автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Развитие методов и программного обеспечения для расчета нестационарных тепловых процессов и поддержания микроклимата зданий

На правах рукописи

РГб од

<» т 2зс$

ЛУКЬЯНОВ Павел Юрьевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И ПОДДЕРЖАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата техииче

Иркутск-2000

Работа выполнена в Забайкальском институте железнодорожного транспорта, г Чита.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Н.П. Сигачев

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор

B.Р. Хлевчук (НИИСФ, г. Москва) кандидат технических наук, доцент

C.Е. Съемщиков (ИрГТУ) проекгно - изыскательский институт «Забайкалжелдорпроект», г. Чита

Защита диссертации состоится « » декабря 2000 г. в "» часов на заседании диссертационного совета К 063.71.04 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, Иркутск - 74, ул. Лермонтова, 83, ауд. П-7^-/

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан » ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук; доцент

Н-ИЗ .6 , о

Н^бЛ.З-05ЦЛ ,0 2

Л. И. Кажарская

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.

Существует два подхода к повышению энергоэффективности зданий:

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

- улучшение качества регулирования микроклимата, 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 построенных ранее. Повышение энергоэффективности зданий в этом случае требует значительных капитальных вложений. При существующих низких темпах строительства представляется более эффективным второй подход, при условии реконструкции систем отопления и некоторых элементов значительной части существующих зданий.

В случае применения способов повышения энергоэффективности зданий, характерных для второго подхода, практически неизбежно требуется проведение расчетов тепловых процессов в динамике. 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. Тем более, не существует готовых программных продуктов, предназначенных для инженерных расчетов нестационарных тепловых процессов всех видов в зданиях.

По этим причинам важным направлением является развитие методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, соответствующих программ для ЭВМ, способов поддержания микроклимата зданий, основанных на расчетах нестационарных тепловых процессов, и инженерных методик расчета нестационарных процессов для определения энергоэффективности тех или иных инженерных решений.

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

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

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью работы является разработка методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, пригодных для использования в инженерной практике; разработка 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 для каждого из 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 инженерно -технических решений применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья.

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 объектно - ориентированного 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 им объектов -математических моделей.

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 под держания 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 расчета; разработке 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 научно- практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». (Москва, 2000); на научно- практической 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 изложена на 140 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (104 наименования) и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель исследования, указывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе сделан анализ существующих методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях. Рассмотрены основные положения существующих методов, их достоинства и недостатки и рассмотрены возможности алгоритмизации каждого из методов для решения нестационарных задач строительной теплофизики, с учетом моделирования здания, как единой теплофизической системы.

На основе анализа сделаны следующие выводы.

1. Тепловые процессы имеют сильно различающиеся характерные времена установления. Большое отличие характерных времен для различных процессов позволяет во многих случаях рассматривать процессы лучистого и конвективного теплообмена как статические в каждый момент времени. Напротив, расчет передачи тепла в ограждающих конструкциях должен проводиться на основе нестационарных уравнений теплопроводности.

2. В большинстве методов используются дополнительные предположения, упрощающие схему проведения расчетов. Введение таких дополнительных предположений сильно сужает возможности методов.

3. Практически все методы расчета подразумевают разделение ограждающих конструкций на зоны прямоугольной формы, которые выделяются исходя из одинакового характера теплообмена и незначительного различия температуры поверхности в пределах зоны. Такой подход позволяет использовать одномерные уравнения для описания процессов теплопроводности для каждой из панелей и различные приближения для расчета интенсивкостей конвективного и лучистого теплообмена.

4. Хорошо известны системы уравнений статического теплового баланса для помещений в том или ином приближении. Наиболее очевидный способ динамического расчета тепловых процессов в помещениях заключается в добавлении в такую систему уравнений нестационарных одномерных уравнений теплопроводности для каждой из панелей и решении полученной системы уравнений на ЭВМ. Однако реализация на практике этого подхода возможна лишь для геометрически простейших зданий. Уравнения граничных условий требуется составлять заново для каждого здания в зависимости от геометрии последнего. Таким образом, для геометрически достаточно сложных зданий подход является чрезвычайно трудоемким.

5. Следует особо выделить группу методов (теория теплоустойчивости, методы анализа частотных характеристик электрических систем - аналогов для тепловых процессов), основными недостатками которых являются предположения о линейности системы или гармоническом изменении величин, зависящих от времени (тепловых потоков и температур). В ряде случаев тепловые процессы описываются существенно негармоническими функциями от времени. Другим принципиальным не-

достатком этих методов является невозможность расчетов переходных тепловых процессов в зданиях, так как последние характеризуются сплошным частотным спектром.

6. Существуют методы расчета тепловых процессов, основанные на аналогии между тепловыми и электрическими процессами. Эти методы позволяют рассчитывать как переходные, так и установившиеся тепловые процессы в зданиях. Для получения конечного результата не требуется составлять системы уравнений для всего здания в целом. Принципиальными недостатками методов являются: активные линейные сопротивления, используемые в качестве аналогов для лучистого и конвективного теплообмена; необходимость предварительного расчета параметров элементов электрической системы на основе данных о геометрии здания и свойств строительных материалов; последующий пересчет полученных значений в температуры и тепловые потоки.

7. В настоящее время не существует достаточно простых и удобных для использования в инженерной практике общих методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях. Существующие методы либо используют дополнительные предположения, сильно сужающие возможности методов, либо неприемлемы для инженерной практики по причине большой сложности или трудоемкости вычислений. Таким образом, для практического решения задач повышения энергоэффективности без существенной реконструкции существующих зданий, требуется разработка методов расчета нестационарных тепловых процессов и соответствующего программного обеспечения, приемлемых для использования в инженерной практике.

