建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包DeST

建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包DeST

摘要建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包DeST是基于功能的模擬軟件，用于對(duì)建筑、方案、系統(tǒng)及水力計(jì)算進(jìn)行模擬，以校核設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的可靠性。介紹了DeST的結(jié)構(gòu)、用戶(hù)界面，并結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明了DeST的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞建筑環(huán)境模擬模擬軟件DeST1開(kāi)發(fā)DeST的目的

近30年來(lái)，建筑和空調(diào)系統(tǒng)的模擬被廣泛地應(yīng)用在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，出現(xiàn)了很多的模擬模型、模擬方法以及模擬應(yīng)用工具。模擬技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用模擬技術(shù)輔助分析的仍然很少，大多數(shù)設(shè)計(jì)仍然僅考慮最不利工況，而沒(méi)有考慮全年的運(yùn)行過(guò)程，這導(dǎo)致了諸如設(shè)備選擇不合理、過(guò)渡季無(wú)法滿(mǎn)足要求等問(wèn)題。最近，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)公司開(kāi)始投入越來(lái)越多的力量以縮小模擬和設(shè)計(jì)之間的應(yīng)用鴻溝。例如在國(guó)際能源組織最近結(jié)束的研究子項(xiàng)ANNEX30[1]"Bringsimulationintoapplication"中，設(shè)計(jì)過(guò)程中的模擬技術(shù)應(yīng)用研究是其最主要的章節(jié)。雖然，采用模擬分析的手段可以提高設(shè)計(jì)的可靠性，但只有在明確了設(shè)計(jì)和模擬之間的關(guān)系之后，才能制造出在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠被有效利用的模擬分析工具。而現(xiàn)有國(guó)外幾種主流的模擬分析工具由于在開(kāi)發(fā)時(shí)沒(méi)有充分考慮設(shè)計(jì)過(guò)程的階段性、延續(xù)性等特點(diǎn)，只能用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)階段化的過(guò)程，包括初步設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)以及后設(shè)計(jì)階段。這是一個(gè)復(fù)雜的、不斷反饋的過(guò)程，目前是否存在一個(gè)模擬分析工具能夠服務(wù)于整個(gè)過(guò)程呢？

目前的模擬工具可以劃分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是基于功能的，以DOE為主要代表；另一類(lèi)是基于模聲的，以TRNSYS，HVACSIM+,MATLAB為代表。基于功能的模擬工具從滿(mǎn)足某種功能要求出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)；基于模塊的模擬工具注重于構(gòu)建系統(tǒng)的靈活性，其特點(diǎn)是采用通用的模塊接口和統(tǒng)一的非線性求解核心。

當(dāng)所有的條件都已知時(shí)，使用模塊化的模擬系統(tǒng)可以很方便地建立起整個(gè)系統(tǒng)的框架并進(jìn)行模擬計(jì)算，這使得它們非常適用于研究領(lǐng)域，通過(guò)模擬計(jì)算去了解在系統(tǒng)的各個(gè)部件確定后系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其是在設(shè)計(jì)的初步階段，設(shè)計(jì)人員無(wú)法掌握所有的信息，某些數(shù)據(jù)是模擬的輸出而不是輸入。例如，在方案設(shè)計(jì)階段，當(dāng)設(shè)計(jì)人員試圖比較不同的系統(tǒng)形式時(shí)，因?yàn)榭照{(diào)機(jī)組的選擇應(yīng)該在方案確定之后進(jìn)行，他無(wú)法了解空調(diào)機(jī)組的具體信息。為了使模塊化的模擬程序能夠運(yùn)行，使用者不得不采用"缺省"的部件，選擇某種"缺省的空調(diào)機(jī)組"來(lái)構(gòu)建模擬系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)模擬軟件一個(gè)很重要的特性是輸出嚴(yán)重地依賴(lài)于輸入。因此，模擬由諸多"缺省"的部件組成的系統(tǒng)，其結(jié)果對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)不具備指導(dǎo)意義，當(dāng)其"缺省"的是后續(xù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)時(shí)，這樣的模擬計(jì)算無(wú)助于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行決策。因此，模塊化的模擬工具雖然適用于學(xué)術(shù)研究，但并不適用于工程設(shè)計(jì)。

