автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Применение математической модели для прогнозирования воздушнотепловых, влажностных, газовых и пылевых процессов в крупногабаритных промышленных зданиях

На правах рукописи

Плотников Алексей Александрович

РГБ ОД

2 о г?м па

ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ Е05ДУШ-НОТЕПЛОВЫХ, ВЛШОСГНЫХ, ГАЗСЕЫК я ШЛЕЕЫХ ПРОЦЕССОВ В КРУПНОГАБАРИТНЫ/: ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЯХ.

05.¿3.03 тэплосклбиениэ, генгаиази, кондиционирование воздуха, гагоснабж,еше и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2000

Работа выполнена на кафедре "Утопление и вентиляция" Московского государственного строительного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

I I

| ТИТОВ В.П. |

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

БОДРОВ В.И. кандидат технических наук, доцент ЯА7ШЕНК0В М.А.

Бэдушдя организация: Прсмотройпрсект

Защита состоится "'(" ОЦ 2000г. в часов на заседании диссертационного совета Д 053.11.07 в Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Ярославское п.. д.26. ауд 409.

С диссертацией шнпю овнзкомятся в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан " " 2000г.

д лссертациснкогс совета, проф. д.т.к. ХАЕАКОЕ П./

Н Ш . 220 . 2Ю - 0{ С Ив , О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время в напей стране уделяется больное внимания вопроса;,! экономии энергии эксплуатации зданий и сооружений. В связи с этим возникла, задача снижения энергопотребления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха при создании оптимальных условий комфортности в помещении или выполнении требований технологического КШДКШСНИрОЕЗЯКЯ.

При выборе режкмсЕ эксплуатации систем отопления, вентиляции и кондиционирования микроклимата, соответствующих наименьшему потреблен™ энергии этими системами, необходимо гнать ход основных микроклиматических параметров в помещении в различные часы суток и периоды года при постоянно меняющихся режимах эксплуатации. На основе получаемых характеристик микроклимата возможно сформировать модель управления системами отепления, вентиляции и кондиционирования.

В зданиях с источниками вредных выделений внутри помещения ( пыль, различные газы и т. д.) для создания благоприятных условий труда (соблюдения ПДК в рабочей зоне) требуется белее тщательный подход к выбору способов организации воздухообмена и управления вентиляцией в процессе проектирования и эксплуатации.

Возможность возникновения -аварийных ситуаций, связанных с выбросом вредных веществ внутри помещений вызывает необходимость в организации эффективно действующей аварийной вентиляции и разработки условий эвакуации работающих людей ( время к маршрут эвакуации ).

Эти задачи до настоящего времени решались по отдельности, без учета их взаимозависимости и динамики теплоЕСздушных процессов з различное время суток и периодов года.

В настоящей работе выполнена разработка одного из возможных подходов к решению комплексной задачи изменения климатических параметров в здании при различных условиях эксплуатации, в том числе и аварийных, и постоянно ¡ленящихся наружных условиях, а также выявления путей снижения потребления энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха путем выбора оптимального режима управления

ими а процессе эксплуатации.

Цель исследований - разработка математической модели расчета нестационарных воздудаотепяовых, влавдосгных, газовых я пылевых процессов, протекающих в гдании для обеспечения точности поддержания параметров микроклимата, требуемых по гигиеническим или технологическим условиям, при минимальных энергозатратах на отепление и вентиляцию здания.

Длн достижения поставленной целя необходимо было решить следующие задачи:

- разработать математические модели нестационарного теплового, воздушного, Елалшсоткого, газового, пылевого режимов йдэния с учетом их взаимосвязи с применением одно- и многозонной моделей понесения;

- математически списать процессы, определяющие распределение температуры на поверхности ограждения в различных веках и в талце огршйаяопс йонотрукции при воздействии на ник солнечной радиация ( е том числе п перемещающегося пятна ) или излучения друге; источников теплоты;

- разработать методику расчета параметров конвективных струи ( температура, расход воздуха )' возникающей около нагретых или охлажденных вертикальных поверхностей ограэдащпх конструкций с учетом кеменения температур ограждений и воздуха по высоте помещения, а также рассчитать параметры конвективных струй, зовникающих над теплевши источниками с учетом изменения температуры воздуха- в различных зонах.

Научная новизна работы заключается в том,что:

- разработаны математические модели комплексного расчета нестационарного теплового, воздушного,влаяшостного. пылевого, газового режимов помещения на основе одно- и многозонной моделей вентилируемого помещения при различных схемах орга-

ч низацнк воздухообмена с произвольно расположенными источника.«! вредных выделений в помещении к с учетом естественного воздухообмена;

- усовэриеннтЕован способ расчета параметров конвективных струй, возникающих у нагретых или охлажденных вертикальных ограждающих конструкций и над нагретым оборудованием о учетом изменения температуры воздуха и ограждений по вертикали;

- о -

- разрвбстан способ расчета температурь: внутренней поверхности ограждения при падении на него перемещающегося пятна солнечной радиации;

- разработан метод учета потоков тепла и массы з работающем в здании вентиляционном оборудовании, обладавшего конкретными характеристиками.

