制冷系统通用仿真平台GREATLAB的构建

制冷系统通用仿真平台GREATLAB的构建张春路，（同济人学机械与能源工程学院制冷与热工程研究所，上海201804）摘 要：为满足不同用途和节能减排的要求，制冷系统日趋多样化。为了实现不同制冷系统 的快速仿真设计，需要构建通用的制冷系统仿真平台。本文先探讨了制冷系统通用仿真平台 的关皱技术，然后介绍了制冷系统通用仿真平台GREATLAB的构建思路，罠后探讨了制冷系统 通用仿真技术进一步的发展方向。关键词：制冷系统仿真模型算法GREATLABGREATLAB - a General Simulation Platfbnn for RefiigerationSystems ModelingZhang Chuiilu（College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shangliai 201804, China）Abstract To meet requirements of different applications, energy saving and emission reduction, the refiwigeiation systems are having more diversity. To define different ref?aeration systems more efficiently, general simulation platfonn for refi-igeiation system modeling is badly desired In this paper, the key techniques in developing a general simulation platform fan-A：张#K1971.）.男.W I-.教授.博七牛导帅.冋济大学机械与能源I*X程研允所Emailchunhizhangmail com 电话：13671S25133I海市教育委员会科研创新项IK11ZZ30）和中央高校垂本科硏业务费专项资金资助 refi-igelation systems were discussed first Then a newly developed general simulation platfonn GREATLAB was introduced At last, the next actions in developing general refrigeration system simulation teclimques were proposedKey words refiigeiation system, simulation, model, algorithm, GREATLAB随着制冷技术应用的口趋广泛，涌现了越來越多不同用途的制冷（热泵）系统。同时，随 着能源危机和环境问题的加剧，制冷系统的节能减排也成为制冷技术发展的主要方向。为了 实现不同制冷系统的快速优化设计，需要发展通用的制冷系统仿真技术和仿真平台。制冷系统仿真技术自20世纪60年代由美国开利（Cainer）公司率先开展研究以來，随着 计算机技术的飞速发展，吸引了越來越多的研究者参与其中。美国橡树岭国家实验室ORNL 提供的基于web的简单制冷循环仿真软件MARK己经发展到第七版卩】。美国国家标准与技术 局NISTP类国马里兰人学的环境能源工程中心CEEE等近年都在制冷系统仿真技术研究方 面比较活跃。在国内，匕海交通人学陈芝久教授领导的I才I队于匕世纪80年代率先开展制冷系 统仿真技术的研究X，到了 90年代以来，国内很多高校相继开始了这方面的研究，中国也成 为此领域研究最为活跃的国家之一。但是，冃前通用的制冷系统仿真平台还比较少，主要分为两类。第一类是部分外企自主研 发成功的制冷系统通用仿真平台，例如开利的Simtools特灵fTrane）的T-Rex等。这类仿真平 台往往作为企业的核心技术机密，极少与外部交流。第二类是一些可以进行多学科仿真的商 业软件在制冷系统仿真中的应用，例如Dymola、SimulationX AMESim、ASPEN等。但是， 这类商业仿真平台在实际应用时往往只适合采用比较简单的制冷部件模型、模拟比较简单的 制冷系统。对于复杂部件建模或复杂制冷系统，仿真的速度或稳定性比较差。此外，这类软 件不易使用、对用户的知识和能力要求很高。因此，目前尚难以真正实用化。