與模塊工具相比，基于功能的模擬工具靈活性較低，但是更接近于設(shè)計(jì)人員思路，因此較容易被采用。為了把握全年的運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)人員通常用其來(lái)計(jì)算建筑物全年的能耗要求。作為其代表的DOE由建筑模擬、系統(tǒng)模擬和機(jī)組模擬三大部分組成。但其中各模塊之間的關(guān)聯(lián)存在著缺陷。例如，"在空調(diào)系統(tǒng)的模擬中，假設(shè)送風(fēng)溫度是已知的。這樣的處理對(duì)于簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式是有效的，但對(duì)于較復(fù)雜的系統(tǒng)則無(wú)法工作，需要采用前一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，或者建筑物的模擬必須進(jìn)行兩次"。這意味著設(shè)計(jì)人員在方案分析階段，進(jìn)行方案比較時(shí)，不得不回到概念性階段，再次進(jìn)行建筑模擬計(jì)算。建筑模擬和系統(tǒng)模擬之間的聯(lián)系無(wú)法體現(xiàn)出設(shè)計(jì)過(guò)程中兩兩個(gè)階段之間的關(guān)聯(lián)。而采用房間負(fù)荷作為各個(gè)階段之間的聯(lián)系導(dǎo)致建筑模擬、系統(tǒng)模擬和機(jī)組模擬等各模塊過(guò)度緊密地耦合在一起，這使得DOE被限制在建筑物全年能耗分析，而不能勝任設(shè)備選擇以及管網(wǎng)系統(tǒng)校驗(yàn)等工作。

由此可見(jiàn)，上述兩種模擬分析工具都存在著某些缺點(diǎn)而無(wú)法有效地應(yīng)用在設(shè)計(jì)過(guò)程中。因此，制作一個(gè)適用于設(shè)計(jì)的模擬分析工具，必須充分考慮設(shè)計(jì)過(guò)程的階段性；處理好各個(gè)設(shè)計(jì)階段中的已知、未知關(guān)系；設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)考慮全年的運(yùn)行狀態(tài)，因此必須采用另一種運(yùn)行方式來(lái)替代實(shí)際的小步長(zhǎng)控制方式模擬。

作為ANNEX30的一個(gè)參加者，清華大學(xué)提出了"分階段設(shè)計(jì)，分階段模擬"的思路，在充分考慮上述3個(gè)要素的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了建筑環(huán)境控制系統(tǒng)模擬分析工具包，并應(yīng)用在若干實(shí)際工程中。DeST是基于功能的模擬軟件，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的不同階段，提供相應(yīng)的功能性模塊。其任務(wù)是在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)建筑模擬、方案模擬、系統(tǒng)模擬、水力模擬等手段對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，并根據(jù)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從而保證設(shè)計(jì)的可靠性。

2DeST的結(jié)構(gòu)

DeST在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了"設(shè)計(jì)的階段性"這一特點(diǎn)。相應(yīng)于設(shè)計(jì)的不同階段，DeST由不同的功能性模塊組成，并根據(jù)階段之間的聯(lián)系在模塊之間建立其相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。圖1是DeST的整體框架結(jié)構(gòu)示意圖。矩形表示各個(gè)模塊，箭頭表示各模塊之間的關(guān)系。

