TUHVAC：集成化的空调设计分析环境

TUHVAC: an integrate development environment for
HVAC design and analysis

1 TUHVAC的设计思想
　　目前世界上已出现多种版本的暖通空调CAD软件，这些CAD软件多数还只是一个绘图工具，用来提高工作人员的工作效率，仅有少数软件将一些设计计算与绘图相结合。然而真正意义上的CAD概念是计算机辅助设计，也就是使计算机在方案确定、设备选择、设计计算、材料统计、价格概算及工程绘图等各方面全面地为设计人员服务，从而真正提高设计质量和工作效率。由此看来，一个完整的CAD系统应具有三方面的功能；
　　①数据库、知识库功能。能够存储各类设备信息（相当于设备手册）、设计参数（相当于设计手册）及国家标准（相当于规范）。设计人员能够方便地检索和使用这些信息。
　　②计算功能。能够做多种计算分析以适应不同阶段的设计要求。如系统参与能耗估算（用于制定初步设计方案）、设备选择计算、风道水管设计计算、系统全年模拟分析、（以验证系统性能并对系统作全面评价）、成本与运行费用分析计算、动态模拟计算（以确定控制方案）等。
　　③绘图功能。包括从初始阶段系统图的绘制到最终阶段的施工图绘制。
　　对于如上要求的三方面功能，均有相应的软件可满足要求。例如相当多的数据库程序可用于信息的存储和检索；BTP可用于上述一些方案的设计计算；TRNSYS和HVACSIM₊可用于全年模拟或动态计算；各种CAD工具则可用于工程图绘制。然而，实际调查却发现，无论是在国内还是美、日和欧洲的发达国家，数据库和设计分析软件都很少用于实际的空调工程设计。究其原因，可以发现目前的软件存在如下一些问题：
　　①集成度不够，软件是联系差。数据库检索的信息不能直接被计算程序所应用，计算程序所得的结果不能直接被绘图工具利用。
　　②就单一的计算过程来说，不同的程序仅能作某一种分析计算，而要完成上述各种分析就必须使用不同的程序，准备大量的数据文件，这是一项乏味、重复而且容易出错的工作。
　　③设备参数性能缺乏标准的描述方式。软件中所用的设备描述方式与设备厂家所提供的性能描述方式往往不一致，需要程序使用者去做数据转换。这需要很大的工作量，有时是不切实际的。
　　④软件界面简陋，极不好用。设计者如果不对软件本身作详细的了解，就难以准确地知道其输入输出的实际意义。设计人员为了能够利用这些软件解决设计中的实际问题而不得不花大量的时间精力去弄懂每一个软件。作为软件的使用者，并不愿意受软件的驱使，而希望作软件的主人。一个好的软件应该从使用者处理要求很少而为使用者提供最大的帮助，应服从于用户而并非让用户服从它，这应是新一代软件的主要设计思想。
　　正是基于这样的设计思想，清华大学开发研制了TUHVAC系统，用于暖通空调系统设计、分析和评价。

2 TUHVAC的总体结构
　　TUHVAC系统融合了数据库技术和模型求解理论，图1是TUHVAC总体结构图。它包含三个大的部分：用户图形界面（Graphic User Interface）、数据库及系统描述（Database && System Description）和求解器（TUSimulator）。

　　　　　　　　　　图1 TUHVAC总体结构图

　　系统运行时，用户利用图形界面描述空调系统，综合利用数据库中设备库（CL）和知识库（BKD）的信息，描述计算要求（SRF）并定义控制系统（CDF），从而生成该系统的描述文件（SDF），求解器根据SDF、SRF和CDF的信息，必要时还需要气象数据（WD）进行综合求解，并按输出数据格式（CRF）输出求解结果。
　　整个过程中使用者的工作量很小，只需通过GUI描述系统（这一过程也仅是一些选择过程），其他信息如设备库、知识库均是以自然语言写成，使用者理解起来没有任何困难，无需对软件本身有太多的了解。由于用户自己定义计算要求、控制方案和输出格式，能够清楚地知道计算机在干什么，自己可以从中得到什么，从而真正成为软件的主人。
　　2．1 知识库（BKD）
　　知识库是专家系统中储存空调基本知识、设计经验、评价标准以及国家规范的通用数据库。其中包括流体介质如空气、水和R22的一些状态参数，i-d图的有关知识，不同量纲系统之间的互换关系，设计用的一些经验数据，系统运行优劣的评价标准等。知识库具有可扩充性，随着系统的完善和用户的增添而不断完备起来。