Во второй главе описывается предлагаемый метод взаимодействующих объектов (метод ВО), предназначенный для расчета на ЭВМ нестационарных тепловых процессов в зданиях, имеющий следующие отличительные особенности:

- метод расчета относительно прост и является приемлемым для инженеров - строителей, владеющих приемами программирования ЭВМ;

- метод расчета исключает составление громоздкой системы уравнений для всего здания в целом; элементы здания (с точки зрения специфики процессов теплопередачи и массопереноса) описываются только исходными уравнениями типа уравнений теплопроводности, конвективного или лучистого теплообмена;

- метод расчета является динамическим, т.е. предполагает, что все величины, характеризующие тепловые процессы, являются функциями от времени; при этом учитывается распространение волн теплопроводности (в ограждающих конструкциях, перекрытиях, внутренних перегородках и т.д.), суточные изменения наружной температуры, скорости ветра и других наружных условий, и соответствующие изменения всех тепловых потоков; с другой стороны, процессы, которые характеризу-

ются относительно малыми временами установления (лучистый теплообмен, конвекция), в каждый момент времени могут рассматриваться как статические;

- метод расчета не требует предположений о гармоническом изменении тех или иных величин во времени и хорошо работает при произвольных законах изменения последних;

- метод расчета не требует линеаризации при описании процессов конвективного и лучистого теплообмена и позволяет использовать наиболее точные нелинейные приближения для описания процессов теплообмена;

- тепловые процессы в каждом помещении здания рассчитываются с учетом процессов в соседних помещениях без дополнительных предположений о характере последних;

- метод является универсальным как для расчета установившихся, так и переходных тепловых процессов в зданиях;

- метод позволяет решать как прямые, так и обратные задачи строительной теплофизики;

- метод позволяет автоматически учитывать изменение тепловых потоков при изменениях в размещении отопительных приборов;

- расчет потоков тепла, переносимого за счет теплового излучения, может проводиться на основе приближений, пригодных в случае малых значений коэффициентов поглощения поверхностей ограждающих конструкций;

- метод расчета учитывает солнечную радиацию, проникающую в помещения через заполнения оконных проемов и дополнительный нагрев наружных частей ограждающих конструкций от солнца, не прибегая к усредненным величинам;

- принимается, что температура воздуха в пределах каждого помещения изменяется только во времени и не зависит от пространственных координат.

Метод может быть применен для разработки достаточно универсальной прикладной программы для расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях. Возможно использование метода в системах автоматизированного проектирования зданий, так как исходными данными для проведения расчетов являются геометрические данные о структуре здания и теплофизические свойства материалов, с привязкой последних к геометрическим данным. Метод является достаточно гибким и может использоваться для расчета теплофизических процессов, выходящих за рамки задач, рассмотренных в настоящей работе.

В основу предлагаемого метода положено представление о том, что все величины, определяющие тепловые потоки, являются функциями от времени. Вторым важным положением, лежащим в основе метода, является системный подход. Системный подход предполагает разделение сложной

системы (всего здания) иа более простые составляющие (помещения со всеми ограждающими конструкциями), а те, в свою очередь, на еще более простые элементы (ограждающие конструкции, перекрытия, окна и т.д.). При этом на каждом иерархическом уровне системы требуется определить, каким образом взаимодействуют между собой составляющие одного иерархического уровня, и как изменяется состояние каждого элемента системы в зависимости от действия на него других элементов. Третьей составной частью метода является наиболее общее понимание моделирования как совокупности приемов и способов, обеспечивающих создание системы - аналога, иной, более удобной для исследования природы, процессы в которой протекают аналогично процессам в исходной системе. При таком подходе чаще всего не требуется аналитическое решение тех или иных уравнений. Предлагаемый метод ВО предполагает создание виртуальной системы объектов в памяти ЭВМ, поведение которой подчиняется дифференциальным уравнениям, описывающим тепловые процессы в здании.

Основополагающим положением является использование объектов для разработки математических моделей элементов здания, связывание объектов на основе геометрических данных о структуре здания, и организация взаимодействий между объектами посредством методов объектов для передачи информации другим объектам о состоянии данного объекта в текущий момент времени. Здание описывается как совокупность взаимодействующих элементов. Элементы здания выделяются исходя из одинакового характера теплофизических процессов. Каждому элементу здания сопоставляется и инициализируется объект соответствующего типа. Далее производится связывание объектов. На этом этапе требуется указать, с какими другими элементами здания взаимодействует данный элемент. Для связывания объектов используются геометрические данные о структуре здания. Для выполнения расчетов реализуется главный цикл программы. В главном цикле производится последовательный для всех объектов, соответствующих элементам здания, вызов метода расчета изменения состояния объектов за одинаковый малый интервал времени. Учитывая такое свойство объектно - ориентированного программирования (ООП), как полиморфизм методов объектов, при вызове одноименных методов объектов разных типов, пересчет изменения состояния производится по различным алгоритмам. Главный цикл программы может также предусматривать вывод на экран части данных, характеризующих тепловые процессы в здании, запись текущих значений на магнитные носители информации, оцифровку и дальнейшее использование сигналов для управления микроклиматом, и статистическую обработку результатов.

Наиболее удобно для реализации метода представить здание в виде взаимодействующих элементов следующих типов:

• Плоские прямоугольные поверхности. Общим свойством всех поверхностей является перенос тепла за счет конвекции, теплового излучения и солнечной радиации.

• Элементы здания, изменение состояния которых определяется уравнением теплопроводности в том или ином приближении. При реализации метода оказалось целесообразным выделить элементы, для которых требуется решение нестационарного уравнения теплопроводности (панели ограждающих конструкций) и элементы, для расчета изменения состояния которых достаточно ограничиться решением стационарного уравнения теплопроводности.