圖1DeST結(jié)構(gòu)框架示意圖

DeST所需要的氣象數(shù)據(jù)由Medpha產(chǎn)生，其基礎(chǔ)是20年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和隨機(jī)氣象數(shù)學(xué)模型。目前Medpha可以生成各格式的、193個(gè)中國(guó)城市的逐時(shí)氣象參數(shù)。計(jì)算機(jī)輔助建筑描述程序CABD是一個(gè)基于ACAD平臺(tái)的建筑描述界面，設(shè)計(jì)人員通過(guò)它描述建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及各種內(nèi)擾的變化情況。在進(jìn)行詳細(xì)的建筑模擬時(shí)，需要輸入各種經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這通過(guò)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)維護(hù)程序ECM完成。CABD是DeST的主控界面，它把用戶(hù)繪制的建筑物的相關(guān)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸給建筑分析模擬模塊BAS。BAS的任務(wù)對(duì)建筑物進(jìn)行詳細(xì)的逐時(shí)模擬，其數(shù)學(xué)模型是增強(qiáng)的狀態(tài)空間法[6，7]。BAS是一個(gè)精確的多空間建筑模擬程序，它負(fù)責(zé)計(jì)算逐時(shí)的房間基礎(chǔ)室溫。逐時(shí)的基礎(chǔ)室溫反映了房間在被動(dòng)熱擾影響的下的熱特性。在初步設(shè)計(jì)階段，建筑師可以通過(guò)基礎(chǔ)室溫來(lái)比較各種因素的影響，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料、朝向、建筑物的形狀等等。當(dāng)建筑設(shè)計(jì)確定之后，方案模擬程序Scheme可用來(lái)計(jì)算建筑物在各種空調(diào)方案下的熱特性，在方案設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)模擬結(jié)果對(duì)不同的空調(diào)系統(tǒng)方案進(jìn)行比較取舍。在方案確定之后，方案模擬程序計(jì)算出對(duì)機(jī)組或者末端的詳細(xì)要求，通過(guò)逐時(shí)系統(tǒng)要求的送回風(fēng)參數(shù)以及風(fēng)量，空調(diào)機(jī)組選擇程序ACSel對(duì)選擇的設(shè)備進(jìn)行全工況滿(mǎn)足要求，另一方面可以檢驗(yàn)各設(shè)備在全年工況下是否能完全滿(mǎn)足需求，另一方面得到對(duì)冷熱源的水溫、水量要求。當(dāng)對(duì)冷熱源的需求明確后，類(lèi)似的方法可以用于冷熱源的需求明確后，類(lèi)似的方法可以用于冷熱源的優(yōu)化選擇，通過(guò)冷熱源優(yōu)化程序CPO對(duì)用戶(hù)選擇的冷凍機(jī)類(lèi)型、臺(tái)數(shù)和運(yùn)行方式進(jìn)行校核，保證機(jī)組在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)保持最高的能效比。通過(guò)方案模擬得到全年逐時(shí)要求的風(fēng)量后，再通過(guò)送風(fēng)管網(wǎng)可及性分析DNA計(jì)算出風(fēng)機(jī)全年的工況點(diǎn)，從而可以根據(jù)其全運(yùn)行要求選擇風(fēng)機(jī)，使其大部時(shí)間工作在高效率區(qū)間內(nèi)。同時(shí)，通過(guò)可及性分析也可計(jì)算出各末端要求的壓差，以此通過(guò)NLA對(duì)變風(fēng)量末端進(jìn)行噪聲分析。類(lèi)似的策略可以用于水管分析，通過(guò)PNA來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2列出了設(shè)計(jì)的各階段及其對(duì)應(yīng)的DeST模擬程序。

圖2DeST各模塊及其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)階段

通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在每一個(gè)階段都能利用相應(yīng)的模擬模塊來(lái)計(jì)算不同設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的性能，并通過(guò)比較確定較佳的方案。同時(shí)，本階段模擬的一部分結(jié)果也是下一階段設(shè)計(jì)的輸入作為一個(gè)服務(wù)于設(shè)計(jì)者的工具，DeST根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求進(jìn)行繁復(fù)的計(jì)算，而設(shè)計(jì)得通過(guò)分析模擬結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較取舍。

3對(duì)已知和未知條件的處理

設(shè)計(jì)過(guò)程包含各種不同的設(shè)計(jì)階段，每個(gè)階段的已知和未知條件不同，隨著設(shè)計(jì)的展開(kāi)，各階段的已知和未知條件也隨時(shí)之相互轉(zhuǎn)化，前一階段的未知因素通過(guò)設(shè)計(jì)成為本階段的已知條件。例如，在初步設(shè)計(jì)階段，內(nèi)外擾是已知條件，在這些擾運(yùn)作用下建筑物的熱特性是未知的；而到了方案設(shè)計(jì)階段，建筑物的熱特性成為已知因素，設(shè)計(jì)者需要在詳細(xì)的建筑物熱特性的基礎(chǔ)上對(duì)空調(diào)方案進(jìn)行比較、取舍，并為進(jìn)一步的設(shè)備選擇提供依據(jù)。建筑物的熱特性是初步設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)之間的重要橋梁，通過(guò)設(shè)計(jì)分析，它從前一階段的未知條件變?yōu)楹笠浑A段的已知條件。

在每一個(gè)設(shè)計(jì)階段，DeST采用詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型來(lái)表述已知的部分，而"理想化"的部件來(lái)表述未知的部分。假設(shè)"理想化"的部件能滿(mǎn)足任何的要求。這樣的處理與設(shè)計(jì)過(guò)程相當(dāng)吻合，并且避免了"缺省的部件"對(duì)模擬結(jié)果的不利影響。因?yàn)橛行┪粗牟糠滞堑较乱浑A段才能解決，無(wú)論采用何種的"缺省部件"都不能保證與下一階段最終選擇的部件一致。采用"理想化"模型具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

