浅议暖通空调工程领域计算机的重要性

1、前言
目前,在世界范围内正掀起一场新技术革命,电子的应用已渗透到各个工程领域,传统的工程技术方法正经历着深刻的变革、本世纪六十年代后期,源于世界性的能源危机,计算机技术应用于暖通工程领域首先是从空调负荷计算和建筑物能量分析开始的,八十年代后期,源于世界性的能源危机,计算机技术应用于暖通工程领域首先是从空调负荷计算和建筑物能量分析开始的,八十年代中期以后,计算机在暖通空调工程领域中的应用是以CAD(Computer Aided Design)技术的开发和应用为标志的,跨入一个新的阶段,并以极高的速度发展、普及开来。进入九十年代以来,暖通空调工程领域中出现了CAD技术与计算机专家系统相结合的智能化ICAD(Intelligent CAD)系统,使暖通空调领域计算机应用技术产生了质的飞跃。本文将详细介绍暖通空调工程领域计算机的应用情况及发展趋势。

2、计算机在暖通空调专业的应用
2.1　数值计算和建筑热过程的计算机模拟
暖通空凋专业的设计计算量较大,且非常烦琐。例如:供暖、空凋负荷的计算,供暖、空调水系统的设计计算,通风、空调系统的风道设计计算,暖通空调设备的选型计算,室内通风、空调的气流组织的设计计算,空调过程的工况分析和能量分析,供热、通风、空调等系统的各种运行参数的自动检测、记录、处理和计算机控制管理等方面。所以有必要利用计算机技术协助暖通空调专业人员进行以上的专业计算,把暖通空调专业人员从繁重的重复性手算中解脱出来,暖通空调计算机应用的初级阶段主要是从事这方面的计算机应用程序的编制工作。这类工作的特点是把原来利用公式、图表的手算过程编成计算机程序,当已知条件确定时,将之输入计算机,经过计算机运算后输出计算结果。这样虽然大大减轻了暖通空调专业人员繁重的手算工作量,但并未从本质上对计算方法产生变革,也没有真正开发计算机资源,体现计算机的优点。
众所周知,通过建筑围护结构的传热是构成供暖、空调负荷的重要组成部分,而冷热负荷问题不仅仅是个负荷计算方法和能量分析的问题,它还关系到空调系统选择、冷热设备选择、太阳能的利用以及技术经济分析等技术决策问题,是处理这些技术问题的关键环节。确定冷、热负荷成为暖通空调工程设计中首先要解决的重要问题。为了正确确定这些负荷,必须改变把复杂的建筑热过程简化成稳态或准稳态传热过程的传统处理方法,用计算机模拟研究建筑热过程是随着计算机技术的发展应用而发展起来的一项新技术,计算机模拟主要是指用数字式计算机对建筑物热过程进行模拟,按照建筑热过程的本来面貌建立数学模型,把过去难于考虑的室内各个表面及室内空气的相互作用、室外气象条件、围护结构和室内气象条件的相互作用,辐射、传导和对流三种基本传热形式的相互作用等,作为一个整体来进行动态研究,并建立了传递函数法和有限元法新理论和新方法,用动态负荷计算法计算出的空调设计负荷比按现行手算计算结果要小30%左右,与实测结果相比,动态负荷计算法的计算结果更接近实际情况,由此可以看出,采用动态负荷计算法对于设计计算方法改革和建筑节能都有重要意义。
2.2　自动检测与控制
当前,在空凋系统中采用微机代替常规仪表检测与控制越来越普遍,微机由于它小巧灵活、价格低廉、易学易用等优点,给空调系统自控提供了强有力的工具,实践证明,在空调工程中使用微机有助于实现节能控制、最优控制和精密控制,许多常规仪表难以实现的复杂控制,凭微机的计算功能、逻辑功能、存储功能,可很方便地编制程序来实现。计算机控制系统可实现对供暖、通风、空调、制冷系统中数百个以上的部件的运行进行监测和控制,并可进一步实现复杂的调节过程和提高系统运行的可靠性,简化操作,改善调节品质和赋予控制系统以人工智能。例如对工业锅炉的炉温、压力、流量及燃料耗量的控制,以保证锅炉的安全运行,并降低能耗;用计算机控制集中供热管网运行,可实现对管网运行工况的检测、水力调节,使热力工况达到最佳运行状态,以及检查事故、诊断故障、报警等,完成热负荷指标、热媒参数等供热参数的计算任务;用计算机可控制空调机最佳启动时间,控制空调多工况转化并进行最优调节,使整个系统在保证空调精度及舒适环境前提下,以最低能耗、最高效率运行;用计算机还可以对冷冻机、锅炉、水泵等的运行台数实行最优控制;对冷冻机的蓄冷运行时间的最优化控制,对冷热水送水温度的最优控制。