Практическая ценность:

- разработан и апробирован метод расчета нестационарного воздушно-теплового, влакнсстнэго, газового и пылевого режимов здания для анализа конкретных инженерных решений при разработке проектов;

- разработаны рекомендации ш уточнению расчетов требуемого воздухообмена с учетом нестационарных теплового, воздушного, алажноотксго, газового и пылевого режимов и организации вентиляции на основе одна- и ыногогсннон математических моделей вентилируемого помещения для достижения минимальных затрат на эксплуатацию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Нз заЕИту выносятся:

- комплексная математическая модель воздушного, теплового, вдажкостного, газового и пылевого режимов вентилируемого помещения и здания в целом;

- алгоритм и программа расчетов по этой модели для ПЗЕМ;

- результаты расчетов Еоздушнотеплового, влажноетного. газового и пылевого режимов различных зданий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы вошли е отчеты по работе хоздоговорами и докладывались на кафедре отопления и вентиляции МГСУ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографии, включающей 196 наименований, в том числе 22 иностранных, приложения. Работа-изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит £5 рисунков.

Публикации. По материалам дисс-ертацки опубликовано 3 пе-атные работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ предшествувщнхработ в области исследования тешга-еого рем-ша помещения показывает, что в этих вопроса;-; ряд икжекероЕ и ученых, таких, как В.Н.Мачкнский, К.Ф.Фокин,

A.М.Шкловер, В.Н.Еогооловсгага, Ю.Я.Кувшинов, O.E. Власов,

B.C. Соколов и др., провели серьезные изыскания и создали мощную базу для его расчета.

Исследованиями воздушного режима помещений занимались видные ученые и инженеры, в их числе Е.М. Эльтерыан, П.Н.Каменев, В.В.Батурин, Б.П.Титов и др. Исследование струй проводили В.А. Бахарев , В.И. Талиев, И.А. Шепелев и др.

В области газового режима помещений проводили исследования многие ученые и инженеры, в том числе Б.X.Ленд, А.Н. Селиверстов, Е.П. Титов и др.

Исследования б области влажностного режима помещения проводили многие известные ученые инженеры такие, как В.Н. Богословский, A.B. Ливчак, Е.М. Белова, и др.

Изучению пылевого режима помещений посветили свои работы отечественные ученые и инженеры в том числе и Д.В. Коптев, Ю.Г. Грачев, К.А. Фукс др.

До настоящего времени, во первых: в основном использовались методы расчета теплового, воздушного, влажностного, газового и пылевого режимов здания основанные на традиционном подходе, который базируется нз методах стационарного режима. Во вторых: не смотря на высокий уровень решения отдельных. вопросов, они рассматривались без взаимосвязи друг с другом, что приводило к ошибкам при их вычислении.

В последнее время приобрели популярность методы численного моделирования, в которых эти недостатки можно преода-леть. Математическим моделированием микроклиматических процессов занимались,- Б.П. Титов, Г,М. Позин, А.Г. Рымаров и др.

На этапе создания к представленной математической модели били предъявлены следующие требования. Модель должна:

- объединять все процессы, характеризующие состояние микроклимата в помещении к учитывать их взаимовлияние;

- рассматривать нестационарные режимы процессов, протека-

~ ( ~

юшдх в помещении;

- рассматривать помещение по многовенной схеме;

- позволять оценивать комфортность человека, находящегося в помещении;

- содержать информацию для сценки последующей энергетической и экономической эффективности систем ОЕиКВ;

- позволять проводить многовариантный расчет с целью создания наилучшего микроклимата в помещении ( выполнение гигиенических или технологических требований ) при миккмаль-ных затратах тепловой и электрической энергии, при эксплуатации систем ОВпКВ и без значительного повышения капитальных затрат, то есть ва счет выбора более эффективных систем ОБиКВ и качественного управления ими;

- сыть применимой на стадии проектирования и на стадии эксплуатации систем ОЕ'иКВ;

- быть универсальной, в плане возможности упрощения или усложнения постановки репаемой задачи ( создание многозонной и однозонной модели, добавление и исключение элементов из расчетной схемы > в зависимости с-т требуемой точности и типа помещения;

- учитывать потоки тепла и массы в оборудовании для поддержания микроклимате С воздуховоды, теплсмассообменные аппараты ) и их влияние на параметры воздуха в помещении.

