李文博 莫善軍

（中山大學(xué) 廣州 510000）

前言

在制冷空調(diào)領(lǐng)域，獲取濕空氣的物性數(shù)據(jù)是系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、熱力學(xué)計(jì)算、仿真計(jì)算以及新型材料（如：親水涂層）開發(fā)的過程中必須解決的一個(gè)問題。制冷系統(tǒng)仿真計(jì)算時(shí)，由于空氣側(cè)換熱的影響，濕度對(duì)制冷系統(tǒng)能力、能效影響非常大。因此濕空氣物性參數(shù)的計(jì)算也有較高的要求。本文通過對(duì)CoolProp軟件的使用方法進(jìn)行介紹，以常用了Excel軟件和Visual Basic. NET語言為平臺(tái)，提供使用動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）技術(shù)將CoolProp直接引入到Excel和桌面程序中，該方法具有精確、方便的有點(diǎn)，可以滿足仿真計(jì)算的要求。

1 濕空氣仿真計(jì)算背景

空調(diào)制造業(yè)正在向著智能化邁進(jìn)，在制冷空調(diào)仿真系統(tǒng)中，濕空氣的物理性質(zhì)計(jì)算有著非常重要的應(yīng)用，由于濕空氣特性的原因，傳統(tǒng)方法都在使用查表法或者使用擬合公式，由于模擬精度存在問題，無法滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)通用的計(jì)算方法主要有三種：

1.1 單數(shù)據(jù)庫插值法

數(shù)據(jù)庫插值法：該方法主要使用前人測(cè)量繪制的圖表，將中間狀態(tài)進(jìn)行插值計(jì)算，速度慢且精度較低。使用查表法進(jìn)行計(jì)算的方法，行業(yè)內(nèi)通常會(huì)選用ASHRAE HANDBOOK FUNDAMENTALS CHAPTER1 PSYCHROMETRICS[1]中提供的濕空氣參數(shù)表格。

1.2 公式法

該方法一般行業(yè)內(nèi)簡化方法使用的是擬合公式，該方法速度快，但是由于擬合公式參數(shù)范圍問題，無法大范圍的使用，精度也無法保證。

公式法計(jì)算濕空氣物性，一般行業(yè)內(nèi)選擇使用ASHRAE HANDBOOK FUNDAMENTALS CHAPTER1 PSYCHROMETRICS[1]中提供的系列公式進(jìn)行計(jì)算，該系列公式在其定義域內(nèi)有較高精度，但是如果作為仿真計(jì)算使用，精度尚無法達(dá)到預(yù)期的水平。

式（1）定義了冰點(diǎn)以下的水的飽和蒸氣壓，其中：

式（2）定義了0-100 ℃范圍內(nèi)的水的飽和蒸氣壓，其中：

該組公式參數(shù)較多，對(duì)于實(shí)際工程計(jì)算時(shí)造成了較大的麻煩，不利于工程應(yīng)用。

1.3 軟件計(jì)算法

如果軟件作者使用了良好的計(jì)算方式，該方法可以保證精度和速度，但是由于第三方作者的軟件通常不開放源碼，無法判斷其計(jì)算方式，只能從計(jì)算結(jié)果來評(píng)估精度，另外第三方軟件也無法與自身的仿真系統(tǒng)相結(jié)合，使得計(jì)算效率下降。

2 CoolProp簡介

CoolProp 是一個(gè)開源物性參數(shù)獲取工具，其本身就封裝了各種常用工質(zhì)的物性參數(shù)。CoolProp允許使用多種第三方程序語言進(jìn)行編程調(diào)用，支持的編程語言如下：

可以提供完整功能支持的語言: Python (2.x, 3.x) ,Modelica, Octave, C#, VB.net, MathCAD, Java, Android,MATLAB

僅適用于部分支持的語言: Labview, EES, Microsoft Excel, LibreOffice, Javascript, PHP, FORTRAN, Maple,Mathematica, Scilab, Delphi & Lazarus, Julia。

CoolProp提供的導(dǎo)出函數(shù)格式非常簡單易用，理論上任何一種支持第三方dll的語言都可以使用CoolProp引用計(jì)算。CoolProp使用MIT授權(quán)，可以免費(fèi)的用于商用工具，而無需向作者付費(fèi)，你甚至可以選擇將CoolProp的源碼修改后編譯，發(fā)布屬于自己的物性數(shù)據(jù)庫。

CoolProp在對(duì)濕空氣進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以選擇設(shè)置濕空氣的相對(duì)濕度，這點(diǎn)比Refprop有很大的優(yōu)勢(shì)，Refprop中的空氣計(jì)算模型使用的是只有氮?dú)?氬氣/氧氣的混合物模型，其質(zhì)量比（75.57/1.27/23.16），摩爾比（0.7812/0.0092/0.2096），這使得Refprop無法滿足濕空氣的熱物性計(jì)算。

CoolProp的官方網(wǎng)址：http://www.CoolProp.org/，包含豐富的官方文檔，本文部分內(nèi)容也取自其官方文章或官方Github開源說明。

3 CoolProp的安裝與使用

Windows環(huán)境下，CoolProp提供編譯并打包好的二進(jìn)制文件可以直接進(jìn)行安裝，訪問地址https://sourceforge.net/projects/CoolProp/files/CoolProp/6.2.1/Installers/，版本變化時(shí)，地址略有不同。