目前,暖通空调专业的计算机控制,一般采用直接数字控制系统(DDC)和监督控制系统(SCC或SPC),监督控制系统也称分级控制系统。例如由直控级—监控级——管理级,从而实现对大型建筑甚至对一建筑群的暖通空调系统实现多功能的集中控制和综合控制。对一具体的暖通空调系统来说,直接控制系统负责对暖通空调系统中各过程参数依次进行巡回检测、数据处理、越限报警、制表输出等;而分级控制系统则可实现对建筑物中供热、通风、空调、制冷、电气、卫生等各种设备所组成的中央系统进行综合管理。
用计算机实现模糊控制,是计算机在暖通空调专业应用的又一新领域。模糊控制无须预先建立系统数学模型,它对参数的改变并不敏感,本质上是非线性的,在很多方面优于传统的控制系统。计算机仿照模糊推理过程,经过一定的数学处理,根据控制规则和推理规则进行决策,例如用模糊控制理论可解决间歇空调预冷控制问题。
2.3　计算机辅助设计CAD
利用计算机完成专业计算程序设计编制之后,发展CAD技术是个必然的延伸和发展。CAD技术是一项综合性技术,它不仅体现着某个专业领域的计算机应用水平,而且也体现着该专业设计理论的最新发展以及优秀设计人员的设计经验,CAD技术的广泛应用不仅大大节省了人力而加快了整个设计过程,而且由于运用了大量的最优化选择,使设计质量大大提高。CAD技术的应用和发展给传统的设计思想和方法带来了深刻的变革,设计过程将不限于传统的设计工况,逐渐形成根据过程动态分析的设计方法,而且多因素的综合影响在新的设计方法中考虑得越来越多,设计计算结果与实际客观情况愈加吻合,设计更为科学合理。
在CAD技术领域中一个重要的发展思想是集成(Integration),集成化设计系统是当今计算机辅助设计领域一个十分活跃的研究课题,并逐渐引起了学术界和产业界的重视。集成化设计的核心是将以往分散的各功能软件如绘图用CAD、计算机模拟程序、数据库管理等结合在一起,通过通用的数据结构和数据转换工具,使这些功能软件能互用各自的输出信息,免除人工数据转换,从而充分利用各种资源,全面完成设计、分析、计算任务。
目前,国内外已出现多种版本的暖通空凋CAD软件。国外CAD技术发展较快,在美国以IBM公司和CV公司为代表有三百多家CAD/CAM厂商在开发经营CAD软件。近几年来,国内除一些设计单位从国外引进INTERGRAPH公司、AUTO—TROL公司和CV公司一些CADDZ/HVAC软件外,已出现了专门从事暖通空调CAD技术开发应用的软件公司。他们所开发的暖通空调绘图软件大多是以美国Autodes k公司的产品AutoCAD为支撑软件进行的二次开发。例如 北京 华远软件工程有限公司的“HOUSE—H95暖通空调设计软件包”;中国建筑科学研究院CAD工程部开发的“PK、PM系列暖通空调计算绘图一体化软件HPM、CPM”等。国内还有很多单位在专业计算机CAD系统的开发和应用方面也做了大量的工作,他们绘制了暖通空调专业基本图形库,编制了专业菜单,加入了图形汉字,实现了专业计算与画图的联系,使负荷计算—系统平衡计算—绘制图纸等成为连续的自动作业。虽然目前国内的HVAC的应用软件与以上要求还有一段相当大的距离,但我国广大暖通空调工程技术人员为之而努力着,正向着这一方向迈进。
2.4　暖通空调专家系统的开发应用
暖通空调工程技术领域中一些问题的决策通常是由设计人员根据自己的知识和经验作出选择和判断,而个人的经验常常是有限的,尤其是一个设计人员要在各个专业都拥有丰富的经验更是不容易。专家系统(Expert System)是人工智能技术的一个重要分支,它是汇集各个专门领域的专家的知识和经验的计算机软件。专家系统是80年代国内外十分关注的一项高新技术,现在以惊人的速度发展,并渗透到各个专业领域。专家系统既可进行高质量的技术决策,又可避免人的主观局限性,具有巨大的开发潜力。暖通空调工程技术领域引入专家系统,在能量分析、智能设计、系统诊断、建筑施工、优化运行管理、智能控制等方面都可取得显著成效。目前专家系统在暖通空调工程技术领域中的应用主要在以下几个方面:
2.4.1　知识工程。知识来源于专家、教科书、图表手册、数据库以及本身的经验等。积识获取自动化是当前引人瞩目的研究课题。国外暖通空调工程技术界在知识工程方面已取得了一些富有成效的开创性成果。例如美国科罗拉多大学在研制开发暖通空调诊断、建筑能耗过程及用太阳能热水系统故障检测等专家系统的基础上,所进行知识工程方面的研究也取得了一定的进展。英国伦敦南岸工业大学知识库系统中心研制开发的“空调专家”(Air Conditioning简称ACE)专家系统可用来选择高层建筑空间系统,香港大学用ACE储存了有关选择高层建筑空调系统的专业知识。
2.4.2　建筑能耗分析。美国科罗拉多大学土木工程系从70年代就着手节能项目的研究,其主要研究工作是开发“建筑能耗分析专家系统”为核心展开的,该专家系统是建筑系统项目中的一个子项目。由于采用该专家系统,使该校娱乐中心能耗减少30%以上。
2.4.3　暖通空调CAD。CAD技术和专家系统结合即形成所谓智能化CAD技术(ICAD)。暖通空调智能化CAD技术的开发研究是80年代末90年代初开始的,先是国外开发了一些实验性的工程设计型专家系统,如用于高层建筑初步设计的HI—RISE设计型专家系统;北京工业大学开发的“BE-SA空调方案设计型专家系统”填补了国内暖通空调工程技术领域工程设计型专家系统的空白。
2.4.4　暖通空调系统设备安装调试。暖通空调系统在施工安装完成后,为了保证系统能满足使用要求,需要对整个系统进行调试。由于需要调节的部件多,调节难度大,所以高度周期一般比较长,且繁琐费事,如再缺乏合适的调试手段、仪器和设备,往往调试后还达不到使用要求和预期效果。专家系统因具有模拟人的智能进行分析、判断的功能,所以开发适合暖通空调调试用的专家系统,对于复杂的交互过程的暖通空调的试调,缩短调试周期,提高效率,保证正常运行都具有重要意义。
2.4.5　暖通空调系统运行管理。用于控制的专家系统称为智能控制专家系统,主要是研究不确定性系统的控制决策问题。暖通空调系统的运行管理包括数据采集、系统运行、监控、故障监测和维护管理等多项任务,工作烦琐、难度大,暖通空调系统的运行管理工作采用智能控制系统,将会在优化控制、故障监测、智能化运行等方面起到手动或常规自动控制所无法替代的作用。
2.4.6　暖通空调故障诊断。暖通空调系统庞大复杂,易发生故障且故障的种类多,原因也相当复杂,所以应用专家系统开发适用于暖通空调系统故障诊断方面的计算机软件是非常必要的。我国已在这方面开展了一些开发工作,如南京工程兵学院开发了制冷系统故障诊断专家系统、清华大学等单位在开发供暖系统故障诊断专家系统。

3、结束语
从以上的论述可看出,暖通空调计算机应用在经历了专业计算、CAD技术、智能化CAD三个重要阶段后,目前,暖通空调工程领域中计算机应用技术正进一步向ⅢCAD(Intelligent—智能化、Integrated—体化、Interactive—义互式)和CEMS(计算机集成制造系统)方向发展。计算机在暖通空调工程领域的应用正以飞快的速度向高层次和更广阔的范围发展着,为了促进暖通空调技术的提高和发展,作为暖通空调专业人员必须充分认识到计算机在本专业应用的重要性、迫切性和必要性,加强有关计算机知识的学习和应用。

参考文献:
1.《HVAC computer application program design", http://www.51lunwen.com/ Southwest Jiao Tong University press Wang Xinquan Cai Yingling series.
2.《空调专业实用CAD技术》北京工业大学出版社施监诺、王世洪等编。