Для выполнения поставленной задачи составлена последовательность операций, приведенная на рис 1.

Разработку режима работы систем ОВиКЕ, экономический расчет и выбор конечного варианта необходимо проводить при помощи аналитического метода, используя результаты математического моделирования и в данной работе критерии оценки не рассматриваются.

В приведенном алгоритме главней задачей является создание математической модели, позволяющей рассчитать в каждом помещении здания воздушно-тепловой, владкостный, газовый и пылевой режимы. Остальные разделы призваны обрабатывать результаты этого расчета, та есть являются его производными. Поэтому в д.энной работе основное внимание уделяется созданию математической модели, дозволяющей проводить расчет вентиляционных процессов, протекающих в помещении.

задаваясь б каждом помещении здания воз-духообмеобменаш и температурами притоков определяется в них воздушно-тепловой, влашостный. газовый и пиленой режим. I

] проверяется тепловой комфорт человека к I соответствие нормам ЦЦК концентраций пыли и гаеов в рабочей зоне помещения.

мнсговариактный расчет вышеприведенных разделов, в плане изменения концептуальных решении систем ОВиКВ.

выбор оптимального варианта.

рис. 1. Алгоритм общей постановки задачи.

Установление нового качества в данной работе достигается за счет учета взаимовлияния всех процессов протекающих в помещении. В результате, более точно уотановлнваюгся воздушно-тепловой, влажноотный, газовый и пылевой режимы, имеющие место в данном помещении и в здании в целом, что позволяет повысить качество проекта и оптимизировать работу систем ОВиКБ при эксплуатации зданий. Каждая ив этих задач по отдельности с той или иной глубиной проработки, а значит, и точности уже была решена другими авторамп. Отдельные элементы этих работ необходимо Было развить и соединить их в единый комплекс. Исходя из этих соображений можно составить алгоритм для принципиального создания математической модели,

представленный на рис.2

Для определения параметров, отражающие микроклимат в помещении необходимо рассчитать тепломаосообменные процессы, протекающие а нем. А тленно лучисто-конвективный теплообмен в помещении и процессы влагс-пылп-газопереноса. Для этого составлекна система балансовых уравнений, решение которой возможна после определения воздушных потоков в помещении. Поэтому предварительно необходимо расчнтать воздушные потоки, тлеющие место в помещении, такие как конвективные струи у вертикальных ограждений и над нагретым оборудованием, перетекание воздуха между помещениями, действие приточных струй и вытяжки, аэрация, вытяжка у местных отсосов, инфильтрация и зксфкльтрация.

Система уравнений имеет еид: аТ

- я - = «д ф г (ti - + йк (1, - 1в) - аГ

<1х

6п + 3 а + с + Зцед + Зт,в - Зу е. у - бу.к.с ~

~ Бвыт " Су. г. з = '3

О, + ПЛа О еп) + и с еэ + Е(с 1к.с Ок. с) +

+ с ^пер Впер + с 'Ьт.в &г.в + ^ (Ьегр " ^я) -

- Е(о ty 57) - с 8э.у - Е(о Ьу.к.с Зу.к.с)"

~ с ^еьгх Врыт ~~ ^ ^у. г.е 'Зу. т. в QcкE• =

йх

М + Шп Вп) + йв 0Э + Е(с1к.с 6ц.с) 4 с1Пвк Впер +

+ Зт.в Вг.в " (Зу) - с!э.у Се.у - Дёу.к.с Зу.к.с)"

сШ

- сЗвьгг байт " <3у.т.в Оу.т.в 4 Мконд =

сЬ

М + ЕСсп 0П) + са Зэ + Е(Ск,с Вк.е) + Спав Впер +

+ ст.в Вт.в " Е(су 'Зу) - се.у Ва.у - Е(с.у.к.с бу.к.с)-

<ЙЛ

- с-аыт бвыт ~ '-у.т.в бу.т.в -

(к

КАЧАЛО

_ ! _

Исходная информация: конструкция здания, характеристики климата, информация для расчета воздуш-нотеплового, влзкноотного, газового к пылевого реншов .характеристик:-! оборудования для поддержания микроклимата и т.д.

, -

_I_

I 1

¡счетчик времени г"=т;о |

КОНЕЦ

рис. 2. Алгоритм расчета нестационарного теплового, воздушного, газового и пылевого режимов здания.

М 1- Е(сп Вп) + Се Зб + Е(ск.с Вк. с) + сП6р Впер +

+ Сх. 2 БТ.в - Е(С-у Зу) - 0-9.у Зэ.у - Ц'Оу.к.С еу,к.с) -

- СВЫТ ¡ЗвЫТ - Су.Г,Е йу, Т.В+ Цм, 3+1 " ^ОС, 3 ~ МйЫП +

<зм

+ Ь-под =

л

При составлении балансов учитываются: вредные выделения в помещении, потока вредности, вносимые и уносимые с механическим и естественным притоком ( вытяжкой ), конвективными струями, перетекающим воздухом, скрытая теплота парообразования при испарении или конденсации воды, масса осевшей на пол или поднятой с него пыли.

