автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Сценарная верификация энергетического баланса в системах автоматизации проектирования зданий и комплексов

На правах рукописи

Челышков Павел Дмитриевич

СЦЕНАРНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ И КОМПЛЕКСОВ

Специальность:

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 ОКТ 2012

Москва-2012

005053502

005053502

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Волков Андрей Анатольевич Официальные оппоненты:

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

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

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество (ОАО) "Моспроект".

Защита состоится 30 октября 2012 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д212.138.01 при ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, "Открытая сеть образования в строительстве", ауд. 9.

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

Автореферат разослан 28 сентября 2012 го,

Ученый секретарь диссертационного совет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время более 40% производимой энергии потребляется инженерными системами жилых и административных зданий. В условиях постоянного ввода в эксплуатацию жилых домов остро' встает вопрос дефицита энергоресурсов. Алгоритмы автоматического управления инженерными системами зданий и комплексов должны быть разработаны таким образом, чтобы продолжать реализовывать функцию жизнеобеспечения в условиях возможной нехватки ресурсов. Нехватка ресурсов может возникать вследствие чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, незапланированного роста нагрузки на инженерные системы, технических и/или экономических ограничений потребления ресурсов по любым причинам и проч. При этом ресурсы между инженерными системами должны распределяться в режиме автоматического управления по заранее составленным алгоритмам таким образом, чтобы минимизировать ущерб от дефицита ресурсов для людей, конструкций и функций зданий.

Очевидно, что разработка таких алгоритмов должна быть инициирована и завершена до ввода здания в эксплуатацию. Следовательно, исключена возможность использования реальных данных об уровне энергопотребления здания в различных режимах эксплуатации, под воздействием различных внешних условий. Единственным доступным средством является аналитическая оценка. При этом необходимо учитывать неоднородность внешних условий, невозможность описания всех вероятных режимов эксплуатации объекта одним набором параметров. Энергопотребление зданий зависит не только от материалов ограждающих конструкций, архитектурных решений и привязки в плане, но и во многом от режима эксплуатации, характеристиками которого являются, например, тип и количество техники и различного оборудования, число людей и характер их работы. Оценка перечисленных и ряда других факторов позволит уже на стадии проектирования выявить достаточно близкую к реальным условиям картину энергопотребления конкретного здания. Сценарное моделирование позволяет рассмотреть динамическое воздействие различных комбинаций внешних факторов на объект. Недостатком такого подхода является трудоемкость аналитических расчетов.

Применение для таких расчетов специализированных систем автоматизированного проектирования (САПР) избавляет от трудоемких аналитических расчетов и неизбежных ошибок. Действие предлагаемой в настоящей диссертации САПР построено на математической модели энергопотребления здания, учитывающей влияние различных внешних факторов и позволяющей реализовывать сценарное моделирование, что позволяет проводить верификацию энергетического баланса в широком диапазоне внешних воздействий, что дает возможность оценить объем энергетических ресурсов необходимый строящимся зданиям и комплексам после ввода в эксплуатацию.

В связи с вышеперечисленными обстоятельствами можно утверждать, что тема диссертационной работы связанная с разработкой метода верификации энергетического баланса зданий и комплексов актуальна.

Научно-техничсская гипотеза диссертации состоит в предположении возможности повышения эффективности моделирования значений потребления энергии зданиями и комплексами в процессе эксплуатации на основе сценарного представления исходных данных в системах автоматизированного проектирования.

Цель диссертации - разработка метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования.

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

- анализ зданий и комплексов как объектов энергетического исследования;

- анализ методов и моделей верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования;

- оценка факторов внешних сред в автоматизированном составлении сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования;

- разработка метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования;

- разработка алгоритма автоматизированного составления сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования;

- разработка модели энергопотребления зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования;

- апробация метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов и оценка его эффективности;

- формулировка перспективных направлений дальнейших исследований.

Объект исследования: объекты и процессы энергопотребления зданий и

комплексов.

Предмет исследования: методы и модели верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования.

