付优

（山西建筑职业技术学院 山西省晋中市 030619）

我国是制冷空调产品生产与使用大国，制冷空调产品的年产量占据全球总产量的三分之二，而当前我国的制冷空调系统在能源消耗方面较大，且制冷的效率相对较低，已经无法满足当前人们在生活和工作方面的需要。根据相关统计数据显示，制冷空调夏季的耗电量在很多城市都超过该市总用电量的40%。因此，对制冷空调进行优化就极为必要。在制冷空调系统当中运用计算机仿真技术，能快速检验制冷空调系统的性能，并对该系统进行有效的优化改良。相对而言，我国引入计算机仿真技术的时间较晚，普及的时间也较短，尚未形成完善成熟的技术体系与管理体系，但该项技术仍然对我国制冷空调研发工作的发展起到极为重要的推进作用。

1 计算机仿真技术概述

1.1 计算机仿真技术概念

计算机仿真技术是计算机技术重要的组成部分，是以计算机作为基础，根据问题对象的实际要求，建立起一套真实的数学模型，然后将其转换成仿真模型。在不同的决策问题下，工作人员利用计算机系统来进行运行状态的演示，从而将抽象问题真实地展现在计算机系统的显示器上，然后对模型进行动态的实验。这种技术它涉及了计算理论、控制理论以及各种实际系统的专业理论知识，是一项综合了多学科领域的综合性技术。计算机仿真技术最大的意义就在于能够将人脑中的虚拟数据和参数转化为计算机中具体的图形或者是全景影像，从而实现抽象物质的具象化。该技术最早起源于美国，自从这项技术诞生以来，受到世界各国的广泛关注和高度重视，被世界各国引进和推广，并被广泛应用到国防、能源、交通、航空航天等军事领域和其它领域当中。在制冷空调装置中运用计算机仿真技术，始于上世纪70 年代末80 年代初。经过几十年的发展，目前，计算机仿真技术在制冷空调领域内对制冷系统的运行特性研究、产品技术创新起到了巨大的作用。

1.2 计算机仿真技术的建模方法

在运用计算机仿真技术时，最关键的问题就是模型的构造。因为运用计算机仿真技术构造出来的各种装置模型，都具有一定的特质，而且是典型的特质，能作为载体的代表，并实时反馈系统当前运行的状态。近年来，随着计算机仿真技术在我国的普及应用，我国很多研究人士在计算机仿真技术模型构造方面进行深入的研究，其中最主要的建模方法就是机理建模方式。这一模型构造方式是参照空调系统运行时产生的机理变化来设定空调系统各部件相应的恒定值，然后依据相关学科的理论研究成果，对空调系统的物理变化进行研究。在此基础上，与最初设置的各部件的恒定值进行对比，然后通过数学的方法进行合理构造，并以此反映出被研究对象一系列的变化过程。目前，这一模型构造的方式成为一种基础性的研究方法。在运用这种方法时，工作人员需要重点注意会与研究结果具有较大影响的因素，而对于那些影响较小的因素，则可以忽略不计，并以此来构造出更加合理、高效的制冷空调装置模型。

1.3 计算机仿真算法研究

在实际运用中，如果只构造数学模型是无法对制冷空调的研究工作进行优化的，还需要将构造出来的数学模型反馈在计算机上，才能开始真正的仿真研究。而在这一过程中，工作人员必须要运用到仿真算法。最初，对制冷空调装置进行计算机仿真，主要是针对简单的系统，因此，主要依靠守恒定律来控制算法，经过不断的改良，目前，在制冷空调装置计算机仿真技术中运用的算法最常见的就是迭代算法。这种迭代算法是运用迭代求解的方式，通过两层迭代实现对制冷空调装置计算机仿真进行系统运行的计算。此外，在制冷空调系统中，针对换热器进行仿真计算时，还会运用到有限差分算法，这一算法是通过两相流动的规律来实现对方程运算的控制的，相对来说，比较简单。因此，在面对一些较为复杂的系统时，操作人员往往还需要对微元段进行合理的区分，然后进行多次运算才能取得较为准确的结果。