·基于"理想化"模型的模擬結(jié)果具有可比性，因?yàn)樗鼈儾捎昧讼嗤妮斎牒图僭O(shè)。

·可以得到對(duì)下一階段的需求。"理想化"模塊的輸出便是對(duì)實(shí)際設(shè)備的要求，而"缺省設(shè)備"則無(wú)法為下階段選擇提供有益的信息。

以方案設(shè)計(jì)階段為例，表1中給出了本階段的任務(wù)、已知和未知條件。表1方案分析階段的任務(wù)和條件任務(wù)選擇適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)方式、空調(diào)系統(tǒng)形式以及運(yùn)行方式已知建筑物的熱特性未知送風(fēng)管道系統(tǒng)

空調(diào)機(jī)組的詳細(xì)信息

控制手段

方案模擬數(shù)學(xué)模型為

，每一時(shí)間步長(zhǎng)

式中，tk為房間k的空氣溫度；dk為房間k的含濕量；Qk為通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管或末端再熱器投入到房間k的冷熱量；Gk為房間k的送風(fēng)量；tk,base為房間k的基礎(chǔ)室溫；A，Aj，Bj為狀態(tài)空間法中的系數(shù)；tsupply為機(jī)組的送風(fēng)溫度；dsupply為機(jī)組的送風(fēng)含濕量；tk,set,min，tk,set,max分別為房間k的溫度設(shè)定最小值和最大值；φk,set,min，φk,set,max為房間k的相對(duì)溫度最小值和最大值，%；Gk,min，Gk,max為房間k的最小和最大送風(fēng)量；Qk,min，Qk,max為房間k的風(fēng)機(jī)盤(pán)管或者末端熱器可投入的冷熱量最小值和最大值；tout，dout為房間k分別為室外的空氣溫度和含濕量；treturn，dreturn分別為機(jī)組的回風(fēng)溫度和含濕量；min：J為空氣處理室及各末端的最小能耗。

通過(guò)詳細(xì)的建筑模擬，得到了各房間的基礎(chǔ)室溫tk,base和空調(diào)系統(tǒng)作用在房間溫度上的影響系數(shù)A和Aj。它們是本階段的已知因素。各個(gè)時(shí)刻下送風(fēng)量、送風(fēng)狀態(tài)以及風(fēng)機(jī)盤(pán)管或者末端再熱器的輸出需要通過(guò)本階段的模擬來(lái)確定，其目標(biāo)是使系統(tǒng)內(nèi)所有的房間都能滿(mǎn)足其設(shè)定值要求，所有的參數(shù)都必須滿(mǎn)足方程組的限制。通過(guò)下列步驟，可以計(jì)算出各種空調(diào)方案下系統(tǒng)的性能：

①計(jì)算每一個(gè)房間所要求的送風(fēng)狀態(tài)區(qū)域；

②由于在任一時(shí)刻，系統(tǒng)只能存在一個(gè)統(tǒng)一的送風(fēng)狀態(tài)，因此需要求出所有房間送風(fēng)狀態(tài)區(qū)域的交集；

③以公共的送風(fēng)狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)作為送風(fēng)參數(shù)，都能使分區(qū)內(nèi)所有的房間滿(mǎn)足其設(shè)定值要求，而不同的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空氣處理能耗是不同的，在此通過(guò)某種優(yōu)化算法計(jì)算出公共送風(fēng)狀態(tài)區(qū)域中的最優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)確定產(chǎn)生此最優(yōu)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的相應(yīng)的空氣處理過(guò)程：

④在確定最優(yōu)的送風(fēng)狀態(tài)之后，依據(jù)能耗最小的原則，可以確定系統(tǒng)的送風(fēng)量及風(fēng)機(jī)盤(pán)管或者末端再熱熱器投入的冷熱量。

⑤計(jì)算出各個(gè)房間的溫濕度。

根據(jù)計(jì)算出來(lái)的逐時(shí)的各個(gè)房間的溫濕度，統(tǒng)計(jì)全年內(nèi)各房間滿(mǎn)足設(shè)定值要求的小時(shí)數(shù)或者比率，并以此來(lái)比較不同空調(diào)方案的性能。如果不同的方案都能滿(mǎn)足各房間要求，則通過(guò)各方案要求能耗值來(lái)進(jìn)行比較。

