Развитие методов и программного обеспечения для расчета нестационарных тепловых процессов и поддержания микроклимата зданий

В настоящее время проблемы энергосбережения и соответствующие вопросы строительной теплофизики имеют особую актуальность. Мыслимы два подхода к повышению энергоэффективности зданий:

— увеличение приведенных термических сопротивлений ограждающих конструкций и другие традиционные способы уменьшения тепловых потерь зданий;

— улучшение качества регулирования микроклимата в помещениях, использование солнечной радиации для покрытия части тепловых потерь зданий, вторичного тепла, эффектов аккумуляции тепла, прерывистого отопления и т. д.

В первом случае требуются новые подходы к строительству зданий или серьезная реконструкция существующих зданий. Повышение энергоэффективности зданий в этом случае требует значительных капиталовложений. Учитывая низкие темпы строительства в настоящее время (особенно в регионах Восточной Сибири, Забайкалья и Крайнего Севера), первый подход представляется недостаточно эффективным, так как основная часть потребителей тепла еще долгое время будет оставаться старой постройки, и существенного уменьшения потребления тепла ожидать не приходится. Увеличение термических сопротивлений ограждающих конструкций существующих зданий также требует использования дорогих материалов и сопряжено с большими затратами на реконструкцию.

При низких темпах строительства представляется более эффективным второй подход, при условии реконструкции систем отопления и некоторых элементов значительной части существующих зданий. Резервами для экономии тепловой энергии в этом случае являются:

— повышенная температура воздуха в значительной части помещений зданий большую часть отопительного периода («перетопы»);

— использование ночных тарифов на электроэнергию и способов аккумуляции тепловой энергии;

— применение прерывистого отопления в технологических и административных зданиях;

— повышение вклада солнечного излучения в тепловые балансы зданий (особенно в регионах Восточной Сибири).

В случае применения способов повышения энергоэффективности зданий, характерных для второго подхода, требуется проведение расчетов тепловых процессов в динамике. Учитывая большое количество исходных и обрабатываемых данных, для проведения расчетов желательно использование ЭВМ. Однако в настоящее время не существует достаточно простых динамических методов расчета тепловых процессов в зданиях, даже с использованием ЭВМ, приемлемых для использования в инженерной практике.

В основе всех существующих методов расчета тепловых процессов в зданиях лежат хорошо известные физические законы тепло — и массопе-реноса. Однако приложения этих законов для расчета тепловых процессов сталкиваются с трудностями, носящими порой принципиальный характер. Здание является сложной физической системой, в которой одновременно протекает множество процессов. При этом значительная часть исходных данных, необходимых для расчета, с трудом поддается измерению и в процессе эксплуатации здания подвержена изменениям, носящим мало предсказуемый характер. С другой стороны, приложения законов конвективного и лучистого теплопереноса встречаются с трудностями вычислительного характера (отсутствие общих методов решения задач аэродинамики, недостаточное быстродействие существующей вычислительной техники, и т. д.). Особые проблемы возникают также при использовании в инженерной практике разработанных динамических методов ввиду сложности последних.

Особо следует выделить следующие направления в развитии методов теплофизических расчетов:

— совершенствование методов расчета конвективного тепло — и мас-сообмена, лучистого теплообмена и влагообмена;

— развитие динамических методов расчета тепловых процессов;

— развитие методов, позволяющих проводить требуемые расчеты без составления общей системы уравнений, описывающей тепловые процессы в здании.

Представленная работа посвящена совершенствованию методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, вопросам разработки соответствующего программного обеспечения и его использования для проведения поисковых исследований и инженерных расчетов, а также вопросам регулирования микроклимата зданий.

Целью работы является разработка методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, пригодных для использования в инженерной практикеразработка программного обеспечения, необходимого для проведения численных экспериментов и инженерных расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях, в том числе переходных, апериодических и негармонических процессов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.

1. Изучить существующие методы расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, определить их возможности, достоинства и недостатки, и определить область возможного использования каждого метода.