　　2．2 计算要求文件（SRF）
　　用户在SRF中定义分析计算的要求，即用户让求解程序作何种计算分析，并且定义相应的计算要求，例如可以有以下的计算种类：①已知出、入口状态，求设备容量；②已知入口状态和设备性能，预测出口状态；③系统初投资概算；④运行能耗分析；⑤理想控制下逐时模拟；⑥实际控制下动态仿真。还应定义其他信息：输出结果参数、时间步长、计算周期、CDF文件名以及环境信息等。SDF是描述系统的组成，而SRF则是个体定义求解器对SDF作何种计算。对于同一SDF，可以有不同的SRF与不同的计算要求相对应。

　　2．3 控制系统及方案定义（CDF）
　　当对系统进行逐时模拟、动态仿真和能耗分析时，求解器必须知道系统的控制或运行调节方法。这些信息在CDF中定义，例如描述传感器位置、执行器类型、控制方案及算法等。
　　控制算法是由一组很多的IF-THEN格式的规则构成，每条规则表述为：
　　时间间隔 IF 条件 THEN 动作
　　其意义表示每隔一个时间间隔，如果所列条件满足，就执行相应的动作。条件是测量参数的控制变量的逻辑表达式，动作是模拟实际运行的动作，如送值到控制参数或送开关命令到执行器。TUHVAC编译它们后形成控制命令，求解器在模拟仿真时，不断扫描所有规则，搜索出满足条件的控制规则并执行。

　2．4 设备部件库（CL）
　　设备部件库是TUHVAC中存储暖通空调领域中设备部件信息的综合数据库。设备库如同厂家提供的产品样本，包含有产品的详细设计数据如厂家名、结构数据、安装要求和表达设备性能的数学关系式。设备分类组织，每一类设备具有共同的特征，不同特征设备分属于不同的类，这些特征涉及网络中的流体连接、外部接口及能耗种类等。
　　图2为一个设备描述的例子。由该例可以看出，不同于其他软件，TUHVAC将设备的结构数据、输入输出在数与其数学模型放在一起描述，其中每一个参数都有其具体意义。而现有的一些软件如TRNSYS和HVACSIM₊是将两者分开，把数学模型写入一个子程序中，再通过输入文件来给模型中的参数赋值。将参数与模型一起描述可以使用户明白地知道模拟中用到的模型和所需数据，不必像其他软件那样要求用户仔细地理解软件说明书。如果使用者选用不同的模型，完全可以以另一种方式描述而不需改变软件本身，这在其他软件中是很难做到的。因为TUHVAC使用独特的求解技术，可以根据外部描述模型进行相应的求解，提供了最大的灵活性。同时，这种描述方式，能够让不同的设计者共享信息，一个设计得完全可以照样引用别人定义的设备或仅稍加屐，从而极大地减少了工作量。
　　TUHVAC有一套完整的描述语法并提供完备的语法检查，只有描述完备的设备才允许进入设备库中。
　　CLASS: coil
　　TYPE: JW 10 4
　　% 数据来源：空气调节设计手册第六章
　　%厂家：哈尔滨第二空调机厂
　　%输入人：xu
　　%日期：1993.5.18
　　%备注：TUHVAC系统可以将描述文件中使用的工程单位自动变换成法定单位。
　　%参数段定义设备的结构参数。
　　PARAMETER
　　number of row = 4 []
　　air flow rate rang = 6000[M ^ 3 / Hr ]
　　area of heat trans per row = 12.15 [M^ 2]
　　area of facing air = 0.944[M^ 2]
　　area of water flow = 0.00407[M^ 2]
　　struct length = 776 [Mm]
　　struct width = 1030[Mm]
　　struct height= 459 [Mm]
　　area of total out face Sw = 0.453[M^ 2]
　　area of total inter face Sn = 0.036[M^ 2]
　　efficiency of fin Sw sn = 11.9 []
　　efficiency of fin a = 12.25 []
　　total area of heat trans = 48.6[M^ 2]
　　flow unit= 1 [M^ 3 / S]
　　%FUNCTION段描述设备的数学模型
　　FUNCTION
　　Vy = air flowrate / area of facing air %Vy: 空气流速
　　Vw = water flowrate / area of water flow % Vw:水流速
　　%K：传热效率
　　K=1 / （1 / 39.7 * Vy ^ 0.52 * Kc ^ 1.03）+1/(332.6 * Vw*0.80)[W / M^ 2 / C] Vy: [M / S]Kc: [] Eg =( air in tair out t ) / (air in t water in t ) % Eg: 干球温度效率
　　Eo = 1- (air out t - air ts) / (air in t - air in ts)%Io:接触效率
　　Kc = (air in i - air out i) / (air in t - air out t) / c air % Kc:析湿系数
　　B=Kc*c air * air flowrate* r air * K/ area of heat trans per row / number of row % B:传热单元数
　　D = Kc*c air * air flowrate * r air / (c water * water flowrate * r water) %D: 水当量比
　　%以下是经验式
　　Eg =（1- exp(0 - (1-D) / B)）/ (1 - D*exp 0-(1-D) / B))
　　Eg: []D: []B: []
　　(Vy， Eo) = (1.5， 0.845)(2.0， 0.797) (2.5， 0.768) (3.0 ， 0.745)
　　Vy: [M / S]Eo: []
　　Water out t = water in t + air flowrate* (air in t - air out t) / water flowrate
　　water flowrate = open ratio* 40*flow unit
　　% the fllowing segment is resistant of medium air and water
　　air resistant = 42.8* Vy ^ 0.992; Kc&>1 %湿工况
　　 =11.96*Vy ^ 1.72; Kc=1 干工况
　　air resistant: [Pa] Vy: [M/S] Kc:[]
　　water resistant = 12.54* Vw ^ 1.93
　　water resistant: [kPa] Vw:[M / S]
　　% Tmax: 逆流最大温差
　　% Tmin 逆流最小温差
　　% Dt :对数温差
　　Tmax = air out t - water in t
　　Tmin = air in t - water out t
　　Dt= (Tmax - Tmin) / (ln (Tmax) - ln (Tmin))
　　% heat quantity: total heat transfer between air and water in the coil
　　heat quantity= K * total area of heat trans * Dt
　　EXTERNAL
　　Open ratio: [ ]
　　NOTE
　　JW10 4是JW型空调器的一个构件，为钢管绕铝片肋管，能省用有色金属
　　本表冷器是4排，左式，介质为水
　　% the end of coil - jw 10 4 definition
　　
　　2．5 系统描述
　　TUHVAC中，描述空调系统的一般过程是：利用图形界面，从设备库中选择设备，并用风、水等流体网络连接它们形成系统，在此系统基础上定义控制系统和环境参数。系统图形形成的同时，系统描述文件SDF亦同时形成，它是由系统中所选用的各个设备的描述文件以及各设备之间连接关系的定义所组成。系统的全部信息由它唯一描述，以后的模拟分析都将以它作为基础。由于SDF是由类似自然语言的形式构成的文件，因此它还可以作为技术文档，供以后查看。

