我國暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)應(yīng)用綜述

1、56 制冷與空調(diào) 2003年第4期我國暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)應(yīng)用綜述鄭海云，葉金元，丁力行【摘要】 本文分析了計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國暖通空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算、自動(dòng)控制、系統(tǒng)模擬等方面應(yīng)用，并介紹我國暖通空調(diào)的發(fā)展概況和因特網(wǎng)技術(shù)對(duì)我國暖通空調(diào)的影響?！娟P(guān)鍵詞】 暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀（柳州鐵路局客運(yùn)公司南寧裝備部；中南大學(xué)制冷空調(diào)研究所）Exploration of computer application in Chinas HVAC industryheng Haiyun1 Ye Jinyuan2 Ding Lining2( 1 Nanning Equipment Department of Liuzhou R

2、ailway Passenger Transport Co. ，5300012Institute of Refrigeration and Air-conditioning，Central South University， 410075)【Abstract】 This paper summarises the use of computer technology in HVAC design,control,simulation et., presents the development of HVAC CAD,and outlines the effct of Internet techn

3、ology on Chinas HVAC industry. 【Key words】 HVAC, computer application, actuality、引言計(jì)算機(jī)技術(shù)作為人類新技術(shù)革命的重要標(biāo)志，已經(jīng)廣泛深入到各個(gè)學(xué)科研究領(lǐng)域和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)技術(shù)自六十年代初開始應(yīng)用于暖通空調(diào)實(shí)際工作中。 我國暖通空調(diào)行業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)約滯后國外10年，但發(fā)展迅速，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)在我國暖通工程設(shè)計(jì)計(jì)算、自動(dòng)化控制、系統(tǒng)模擬等方面得到廣泛應(yīng)用，并且暖通CAD集成化研究工作和基于因特網(wǎng)的暖通空調(diào)計(jì)算機(jī)技術(shù)都取得長(zhǎng)足進(jìn)步。、計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國暖通空調(diào)中的應(yīng)用空調(diào)工程設(shè)計(jì)計(jì)算空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法常用的空調(diào)負(fù)荷

4、計(jì)算方法有估算法、詳細(xì)計(jì)算方法和空調(diào)負(fù)荷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算法1等。估算法又可分為簡(jiǎn)單估算法、度日法、全負(fù)荷當(dāng)量運(yùn)行小時(shí)數(shù)法、溫頻法、焓頻法、當(dāng)量峰值小時(shí)數(shù)法等。估算法是在一定條件下對(duì)空調(diào)負(fù)荷的大致估計(jì)，對(duì)于不同類型不同形狀的建筑物所計(jì)算的結(jié)果就可能大相徑庭。例如，很多商用空調(diào)軟件計(jì)算負(fù)荷采用平米指標(biāo)估算的方法，而不考慮建筑的實(shí)際結(jié)構(gòu)，如：窗墻比、墻地比等因素。【】詳細(xì)計(jì)算方法主要有傳遞函數(shù)法和諧波反應(yīng)法，其計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，但這兩種計(jì)算方法在建模和推導(dǎo)過程中存在一些缺陷，如：它們均以典型房間為研究對(duì)象，而對(duì)于非典型房間，則選擇某個(gè)特征指標(biāo)作插值計(jì)算；計(jì)算墻體傳熱采用一維或二維微分方程，而實(shí)際上計(jì)算墻

5、體傳熱應(yīng)該用三維微分方程。這些顯然都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的誤差。目前我國有不少暖通空調(diào)專業(yè)人員正對(duì)提高詳細(xì)計(jì)算方法的計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行研究?？照{(diào)負(fù)荷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷計(jì)算的一種新的計(jì)算方法。這種計(jì)算方法通過建立復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并編制相應(yīng)的計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)人的直覺思維的模擬。其實(shí)際應(yīng)用過程為：用戶輸入必要的參數(shù)以后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中間層（或稱隱層）自動(dòng)根據(jù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練得出的規(guī)律產(chǎn)生一定的輸出。這種計(jì)算方法具有計(jì)算模型更合理、輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果客觀性強(qiáng)、輸出結(jié)果不必修正等優(yōu)點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在60年代初開始應(yīng)用于HVAC冷熱負(fù)荷計(jì)算中。當(dāng)時(shí)的計(jì)算程序特

