我国暖通空调计算机应用综述

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1、56 制冷与空调 2003 年第 4 期 我国暖通空调计算机应用综述 郑海云1，叶金元2，丁力行2 （1柳州铁路局客运公司南宁装备部 5 3 0 0 0 1 ；2中南大学制冷空调研究所 4 1 0 0 7 5 ） 【摘 要】 本文分析了计算机技术在我国暖通空调设计计算、自动控制、系统模拟等方面应用，并介绍我国暖通空调 C A D 的发展概况和因特网技术对我国暖通空调的影响。 【关键词】 暖通空调 计算机应用 现状 Exploration of computer application in Chinas HVAC industry Z heng Haiyun1 Ye Jinyuan2 Ding

2、 Lining2 ( 1 Nanning Equipment Department of Liuzhou Railway Passenger Transport Co. ，530001 2 Institute 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 develop

3、ment of HVAC CAD,and outlines the effct of Internet technology on Chinas HVAC industry. 【Key words】 HVAC, computer application, actuality 郑海云，男，1 9 7 2 年 1 2 月出生，助理工程师，柳州铁路局客运公司南宁装备部 1 、引言 计算机技术作为人类新技术革命的重要标 志，已经广泛深入到各个学科研究领域和工程设 计领域，计算机技术自六十年代初开始应用于暖 通空调实际工作中。 我国暖通空调行业应用计算 机技术约滞后国外 10 年，但发展迅速，计算机技

4、术已经在我国暖通工程设计计算、自动化控制、 系统模拟等方面得到广泛应用， 并且暖通 CAD 集 成化研究工作和基于因特网的暖通空调计算机技 术都取得长足进步。 2 、计算机技术在我国暖通空调中的应用 2 . 1 空调工程设计计算 2 . 1 . 1 空调负荷计算方法 常用的空调负荷计算方法有估算法、详细计 算方法和空调负荷神经网络计算法【1】等。 估算法又可分为简单估算法、度日法、全负 荷当量运行小时数法、温频法、焓频法、当量峰 值小时数法等。估算法是在一定条件下对空调负荷的大致估计，对于不同类型不同形状的建筑物 所计算的结果就可能大相径庭。例如，很多商用空调软件计算负荷采用平米指标估算的方法

5、，而 不考虑建筑的实际结构，如：窗墙比、墙地比等 因素。 详细计算方法主要有传递函数法和谐波反应 法，其计算结果相对准确，但这两种计算方法在 建模和推导过程中存在一些缺陷，如：它们均以 典型房间为研究对象，而对于非典型房间，则选 择某个特征指标作插值计算；计算墙体传热采用 一维或二维微分方程，而实际上计算墙体传热应 该用三维微分方程。这些显然都会导致计算结果 与实际情况的误差。目前我国有不少暖通空调专 业人员正对提高详细计算方法的计算准确性进行 研究。 空调负荷神经网络计算方法是利用神经网络 原理进行空调负荷计算的一种新的计算方法。这 种计算方法通过建立复杂的神经网络模型，并编 制相应的计算程

6、序，实现对人的直觉思维的模拟。 其实际应用过程为：用户输入必要的参数以后， 神经网络的中间层（或称隐层）自动根据对样本 数据训练得出的规律产生一定的输出。这种计算 方法具有计算模型更合理、输入参数与输出结果 客观性强、输出结果不必修正等优点。 2 . 1 . 2 计算机辅助计算应用 计算机技术在60年代初开始应用于HVAC冷热负荷计算中。当时的计算程序特点是当已知条 件（输入）确定时，其结果（输出）是唯一确定 的，这是由于这类计算程序是按原有的手算过程2003 年第 4 期 制冷与空调 57 原封不动地编制而成。这样的计算程序在本质上 与原来的手算并无多大区别，并未真正体现出计算机的优点。 计

7、算机辅助计算发展的转折点是反应系数法的出现并奠定了新的传递函数理论的基础，从此 改变了过去单纯模拟设计过程的状况，开创了计算动态传热过程的新局面。这之后，开始通过建 立精确的数学模型，实现建筑热过程的详细计算模拟，并建立相应的计算机程序。这种建立在新 的计算方法基础上的详细计算机模拟程序和过去按手算过程编制的计算程序有着本质上的不同， 它可以按照建筑热过程的本来面貌建立数学模型，把过去难以考虑的是内外各种因素和相互作 用等作为一个整体来进行动态研究。 神经网络作为一种新的方法体系，具有分布 并行处理、非线性映射、自适应学习和鲁棒容错 等特性，因此神经网络在模式识别、控制优化、 智能信息处理以及

8、故障诊断等方面都有广泛的应 用。近年来，我国暖通空调从业人员开始对人工 神经网络技术用于空调负荷计算进行研究。 2.2 空调系统自动控制 暖通空调自动控制是对空气处理设备、冷源、 热源进行控制，使其实际输出量与实际负荷相适 应。它具有节约能源、创造舒适的生活和工作环 境、创造安全可靠的生产条件等功能。由于暖通 空调自动控制具有很高的收益回报率，使得当前 业主决策者愿意投资于暖通空调自动控制。 2 . 2 . 1 H V A C 系统采用自动控制的意义【2 】 采用自动控制能使 HVAC 系统以最低限度的 能耗来最大程度地满足人的舒适感和室内空气品质标准，其具有的重要意义如下： 能使 HVAC

