中央空调系统运行仿真及城市能源监测管理平台.doc

中央空调系统运行仿真及城市能源监测管理平台中央空调系统运行仿真及城市能源监测管理平台刘志刚深圳达实国家博士后科研工作站北京大学数字中国研究院产业研究中心16th October 2007【摘要】 中央空调系统运行仿真技术强调的是在线运行仿真，它将设备运行的数据实时送到服务端进行仿真审计，从而使得在线分析、在线预测、效果跟踪等一系列重要的实时工作成为现实。在当前，我国面临的节能减排严峻压力下，迅速展开能源监测工作，将使节能受益方、节能产品方、节能政策方、节能监管方都获得有的放矢强有力的支持。本文介绍的仿真技术及“城市能源监测管理平台”，将最直接地为以上四类对象服务。【关键词】在线运行仿真、城市能源监测管理平台【声明】本文中的技术内容已经申请国家专利，并取得了专利申请号200710154141.9 一、技术背景 1、解决的技术问题 中央空调系统是一个多参量、时变性的复杂系统。其工作状态及运行过程受多因素制约，由此决定了使用计算机仿真技术描述其运行状态的优势。 从冷冻站运行工况方面：涉及主机功能、辅机功能、匹配合理性、冷媒循环、水循环、风循环、以及风道设计等； 从设备的运行环境方面：安装的地理位置、日照时间及强度、建筑墙体的阻热系数等，均影响运行能效； 从运行管理方面：不同的用户非常个性化，工作时间变化的需求、移动热源的规律性与变化性，这些动态管理也极大地影响运行能效。 中央空调系统在线运行仿真系统（以下简称“仿真系统”）基于所有用户对能耗的真实了解需求，设计了涵盖四大方面的应用功能： 1.指导新中央空调系统的能耗设计； 2.对既有建筑内的中央空调系统运行结果进行能源审计； 3.对在建中央空调系统安装进行工程监理； 4.对已安装的中央空调系统运行管理提出优化建议。 其主要功能是对中央空调系统运行具有数据说服力，同时对其复杂的运行过程、效果具有可控性，在当前国家能源紧张的形势下，其有效指导节能工作具有广阔的应用前景。 2、现有国内技术状况 我国在计算机仿真技术方面起步较晚，在国防技术中已有采用某些国外软件，90年代初的CAD/CAM/CAE还只是计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程方面，然而，对复杂的机器运行系统进行仿真，我国基本没有。我们所查询到的咨询显示，在我国资料上出现的中央空调仿真，只是对设备制造的部件仿真。而直接基于以上提到的四大应用的在线仿真，在我国基本还没有见到。 3、国外技术状况 国外已有的相关软件有：doe2.2、eQuist、Energyplus、Energy10等，但是这些软件在中国使用有很大的出入。首先，这些软件的功能是基于成熟的系统设计、成熟的工程施工、成熟的运行管理等，比如：如：必须基于完整的设计参数，基于完整的施工图纸，基于详细的原始运行记录。而在中国，改革开放20多年的高速发展，有许多非规范行为，各类原始数据不全，这就需要特别的软件功能，柔性处理类似的案例。同时，本技术系统结合现场无线传感采集手段，可实现基于现场实时状态数据进行仿真计算。（Emulate结合硬件设备的仿真，Simulate全计算机仿真），这也是本软件在数据输入缺省条件下的特别功能。 4、本仿真系统技术状况 本仿真系统是基于系统运行的仿真。作为发明者，曾经引进了加拿大著名化工企业管道设计优化仿真软件，吸取其思想，结合国内中央空调系统用户直接关心的能耗问题，设计了该应用模型及物理模型，同时建立了数学模型。该技术核心有别于国际上使用的Doe2.2仿真内核，提出以物理模型的变量关联函数实现仿真运算。同时，采用逻辑性与概率性结合方式，实时输入动态数据，输出相应的仿真结果，使用户直观获得一系列的能耗状态报告、能耗分析报告、能耗审计报告、能耗预测报告、能耗措施报告、节能效果报告等等。 