автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Перспективное энергоэкологическое моделирование в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений

На правах-рукопи

Седов Артем Владимирович

ПЕРСПЕКТИВНОЕ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность:

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ОКТ 2012

Москва-2012

005053505

005053505

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный строительный университет" (ФГБОУ ВПО "МГСУ").

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волков Андрей Анатольевич Официальные оппоненты:

Павлов Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "ЭнергоФихтнер", начальник отдела консалтинга

Латышев Григорий Владимирович, кандидат технических наук, Общество с ограниченной ответственностью (ООО) "Научно-технический и конструкторско-технологический центр СтройГруппАвтоматика", генеральный директор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный архитектурно-строительный университет" (Воронежский ГАСУ).

Защита состоится 15 ноября 2012 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д212.138.01 при ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, "Открытая сеть образования в строительстве", ауд. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет".

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время угроза глобального изменения климата, истощения природных ресурсов и коллапса мировой экосистемы непрерывно возрастает. При этом, здания (сооружения) во всем мире используют более 45% всей потребляемой первичной энергии, 65% всего электричества, 40% всего сырья и 14% всех запасов питьевой воды, а также производят 35% всех выбросов углекислого газа и практически половину всех твердых отходов. Таким образом, ключевыми проблемами в мировой строительной отрасли сегодня являются проблемы экологичности и энергоэффективности зданий и сооружений.

В 2009 году в России вступил в силу Федеральный закон "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации". Этот закон подчеркивает важность проведения оценки потребления ресурсов существующими и вновь возводимыми зданиями в процессе эксплуатации. Однако процесс проведения оценки потребления зданием энергоресурсов должен начинаться еще на этапе проектирования.

Перспективное энергоэкологическое моделирование позволяет определить еще на этапе проектирования, какое количество энергии будет необходимо зданию на этапе его эксплуатации. При этом необходимо учитывать неоднородность внешних условий, невозможность описания одним набором параметров всех возможных режимов эксплуатации зданий и сооружений.

Учитывая сложность построения моделей инженерных систем современных зданий и сооружений, у инженеров возникают сомнения в том, что принимаемые проектные решения являются наилучшими. В этом случае возникает необходимость использования дополнительных систем, которыми в последнее время часто становятся различные системы автоматизированного проектирования (САПР), существенно снижающие время проектирования и вероятность появления ошибок при проектировании. В последние годы САПР превратились из векторных графических редакторов в системы, которые автоматически подбирают строительные конструкции, сечения электрических проводов, диаметр трубопроводов систем отопления, вентиляции и кондиционирования и так далее. Многие современные САПР имеют частичную встроенную возможность оценки энергопотребления зданием. Недостатком существующих САПР перспективного энергопотребления является моделирование энергопотребления либо в стационарных внешних условиях, либо при произвольно изменяемых внешних условиях. Ни тот, ни другой подход не обеспечивает приближение результатов моделирования к реальному энергопотреблению здания в процессе эксплуатации.

В изложенном смысле, безусловно, актуальным является создание компьютерной информационной технологии для автоматизации проектирования, основанной на таком методе, который позволяет адекватно оценивать реальное энергопотребление здания и сооружения.

Научно-техническая гипотеза диссертации состоит в предположении возможности повышения энергетической эффективности зданий и сооружений в

процессе их эксплуатации за счет перспективного энергоэкологического моделирования на стадии автоматизации проектирования.

Цель диссертации - разработка модельных и методических оснований для перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений.

Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

• анализ зданий и сооружений как объектов энергетического моделирования;

• анализ современного состояния российских и мировых норм в области энергоэффективного строительства зданий и сооружений;

• анализ существующих программных средств в области энергетического моделирования зданий и сооружений;

• создание метода перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений;

в создание алгоритма автоматизации перспективного

энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений;

• разработка компьютерной информационной технологии оценки энергоэффективности зданий и сооружений;

в разработка метода создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования;

• практическая апробация результатов исследования;

• формулировка перспективных направлений дальнейших исследований.

Объект исследования: перспективное энергоэкологическое моделирование

зданий и сооружений.

Предмет исследования: автоматизация проектирования перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений.

Теоретическими и методологическими основаниями исследования стали системотехника строительства, системный анализ и системное проектирование, теория и практика анализа и построения САПР, современный опыт прикладных исследований в области САПР в строительстве, отечественный и зарубежный опыт при энергетическом моделировании зданий и сооружений.

Научная новизна диссертации:

• разработан метод перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений;

• разработан алгоритм автоматизации перспективного энергоэкологического моделирования в САПР;

• создана компьютерная информационная технология оценки энергоэффективности зданий и сооружений;

• разработан метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования.

Практическая значимость. Разработанная компьютерная информационная технология оценки энергоэффективности в составе метода перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений в САПР позволяет на этапе проектирования строительных конструкций, архитектурно-планировочных решений, инженерных систем оценить эффективность использования энергетических ресурсов в здании и сооружении с целью оптимизации ресурсов при дальнейшей эксплуатации.

