定义：
制冷系统仿真，通俗的讲，就是将计算机系统仿真的方法运用于引入到制冷空调装置的系统建模和特性研究中来。通过计算机模拟制冷系统的实际工作过程，用模拟实现系统各参数相耦合以及系统各部件相匹配，研究系统工作特性，从而改进或优化制冷系统部件或设备。从而实现对制冷系统的性能校核，通过改变或者部件结构实现系统的优化设计，并且为控制系统选用相应的控制策略提供相应的接口软件和数据。最大的预期目标是实现替代传统样机实验。
研究状况：
作为一门应用基础性学科，系统仿真近年来发展迅速，已深入到运用科学技术得各个领域，显示出了巨大的社会效益和经济效益，并将作为一种发现问题、研究问题、解决问题的基本手段发挥日益重要的作用。在制冷空调行业中，电冰箱、空调器等制冷装置不仅与人们的日常生活密切相关，而且也是影响国家在能源利用方面政策的主要因素之一。因此，性能优良的制冷空调装置不仅是普通百姓的需要，也是国家建设的需要。传统的制冷空调产品设计中主要以来样机的反复制作和调试，既增加开发费用，更谈不上产品的性能优化，不利于节能节材，成本高而且周期长。对于设备生产厂家而言，如何利用现代科学技术，在较短的周期和较低的成本下，设计和生产出性能优良的制冷空调装置，近十年来一直是空调制冷领域研究的重点和热点，并日益受到研究者和产品制造商的重视。
通过制冷空调装置的计算机仿真与优化技术的应用，可以在计算机上面实现产品的优化设计，而不再依赖于大量的样机试验。或者，最低程度上可以减少样机试验的盲目性，使试验更加具有针对性和方向性。另外，90年代以来，由于节能节材及CFCs替代问题的紧迫性，需要设计和优化大量采用新的环保型制冷工质的制冷空调装置，这一方面从客观条件上为制冷空调装置性能预测研究提供了丰富的研究对象，但另一方面，由于对新工质特性认识的普遍匮乏，在已有装置设计过程中积累起来的经验对选用新工质后的装置往往不再适用，经验和试验设计法的缺陷更加明显，因此对理论预测提出了更高的要求。这也增加了系统仿真的实际需求。
制冷系统仿真由于其具有节省试验费用、缩短产品开发期、降低成本以及节材节能等优点，已引起人们相当地重视。挪威、德国、加拿大、美国和日本等国在上世纪七十年代以前就开始投入大量的研究工作，其研究成果早已投入实际应用，比如开发出的PUREZ软件。中国在这方面研究工作起步较晚，但经过二十年的迅速发展，理论研究已日趋成熟，并初步开始走向应用领域。我国制冷系统仿真研究经历了两个阶段。自从陈芝久教授在国内提出“制冷系统热动力学”的观点以来，有不少研究者投身于制冷系统仿真的研究，并且取得大量研究成果，这是第一阶段；第二阶段是丁国良等提出智能仿真观点来解决传统的数值仿真中的收敛速度和精度问题，但除了对空调器的仿真有一定的研究外，其它很少见到。上海交通大学、清华、西安交通等单位先后推出了窗式空调、分体空调以及变频空调的仿真与优化设计软件，对变频空调系统进行研究，并通过仿真的方法研究对采用电子膨胀阀与毛细管作为节流装置的系统进行了研究与优化设计，取得了很好的效果。
已有的制冷系统仿真，较多的研究对象为小型制冷系统，如房间空调器、冰箱及汽车空调等。自20世纪60年代开始的计算机仿真模型在房间空调器系统中得到应用以来，有关房间空调器系统及部件的仿真模拟得到了越来越深入的研究。房间空调器模拟的目的之一是对现有的房间空调器系统的性能进行校核，其次是通过改变系统或部件的结构实现系统的最优化设计，同时为控制系统提供被控软件。仿真模拟的最终目的是期望最大限度地代替实验。清华、上海交通、西安交通等单位先后推出了窗式空调、分体空调以及变频空调的仿真与优化设计软件，对变频空调系统进行研究，并通过仿真的方法研究对采用电子膨胀阀与毛细管作为节流装置的系统进行了研究与优化设计，取得了很好的效果。另外，汽车空调器和电冰箱的制冷系统仿真也取得了不错的研究成果。