Теоретические и методологические основы исследования. Для достижения поставленной цели использованы системотехнический подход, теория автоматического управления, математическое и имитационное моделирование, теория вероятности, математическая теория планирования экспериментов, а также тематические научные работы.

Научной новизной обладают следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:

- метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования;

- алгоритм автоматизированного составления сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования;

- модель энергопотребления зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования.

Практическая значимость. Созданный метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов позволяет в процессе разработки инженерных систем и систем автоматического управления учитывать особенности условий эксплуатации объекта исследования. Таким образом, возрастает качество управления инженерными системами в автоматическом режиме в условиях дефицита ресурсов, вызванного авариями, чрезвычайными природными условиями и незапланированными нагрузками.

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

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

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

Экспериментальное внедрение результатов исследования выполнено в Открытом акционерном обществе (ОАО) "Московская объединенная энергетическая компания" (МОЭК) и Закрытом акционерном обществе (ЗАО) "Фирма "АйТи. Информационные технологии". Отдельные результаты диссертации использованы в учебном процессе кафедры ИСТАС ФГБОУ ВПО "МГСУ".

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

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

ОСНОВНЫЕ СОДЕРЖАШ1Е РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, а также объект и предмет исследования. Отражена научная новизна и практическая значимость основных результатов диссертационной работы.

В первой главе диссертационной работы проведен анализ нормативной и регламентирующей документации по тематике диссертационного исследования, анализ зданий и комплексов как объектов энергетического исследования, анализ методов и моделей верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования и сформулирована научно-техническая гипотеза.

В рамках анализа нормативной и регламентирующей документации по тематике диссертационного исследования рассмотрены документы, относящиеся к исследуемой области в Российской Федерации и за рубежом.

В мировой практике существуют различные подходы к классификации энергопотребления зданий и комплексов и, соответственно, к методам автоматизированного проектирования применительно к оценке энергопотребления зданий и комплексов. Так, в Европейском союзе требования к энергетическим характеристикам зданий сформулированы в двух основных стандартах: ЕК 15603 "Энергоэффективность зданий. Общее потребление энергии и определение номинальных энергетических характеристик" и ЕЫ 15217 "Энергоэффективность зданий. Методы выражения энергетических характеристик зданий и сертификация энергопотребления зданий". В США разработан и применяется стандарт АШГ/АЗНКАЕЛЕЗЫА 90.1. Данный стандарт устанавливает минимальные требования к эффективности использования энергии при проектировании и возведении новых зданий и внутренних систем зданий, новых частей зданий и их систем, а также новых систем и оборудования уже существующих зданий.

В Российской Федерации требования к энергетической эффективности зданий в части ограждающих конструкций сформулированы в СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий". Согласно данному стандарту, зданиям присваивается класс энергетической эффективности: А, В, С, О или Е. Параметры инженерных систем зданий, влияющих на потребление энергии, но не относящиеся к ограждающим конструкциям описаны в СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование". Часть из них включена в энергетический паспорт зданий, согласно Приказу от 19 апреля 2010 г. №182 Министерства энергетики Российской Федерации.

При анализе зданий и комплексов как объектов энергетического исследования рассмотрены инженерные системы зданий и комплексов и характеристики ограждающих конструкций. В современных зданиях и комплексах существуют десятки инженерных систем. Их можно классифицировать по различным критериям: энергоемкость, число обслуживаемых помещений, тип потребляемых ресурсов, сезонность и проч. В рамках рассмотрения задачи верификации энергетического баланса зданий

и комплексов представляется обоснованным рассмотрение энергоемкости инженерных систем. По данным исследований энергопотребления в зданиях более 70% энергии затрачивается на поддержание микроклимата. Следовательно, для решения задачи верификации энергетического баланса важнейшей областью исследования являются инженерные системы, направленные на поддержание микроклимата в здании.