• Объект - имитатор внешних условий. Строго говоря, внешние условия не являются элементом здания, но удобно формально рассматривать внешние условия (температуру наружного воздуха, радиационную температуру, скорость ветра, интенсивность и направление солнечной радиации) как еще один элемент здания.

• "Составные" элементы различных типов. Объекты, соответствующие "составным" элементам здания, предназначены для моделирования ограждающих конструкций, перекрытий, помещений и т.д. Каждый из объектов этих типов состоит из объектов более низкого иерархического уровня, надлежащим образом связанных между собой.

На рис. 1 приведена схема взаимодействий между объектами для вертикальной ограждающей конструкции. Двойным подчеркиванием на схеме обозначены типы объектов, прямоугольной рамкой - методы объектов. На схеме обозначены объекты и методы, принадлежащие этим

ТНСИтз!

\

-1-Т4—

ТНЗиг^О / ТН5шМ I \ ТСУУаНУО

Рис. 1. Схема взаимодействий между объектами для вертикальной ограждающей конструкции.

объектам. Направления стрелок обозначают направления передачи данных от одних объектов к другим при помощи методов объектов.

Обозначения на схеме соответствуют: ТНСНпШ - объект моделирования внешних условий; Сс1СНтаЮа!а - метод объекта ТНС1ппа1:, предназначенный для получения другими объектами данных о внешних условиях (температура воздуха, скорость ветра, положение солнца на небесной сфере, и т.д.); ТНБигП/О - объект моделирования процессов теплообмена на наружных вертикальных поверхностях; Се1(ХС?нар) - метод объекта ТШигГУО, предназначенный для получения другими объектами мгновенной мощности потока тепла по направлению от поверхности внутрь конструкции; ТН\^^а11 - объект типа «теплопроводящий элемент»; ОеИ(Тнар) и СеЩТвн) - методы объекта, предназначенные для получения другими объектами значений температуры с наружной и внутренней стороны «теплопроводящего элемента», соответственно; ТНБигРЛ - объект моделирования процессов теплообмена на внутренних вертикальных поверхностях; СеКДОвн) - метод объекта ТНБигГУГ, предназначенный для получения другими объектами мгновенной мощности потока тепла по направлению от поверхности внутрь конструкции; ОеК^Сопу, СеК31г и О^ОБип - методы объекта ТИБигГ/!, предназначенные для получения другими объектами мгновенных мощностей потоков тепла по направлению от поверхности внутрь помещения за счет конвекции, за счет теплового и солнечного излучения, соответственно; ТС\^а11УО - объект, являющийся объединением объектов ТШигГУО, ТН\Уа11 и ТШш^УГ, и предназначенный для моделирования процессов в (на) вертикальных панелях ограждающих конструкций; ТНЛоот - объект моделирования процессов в помещениях; ОеШ.Т(Та) и Се1Яр1г - методы объекта, предназначенные для передачи другим объектам значений температуры воздуха в помещении и мгновенной мощности потока теплового излучения на данную внутреннюю поверхность панели со стороны помещения.

В итоге организации взаимодействий между объектами численно решается на ЭВМ система уравнений, состоящая из блоков следующего вида для каждого помещения здания:

Й Рл(*л)-ся(хл)

(1)

или

а^руж(1) = -кл(0)-8г®!21 (4)

С А ::

авкугр..уЧ(1Т_.)Т^) + С1в„ртр.сол(1) {5)

Овнутр/|.> лвнутр.конв/х -г Т \ ,

,тгап,тт1) + (6)

или

а„арук(1) =акаруж.конв(4)Тнаруждв1 +

анаруж.лу,(4)ТнаружТр) + а«аруж.сол(()

<1Т, 1

сК с,

_ ■у д внутр.конв ддоп _ QB<

(8)

где I - время, Тд^хд) - функция распределения температуры в толще I -той панели j - того помещения; х^ - пространственная координата для 1 -той панели j - того помещения; к^(х^), pji(xJ0, с^(х^) - теплопроводность, плотность и теплоемкость материала в толще панели соответственно; и Б,; - толщина и площадь поверхности панели; - мощность теплового потока, приходящаяся на поверхность панели, рассчитываемая в том или ином приближении исходя из площади поверхности, разности температур поверхности панели и воздуха (конвективный теплообмен), или площадей, взаимного расположения, температур и коэффициентов поглощения теплового излучения поверхностей панелей (лучистый теплообмен); Т; -температура воздуха в j - том помещении, ^ - приведенная теплоемкость воздуха в помещении с учетом размещенных в нем предметов; V - скорость движения воздуха вблизи наружных ограждений; ТЕ - температура наружного воздуха; Гр - радиационная температура пространства, окружающего здание. Уравнения (1) - (7) записываются для каждой панели помещения. Уравнение (1) является одномерным нестационарным уравнением теплопроводности. Уравнения (2), (3) и (4) представляют собой граничные условия для уравнения (1). Уравнения (5), (6) и (7) выражают закон сохранения энергии для внутренней по отношению к ] - тому помещению и наружных поверхностей панелей, соответственно. Индексом т обозначено помещение, для которого 1 - тая панель ограждения j - того

помещения является общей. Номер панели (п) в индексе mn соответствует нумерации, принятой для m - ного помещения. Уравнение (8) выражает закон сохранения энергии и описывает нагрев (охлаждение) воздуха и предметов, размещенных в помещении. Отопительные приборы могут учитываться как дополнительные панели (если вклад отдачи тепла за счет излучения достаточно велик), или за счет слагаемого 0,доп (дополнительное тепловыделение в помещении) в противном случае.

Основные выражения, используемые для реализации математических моделей элементов здания - объектов, приведены ниже.