制冷系统仿真的重点和难点就是制冷系统各部件模型的建立及其系统仿真算法的研究，已有主要的研究集中于压缩式制冷系统，现在将研究状况介绍如下。
对于制冷系统及其部件的仿真，研究者们针对不同物理模型建立各种各样的数学模型，如集总参数模型、分区参数模型和分布参数模型等。
压缩机模型：压缩机为制冷剂的流动提供动力，该部件模型的计算决定了制冷剂流量的大小。在压缩机实际工作过程中，过热工质蒸汽流过吸排气阀均有压力损失，在吸排气过程中工质与汽缸壁也存在热交换，而且换热也与壳体、电动机和润滑油的温度有关。制冷系统仿真中建立压缩机模型的目的是求出压缩机出口制冷剂的质量流量和压缩机的输出功率，仿真只要求计算压缩机对系统性能和其它部件有影响的参数（如流量和功率），并实现各部件模型之间的耦合。为了在保证计算精度的前提下尽量缩短仿真时间最终实现对系统的优化，必须对模型做大量的简化。吴业正等对双制冷循环电冰箱的压缩机开停过程建立了较完整的数学模型对压缩机的汽缸、吸气腔、排气腔和运动气阀等结构部件在吸气、排气、膨胀或压缩过程分别建立了流量、质量和能量方程来求流量和功率。张华俊等以压缩机生产厂家提供的压缩机性能曲线为依据，取系统运行区间足够多的点，用最小二乘法拟合出压缩机中制冷剂的质量流量和功率表达式。陈芝久等考虑汽缸与外界存在热交换情况采用集总参数法建立压缩机的非稳态仿真模型。与以上不同且也最常用的模型是视压缩过程为多变过程或绝热过程，这种模型通用性强，但针对不同压缩机的容积效率和电效率是通过大量试验数据回归成经验公式来求得。还要提到的是，丁国良等引入人工神经网络方法来改进压缩机模型，提出了传统理论模型和神经网络相结合的新型压缩机热力计算模型，将传统计算模型中压缩机的容积效率和电效率以及其它诸多难以描述的因素归入神经网络部分，减轻对试验的要求，同时达到较高的计算精度，这对模型的简化有重要的指导意义。
节流部件模型：节流部件是制冷系统的压力调节机构，直接决定了系统的蒸发压力和冷凝压力。小型制冷系统中常用的节流部件有热力膨胀阀、电子膨胀阀和毛细管等。热力膨胀阀常用于汽车空调。陈芝久等建立了对过热度做出响应和对流量调节过程的控制环节和流量环节的热力膨胀阀数学模型。于兵等建立了汽车空调热力膨胀阀的 — 模型，采用SIMPLEST算法模拟了流过阀体的制冷剂的速度场和压力场。电子膨胀阀常用于变频空调。由于电子膨胀阀能使系统所提供的制冷量对负荷的变化做出快速的反应，维持蒸发器出口制冷剂的过热度最佳，保证蒸发器的面积得到充分的利用，其具有节能舒适的特性，因而在变频空调器中得到越来越广泛的使用。电子膨胀阀的节流结构与热力膨胀阀相同，二者在计算质量流量时的数学模型相同，其关键是流量系数的确定。
毛细管具有结构简单、价格低廉、无运动部件等优点，是小型制冷设备中最常用的节流部件。毛细管内制冷剂的流动特性较为复杂，尽管国内外有不少学者对其进行了大量的研究，但有些理论（比如亚稳态区）尚待完善，所以一般都忽略亚稳态区对毛细管内制冷剂流动特性的影响。毛细管模型有绝热毛细管和非绝热毛细管两种模型，一般都基于以下假设来建模：①忽略相间滑动，采用均相流模型；②管内是一维稳态连续流动；③毛细管内径一致，内壁粗糙度均匀。毛细管的入口有饱和液体、过冷液体、过热蒸汽或气液两相这四种状态，所建立的模型必须能处理这任何一种状态。