Апробация результатов исследования. Результаты исследований докладывались на 10, 11, 12, 13 и 14-й международных научных конференциях "Строительство - Формирование среды жизнедеятельности" (г. Москва, 20072011 гг.), Научно-практических конференциях "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях" (г. Москва, 2008-2011 гт.), Международной научной конференции ДОННАСА (Украина, г. Донецк, 2009 г.), Международной научно-технической конференции "Стройкомплекс - 2010" (г. Ижевск, 2010 г.), XIX Словацко-российско-польском семинаре "Теоретические основы строительства" (Словакия, г. Жилина, 2010 г.), Международной научной конференции "Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании" (г. Москва, 2011 г.), XIV Международной конференции по компьютеризации в строительстве (ICCCBE 2012 Moscow), семинарах кафедр "Автоматизации инженерно-строительных технологий" и "Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве" ФГБОУ ВПО "МГСУ".

Результаты диссертации опубликованы в 2007-2012 гг. в 24 научных работах, в том числе - в 6 работах в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, утвержденный Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

В результате проведенных исследований автором (в составе авторского коллектива) получены 4 Патента РФ на полезные модели (2011,2012 гг.), Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (2011г.); Федеральной службой по интеллектуальной собственности приняты для регистрации заявка на Патент РФ на полезную модель, 12 заявок на Патент РФ на промышленные образцы, 3 заявки на Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (2012 г.).

Экспериментальное внедрение результатов исследования выполнено в Открытом акционерном обществе (ОАО) "Московская объединенная энергетическая компания" (МОЭК) и Некоммерческом партнерстве "Автоматизация зданий и системы управления инженерным оборудованием на базе протокола БАКнет" (НП "БИГ-РУ"). Отдельные результаты диссертации использованы в учебном процессе кафедры ИСТАС ФГБОУ ВПО "МГСУ".

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, общих выводов и предложений, библиографического списка и приложений.

Содержание диссертации соответствует п.п. 1,3,6 Паспорта специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство).

ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, а также объект и предмет исследования. Сформулирована научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе был проведен анализ зданий и сооружений как объектов энергетического моделирования.

При анализе зданий и сооружений как объектов энергетического моделирования рассмотрены инженерные системы зданий и сооружений и характеристики ограждающих конструкций. В современных зданиях и сооружениях существуют десятки инженерных систем. Их можно классифицировать по различным критериям: энергоемкость, число обслуживаемых помещений, типу потребляемых ресурсов и прочим факторам. Порядка 70% энергии, потребляемой зданиями и сооружениями, используется системами вентиляции, кондиционирования и отопления. В рамках задачи перспективного энергоэкологического моделирования в САПР рассмотрены именно эти инженерные системы, которые обеспечивают микроклимат в здании и являются основными потребителями энергии.

Так же был проведен анализ современного состояния российских и мировых норм в области энергоэффективного строительства зданий и сооружений. Системы стандартизации Европейского союза рассмотрены на примере "Директивы 2010/31/ЕС по энергетической эффективности зданий" (Energy performance of buildings directive, EPBD).

В Директиве EPBD предусматривается существование пяти блоков нормативных документов, объединяющих суммарно 65 стандартов. Общие взаимосвязи между различными европейскими стандартами и директивой EPBD характеризуются так называемым "зонтичным стандартом". В "зонтичном стандарте" регламентированы общие положения, включающие структуру всех блоков нормативной системы, понятия, перечни показателей энергоэффективности, способов их определения, принимаемые обозначения и единицы измерений (рис. 1).

В первом блоке рассматриваются методы определения энергетических характеристик здания. При создании методов ставилась задача учета показателей работы энергоисточников, их структуры и режимов эксплуатации, а также потери в энергетических сетях и возможности вовлечения в энергобаланс нетрадиционных источников энергии. Помимо этого, в первом блоке производится оценка экономической эффективности принятых энергосберегающих решений по всем системам инженерного обеспечения зданий и по теплозащите ограждающих конструкций. Показатели, полученные по методикам, представленным в первом блоке, используются в дальнейшем при регулировании энергоемкости зданий в следующих моделях:

- сравнительная маркировка энергоэффективности зданий по 7-балльной шкале (A-G);

- добровольная или обязательная сертификация энергоэффективности.

I Обшие взаимоотношения между различными |

европейскими стандартами и директивой I__ЕРЕЮ

Рис. 1. Структура блоков нормативов директивы 2010/31/ЕС по энергетической эффективности

зданий

В качестве исходных данных для перзого блока нормативных документов выступают показатели третьего блока "Методы определения годового энергопотребления инженерными системами". При этом расчет годового потребления энергии проводится, основываясь на принятых проектных решениях и расчетной установленной мощности инженерных систем, представленных во втором блоке.

Осуществление выбора инженерных систем, а также их установленной мощности происходит в соответствии с системой нормативов, представленных в четвертом блоке. Этот блок содержит нормативную документацию, регламентирующую расчетные наружные и внутренние условия, теплозащитные характеристики ограждающих конструкций, рекомендации по организации климатического режима зданий (воздухораспределение, размещение отопительных устройств, блоков кондиционирования).

В пятом блоке производится стандартизация испытаний инженерных систем и контроля энергопотребления здания.

Кроме этого, в первой главе был проведен анализ существующих программных средств в области энергетического моделирования зданий и сооружений, получивших широкое распространение в мировой практике при проектировании энергоэффективных зданий и сооружений и при анализе энергопотребления как возводимых, так и реконструируемых зданий. Составлена классификационная схема (рис. 2) самых распространенных средств автоматизированного проектирования энергоэффективных зданий и сооружений.

СРЕДСТВА ДЛЯ А ВТО М AT ИЗ АІІИИ ПЕРСПЕКТИВНО! О ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

НЕТ НЕОБХОДИМОСТИ D СОЗДАНИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА И * ПРОГРАММИРОВАНИИ

НЕОБХОДИМО СОЗДАВАТЬ МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ И ПРОГРАММИРОВАТЬ

ШМ, МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗДАНИЙ (НЕОБХОДИМА ГОТОВАЯ 3D МОДЕЛЬ) 4

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОСРЕДСТВОМ ПРОСТОГО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ П ТАЬЛИЧНОМ ВИДЕ

—Autodesk, ivcotect Analysis^ Autodesk, Revit, Conceptual energy analysis

ArchiCAD, Energy Analysis ICS Limited, VE-Ware DesignBuilder, Energy Plus Simulation

AF.COsim Energy Simulator V8i gtnergyEPC

RaumGEO, Mh-softwarc GmbH Bsim (Building Simulation) ESP-r

IDA Indoor Climate and Enemv TRNSYS

AEPS System Planning Building Design Advisor (BDA) Czcch National Calculation 'l oot EnergyCAP Enterprise Polysur

Right-Suits Universal Pvcad

Right-Suite Universal EDSL Tas VisualDQE 4.0

HA ВЫХОДЕ I ОТО ВАЛ ИНФОРМАЦИЯ

ПО ПОТРЕБЛЕНИЮ ЭНЕРГИИ ЗДАНИЕМ + СТОИМОСТЬ ИЛАДЕІІИЯ __ЗДАШ1Г_М____

ПА ВЫХОДИ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ И ВИЗУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ OB ИСТОЧНИКАХ 'MlF.Pl"ИИ, НО AHA НИЗ НЕОБХОДИМО ПРОВОДИТЬ САМОМУ

:г

Ansys CFD Star-CD CFD Siemens NX8 AutoCAD Simulation Solidworks CFD COMSOl. Multiphasics Green Building Information System (GDIS) OpcnTOAM Dymola simulation tools riex I'DF. Solution Inc HEAT 2,3 Delphin

AnTherm (Thermal I Icat Bridges) Usai

DarTWin Mold Simulator CRADLE IIFAT Designer Mc4Suite 2010 PHYSIBEL. SOFTWARE

HA ÜIjIХОДЕ ГОТОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

ПО ПОТРЕБЛЕНИЮ ЭНЕРГИИ ЗДАНИЕМ I- СТОИМОСТЬ ВЛАДЕНИЯ ЗДАНИЕМ, КОНСУЛЬТАНТ

НА ВЫХОДЕ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ИНФОРМАЦИЯ ОБ ИСТОЧНИКАХ Э1 ШИПИ, НО АНАЛИЗ НЕОБХОДИМО I ПРОВОДИТЬ САМОМУ

Autodesk Green Building Studio OK2 cQUHST OPAQUE Energy +

Hi:ED: 1 lomc Energy Efficient Design

ABOK Pacici HarovjKM ho CKIl

ARtJP Energy 2

SOl.AR-2,5

Energy Pro

Energy-10

Climate consultant S

Eaith Energy Designer (EED)

Chvac Rhvac

Building Energy Analy7er PRO

Energy Savvy

MIT Design Advisor

OPTIM1SER

OptoMizer

Passive House Planning (Design)

Package PIIPP

Recurve

REM/Rale REM/Design TREAT

MaiLAB/Simulink Wolfram Mathematica

• MapleSim Model

LabVicw National Instruments Modelica MathCAD

IIAMLAB HAMBASE МОДЭН ОДО «Энерговент»

Рис. 2. Классификационная схема средств автоматизированного проектирования энергоэффективных зданий и сооружений

Проведенный анализ предметной области позволил сформировать общую методологическую схему диссертационного исследования, представленную на рис. 3.

Во второй главе был создан метод перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений. Схема метода представлена на рис. 4.

Метод перспективного энергозкологического моделирования, описанный в представленной диссертационной работе, создавался для автоматизации расчета энергопотребления зданий и сооружений на этапе их эксплуатации. В данном случае для создания метода перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений необходимо было создать математическую модель теиломассообменных процессов, происходящих в здании. При создании математической модели учитывались следующие факторы:

• географическое местоположение, которое влияет на климатические данные региона и цену за1 кВт ■ час электрической энергии и ХГкач тепловой энергии;

• различные функциональные типы помещений для определения климатических условий внутри каждого типа;

• данные о материале наружных ограждений;

• данные об используемых инженерных системах в расчетном помещении;

• наличие технических устройств и присутствие людей.