Косинус угла отклонения солнца от вертикали для произвольного момента времени достаточно хорошо описывается выражением

= • cos (2х• (Т -13)/24), (9)

где Т - декретное время в часах. Азимут солнца (в радианах от

направления на юг) изменяется линейно и рассчитывается как

. (10)

24

Приведенные выражения с приемлемой точностью описывают движение солнца на небесной сфере для любой части года и любой широты, включая тропические и заполярные широты. В частности, они позволяют автоматически учитывать продолжительность солнечного дня, а также движение солнца в полярный день и полярную ночь.

Для моделирования элементов конструкций здания, изменение состояния которых описывается уравнением теплопроводности, используется следующее выражение, записанное в конечных разностях:

АТп At

h, k

kn+1 + ^n

•(Tn+1- T„)

k„ + k„

-(Tn-U

Ы

(11)

(где I -время, Т - температура, Ь - температуропроводность, рс=кЛг, р -плотность материала, с - теплоемкость, к - теплопроводность). Выражение (11) позволяет реализовать явный метод, более простой и требующий меньших объемов вычислений в случае предлагаемого способа решения задачи.

Граничные условия для уравнения теплопроводности в рамках используемой схемы решения задачи задаются потоками тепла СЬ и СЬ с обеих сторон элемента и определяются выражениями:

С^-Дх

т„ = т1+-

kn-S

и (12)

Q2 Ах kw s '

где Дх - толщины слоев, Б - площадь поверхности, М-номер последнего слоя, п=0,1,..,К

Моделирование достаточно тонких перегородок и конструкций, для которых временем распространения волн теплопроводности можно пренебречь по сравнению с шагом интегрирования по времени, проводится на основе метода итераций и следующих выражений.

(Где Ь - толщина элемента.) Если расчетный поток тепла 0 по выражению (14) не равен СЬ или СЬ, производится циклическая коррекция Т] или Т2. соответственно с использованием выражений:

. (Сьадкм V/ р с-8-1_

и

где р - плотность материала, с - теплоемкость, рс=к/Ь, а - безразмерный множитель, подобранный из условия обеспечения устойчивости и максимальной скорости сходимости итерационного процесса.

Для воздушных прослоек удельное термическое сопротивление рассчитывается согласно выражению (17) или другим аналогичным выражениям:

Р? = 0,1394 + 0,2145 * I - 0,4132 * Ь2 + 0,2378 * I.3 , (17)

где Ь - толщина прослойки.

Расчет изменения состояния производится методом итераций. Расчетный поток тепла, соответствующий текущей разности температур Т* - Ть определяется выражением:

0 = 5-^1, (18)

где Б - площадь поверхностей, соприкасающихся с воздушной прослойкой.

Если расчетный поток тепла не равен или (З2, производится циклическая коррекция Т] или 12, соответственно, с использованием выражений:

т. И-о^

\v-a-S-L

и

(Ог-О)-^

Т2=Тг+1~2 , , (20)

где а - теплоемкость воздуха.

Для моделирования процессов конвективного теплообмена, а также процессов лучистого теплообмена на наружных поверхностях ограждающих конструкций используются стандартные приближения.

Для расчета потоков лучистой энергии между внутренними поверхностями панелей используются следующие выражения.

Взаимные площади излучения (ВПИ) в случае параллельного и ортогонального расположения пластин рассчитываются как

=*? _-*1„х_*гоу-£ п- 1(х2 - + (У 2 - У л) +1.2]

и

X, Уч _ У? __ 2?

— -

I ^ /^2|-Рх-х1|-Чх1.Цу1-с1У1.«Ьа (22)

Ъ 7г [(Ох-х1)2+(у2 -ул)2 + г\\ г 2 * 2 г 2

(Размеры прямоугольных пластин Х]хУ] и ХгхУг, пластины располагаются на расстоянии Ь вдоль оси Ъ, со смещением между центрами на 13.x и Був первом случае. Первая пластина размерами Х^У;, расположена в плоскости ХУ, центр второй пластины размерами Ч&Ъъ расположенной в плоскости У2, смещен огносительно центра первой на В у и во втором случае.)

Вычисление последних интегралов требуется проводить с точностью порядка 0,01 процента, во избежание эффектов дисбаланса мощности излучения. Обеспечить требуемую точность расчета интегралов (21, 22) при использовании методов 2 - 4 порядка на существующих ПЭВМ оказалось невозможным. Поэтому для вычисления ВПИ был принят несколько видоизмененный подход. Так как ВПИ для замкнутого помещения обладают свойством дополнительности, то есть

£N¡., = 8, , (23)

где Б] - площадь 1 - той пластины, последнее равенство позволяет провести коррекцию ВПИ:

■ (24)

При условии последующей коррекции начальную точность расчета ВПИ можно снизить до 0,5-1 процента, что соответствует уменьшению затрат времени для расчета ВПИ приблизительно в 10 тысяч раз. Учет отраженной радиации можно сделать, рассматривая вероятность поглощения отраженных квантов теплового излучения панелями помещения. Так как вероятность поглощения кванта излучения 1 - той панелью в первом приближении пропорциональна

Рпогл~е.г-8, (25)

(где е1Г - коэффициент поглощения), мощность излучения, отраженного после прямого попадания на любую панель и затем поглощенная I - той панелью, определяется выражением:

адоп, = оотр- е'м"5' , (26) ]

где <Зотр _ суммарная по всем панелям мощность излучения, отраженного после прямого «попадания» на панель.

Учитывая определенные выше ВПИ, мощность прямого теплового излучения, попадающего на ¿-тую панель определяется выражением:

ОпР1 = 2С0-е1гГ^_г

¡.И

Из этой мощности поглощается:

Т^+ 273 п4

100

апрп1=в|,1-апр1 . (28)

(27)

и отражается:

аогр1=(1-е|г,)-а„р, ■ (29)

Тогда суммарная мощность отраженного излучения:

ОотР=Е(1-е,м)а„Р1 • (зо)

I

Полная мощность теплового излучения, поглощаемого 1 - той панелью составляет:

Олуч1 = 0Прш+Фдот • (31)

Коррекция ВПИ и учет отраженной радиации позволили сбалансировать потоки лучистой энергии в предлагаемой модели с точностью до 0,1 Вт для жилых помещений средних размеров.