设有回气管的非绝热毛细管常用做冰箱的节流部件。彦启森和陈芝久分别建立了非绝热毛细管的非线性模型，二者的不同之处在于后者考虑了毛细管与空气的热交换。阴建民等提出了冰箱毛细管的优化方法。邓湘华基于两相流压降算法建立了非绝热毛细管模型。绝热毛细管常用做空调器的节流部件。陈芝久等基于热力学方程建立了绝热毛细管的分布参数模型，采用控制容积法建立了用于混合工质的绝热毛细管模型。张小松等在建模时忽略进口压力损失，而何晓明则认为变频空调制冷系统从冷凝器出口到毛细管入口的制冷剂流动的压损不可忽略，可看作突缩流动。此外，张华俊采用步进法建立了毛细管的模型，考虑了亚稳态区过热液体的存在[5]。
换热器（冷凝器或蒸发器）模型：蒸发器和冷凝器中制冷剂的贮存量占了整个系统的大部分，所采用的仿真模型的准确性直接影响系统中制冷剂总量分配的计算。制冷剂在换热器中以单相和气液两相态存在。针对研究的不同目的和要求达到预期效果，可建立换热器的稳态分布参数模型、动态集中参数模型、动态分布参数模型和稳态集中参数模型。相对集总参数模型来说，分布参数模型的仿真结果精确度更高，但占用的时间更多，收敛速度更慢。无论何种模型，从本质上说都是基于热力学的三个基本方程，即连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程来建模的。张华俊采用步进计算法选取控制体建立了换热器的稳态分布模型[5]。周子良根据质量平衡和热量平衡关系建立了换热器的动态集总参数模型[8]。丁国良等把分体式家用空调器分成压缩机、高压侧（压缩机壳体、冷凝器和输液管）、低压侧（蒸发器、吸气管和储液器）和毛细管共四大模块。由制冷剂的质量和能量守恒方程式就高压侧和低压侧建立了相同的模型，并在开机模型中采用质量引导法，在关机模型中采用能量引导法。王康迪和周兴禧等对制冷剂在换热器中的单相和气液两相区分别建立了稳态分布参数模型。陈芝久等根据制冷剂在换热器中的状态分为过热区、两相区和过冷区，把每区取为一个控制体，建立了换热器的动态分区集中参数模型[6]。不少学者曾研究了换热器的动态分布参数模型，他们所建立的单相区模型都相同，只是两相区的模型有所不同。葛云亭等根据两相区质量流速的不同所出现的雾状流、环状流及波状流三种流型，建立了两相区的三种不同的动态分布参数模型，它是各种模型中较为详细的模型，也是目前广泛被采用的模型。周兴禧和阴建民等假设换热器的两相区为均相流建立了两相区模型，其实就是葛云亭的雾状流模型。制冷系统仿真技术的最终目的是转向实用化，指导产品的研制和生产。丁国良等从生产实际出发，针对春兰窗式空调器建立了换热器的集总参数模型，该模型简单但需要进行大量的专门化的实验。
制冷剂的充灌量模型：制冷剂的充灌量直接影响整个系统运行的经济性和可靠性。充灌量过少，蒸发器的传热面积不能充分利用，蒸发器出口过热度和压缩机的吸气比容增加，系统的循环流量和制冷量下降；充灌量过多，可能造成冷凝器集液，减少有效传热面积，冷凝温度升高，压缩比增大，导致压缩机功耗增加，制冷系数下降。已有不少学者从实验角度对系统充注量进行了优化研究。采用实验方法确定充注量工作量大，精确度低，因而学者们研究充注量的理论计算及优化方法。制冷剂充注量的计算包括单相区和两相区的制冷剂质量的计算。两相区制冷剂质量的确定是制冷系统充注量研究的关键。两相区质量的确定必须研究空泡系数模型。常用的空泡系数模型有四种即均相模型、滑移比模型、Xtt修正模型和考虑质流率的模型，这些模型都是经验模型，并不能指出哪一种模型是准确的，还得通过实验来对这些模型不断修正，可惜国内研究者对这一方面的工作开展得太少。丁国良等研究了HFC134a和HFC152a的充注量得出结论是Tandon模型较适合于HFC134a，Hughmark模型较适合于HFC152a。