2. Определить возможности алгоритмизации каждого из существующих методов и возможности исключения или упрощения наиболее трудоемких этапов при проведении расчетов.

3. Разработать программно — вычислительный комплекс для проведения расчетов нестационарных тепловых процессов.

4. Сравнить результаты расчетов с применением разработанного программного обеспечения и результатами расчетов, полученными другими методами и натурными испытаниями.

5. Отработать методику проведения расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях и определения энергоэффективности инженернотехнических решений применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья.

Актуальность работы. В настоящее время энергосбережение является одним из наиболее важных направлений в развитии техники. Поэтому рациональное использование тепловой энергии в промышленных, административных и жилых зданиях позволит сократить ее потребление, снизить затраты на обслуживание инфраструктуры и улучшить экологическую обстановку.

Объектом исследования являются здания (включая системы поддержания микроклимата) как единые нестационарные нелинейные открытые теплофизические системы.

Предметом исследования являются: нестационарные тепловые процессы в зданиях и характеристики микроклимата зданийпрограммное и методическое обеспечение для проведения расчетов нестационарных тепловых процессов.

Связь с тематикой научно — исследовательских работ. Диссертационная работа проводилась в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ Забайкальского института железнодорожного транспорта с целью совершенствования методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, разработки соответствующего программного обеспечения, развития нормативной базы и комплексного подбора инженерно — технических решений, направленных на повышение энергоэффективности зданий применительно к климатическим условиям Восточной Сибири и Забайкалья.

Методика проведения исследований. Исследования базируются на принципах термодинамического анализа, методах строительной теплофизики, принципах системного подхода, прикладного и объектноориентированного программирования, численных методах и методах геометрического моделирования.

Новизну составляют и на защиту выносятся.

1. Метод взаимодействующих объектов для расчета на ЭВМ нестационарных тепловых процессов в зданиях.

2. Способ выделения элементов здания и сопоставления с объектамиматематическими моделями.

3. Способ организации взаимодействий между объектами и предлагаемая схема взаимодействий, в которую укладываются все основные тепловые процессы в зданиях.

4. Способ коррекции коэффициентов взаимной облученности и способ расчета теплопереноса за счет излучения, адаптированные к предлагаемой схеме взаимодействий объектов.

5. Использование метода взаимодействующих объектов в программах для ЭВМ, осуществляющих выработку управляющих сигналов в системах поддержания микроклимата зданий.

6. Методические принципы построения и разработанное программное обеспечение для проведения расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях.

Практическая значимость работы заключается: в разработке метода расчета на ЭВМ нестационарных тепловых процессов в зданиях (в том числе и переходных процессов) на основе исходных геометрических данных, допускающего полную алгоритмизацию всех этапов расчетаразработке программного обеспечения для проведения инженерных и научных расчетов. Кроме того, теоретические и практические результаты исследования используются в учебном процессе при проведении лекционных, лабораторных и курсовых работ по дисциплине «Математическое моделирование на ЭВМ» в Забайкальском институте железнодорожного транспорта.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании Совета математического факультета Иркутского государственного университета (Иркутск, 1999) — на Пятой научнопрактической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». (Москва, 2000) — на научнопрактической конференции, посвященной 100 — летию Забайкальской железной дороги (Чита, 2000) — на научном семинаре кафедр «Строительство железных дорог» и «Электротехника и физика» Забайкальского института железнодорожного транспорта (Чита, 2000) — на научно — техническом семинаре кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Иркутского государственного технического университета (2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, в том числе 1 монография (в соавторстве).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (104 наименования) и приложений. В первой главе сделан обзор современного состояния вопроса о существующих методах расчета нестационарных тепловых процессах в зданиях. Приведены основные положения существующих методов, их возможности, достоинства и недостатки. Рассмотрены возможности алгоритмизации каждого из методов для решения нестационарных задач строительной теплофизики, с учетом возможности моделирования здания, как единой теплофизической системы. Во второй главе описывается предлагаемый метод взаимодействующих объектов (метод ВО), предназначенный для расчета на ЭВМ нестационарных тепловых.