2 制冷空调装置的计算机仿真技术的实现步骤

2.1 建立数据模型

在制冷空调系统中运用计算机仿真技术，首先必须建立数据模型，这是进行计算机仿真技术的第一步。在实际操作中，工作人员必须提前准确而全面地收集有效且科学的数据，然后依据特定的数学方法将收集到的数据进行整合，然后构建数据模型。在制冷空调装置优化研究工作中，只有真正建立了数学模型，才能获得研究所需要的各种原始数据，然后利用这些原始数据进一步转化成为三维图形或者是立体图形。在实际操作中，操作人员运用的特定的数学方法大致可分为归纳法、演绎法、推理法等。而且，在具体应用中，必须遵循相应的规律，不能采用不符合数学要求的归纳方法，否者就无法有效开展仿真工作。

2.2 打造数学模型

打造数学模型是进行计算机仿真技术产品最关键的步骤，也是承上启下的步骤。在制冷空调装置计算机仿真实验中，数学模型的构建是基于程序化与规范化的数据模型，是将数据模型编制成一种可被利用的程序，这是开展仿真实验的前提和基础，如果没有将数据模型转化为数学模型，就无法开展制冷空调的计算机仿真实验。如果采用传统的方法，模型就会过于复杂，仿真的过程也会变得十分繁琐。而将数据模型转化为数学模型，其过程就会被大大简化，从而为实现制冷空调装置的仿真实验奠定了良好的基础。

2.3 开展仿真实验

打造完数学模型后，研究人员就可以开展计算机仿真实验了，这也是制冷空调装置计算机仿真技术最重要的步骤。相对而言，仿真实验这一步骤并不复杂，只要将数学模型载入到计算机当中，然后运用特定的计算机程序就可以将这些参数数据用三维图形或立体图形的方式展现出来，从而便于人们的直接观察，然后将这些仿真运行的数据与实物实际运行的数据进行对比，并存在差异的部分进行修正，就可以有效改进相关的技术，是喜爱呢技术的发展进步。

3 计算机仿真技术在制冷空调装置中的应用分析

制冷空调装置最主要的部件分别是压缩机、节流装置和换热器，其中换热器又由冷凝器和蒸发器构成，而节流装置根据形式的不同，可以划分为热力膨胀阀、电子膨胀阀、毛细管以及节流短管等形式。

3.1 压缩机模型

在制冷空调装置中，压缩机是其核心所在，也被称为制冷空调系统的心脏，是制冷空调系统中最复杂的部件，不但有传热传质的过程，同时还有复杂的机械运动过程。因此，在压缩机模型制作中，根据目的不同，需要建立几种不同的模型。但相对来说，制冷空调装置中的压缩机模型大都是集中参数模型。

集中参数模型的构建主要会运用到效率法、图形法以及详细的热力模型法。其中图形法相对来说较为简单，计算的速度也较快，但构建出来的模型也比较简化，因此，这种方法对于制冷空调装置的计算机仿真运行优化效果并不是十分理想。而效率法则是一种应为比较广泛的模型构建方法，这种方法主要是参考了制冷空调运行中相应的实践数据，然后用相应的系数来设定该制冷空调机组运行的程序，在此基础上，根据两者之间的差异逐步进行修正，从而达到准确度的要求。详细的热力模型法则综合考虑了压缩机的吸气损失、排气损失以及换热损失，同时还考虑到了压缩机工质工作的过程，相对来说，优化的效果更为理想。例如，Duprez 就根据制冷空调压缩机际的工作状况，综合考虑了所有的损失系数，然后建立了比较详细的热力学模型，准确预测了制冷剂的质量、制冷量、排气温度以及功耗等方面的性能。其计算公式为：

在上面两个公式中，mcom，N 分别表示压缩机的制冷剂流量与功率；λ，Vh，η 分别是压缩机的输气系数、理论功率；Pc，Pe，vs，m 分别表示冷凝压力、蒸发压力、吸气比容和多变指数。

