复杂水系统分析引擎CAENAE-W：原理、开发及验证*

同济大学 王 海 李铮伟

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目前，我国公共建筑空调系统仍存在一些严重的运行问题，尤其是集中空调水系统所体现出的问题更为普遍且突出。空调水系统为空调系统的一次侧系统，其运行特性复杂，有较大的节能潜力。因此，非常有必要针对大型公共建筑空调水系统存在的运行问题进行深入分析。

为了分析水系统的性能，目前一般的方法是：首先建立各管网的关联矩阵；然后依据基尔霍夫定律，列出节点压力或环路流量方程组；再根据各管段的阻力方程，选用数值方法进行计算(常用Hardy-Cross法和Newton-Raphson法)；最终得到管网中所有管段的压力、流量值[1]。对任意由n根管网和m个节点组成的系统，可列出m-1个独立节点流量平衡方程和n-m+1个独立回路压力平衡方程，由于未知量也是n个(每根管段的流量和压力通过阻力方程进行约束，因此只算1个变量)，因此理论上可解。然而，当管路系统的复杂度提高时，一方面识别独立回路和变量的时间成本显著提高，另一方面关联矩阵变得越来越稀疏，使得基于数值法求解变得非常困难。此外，该方法假设同一管段内流量均匀且唯一，无法分析某些部位出现泄漏的工况。

为了解决这些问题，笔者在2012年提出了面向对象法的编程原理[2]，对管网中的元件以面向对象的方式分别建立子模型，即将所有组成流体网络的元件(管段、制冷机、水泵、末端设备等)定义为某类特定对象。通过面向对象和基于偏微分方程的建模方法，简化了管网建模的复杂度，同时提高了计算准确性。……