制冷剂的热物性模型：制冷剂是制冷系统的血液，制冷工质的热物性将对仿真结果有重要影响，由于工质热物性程序在仿真中有成千上万次被调用，如何使制冷工质的热物性模型误差更小同时又不使仿真时间太长，这是制冷系统仿真须解决的问题。除张春路等提出了制冷工质的隐式拟合模型及碳氢制冷工质的快速计算模型[28—30]外，其它有关制冷剂热力学简化模型研究很少见到。
系统模型及算法：系统算法大致可以分为两类。一种方法是采用一般的解线性方程组的方法，将所有的方程和初边值条件整理成可以套用某一经典方法的格式，然后就直接求解、等待结果。常用的经典方法有牛顿－拉弗森法、龙格－库塔法等。这些求解还可基于通用的求解器，如EES和MATLAB等。这种算法不要求使用这具有很高的算法设计水平和编程能力。这种方法的最大缺陷就是无法保证技术的绝对稳定性，计算过程物理意义不明，而且难以获得明确的计算过程信息以解决计算工程中的问题。
另一种方法就是根据实际对象的模块构成及其相互的物理关系，以一定的顺序构建系统算法。这一方式中的迭代算法应该尽可能的简单明了（通常采用二分法），以便于研究者根据计算过程信息师兄对计算过程的控制，从而可以分析程序出错额原因，并有效地避免出错，提高编程效率。这种方法地构建过程和编程要依靠研究者自己解决，因此需要对于研究对象特性有较深的了解，同时具备较强的算法设计水平和编程能力。这种方法有一定难度，但是对于提高研究的效率和仿真软件的实用化很有必要。
对于单级压缩制冷系统，标准算法有四重迭代；迭代变量的选用遵循数量和迭代判据相等，从部件模型的输入状态参数选取这两个准则；而迭代判据是制冷剂制冷流量守恒。实际仿真算法中，通过将最内层迭代结果直接带入下层，我们可以将标准算法压缩成三重迭代。
对于两级压缩式制冷系统或者更加复杂的系统，虽然对象更加复杂，但是算法思路与上类似，迭代判据的确定，迭代变量的选取和算法流程的社军也遵循同样的基本准则。
上海交通大学、清华、西安交通等单位先后推出了窗式空调、分体空调以及变频空调的仿真与优化设计软件，对变频空调系统进行研究，并通过仿真的方法研究对采用电子膨胀阀与毛细管作为节流装置的系统进行了研究与优化设计，取得了很好的效果。
上海交通大学在房间空调器的仿真上取得了骄人的成绩，他们开发出了一系列相关软件，并且在国内外知名企业得到了应用，取得了良好的实际效果。
“房间空调器智能仿真技术研究”项目是上海交大和春兰公司的合作开发项目，该项目中的集成建模研究部分还是国家重点基础研究规划项目（973项目）“高效节能的关键科学问题”子课题“能量利用系统的稳态与动态特性”的研究任务之一。上海交大制冷与低温技术研究所负责项目中的试验方案制定和软件源程序的编制工作，春兰电器研究所负责试验工作的具体安排和数据处理、整理及软件应用工作。目前该项目已完成了制冷系统的仿真软件开发工作，其中包括冷凝器软件、蒸发器软件、压缩机软件、毛细管软件，以及窗机系统仿真软件和挂壁机系统仿真软件。现该项目成果在春兰集团得到实际应用，取得了良好的效果。专家门认为该软件技术基于WINDOWS平台，操作方便，界面美观，功能配置合理；该软件可以模拟窗式和分体挂壁式空调器在不同工况、结构、充注量等情况下的主要性能，包括制冷量/制热量、功耗、COP、出风温度，并能进行各主要参数的趋势分析；该软件也可以对空调器部件在不同工况、结构下的性能进行仿真，具有很强的实用性。专家们建议今后进一步将该技术推广应用到更多的企业，以帮助解决和改进空调器产品的设计手段，缩短产品的开发周期，并实现由传统型向数据化设计方向转变，不断提高企业的设计能力和竞争力。