4.4. ВЫВОДЫ.

1. Для малоэтажных компактных зданий, в помещениях которых суммарная площадь поверхностей ограждающих конструкций превосходит суммарную площадь поверхностей перегородок, расчетная схема, основанная на приравнивании радиационной температуры помещений к температуре воздуха, дает завышенные в среднем на 3% полные тепловые потери зданий по сравнению расчетной схемой, основанной на вычислении ВПИ. Для многоэтажных зданий, за счет более точного учета эффектов, связанных с неравномерным нагревом панелей вблизи отопительных приборов при использовании первой расчетной схемы, вторая расчетная схема дает заниженные на 0,6 — 0,8% полные тепловые потери.

2. Возможности экономии тепловой энергии заключаются в уменьшении коэффициентов поглощения теплового излучения наружных поверхностей ограждающих конструкций (4% за отопительный период) при одновременном увеличении коэффициента поглощения солнечного излучения (до 6%). Эффект уменьшения тепловых потерь минимален в середине, и возрастает в начале и конце отопительного периода. Кроме того, южная сторона здания является более «чувствительной» к изменению коэффициентов поглощения излучения.

3. Резервом для экономии тепловой энергии (до 2,5%) является уменьшение коэффициентов поглощения теплового излучения поверхностей батарей отопления (или эквивалентное увеличение теплоотдачи радиаторов за счет конвективного теплообмена). Эффект достигает максимума в середине отопительного периода, что совпадает с максимальными абсолютными значениями тепловых потерь. Кроме того, эффект приблизительно одинаков как для южной, так и для северной сторон здания.

4. Для всех случаев ориентации оконных проемов является характерным отрицательный вклад остекления (средний за отопительный период) в тепловые балансы зданий. Однако для застекленных оконных проемов, ориентированных в пределах 45° от направления на юг, средние за отопительный период удельные тепловые потери (с учетом солнечной радиации, проникающей в помещения) оказываются ниже средних удельных тепловых потерь для здания в целом. Поэтому для условий Забайкалья является нецелесообразным уменьшение площади остекления (по крайней мере, для южной стороны здания) и переход на искусственное освещение.

5. Наиболее эффективным способом экономии тепловой энергии является незначительное понижение температуры в помещениях жилых зданий в ночное время (что соответствует условиям комфортности) и значительное (до 8°С) понижение температуры в нерабочее время в административных и технологических зданиях (от 5% до 14% за отопительный период). Следует отметить, что уменьшение тепловых потерь зданий оказывается намного меньше интуитивно ожидаемого по причине значительных теплоемкостей ограждающих конструкций, перекрытий и перегородок. При переключении системы отопления на режим номинальной температуры требуется избыточная мощность для прогрева перечисленных конструкций, что в значительной мере компенсирует экономию тепловой энергии в ночное время.

6. Существуют возможности экономии тепловой энергии без реконструкции зданий и значительных капиталовложений. Однако для реализации этих возможностей требуется обеспечить проведение инженерных расчетов нестационарных тепловых процессов в каждом конкретном случае с учетом особенностей здания и той или иной климатической зоны и более точное управление микроклиматом помещений.

7. На основе метода ВО может быть разработана доступная широкому кругу инженеров прикладная программа, позволяющая проводить требуемые расчеты, и возможно создание относительно простых и недорогих систем автоматического регулирования микроклимата зданий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Рассмотрены существующие методы расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, определены их возможности, достоинства и недостатки.

2. Разработан метод расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, пригодный для использования в инженерной практике.

3. Отработана методика и принципы создания программного обеспечения для расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях на основе метода ВО.

4. Разработано программное обеспечение, необходимое для проведения численных экспериментов и инженерных расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях.

5. Обоснована целесообразность проведения расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях для определения энергоэффективности инженерно — технических решений применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья.