Программирование в Microsoft Excel для расчетов систем вентиляции и кондиционирования воздуха

С. И. Баранов, заместитель начальника цеха, Главный междугородный междугородный телефонный телеграфный узел филиал «Петербургская телефонная сеть» ОАО «Северо-Западный Телеком»

Проектирование инженерных систем промышленных и жилых зданий в настоящее время невозможно представить без использования вычислительной техники. Различные фирмы осуществляют подбор оборудования собственного производства, применяя программное обеспечение. Созданные в целях упрощения процесса расчета и подбора необходимого вентиляционного оборудования, эти программные продукты содержат достаточно точные характеристики и параметры производимой продукции.

Следует заметить, что лучше всего обстоят дела с расчетными работами по подбору кондиционеров сплит-систем или аналогичного оборудования, где не требуется транспортировать обработанный воздух. Однако при проектировании объектов, где необходима раздача обработанного воздуха или его удаление из обслуживаемой зоны при помощи сети воздуховодов, могут возникнуть проблемы. И чем сложнее разводка сети, тем больше возможность возникновения ошибки при расчетах. Действительно, мало знать нормативы воздухообмена в помещениях различного назначения. Надо еще доставить обработанный воздух в нужное место и в нужном количестве, учитывая при этом целый ряд факторов: потери на трение на участках воздуховодов, сопротивление в тройниках, переходах, не забыть про сопротивление воздухораспределителей, фильтров, другого вентиляционного оборудования. Иногда возникает необходимость рассчитать требуемое сечение диафрагмы для более точного регулирования потока воздуха. И совсем уж сложно «вписаться» в какую-либо уже готовую, когда-то смонтированную сеть воздуховодов, проводя реконструкцию и используя на старой сети новое оборудование. В этом случае расчеты сопротивления сети, количества доставляемого по ней воздуха и напора вентилятора могут вызвать значительные сложности у проектировщика.

С расчетами по перемещению обработанного воздуха и потерь в воздуховодах автор столкнулся впервые еще будучи студентом, когда при выполнении работы по расчету системы вентиляции в проектируемом вычислительном центре возникла необходимость просчитать несколько вариантов раскладки сети воздуховодов. Некоторый опыт работы с компьютером подсказал выход – надо попытаться решить проблему программным методом. Самым простым инструментом для осуществления задуманного оказался табличный редактор Microsoft Excel. В итоге получился достаточно простой программный продукт с очень примитивным интерфейсом, позволяющим, однако, достаточно легко вставлять необходимые цифровые данные в существующий набор формул. Впоследствии разрозненные формулы приобрели вид почти законченной программы с условным названием «Расчет сети воздуховодов».

Представляется, что необходимо более широкое применение табличного редактора Microsoft Excel для создания небольших, но крайне полезных программ-помощников при проведении ежедневных работ по проектированию систем вентиляции любого уровня. Кроме того, использование такого программного обеспечения в учебных целях может дать будущим специалистам огромный опыт для предстоящей самостоятельной работы. А выполнить работы по программированию под силу практически любому пользователю компьютера, который знает основы работы в Microsoft Excel.

Решение написать данную статью возникло после того, как к автору в руки попал новый стандарт «АВОК» «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» (М.: АВОК-ПРЕСС, 2002). Автор пришел к выводу, что практически все цифры и формулы, имеющиеся в стандарте, а также в любом аналогичном документе, можно перевести на компьютерный язык. В связи с этим была предпринята достаточно удачная, на наш взгляд, попытка это сделать и была создана соответствующая программа.

Для упрощения вычислений воздухообмена во вспомогательных помещениях был применен следующий алгоритм: в условиях задания при расчете воздухообмена нужно указать не только площади всей квартиры и жилых помещений, но также площади кухни и санузла (вполне допустимы даже приблизительные размеры). В этом случае программа автоматически вычисляет общую площадь вспомогательных помещений. Далее – необходимо установить так называемые «флажки», указывая тем самым наличие (или отсутствие) каких-либо конкретных вспомогательных помещений – кладовых, гардеробных, коридора и т. п. Основываясь на рекомендациях данного стандарта «АВОК», считаем, что все вышеперечисленные помещения требуют однократного воздухообмена. Такая же норма воздухообмена необходима для работы постирочной в минимальном режиме. В квартире средних габаритов можно предполагать, что площади вспомогательных помещений примерно одинаковые, поэтому каждому отдельно взятому вспомогательному помещению можно дать условное наименование «единичный объем». Естественно, общий объем помещений и, соответственно, воздухообмен в них будет примерно одинаков. Следовательно, можно смело делить объем всех вспомогательных помещений на количество этих помещений и получить таким образом количество вытяжного воздуха для каждого из них. Чем полнее проектировщик учтет наличие или отсутствие этих помещений, тем вернее будет результат. А максимальный объем требуемого вытяжного воздуха из помещения для стирки учитывается простым умножением «единичного объема» на пять.