Представленный метод перспективного энергоэкологического

моделирования может использовать не только статические исходные данные, не зависимые от времени, но и динамические, зависящие от астрономического времени, формируемые в режиме реального времени. Разработанный метод перспективного энергоэкологического моделирования предусматривает два способа ввода климатических данных: статистическая база данных наружного климата и разработанный алгоритм, который использует климатическую базу данных Yahoo Weather и Google Weather (последняя база ведет статистику с 1941 года, количество данных - 3 732 480 значений). В диссертационной работе использовалась климатическая база данных наружного климата за 2011 год, которая содержит следующие значения (всего 158 112 значений):

• поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой проем от прямой солнечной радиации; ориентация по сторонам света - С, Ю, 3, В, С-3, Ю-З, С-В, Ю-В (база данных состоит из 70 272 значений);

• поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой проем от рассеянной солнечной радиации; ориентация по сторонам света - С, Ю, 3, В, С-3, Ю-З, С-В, Ю-В (база данных состоит из 70 272 значений);

• температура наружного воздуха (база данных состоит из 8 784 значений);

• влажность наружного воздуха (база данных состой г из 8 784 значений).

Всего в методе используется 6 баз данных:

• база климатических данных;

• база данных матери&чов строительных конструкций;

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА Предположение возможности повышения энергетической эффективности зданий и сооружений в процессе их эксплуатации -за счет перспективного энергоэкологичсского моделирования на стадии автоматизации проектирования. —¥ ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ Перспективное энергоэкологическое моделирование зданий и сооружений.

I

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Разработка модельных и методических оснований для перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ Автоматизация проектирования перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений.

I 1 I

ЗАДЛЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

• анализ зданий и сооружений как объектов энергетического моделирования;

• анализ современного состояния российских

и мировых норм в области энергоэффективного строительства зданий я сооружений;

• анализ существующих программных средств в области энергетического моделирования зданий и сооружений;

• создание метода перспективного энергоэкологического моделирования в CAIIP;

• создание алгоритма автоматизации перспективного энергоэкологического моделирования в САПР;

• разработка компьютерной информационной технологии оценки энергоэффсктивности зданий и сооружений;

• разработка метода создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в САПР;

• практическая апробация результатов исследования;

• формулировка перспективных направлений дальнейших исследований.^_

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Системотехника строительства, системный анализ и системное проектирование, теория и практика анализа и построения САПР, современный опыт прикладных исследований в области САПР в строительстве, опыт при энергетическом моделировании зданий и сооружений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ

• разработан метод перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий

и сооружений;

• разработан алгоритм автоматизации перспективного энергоэкологичсского моделирования в САПР;

• создана компьютерная информационная технология оценки энергоэффективности зданий и сооружений;

• разработан метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Проведен анализ зданий и сооружений как объектов энергетического моделирования. 2. Проведен анализ современного состояния российских и мировых норм в области энергоэффективного строительства зданий и сооружений. 3.Проведен анализ существующих программных средств в области энергетического моделирования зданий и сооружепий. Разработала классификационная схема средств автоматизировацного проектирования знергоэффектиных зданий и сооружений. 4. Создай метод перспективного энергоэкологического моделирования САПР. 5. Создан алгоритм автоматизации перспективного энергоэкологического моделирования в САПР. 6. Разработана компьютерная информационная технология оценки энергоэффективности зданий и сооружений. 7. Разработан метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языха программирования М-кода в САПР. 8. Выполнепа апробация результатов диссертации в рамках НИР Научно-образовательного центра Информационных систем и интеллекту альной автоматики в строительстве (НОЦ ИСИАС). 9. В ходе дальнейшей проработки и развития данной информационной компьютерной технологии планируется создать полноценный программный продукт, позволяющий автоматизировать работу над оценкой потребления энергии зданием на всем его жизненном цикле.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты диссертации внедрены в ОАО "Московская объединенная энергетическая компания" (МОЭК) и Некоммерческом партнерстве "Автоматизация зданий и системы управления инженерным оборудованием на базе протокола БАКнет" (НП "БИГ-РУ"). Отдельные результаты диссертации использованы в учебном процессе кафедры ИСТАС ФГБОУ ВПО "МГСУ".

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Доклады на российских и международных конференциях. Результаты диссертации опубликованы в 2007-2012 гг. в 24 научных работах, в том ч исле - в 6 работах в научных изданиях, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

В результате проведенных исследований автором (в составе авторского коллектива) получены 4 Патента РФ на полезные модели (2011,2012 гг.). Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (2011 г.).

Рис. 3. Общая методологическая схема диссертационного исследования

Рис. 4. Схема метода перспективного энергоэкологического моделирования в САПР зданий и сооружений

» база данных свегопрозрачных конструкций;

• база данных тепло- и влаговыделения от человека в зависимости от вида деятельности;

• база данных вариантов инженерных систем;

• база данных различных типов помещений.

