熱泵循環9.1.3跨臨界製冷/熱泵循環9.2簡單製冷/熱泵系統的模型與算法9.2.1系統模型9.2.2系統充注量模型9.2.3系統算法9.3模型標定9.3.1仿真誤差與模型標定9.3.2部件模型標定9.3.3系統模型標定9.4熱泵型分體式空調器系統仿真與分析9.4.1仿真對象9.4.2實驗驗證9.4.3系統特性的仿真分析9.5螺杆冷水機組系統仿真與分析9.5.1仿真對象9.5.2實驗驗證9.5.3系統特性的仿真分析第10章 建築空調系統仿真10.1建築空調系統模型10.1.1製冷劑回路模型10.1.2冷凍水與冷卻水回路模型10.1.3空氣處理過程與負荷模型10.1.4機組與系統能效的定義10.2建築空調系統的仿真案例分析10.2.1空調箱獨立新風系統案例10.2.2冷卻水回路優化案例主要符號表參考文獻．

從控制策略上看，傳統空調系統和DOAS系統都可以用變頻水泵來控制室內溫度：當室內溫度偏高時，需要提高冷凍水泵的流量；當室內溫度偏低時，則需要降低冷凍水泵的流量。傳統空調系統對室內相對濕度的控制能力很弱，基本上只控制溫度不控制相對濕度，而DOAS系統可以通過冷凍水出水溫度的設定值來控制室內相對濕度。冷凍水出水溫度的設定值由冷水機組壓縮機來控制：當室內濕度偏高時，可以降低冷凍水出水溫度的設定值；當室內濕度偏低時，可以提高冷凍水出水溫度的設定值。此外，DOAS系統中的旁通閥對室內溫度也有一定的控制作用。當室內溫度偏高時，可以首先減小旁通比例，如果已經沒有旁通，則需要增加冷凍水的流量；當室內溫度偏低時，需要增加旁通比例。
從節能效果上看，與傳統空調系統的方案2相比，DOAS系統可以節能15％左右。但與傳統空調系統的方案3相比，DOAS系統的節能效果并不明顯。國外資料中宣稱的DOAS系統有30％～60％的節能率，主要是和傳統空調系統的方案1相比較。可以注意到方案1的室內相對濕度只有50％，可見除濕除多了，再加上送風溫度低，需要電加熱才能保證舒適性，所以能耗大。
從上述仿真與分析結果可以獲得以下結論。
①DOAS系統更適合濕負荷小的案例。
②從舒適性角度來看，使用DOAS的空調箱系統可以同時控制室內溫度和濕度，也可以保證較高的送風溫度，對提高舒適性有利。
③傳統空調系統通過改進其運行策略，自身也有很大的節能潛力。如果與運行策略進行優化后的傳統空調系統（如方案3）對比，DOAS系統的節能效果并不顯著。
10.2.2 冷卻水回路優化案例
在本小節中，通過仿真模擬探討冷卻水回路供回水溫差的優化問題。冷卻水IN路供回水溫差會直接影響到冷卻水流量和冷凝器的換熱溫差，進而影響到壓縮機功耗、冷卻水泵功耗和冷卻塔的功耗，并最終影響到系統能效。一般工程設計中，通常都將冷卻水供回水溫差設定為5K。但是，對于不同的系統或同一系統的不同運行工況，最佳的冷卻水供回水溫差應該并不相同。通過優化冷卻水供回水溫差，可以有效提高系統能效，下面的仿真案例將驗證這一點。
如圖115所示為冷水機組與冷卻水回路的系統模型圖。冷水機組是一次節流中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷系統（螺桿壓縮機），冷卻水回路則包括冷凝器、管路、水泵和冷卻塔。冷水機組與冷卻塔是按實際的產品建模或選型計算的，以提高仿真的精度。