В рамках анализа методов и моделей верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования рассмотрен ряд систем автоматизированного проектирования в той или иной мере реализующих задачи расчета перспективного энергопотребления. К таким системам относятся программные продукты, основанные на информационном моделировании. Это такие продукты как Autodesk Ecotect Analysis, ArchiCAD Energy Analysis, Ansys CFD и другие. Наряду с программными продуктами, имеющими готовые алгоритмы обработки вводимых данных, в системах автоматизированного проектирования также применяются программные продукты, предполагающие программирование и создание алгоритмов обработки данных. Это такие программы как Matlab/Simulink, MathCAD, Lab View National Instrumens и другие.

Недостатком существующих методов расчета перспективного энергопотребления является моделирование энергопотребления либо при стационарных внешних условиях, либо при произвольно изменяемых внешних условиях. Ни тот, ни другой подход не обеспечивает приближение результатов моделирования к реальному энергопотреблению здания в процессе эксплуатации.

Научно-техническая гипотеза состоит в предположении возможности повышения эффективности моделирования значений потребления энергии зданиями и комплексами в процессе эксплуатации на основе сценарного представления исходных данных в системах автоматизированного проектирования.

В существующей структуре САПР (рис. 1, по Норенкову И.П., схема Волкова A.A.) исследования, проводимые в настоящей диссертационной работе, относятся к математическому обеспечению САПР, методологическому обеспечению САПР и формализации потоков данных в САПР.

Предлагаемый метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов рассматривает потребление инженерным! системами зданий электрической и тепловой энергии для поддержания заданных параметров микроклимата в различных типах помещений.

Проведенный анализ предметной области позволил сформировать методологическую схему диссертации, представленную на рис. 2.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрены теоретические основания сценарной верификации при анализе энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования, проведена оценка факторов внешних сред при сценарной верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования и предложен метод сценарной верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования.

САПР СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЯМИ И КОМПЛЕКСАМИ

| ПРОЕКТИРУЮЩИЕ ПОДСИСТЕМЫ

] (ПРОЕКТНАЯ СРЕДА САПР)

Ц......: .. .,; ,„ ,

ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ ПОДСИСТЕМЫ (СИСТЕМНАЯ СРЕДА САПР)

АНАЛИЗ ЛрТ£кОВ і

I-

й ^РМАЛ'иЗЛЦЙЯ neVOSOB. ад

' »КВИТИРОВАНИЕ •ЬГ-'КОе 1<-

ж;

гГШаЕтРОвАНЙЕ nbtoitbs '

! .СОСТАВ'ЕНИЕ ПАЗ ДАННЫХ '-*-

кшушїй

••ДЫОТЬ*

; EOOb'CMTHTOSAlWE >___

Й ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

МАТЕ ЬТДТИ ЧЕСНО Ь РБ£СЯЕЧЕЧИЕк:рі

* ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ )

ИНФОРМАЦИОННОЕ Ь ОБЕСПЕЧЕНИЕ I

ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

H

РАСШИРЕНИЯ CALS

РАСШИРЕНИЯ САО

РАСШИРЕНИЯ САМ

J

РАСШИРЕНИЯ САЕ

РАСШИРЕНИЯ ЕКР

п

РАСШИРЕНИЯ РРМ

1

! ►j РАСШИРЕНИЯ SCM (CSM) 1

• 1 >

РАСШИРЕНИЯ, ИНТЕРФЕЙСЫ

Рис. 1 Аспекты САПР, рассматриваемые в диссертационном исследовании

В рамках оценки факторов внешних сред в автоматизированном составлении сценариев для верификации энергетического баланса в САПР происходит анализ внешних воздействий на инженерные системы зданий и комплексов - действия людей, работа технических устройств, погодные условия. Воздействие людей на инженерные системы зданий и комплексов количественно можно оценить в выделениях тепла и влаги, которые инженерным системам необходимо компенсировать. Таким образом, можно выделить два независимых канала воздействия людей на инженерные системы зданий:

Цель работы

Разработка метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования

Основные задачи исследования

анализ зданий и комплексов как объектов энергетического исследования;

анализ методов и моделей верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования;

оценка факторов внешних сред а автоматизированном составлении сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования;

разработка метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования;

разработка алгоритма автоматизированного составления сценариев

для верификации энергетического баланса в системах

автоматизированного проектирования;

разработка модели энергопотребления здании и комплексов

в системах автоматизированного проектирования;

апробация метода сценарной верификации энергетического баланса

зданий и комплексов и оценка его эффективности;

формулировка перспективных направлений дальнейших

исследований.