程序安裝過程非常簡單，雙擊安裝程序后點(diǎn)擊確定。其安裝包會(huì)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)版本自動(dòng)選擇默認(rèn)的dll版本，以更優(yōu)的方法適配。

無論選擇哪一種安裝模式，最終所有可能用到的文件都會(huì)被安裝到你的電腦中，如果是Windows10系統(tǒng)，可以在路徑：C:Users用戶名AppDataRoamingCoolProp當(dāng)中可以找到這些文件。其中CoolProp.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫文件與用戶選擇的操作安裝版本一致，即：如果選擇了64位的安裝，則CoolProp.dll就是64位的。CoolProp_stdcall.dll是CoolProp的32位動(dòng)態(tài)鏈接庫。

程序安裝后會(huì)自動(dòng)安裝好Office Excel的加載項(xiàng)，可以提供默認(rèn)的函數(shù)使用。示例文件和計(jì)算演示會(huì)自動(dòng)在桌面生成一個(gè)名為TestExcel.xlsx文件。

絕大多數(shù)情況下，CoolProp安裝后可以直接使用，無需任何修改和變更。

CoolProp內(nèi)置常用的濕空氣計(jì)算公式見表1。

CoolProp用于濕空氣計(jì)算的函數(shù)名為HAPropSI，其主要輸入輸出參數(shù)的定義見表2。

需要注意的是，CoolProp中使用的參數(shù)，計(jì)算單位均為國際單位制(SI)，應(yīng)用于北美地區(qū)或者其他非國際單位制地區(qū)時(shí)，需要注意單位換算。

4 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

使用CoolProp內(nèi)置函數(shù)計(jì)算了一些濕空氣物性參數(shù)點(diǎn)，與ASHRAE HANDBOOK FUNDAMENTALS CHAPTER1 PSYCHROMETRICS[1]中提供的濕空氣參數(shù)表格進(jìn)行對(duì)比，從表3、表4的對(duì)比情況來看，二者的取值結(jié)果在含濕量和飽和空氣焓值計(jì)算上非常接近，最大偏差0.043 %，精度滿足仿真計(jì)算要求。

5 CoolProp自定義制冷劑混合物

CoolProp允許用戶在使用時(shí)自定義任意組分比例的混合物，以下方法與直接計(jì)算R410A密度結(jié)果等價(jià)

圖1 CoolProp的安裝引導(dǎo)界面

表1 CoolProp濕空氣常用計(jì)算公式

表2 HAPropSI輸入輸出參數(shù)定義

表3 CoolProp計(jì)算的含濕量偏差

6 允許調(diào)用Refprop的計(jì)算接口

當(dāng)使用Refprop的計(jì)算接口進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果與Refprop計(jì)算結(jié)果一致，注意僅限制冷劑類型，Refprop無法計(jì)算濕空氣。

7 使用VB.net調(diào)用CoolProp進(jìn)行計(jì)算

CoolProp官方提供了一種VB.net的引用方法，其原理是基于C#的接口，使用vb.net二次打包的，需要引用非常多的文件，調(diào)用起來并不方便。

本文提供的是另一種方法?；贓xcel版本進(jìn)行修改，使其能夠在VB.net平臺(tái)上運(yùn)行，兼容性高，容易從Excel/VBA向VB.net遷移，同時(shí)代碼量更少，更簡潔，提供更簡潔的引用方法，目錄結(jié)構(gòu)清晰分明。

CoolProp提供了多個(gè)版本的dll可供引用，由于用戶的操作系統(tǒng)存在64位和32位兩種情況，推薦引用32位版本的dll。

CoolProp默認(rèn)安裝路徑為C:Users用戶名AppDataRoamingCoolProp，其中CoolProp_stdcall.dll為32位版本的dll，CoolProp_x64.dll為64位版本的dll，如圖2。

使用VS創(chuàng)建VB.NET窗體項(xiàng)目，插入模塊命名為CoolProp，復(fù)制Excel加載項(xiàng)中的vba代碼到模塊中即可完成代碼引用，注意需要將CoolProp_stdcall.dll的文件路徑改為實(shí)際程序所在位置的真實(shí)路徑。

使用方法與Excel中相似，演示如下：

8 整合仿真軟件

筆者將CoolProp整合了一套完整的濕空氣計(jì)算軟件，可以供同事們?nèi)粘９ぷ魇褂?，反饋良好，界面見圖3。

表4 CoolProp計(jì)算的濕空氣比焓值偏差

圖2 Clloprop安裝目錄內(nèi)的文件

圖3 整合的物性計(jì)算軟件界面

9 總結(jié)

文章介紹了CoolProp的安裝和使用，為在應(yīng)用程序中調(diào)用CoolProp的子程序提供了方便。使用表格的形式給出了濕空氣不同物理性質(zhì)的計(jì)算對(duì)比結(jié)果，表明CoolProp的計(jì)算精度是滿足要求的。

CoolProp是一款優(yōu)秀的商業(yè)友好軟件，其計(jì)算結(jié)果精度高，速度快，通過對(duì)該軟件的使用，可以快速的實(shí)現(xiàn)濕空氣的物性計(jì)算，且入門難度極低，大幅度的降低了濕空氣仿真計(jì)算難度，提升了仿真計(jì)算速度和精度。