После решения этой системы уравнений мы получим данные о температуре внутренних поверхностей ограждений, концентрации пыли и газов, влагоссдержаяие в воздухе каждой зоны помещения .

При решении поставленной задачи наибольшая трудность возникает при определении теплового и воздушного режимов из-за влияния их друг на друга и большого количества процессов, которые необходимо учесть для определения их по отдельности, Исходя из этого целесообразно расчленить эти большие задачи на следующие составляйте, из которых найдем отдельные составляющие баланса:

- моделирование процесса теплопроводности через наружные, внутренне ограждающие конструкции и перекрытия с учетом солнечной радиации, падающей на наружную и внутренюя поверхность ограждений, в том числе перемещающегося пятна солнечной радиации на внутреней поверхности ограждения и падающей на внутренюю поверхность ограждения радиационной составляющей тепловыделения оборудования. Находил температуры поверхностей ограждений;

- создание модели процесса теплопроводности пола по грунту при тех же условиях, что и для предыдущих ограждений, при дополнительном учете влияния распределения температуры по глубине грунта у наружной стороны ограждения под действием климатических факторов и влияния этого на теплопотери через пол. Находим -температуру поверхности пела;

- моделирование конвективных струй, возникающих у натре-

тык или охлажденных вертикальных ограждений, при изменении по высоте температуры ограждения и внутреннего воздуха. Находим температуру и объем воздуха в настилающейся конвективной струе;

- создание модели конвективных струи, возникающих над нагретым оборудованием с учетом изменения температуры воздуха по высоте. Находим температуру и объем воздуха в конвективной струе;

- создание модели естественного воздухообмена. Находи« объемы естественного притока и вытяжки;

- моделирование приточных струй. Находим температуру и объем приточной струи в каждой зоне;

- влияние теяломэссообменЕых прочессов в вентиляционном оборудовании на состояние микроклимата в помещении. Находим температуру, влагоссдерзкаяие приточного воздуха и тепловой поток от воздуховодов;

- оценка комфортности человека в помещении.

При общей постановке задачи необходимо отметить,что влияние друг на друга тепловых, воздушных, влэлшостных, пылевых и газовых процессов носит неравноправный характер.Взаимозли-яющими процесса',in являются тепловой и воздушный, некоторое влияние на них имеет влажностный процесс, а влияние теплового и воздушного режима на пылевой и газовый носит односторонний характер.

Для решения вышеназванной задачи были созданы две математические модели помещения различной сложности и качества отображения климатических процессов проходящих в помещении -однозоннач и многозонная. Еыбор между одно и многозонной моделями помещения обусловлен геометрическими размерами расчетного помещения, сложностью проходящих в помещении процессов, необходимой точностью проводимых расчетов. Принципиальные отличия медду многозонной и однозонной моделями представлен на рис. S.

для расчета воздушнотеплового режима аппретурно-отделоч-ного цеха применялась многозонная модель, результаты расчета по которой ( распределение температуры воздуха по объекту помещения в 15 часов } представлении на рис. 4. Сравнением полученных результатов с результатами натурных исследований

однпзокияа мпцсаь

была подтверждена адекватность модели.

По итогам расчета ЕозушнотепдоЕого режима для анализа возможных путей экономии энергии удобно выделить составляющие теплового баланса и энергозатраты за некоторый период эксплуатации систем ОВКВ (отопительный период, год), что было сделано для литейного дека, рис 5.

Одним из важных параметров, характеризующих комфортность человека и условия благоприятные для технологического процесса является относительная влажность воздуха помещения. Расчет влажностного режима проводился следующим способом. Зная количественное значение всех воздушных потоков и их влагосодержание, а также влаговыделення для каждой зоны, составляется дифференциальное балансовое уравнение, которое решается в каждый момент времени относительно влагосодержа-ния зоны. Затем, зная температуру к влагосодержание зоны, по аналитической формуле пересчета находим влажность зоны. Если сна Екше 100 £ , то влажность принимается разной 100 % и при этой же температуре определяется влагосодержание. Остальная часть влаги выпадала в виде конденсата. Результаты расчета

4 ге

4S

30

28

10

ЙЗ

4С

т

6} И

■ п

•ta

•ta

рис 4. Распределение температуры в апперетурно-отделоч-ном цехе: 1- температура в рабочей зоне, Ь=1м; 2- температура в средней воне Ь=2,65м; 3- температура в верхней зоне И=3,95м

Tíifujfi-sjif!»

