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暖通空調軟件技術及其發展

10-04 19:39:35  瀏覽次數:161次  欄目:暖通空調
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  1、前言

  暖通空調軟件可以按用途分為輔助繪圖(CAD)軟件、設計計算軟件和模擬分析軟件,按其與Internet的關系可以分為離線應用軟件和Internet在線應用軟件,這些軟件共同構成了暖通空調領域一個重要的發展方向,本文就這些軟件本身及其發展作一個簡要的回顧。

  自1946年第一臺電子計算機誕生以來,科學技術發生了一場深刻的革命,計算機不僅有驚人的運算速度和很高的計算精度,還具有記憶、判斷等功能,同時計算機軟件技術也在的不斷發展和完善,計算機及其軟件的可靠性和應用性越來越高,它們已成為人們工作和生活中不可或缺的工具。暖通空調軟件在暖通空調系統設計、暖通空調設備生產等方面得到了廣泛的應用。

  暖通空調軟件最早應用于暖通空調設計和制造領域的計算機輔助設計,目前,暖通空調CAD和設計計算軟件已經取得了很大的成就,暖通空調設計專家系統軟件已經用于暖通空調系統的設計和決策,能耗分析軟件、氣流模擬CFD(計算流體力學)軟件的應用使設計人員在大樓建成之前就能對暖通空調系統的運行工況和能耗情況進行模擬,從而據此選擇最優的設計方案。

  不難發現,暖通空調軟件經歷了一個從簡單到復雜、從粗糙到精細、從面向過程無友好程序界面到面向對象界面友好、從離線到網絡的發展過程,隨著計算機軟件技術和網絡技術的不斷發展,暖通空調的軟件也更加完善,更好地為暖通空調工程師服務。我們應該跟上時代的步伐,及時地充分利用計算機軟件技術,使暖通空調技術的發展不斷推向前進。

  2、暖通空調軟件技術

  2.1 暖通空調輔助設計軟件

  暖通空調輔助設計軟件包括輔助繪圖(CAD)軟件和設計計算軟件,就我國的情況來說,暖通空調輔助設計軟件的發展大致經歷了三個階段:起步、發展、成熟。

  1)起步階段(20世紀70年代左右)

  各大學和研究單位研制開發一些符合國情的暖通空調程序軟件庫,但多為局部性的,覆蓋面不寬,水平也有限。

  2)發展階段(20世紀80年代左右)

  國家出資研制開發《建筑工程設計軟件包》(BDP),作為國家“六五”科技攻關項目,該軟件于1986年5月通過國家(部級)鑒定,被譽為當時具有國際水平的優秀軟件,并在此后的數年里,在國內得到了較為廣泛的應用。與此同時,也有一些CAD軟件出現。

  3)成熟階段(20 世紀90年代)

  Windows的出現,以及AutoCAD的推廣應用,各種空調CAD軟件涌現,并得到日益廣泛的應用。1995年3月,我國第一個在Windows環境下開發的暖通空調設計計算軟件EasyHVAC(同濟大學)投放市場,它一出現即受到設計人員的青睞,1998年,該軟件又推出了輔助繪圖版本EasyHVAC CAD.我國的空調輔助設計軟件正日益走向成熟和完善,2001年7月,上海華電源信息技術有限公司和上,F代建筑設計集團共同開發的HDY-SMAD空調負荷計算及分析軟件將暖通空調設計計算軟件推向了新的高潮,該軟件通過了上海市建設和管理委員會的鑒定,專家一致認為該軟件部分功能填補了國內同類計算軟件的空白,總體設計達到國內領先水平,該軟件具有如下區別于其它軟件的新的功能和特點:

  1)內嵌215個城市和地區的氣象資料,并具有城市擴充功能,能夠計算各個城市和地區的全年逐時室外干球和濕球溫度、太陽輻射強度。

  2)在不同的設計階段,由粗到細提供6種不同的空調負荷計算方法,用戶可根據需要自由選擇。

  3)能夠對冬季空調熱負荷進行逐時計算,并且可以將冬季的人員、照明和設備得熱產生的負荷從空調熱負荷中扣除。

  4)強大的樓層組管理功能,支持多個標準層。

  5)獨特的工作時間表設定和指派功能,支持不同日期具有不同的上班模式,以及不同時間的不同上班模式,無縫處理間歇運行空調系統。

  6)應用動態焓濕圖(HDY濕空氣分析大師)能自動對一次回風系統自動進行冬季和夏季工況,HDY濕空氣分析大師能夠分析和計算各種空調系統和工況。

  7)利用東方空調網(www.eastac.com)的暖通空調設備數據中心,得到各個廠家的最新空調設備資料,用于空調設備的選擇。

  8)可以輸出14種文件類型:封面、建筑概況、室外氣象資料、室內設計參數、圍護結構參數、空調負荷計算方法及公式、空調負荷詳細計算參數、空調負荷統計數據、空調負荷逐時數據、空調工況分析結果、樓層組管理文件、回風系統劃分文件、新風系統劃分文件、設備選擇結果。

