动态仿真软件Dymola在建筑能耗分析中的应用.doc

动态仿真软件Dymola在建筑能耗分析中的应用动态仿真软件DymoIa在建筑能耗分析中的应用同济大学秦朝葵尹宁摘要:介绍了新一代模拟仿真软件Dymola的基本原理和特点,并与目前常用的Simulink进行了比较,同时对将该软件应用于建筑暖通空调设备的动态分析模拟币ll系统仿真方面的思路予以阐述.关键词:Dymola仿真能耗分析1引言据估计,空调系统的能耗在建筑总能耗中的比例高达30%50%,这一比例随着气候,舒适程度要求的不同而有所变化.长期以来,对空调系统的能耗大都基于静态的设计工况,很少在变化气候的负荷条件下进行评估.随着上海市公用建筑节能标准的实施,越来越多的设计方案将按照动态能耗指标来进行比照和测评,动态能耗计算软件也将日益成为设计人员不可或缺的设计工具.例如,由美国能源部资助开发的软件DOE,可以进行不同空调系统配置方案和不同建筑设计方案下的能耗计算;类似的国产软件DEST,HDY等都可实现建筑设计方案的空调负荷动态计算.在进行动态能耗计算时,很重要的一点是考虑设备的部分负荷运行性能,因为绝大部分情况下,设备是处于部分负荷下工作的,真正反映系统动态能耗的计算必须在确立合理,可靠的控制策略下进行.遗憾的是,目前几乎所有的动态仿真软件都不提供可供选择的设备组合,仅提供有限的设备种类,型号.Dymola是在瑞典Li6ping大学的技术支持下,由Modelica协会研发的新一代计算与仿真软件.该软件主要采用Modeliea语言,是一种基于物理模型实体的建模和仿真软件.该软件问世以后,以其独特的简单实用性,模型一目了然的图形化设计,大量的预定义模块数据库以及用户自定义模块良好的可重复利用性,带来了建模和仿真领域的一场荜命性,殳单.)2006年第1期上海煤气Dymola具备其它软件所没有的诸多优点和功能,如内核开放,用户自定义便捷等.该软件在国内的应用,尤其是暖通空调领域的应用尚处于起步阶段.本文对该软件在建筑冷热电系统方面应用的可能性和主要优点进行初步分析和论述.2DymoIa简介【】2.1基于物理模型实体的模拟和仿真软件与传统的,基于Matlab的模拟和仿真软件Simuli相比,Dymola最大的特点在于它的模型内部结构具有无方向性的特点.而在国内广泛应用的Simuli,其输入和输出信号之间的步骤具有明确和唯一的方向性,其本质是一种数学上的赋值语句.举一个最简单的例子,在Simuli建模过程中,有Z=X+Y的关系存在,其中X,Y作为输入量,Z作为输出量的关系已经由上述赋值语句确定了,X,Y与对应的Z是一种因与果的关系,Simuli可以由给定的因推算出果,而不具备根据上述等式关系,由果计算出因的能力.而在实际工程应用中,每台设备都是一个不依赖于其它相关设备而存在的独立物理实体,Simuli中定义的输出端状态的改变会直接影响输入端的状况,这就使Simuli依赖的方向性建模在实际应用带来了很大的局限性.首先,其系统图由各环节的输入/输出量之间的复杂代数和逻辑关系组成,可读性差,不够清晰简洁:其次,在Simuli中系统的单个设备的表达依赖于相邻设备的输入信号,而且输出信号要与运行过程后一个设备进行恰当的联系,这就严重影响了设备模块的可重复利用性.而Dymola的无方向性特点从根本上克服了Simulink上述无法克服的弱点.这种无方向性是基于守恒定律的理念来实现的.如果将上述例子中的,Y,z视为三股满足z;X+Y关系的电流的话,根据守恒定律,由X,Y,z三者中的任意两者,就可以方便地推算出第三者的大小.Dymola中给出的表达式代表的是一种运算关系,而非因果分明的赋值语句,这就给它在工程领域的应用带来了极大的灵活性.这与我们平时用一系列公式确定某一设备运行特性的习惯是一致的.