ШЁЯмЖш

i 2 _3 4 6 8 рис, s Теплопотери, теплопсступления и энергозатраты в

течении отопительного периода, ГДж/отоп.период:

ТЕПЛОПОТЕРИ

I - теплопотери через стены помещения, 2 - теплопотери через окна помещения, 3 - теплопотери через потолок, 4 -теплопотери через пол, 5 - теплопотери на инфильтрацию,

ЭНЕРГОЗАТРАТЫ

б - на отопление, 7 - на вентиляции, 8 - энергозатраты на электроснабжение здания, МВт чао/отоп.период, 9 - на горячее водоснабжение, 10 - прочие энергозатраты, ТЕПЛОБЗДЕЛЕШет

II - от людей, 12 - от освещения 13 - от работающего оборудования, 14 - при остывании разогретых материалов, 15 - от солнечной радиации, 15 - прочие тепловыделения.

теплового и влажностного режима круглосуточно работающего ресторана, по одкоеснной модели, после оборудования кондиционерами типа сплит-система представлены на рис.6.

Расчет газового режима сводится к следующему. Зная значение и направление воздушных потоков, концентрацию расчитываемых газон е наружном воздухе, газовые выделения в помещении в различных зонах, а также начальную концентрат® газа в помещении, составлялись балансовые уравнения для каждой зоны и определась в каждый момент времени концентрация газа во

4,1?в

¿Д ео

60 АС

за 20 10

о

1 а а 4 б о 7 а б ю и 12 и и « ш г? ю я 2021 22гэг*

-----^ _+_ 2_ ••»■ з

рис. 6. Тепловой (1) и вдажностный (3) режимы при автоматической работе кондиционера (й).

всех зонах помещений здания. Расчет ведется для одного типа газа. Результаты расчета газового режима здания " Гостинного двора " ( динамика, изменения концентрации углекислого газа в течении суток ) представлены на рис. 7,

Для расчета пылеЕого режима здания необходимо знать характеристики, выделяемой источником, пыли ( дисперстный состав-. плотность ныли ), местонахождение источника пыли, значение и направление воздушных потоков, концентрацию и дисперстный состав пыли в притоке и в наружном воздухе. Составляется балансовое уравнение для каждой гоны и каждой фракция находится концентрация пыли ъ них Сп . Затем рассчитывается скорость витания пыли и если она больше подвижности воздуха е гоне начинается процесс оседания пыли. За время шага расчета из зоны выпадет пыли Мое, которая попадет в ниженаходя-щуюся зону, а пыль нижней зоны выпадает на пол. После рассчитывается скорость троганяя для каждой фракции пыли и если она меньше подвижности воздуха в нижней зоне то некоторая часть неубранной пыли возвращалось в нижнюю зону. Изменение концентрации пыли в течении суток в здании литейного цеха, при его двухсменной работе, представлены на рис. 6.

Как уже упоминалось тепловой, воздушный, влажносткый, газовый к пылевой режимы здания должны решаться параллельно, с учетом взаимосвязи.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1, Существугоне в настоящее время традиционные методы рзсчетз воздушкотеплового, злажнооткого, газового и пылевого режимов здания не позволяют точно определить в помещениях крупнегабсригных промышленных зданий температуру воздуха, радиационную температуру, влажность, концентрацию газов и пыли и основаны, в основном, на стационарном методе пли не учитывают взаимосвязь между процессам? проходящая? в помещении.

2. Взаимозависимость теплового, воздушного, влажностно-гс, газового и пылевого режимов вызывает необходимость рассматривать эти процессы в ракурсе единой технологической системы (ETC).

S. Разработанный метод расчета нестационарного теплового, воздушного, влажностного, газового и пклеЕого режимов здания ка основе однозонкой и ¡лнсгозонной моделей помещения с учетом характеристик помещений, характера технологического процесса, схемы

организации воздухообмена, периодичности работы, фракционного состава и расположения источников вредных примесей и влаги, наружных климзтическях характеристик и т.д., позволяет с необходимой точностью учесть основные процессы, влияющие на изменение микроклимата в помещениях крупногаботитных промып-ленных зданий.

4. Разработанный метод расчета Еоздушотеплового, влажностного, газового и пылевого режимов здания позволяет более точно, по сравнению с традиционными методами, прогнозирвать параметры воздуха в помещении, а также на основе полученных результатов отдельным расчетом оперативно оценить экономические затраты при сопоставлении инженерных решений, принимаемых во время разработки проекта, при этом снизить энергозатраты при эксплуатации систем отопления, вентиляции и кондиционировании воздуха.

С -С

2,в

1.8

ОЛ

-а—^— ................

"Ч

-V.