Объект исследования

Объекты и процессы энергопотребления зданий и комплексов

Предмет исследования

Методы и модели верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования

Теоретические и методологические основы исследования

Системотехнический подход, теория автоматического управления, математическое и имитационное моделирование, теория вероятности, математическая теория планирования экспериментов, тематические научные работы.

Основные результаты исследования

метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в САПР;

алгоритм автоматизированного составления сценариев для верификации энергетического баланса 8 САПР;

модель энергопотребления зданий и комплексов д/1я САПР;

тестовая версия компьютерной технологии сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов.

Научная новизна

метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в САПР; алгоритм автоматизированного составления сценариев для верификации энергетического баланса в САПР;

модель энергопотребления зданий и комплексов в САПР.

Практическая значимость

Разработанный метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов позволяет в процессе разработки инженерных систем и систем автоматического управления учитывать особенности условий эксплуатации объекта исследования. Таким образом, возрастает качество управления инженерными системами в автоматическом режиме в условиях дефицита ресурсов, вызванного авариями, чрезвычайными природными условиями и незапланированными нагрузками.

Апробация результатов исследования

Результаты исследований докладывались и обсуждались на 10,11,12,13 и 14-й международных научных конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов "Строительство-Формирование среды жизнедеятельности" (г. Москва, 20072011 гг.), Научно-практических конференциях "Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях" (г. Москва, 20С8-2011 гг.), Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов, студентов ДОННАСА{Украина, г.Донецк, 2009 г.), Международной научно-технической конференции "Стройкомплекс-2010" (г. Ижевск, 2010 г.), XIX Словацко-российско-польском семинаре Теоретические основы строительства" {Словакия, г. Жилина, 2010 г.). Международной научной конференции "Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании" {г. Москва, 2011 г.) и семинарах кафедр "Автоматизации инженерно-строительных технологий" и "Информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве" ФГБСУ ВПО "МГСУ".

Результаты диссертации опубликованы в 2007-2012 гг. в 24 научных работах, в том числе - в 6 работах в научных изданиях, входящих в действующий перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, утвержденный ВАК. В результате проведенных исследований автором (в составе авторского коллектива} получены 4 Патента РФ на полезные модели (2011, 2012 гг.), Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (2011 г.).

Рис. 2. Методологическая схема диссертационного исследования

1) вид деятельности людей;

2) количество людей.

Влияние по первому каналу выражается в изменении удельных выделений тепла и влаги людьми в зависимости от двух параметров: температуры воздуха, поддерживаемой в помещении, и типа деятельности, которой заняты люди. Выделим для рассмотрения четыре типа деятельности: отдых, легкая работа, работа средней тяжести и тяжелая работа.

Таким образом, люди в помещениях определенного типа могут находиться в четырех различных состояниях: отдых, легкая работа, работа средней тяжести, тяжелая работа.

Вероятности типов деятельности людей (6), как и вероятности количества людей (и) для помещений каждого типа представляют собой полные группы (т.е. описывают все вероятные события), следовательно, суммы их вероятностей будут равны единице, как показано в выражениях (1) и (2)

¿*ы-.

м

Вероятности развития событий по каждому из сценариев (я) определяются по формуле (3)

рУ^М*,.) (3)

В рамках анализа влияния погодных условий рассмотрены такие характеристики как температура наружного воздуха, относительная влажность наружного воздуха, поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой проем от прямой солнечной радиации и поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой проем от рассеянной солнечной радиации.