利用Dymola建模的过程中,这些描述性的公式可能以其原型出现在用Modelica语言编写的文本中,避免了将隐式函数转化为显式函数所需的大量工作.Dymola平台上建立的系统模型构造,外观上可以与真实系统完全类似,将这些模型存储在模型库中以后,可以通过拖一放的方式轻松地将其在不同的系统中加以重复利用.在模型库建好以后,用户可以方便地读取源程序,并随时根据自己的需要和工程实际调整程序中各关系式包含的各个参数,具有高度的开放性和灵活性.2.2Dymola-5系统动态仿真【2Dymola具有强大的动态仿真功能,这使它在建筑能耗逐时分析领域具有广泛的应用空间.与利用实验进行的仿真相比,虚拟系统仿真具有独到的优点.它可以使我们将注意力集中在为我们所关心的重要参数上,并且可以在一切可能的范围内方便地调整这些参数.在很多情况下,我们对设备建模的目的只是为了获得正确的输出信号(如出口风量,温度,湿度等),而不必去关心设备内部各个位置所处的具体状态.例如,如果我们将锅炉作为建筑供热系统的一部分加以建模,以分析建筑运行能耗时,我们关心的不是锅炉内部几何空间的温度分布情况,而是锅炉的一次能源利用率.对于新型锅炉的设计者来说,前者则是至关重要的考虑因素.在建筑能源系统的仿真和逐时能耗分析过程中,采用动态仿真方法是十分必要的手段.动态方法的表达式可以写作如下的微分代数方程:f(x,X,Y,f,0,t)=0(1)其中X与Y都是系统未知量,t是时间,f是给定的系统边界条件,在计算时间(f,f)范围内满足f(力=常数,O是待求的量.系统的主导变量是由微分方程来描述的,而Y则是由代数方程来描述的.微分代数方程可以用来描述复杂能源系统的建立,运行调节和系统优化等诸多问题,使结果具有良好的可信度和数值稳定性.3设备模拟笔者已经完成并纳入Dymola模块库的空调系统设备包括制冷机组,表冷器,换热器,除湿转轮,焓交换转轮,余热锅炉,加热器,热电联产机组,冷却塔等.根据研究的需要,新的设备模块还在不断地加入模块库.模块库中现有的模型也可以根据选用设备的型号不同随时进行适当的修改.下面以表冷器为例简单介绍一下在Dymola中用Modelica语言构筑设备模块的方法.热交换设备的模拟常用的作法有两种:1)非连续方法,对于两侧的流体运用多重控制体积;2)综合法,对于两侧的流体分别采用单一的控制体积以及同一个热交换方程.由于在表冷器中存在相变,因此应采用第一种方法.编写源程序是在Modelica文本(ModelicaText)中实现的,思路如下:首先选定表冷器的型号,用parameterReal语句分别给出迎风面积,每排散热面积,通水断面积通用热交换效率E,用parameterInteger给出排数.在编写Modelica语言过程中,公式中出现的任何常量和变量都必须事先声明(declare)其具体类型.Modelica语言接受的数据类型共有四种,它们分别是整型(Integer),实型(Rea1),布尔型(Boolean1和字符型(String).用parameter给出的参数是在仿真运算过程中保持不变的最,但可以根据不同的情况进行手工调整.给出数据类型的另一种方式是用import命令调用Modelica自带的标准国际单位库(Modelica.Siunits),然后分别给出以上参数的类型,上海煤气2006年第1期(如迎风面积,的类型是ModelicaSiunitsArea类型给出以后,的单位就自动默认为标准国际单位m了.声明变量类型的方式与常量类似,区别在于类型前面不带有parameter语句,也不必在变量符号后面为变量赋值.在表冷器计算所需的所有常量和变量都予以声明以后,就进入了第二阶段列出计算所需公式表(equation).本文将采用假定空气出口温度进行试算的办法,运算过程中将涉及运用Modelica语言书写逻辑语句,赋值运算和迭代运算.1)表冷器的迎面风速,和水流速W为:南(2)W:(3)=ljI-1000一其中:G空气的质量流量,kg/s:冷冻水的质量流量,kg/s;砌D空气的密度口,kg/m.2)给出空气进口温度f并假定空气出口温度为f2,下面是赋值迭代部分(algorithm):t,的初值由赋值语句t2:=10给出,注意,这里的:是给t2赋值,区别于上述等式中的=.