6、點(diǎn)是當(dāng)已知條件（輸入）確定時(shí)，其結(jié)果（輸出）是唯一確定的，這是由于這類計(jì)算程序是按原有的手算過程鄭海云，男，年月出生，助理工程師，柳州鐵路局客運(yùn)公司南寧裝備部2003年第4期 制冷與空調(diào) 57原封不動(dòng)地編制而成。這樣的計(jì)算程序在本質(zhì)上與原來的手算并無多大區(qū)別，并未真正體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是反應(yīng)系數(shù)法的出現(xiàn)并奠定了新的傳遞函數(shù)理論的基礎(chǔ)，從此改變了過去單純模擬設(shè)計(jì)過程的狀況，開創(chuàng)了計(jì)算動(dòng)態(tài)傳熱過程的新局面。這之后，開始通過建立精確的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)建筑熱過程的詳細(xì)計(jì)算模擬，并建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。這種建立在新的計(jì)算方法基礎(chǔ)上的詳細(xì)計(jì)算機(jī)模擬程序和過去按手算過程編制的計(jì)算程

7、序有著本質(zhì)上的不同，它可以按照建筑熱過程的本來面貌建立數(shù)學(xué)模型，把過去難以考慮的是內(nèi)外各種因素和相互作用等作為一個(gè)整體來進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種新的方法體系，具有分布并行處理、非線性映射、自適應(yīng)學(xué)習(xí)和魯棒容錯(cuò)等特性，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模式識(shí)別、控制優(yōu)化、智能信息處理以及故障診斷等方面都有廣泛的應(yīng)用。近年來，我國暖通空調(diào)從業(yè)人員開始對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于空調(diào)負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行研究。 2.2 空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制暖通空調(diào)自動(dòng)控制是對(duì)空氣處理設(shè)備、冷源、熱源進(jìn)行控制，使其實(shí)際輸出量與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)。它具有節(jié)約能源、創(chuàng)造舒適的生活和工作環(huán)境、創(chuàng)造安全可靠的生產(chǎn)條件等功能。由于暖通空調(diào)自動(dòng)控制具有很高的收益回報(bào)

8、率，使得當(dāng)前業(yè)主決策者愿意投資于暖通空調(diào)自動(dòng)控制。 系統(tǒng)采用自動(dòng)控制的意義【】采用自動(dòng)控制能使HVAC系統(tǒng)以最低限度的能耗來最大程度地滿足人的舒適感和室內(nèi)空氣品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其具有的重要意義如下：能使HVAC系統(tǒng)保持合理的送風(fēng)量和送風(fēng)溫度，并能停止或限制再熱裝置的使用?？梢愿鶕?jù)室外氣候狀況確定設(shè)備的最佳啟停時(shí)間。能控制系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警。通過監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣品質(zhì)，保持空調(diào)房間的空氣滿足人體衛(wèi)生要求?？梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)HVAC系統(tǒng)的有效控制和管理。系統(tǒng)自動(dòng)控制方式暖通空調(diào)自動(dòng)控制從控制方式上可分為以下兩種：第一種：模擬儀表自動(dòng)控制。這種控制方式是早期發(fā)展起來的，是利用反饋控制原理組成的

9、閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了從單回路控制到多回路控制的發(fā)展過程。這種控制方式盡管有一定的優(yōu)點(diǎn)，但由于采用的模擬儀表無法滿足現(xiàn)代建筑物自動(dòng)化的要求，使其在應(yīng)用上有局限性。第二種：微型計(jì)算機(jī)控制，這是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)及圖像技術(shù)的發(fā)展而得到越來越廣泛應(yīng)用的控制方式。微型計(jì)算機(jī)控制的應(yīng)用方式有如下三種：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、直接數(shù)字控制（Direct Digital Control,簡(jiǎn)寫為DDC）、集散型系統(tǒng)（Total Distributed System, 簡(jiǎn)寫為TDS）。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理是對(duì)大量的生產(chǎn)過程參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和整理，數(shù)據(jù)超限報(bào)警以及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)

10、行積累和分析。DDC是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)、不借助模擬儀表而將系統(tǒng)中的傳感器或變送器的輸出，輸入到微型計(jì)算機(jī)中，經(jīng)微機(jī)計(jì)算后直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的控制方式。TDS是以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，它由中央站、分站、現(xiàn)場(chǎng)傳感器與執(zhí)行器三個(gè)基本層次組成，中央站和分站之間、各分站之間，通過數(shù)據(jù)通信通道直接連接起來。TDS的控制功能盡可能分散，管理功能相對(duì)集中，提高了控制系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)也更加靈活，布局也更加合理，組態(tài)方便，系統(tǒng)成本也有所降低，我國國家標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T16-92規(guī)定BAS（Building Automation System）必須采用集散型系統(tǒng)。當(dāng)前，我國暖通空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制在參數(shù)檢測(cè)與修改、監(jiān)控設(shè)備