После создания математической модели тепломассообменных процессов, происходящих в здании, было проведено преобразование Лапласа, чтобы получить передаточные функции для оценки различных влияний на здание. Передаточные функции объединены в 15 модулей, которые служат для описания функционирования различных инженерных систем, число возможных комбинаций различных инженерных систем в модуле составило 92 варианта.

Далее был произведен выбор программного обеспечения для создания расчетного ядра. При разработке представленного в данном диссертационном исследовании метода использовался программный комплекс Matlab и Matlab Simulink. Указанный программный комплекс использует открытый программный код. После создания расчетного ядра в программном комплексе Matlab был разработан метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования. С его помощью был получен исполняемый файл в формате .ехе, реализующий разработанный метод перспективного энергоэкологического моделирования энергопотребления зданий и сооружений в виде компьютерной информационной технологии.

После создания исполняемого файла в программном комплексе Microsoft Visual Studio была построена оболочка-интерфейс для работы пользователя. Таким образом, было завершено формирование компьютерной информационной технологии перспективного энергоэкологического моделирования энергопотребления зданий и сооружений на этапе их эксплуатации, создание которой и являлось целью разработки данного метода.

Третья глава диссертационной работы посвящена созданию алгоритма автоматизации перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений.

Кроме этого, в третьей главе была проведена работа по автоматизации математического моделирования тепломассообменных процессов в здании и сооружении. В основе математической модели лежат уравнения энергетического и материального балансов для процессов, происходящих в инженерных системах зданий и сооружений.

Система дифференциальных уравнений по каждому блоку инженерных систем имеет вид (1):

dET!dt^Q,\

(1)

dE3J I dt =

m=I

где ET - тепловая энергия, использованная инженерной системой, Дж; Ö -тепловая мощность источника или использованная тепловой энергии, Вт; Е -электроэнергия, потребленная инженерной системой, Дж; Р - электрическая мощность источника или потребителя электрической энергии, Вт.

Например, для модуля воздушного отопления система балансовых уравнений имеет вид (2):

-вск + в^-Ям'

где: Ею ~~ тепловая энергия, потребляемая системой воздушного отопления здания, Дж; Е™ - электроэнергия, потребляемая системой воздушного отопления здания, Дж; <2шф - тепловая мощность инфильтрации, Вт; до,г -тепловая мощность теплопоступлений через ограждения, Вт; £),,, - тепловая мощность теплопоступлений через светопрозрачные конструкции, Вт; £)грит -тепловая мощность, необходимая для подогрева приточного воздуха, Вт; ()ЛТ -тепловая мощность тепловыделений от людей и техники, Вт.

В результате работы модуля вычисляются тепловая энергия, потребляемая системой воздушного отопления (ЕТРО, Дж), и электрическая энергия, потребляемая системой воздушного отопления здания (Е%,кВт-ч).

Подобным образом описаны остальные 15 модулей модели энергопотребления инженерных систем зданий.

Каждый модуль, соответствующий определенной инженерной системе, вычисляет значение тепловой и/или электрической энергии, потребляемой этой системой. Алгоритм перспективного энергоэкологического моделирования зданий и сооружений приведен на рис. 5.1-5.3.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены вопросы разработки компьютерной информационной технологии оценки энергоэффективности зданий и сооружении.

Отличие данной компьютерной информационной технологии от подобных компьютерных технологий заключается в методе ее построения, который описан во второй главе диссертационной работы. Данная компьютерная информационная технология имеет ряд преимуществ:

• компьютерная информационная технология имеет открытый код для программирования, что позволяет любому пользователю создавать свои модули (описание инженерной системы в здании и сооружении) и блоки (различные комбинации инженерных систем, установленных в здании и сооружении) и редактировать уже готовые модули и блоки;

• компьютерная информационная технология содержит в себе возможность создания любых зависимостей между любыми ее элементами, например, отслеживать влияние присутствия людей на расход воды в оросительной камере приточно-вытяжной вентиляции.

Также в четвертой главе диссертационной работы был разработан метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования.

Основные этапы разработки метода создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования показаны на рис. 6 и состоят в следующем.

5 §

Начало

I Выбор географического / местоположения из А— а_/

БД наружной температуры и влажности / БД теп. потока прямой , и рассеивающей солнечной радиации

1 I I

/ Выбор количества / типов помещений в к _здании_/

/ Ввод количества /помещений каждого типа/ _ в здании_/

БД типов помещений

О « ^ г 5 я^

я - а

-Э- о

с* - и

§ Й I ° й-

9 а

I 8

г « -г

5 8 8

* 8 =

= 2 1>

5 3 3

§ 2 £

В а §

■з

са <■

I

Расчет каждой зоны (помещения)

/ Выбор материала ограждающих конструкций для кажзог^помешения ,

уВвод площадей различных/ / частей ограждающих / _конструкций /

X

Выбор типа остекления

БД материалов ограждающих конструкций

БД вариантов остекления

I Выбор одного из 92 возможных / вариантов инженерных систем г+— для каждого помещения /

Расчет коэффициентов участия различных инженерных систем

БД вариаты инженерных систем

'Запись коэффициентов участия различных инженерных систем

' Ввод параметров для всех

инженерных систем в каждом _помещении здания_

О

О

0

° М 1

л-і У £ «

/ Ввод числа осветительных приборов, / псрсопатыгых компьютеров, МФУ,/ _специального оборудования /

X

' Ввод удельного тепловыделения от осветительных Приборов, ! персональных компьютеров, МФУ У специального оборудования /

/ Ввод количества

людей, находящихся в _помещении.