3.2 节流装置模型

在制冷空调装置计算机仿真技术中，针对节流装置模型的构建，常用的方法主要有三种，分别是经验关联模型、分布参数模型和近似积分模型。其中经验关联模型相对来说比较简单，不需要进行迭代计算，计算的速度较快，是制冷空调系统仿真中应用最为广泛的一种技术，但这种模型的应用范围较为狭窄，且无法准确描述出制冷空调节流装置的性能。随着现代计算机技术的发展，分布参数模型技术逐渐兴起，并日益成为预测制冷空调节流装置主要的手段。在实际运用中，分布参数模型主要是均相流模型，但在仿真实验中，研究人员发现管内的两相流动，因为彼此之间存在着相互作用，无法实现完全的均相流。因此，近年来有部分研究人员开始研究分相流分布参数模型。随着制冷空调装置计算机仿真实验的深入研究，研究人员因为经验关联模型的通用性较差，而分布参数模型又比较复杂，于是提出了复杂程度以及精度介于二者之间的近似积分模型。随着技术的改进，近似积分模型在制冷空调装置仿真实验中获得了广泛的应用。其控制方程为：式中的p，v，G 分别是流体的压力、比容和质流密度，D 和L 分别为毛细管的内径和长度，f 为沿程摩阻系数。

3.3 换热器模型

在制冷空调装置中，换热器分为两种，一是蒸发器，二是冷凝器。对其构建模型进行计算机仿真实验，根据变量以及时间关系，可以将其分为稳态模型与动态模型两大类，而进一步细分泽科分为集中参数模型、分区模型、管一管模型以及分布参数模型。

（1）集中参数模型，一般又被称为单区模型。这种模型通常适用于没有相变换热的换热器，是根据效率一传热单元系数法与对数平均温差法，对换热器的换热性能进行模拟。在实际运用中，研究人员往往会假定空气流动是均匀的，而制冷剂的性质则是恒定的来进行，参数较为简单，因此，准确性相对较差。

（2）分区模型。这一模型是根据制冷剂的状态，将换热器划分为不同的区域。如：冷凝器就按照过热气体区、汽液两相区以及过冷液体分别建立集中参数模型；而蒸发器则是按汽液两相区、过热区分别建立集中参数模型。

（3）管一管模型。这种模型是将换热器离散成单根的管子，然后对每一根管子分别建立能量、动量以及质量方程。在此基础上，综合考虑换热器的流程布置以及空气流动的不均匀性，并用局部换热系数代替空气与制冷剂的换热系数。这种模型的计算机仿真实验精度相对较高，但相对较为复杂，计算速度较慢。

（4）分布参数模型。这种模式是因为在实验中两相流体与单相流体在换热与流动特性上具有较大的差别，同时在两相区内不同的干度下，制冷剂流动与换热存在着较大的差异，而集中参数模型、分区模型和管一管模型无法准确描述出两相区换热与流动的特性，因此，研究人员才运用了这种更加细致的模型。在实际运用中，这种模型将换热器划分成为多个较小的控制容积，然后对每一个控制容积分别按照集中参数进行建模。这样一来，构建的模型可以得到更高的精度，而且能够适用于任何结构和管理布置的制冷空调换热装置的计算机仿真实验当中。

4 结语

综上所述，随着现代科学技术的发展，传统的制冷空调系统因为能耗较大、制冷效率较低等弊端，已经无法满足人们生产和生活的需要。而通过运用计算机仿真技术，能在很短的时间内实现制冷空调系统制冷流程的简化，实现能源消耗节约，并提高制冷效果。在运用这一技术的过程中，构造模型是其中最重要的环节。本文就对制冷空调装置仿真技术进行了细致的分析，希望能对相关人士的研究工作提供参考，更好地运用计算机仿真技术优化制冷空调装置，实现制冷空调的高效率与低能耗运行。