本文探讨了制冷系统通用仿真平台的关键技术，介绍了作者领导的研究团队最新开发的 一款制冷系统通用仿真软件GREATLAB的构建思路，并探讨了制冷系统通用仿真技术进一步 的发展方向。1制冷系统通用仿真平台的关键技术构建制冷系统的通用仿真平台需要解决以卜三个方面的关键问题：第一是稳健通用的系统仿真算法。目前常用的制冷系统仿真算法主要有顺序求解法和联 立求解法两种，其特点归纳于表1中。同仿真通用性角度来讲，应该采用联立求解法。但是 联立求解法的缺点也往往长期困扰着开发者，造成仿真软件的实用性很低。因此，如何在联 立求解法的基础上改进算法的稳健性是构建制冷系统的通用仿真平台关键技术问题之一。第二是稳健、丰富、准确的部件模型库。部件模型库中的不同部件模型是否丰富从另一 个层面决定了制冷系统仿真的通用性。部件模型的丰富程度取决于三个方面：一是有各类针 对性的部件模型，例如各类不同换热器的模型；二是有通用性的部件模型用于构建或近似模 拟一些新型部件；三是现有模型的町扩展性。有了丰當的部件模型之后，还需要不断提高部 件模型、特別是设计型部件模型的稳定性与持度，因为系统仿真的稳定性取次于系统算法与 部件模型的稳定性，而系统仿真的精度也主要取决于关键部件模型的精度。同理，部件模型 的稳定性必须在系统仿真层面、而不是部件仿真层面考量。衣1顺序求解法和联立求解法的比校算法说明优点缺点联立法联立求解通用性好，计算效率高，适用于简单和复杂求解过程难以干涉，程序不易调试：部件模型制冷系统仿貞迭代初值对收敛性影响大顺序法顺序求解求解过程冇明确物理总义，程序容易调试：通用性差,计算效率低,不适合复杂部件模型迭代初值对收敛性影响不大制冷系统仿真第三是稳健友好的系统建模用户界面。利用部件模型库，以图形操作方式方便地搭建或 编辑孑类制冷系统模型，也是推进制冷系统通用仿真技术应用的关键之一。这不仅是软件设 计的问题，而且也是复杂的算法问题。这方面，很多商业仿真软件己经做出了很好的示范， 同时也提醒我们：过于通用的图形建模功能也容易导致用户的误解和误用.从而反作用于仿 真技术的推广应用。2 GREATLAB通用仿真平台GREATLAB (General REfi*igelation and Air- condiuoning Technologies Laboratoiy) 是作者 所领导的研发团队在近期开发的一个通用的制冷系统稳态仿真平台，主要面向制冷空调装置/ 系统的设计与优化，町以供生产型企业设计产品使用、也町以供以系统设计与分析为主的研 究咨询机构使用。该平台的主体构建如图1所示。平台分三层：底层GREATLAB专业版是可以随意搭建各 种制冷空调系统的系统仿真平台。中间层GREATLAB标准版是内置了很多搭建好的各种常见 制冷空调系统模板的系统仿真平台，但仍然保留了很多灵活性。系统模板由GREATLAB专业 版制作。匕层是各类部件建模仿真工具箱，例如压缩机建模工貝CompLab.翅片管换热器仿 真设计工具CoilLab.微通道换热器仿真设计工具MCHXLab、壳管式换热器(包括满液式和 干式)仿真设计工貝STHXLab等等。这类部件建模仿真工貝既町以在GREATLAB匕作为部 件模型模拟系统特性，也可以单独作为部件设计的仿真软件使用.从GREATLAB仿真平台的使用者来讲，也分为三个层次：底层用户是平台的开发者，起 到开发、维护、高级应用及培训的作用。中层为企业中的高级用户，这类用户不仅需要有较 强的仿真模拟专业背景、而且对产品设计也有较多的经验枳累。高级用户中的一些人、特别 是有过仿真模拟基础训练号实践者，可以使用GREATLAB专业版进行更只挑战性与创新牲的 系统建模与分析工作。上层为企业中的普通用户，一般的系统工程师或相关部件设计工程师 在接受了一定的培训之后、在高级用户的指导之卜使用GREATLAB标准版和部件库进行产品 设计。部件工具定制系统自定义 系统图1 GREATLAB仿真平什构架图1是GREATLAB专业版的界面，包括三个主要窗体：左边是部件模型库、中间是系统 建模用的模型编辑器、右边是系统/部件/舟点的属性窗II。图2是GREATLAB标准版的界面, 与专业版相比，少了部件模型库，而系统模型的流程也是不能任意改变的。图2至图4给出 了采用GREATLAB专业版搭建的几种常见制冷系统的模型。GREATLAB目前己貝有以下主 要特点：(1) 提供方便灵活的制冷系统建模功能，便于用户快速设计各种制冷系统：C)内置齐类常见的制冷/空调系统，并可以根据客户需求快速定制不同的非常规系统模 型：(3) 与GREATLAB提供的其它部件仿真(设计)软件CoilLab. STHXLab等无缝对接：(4) 内置多种常用的换热管类型、制冷剂/载冷剂类型；(5) 握供公制与英制两种单位：(6) 灵活的输入/输出参数转换：(7) 模型标定技术帮助捉高仿真精度：(8) 提供用户自定义模型接II，允许用户接入自行开发的各类部件模型；(9) 提供基于压焙图的系统循坏图以及状态参数显示功能：(10) 自动生成计算结果输出报告。