Предлагаемый метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов позволяет проводить прогнозирование потребления тепловой и электрической энергии зданиями и комплексами различного назначения и обладающими различным составом инженерных систем.

Новизна метода состоит в моделировании внешних воздействий по составленным сценариям, с экспертной оценкой вероятности развития событий по тому или иному сценарию. Такой подход позволяет учитывать при моделировании перспективного энергопотребления индивидуальные особенности эксплуатации здания в целом и каждого типа помещений в отдельности. Прогнозирование осуществляется путем компьютерного моделирования различных сценариев эксплуатации инженерных систем зданий и комплексов на математической модели энергопотребления инженерных систем зданий и комплексов. Модель включает в себя 15 модулей, каждый из которых соответствует какой-либо инженерной системе: радиаторного отопления,

естественной вытяжной вентиляции и т.д. Данный набор модулей позволяет рассматривать 92 комбинации инженерных систем зданий и комплексов.

Метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов позволяет учитывать при прогнозировании следующие факторы, оказывающие в разной степени влияние на расход энергии:

- погодные условия (температуру наружного воздуха, относительную влажность наружного воздуха и проч.);

- влияние деятельности человека в здании (число людей в различных помещениях, характер их работы и проч.);

- требования к параметрам микроклимата (температура и относительная влажность воздуха в различных помещениях);

- характеристики ограждающих конструкций (площади и материалы);

- параметры инженерных систем (температуры теплоносителей, расход воздуха и проч.).

Итогом моделирования являются значения тепловой и электрической энергии потребленных данным зданием за определенный период под воздействием факторов, предусмотренных сценариями. Таким образом, цель метода: с высокой достоверностью определить необходимое количество тепловой и электрической энергии, затрачиваемой инженерными системами здания за произвольно заданный период времени, на поддержание установленных параметров микроклимата (температуры и относительной влажности воздуха) при нестационарных нагрузках.

На рис. 3 приведен алгоритм предлагаемого метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов.

Число типов помещений определяется по восемнадцати выделенным характерным признакам (материал ограждающих конструкций, состав технических средств и проч.).

Для каждого типа помещений пользователь задает данные о геометрических размерах и материалах ограждающих конструкций, характеристиках инженерных систем, параметры микроклимата (температура и относительная влажность воздуха), число, коэффициент использования и удельные тепловыделения оборудования и проч.

Далее пользователь задает период моделирования и способ моделирования погодных условий (температуры и относительной влажности наружного воздуха, поверхностной плотности теплового потока через остекленный световой проем от прямой и рассеянной солнечной радиации). Предлагаемый метод предусматривает две альтернативы: составление климатического сценария на основе архива реальных погодных условий и произвольное задание пользователем значений параметров погодных условий. Выбор способа зависит от целей моделирования. Так, в случае необходимости оценки годовых затрат энергии, разумным представляется выбор первого способа, а при необходимости оценки заграт энергии при определенных погодных условиях - второй.

Моделирование внешних воздействий, как отмечалось выше, осуществляется при помощи составленных сценариев.

Подготовка результатов моделирования

------

Рис. 3. Алгоритм метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов

В третьей главе диссертационной работы предложен алгоритм автоматизированного построения сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования и модель энергопотребления зданий в системах автоматизированного проектирования.

Составление сценариев воздействия людей происходит автоматизировано для каждого типа помещений. При этом пользователю необходимо задать граничные условия по числу людей в помещениях данного типа, оценить вероятность осуществления ими работы различной степени тяжести

и вероятность пребывания в помещении числа людей, соответствующего трем автоматически сформированным, на основании граничных условий, интервалам. Далее в системе автоматизированного проектирования реализуется автоматическое составление сценариев с использованием полученной информации. При этом используются базы данных удельных тепло- и влаговыделений людей при работе различной тяжести (БД QL и БД GL) .