以上提到的国外软件，都是离线仿真计算，其气象数据库为30年历史数据的平均值，随着全球气候变暖加剧，这些参数不再具备代表性，因此，本仿真系统的实时气象参数参入计算非常重要；建筑材料数据库同样也不适应中国的国情，如：名称、规格、性能等参数均有很大程度的差异，因此，需要建立中国建筑材料规格数据库。 仿真是形式逻辑推导，而本仿真系统中的专家经典数据库，则具有自学习功能的案例参考数据优化。它将辅助形式逻辑推导过程，并弥补原始数据不真不全的缺省条件。 二、技术内容 1、应用模型： 1.本仿真系统重点描述中央空调系统运行的条件差、状态差、能耗差； 2.反映的主要参数为外环境参数、内服和参数、中央空调运行工况参数、瞬时能耗及统计能耗参数； 3.本仿真系统建立了中央空调系统三维三次数据应用模型（空间性、时间性、事件性；一次原始参数、二次统计参数、三次分析参数）； 4.本仿真系统依据国际标准IPMVP国际节能效果测量和认证规程； 2、物理模型 1.本仿真系统依据中央空调系统运行的应用模型，抽象为五大模块组成的物理模型； 2.本仿真系统定义影响系统运行的各物理参数，以及它们的变化区间； 3.本仿真系统将三大循环（冷媒循环、水循环、风循环）连接五大模块； 4.本仿真系统建立自学习专家经典数据库； 5.本仿真系统建立数据结构体系、原始数据采集体系、审核体系、缺省补偿体系； 3、数学模型 1.基于参量物理关系，对五大物理模块，建立独立参量函数关系式； 2.基于三大物理循环公式，建立平衡关联函数关系式； 3.参量关联函数式（并行关系）：某一参量的变动，直接影响其它模块中某参量的变化； 4.结果关联函数式（串行关系）：某一模块计算的结果，直接影响其它模块中某参量的变化； 5.将形式逻辑推导的仿真计算结果结合专家经典数据库的统计经验数据，进行多次迭代逻辑推导仿真运算，从而得到越来越接近的相对正确结果； 4、技术表现形式 在线仿真软件的运算过程，必须连接现场工作站及相关的传感器，主要为电量传感器、焓值传感器、CO2传感器、空调主机温度、流量及压力传感器等。 设计版：在设计初期利用专家系统给设计提供参考，中期校核设备选型，后期校核整体设计方案。指导设计有效利用能源； 工程版：对于施工过程中发生的管线变更、设备更换等给予定量的预测和评价，并对施工效果进行评估； 离线运行版：通过对空调系统的运行情况进行模拟仿真，对运行现状进行分析，优化运行方案。 节能版：对现有空调系统的运行能耗情况进行分析评价，为节能改造提供定量的数据依据。 测试版：连接现场传感器及控制器，进行本地或远程采集、测试、监控； 在线运行版：直接参入运行管理，动态配置负荷需求，调整控制策略。实现基于广域网的M2M（Machine to Machine）管理节能； 三、其他 为了配合本仿真系统，在推出的“城市能源监测管理平台”中，配合开发了一下内容： 1.开放式用户界面：开放用户直接编辑的第三方管理界面，使用户更直接地使用本软技术系统。开放网络平台实现对远程用户的数据仿真服务。 2.高速实时数据库（PI）技术数据记录、客户关系记录、业务记录、计费记录、运营记录等，经典案例数据； 3.多用户多业务运营中间件:将用户端与服务端联系起来的重要软件，实现系统的BS结构； 4.商业主持软件:包括计费系统及用户鉴权系统； 5.能耗空间场动态仿真运行工具、数据测试工具、辅助分析工具、数据采集工具、数据访问工具等； 以上所谈及的技术描述，从应用上体现了能耗审计的目的性。自2006年，深圳达实国家博士后科研工作站首次推出“城市能源监测管理平台”以来，一年时间，不断深化研发，创新了一系列技术成果，已经有数栋建筑纳入五年不等的能源监测管理，刚刚结束的第九届深圳国际高交会上，又与深圳大学、深圳高等职业技术学院、合肥工业大学达成协议，全面监测管理校园能源使用。 “城市能源监测管理平台”混合应用了中央空调系统运行在线仿真技术及eQUEST国外仿真软件，结合GIS技术、远程控制技术、无线传感技