1V-" —

0 L._!-!._L_.J___I_1_L_t_J_I I I I I I l I I I I__i.__I

I 2 J < 5 ti Г 2 5» (IK Й » 13 ts U 13 18 £3 21 22 £3 £4

рис. 7. Концентрация COS в помещении " Гостиного ДЕОра 1-в первой зоне; 2- в верхней (иестой) зоне

С иг

L> JP

в

J___!___J_i__1__I_J__L_J_

I I I_1_i---i_L.

_J__I__L_I__J_

1 2 a 4 ffi 9 7 8 S SJ « 12 13 14 « « <7 Я «20 21 ¡а 23 £4 1

I

рис. b. Концентрация пыли в помещении 1- в первой гоне; 2- во второй зоне; 3- в верхней {шестой) зоне.

5. Сравнение результатов математического моделирования и натурных исследований показывает достаточную точность представленной модели к говорит о возможности использовании данной модели при проведении проектных и исследовательских работ.

0. Усовершенствование метода И.А. Шепелева для расчета ксявектиЕных струй возникающих у нагретых и охлажденных вертикальны:-: поверхностей и над нагретым оборудованием позволило приспособить его для использования з данной наделе, и привело к повышению точности расчета этой составляющей воз-дуашстбПЛОБОго баланса.

Основные положения диссертации изложен в следующих работах:

1. А.Г. Рымаров, A.A. Плотников О.Д. Самарин. Моделирование тешгомассосбмэшшх процессов во внутридворовом пространстве Атриума Старого Гостиного ДЕсра. Энергосбережение и Ездоподготовка. N 2, 1999 г. с. E5-S8.

2. A.A. Плотников. Моделирование процесса теплопередачи в наружных и внутренних ограждающих конструкциях помещения. Сборник докладов конференции "Проблемы экологии и знергссбе-режения в условиях Западней Сибири.", Москва, 1999 г. с. 46-49.

3. А.Г. Рымаров, A.A. Плотников О.Д. Самарин. К расчету параметров микроклимата Большой Спортивной Арены в Луиниках. Монтажные и специальные работы в строительстве. N 1, 2000 г. с. 15-19.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

t, Т - температура; \ - теплопроводность материала ограждения; к - толщина; ц - тепло-поступления; т - ваг но времени; с - теплоемкость воздуха ; р - плотность воздуха; d - влаго-содеркание воздуха; Q - масса воздуха; С - концентрация газа или пыли; Меып - количество ссевЕэи пыли на пол; Мпод - количество поднятой пыли; Мое - количество пыли осевшей ив вышележащей зоны; Мкокд - количество выпавшего конденсата в зоне; М - поступление некоторых вредностей ( влага, пыль,

газы );, «- коэффициент теплопередачи; дг- радиационный поток теплоты.

ИНДЕКСЫ

б - внутренний; н - нарукний; ] - номер зоны; г - газ; зксф - эксфплътрацкя ; инф - инфильтрация : у - уходящий ; пр -приток ; е - естественное движение ; п - шш ; пер - перетекание воздуха.

Лицензия № 020675 от 09.12.1997 г

Подписано в печать ОЗаЛсоОи формат 60x84 1/16 Печать офсетная И-Я Объем 1 п. л. Т. 80 Заказ 7

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26

ВВЕДЕНИЕ.

1, ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ОБЛАСТИ ТЕПЛ0В03ДУШНЫХ, ВЛАЖНОСТНЫХ, ГАЗОВЫХ И ПЫЛЕВЫХ РЕЖИМОВ ЗДАНИЯ.

1Л Воздушный, тепловой, влажноотный, газовый и пылевой режимы помещения.

1.1.1 Тепловой режим помещения.

1.1.2 Воздушный режим помещения.

1.1.3 Влажноотный режим помещения. ЕЕ

1.1.4 Газовый режим помещения. Е

1.1.5 Пылевой режим помещения. £

1.2 Воздушный, тепловой, влажноотный, газовый и пылевой режимы здания.=.=.,,.,=,.,

1.3 Требования, предъявляемые к микроклимату в помещении.

1.4 Проблемы энергосбережения и оптимизации работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха,.

1.5 Климатические характеристики и их моделирование,.

1.6 Выводы по первой главе.,.,.,.,,,,.,

2.ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВЫХ, ВЛАЖНОСТНЫХ, ГАЗОВЫХ И ПЫЛЕВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ

В ЗДАНИИ,.

2.1 Предпосылки к Формированию математической модели климатических процессов, происходящих в помещении.

2.2 Формирование математической модели вентиляционных процессов.,.,,.,.,.,.,.,.,.,,,.

2.3 Постановка задачи.