  暖通空調輔助設計軟件的應用范圍不限于暖通空調工程的設計,它還用于暖通空調新產品的開發。暖通空調設計專家系統也取得了較大的成果,它能給出特定建筑物的暖通空調系統和暖通空調設備的各種可能的設計方案,并評判它們的優劣,從而可以得到最好的設計方案。

  2.2 暖通空調能耗分析軟件

  暖通空調輔助計算軟件解決了輔助繪圖和設計計算等較簡單、靜態的問題,但是暖通空調系統是一個隨建筑類型和室外氣象條件動態變化的復雜系統,暖通空調工程在設計時要考慮節能和環保,在運行時也要考慮節能和環保,因為在暖通空調運行期中大部分時間中其負荷條件是不同于設計條件的。采取一定的技術和管理措施使暖通空調系統的運行適應負荷動態變化,盡量避免不必要的能耗,這是暖通空調節能的重要方面,要做到這一點,必須對暖通空調系統的全年動態能耗進行模擬分析,從而準確地制定相關的優化方案。因此暖通空調能耗分析軟件也就應運而生了。

  暖通空調能耗分析軟件,能夠對已經建成的和將要建造的大樓暖通空調系統的運行進行全年負荷動態分析、能量消耗模擬和技術經濟分析,設計人員可以由此判斷空調設計的優劣,并提出空調系統的最佳控制和管理辦法。

  美國和英國等發達國家在20世紀70 年代就開發出了暖通空調能耗分析軟件,例如美國能源部開發的DOE軟件,英國的ESP-r軟件,并在美國和歐洲得到了廣泛的應用。2001年,作為DOE軟件和BLAST軟件的升級版本,美國能源部又開發了EnergyPlus軟件,該軟件集中了美國政府在建筑環境與設備領域的投資所產生的世界上最先進的科研成果,有10來個美國大學和公司參與了該項目的研究,最終由美國加州伯克利大學Lawrence Berkeley國家實驗室(LBNL)發行。建筑能量模擬已經在美國和發達國家中普及,預計在未來2-5年內,將在中國推廣和普及,相關的建筑節能標準正在加緊制定,從而為能量模擬軟件的推廣做好了政策上的準備。目前國內的能耗分析軟件有清華同方股份有限公司開發的DEST軟件(基于AutoCAD)和上海華電源信息技術有限公司與上,F代建筑設計集團共同開發的HDY-SMAD空調負荷計算及分析軟件(直接基于Windows,V2.0以上版本可進行能耗分析),后者具有以下的主要功能和特點:

  1)采用諧波反應法計算墻體得熱,采用熱平衡法計算房間負荷,能夠計算全年8760h的逐時負荷。

  2)同時對建筑物和空調系統設備進行模擬分析,設備運行結果可反饋到空調系統中進行負荷的反饋計算。

  3)對空調負荷的強大的統計和分析功能,彌補了國內同類軟件的空白。

  4)基于Internet的網上空調設備選擇功能。

  5)中英文兩種輸出方式。

  2.3 氣流模擬計算流體力學(CFD)軟件

  空調系統設計的效果與室內氣流組織密切相關。好的氣流組織方式能夠使空調房間的溫度、濕度和速度很容易地符合設計要求,反之,差的氣流組織方式可能根本就達不到設計要求。因此,在空調系統設計完成之后施工之前,預測空調系統的氣流組織狀況就很重要。在以往的研究中,只能用模型實驗的方法研究幾種典型送回風方式的氣流組織狀況,獲得一些簡化的計算公式,并將它們套用到類似的設計中去,但是,它們的精度和使用范圍都不能令人滿意,尤其當遇到一些特殊難題,如高大空間的氣流組織、車間有害氣體濃度場分布、室內不同障礙物情況下的氣流流動規律等等便無法解決。正是在這種情況下,基于計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)的空調系統氣流模擬軟件發展起來了。

  氣流模擬軟件的發展經歷了以下幾個階段:

  1)從簡單的單個送風口氣流狀態,到多風口相互影響下的室內氣流組織;

  2)從二維到三維;

  3)從穩態到動態;

  4)從層流到紊流;

  5)從簡單的邊界條件和初始條件到復雜的邊界條件和初始條件;

  6)從單純的數值計算,到圖文并茂的計算和前后處理一體化軟件。

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