H 2 GREATLAB专业版软件界而GitBG9U1IJ jy eB vtawJn-4iiix t.uJU fMtfraa eiiKTO “I! GOH； (屮佑蹲5MUElEP0 2 J) 丘Q m imj0 1 E) tf) O i m Ubcv)n m ib/eJ i m WvXV 9a mI3： e*图2单级圧缩风冷冷风系统模型(GREATLAB 准版全界何)图3单-级压缩水冷冷水系统模型图4带中间补气的风冷冷水系统模型GREATLAB中包含多种常见的换热器仿真软件。以翅片管换热器为例，GREATLAB提供 了 CoilLab仿真软件，图5至图8是该软件的几个截图。CoilLab具有以卜主要特点：(1) 釆用逐管(tube-by-tube)建模技术，每根换热管又可划分多个换热单元；(2) 町以进行灵活的管排布置，包枯非矩形布置、前后排不同尺寸等；(3) 町以进行任意的合理的管路连接，包括分流、合流、空管等；(4) 町以在任意制冷剂流路匕设置毛细管，实现制冷剂在换热器内的合理分配；(5) 空气侧町以输入任意2维的速度分布，方便与CFD流场模拟结果对接：(6) 内置多种常用的换热管类型(包括椭圆管)、翅片类型、和制冷剂/载冷剂类型;(7) 提供不同输入输出参数组合的计算模型，计算快速、稳定；(8) 提供丰富的仿真结果，包括换热器整体性能、每一流路的信息、3D云图：(9) 批量计算功能；(10) 输出计算结果到MS Word/Excel功能；(11) 提供与通用系统仿真平台GREATLAB的接I I。图5 Coil Lab结构参数输入图6 CoilLab状态参数输入及计算模式选择m 7 CoilLab管路编辑及计算结果图8 CoilLab的3D结果输出3制冷系统通用仿真技术的发展方向结介笔者在高校与企业的相关研发与应用经验，以下三个方面在制冷系统通用仿真技术 的未来发展中值得关注。第一、跨平台仿真技术的综合运用。仿真软件的通用性是相对而言的，对于不同层次或 不同领域的仿頁技术，如何实现跨平台的综介模拟与应用是一个值得深入探讨的话题。例如, GREATLAB侧重于制冷系统各部件的匹配和换热器的设计，而系统控制设计需要用到动态仿 真工具(例如Dymola、SimulationX)以及控制设计T具(例如MATLAB ),而冷风系统的风 道及凤机模拟与设计又涉及到CFD TR (例如FLUENT、CFX等)，系统的结构与噪声问题 的仿真工具(例如ANSYS、VAOne等)也是现代产品设计中必不可少的。这些问题在系统层 面具有一定的耦介性，因此发展一种综介的跨平台交叉仿真技术是制冷系统通用仿頁技术的 一个方向。第二、与现代产品设计方法的结合。冃前的仿真技术主要是提供用户一个虚拟的实验室, 来“测试”用户的设计方案是否满足设计要求。至于如何设计产品，那只能用户凭自己的经 验。同时，由于模型不町避免地存在偏差，如何正确解读仿真结果？如何利用仿真工貝正确 地设计产品？只的将成熟的仿真技术与现代产品设计方法结合起来，才可能给出这些问题的 真正答案。第三、仿真相关高端技术人才的培养。技术的发展，离不开人才。推动制冷系统通用仿 真技术的发展，需要从研发和应用两端大力培养高端技术人才。而这方面人才培养的坏境与 方法町能是目前中国制冷的高校与企业最需要探讨与解决的问题。4结论本文探讨了制冷系统通用仿真平台的关键技术，介绍了作者领导的研究团队最新开发的 一款制冷系统通用仿真软件GREATLAB的构建思路，并探讨了制冷系统通用仿貞-技术进一步 的发展方向。制冷系统通用仿貞技术的发展与应用将有助于推动制冷空调行业走中国创造之 路。参考文献1 MARK VH http /www om gov/wi/hpdm/MarkVII shtml2 CYCLE_D http /www.nist gov/srd/nist49v04.cfrn.3 VapCyc. ht垃/www ceee umd edu/consortia/isoc/vapcyc.4 陈芝久，阙雄才，国良 制冷系统热动力学M北京：机械工业出版社,1998.5 国良，张春路制冷空调装宣仿真与优化M北京：科学出版社,2001. 国此张春路制冷空调装宣智能仿ftM北京：科学出版社,2002.