fortran与matlab混合编程实现溴化锂水溶液的物性计算可视化

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1、fortran与matlab混合编程实现溴化锂水溶液的物性计算可视化以溴化锂水溶液为工质的吸收式制冷既可利用蒸气，热水，燃气、燃油等能源，还可利用工业余热、废热、太阳能、地热能等低品味能源作为动力，同时工质对大气臭氧层无破坏作用，这些节能、环保方面独特的优势使得溴化锂吸收式制冷具有了广阔的市场和良好的发展前景。随着溴化锂吸收式制冷机组在技术与应用上的不断发展，人们对机组的优化设计、变工况条件下最佳运行参数的动态调整和自动控制等方面提出了更高的要求，也越来越多地要求利用计算机进行设计和计算。传统的这类计算都要借助于溴化锂水溶液的物性数据图表，从图表上查出或手算出有关物性参数和热力过程特性数据。但

2、是这种方法繁琐，费时，误差较大，已经远远不能满足现在的应用需求，为此，能不能找到一种可以动态绘图，自动捕捉状态点，鼠标实时显示状态点参数，并根据已知的的状态参数求其他未知的参数，根据用户需要直接绘制溴化锂吸收式制冷循环流程图的方法，已成了急需解决的问题。基于此，本文尝试从满足以上几种功能出发，利用FORTRAN与Matlab混合编程，充分结合Fortran运算速度快，Matlab矩阵计算及图形处理功能强的优点，实现了溴化锂水溶液物性计算的可视化。1 溴化锂水溶液物性计算可视化的基本思想使用过Fortran、C和C+等传统的高级语言进行编程的读者可能都知道，在对矩阵，运算尤其是复杂的绘图操作时，

3、程序设计将是一件非常困难，又不能很好的实现预想效果的任务，Matlab（又称Matrix Labrotary）就是Mathworks 公司推出的最初用于解决该问题的以矩阵（Matrix）和阵列（Array）为基本编程单元的，拥有完整的控制语句、数据结构、函数编写与调用格式和输入输出功能的具有面向对象程序设计特征的高级程序语言，其强大的科学计算与可视化功能，简单易用的开放式可扩展环境以及30 多个面向不同领域而扩展的工具箱（TOOLBOX）支持， 包括了通信系统、信号处理、图象处理、小波分析、鲁棒控制、系统辨识、非线性控制、模糊控制、神经网络、优化理论、样条、商用统计分析等大量现代技术学科的内容

4、，使得MATLAB 在许多科学领域中成为计算机辅助设计与分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台。本文就是基于MATLAB 的科学运算环境，利用MATLAB外接程序接口API（Matlab External Appliction Program I nterface）技术，通过Mex 接口函数编译由Fortran 6.5 编写的溴化锂水溶液物性计算子程序，生成MATLAB 环境下可以直接调用的动态链接子程序DLL 文件然后充分利用MATLAB 强大的图形绘制及编辑功能，编程生成.M文件， 并在图形用户界面设计（GUI）的基础上,编写实用且易于操作的用户界面，实现人机交互绘图，实时显示状态点

5、，自动绘制流程图等一系列在其他高级语言看来很难实现的功能。 2 实现溴化锂水溶液物性计算可视化的步骤：1）Fortran 环境下的溴化锂物性子程序的编写溴化锂水溶液的物性实验数据经过多次改进，并不断扩充其使用范围，最初由美国供暖制冷空调工程师协会(ASHRAE)给出了溴化锂水溶液的平衡方程1；文献2则在总结前人实验数据的基础上，将溴化锂水溶液的使用范围从原来的浓度范围065，温度范围0120 扩充到了075，0190 ；其他的还有如文献3提供的国内溴化锂水溶液的物性数据图表.本文的溴化锂水溶液物性子程序的编制是基于文献1的物性方程,并利用文献2的方程与数据将其范围扩充,然后与文献3的数据进行比

6、较，以得到适合国内溴化锂水溶液的物性方程。该溴化锂水溶液物性程序包括20个子程序用来已知压力P、浓度，温度T，焓值h 中的任意两个变量求其他变量的值，以及溶液平衡时水蒸气或过热蒸气的焓值，纯水的热物理性质等，每个子程序还可以同时求得溴化锂水溶液的其他物性参数如导热系数、粘度、密度、表面张力等。 2） 利用Mex 接口函数生成可以被Matlab 识别的Fortran-Mex 文件所谓Mex 接口函数，实际是一种动态链接的子程序，同Matlab的内置函数一样，能被Matlab 的解释器自动装入、运行。Matlab中Mex文件的扩展名可以为.Mex或.DLL，它是由Fortran经过编译生成的Mat