则出口的湿球温度t2:;f2一(f1一f1)(1一E)(4)然后根据关系=o.0707t+o.6452t.+16.18计算空气进出口的焓值:il:=O.0707f21+O.6452t1+16.18(5)i2:=O.0707f22+O.6452t.2+16.18(6)其中:fl一空气进表冷器的温度,;,sl一空气进表冷器的湿球温度,.3)析湿系数c口【tlt2Jepsilon:=absf71c口(/1一t2)这里根据迭代需要,取析湿系数的绝对值(abs).然后根据经验公式求传热系数K=厂【,W)以及表冷器所能达到的E;,并把需要Egt-t2利上H得到阳作1:15.剪)2006年第1期上海煤气当E.和E小于某一设定的误差时,就可以认为假设的空气出Lj温度t2是正确的,否则应该重新设定t2.这里用到了逻辑判断语句和循环语句.首先定义变量Sub=E.一E,并赋初值为1,给出迭代精度,比如当Sub<0.001时迭代中止.用while语句给出这一迭代条件:whileSub>=0.001looploop代表下面将进行迭代循环运算,循环运算所需的赋值运算式即第二二步假定空气出口温度t2后的各方程,当运算结果不满足Sub<0.001这一要求时,将t2重新赋值:2:=2+O.Ol(8)当运算满足Sub<0.001的条件后,循环自动中止,并给出此时的空气出口温度.然后可以根据这一温度求得冷量Q和水终温.在用Modelica语言编写好源程序并调试(check)成功以后,点击界面上simulate按钮即可进入仿真界面,在设定启动(setup)参数(起始时间,步长等)后,就可以进行仿真了,仿真结果以图表的形式显示,可以在图表上同时显示多个参数值进行比较.在源程序编写好以后,可以根据今后绘制系统图的需要,为编好的模型绘制图标(icon),图标绘好以后通过拖曳和安置图标就可以在系统图上调用该模型的源程序,但应注意设备模型与外界的正确连接问题.3设备与外界的连接在Dymola,一种设备模型与相邻设备模型进行连接的可行方式有多种p】.一种简单易行的方法是把某个系统需要的所有模型放在一个模型包(package),同一模型包中的任何模型源程序之间都可以通过extends语句进行相互调用.下面给出一个通过extends语句进行模型问调用最简单的例子:模型1,命名为AB,模型给出两个输入数值A和B:modelABtwoinput-valuesgivenRealA:RealB:equation;:l1c.|-,.Al:B=2:endA-B;模型2,命名为C-D,该模型通过调用模型1中的已知值A,B计算两个相关量c和D:modelCDcalculateC&DbasedonA&BextendsAB;RealC;RealD;equationC=A+B:D=A+B:endCD:模型2可以根据在模型1中给出的数据计算出C=3,D=2.通过extends语句,就可以实现不同模型间相关参数的连接.但在复杂的模型中,这种连接方式可能会存在一定问题.造成出错的主要原因是调用程序与被调用程序间容易存在变量名之间的冲突.如模型l中给出A,B的数值,在模型2中不能重新定义.而在一些复杂系统中,所需模型问的变量名冲突往往难以避免,如暖通空调领域常用的变量名T,d,C,v以及半经验公式中常用的系数a,b,C等,如果不在命名变量的过程中慎之又慎的话,难免会因变量名,特别是个模型源程序中的中间变量名重复而发生错误.避免这一情况出现的方法就是在相邻模型之间建立连接点(connector)来代替extends语句.连接点是Dymola模块的一种类型,它给出了相邻两个模型之间进行传递和联系的各种变量名.