Третья глава посвящена вопросам создания программно - вычислительного комплекса (ПВК) для решения прямой и обратной задач расчета нестационарных тепловых процессов и вопросам применения предлагаемого метода моделирования в системах поддержания микроклимата зданий. Определяется результирующая устойчивость метода ВО и предлагается способ повышения устойчивости. Описываются методика разработки программ для расчета нестационарных процессов на основе предлагаемого метода, разработанные модули, возможности программного обеспечения и его области применения. Блок - схема программ для самого «высокого» иерархического уровня приведена на рис 2. Столь простая блок -схема программ для самого "высокого" иерархического уровня вообще является характерной для технологии программирования ООП. Более подробные блок - схемы программ привести невозможно по причине

сетевой структуры связей между объектами (которая, в свою очередь, зависит от геометрии здания.)

Ввод исходных денных

^ -

Инициализация и связывание взаимодействующих объектов

Последовательный вызов в цикле методов СоиШвсех объектов, расчет изменения состояния объектов за интервал времени, равный шагу интегрирования и статистическая обработка характеристик теплового обмена для каждого объекта

Окончательная статистическая обработка и вывод полученных результатов

Рис. 2. Блок - схема программ для расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях.

Во время счета на экран в графической форме выводятся кривые, характеризующие тепловые потоки, температуры и другие переменные величины для части элементов здания (рис.3). Это позволяет непосредственно наблюдать переходные процессы в начале счета и контролировать процесс счета. На рис. 3 используются следующие условные обозначения: Т град - температура наружного воздуха; Кос.сол - косинус угла отклонения солнца от вертикали; Т возд. в пом. - температура воздуха в помещении, этаж и номер которого указаны в файле исходных данных; С)солн(+) - приток тепла через окна за счет солнечного излучения помещения; С)огр.кон.(-) - суммарный отгок тепла через ограждающие конструкции для помещения; (Зконв(-) - суммарный отток тепла через ограждающие конструкции для помещения путем конвективного теплообмена; Овент(-) - отток тепла за счет вентиляции; С)потолок(-) -отток тепла через верхнее перекрытие; ()пол(-) - отток тепла через нижнее перекрытие; (2стен(-) - полный отток тепла через все вертикальные ограждающие конструкции; С?окон(-) - полный отток тепла через окна; Тщаруж - температура наружной поверхности указанной в файле исходных данных панели выбранного помещения; Т]внутр - температура внутренней поверхности панели; О)'наруж(-) - отток тепла на наружной поверхности. В файле исходных данных можно указать помещение и номер панели, для которых в процессе счета будут построены соответствующие графики.

ЗЕ+0001 Твоэд.в пом 1Г> ................О •гг^-чгтг • *"♦ з е* оооз Осолн(♦> шш

|||| |Ц1 ЩгШ'Ё;

Оогр.кон.<-

1Е+ОООЗ 0*«ит<->

ХЕ+ОООЗ д Опотолок<->

. ш

1Е+ОООЭ А Ж £}пол<-> 2 Е«-ОООЗ |11 Ост«н<-) щ 2Е+0002 ЕООО+ЭТ ь ¡И

ш 1|| 111 ¡¡и

5Е+0001 ...... } л. | 1. и наруж ¿л.; ю -¡шш! 2Е+ОООА £00О*ЭТ ! ! С хе+оооз 4 .ш (Ц Н*РУЖ<-> •!•<••{ •:•(••>• 1Г» ......---{ -ь.....О 'Тгч 4

¡11 |||-

Рис. 3. Вывод результатов в графической форме во время счета.

Методом ВО возможно решение обратных задач строительной теплофизики (т.е. определение тепловых потоков и требуемых режимов работы отопительных устройств для поддержания заданных температурных условий в помещениях). Для решения обратных задач схему проведения рас-

четов требуется дополнить моделированием работы отопительных устройств. В частности, оказалось возможным осуществить моделирование изменения температур поверхностей панелей, соответствующих батареям отопления. Изменение температуры во времени может осуществляться как на основе внешнего закона регулирования, гак и в соответствии с некоторыми дифференциальными уравнениями, описывающими работу системы автоматического регулирования температуры воздуха в помещении, вырабатывающей управляющее воздействие по отклонению температуры воздуха от заданной. Для определения необходимой тепловой мощности наиболее удобно суммировать мощности теплового излучения и конвективного теплообмена по всем панелям, соответствующим батареям отопления, так как в этом случае учитывается перераспределение тепловых потоков из - за неравномерности нагрева панелей.

Одним из других возможных способов применения метода является использование программ, разработанных на основе метода взаимодействующих объектов в ЭВМ, осуществляющих управление микроклиматом помещений. В памяти ЭВМ должны содержаться данные о геометрии здания и данные о тепловых свойствах строительных материалов, с привязкой последних к геометрическим данным. ЭВМ, являющаяся регулятором в системе автоматического регулирования, должна проводить расчеты в реальном времени мощностей тепловых потоков от отопительных приборов с учетом внешних условий в режиме моделирования работы системы регулирования микроклимата помещений. На рис. 4 приведены зависимости от времени для температуры поверхности батареи отопления, полной мощности тепловых потоков от батареи, и потока тепла, переносимого за счет теплового излучения, при моделировании работы системы регулирования температуры в помещении.