7、lab动态链接子程序，需要强调的是Fortran下Mex文件的数据类型只能是双精度型（Double Precision），不像C语言那样，有Matlab支持的数据类型。通常一个典型的FortranMex 文件由两部分组成，一个就是包含你要实现的计算功能的子例行程序（不能是函数），该子例行程序实际上就是纯Fortran环境下编写的源程序，而另一个同时也是最主要的部分就是入口程序，该入口程序负责Matlab与Fortran语言之间的数据输入与输出，也即可以在Matlab的环境下输入变量，通过该接口程序传给Fortran进行运算，运算结果赋给输出变量，然后通过该接口程序，返回到Matlab进行输出，

8、这样就完成了Matlab对Fortran函数的调用，典型的调用过程可见图1。能够实现接口程序的函数是MexFunction，它由四个参数prhs, nrhs, plhs, nlhs 构成，这里：prhs输入变量的阵列；nrhs输入变量的个数；plhs输出变量的阵列；nlhs输出变量的个数； MATLAB 环境输入数据 图1 FortranMex 文件执行过程示意图 以已经编译通过的一段Fortran-Mex程序为例，说明为了实现Matlab对Fortran函数的直接调用，需要在Fortran程序的基础上附加的入口程序，该程序用来已知溴化锂水溶液的温度，浓度求焓值，具体程序参见附录。 3） Fo

9、rtran 编译器（complier）的设置在安装了Compaq Fortran version 6.x，Digital Fortran version 5.x，或Fortran powerstation 4.0（或其他版本）的前提下，使用Mexsetup命令即可实现Fortran 编译器的设置。运行后，显示如下结果： Mex -sutupSelect a compiler:1 Compaq Fortran version 6.5 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio2 Lcc C version 2.4 in C:MATLAB6P1syslcc3

10、 Microsoft Visual C/C+ version 6.0 in C:Program FilesMicrosoft Visual Studio0 None 由于本机安装的Fortran版本是Compaq Fortran version 6.5选择1，然后选择y确定项，就可完成Fortran默认编译器的设置。以已经编译完成的溴化锂物性子程序为例，运行结果如下： Mex hlibr.f 编译前面已经编写完的FortranMex 文件hlibr.f h=hlibr(40,50) 计算浓度40，温度T50 的焓值 h= 106.6005 焓值的计算结果 4） Matlab 环境下编写绘图程序

11、由于Matlab自身已经集成了许多图形绘制及编辑命令，如设置图形属性，轴属性，设置坐标，以及添加文本，箭头，和图形放大，缩小等，免去了在Fortran下编写大段程序实现图形绘制的复杂劳动。这样我们便可以利用编译完成的FortranMex程序，通过循环计算并利用Matlab的图形绘制命令，生成基本的溴化锂物性计算图表，并在此基础上利用图形用户界面（GUI）技术，设置鼠标动态捕捉状态点，实时显示鼠标当前位置溶液的各种参数，然后根据用户在输入对话框里输入的循环的初始条件，在相应的p-t图/h-图上自动绘制流程图，并进一步计算出高低压发生器，吸收器，高低交热交换器，以及蒸发器，吸收器的热负荷和其他相关

12、的数据。3 溴化锂水溶液物性计算可视化程序功能介绍以在pt 图上绘制单效溴化锂吸收式制冷循环为例，简要介绍该程序实现的部分功能（见图2、图3）： 图2单效循环状态参数输入对话框 图3溴化锂水溶液物性计算可视化程序功能简介 1) 基于Malab的基本菜单：File 菜单用于一般的文件打开、关闭、保存、导出图形、页面设置、打印功能；Edit 菜单除了常用的编辑命令外，还有专门针对图形属性设置的命令，如：figure properties，axis properties，current object properties 等用来设置图形，轴的属性，以及当前实体的属性；View 菜单包括figure

13、toolbar和camera toolbar，用来打开图形工具栏和照相机工具栏；Insert 菜单可以允许用户插入x、y、z轴的标注，以及文本、箭头、直线、图形标题等很多与图形相关的功能；2) 专门用于本程序的自编制菜单：Graph 菜单用来绘制溴化锂水溶液的p-t 图、h-图（包括等温线、等压线、以及平衡状态下对应的水的等压焓值线）、以及溶液的密度、表面张力、动力粘度曲线等子菜单；该菜单的一个另外的功能就是要在图形绘制完毕的基础上，实现鼠标移动时根据所选择的曲线的不同来决定label控件所显示的值。比如在p-t图下，坐标轴的横坐标是t， 纵坐标是p，而在h-图下，坐标轴的横坐标是，纵坐标是h