Составление климатического сценария, в случае выбора такого способа моделирования погодных условий, происходит автоматически на основании баз данных температуры (БД Т) и относительной влажности (БД Н) наружного воздуха, поверхностной плотности теплового потока через остекленный световой проем от прямой (БД QP) и рассеянной (БД QR) солнечной радиации.

На основе введенных пользователем и автоматически рассчитанных в системе автоматизированного проектирования данных происходит математическое моделирование энергопотребления здания. Результатом моделирования являются значения затраченной тепловой и электрической энергии.

Рассмотренные во второй главе диссертационной работы влияния деятельности людей на инженерные системы зданий и комплексов составляют сценарии действий людей на инженерные системы зданий и комплексов. Каждый сценарий включает две переменных величины, относящиеся, соответственно, к двум различным каналам влияния: вид деятельности людей в помещениях данного типа и число людей в помещениях данного типа.

По такому принципу можно составить ряд сценариев: сценарий предусматривающий отдых при наименьшем количестве людей; сценарий предусматривающий работу средней тяжести при большом количестве людей и т.д. Каждый сценарий численно описывается рядом величин, включаемых в автоматически формируемые базы данных: числом людей в помещениях различных типов (БД SN), удельными тепловыделениями человека в помещениях различных типов (БД SQL), удельными влаговыделениями человека, в зависимости от характера работы и температуры воздуха окружающей среды (БД SGL).

Второй группой влияющих на инженерные системы зданий и комплексов факторов, подлежащих сценарному описанию, являются погодные условия. В рамках предлагаемого метода рассматриваются температура наружного воздуха, относительная влажность наружного воздуха, поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой проем от прямой солнечной радиации, поверхностная плотность теплового потока через остекленный световой проем от рассеянной солнечной радиации. Каждый сценарий численно описывается рядом величин, включаемых в автоматически формируемые базы данных: температурой наружного воздуха (БД ST), относительной влажностью наружного воздуха (БД SH), поверхностной плотностью теплового потока через остекленный световой проем от прямой солнечной радиации для каждой стороны света (С, Ю, 3, В, СЗ, СВ, ЮЗ, ЮВ) (БД SQP), поверхностной плотностью теплового потока через остекленный световой проем от рассеянной солнечной радиации для каждой стороны света (С, Ю, 3, В, СЗ, СВ, ЮЗ, ЮВ) (БД SQR).

На рис. 4 приведен алгоритм автоматизированного состашгения сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования.

Автоматизированное моделирование энергопотребления инженерных систем здания происходит на модели энергопотребления инженерных систем.

В основе модели лежат уравнения энергетического и материального балансов для процессов в инженерных системах зданий и комплексов.

Модель энергопотребления инженерных систем зданий содержит 15 модулей расчета необходимой энергии, соответствующих 15 различным инженерным системам: радиаторного отопления, естественной вытяжной вентиляции, кондиционирования воздуха в помещении и проч.

В основе каждого модуля лежат блоки, содержащие передаточные функции соответствующих энергетических процессов. На рис. 5 в качестве примера приведена схема модуля системы радиаторного отопления.

Рис. 5 Схема модуля системы радиаторного отопления

К входным переменным модуля относятся д„ф - тепловая мощность инфильтрации, Вт; - тепловая мощность теплопостугшений через

ограждения, Вт; ()ск - тепловая мощность теплопоступлений через светопрозрачные конструкции, Вт; йт - тепловая мощность тепловыделений от

людей и техники, Вт.

Передаточные функции блоков определяются из балансовых уравнений тепловой и электрической энергии, потребляемых инженерными системами. В общем виде система балансовых уравнений имеет вид (4):

Выбор способа моделирования погодных условий I

Ввод времени прихода людей 8 помещения каждого типа

Ввод времени ухода людей из помещений каждого | типа

Ввод наименьшего и наибольшего числа людей в помещениях каждого типа

Автоматическое формирование вариантов числа людей/:/я каждого типа помещений

| Экспертная оценка вероятности каждого варианта

Экспертная оценка вероятности вариантов типов деятельности людей

Ткдомэтичёское формирование сценарйев и автоматическая оценка вероятности развития событий по какому сценарию