Программа «Расчет сети воздуховодов» получилась самой сложной из всех, созданных автором, поэтому хотелось бы остановиться на ней несколько подробнее.

Работа по расчету сети воздуховодов начинается с введения данных о диаметре воздуховода (или о длине его сторон по периметру). Стоит отметить, что если введены значения диаметра, то значения длин сторон воздуховода компьютером игнорируются. Далее требуется ввести предполагаемый расход воздуха и длину прямого участка воздуховода (имеется в виду участок, в пределах которого нет изменения по сечению и расходу воздуха).

После ввода данных о длине участка вся строка автоматически и практически мгновенно заполняется необходимыми сведениями о параметрах воздуховода: скорости потока, динамическом давлении, площади сечения, общих потерях на трение на прямом участке. Таблица выполнена аналогично приведенной в «Справочнике проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2.» (М.: Стройиздат. 1978, 1992), который известен каждому специалисту по вентиляции, и поэтому трудностей в ее понимании возникать не должно. Необходимо отметить, что случайно или преднамеренно испортить программу очень трудно, т. к. все ячейки, в которых проводятся вычисления, заблокированы (защищены) и открытыми для работы остаются только те ячейки, которые должен заполнить сам пользователь. Все формулы с вычислениями также скрыты и поэтому не отвлекают от выполнения основной задачи.

После заполнения нужных строк соответствующей информацией необходимо внести данные о коэффициентах местного сопротивления на фасонных частях воздуховода (тройниках, переходах), воздухораспределителях и т. д. или значения потерь давления на установленном вентиляционном оборудовании. Эти данные можно получить как из различных справочников, так и с помощью этой же программы.

Динамику изменения скорости движения воздуха по трассе можно визуально контролировать на листе «График скоростей», который представляет собой диаграмму одного или нескольких участков сети. Этот визуальный контроль помогает выявить случайные ошибки при вводе данных, увидеть «провалы» или неожиданно возникшие «пики» в скорости движения воздуха на участке сети и тут же принять соответствующие меры (изменить сечение воздуховода или количество воздуха, добавить или убрать дополнительный воздухораспределитель и т. д.). Проводимые на компьютере расчеты практически мгновенно позволяют применить другие сечения воздуховодов, подобрать различные расходы воздуха в зависимости от вариантов разводки, изменить круглое сечение воздуховода на прямоугольное и наоборот – в зависимости от конструктивных особенностей проектируемого объекта.

Кроме того, в программе предусмотрена возможность расчета сопротивления тройников, переходов при смене сечения воздуховодов. Отдельный «лист» работы посвящен расчетам диафрагм.

После заполнения первого «листа» мы получаем главное – необходимый (вычисленный) полный напор искомого вентилятора в зависимости от требуемого расхода воздуха с учетом потерь на сопротивление используемого вентиляционного оборудования на всей сети. Вот теперь пользователь может обращаться к каталогу любой фирмы и искать подходящее оборудование по полученным характеристикам.

Кстати, данная программа позволяет производить и подбор вентиляционного оборудования по уже полученным расчетам напора и требуемой производительности, хотя, конечно, этот раздел, с точки зрения автора, еще требует доработки.

Удачный опыт по переводу различных справочных данных и рекомендаций всевозможных нормативных документов на язык программирования привел к созданию нескольких вариантов решения различных задач, связанных с проектированием вентиляционных систем. Так, в настоящее время существует программа, которой автор активно пользуется при проведении замеров количества воздуха, проходящего по воздуховодам, с использованием микроманометра типа ММН. Пользователю нужно только обозначить сторону вентилятора, на которой производится замер («Нагнетание» или «Всасывание»), ввести сечение воздуховода на данном участке и учесть косинус угла наклона измерительной трубки микроманометра. После этого необходимо лишь перенести результаты замеров со шкалы микроманометра в соответствующие графы листа протокола и получить результат. В итоговой таблице можно прочитать данные о скорости потока воздуха, расходе и полном давлении на исследуемом участке. При распечатке на принтере получается готовый документ, который можно предъявить заказчику или подшить к паспортным данным испытуемой вентиляционной установки.

Другая программа помогает осуществить подбор водяных калориферов моделей КВС, КВБ, КСк3 и КСк4 всех существующих номеров. Пользоваться программой очень просто: достаточно ввести необходимые показатели – предполагаемый расход воздуха, температуру прямой и обратной воды, температуру воздуха на входе и выходе калорифера, а затем «поиграть» поочередно с номерами моделей калориферов. Для окончания вычислений необходимо ввести справочные значения коэффициента сопротивления выбранной модели калорифера. Общее количество калориферов, предлагаемые схемы их включения по воздуху и по воде, расход воды при соответствующей обвязке, а также все конструктивные размеры выбранной модели калорифера автоматически выводятся в итоговую таблицу.