14、，但是在捕捉鼠标当前位置时，Matlab本身不会区别当前是什么图，而只能得到鼠标相对于坐标原点的位置，所以，就要加上一些判断语句来判断用户当前绘制的是哪一种图，然后据此设置不同的回调函数，得到与当前图形对应的横、纵坐标，而其他的状态参数由于不能直接从图形上读出，则还需要通过编译完成的FortranMex程序来计算该点的其他函数值，这样就可以实现鼠标在图形上方移动时，根据绘制曲线的不同，分别实时显示对应的状态参数值。Query 菜单用来控制鼠标实时显示功能的启动与关闭，它包括了两个菜单命令start 和stop 。Cycle 菜单包含了溴化锂吸收式制冷常见的循环形式，可以根据用户在输入对话框(i

15、nput dialog)（见图2） 里提供的循环控制参数来自动绘制流程图，并可同时计算得出吸收式制冷各装置的进出口状态，以及各装置的负荷，当然，还可进一步进行各装置的选型计算等。 4 结论1） 介绍了Matlab与Fortran混合编程的基本原理与实现溴化锂水溶液物性计算可视化的步骤，通过将Fortran编写的溴化锂物性子程序编译为FortranMex文件，继而生成动态链接子程序.dll，实现了Matlab对Fortran程序的调用。2） 利用Matlab强大的矩阵计算、图形绘制及编辑功能，编制图形用户界面，实现了溴化锂水溶液物性计算的可视化。3） 简要介绍了该程序的基本功能，可以看出，利用M

16、atlab与Fortran混合编程完全可以实现溴化锂水溶液的可视化，从而为今后的设计、计算提供了非常方便、实用的工具。住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作为一个发展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的

17、。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、舒适、节能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷

18、优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集中供冷最优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只

19、从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家T.L.Sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层次分析法是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统

20、的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用（Life Cycle Cost，简称LCC）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且

21、其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小。图1喷泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统

22、的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立在一些凭经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技

23、术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能源的大量浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不

24、同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加主动地节约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用LonTalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。LonWorks现场总线拓扑结构灵活多变，

25、可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在LonWorks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共享，因此能节约大量的设备费用。建立在LonWorks现场上的LonTalk是一种开放性通信协议，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于LonTalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过Internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理

26、，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（Security Socket Layer，简称SSL）技术来保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环境（Cooperation Management Enviroment,简称CME）软件功能模块包括电子白板、基于Web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市

27、某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统A共有住户13337户，系统B共有住户8691户，系统C共有住户9212户。 以下是我们为该小区设计的集中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中

28、供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计

29、算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为T=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用的冷却构筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷却水塔风机功率及开启台数、冷

30、却水泵功率及开启台数、冷冻水泵功率及开启台数、机组的能耗量（燃料量或耗电量）等参数后，在中央控制计算机上运用人工智能方法对这些参数进行优化组合，以求出整个集中供冷系统在当前负荷下的最优状态设定点，然后将优化后的系统控制变量再传送到系统中各设备的现场执行器，从而达到最大限度地节约能耗的目的。（5）集中供冷冷水输送系统采用二次泵分散的变流量系统，对各个分散二级泵的控制采用开度法进行控制，即根据各自系统内各个控制阀的开度来对变速水泵进行控制。具体步骤如下：当本系统中所有末端设备的控制阀没有一个处于全开时，且此时系统内所有的负荷都得到满足时，则水泵慢慢降低速度；当本系统内有负荷没有得到满足，且此时该末

31、端设备的控制阀处于全开时，则慢慢加大水泵的转速；当本系统中末端设备的所有控制阀有一个或多个处于全开时，且此时系统内民有的负荷都得到满足时，则水泵速度维持不变。（6）集中供冷自动计费系统采用三级结构：计费管理主机、区域管理器和现场数据采集器。计费内部采用RS-485通讯总线。计费管理主机总共可管理32台区域管理器，每台区域管理器可以连接255个现场数据采集器，而每个现场数据采集器可对4位住户进行管理，即一个计费系统总共可对30000多个用户进行管理。考虑到具体的安装条件和小区建设规划，每个集中供冷系统准备分别安装一个计费系统，整个小区为三个计费系统。计费管理主机与小区管理中心之间采用LonWorks现场总线进行连接。5 结论住宅小区集中供冷系统的优化管理是一项系统工程。本文提出的集中供冷系统优化管理系统坚持系统工程的概念，从技术、经济、环境、人文等多方面进行考虑，充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理，从而达到节约能源和保护环境的双重目的。通过对深圳市一项实际工程的应用表明，该优化管理系统是切实可行的。参考文献