11、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝調(diào)試、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝調(diào)試等方面仍存在問題，需要暖通空調(diào)從業(yè)人員進(jìn)一步解決。 2.3 空調(diào)系統(tǒng)模擬計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析方法與實(shí)驗(yàn)室研究相輔相成，成為一種重要的科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)手段。以建筑空間為對(duì)象的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬（系統(tǒng)模擬），根據(jù)解析的著眼點(diǎn)不同分為時(shí)間變動(dòng)特性解析和空間分布解析，前者一般用于熱負(fù)荷預(yù)測(cè)解析，后者用于氣流分布、溫濕度、氣體濃度分布的解析,如CFD技術(shù)【3】。58 制冷與空調(diào) 2003年第4期系統(tǒng)熱負(fù)荷模擬在流體力學(xué)工程力學(xué)和熱學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法已日臻成熟，但在暖通空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬還剛剛起步。利用計(jì)算機(jī)模擬方法可對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)

12、態(tài)模擬，完成熱負(fù)荷計(jì)算、設(shè)備選擇、能耗分析、方案選擇、優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作。目前已編制出一些計(jì)算機(jī)程序用于模擬相關(guān)的空調(diào)系統(tǒng)，例如：通過建立壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、冷卻塔、表冷器等設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的計(jì)算子程序，把各子程序按實(shí)際系統(tǒng)的組成方式連接起來，完成蓄冷空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬、方案選擇等設(shè)計(jì)工作。恒、能量守恒等聯(lián)立偏微分方程）作離散化處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)值解析。常見的HVAC設(shè)計(jì)中的流體解析問題是紊流問題。利用CFD技術(shù)可以對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)形成的速度、溫度、濕度以及有害物濃度場(chǎng)等進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，有利于建筑節(jié)能、提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和合理選擇空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計(jì)方案。國外從70年代開始在應(yīng)用CFD技術(shù)預(yù)測(cè)

13、室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)方面進(jìn)行研究，至今，CFD技術(shù)在不同程度上被用于HVAC工程設(shè)計(jì)和開發(fā)研究等項(xiàng)目中，我國由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面的原因，CFD技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面與國際先進(jìn)水平還有較大的計(jì)算流體力學(xué)差距。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中CFD解析物理對(duì)象HVAC系統(tǒng)的舒適性和節(jié)能性是HVAC設(shè)計(jì)以強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流和通風(fēng)換氣為主，而對(duì)室中的兩個(gè)基本課題，計(jì)算流體力學(xué)（Computational 內(nèi)空氣品質(zhì)等方面的解析應(yīng)用不多見；紊流模型Fluid Dynamics，以下簡(jiǎn)稱CFD）技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)解以標(biāo)準(zhǔn)k-模型或其變形居多；解析坐標(biāo)以直線決這兩個(gè)課題有巨大作用。CFD技術(shù)通過對(duì)描述坐標(biāo)居多。HVAC設(shè)計(jì)中CFD應(yīng)用的

14、流程模式如流體物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)方程式（運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量守圖所示。圖應(yīng)用流程模式例、如何處理輻射換熱對(duì)流動(dòng)的影響、如何對(duì)CFD關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫作進(jìn)一步的統(tǒng)一，以及當(dāng)計(jì)算區(qū)域或物體幾何形狀不規(guī)則、難以收斂時(shí)如何處理等?！?】24 集成化暖通空調(diào)CAD國內(nèi)外自80年代開始在繪圖軟件基礎(chǔ)上引入部分計(jì)算功能，并探討軟件的用戶交互式輸入、軟件內(nèi)部圖形文件與計(jì)算文件之間的數(shù)據(jù)傳遞以及暖通空調(diào)專業(yè)利用建筑條件等功能，繼而開始向集成化的暖通空調(diào)CAD系統(tǒng)過渡 集成化暖通的提出暖通空調(diào)CAD技術(shù)提出集成化主要基于以下三點(diǎn)原因：傳統(tǒng)模擬分析軟件可應(yīng)用性差。其原因是傳統(tǒng)模擬分析軟件通常需準(zhǔn)備和輸入大量的數(shù)據(jù)，使用不方便；房間

15、換氣次數(shù)、窗簾遮陽系數(shù)、初始條件、邊界條件等的選取具有不確定性，容易造成計(jì)算結(jié)果不可信；軟件通用性不夠，遇到特殊的空調(diào)系統(tǒng)無法處理。CAD技術(shù)發(fā)展的要求。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，如何充分利用已有的設(shè)計(jì)圖形信息的問題計(jì)算網(wǎng)格分割類型有直線型網(wǎng)格、曲線型網(wǎng)格、塊型網(wǎng)格（block-structured grids）和非構(gòu)造型網(wǎng)格等。邊界條件主要有室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷（包括墻面的傳熱），送、回風(fēng)口的設(shè)置，吹出、吸入條件等。邊界條件設(shè)定的妥善與否極大的影響CFD的解析正確性、效率及精度，因此在確定邊界條件時(shí)應(yīng)作準(zhǔn)確分析。當(dāng)前應(yīng)用CFD技術(shù)解決室內(nèi)空氣流動(dòng)存在一些問題，比如：目前工程應(yīng)用中主要還是采用紊流模型，其