4 Моделирование процесса теплопроводности в наружных, внутренних ограждениях и перекрытиях , 5'.:

О.Р Разработка модели процесса теплопередачи в полу по грунту,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,.,.,,,.,,,,,,,,,,

2.6 Математическое описание процесса Формирования конвективных струй возникающих у нагретых или охлажденных вертикальных поверхностей; = г,,.

2.7 Моделирование конвективных струй, возникающих над нагретым оборудованием,.,,,,,,,,,.,,.,.,,,,,,,,,,,,,,,

2.8 Моделирование приточных струй и местного отсоса,,,,,,

2.9 моделирование аэрации..

2.10 Влияние тепломассообменных процессов в вентиляционном оборудовании на параметры воздуха в помещении,.

2.11 Оценка комфортности человека в помещении,,,,,,.,,,,,74 2 Л2 Выводы по второй главе,,,,,.,,,,.,,,,,,,,,,,,,,

3, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ОПИСЫВАЮЩАЯ В03ДУШН0ТЕПЛ0ВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОМЕЩЕНИИ

3.1 Предпосылки для выбора типа математической модели воБдушнотепловых процессов,,,,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

3.2 Математическая модель, описывающая нестационарный воздушнотепдоЕЫХ режим однозонного помещения,,,,,,,,,,,,,

3.3 Математическая модель описывающая, нестационарный воздушнотепловых режим многозонного помещения,.,

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛАЖНОСТНЫХ, ГАЗОВЫХ И ПЫЛЕВЫХ ПРОЦЕССОВ

4.1 Алгоритм расчета влажностного режима,.,

4.2 Алгоритм расчета газового режима,.

4.3 Алгоритм расчета пылевого режима помещения,,

5, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛ0В03ДУШНЫХ, ВЛАЖНОСТНЫХ., ГАЗОВЫХ И ПЫЛЕВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗДАНИИ,.,

6.ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ТЕПЛОВОГОj ГАЗОВОГО, ВЛА1НОСТНОГО И ПЫЛЕВОГО РЕЖИМОВ

НА ПРИМЕРЕ КОНКРЕТНЫХ ЗДАНИЙ. . . . . . . =

6.1 Атриум Гостиного двора.

6.2 Здание развлекательного центра.

6.3 Здание литейного цеха.

7. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ НА ПРИМЕРЕ

ПОМЕЩЕНИЯ АППРЕТУРНО-ОТДЕЛОЧНОГО ЦЕХА.

Актуальность работы, В последнее время в нашей стране уделяется большое внимания вопросам экономии энергии эксплуатации зданий и сооружений, В связи с этим возникла задача снижения энергопотребления системами отопления5 вентиляции и кондиционирования воздуха при создании оптимальных условий комфортности в помещении или выполнении требований технологического кондиционирования,

При выборе режимов эксплуатации систем отопления, вентиляции и кондиционировалия микроклимата^ соответствующих наименьшему потреблению этими системами энергии, необходимо знать ход основных микроклиматических параметров в помещении в различные часы суток и периоды года при постоянно меняющихся режимах эксплуатации. На основе получаемых характеристик микроклимата возможно сформировать модель управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования,

В зданиях с источниками вредных выделений внутри помещения ( пыль, различные газы и т, д,) для создания благоприятных условий труда (соблюдения ВДК в рабочей зоне) требуется более тщательный подход к выбору способов организации воздухообмена и управления вентиляцией в процессе проектирования и эксплуатации.

Возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с выбросом вредных веществ внутри помещений вызывает необходимость в организации оптимальной аварийной вентиляции и разработки условий эвакуации работающих людей ( время и маршрут эвакуации ),

Эти задачи до настоящего времени решались по отдельности, без учета их взаимозависимости и динамики тепловоздушных процессоЕ в различное время суток и периодов года.

В настоящей работе выполнена разработка одного ив возможных подходов к решению комплексной задачи изменения климатических параметров в здании при различных условиях эксплуатации, в том числе и аварийных, и постоянно меняющихся наружных условиях, а также выявления пути снижения потребления энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха путем выбора оптимального режима управления ими в процессе эксплуатации.

Цель исследования ~ разработка математической модели расчета нестационарных воздушнотепловых, влажностных, газовых, пылевых процессов, протекающих в здании для обеспечения точности поддержания параметров микроклимата, требуемых по гигиеническим или технологическим условиям, при минимальных энергозатратах на отопление и вентиляцию здания.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать математические модели нестационарного теплового, воздушного, влажностного, газового, пылевого режимов здания с учетом их взаимосвязи с применением одно- и многозонной моделей помещения;

- математически описать процессы, определяющие распределение температуры на поверхности ограждения в различных зонах и в толще ограждающих конструкций при воздействии на них солнечной радиации ( в том числе и перемещающегося пятна ) или излучения других источников теплоты;

- разработать методику расчета параметров конвективных струй ( температура, расход воздуха ) возникающей около нагретых или охлажденных вертикальных поверхностей ограждающих конструкций с учетом изменения температур ограждений и воздуха по высоте помещения, а также рассчитать параметры конвективных струй, возникающих над тепловыми источниками о учетом изменения температуры воздуха в различных зонах.