БД тешю и влаговыделения от человека в зависимости _от вида работы_

Ввод температуры внутреннего воздуха

а. з с і О ?

/ Ввод относительной влажности внутреннего

возду

7

/

"Необходимая мощность на возмещение потери тепла через ограждающие конструкции (кроме свегопрозрачных ограждающих конструкций)

Тепловая мощность, поступающая-через свеюпрозрачные конструкции _от солнечной радиации_

[ Необходимая мощность на возмещение избытков тепла от 1 люде й и тсхн ячеек их систем

Тепловая мощность естественно вытяжной _вентиляции_

Необходимая мощность для подогрева притонного воздуха

Необходимая мощность на возмещение потери тепла через инфильтрацию_

Необходимая мощность для

процесса рекуперации энергии приточного воздуха

Холодильная мощность кондиционирования приточного во злу х а

Необходимая мощность на увлажнение воздуха в оросительной камере_

Необходимая мощность на~ пароувлажнение воздуха в камере пароунлажкения

""" Зались коэффициентов различных режимов работы инженерігьіх систем

Расчет коэффициентов различных режимов работы И)ГЖСНСрНЬ!Х систем

о

Расчет передаточных функций во всех модулях по различны каналам_

/ Ввод коэффициентов участия / различных инженерных систем-/ _рассчитанных ранее /

0

/Вводкоэффициентов различных режимов работы инженерных / систем, рассчитанных ранее /

/Ввод периода моделирования / (расчета) /

s С? v Л о S

я i S

Запись значения

Расчет необходимой электрической энергии для поддержания уставок по температуре и влажности а каждом помещении различного типа

Расчет необходимой тепловой энергии для поддержания уставок по температуре и влажности в каждом

I!

= S

Расчет необходимой электрической энергии для поддержания уставок по температуре и влажности во

реем ттпмептетгаг зланкч

Расчет необходимой тепловой энергии для поддержания уставок по температуре и влажности во всем помещении, здании_

С

Конец

3

Рис. 5.3. Схема алгоритма перспективного энергоэкологическсго моделирования зданий и сооружений (часть 3)

1. Matlab Compiler вызывается для преобразования М-кода в исходный код С или С++.

2. Matlab Compiler вызывает компилятор С или С++, используя данные о его расположении.

3. Компилятор C/C++ преобразует исходный текст программы в объектный

код.

4. По окончании преобразования кода компилятор C/C++ вызывает редактор связей.

5. Редактор связей выполняет компоновку, подключая к объектному коду необходимые библиотеки Matlab C/C++ Math Library, Matlab C/C++ Graphic Library и библиотеку С++, и генерирует исполняемый файл приложения.

Рис. 6. Метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования

После создания независимого исполняемого файла реализации метода перспективного энергоэкологического моделирования возникла необходимость в создании файла пользовательской оболочки-интерфейса для упрощения ввода данных. Оболочка исполняемого файла создавалась в Microsoft Visual Studio, ее общий вид приведен на рис. 7. Далее создается общий установочный файл программы оценки энергопотребления зданий и сооружений. В результате работы над диссертацией была получена компьютерная информационная технология оценю! энергопотребления зданий и сооружений на этапе его эксплуатации.

Компьютерная информационная технология, созданная в диссертационной работе на основе метода перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений, позволяет строить любые зависимости между любыми элементами системы в отличие от современных САПР, содержащих модули энергетического моделирования, имеющихся сегодня на рынке. В этом смысле важное значение имеет система дифференциальных уравнений тепломассообменых процессов, происходящих в здании и сооружении, на основе которой построена компьютерная информационная технология.

На рис. 8. представлена зависимость расхода теплоносителя через теплообменник теплоснабжения в приточно-вытяжной системе вентиляции, обслуживающей помещение общественного здания, на котором проводится практический эксперимент.

Рис. 7. Вид оболочки исполняемого файла

— Capacity rate

t—_- -uLr-v-

1 1

Time, second х ю4

Рис. 8. График расхода теплоносителя через теплообменник теплоснабжения приточного

воздуха

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. В процессе исследования был проведён анализ зданий и сооружений как объектов энергетического моделирования. При анализе зданий и сооружений как объектов энергетического исследования рассмотрены инженерные системы зданий и сооружений и характеристики ограждающих конструкций.

2. В процессе исследования был проведен анализ современного состояния российских и мировых норм в области энергоэффективного строительства зданий и сооружений. По результатам анализа существующих нормативных систем в области энергоэффективности зданий и сооружений, действующих в Европейском союзе и США, была разработана структура блоков нормативов по энергетической эффективности зданий и сооружений.