Выбран способ, ^-ч. предусматривающий ^ составление климатического сценария

Формирование баз данных'йсходных данных переменных сценариев воздействий людей на ■—

Формировании баз исходных данных на основе введенных данных

Ввод времени прихода люде.й в каждого типа

Ввод времени ухода людей нэ помещений каждого типа

Ввод наименьшего и наибольшего числа людей в

помещениях каждого типа

—-------------у-----

Формирование вариантов числа людей для каждого типа помещений

Экспертная оценка вероятности каждого варианта

г

Экспертная оценка вероятности вида деятельности людей для каждого типа помещений

~Автоматйч^6ё^орА^1рование сценариев й автоматическая оценка вероятности развития

событий П<2 КЗ.СЦСНЭРИ__________

~4> о^ 'и ро1ание баэ да н к ьйП^одн ых" да н н ы х переменных сценариев воздействий людей на цнженерн^д системы.

Формировании баз исходных данных переменных климатического сценария

Момент начала моделирования

Момент завершения моделирования /

-( БД Т

-Гвдор і

Рис. 4. Алгоритм автоматизированного составления сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного

проектирования

¿£Э7/(И = Р1+Р2+... + Рт

где ЕТ - тепловая энергия, потребленная данной инженерной системой, Дж, 2 -тепловая мощность источника или потребителя тепловой энергии, Вт; Е -электроэнергия, потребленная данной инженерной системой, Дж; Р -электрическая мощность источника или потребителя электрической энергии, Вт.

В частности, для модуля радиаторного отопления система балансовых уравнений имеет вид (5):

л.Ет 1са = о„ф-дхр-дск-о, (5)

-а» -Оск 1000-Я«, -9,8

аЬ.' I ш —-

т]р0 • 4183 ■ &ТЮ

- тепловая мощность инфильтрации, Вт; 0СК - тепловая мощность теплопоступлений через светопрозрачные конструкции, Вт; дкр - тепловая мощность теплопоступлений через ограждения, Вт; ()МТ - тепловая мощность тепловыделений от людей и техники, Вт.1000 - плотность воды, кг/м';Н-давление в системе отопления, и с.ст.; 9,8 - ускорение свободного падения, м/с2; Про - КПД насоса системы отопления; 4183 - удельная теплоемкость воды, Дж/кр-К; ДТ-рабочий перепад температур в системе отопления, 'С.

В результате работы модуля вычисляются тепловая энергия, потребляемая системой радиаторного отопления здания без вытяжной вентиляции (Етю, Дж) и электроэнергия, потребляемая системой радиаторного отопления здания без ВЫТЯЖНОЙ вентиляции ( Ею , кВт • ч ).

Аналогичным образом в диссертационной работе описаны прочие модули модели энергопотребления инженерных систем зданий. Каждым из пятнадцати модулей, соответствующих различным инженерным системам, вычисляется значение потребляемой этой инженерной системой тепловой и/или электрической энергии.

На рис. 6 приведена схема алгоритма автоматизированного моделирования энергопотребления инженерных систем.

Моделирование проходит с использованием исходных данных, введенных пользователем или автоматически рассчитанных в системе автоматизированного проектирования. В первую очередь, предлагаемый алгоритм моделирования энергопотребления предполагает вычисление потребностей здания в электроэнергии и тепле или холоде для поддержания заданных параметров микроклимата (температуры и относительной влажности воздуха). Предлагаемый метод учитывает поступление тепла и влаги от людей, техники, приточного и инфильтрующегося воздуха, через ограждающие и светопрозрачные конструкции, а также учитывается энергия, сохраняемая при использовании рекуперации энергии удаляемого воздуха.