Научная новизна работы заключается в том,чтог

- разработаны математические модели расчета нестационарного теплового, воздушного,, влажноотного, пылевого, газового режимов помещения на основе одно- и многоеонной моделей вентилируемого помещения при различных схемах организации воздухообмена с произвольно расположенными источниками вредных выделений в помещении и с учетом естественного воздухообмена;

- предложен способ расчета параметров конвективных струй, возникающих у нагретых или охлажденных вертикальных ограждающих конструкций и над нагретым оборудованием о учетом изменения температуры воздуха и ограждений по вертикали;

- разработан способ расчета температуры внутренней поверхности ограждения при падении на него перемещающегося пятна солнечной радиации;

- разработал метод учета потоков тепла и массы в работающем в здании вентиляционном оборудовании, обладающего конкретными характеристиками.

Практическая ценность:

- разработан и апробирован метод расчета нестационарного воздушно-теплового, влажноотного, газового и пылевого режимов здания для анализа конкретных инженерных решений при разработке проектов;

- разработалы рекомендации по уточнению расчетов требуемого воздухообмена с учетом нестационарных теплового, воздушного, влажноотного. газового и пылевого режимов и организации вентиляции на основе одно- и многозонной математических моделей вентилируемого помещения для достижения минимальных затрат на эксплуатацию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

На защиту выносятся:

- комплексная математическая модель воздушного, теплового, вдажностного, газового и пылевого режимов вентилируемого помещения и здания в целом;

- алгоритм и программа расчетов по этой модели для ПЭВМ;

- результаты расчетов воздушнотеплового, влажноотного, газового и пылевого режимов различных зданий.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы вошли в отчеты по работе хоздоговорами и докладывались на кафедре отопления и вентиляции МГСУ.

Существующие методы прогнозирования воздушнотеплового, влажностного, газового и пылевого режимов здания можно классифицировать следующим образом. По учету протекания во времени: стационарные, нестационарные. По учету изменения параметров в пространстве; однозонные, многозонные. По алгоритму реализации: расчетные [172,135,47до], графические [5,46], графоаналитические [1481, моделирование [52,48,152], натурные исследования [164],

Для разработки достаточно эффективного способа оценки воздушнотеплового, влажностного, газового и пылевого режимов здания необходимо рассмотреть выше названные способы и взять из них решения, приемлемые при данной постановке задачи,

7= ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существующие в настоящее время традиционные методы расчета воздушнотешювого, влажностного, гавового и пылевого режимов здания не позволяют точно определить в помещениях крупногаборитных промышленных зданий температуру воздуха, радиационную температуру, влажность, концентрацию газов и пыли и основаны, в основном, на стационарном методе или не учитывают взаимосвязь между процессами проходящими в помещении,

Е, Взаимозависимость теплового, воздушного, влажностного, газового и пылевого режимов вызывает необходимость рассматривать эти процессы в ракурсе единой технологической системы (ETC),

3, Разработанный метод расчета нестационарного теплового, воздушного, влажностного, газового и пылевого режимов здания на основе однозонной и многозонной моделей помещения с учетом характеристик помещений, характера технологического процесса, схемы организации воздухообмена, периодичности работы, Фракционного состава и расположения источников вредных примесей и влаги, наружных климатических характеристик и т,д,, позволяет с необходимой точностью учесть основные процессы, влияющие на изменение микроклимата в помещениях круп-ногаботитных промышленных зданий,

4, Разработанный метод расчета Еоздушнотеплового, влажностного, газового и пылевого режимов здания позволяет более точно, по сравнению о традиционными методами, прогнозирвать параметры воздуха в помещении, а также на основе полученных результатов отдельным расчетом оперативно оценить экономические затраты при сопоставлении инженерных решений, ппинимаемых во время разработки проекта, при этом снизить энергозатраты при эксплуатации систем отопления, вентиляции и кондиционировании воздуха.

5, Сравнение результатов математического моделирования и натурных исследований показывает достаточную точность представленной мидели и говорит о возможности использовании данной модели при проведении проектных и исследовательских работ,

6, Усовершенствование метода И,А, Шепелева для расчета конвективных струй возникающих у нагретых и охлажденных вертикальных поверхностей и над нагретым оборудованием позволило приспособить его для использования в данной моделе, и привело к повышению точности расчета этой составляющей воз-душнотеплового баланса.