Для реализации принципа регулирования "по возмущению", указанные расчетные величины должны периодически передаваться на цифро - аналоговые преобразователи и, далее, на исполнительные устройства, изменяющие подачу тепловой энергии в помещения. Учитывая, что для большинства помещений здания с одинаково ориентированными оконными проемами зависимости, приведенные на рис. 4, отличаются практически только постоянным коэффициентом, возможно использовать одно исполнительное устройство для изменения количества подаваемого тепла в большое число помещений. Для жилых зданий оптимальным вариантом является реализация пофасадного регулирования подачи тепла. Поскольку исходными данными для расчета необходимых затрат тепловой энергии для поддержания заданного микроклимата помещений являются наружная температура, скорость ветра и суммарная мощность потоков излучения (теплового и солнечного), поглощаемого наружными поверхностями ограждающих конструкций, требуется периодическое измерение, оцифровка и передача

в ЭВМ указанных величин. Структурная схема разомкнутой системы пофасадного автоматического регулирования температуры в помещениях

отопления, полной мощности тепловых потоков от батареи, и потока тепла, переносимого за счет теплового излучения, при моделировании работы системы регулирования температуры в помещении. Время в секундах, одно горизонтальное деление соответствует 5.0 * 103 с

Рис. 5. Структурная схема разомкнутой системы пофасадного автоматического регулирования температуры в помещениях с использованием метода ВО

Особенностями предлагаемого способа автоматического регулирования являются невысокая стоимость системы, возможность централизованного управления микроклиматом помещений, небольшое число датчиков, исполнительных устройств и цифро - аналоговых преобразователей, отсутствие датчиков температуры в помещениях, а также возможность компактного размещения всех необходимых элементов системы. Метод позволяет использовать для проведения необходимых расчетов в реальном времени устаревшие персональные ЭВМ на основе процессоров Intel, AMD и т.п. с тактовой частотой порядка 100 МГц и объемом оперативной памяти около 16 Мб.

В четвертой главе рассмотрены результаты, которые были получены с использованием программного обеспечения, разработанного на основе метода ВО. Исследуется влияние способа расчета лучистого теплообмена на расчетные тепловые потери зданий, зависимость тепловых потерь здания от коэффициентов поглощения солнечного и теплового излучения внешних поверхностей ограждающих конструкций, от коэффициентов поглощения теплового излучения поверхностей батарей отопления, от ориентации здания по сторонам света. Рассматривается вклад остекления в тепловые балансы зданий в условиях Забайкалья, возможности экономии тепловой энергии за счет улучшения качества регулирования микроклимата, и за счет оптимизации режимов регулирования микроклимата административных и технологических зданий.

Анализ результатов позволил сделать следующие 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 В1Ш. 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 коэффициента поглощения теплового излучения наружных поверхностей ограждающих конструкций (4 % за отопительный период) при одновременном увеличении коэффициента поглощения солнечного излучения (до б %). 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 коэффициента 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 здалия 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 значи-

■ тельное (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, перекрытия 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 капитальных вложений. 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

2. Разработан метод расчета на ЭВМ 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.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Сигачев Н.П., Лукьянов П.Ю., Лукьянова A.A. Динамическое моделирование тепловых балансов зданий. Монография. Чита: ИПК «За-бтранс», 1999.-79 с.

2. Сигачев Н.П., Лукьянов П.Ю. Моделирование тепловых балансов жилых зданий на ЭВМ в динамическом приближении. Сборник докладов 5 научно - практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». Москва - 2000.

3. Сигачев Н.П., Елисеева А.И., Менакер Я.И., Лукьянов П.Ю. Проблемы энергосбережения в гражданских зданиях на Забайкальской железной дороге. Вестник МАНЭБ 3(27). Чита - 2000. С. 89-94.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность к.т.н.

Айзенбергу И.И., к.т.н. Баймачеву Е.Э., к.т.н. Кажарской Л.И., д.т.н.

Кузнецову A.M. и д.т.н. Степанову B.C. за помощь при работе над

диссертацией.

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗДАНИЯХ.

1.1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ.

1.2. ВЫВОДЫ.

2. МЕТОД ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ.

2.1. ОСОБЕННОСТИ МЕТОДА.

2.2. ОСНОВНЫЕ ИДЕИ МЕТОДА.

2.3. ВОПРОСЫ ВЫБОРА СИСТЕМЫ БАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЯ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ ТИПЫ ОБЪЕКТОВ.

2.4.1. Объект - имитатор внешних условий.

2.4.2. Моделирование теплопроводящих элементов.

2.4.3. Моделирование тонких теплопроводящих элементов.

2.4.4. Моделирование вертикальных воздушных прослоек.

2.4.5. Моделирование процессов на наружных поверхностях.

2.4.6. Моделирование процессов на внутренних поверхностях.

2.4.7. Составные объекты для моделирования тепловых процессов

2.4.8. Моделирование процессов в помещениях.

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО - ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ.

3.1. ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ МЕТОДА ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ.

3.2. ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА

НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЗДАНИЯХ.

3.4. РЕШЕНИЕ ОБРАТНЫХ ЗАДАЧ.

3.5. МЕТОД ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ПОМЕЩЕНИЙ.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗДАНИЙ.

4.1. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ ПО МЕТОДУ ВО С ДАННЫМИ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ.

4.2. ВЛИЯНИЕ СПОСОБА РАСЧЕТА ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА НА РАСЧЕТНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ ЗДАНИЙ.

4.3. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ЗДАНИЙ ОТ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТЕЙ, ПЛОЩАДИ ОСТЕКЛЕНИЯ, РЕЖИМОВ РАБОТЫ

СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ДРУЕИХ ФАКТОРОВ.

4.4. ВЫВОДЫ.

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 практике; разработка 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 инженерно -технических 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 зданий; программное 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 объектно -ориентированного 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 объектами -математическими 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 расчета; разработке 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 научно- практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». (Москва, 2000); на научно -практической 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.

1. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1989.