Среди программ-помощников, которыми автор активно пользуется, есть и расчет клиноременной передачи, при помощи которой можно не только рассчитать необходимые диаметры шкивов для электродвигателя и вентилятора, но и подобрать необходимую марку клиновидного ремня.

Табличный редактор Microsoft Excel позволяет производить достаточно сложные вычисления практически по любым математическим формулам. Кроме того, часто применяются правила логического программирования, когда используются основные функции «Если…, То…, Иначе…», «И…», «Или…» и т. д. Перед началом работы пользователю необходимо установить так называемую «Панель элементов управления», которая содержит такие необходимые элементы, как «Кнопка», «Флажок», «Переключатель», «Поле со списком» и т. д.

Алгоритм составления небольшой программы-помощника достаточно простой. Главное – четко представлять себе конечный результат и, не спеша, шаг за шагом, вводить формулы в соответствующие ячейки. Желательно при этом регулярно проверять «работу» формулы, занося в ячейки контрольные цифры и просчитывая результат на калькуляторе. Только когда есть уверенность в правильности выбранного математического действия и получении верного ответа в контрольном примере, можно переходить к следующей формуле. Как правило, все промежуточные вычисления (особенно логические функции), которые могут помешать восприятию работающей программы, автор помещает в отдельном «листе», который потом скрывается от постороннего глаза и обязательно защищается (чаще всего – с введением пароля). Кроме того, все ячейки на рабочих «листах», которые содержат формулы, также защищаются паролем. Это делается не столько для того, чтобы сохранить авторское «ноу-хау», но с целью предотвратить случайное повреждение формул, находящихся в ячейках. Открытыми для доступа остаются лишь те ячейки, которые должны быть заполнены пользователем (переменные данные, наименования оборудования, примечания и т. д.).

Естественно, работа в Excel в чистом виде программированием не является. Для этого существует программа типа Visual Basic, позволяющая программировать на более серьезном уровне. Этот программный продукт обычно встраивается в Excel, что позволяет оперативно составлять программы очень приличного качества и значительной сложности. С другой стороны, если освоить программирование на Visual Basic, то остается всего один шаг до применения такого программного продукта, как среда программирования Delphi версии от 4.0 и выше с созданием соответствующих баз данных для различных видов исходных параметров вентиляционного оборудования. Базы данных позволяют структурировать информацию, хранить ее и извлекать оптимальным для пользователя способом. Сегодня пристальное внимание разработчиков приложений баз данных вызывают инструменты, при помощи которых такие приложения можно было бы создавать. Выдвигаемые к ним требования в общем виде можно сформулировать как: «быстрота, простота, эффективность, надежность».

Среди большого разнообразия продуктов для разработки программных приложений Delphi занимает одно из ведущих мест. Delphi отдают предпочтение разработчики с разным стажем, привычками, профессиональными интересами. С помощью Delphi написано колоссальное количество приложений, десятки фирм и тысячи программистов-одиночек разрабатывают для Delphi дополнительные компоненты.

В основе этой общепризнанной популярности лежит тот факт, что Delphi, как никакая другая система программирования, удовлетворяет изложенным выше требованиям. Действительно, приложения с помощью Delphi разрабатываются быстро, причем взаимодействие разработчика с интерактивной средой Delphi не вызывает неудобств, а наоборот, оставляет ощущение комфорта. Delphi-приложения эффективны, если разработчик соблюдает определенные правила (и часто – даже если не соблюдает). Эти приложения надежны и при эксплуатации обладают предсказуемым поведением. Кроме того, говоря языком программистов, работы, выполненные в Delphi, имеют дружественный интерфейс, т. е. легки в понимании и пользовании.

При создании программ-помощников автору в первую очередь необходимо было решить вопрос об аппаратных требованиях к вычислительной технике. Выяснилось, что эти требования минимальны, и, учитывая тенденции к широкому распространению в мире Windows-совместимых программных продуктов, преимущество в работе было отдано именно среде программирования Delphi.

За основу был взят Windows95, хотя программы уверенно работают на более поздних версиях, например, на Windows 2000. Для работы годится любой компьютер, имеющий в своих системных установках офисное приложение Excel. Базы данных и сами программы-помощники выполнены достаточно компактно и занимают очень мало места на магнитном носителе. Кроме того, их можно хранить и непосредственно на дискетах. Интерфейс всех программ практически одинаков и достаточно прост в понимании и управлении. Каждая программа-помощник имеет «лист» справочной информационной подсказки для пользователя.

***

Автору было бы интересно узнать точку зрения как авторитетных специалистов, так и молодых инженеров по поводу применения подобных программ-помощников в процессе проектирования систем вентиляции.

Тел. (812) 315-8376

E-mail: barsi@mmt.spbnit.ru