另外，上海交通大学和日本富士通的合作项目"换热器仿真软件"是上海交通大学利用其世界先进的仿真技术所开发的新软件。换热器的管道的直径、材质、以及制冷剂的种类等均可自由改变，无需多次试制样机，只需在电脑上简便地进行开发设计。过去，产品设计的主要方法是通过样机长时间运行试验来测定换热量。富士通将军空调技术研究所所长稻垣雄史博士称，通过使用新软件，可使设计工作在数分钟之内完成。
清华大学开发出国内第一套用于人工环境系统控制的分布式
计算机系统，目前已发展成为国内此领域唯一的国产系列化产品。已成功应用于二百多个大中型商厦和工业生产的环境控制系统中，并出口国外。该系统为国家级新产品并获国家火炬计划优秀奖。目前年产值已达六千万元，累计产值超过三亿。结合此系统开发，江亿于84年主持建成国际上第一个空调实时仿真系统，完成一系列优化节能控制研究,提出故障在线诊断的FDS方法,95年在IEA Annex 25组织的故障诊断竞赛中，FDS法均以100％正确获第一名（第二名正确率为4/7)。和上述成果，江亿主持完成了人民大会堂，中央气象局，故宫博物院，毛主席纪念堂，怀仁堂等重点项目的
计算机控制管理工程。建立了国际上最早投入实用的用于开发空调自控系统的空调系统实时仿真装置ACES(1984年完成第一版本，1989年完成第二版本)。该仿真装置用于清华人工环境工程公司的空调系统控制装置的开发研究中。参加了国际能源组织的第21项子课题：建筑热模拟(IEA Annex 21: Building thermal simulation, 1990-1992)和第25项子课题：暖通空调系统实时仿真用于建筑优化和故障诊断 (IEA Annex 25: HVAC system real-time simulation for building optimization and fault diagnosis and detection, 1992-1993)，对目前国际上广泛应用的建筑与空调系统动态模拟软件HVACSIM+和TRNSYS进行了重大改进，并成功用于IEA Annex25课题的故障模拟中。
西安交大对于在压缩机性能分析和技术改进有雄厚的基础，凭借其热工基础研究的积累，对于各种类型的换热器的换热机理也有深入的研究。相关的研究成果很多，其中，类环状流微膜蒸发板翅式冷凝蒸发技术获得国家科学技术发明奖二等奖。另外还有运用智能毛细管的"一拖二"分体式房间空调器，沸腾管内汽液两相流流动不稳定性及脉动规律研究等。
国际上制冷系统总的发展趋势主要有以下几点：
第一个趋势是研究对象的不断扩展。由于长期以来蒸气压缩式制冷装置一直是制冷空调装置的主流，所以制冷空调装置的仿真研究也集中于蒸气压缩式制冷装置。CFCs替代工质研究的开展和节能意思的增强，制冷空调装置的发展呈现出前所未有的多元化趋势。首先采用新的环保工质的蒸气压缩式制冷机依靠传统优势，仍然占据者市场主要份额。其次，由于吸收式制冷机的经济性已经可以和蒸气压缩式制冷机相比，成为大容量机组中重要力量，同时也向着小型化的方向发展。再次，吸附式制冷与半导体制冷等经济性虽然较差，但凭借各自在不同场合的优势，也正处于快速的发展中。在这个发展过程中，研究者都不约而同的选取
计算机仿真作为改进现有机型和开发新型机型的重要技术手段。因此，从