在此階段，空氣處理室被發(fā)作一個(gè)"理想化"的設(shè)備，假設(shè)它能夠產(chǎn)生要求的任意送風(fēng)溫濕度。在進(jìn)行方案模擬時(shí)，只需要確定空氣處理室的類(lèi)型，而不需要確定各組成的詳細(xì)參數(shù)。圖3是一個(gè)"理想化"空氣處理室的示意圖，該空氣處理室的示意圖，該空氣處理室包括一個(gè)混合段、表冷盤(pán)管、再熱盤(pán)管以及蒸汽加濕器。t1，t2代表室外和室內(nèi)的空氣狀態(tài)，tW是冷凍水進(jìn)口溫度。當(dāng)空氣處理室的類(lèi)型確定后，類(lèi)似圖3的焓濕圖分區(qū)也隨這確定?？諝馓幚磉^(guò)程的方向受到設(shè)備類(lèi)型的限制，例如加熱過(guò)程必然是一根垂直向上的線。而設(shè)備的容量是無(wú)限的，空氣處理過(guò)程線的長(zhǎng)度可以任意長(zhǎng)。采用"理想"化的空氣處理室進(jìn)行方案模擬，可以計(jì)算出全年中各個(gè)時(shí)刻對(duì)各個(gè)部件的要求。當(dāng)方案確定后，對(duì)整個(gè)空氣處理室的要求隨之確定。根據(jù)逐時(shí)要求的各段空氣處理過(guò)程線，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段可以對(duì)機(jī)組的各個(gè)組成部件進(jìn)行詳細(xì)的校核。

圖3一個(gè)“理想化”的空氣處理室

同樣的假設(shè)也被用在送風(fēng)管網(wǎng)分析上。在方案分析階段，假設(shè)送風(fēng)管網(wǎng)可以提供任意要求的送風(fēng)量。當(dāng)方案設(shè)計(jì)完成后，也得到了要求的逐時(shí)風(fēng)量分布數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)正是進(jìn)行風(fēng)機(jī)和管網(wǎng)的詳細(xì)校核所需要的。

4控制和逆向計(jì)算過(guò)程

通?？刂贫际且孕〔介L(zhǎng)進(jìn)行的，但在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮建筑物和系統(tǒng)全年的運(yùn)行情況。如何將這兩種不同類(lèi)型的過(guò)程結(jié)合在一起呢？實(shí)際上，設(shè)計(jì)可以劃分成兩個(gè)層次：空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)。DeST注重于解決前一層次的問(wèn)題。無(wú)論選擇何種系統(tǒng)，采用何種設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是要產(chǎn)生一個(gè)完全可控的、能夠滿(mǎn)足用戶(hù)要求的系統(tǒng)。DeST對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，以1h為時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算。為了避免不同控制器特性的影響，沒(méi)有采用小步長(zhǎng)的控制方法，而用逆向的計(jì)算過(guò)程。例如，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，當(dāng)對(duì)變風(fēng)量系統(tǒng)的送風(fēng)管網(wǎng)進(jìn)行分析時(shí)，設(shè)計(jì)者的任務(wù)是校驗(yàn)管網(wǎng)能否滿(mǎn)足各個(gè)時(shí)刻的風(fēng)量分布要求，并選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機(jī)。

為解決此問(wèn)題，采用傳統(tǒng)小步長(zhǎng)控制的模擬過(guò)程是：

①選擇一個(gè)風(fēng)機(jī)，設(shè)定控制參數(shù)；

②計(jì)算管網(wǎng)各處的流量；

③如果管網(wǎng)的流量與要求的流量沒(méi)，通過(guò)某種控制策略調(diào)整變風(fēng)量末端；

④在下一個(gè)小的時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，重復(fù)②，以期達(dá)到要求的流量分布。