3 模型求解器（ TUSimulator）
　　求解器是TUHVAC的核心，它是一个通用程序，能够根据SDF、CFD、SRF中的信息自动求解计算。在求解器当中，不包括任何特定设备的特定数学模型，计算所需的模型和数据都由外部文件描述。用户可以改变SDF的数学模型，再运行求解程序，即可完成相应数学模型的计算，这是TUHVAC 的显著特征。求解器是求解空调系统的通用计算程序，能够求解非线性方程组。除算法外，求解器内具有的知识仅有物性参数、流体网络基本规律及能量守恒定律。
　　求解器求解模型的步骤是：
　　①读入SDF文件设备定义，根据SRF中已知参数搜索相关方程，对每一个设备产生一组非线性方程组。
　　②从SDF中搜索网络信息，得到网络拓扑结构和计算网络中各支路阻力系统数的方法，进而对整个网络求解，得到各支路流量。
　　③产生整个系统的热平衡方程，对各设备出入口介质状态进行联立求解。
　　 根据如上功能，求解器即能根据SRF文件中定义的所要分析问题的书籍量求解各种未知参数，自动地进行工程设计中设备选择、状态预测、能耗分析、动态模拟等各种分析计算。

4 未来开发计算
　　TUHVAC已初步开发完成。知识库、设备库和图形界面都已完成，并且能进行少数类型的空调系统分析。计算将TUHVAC开发成开放式的集成环境，综合容纳先进的设计经验和优秀的系统设计，增强现有的知识库和设备库的功能，并应用AI技术为用户提供设计和指导参考。

5 结语
　　TUHVAC系统的第一版已用于模拟不同控制方案下的空调系统运行性能，运行良好，令人鼓舞。
　　与其它软件相比，TUHVAC的独特之处有：
　　①空调系统设备的数学模型所用数据均以自然语言和数据常规式描述，置于一个统一的文件中。该文件包含所有信息，既是计算分析的源，又可作为空调系统的技术文档。
　　②TUHVAC的通用模型求解器直接对用户描述的模型求解。用户要修改模型或设备型号时，只需改变系统描述文件，不必重写程序。
　　③最大限度地实现信息资源共享。不仅在设计的不同计算分析过程之间，也在不同的设计人员之间共享系统组成的信息数据。
　　总之，TUHVAC直接面向设计人员设计，要用了较先进的设计思想，并应用了模型求技术，储存环境沿在继续开放完善，相信完成之后，能为广大设计者接受和使用。

6

参考文献