3. В процессе исследования был проведен анализ существующих программных средств в области энергетического моделирования зданий и сооружений. Разработана классификационная схема средств автоматизированного проектирования энергоэффектиных зданий и сооружений.

4. Создан метод перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений, который позволяет автоматизировать расчет энергопотребления здания на этапе его эксплуатации.

5. Создан алгоритм автоматизации перспективного энергоэкологического моделирования в системах автоматизированного проектирования зданий и сооружений, описывающий порядок ввода данных в математическую модель тепломассобменных процессов для анализа энергопотребления зданиями и сооружениями. Также он описывает подключение баз данных к модели, расчет основных коэффициентов моделирования и вывод общих данных об энергопотреблении зданиями и сооружениями.

6. Разработана компьютерная информационная технология оценки энергоэффективности зданий и сооружений, которая позволяет анализировать энергопотребление зданий и сооружений на этапе эксплуатации во время их проектирования.

7. Разработан метод создания исполняемого файла на основе интерпретируемого языка программирования М-кода в системах автоматизированного проектирования, который позволяет использовать открытые языки программирования для создания и редактирования модулей и блоков в компьютерной информационной технологии, описанной в данной диссертационной работе.

8. Выполнена апробация результатов диссертации в рамках НИР Научно-образовательного центра Информационных систем и интеллектуальной автоматики в строительстве (НОЦ ИСИАС):

- "Поисковые НИР в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений" (16.552.11.7025, 2011-2012 гг.);

- "Формальные основания инвариантных моделей интеллектуальных систем энергетически эффективного управления инженерными ресурсными сетями произвольных типо- и топологий" (16.120.11.2968-МД, 2011-2012 гг.);

- "Методология и логики представлений, инвариантного проектирования и оценки эффективного уровня искусственного интеллекта условно абстрактных технических объектов (на формальных моделях зданий) и элементов (систем)" (7.5853.2011,2011 г.);

- "Разработка и обоснование методами численного и физического эксперимента технологических решений по использованию ветровой энергии в ансамблях высотных сооружений с учетом орографии местности" (14.740.11.0880, 2012 г.).

9. В ходе дальнейшей проработки и развития данной информационной компьютерной технологии планируется создать полноценный программный продукт, позволяющий автоматизировать работу над оценкой потребления энергии зданием на всем его жизненном цикле.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах автора:

1. Седов A.B. Особенности синтеза математических моделей ™.нерного оборудования зданий и сооружений [текст] // Сб науч тр Юбилейной X международной межвузовской научно-практической конференции

, „ --------------""" "и; КОНфереНЦИИ

молодых ученых, докторантов и аспирантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности". - М.: МГСУ; Издательство АСВ, 2007. - 0,5/0,25 п.л.

2- Седов А-В- Постановка задачи оптимизации работы мультизональной энергоэффективной системы климатконтроля [текст] // Вестник МГСУ - 2008 -№1.-0,5/0,25 п.л.

3. Седов A.B. Анализ задачи оптимизации работы мультизональной энергоэффективной системы климатконтроля [текст] // Сб. науч тр Научно-практической конференции "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях". - М.: МГСУ, 2008. - 0,5/0,25 пл.

4. Седов A.B. Постановка задач на оптимизацию автоматического

управления микроклиматом помещений [текст]//Вестник МГСУ -2009 -№1

0,5/0,25 п.л. ' " '

5. Седов A.B. Обеспечение комфорта человека в помещении посредством инженерных систем [текст] // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. - Украина, Донецк: ДОННАСА, 2009 - 0 5/0 25 п.л. ' '

6. Седов A.B. Разработка математической модели процессов микроклимата в помещении [текст] // Сб. науч. тр. Научно практической конференции "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу основанному на знаниях". М.: МГСУ, 2009. - 0,5/0,25 пл.

7. Седов A.B. Разработка математической модели процессов микроклимата в помещении [текст] // Сб. науч. тр. Международной научно-

№ГТУС2Ш0К°0 5/0Р25ЦИИ "Стр°йк0мплекс ~ 2010"" ~ Ижевск: Издательство

8. Седов A.B. Задачи автоматизации в задачах энергосбережения [текст1 // Автоматизация зданий. - 2010. - №3-4(38-39). - 0,5/0,25 пл.

9. Седов A.B. Оценка проектных решений систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха посредством математического моделирования [текст] // Сб. науч. тр. ХП1 Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов "Строительство -формирование среды жизнедеятельности". - М.: МГСУ; Издательство АСВ 2010 - 0,5/0,25 п.л.

10. Седов A.B. Оптимизация автоматического управления процессами микроклимата зданий [текст] // Сб. науч. тр. II Международной научно практической конференции "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях". - М.: МГСУ, 2010. - 0,5/0,25 п.л.

11. * Седов A.B. Применение математического моделирования для оценки проектных решений систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха [текст] // Вестник МГСУ. - 2010. - №2. - 0,5/0,25 п.л.

12. Седов A.B. Оптимизация системы автоматического управления микроклиматом с применением математической модели [текст] // Сб. науч. тр. XIX Словацко-российско-польского семинара "Теоретические основы строительства". - М.: Издательство АСВ, 2010. - 0,5/0,25 п.л.