由于風(fēng)道的慣性非常小，此模擬必須以相當(dāng)小的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，能否達(dá)到要求的流量分布與控制策略有很大的關(guān)系，因此此方法不適用于對(duì)全年各種工況的校驗(yàn)。從另一個(gè)角度考慮此問(wèn)題，假想在一種理想化的控制下，各變風(fēng)量末端可以滿(mǎn)足要求的送風(fēng)量，從而可以計(jì)算出各管段上的流量；假設(shè)各房間的壓力為零，則當(dāng)定壓點(diǎn)壓力能夠維持時(shí)，各變風(fēng)量前后的壓差可以計(jì)算出來(lái)，對(duì)風(fēng)機(jī)的流量和壓力要求也可以確定。相對(duì)于傳統(tǒng)的模擬過(guò)程，這是一種逆向的求解過(guò)程。因此，校驗(yàn)送風(fēng)量分布是否能夠?qū)崿F(xiàn)，應(yīng)該首先通過(guò)在各工況下地風(fēng)機(jī)的要求來(lái)判斷，而不應(yīng)立即著眼于確定詳細(xì)的控制策略。只要風(fēng)機(jī)和管網(wǎng)能夠在理想控制下滿(mǎn)足要求，則必然可以通過(guò)某種具體的控制方式滿(mǎn)足流量分布。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先解決"可控性"的問(wèn)題，然后再解決"如何控制"的問(wèn)題。圖4給出了在兩種定靜壓控制方式和一種變靜壓控制方式下風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上可以選擇風(fēng)機(jī)以滿(mǎn)足全年運(yùn)行，結(jié)合風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)，確定風(fēng)機(jī)全年能耗，也可以根據(jù)各變風(fēng)量末端的壓差計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻下的末端噪聲。

圖4不同靜壓控制方式下的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)

定壓點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)出口處□浮動(dòng)靜壓控制△定壓點(diǎn)位于風(fēng)道上距風(fēng)機(jī)出口2/3處

采用逆向的求解思路，避免了采用小步長(zhǎng)的反饋控制，逆向的求解過(guò)程可以看成一種開(kāi)環(huán)的"理想化"控制方法。用此方法在進(jìn)行設(shè)備校核計(jì)算時(shí)，可以計(jì)算出已知出口和入口參數(shù)時(shí)對(duì)冷凍水側(cè)的要求。如果校核發(fā)現(xiàn)該設(shè)備無(wú)法達(dá)到要求的出口狀態(tài)，則無(wú)論采用何種控制方式，該設(shè)備都無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)行的要求。從此意義上說(shuō)，通過(guò)逆向的求解算法，DeST著重研究系統(tǒng)的可控制性，即：

①該設(shè)備能否通過(guò)某種控制方式滿(mǎn)足要求？

②如果可以，該設(shè)備的最佳運(yùn)行效果是什么？

通過(guò)校核回答以上兩個(gè)問(wèn)題后，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步研究具體的控制方法，并通過(guò)與最佳的運(yùn)行效果進(jìn)行比較以確定控制方法的優(yōu)劣。

5DeST的用戶(hù)界面

DeST在WINDOWS95/98/NT下運(yùn)行。所有的模塊都集成到CABD中。CABD是一個(gè)基于AutoCADR14開(kāi)發(fā)的用戶(hù)界面。用戶(hù)在此界面上進(jìn)行建筑物的描述，通過(guò)選單調(diào)用其它模擬模塊，與建筑物相關(guān)的各種數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口與CABD相連。采用CABD繪制如圖5所示的建筑物大約需要1～3h。建筑模擬所需要的逐時(shí)氣象參數(shù)，通過(guò)利用Medpha選取相應(yīng)的城市即可獲得。

圖5CABD的界面形式

圖6Medpha(逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)生成程序)完成建筑物內(nèi)外擾的描述之后，BAS負(fù)責(zé)對(duì)建筑物進(jìn)行詳細(xì)的模擬計(jì)算，并同步在如圖7的示的界面中顯示逐時(shí)的基礎(chǔ)室溫以及月平均溫度。在方案模擬的進(jìn)程中，空氣處理過(guò)程可動(dòng)態(tài)地在焓濕圖上顯示，讓用戶(hù)了解在DeST中各種參數(shù)是如何確定的。

圖7BAS(建筑分析及模擬程序)

各種模塊以ActiveX、DLLs通訊ARX的形式集成在一起，使得DeST成為一個(gè)高度集成化的軟件工具，其目的是最大限度地減少用戶(hù)花費(fèi)在輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間，讓設(shè)計(jì)人員將注意力集中在分析模擬結(jié)果、比較方案等創(chuàng)造性的工作中。所有的模擬結(jié)果以純文本的格式存儲(chǔ)，用戶(hù)可以很方便地使用其它數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行整理和分析。通過(guò)一定的實(shí)踐，當(dāng)用戶(hù)能夠熟練地使用DeST的界面后，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)以及運(yùn)行程序所消耗的時(shí)間大概是分析所需要的時(shí)候的1/4或者更少。

