TUHVAC: an integrate development environment for HVAC design and analysis

1 TUHVAC的設計思想 目前世界上已出現多種版本的暖通空調CAD軟件，這些CAD軟件多數還只是一個繪圖工具，用來提高工作人員的工作效率，僅有少數軟件將一些設計計算與繪圖相結合。然而真正意義上的CAD概念是計算機輔助設計，也就是使計算機在方案確定、設備選擇、設計計算、材料統計、價格概算及工程繪圖等各方面全面地為設計人員服務，從而真正提高設計質量和工作效率。由此看來，一個完整的CAD系統應具有三方面的功能； ①數據庫、知識庫功能。能夠存儲各類設備信息（相當于設備手冊）、設計參數（相當于設計手冊）及國家標準（相當于規范）。設計人員能夠方便地檢索和使用這些信息。 ②計算功能。能夠做多種計算分析以適應不同階段的設計要求。如系統參與能耗估算（用于制定初步設計方案）、設備選擇計算、風道水管設計計算、系統全年模擬分析、（以驗證系統性能并對系統作全面評價）、成本與運行費用分析計算、動態模擬計算（以確定控制方案）等。 ③繪圖功能。包括從初始階段系統圖的繪制到最終階段的施工圖繪制。 對于如上要求的三方面功能，均有相應的軟件可滿足要求。例如相當多的數據庫程序可用于信息的存儲和檢索；BTP可用于上述一些方案的設計計算；TRNSYS和HVACSIM+可用于全年模擬或動態計算；各種CAD工具則可用于工程圖繪制。然而，實際調查卻發現，無論是在國內還是美、日和歐洲的發達國家，數據庫和設計分析軟件都很少用于實際的空調工程設計。究其原因，可以發現目前的軟件存在如下一些問題： ①集成度不夠，軟件是聯系差。數據庫檢索的信息不能直接被計算程序所應用，計算程序所得的結果不能直接被繪圖工具利用。 ②就單一的計算過程來說，不同的程序僅能作某一種分析計算，而要完成上述各種分析就必須使用不同的程序，準備大量的數據文件，這是一項乏味、重復而且容易出錯的工作。 ③設備參數性能缺乏標準的描述方式。軟件中所用的設備描述方式與設備廠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數據轉換。這需要很大的工作量，有時是不切實際的。 ④軟件界面簡陋，極不好用。設計者如果不對軟件本身作詳細的了解，就難以準確地知道其輸入輸出的實際意義。設計人員為了能夠利用這些軟件解決設計中的實際問題而不得不花大量的時間精力去弄懂每一個軟件。作為軟件的使用者，并不愿意受軟件的驅使，而希望作軟件的主人。一個好的軟件應該從使用者處理要求很少而為使用者提供最大的幫助，應服從于用戶而并非讓用戶服從它，這應是新一代軟件的主要設計思想。 正是基于這樣的設計思想，清華大學開發研制了TUHVAC系統，用于暖通空調系統設計、分析和評價。 2 TUHVAC的總體結構 TUHVAC系統融合了數據庫技術和模型求解理論，圖1是TUHVAC總體結構圖。它包含三個大的部分：用戶圖形界面（Graphic User Interface）、數據庫及系統描述（Database & System Description）和求解器（TUSimulator）。 圖1 TUHVAC總體結構圖 系統運行時，用戶利用圖形界面描述空調系統，綜合利用數據庫中設備庫（CL）和知識庫（BKD）的信息，描述計算要求（SRF）并定義控制系統（CDF），從而生成該系統的描述文件（SDF），求解器根據SDF、SRF和CDF的信息，必要時還需要氣象數據（WD）進行綜合求解，并按輸出數據格式（CRF）輸出求解結果。 整個過程中使用者的工作量很小，只需通過GUI描述系統（這一過程也僅是一些選擇過程），其他信息如設備庫、知識庫均是以自然語言寫成，使用者理解起來沒有任何困難，無需對軟件本身有太多的了解。由于用戶自己定義計算要求、控制方案和輸出格式，能夠清楚地知道計算機在干什么，自己可以從中得到什么，從而真正成為軟件的主人。 2．1 知識庫（BKD） 知識庫是專家系統中儲存空調基本知識、設計經驗、評價標準以及國家規范的通用數據庫。