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（同济大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键技术，然后介绍了制冷系统通用仿真平台GREATLAB的构建思路，最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–aGeneralSimulationPlatformforRefrigerationSystemsModelingZhangChunlu(CollegeofMechanicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)Abstract:Tomeetrequirementsofdifferentapplications,energysavingandemissionreduction,therefrigerationsystemsarehavingmorediversity.Todefinedifferentrefrigerationsystemsmoreefficiently,generalsimulationplatformforrefrigerationsystemmodelingisbadlydesired.Inthispaper,thekeytechniquesindevelopingageneralsimulationplatformforrefrigerationsystemswerediscussedfirst.ThenanewlydevelopedgeneralsimulationplatformGREATLABwasintroduced.Atlast,thenextactionsindevelopinggeneralrefrigerationsystemsimulationtechniqueswereproposed.Keywords:refrigerationsystem，simulation，model，algorithm，GREATLAB随着制冷技术应用的日趋广泛，涌现了越来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（Carrier）公司率先开展研究以来，随着计算机技术的飞速发展，吸引了越来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已经发展到第七版[1]。美国国家标准与技术局NIST[2]、美国马里兰大学的环境能源工程中心CEEE[3]等近年都在制冷系统仿真技术研究方作者：张春路(1971-)，男，博士，教授，博士生导师，同济大学机械与能源工程学院制冷与热工程研究所.E-mail:[e-mail],电话:[phone].上海市教育委员会科研创新项目(11ZZ30)和中央高校基本科研业务费专项资金资助面比较活跃。在国内，上海交通大学陈芝久教授领导的团队于上世纪80年代率先开展制冷系统仿真技术的研究[4-6]，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，目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(Trane)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下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；三是现有模型的可扩展性。有了丰富的部件模型之后，还需要不断提高部件模型、特别是设计型部件模型的稳定性与精度，因为系统仿真的稳定性取决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。表1顺序求解法和联立求解法的比较算法说明优点缺点联立法联立求解部件模型通用性好，计算效率高，适用于简单和复杂制冷系统仿真求解过程难以干涉，程序不易调试；迭代初值对收敛性影响大顺序法顺序求解部件模型求解过程有明确物理意义，程序容易调试；迭代初值对收敛性影响不大通用性差，计算效率低，不适合复杂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各类制冷系统模型，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，很多商业仿真软件已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。2GREATLAB通用仿真平台GREATLAB(GeneralREfrigerationandAir-conditioningTechnologiesLaboratory)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，可以供生产型企业设计产品使用、也可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。上层是各类部件建模仿真工具箱，例如压缩机建模工具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）仿真设计工具STHXLab等等。这类部件建模仿真工具既可以在GREATLAB上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积累。高级用户中的一些人、特别是有过仿真模拟基础训练与实践者，可以使用GREATLAB专业版进行更具挑战性与创新性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下使用GREATLAB标准版和部件库进行产品设计。图1GREATLAB仿真平台构架图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/节点的属性窗口。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目前已具有以下主要特点：(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；(2)内置各类常见的制冷/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)提供公制与英制两种单位；(6)灵活的输入/输出参数转换；(7)模型标定技术帮助提高仿真精度；(8)提供用户自定义模型接口，允许用户接入自行开发的各类部件模型；(9)提供基于压焓图的系统循环图以及状态参数显示功能；(10)自动生成计算结果输出报告。图2GREATLAB专业版软件界面图2单级压缩风冷冷风系统模型(GREATLAB标准版全界面)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具有以下主要特点：(1)采用逐管(tube-by-tube)建模技术，每根换热管又可划分多个换热单元；(2)可以进行灵活的管排布置，包括非矩形布置、前后排不同尺寸等；(3)可以进行任意的合理的管路连接，包括分流、合流、空管等；(4)可以在任意制冷剂流路上设置毛细管，实现制冷剂在换热器内的合理分配；(5)空气侧可以输入任意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MSWord/Excel功能；(11)提供与通用系统仿真平台GREATLAB的接口。图5CoilLab结构参数输入图6CoilLab状态参数输入及计算模式选择图7CoilLab管路编辑及计算结果图8CoilLab的3D结果输出3制冷系统通用仿真技术的发展方向结合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真技术，如何实现跨平台的综合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）以及控制设计工具（例如MATLAB），而冷风系统的风道及风机模拟与设计又涉及到CFD工具（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合性，因此发展一种综合的跨平台交叉仿真技术是制冷系统通用仿真技术的一个方向。第二、与现代产品设计方法的结合。目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，由于模型不可避免地存在偏差，如何正确解读仿真结果？如何利用仿真工具正确地设计产品？只有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