16、中最常采用的是兩方程模型或其變形。而k-模型存在很大的缺陷，即沒有考慮流體密度差產(chǎn)生的質(zhì)量力項(xiàng)，不能較好的解決非等溫送風(fēng)這種混合對(duì)流以及其他混合對(duì)流或者自然對(duì)流等流動(dòng)形式。故采用標(biāo)準(zhǔn)的k-模型勢(shì)必導(dǎo)致很大的誤差，而k-模型的變形，如低雷諾數(shù)k-模型可以取得較好的精度，但是其計(jì)算量以相當(dāng)于復(fù)雜二階封閉模型或大渦模擬的計(jì)算量，無法為工程應(yīng)用所接受。其他問題如：風(fēng)口入流邊界條件的描述、如何定義室內(nèi)熱源的對(duì)流、輻射比2003年第4期 制冷與空調(diào) 59逐漸被人們重視，促使人們研究將計(jì)算機(jī)繪圖與計(jì)算機(jī)分析計(jì)算結(jié)合起來。信息處理技術(shù)發(fā)展的需要。信息處理技術(shù)的發(fā)展提出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的問題，制定標(biāo)準(zhǔn)的通用數(shù)據(jù)

17、結(jié)構(gòu)對(duì)于HVAC設(shè)計(jì)過程中信息的相互利用至關(guān)重要。集成化暖通空調(diào)的研究狀況目前，開發(fā)集成化系統(tǒng)面臨的問題主要有兩個(gè)：數(shù)據(jù)傳輸問題和知識(shí)庫的開發(fā)。數(shù)據(jù)傳輸問題實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)問題。目前出現(xiàn)的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè)，如：格式、標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)等，但尚未出現(xiàn)國際統(tǒng)一使用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。提供的文件交換格式存在描述復(fù)雜實(shí)體困難及文件內(nèi)存占用量大等缺點(diǎn)，無法成為通用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。年出現(xiàn)的圖形數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（）在系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)越來越復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳遞越來越頻繁的情況下已不能滿足要求。當(dāng)前最有可能成為國際通行的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)是，是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在制定的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，雖然目前還不成熟，但多數(shù)專家認(rèn)為成為唯一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)是

18、必然趨勢(shì)。知識(shí)庫可用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)的取值、再處理、數(shù)據(jù)的流向、數(shù)據(jù)結(jié)果的解釋、分析等。一個(gè)功能強(qiáng)大的知識(shí)庫的建立是開發(fā)專家系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，也是集成化暖通空調(diào)CAD實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。目前，知識(shí)庫開發(fā)研究需解決的問題有：知識(shí)的來源和獲取途徑，即如何提供友好的界面接收專家所表述的知識(shí)以及采用怎樣的表述方式；知識(shí)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的表達(dá)方式；知識(shí)的可執(zhí)行性，開發(fā)知識(shí)庫時(shí)，應(yīng)將知識(shí)表達(dá)和可執(zhí)行型放在一起考慮，既要保證知識(shí)表達(dá)的準(zhǔn)確唯一，又要考慮知識(shí)為計(jì)算機(jī)所理解和推理。 2.5 因特網(wǎng)技術(shù)與暖通空調(diào)因特網(wǎng)技術(shù)對(duì)暖通空調(diào)發(fā)展的影響是很廣泛的【5】，本文僅在以下三方面進(jìn)行介紹：信息的交互與共享在互聯(lián)網(wǎng)上，使用搜索引擎可以方便地找到所需的資料，并且可以將資料下載保存；用戶可以通過專業(yè)網(wǎng)站自由發(fā)表學(xué)術(shù)觀點(diǎn)或向?qū)＜艺?qǐng)教學(xué)術(shù)問題；可以利用專業(yè)網(wǎng)站提供的設(shè)備數(shù)據(jù)庫、在線設(shè)計(jì)計(jì)算軟件等工具完成暖通空調(diào)設(shè)計(jì)工作。工程項(xiàng)目管理和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理與控制因特網(wǎng)可以克服空間距離給工程項(xiàng)目管理帶來的困難。從工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工、竣工，工程的相關(guān)人員都可以通過因特網(wǎng)及時(shí)獲得信息，并及時(shí)解決問題，從而提高工程項(xiàng)目管理效率、節(jié)省人力物力。通過因特網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理與控制，由此，用戶、設(shè)備制造企業(yè)與暖通空調(diào)