13. Седов A.B. К вопросу об автоматическом управлении микроклиматом. Комфорт человека в помещении [текст] // Автоматизация зданий. - 2010. - №7-8 (42-43). - 0,5/0,25 п.л.

14. Седов A.B. Теория оценки удельного потребления отдельных видов энергоресурсов [текст] // Автоматизация зданий. - 2010. - №7-8 (42-43) - 0,5/0,25 п.л.

15. Седов A.B. Оптимизация автоматических систем регулирования микроклимата [текст] // Автоматизация зданий. - 2010. - №9-10 (44-45). -0,5/0,25 п.л.

16. Седов A.B. Автоматическое обеспечение комфорта человека в помещении [текст] // Сб. науч. тр. кафедры "Автоматизации инженерно-строительных технологий". - М.: МГСУ, 2010. - 0,5/0,25 п.л.

17. Седов A.B. Математического моделирование в автоматизации микроклимата строительных машин [текст] // Сб. науч. тр. кафедры "Автоматизации инженерно-строительных технологий". - М.: МГСУ, 2010. -0,5/0,25 п.л.

18. Седов A.B. Комплексное повышение энергоэффективности объектов строительства посредством применения имитационного моделирования [текст] // Сб. науч. тр. XIV Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов "Строительство -формирование среды жизнедеятельности". - М.: МГСУ; Издательство АСВ, 2011. -0,5/0,25 пл.

19. * Седов A.B. Использование энергетического моделирования в системах автоматизации проектирования зданий [текст] // Гео Риск. - 2011. - №3. - 0,5/0,25 п.л.

20. * Седов A.B. Перспективное энергетическое моделирование в системах автоматизации проектирования зданий [текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №5. -0,5/0,25 п.л.

21. * Седов A.B. Повышение энергоэффективности инженерных систем жилищно-коммунального комплекса [текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №6. -0,5/0,25 пл.

22. Седов A.B. Моделирование перспективного энергопотребления в САПР инженерных систем зданий и комплексов [текст] // Сб. науч. тр. Международной научной конференции "Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании". - М.: МГСУ, 2011. - 0,5/0,25 пл.

23. Седов A.B. Перспективное энергетическое моделирование в системах автоматизированного проектирования здании и комплексов [текст] //

Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2012. -№4(159). - 0,5/0,25 п.л.

24. SEDOV, А., 2012. Perspective Energy and Environmental Modeling in Computer Aided Design Systems. In Abstract Volume, 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (14th ICCCBE), V. TELICHENKO, A. VOLKOV and I. BILCHUK (Editors), Moscow 27-29 June, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Publishing House "ASV", p. 432-433, ISBN 978-5-93093-877-7. - 0,25 пл.

Интеллектуальная собственность, созданная в процессе исследования, защищена следующими документами:

25. Пат. 111916 Российская Федерация, МПК G05B 17/00 (2006.01). Лабораторный испытательный стенд средств автоматики управления вентиляционными системами [Текст] / Волков A.A., Седов A.B., Челышков П.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "МГСУ",- №2011137627; заявл. 13.09.11; опубл. 27.12.11, Бюл. № 36.

26. Пат. 111917 Российская Федерация, МПК G05B 17/00 (2006.01). Многофункциональный лабораторный стенд моделирования систем интеллектуальной автоматики зданий [Текст] / Волков A.A., Седов A.B., Челышков П.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ BIIO "МГСУ".-№ 2011137628; заявл. 13.09.11; опубл. 27.12.11, Бюл. № 36.

27. Пат. 114177 Российская Федерация, МПК G05B 17/00 (2006/01). Научно-исследовательский лабораторный комплекс проектирования и тестирования элементов автоматического управления инженерными системами [Текст] / Волков A.A., Седов A.B., Челышков П.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "МГСУ".- №2011137625; заявл. 13.09.11; опубл. 10.03.12, Бгол. № 7.

28. Пат. 114178 Российская Федерация, МПК G05B 17/00 (2006/01). Научно-исследовательский комплекс имитации систем автоматического управления технологическими процессами [Текст] / Волков A.A., Седов A.B., Челышков П.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "МГСУ". -№ 2011137626; заявл. 13.09.11; опубл. 10.03.12, Бюл. № 7.

29. Св. 2011618900 Российская Федерация. Программа автоматического управления подпиткой системы сбора и использования дождевой воды в зданиях [Текст] / Волков A.A., Седов A.B., Челышков П.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "МГСУ". - №2011617145; заявл. 23.09.11; per.

15.11.11.

*

- 6 работ, опубликованных в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, утвержденный Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Лицензия JIP №020675 от 09.12.1997 г.

_ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет"

Подписано в печать: 25.09.2012. Формат: 60x84 1/16 Печать: XEROX

Объем: 1,0 п. л._Тираж: 100__Заказ №: б/н

НОЦ ИСИАС, 129337, г. Москва, Ярославское ш., 26, ФГБОУ ВПО "МГСУ"