9、系统保持合理的送风量和送风 温度，并能停止或限制再热装置的使用。 可以根据室外气候状况确定设备的最佳启停时间。 能控制系统设备的运行，并实现故障自动报警。 通过监测室内空气品质，保持空调房间的 空气满足人体卫生要求。 可以实现远程控制，实现 HVAC 系统的有 效控制和管理。 2 . 2 . 2 H V A C 系统自动控制方式 暖通空调自动控制从控制方式上可分为以下两种： 第一种：模拟仪表自动控制。这种控制方式是早期发展起来的，是利用反馈控制原理组成的 闭环控制系统，经历了从单回路控制到多回路控制的发展过程。这种控制方式尽管有一定的优点， 但由于采用的模拟仪表无法满足现代建筑物自动化的要求，

10、使其在应用上有局限性。 第二种：微型计算机控制，这是随着计算机技术、控制技术、通信技术及图像技术的发展而 得到越来越广泛应用的控制方式。微型计算机控制的应用方式有如下三种：数据采集和数据处理、 直接数字控制（Direct Digital Control,简写为DDC） 、集散型系统（Total Distributed System, 简 写为 TDS） 。 数据采集和数据处理是对大量的生产过程参 数进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统 计和整理，数据超限报警以及对大量数据进行积 累和分析。 DDC 是以微处理机为基础、不借助模拟仪表 而将系统中的传感器或变送器的输出，输入到微 型计算机中，

11、经微机计算后直接驱动执行器的控 制方式。 TDS 是以微处理器为基础的控制系统，它由 中央站、分站、现场传感器与执行器三个基本层 次组成，中央站和分站之间、各分站之间，通过 数据通信通道直接连接起来。TDS 的控制功能尽 可能分散，管理功能相对集中，提高了控制系统 的可靠性结构也更加灵活，布局也更加合理，组 态方便，系统成本也有所降低，我国国家标准 JGJ/T16-92规 定BAS （ Building Automation System）必须采用集散型系统。 当前，我国暖通空调系统自动控制在参数检 测与修改、监控设备软硬件系统设计安装调试、 工艺系统设计安装调试等方面仍存在问题，需要暖通空调

12、从业人员进一步解决。 2.3 空调系统模拟 计算机数值模拟分析方法与实验室研究相辅 相成，成为一种重要的科学研究和工程设计手段。 以建筑空间为对象的计算机数值模拟（系统模 拟） ，根据解析的着眼点不同分为时间变动特性解 析和空间分布解析，前者一般用于热负荷预测解 析，后者用于气流分布、温湿度、气体浓度分布 的解析,如 CFD 技术【3】。 58 制冷与空调 2003 年第 4 期 2 . 3 . 1 系统热负荷模拟 在流体力学工程力学和热学等基础学科领域，计算机数值模拟方法已日臻成熟，但在暖通 空调应用领域，计算机数值模拟还刚刚起步。利用计算机模拟方法可对暖通空调系统进行动态模 拟，完成热负荷

13、计算、设备选择、能耗分析、方案选择、优化设计等工作。目前已编制出一些计 算机程序用于模拟相关的空调系统，例如：通过建立压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、冷却塔、 表冷器等设备的数学模型和相应的计算子程序，把各子程序按实际系统的组成方式连接起来，完 成蓄冷空调系统动态模拟、方案选择等设计工作。 2 . 3 . 2 计算流体力学 HVAC 系统的舒适性和节能性是 HVAC 设计 中的两个基本课题， 计算流体力学 （Computational Fluid Dynamics，以下简称CFD）技术的出现对解 决这两个课题有巨大作用。CFD 技术通过对描述 流体物理现象的基础方程式（运动方程、质量守恒、能量

14、守恒等联立偏微分方程）作离散化处理， 实现数值解析。常见的 HVAC 设计中的流体解析问题是紊流问题。利用 CFD 技术可以对室内空气 流动形成的速度、温度、湿度以及有害物浓度场等进行模拟和预测，有利于建筑节能、提高室内 空气品质和合理选择空调系统气流组织设计方案。 国外从 70 年代开始在应用 CFD 技术预测室内气流运动方面进行研究，至今，CFD 技术在不 同程度上被用于 HVAC 工程设计和开发研究等项目中，我国由于经济、技术等方面的原因，CFD 技术在实际应用方面与国际先进水平还有较大的差距。据统计，在实际应用中 CFD 解析物理对象 以强制对流、自然对流和通风换气为主，而对室 内空气

15、品质等方面的解析应用不多见；紊流模型 以标准 k-模型或其变形居多；解析坐标以直线 坐标居多。HVAC设计中 CFD 应用的流程模式如 图 1 所示。 图 1 C F D 应用流程模式 计算网格分割类型有直线型网格、曲线型网 格、块型网格（block-structured grids）和非构造型 网格等。 边界条件主要有室内空调负荷（包括墙面的 传热） ，送、回风口的设置，吹出、吸入条件等。 边界条件设定的妥善与否极大的影响CFD的解析正确性、效率及精度，因此在确定边界条件时应 作准确分析。 当前应用CFD技术解决室内空气流动存在一 些问题，比如：目前工程应用中主要还是采用紊流模型，其中最常采用的是两方程模型或其变形。 而 k-模型存在很大的缺陷，即没有考虑流体密度差产生的质量力项，不能较好的解决非等温送 风这种混合对流以及其他混合对流或者自然对流 等流动形式。故采用标准的 k-模型势必导致很 大的误差，而 k-模型的变形，如低雷诺数 k- 模型可以取得较好的精度，但是其计算量以相当 于复杂二阶封闭模型或大涡模拟的计算量，无法 为工程应用所接受。其他问题如：风口入流边界 条件的描述、如何定义室内热源的