6DeST能夠解決的問(wèn)題

下面用兩個(gè)實(shí)例來(lái)演示如何采用DeST設(shè)計(jì)的不同階段進(jìn)行分析。其一是ANNEX30案例1中1個(gè)9層的辦公樓，該樓位于德國(guó)，在模擬時(shí)采用了比利時(shí)的室外氣象參數(shù)。設(shè)計(jì)要求房間溫度全年控制在22～26℃，相對(duì)濕度必須滿(mǎn)足40%～60%的范圍。該案例的詳細(xì)數(shù)據(jù)參閱文獻(xiàn)[10]。圖8該建筑的標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。另案例是位于天津的一個(gè)商業(yè)建筑。

圖8ANNEX案例1的建筑平面圖

初步設(shè)計(jì)階段

在本階段，通過(guò)DeST計(jì)算出不同朝向下各房間逐時(shí)的基礎(chǔ)室溫，對(duì)該建筑物的不同朝向進(jìn)行了比較。圖9、10分別是不同朝向下兩房間全年的基礎(chǔ)室溫分布。

圖9休息室1的基礎(chǔ)室溫分布

圖10會(huì)議室1的基礎(chǔ)室溫分布從上述結(jié)果可以看出，朝向?qū)τ陬?lèi)似會(huì)議室1的房間沒(méi)有太大的影響，而對(duì)于類(lèi)似于休息室1的房間，則有顯著的影響。朝東時(shí)該類(lèi)房間要比朝南時(shí)溫度偏高許多，這說(shuō)明太陽(yáng)輻射對(duì)于此類(lèi)房間是一個(gè)很重要的影響因素，通過(guò)此比較可對(duì)建筑的最初設(shè)計(jì)提供參

考。

方案設(shè)計(jì)：水系統(tǒng)類(lèi)型比較

圖11是位于天津的一個(gè)賓館的示意圖。該樓計(jì)劃4個(gè)朝向都采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)。為滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，房間溫度必須能夠在22～28℃之間任意調(diào)整。因此，不同的控制精工要求對(duì)于風(fēng)機(jī)盤(pán)管制供水需求有很大的影響，尤其在過(guò)渡季?？刂凭纫笤礁?，同時(shí)需要提供冷水和熱水的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖11天津某商業(yè)建筑物的標(biāo)準(zhǔn)層示意圖

在模擬時(shí)，考慮了3種不同的控制精度，表2是3種不同的精度及其對(duì)應(yīng)的設(shè)定值范圍。

在每一種控制精度下，DeST對(duì)該樓進(jìn)行了全年的模擬，計(jì)算出各月份需要冷熱源同時(shí)提供冷水和熱水的小時(shí)數(shù)，表3是過(guò)濾季時(shí)結(jié)果。表23種不同的溫度精度要求精度房間的設(shè)定值±121±123±125±1±222±224±226±2±323±324±325±3表3需要同時(shí)提供冷熱水的運(yùn)行時(shí)間/h精度3月4月5月熱冷熱冷熱冷±1℃744304604450345709±2℃744175579204272525±3℃66513315479288精度9月10月11月熱冷熱冷熱冷±1℃256684589544720149±2℃16956957132372075±3℃53663665366811注：“熱”，“冷”分別表示需要供熱水和冷水。從結(jié)果可以看出，當(dāng)要求的精度較高時(shí)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管需要設(shè)計(jì)成四管制以滿(mǎn)足各個(gè)時(shí)刻同時(shí)的冷熱水要求，否則在過(guò)渡季中將有上千h不滿(mǎn)足。如果要求的精度不高，則兩管制的系統(tǒng)基本可以滿(mǎn)足要求，在6個(gè)月的過(guò)渡季內(nèi)，共有138h不能滿(mǎn)足要求。相應(yīng)的冷熱水供應(yīng)時(shí)期也可以確定，在4，5月和10，11月只供應(yīng)熱水，在6～9月都供應(yīng)冷水。

方案設(shè)計(jì)階段：運(yùn)行方式比較

在ANNEX30案例1中，對(duì)每1層的8個(gè)房間設(shè)計(jì)采用變風(fēng)量系統(tǒng)。由于比利時(shí)夏季的室外溫度并不高，因此新風(fēng)的應(yīng)用策略對(duì)空調(diào)機(jī)組能耗需求影響較大。本例中比較了兩種新風(fēng)策略，一種設(shè)定新風(fēng)比從30%到100%可調(diào)，另一種設(shè)定新風(fēng)比全年固定為30%。圖12～16是采用DeST進(jìn)行模擬后得到的結(jié)果。