如某一系统的两个设备间是通过过程空气的温度,湿度和风量进行联系的,由此在它们之间建立连接点ThermoPort.connectorThermoPortModelica.SIunits.CelsiusTemperatureT:Modelica.SIunits.MassFlowRateM:Realdhumidity:endThermoPort;在定义好连接点以后,即可在新建的模型中直接调用连接点来给出设备与外界相关联的所有参数.如设备包含进口和出口,就应当在进口和出口处分别定义一个连接点.这时,模型描述的就是连接点中设定的进口参数与出口参数之间的关系.当组成系统的各个设备进出口之间的关系通过各自的模型给定以后,系统模型的任务就是调用这些模型,并通过connect语句将各个设备中提供的连接点按顺序进行正确的连接(如设备A的出口连接点接设备B的进口连接点).这样,因系统模型子模块问变量名的重复而造成的错误就可以完全避免了.在建筑空调系统模型搭建好之后,就可以以建筑逐时负荷作为最初的输入量,根据不同的设备配置方案和型号选择来观察系统在各种情况下的运行效果和能耗情况,并确定合理的控制方案.笔者目前正着手利用该软件进行复合式空调系统以及与之相配套的热电联产方案的研究与评估.5使用Dymofa的体会因Dymola在国内还尚未为人们所熟知,而且笔者对Dymola在暖通空调领域的应用也处在尝试和摸索阶段,所以在模拟过程中遇到了不少困难,而解决这些难题的过程也正是对软件功能的理解的加深和对应用技巧与经验积累的过程.由于篇幅所限,细节之处无法予以详尽的阐述.Dymola是一个面向多个科学领域的通用型软件,在模拟电学,机械,力学,运动学等方面的功能也非常强大.但由于它并非是一个专为建筑设备类系统仿真专门设计的软件,它并没有给我们提供足够多的现成模块供我们使用.因此应用人员在最初的阶段工作量可能比较大,需要逐个创建他们所需的设备模块.但与此同时,Dymola及其使用的Modelica语言简单易学,学过诸如C,FORTRAN等高级语言的读者都会发现Modelica语言的编程思路与这些语言具有诸多相似之处,容易快速掌握.而对于有Matlab使用背景的读者会进一步发现Dymola从界面到使用与之都有异曲同工的地方.但与Matlab-Simulink相比较,在Dymola建构模型工作量可以大为减轻,而且程序的可读性也大大增加.这也是Dymola作为Simulink的后继者最大的改进.笔者认为Dymola以成为工程技术人员进行建筑设上海煤气2006年第1期(各能耗分析和空调系统工况仿真的强有力平台,具有其它很多软件所没有的优点和巨大的发展潜力.随着Dymola用户的增多,建筑设备专业人员之间可以互通有无,个人工作量也可以大大减少,有助于软件功能的进一步开发.3结语Dymola是一种基于物理模型实体的新一代模拟和仿真软件,它具备以往软件所不具备的很多优点.其无方向性的特点使得在Dymola平台上建构的模型内部结构大为简化,设备系统流程图清晰,且设备问的连接也有独到之处.将其应用在建筑设备能耗分析和空调系统工况仿真领域具有良好的应用前景.参考文献【11PeterFritzson,PrinciplesofObject-orientedModelingandSimulationwithModelica2,l【2】MichaelM.Tiller,IntroductiontoPhysicalModelingwithModelica【3】DymolaUsersManual(收稿日期:2005.09.07)IntroductiontotheAppIicationofSimuIationSoftwareDymoIainBuiIdingEnergyConsumptionAnalysiSTongjiUniversityQinChaokuiYinNingAbstract;Thispaperintroducedbasicprinciples,fea