其中包括流體介質如空氣、水和R22的一些狀態參數，i-d圖的有關知識，不同量綱系統之間的互換關系，設計用的一些經驗數據，系統運行優劣的評價標準等。知識庫具有可擴充性，隨著系統的完善和用戶的增添而不斷完備起來。 2．2 計算要求文件（SRF） 用戶在SRF中定義分析計算的要求，即用戶讓求解程序作何種計算分析，并且定義相應的計算要求，例如可以有以下的計算種類：①已知出、入口狀態，求設備容量；②已知入口狀態和設備性能，預測出口狀態；③系統初投資概算；④運行能耗分析；⑤理想控制下逐時模擬；⑥實際控制下動態仿真。還應定義其他信息：輸出結果參數、時間步長、計算周期、CDF文件名以及環境信息等。SDF是描述系統的組成，而SRF則是個體定義求解器對SDF作何種計算。對于同一SDF，可以有不同的SRF與不同的計算要求相對應。 2．3 控制系統及方案定義（CDF） 當對系統進行逐時模擬、動態仿真和能耗分析時，求解器必須知道系統的控制或運行調節方法。這些信息在CDF中定義，例如描述傳感器位置、執行器類型、控制方案及算法等。 控制算法是由一組很多的IF-THEN格式的規則構成，每條規則表述為： 時間間隔 IF 條件 THEN 動作 其意義表示每隔一個時間間隔，如果所列條件滿足，就執行相應的動作。條件是測量參數的控制變量的邏輯表達式，動作是模擬實際運行的動作，如送值到控制參數或送開關命令到執行器。TUHVAC編譯它們后形成控制命令，求解器在模擬仿真時，不斷掃描所有規則，搜索出滿足條件的控制規則并執行。

2．4 設備部件庫（CL） 設備部件庫是TUHVAC中存儲暖通空調領域中設備部件信息的綜合數據庫。設備庫如同廠家提供的產品樣本，包含有產品的詳細設計數據如廠家名、結構數據、安裝要求和表達設備性能的數學關系式。設備分類組織，每一類設備具有共同的特征，不同特征設備分屬于不同的類，這些特征涉及網絡中的流體連接、外部接口及能耗種類等。 圖2為一個設備描述的例子。由該例可以看出，不同于其他軟件，TUHVAC將設備的結構數據、輸入輸出在數與其數學模型放在一起描述，其中每一個參數都有其具體意義。而現有的一些軟件如TRNSYS和HVACSIM+是將兩者分開，把數學模型寫入一個子程序中，再通過輸入文件來給模型中的參數賦值。將參數與模型一起描述可以使用戶明白地知道模擬中用到的模型和所需數據，不必像其他軟件那樣要求用戶仔細地理解軟件說明書。如果使用者選用不同的模型，完全可以以另一種方式描述而不需改變軟件本身，這在其他軟件中是很難做到的。因為TUHVAC使用獨特的求解技術，可以根據外部描述模型進行相應的求解，提供了最大的靈活性。同時，這種描述方式，能夠讓不同的設計者共享信息，一個設計得完全可以照樣引用別人定義的設備或僅稍加屐，從而極大地減少了工作量。 TUHVAC有一套完整的描述語法并提供完備的語法檢查，只有描述完備的設備才允許進入設備庫中。 CLASS: coil TYPE: JW 10 4 % 數據來源：空氣調節設計手冊第六章 %廠家：哈爾濱第二空調機廠 %輸入人：xu %日期：1993.5.18 %備注：TUHVAC系統可以將描述文件中使用的工程單位自動變換成法定單位。 %參數段定義設備的結構參數。 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段描述設備的數學模型 FUNCTION Vy = air flowrate / area of facing air %Vy: 空氣流速 Vw = water flowrate / area of water flow % Vw:水流速 %K：傳熱效率 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: 干球溫度效率 Eo = 1- (air out t - air ts) / (air in t - air in ts)%Io:接觸效率 Kc = (air in i - air out i) / (air in t - air out t) / c air % Kc:析濕系數 B=Kc*c air * air flowrate* r air * K/ area of heat trans per row / number of row % B:傳熱單元數 D = Kc*c air * air flowrate * r air / (c water * water flowrate * r water) %D: 水當量比 %以下是經驗式 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 %濕工況 =11.96*Vy ^ 1.72; Kc=1 干工況 air resistant: [Pa] Vy: [M/S] Kc:[] water resistant = 12.54* Vw ^ 1.93 water resistant: [kPa] Vw:[M / S] % Tmax: 逆流最大溫差 % Tmin 逆流最小溫差 % Dt :對數溫差 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型空調器的一個構件，為鋼管繞鋁片肋管，能省用有色金屬 本表冷器是4排，左式，介質為水 % the end of coil - jw 10 4 definition 2．5 系統描述 TUHVAC中，描述空調系統的一般過程是：利用圖形界面，從設備庫中選擇設備，并用風、水等流體網絡連接它們形成系統，在此系統基礎上定義控制系統和環境參數。系統圖形形成的同時，系統描述文件SDF亦同時形成，它是由系統中所選用的各個設備的描述文件以及各設備之間連接關系的定義所組成。系統的全部信息由它唯一描述，以后的模擬分析都將以它作為基礎。由于SDF是由類似自然語言的形式構成的文件，因此它還可以作為技術文檔，供以后查看。 3 模型求解器（ TUSimulator） 求解器是TUHVAC的核心，它是一個通用程序，能夠根據SDF、CFD、SRF中的信息自動求解計算。在求解器當中，不包括任何特定設備的特定數學模型，計算所需的模型和數據都由外部文件描述。用戶可以改變SDF的數學模型，再運行求解程序，即可完成相應數學模型的計算，這是TUHVAC 的顯著特征。求解器是求解空調系統的通用計算程序，能夠求解非線性方程組。除算法外，求解器內具有的知識僅有物性參數、流體網絡基本規律及能量守恒定律。 求解器求解模型的步驟是： ①讀入SDF文件設備定義，根據SRF中已知參數搜索相關方程，對每一個設備產生一組非線性方程組。 ②從SDF中搜索網絡信息，得到網絡拓撲結構和計算網絡中各支路阻力系統數的方法，進而對整個網絡求解，得到各支路流量。 ③產生整個系統的熱平衡方程，對各設備出入口介質狀態進行聯立求解。 根據如上功能，求解器即能根據SRF文件中定義的所要分析問題的書籍量求解各種未知參數，自動地進行工程設計中設備選擇、狀態預測、能耗分析、動態模擬等各種分析計算。 4 未來開發計算 TUHVAC已初步開發完成。知識庫、設備庫和圖形界面都已完成，并且能進行少數類型的空調系統分析。計算將TUHVAC開發成開放式的集成環境，綜合容納先進的設計經驗和優秀的系統設計，增強現有的知識庫和設備庫的功能，并應用AI技術為用戶提供設計和指導參考。 5 結語 TUHVAC系統的第一版已用于模擬不同控制方案下的空調系統運行性能，運行良好，令人鼓舞。 與其它軟件相比，TUHVAC的獨特之處有： ①空調系統設備的數學模型所用數據均以自然語言和數據常規式描述，置于一個統一的文件中。該文件包含所有信息，既是計算分析的源，又可作為空調系統的技術文檔。 ②TUHVAC的通用模型求解器直接對用戶描述的模型求解。用戶要修改模型或設備型號時，只需改變系統描述文件，不必重寫程序。 ③最大限度地實現信息資源共享。不僅在設計的不同計算分析過程之間，也在不同的設計人員之間共享系統組成的信息數據。 總之，TUHVAC直接面向設計人員設計，要用了較先進的設計思想，并應用了模型求技術，儲存環境沿在繼續開放完善，相信完成之后，能為廣大設計者接受和使用。 6