圖12變新風(fēng)比下全年要求的新風(fēng)量

圖13兩種新風(fēng)策略下各月需要機(jī)組提供的冷量

圖14全年總冷量的需求比較

圖15風(fēng)機(jī)性能曲線

圖18不同靜壓控制方式下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗

圖12給出了全年模擬所得到的新風(fēng)需求量。在冬季，新風(fēng)量越少越少省能；從5～9月，新風(fēng)可利用的潛力很大，系統(tǒng)可以通過(guò)增大新風(fēng)量來(lái)節(jié)省制冷能耗。由于比利時(shí)夏季的室外氣溫相對(duì)較低，通過(guò)充分利用新風(fēng)，可以節(jié)省大約3/4的冷量。由于計(jì)算中采用了逆向的求解過(guò)程，避免了迭代，因此在進(jìn)行此類(lèi)方案模擬時(shí)，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)設(shè)計(jì)者也可通過(guò)冷量的需求對(duì)兩種新風(fēng)策略進(jìn)行量化的比較。

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段：風(fēng)機(jī)的選擇

在ANNEX案例1中，通過(guò)方案分析得到逐時(shí)各房間所需求的風(fēng)量變化，進(jìn)一步利用風(fēng)道分析程序計(jì)算出全年要求的風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)。選擇風(fēng)機(jī)之后，根據(jù)不同的控制方式，可以計(jì)算出全年風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗。圖15是廠家提供的風(fēng)機(jī)性能曲線和效率曲線，圖16是模擬分析的結(jié)果，即3種不同的靜壓控制方式下風(fēng)機(jī)的全年能耗。

本例中，比較了3種靜壓控制方式：定壓點(diǎn)位于風(fēng)機(jī)出口處、定壓點(diǎn)位于風(fēng)道上距風(fēng)機(jī)2/3長(zhǎng)度處以及浮動(dòng)靜壓控制方式。從模擬結(jié)果看，浮動(dòng)靜壓的控制方式比定壓點(diǎn)于風(fēng)機(jī)出口處的控制方式能減少大約2/3的能耗，這是因?yàn)樵诟?dòng)靜壓控制方式下，同樣的流量需要風(fēng)機(jī)提供的壓頭要小，而其工況點(diǎn)大多數(shù)分布在風(fēng)機(jī)的高效率區(qū)間。此類(lèi)分析既可用于設(shè)計(jì)中比較不同風(fēng)機(jī)靜壓控制方式，并根據(jù)全年的工況點(diǎn)來(lái)選擇風(fēng)機(jī)，使其能夠大多數(shù)時(shí)間工作在高效率區(qū)間，也可以用于系統(tǒng)改造中，對(duì)改造效果進(jìn)行量化比較。

此外，DeST也可以用于對(duì)空氣處理室各部件進(jìn)行各工況的樣驗(yàn)，確定最佳的空氣處理過(guò)程，分析冷凍機(jī)最優(yōu)的運(yùn)行模式等等。為實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的校核，關(guān)鍵在于充分利用已知階段的數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬獲得合理的全工況點(diǎn)，并將期用于下一階段的設(shè)計(jì)。

7結(jié)論

①與傳統(tǒng)的模擬軟件相比，DeST有用了不同的模擬方式。通過(guò)采用逆向的求解過(guò)程，對(duì)已知部分采用詳細(xì)的模型而對(duì)未知部分采用"理想化"的部件，使得在設(shè)計(jì)的不同階段可以采用相應(yīng)的模擬分析手段，同時(shí)又依據(jù)各設(shè)計(jì)階段之間的關(guān)系將各模塊集成為一個(gè)整體。這使得DeST更接近于實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程，設(shè)計(jì)者可以采用DeST在設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段通過(guò)詳細(xì)的模擬進(jìn)行校核，從而保證設(shè)計(jì)的可靠性。

②基于全工況的設(shè)計(jì)是更可靠的設(shè)計(jì)。DeST在每一個(gè)設(shè)計(jì)階段都計(jì)算出逐時(shí)的各項(xiàng)要求，使得設(shè)計(jì)可以從傳統(tǒng)單點(diǎn)設(shè)計(jì)拓展到全工況設(shè)計(jì)。

③在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，減少消耗在數(shù)據(jù)輸入上的時(shí)間是非常重要的，DeST彩了各種集成技術(shù)并提供了良好的界面，因此可以很方便地應(yīng)用到工程實(shí)際中。從1998年后半年至今，DeST已經(jīng)成功地用于20余例實(shí)際