2. Айвазян С.А. Статистические исследования зависимостей, применение методов корреляционного и регрессионного анализа при обработке результатов экспериментов. М.: Металлургия, 1988.

3. Андерсон Б. Солнечная энергия: (основы строительного проектирования) / Пер. с англ. А.Р. Анисимова; Под ред. Ю.Н. Малев-ского. М.: Стройиздат, 1982. - 375с, ил. - Перевод изд.: Solar energy fundamentals in building design. / Bruce N Anderson.

4. Ашмарин И.П. и др. Быстрые методы статистической обработки и планирования экспериментов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1975.

5. Баймачев Е.Э., Баймачева В. И. Принципы формирования и структура информационно вычислительного комплекса для систем жизнеобеспечения / Знания в практику. Материалы научно - технической конференции. - Иркутск: Общество "Знание", 1997, с. 109 - 110.

6. Баймачев Е.Э. Развитие методического и программного обеспечения для поддержания микроклимата зданий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск, ИрГТУ, 2000 -159 с.

7. Баймачев Е.Э. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Развитие методического и программногообеспечения для поддержания микроклимата зданий». Иркутск, Ир-ГТУ, 2000- 19 с.

8. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. Издание 5-е, перераб. М.: Наука, 1983 560 с.

9. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.

10. Бекман У. А., Клейн С. А., Даффи Дж. А. Расчет солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. - 79 с.

11. Беляев B.C., Хохлова JI. П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий. М.: Высш. шк., 1991.

12. Беляев В. С. Повышение теплозащиты наружных ограждающих конструкций. / Жилищное строительство. 1998. - № 3. - С. 22 - 26.

13. Богословский В. Н. и другие. Отопление и вентиляция: Учебник для вузов./ Богословский В.Н., Щеглов В.П., Разумов H.H. 2-у издание, переработанное и дополненное .- М.: Стройиздат, 1980. - 295 е., ил.

14. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1982.-415 с.

15. Богословский В.Н. Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии. / АВОК. 1998. - №3. - С. 34-36, 39-41.

16. Богуславский Л. Д. Снижение расхода энергии приработе систем отопления и вентиляции. 2-е издание, переработанное и дополненное.

17. М.: Стройиздат, 1985. 336 с.

18. Богуславский JI.Д. Экономия теплоты в жилых зданиях. М.: Строй-издат, 1990.

19. Бордонский Г.С. Тепловое излучение ледяного покрова пресных водоемов. Новосибирск: Наука, 1990. 100 с.

20. Васьковский А.П. Микроклимат и температурно-влажностный режим ограждающих конструкций зданий на Севере. Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение. 1986 - 164 с.

21. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2 ч. Ч II. Вентиляция и кондиционирование воздуха./ В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов и др. Под ред. И.Г. Староверова. 3-е изд., - М.: Стройиздат, 1978. - 512 с. -(Справочник проектировщика).

22. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч I. Отопление./ В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов и др. Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1990.-344 с. - (Справочник проектировщика).

23. Гагарина О.Г. Частотный метод оценки теплоустойчивости ограждений и помещений зданий.: Научно практическая конференция «Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях». T.I. М.,1997. С. 24-31.

24. ЗГГлушков В.М. Основы безбумажной информатики. М.: Наука, 1982,552 с.

25. Гныря А.И., Петров Е.В., Терехов В.И., Низовцев М.И. Термические сопротивления заполнений оконных блоков./ Изв. вузов. Стр-во. -1998. -№ 11 12. - С.90 - 94,138.

26. Гурьев В.В., Хайнер С.П., Дмитриева А.Н. и др. Влияние некоторых параметров пористо-волокнистых утеплителей на экономичность теплозащиты зданий./ Промышленное и гражданское строительство. -1998. -№ 5. С 53 - 55.

27. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. Изд. 2-е переработ, и доп. М.:Высшая школа, 1984.

28. Даффи Дж., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1997. 354 с.

29. Ильинский В.М. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1974. -319 с.

30. Калашников М.П., Головань A.B. Теплотехнический расчет наружных ограждений и расчет теплового режима зданий.: Учебное пособие рекомендовано АСВ, Вост. Сибирск. госуд. технол. университет,- Улан-Удэ, 1997. - 116 с.

31. Калашников МП. Исследование эффективности систем обеспечения микроклимата в хранилищах.// Отопление, теплоснабжение и кондиционирование воздуха. Тезисы научной конференции./ НИСИ, Новосибирск, 1989. С. 64 - 66.

32. Калашников М.П. К вопросу моделирования теплопритоков через наружные ограждения.// Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: межвуз. темат. сб. тр. Л. ЛИСИ, 1978. - С.131-134.

33. Калютик А.И. и др. Расчет на ЭВМ температурных полей в твердых телах с подвижными границами. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1987.

34. Каменев И.П. Отопление и вентиляция. М.: Издательство литературы по строительству, 1966. Ч II. - 480 с.

35. Карпис Е.Е. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха. -М.: Стройиздат, 1986.

36. Карякина C.B. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «Исследование теплопотерь зданий и коммуникаций в нестационарном режиме». Тюмень, 2000 24 с.

37. Коздоба JI.K. Вычислительный эксперимент и системный подход в задачах теплообмена. Тепломассообмен ММФ-92. Том 9. Часть 2. Минск, 1992 г.

38. Кондратьев К.А. Лучистая энергия солнца. Л.: Гидрометеоиздат, 1954.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для инженеров и научных работников. М.: Наука, 1984.

40. Крутов В.И. и др. Основы научных исследований: Учебник для техн. вузов,- М.: Высшая школа, 1989.

41. Кузьмин С.И. Определение параметров микроклимата и их оценка с использованием ЭВМ. Иркутск, 1988. - 22 с.

42. Курант Р. Курс дифференциального и интегрального исчисления. TIL Издание 2-е, перераб. и доп. М.: Наука, 1970. 671 с.

43. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 733 с.

44. Ловцов В.В., Хомутецкий Ю.Н. Системы кондиционирования динамического микроклимата помещений. Издание 2-е, перераб. и доп.- Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1991,- 150 с.

45. Львовский E.H. Статистические методы построения эмперических формул: Учебное пособие. М.:Высш. школа, 1982.

46. Маркус Т.А., Моррис Э.Н. Здания, климат и энергия. Перевод с английского под редакцией Н.В. Кобышевой, Е.Г. Малявиной. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 544 с.

47. Полуй Б.М. Архитектура и градостроительство в суровом климате (экологические аспекты): Учебное пособие для вузов. Л.: Стройиздат. Ленинградское отделение, 1989. 300 с.

48. Понтрягин Л.С. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1982 -331 с.

49. Поспелов Ю.И. Расчет поверхности нагрева чугунных радиаторов на ЭВМ. Иркутск, 1981,- 11 с.

50. Поспелов Ю.И., Поспелова И.Ю. Особенности теплового режима зданий и определяющие его факторы. Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «Человек-среда-вселенная». Иркутск, ИрГТУ, 1997 - т. 1, с. 177 - 178.

51. Пфесторф К. Отопительные системы малоэтажных зданий.: Пер. с нем. под редакцией Ю.Б. Александровича. М.:Стройиздат, 1981. - 111 с.

52. Разработка систем кондиционирования и вентиляции на базе современного климатического оборудования. М.: Евроклимат, 1997. 24 с.

53. Резников А.П. Основные принципы построения сибирского индивидуального солнечного дома. Материалы научно-практической конференции «Знания-в практику». Иркутск: Общество «Знание», 1997. С 156-160.

54. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука, 1987.

55. Сергованцев В.Т., Бледных В.В. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах. М.: Финансы и статистика, 1988.

56. Сигачев Н.П., Елисеева А.И., Менакер Я.И., Лукьянов П.Ю. Проблемы энергосбережения в гражданских зданиях на Забайкальской железной дороге. Вестник МАНЭБ 3(27). Чита: 2000. С. 89-94.

57. Сигачев Н.П., Лукьянов П.Ю., Лукьянова A.A. Динамическое моделирование тепловых балансов зданий. Чита: ИПК «Забтранс», 1999.-79 с.

58. Сигачев Н.П.,Янушаускас А.И. О взаимодействии воздушного потока и препятствий.: Дифференциальные уравнения и аналитическая теория. Чита: ЗабИЖТ, 1999. С. 6-10.

59. Сканави А.Н. Конструирование и расчет систем водяного и воздушного отопления зданий. М.:Стройиздат,1977. 135 с.

60. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование./ Госстрой РФ. М.: ЦИТП Госстроя РФ, 1998. - 64 с.

61. СНиП 2-01-01-82. Строительная климатология и геофизика. М.: Госстрой, 1985.

62. СНиП П-3-79*. Строительная теплотехника. М.: Стройиздат, 1998.

63. Станов В.И. Теплозащита крупнопанельных жилых зданий в Сибири. Сб. тр. № 20, 1989. -С.5.

64. Степанов B.C., Старикова Н.В. Оценка эффективности использования тепловой энергии в системах отопления и горячего водоснабжения.// Общие вопросы энергетики и энергоснабжения. Киев: Институт проблем энергосбережения АН УССР, 1991. - С. 32-37.

65. Табунщиков Ю.А. Расчеты температурного режима помещения и требуемой мощности для его отопления или охлаждения. М.: Стройиздат, 1981.

66. Табунщиков Ю.А., Чернов В.А. Совершенствование теплоизоляции световых проемов зданий в условиях Крайнего Севера. Тепловой режим, теплоизоляция и долговечность зданий.

67. Темников A.B. и др. Решение двумерных стационарных задач теплопроводности методом приближенных структур. Моделирование и оптимизация процессов теплообмена в теплоэнергетике: сб. научн. тр. Куйбышев: КПТИ, 1985. - 146 с.

68. Теплофизика и оптимизация тепловых процессов.: Сб. научн. тр. -Куйбышев, КПТИ, 1983.

69. Титов В.П. Учет нестационарных тепловых процессов в помещении.: Водоснабжение и санитарная техника, 1994, № 2, с. 11-13.

70. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. Учебник для вузов. Изд. 2-е, переработанное и дополненное М.:Стройиздат, 1974, 288 с.

71. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. Учебник для вузов. 4-е издание, перераб. и доп. -М. :Стройиздат, 1991. - 480 с.

72. Тихонов А.Н., Васильева А.Б., Свешников А.Г. Дифференциальные уравнения. М.: Наука, 1985. 231 с.

73. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: Стройиздат, 1973. 287 с.

74. Чупин В.Р. Развитие систем жизнеобеспечения города в рыночных условиях./ Тезисы докладов Международной научно практическойконференции «Человек среда - вселенная». - Иркутск: Иркутский государственный технический университет, 1997 - том 1, с. 180 - 181.

75. Шаптала В.В. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук "Моделирование обеспыливающей вентиляции выбивных отделений литейных цехов. Воронеж, 2000-23 с.

76. Экономия энергии при застройке городов. Под ред. Р. Кортни. М.: Стройиздат, 1983.

77. Olofsson Т., Andersson S., Ostin R. A method for predicting the annual building heating demand based on limited performance data./ Energy and build.- 1998.-28, № 1. C. 101 -108.

78. Oppenheim Allan V., Editor. Applications of Digital Signal Processing. Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Mass. Prentice-Hall, 1978.

79. Rollins Dan. The Electronic Technical Reference Manual. Flambeaux Software, Inc. 1985 1999.

80. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations. // Mon. Wea. Rev. 1963. - 91. - P.99 - 165.