计算机仿真研究的角度看，研究对象在扩展。并且由于仿真对象具体运行方式和部件结构所存在的显著差别，使得仿真难度的差异很大，所以，仿真必须在通用性与复杂性、精确性的矛盾之间寻找平衡点。
第二个趋势是研究方法在不断更新，学科交叉的特征越来越明显。传统研究方法虽然获得了巨大的成功，然而同时也在许多实际问题面前遇到了很大的障碍。研究人员发现要解决这些问题，必须走交叉学科的道路。20世纪90年代，随着人工智能技术的发展，人们自然而然就希望引入人工智能技术增强仿真的能力。其运用方向有如下方式，1引入知识表述及处理技术以扩大模型中知识描述的能力；2在建模、仿真实验设计、处理及仿真结果分析等阶段引入专家知识和推理，以辅佐一般用户作出各种决策；3辅助模型的修正及维护；4引入自动推理与解释机制。上述方式将使常规仿真走向智能仿真。
第三个趋势是相关的机理研究为仿真技术的成熟和仿真精度的提高提供了良好的基础。作为预测实际空调制冷装置性能的仿真技术，其研究的目标并不是相关的机理模型和基础数据，而是基于机理模型和基础数据之上的应用。因此，机理研究也是推动仿真技术发展的重要因素。其中，流动、传热、传质、制冷剂物性计算、人工智能和软件开发等方面的基础研究构成了制冷系统仿真技术发展的主要推动力。
我国的制冷仿真技术发展相对较晚，但是总的来说，国内研究者们从事制冷系统仿真工作也已有二十年的历史，并且取得不少研究成果，但与国外相比仍然存在相当的差距，比如说国外对部分负荷条件下的空调器的仿真进行了大量研究[1]，已开发出对各种小型制冷系统均通用的应用软件。我国制冷系统仿真研究前景可以从以下几个角度来进行概括：
第一，仿真方法在传统的数值仿真方法的基础上，开始引入智能仿真方法；
第二，仿真过程从稳态到动态过程；
第三，仿真对象从冰箱、空调器到热泵和变频空调器；
第四，仿真中所用制冷工质从CFC12、HCFC22、HFC134a到天然工质HC600a及HC744等；
第五，从现有产品的仿真到未来产品的优化设计；
第六，从理论研究开始转向实用化研究。
亟待解决的问题：
1) 对系统部分负荷下运行进行研究对深入研究系统的性能非常重要。研究者们几乎对所有的小型制冷系统稳态工况都进行了仿真研究，但系统很多情况下是在非稳态工况工作，目前国内的非稳态研究仅针对压缩机开停过程，尚未发现系统在部分负荷下的仿真研究。
2) 为了缩短收敛时间，加快收敛速度，若对制冷剂热物性和制冷系统采用过于简化的仿真模型，这将难于反映出系统的真实工作特性，影响仿真的精确度，这样的模型用于理论研究是不可取的；进行理论研究时，应尽量建立完整的数学模型，随着
计算机内存量的加大和CPU速度的加快，可能解决收敛时间过长的问题。当然将理论研究成果转化为实际应用时，可将模型作适当的转化，并通过试验验证其可行性，以推广其实用性。
3) 目前仿真中针对的工质还比较单一化。所做的研究绝大部分是对采用R22和R134a替代工质的设备进行的，今后应更多开展对用R600a、R744自然工质和非共沸替代工质设备的研究工作。
4) 在当前所做的仿真中，没有考虑润滑剂对制冷剂的热物性和制冷量的影响，而这种影响是不可忽略的。
5) 两相流区的模型是制冷系统仿真效果的关键。在冷凝器、蒸发器和毛细管中均存在两相区。两相流属于多相流，关于多相流的理论尚不成熟，所建立的模型在很大程度上是经验模型，而且关于毛细管的非稳态区也缺乏研究，只有完善这些理论才能真正提高仿真的精度。
6) 对于制冷空调装置动态模型的研究还很欠缺。对于制冷系统而言，在扰动对于制冷空调装置的影响直接反映的制冷系统的性能和我们的发展需求。对于动态特性的研究还远不够深入。
7) 仿真程序的实用化进程。