/ Иаодные данные / податному типу / помещений J

Исходны* данные / по данному типу / помещений /

Исходим денные / ПОД»мнОмуТЧЛу помещений /

/ И сход ны« да оные / по данному типу

( Напало ;

___

нм-ффициенто» и передаточных функций

Моделирован»« мощностей «егоиниоо* и потребителей тепла и влаги, а ахже влаксодер*ан>1Я внутреннего и наружного »сзду*а для данного типа

Вычисление коэффициентов режима работы инженерны* систем

•— » ——г—

Моделирование потреблении т«

Формирование выходных данных

Значение потребляемой тепловой анергии

Г

Значение потребляемой электрической анергии

/

Рис. 6. Схема алгоритма автоматизированного моделирования энергопотребления инженерных

систем

Система автоматизированного проектирования в автоматическом режиме реализует переход между летним и зимним режимами эксплуатации.

Результатом моделирования являются значения потребленной зданием за моделируемый период электрической энергии (единица измерения - кВтч) и тепловой энергии (единица измерения Гкал).

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены вопросы практического применения разработанного метода - тестовая компьютерная технология, реализующая предложенный метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования, приведен пример применения метода при исследовании эксплуатируемого здания и проведен анализ перспектив применения предложенного метода.

Пользовательский интерфейс разработанной компьютерной технологии включает 6 диалоговых окон и одно окно вывода информации.

Первое диалоговое окно - окно ввода информации о числе типов помещений и инженерных системах для каждого типа помещений. Второе диалоговое окно - окно ввода информации об ограждающих конструкциях для каждого типа помещений. Третье диалоговое окно - окно ввода параметров микроклимата для каждого типа помещений. Четвертое диалоговое окно - окно ввода информации о технических устройствах для каждого типа помещений. Пятое диалоговое окно - окно выбора способа моделирования погодных условий и ввода периода моделирования. Шестое диалоговое окно - окно ввода данных, необходимых для автоматизированного составления сценария.

В окне вывода информации пользователю предоставляются следующие данные:

- период моделирования;

— температура воздуха для каждого типа помещений;

— относительная влажность воздуха для каждого типа помещений;

— наименование выбранного способа моделирования погодных условий;

— автоматически рассчитанная путем компьютерного моделирования величина потребленной инженерными системами здания тепловой энергии;

— автоматически рассчитанная путем компьютерного моделирования величина потребленной инженерными системами здания электрической энергии;

— график потребления тепловой энергии инженерными системами;

— график потребления электрической энергии инженерными системами.

Кроме того, пользователь имеет возможность дополнительно ознакомиться

со значениями и графиками потребления тепловой и электрической энергии для каждой инженерной системы в отдельности.

В качестве примера применения предложенного метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов и разработанной компьютерной технологии рассмотрена автоматизированная верификация энергетического баланса здания. Объект представляет собой десятиэтажное административное здание, имеющее 4 типа помещений: лестницы, холлы, кабинеты, технические помещения. Рассматривается годовой цикл эксплуатации здания. Используется способ моделирования погодных условий, предусматривающий составление климатического сценария.

Во втором пункте четвертой главы диссертационной работы приведены таблицы исходных данных и результаты автоматизированной верификации энергетического баланса. Полученные в рамках апробации предложенного метода данные отличаются от данных, полученных по результатам технологических измерений в течение 2011 года на 5,4 %.

В рамках оценки перспектив применения предложенного метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов проанализированы результаты апробации метода, а также возможности расширения прикладных областей его практического применения.

Анализ показывает возможность применения разработанного метода сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов для зданий, содержащих 92 различных набора инженерных систем и произвольное число типов помещений. Метод позволяет проводить верификацию энергетического баланса зданий и комплексов за произвольный период времени, с учетом особенностей эксплуатации конкретных помещений и здания в целом. Метод позволяет моделировать погодные условия на основе архивных значений за прошлые годы или на основе значений произвольно заданных пользователем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Проведенный анализ зданий и комплексов как объектов энергетического исследования показал целесообразность классификации инженерных систем зданий и комплексов в рамках настоящего исследования по их энергоемкости.

2. Проведенный анализ методов и моделей верификации энергетического баланса зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования выявил недостатки существующих методов, связанные с необъективным характером составления наборов предоставляемых исходных данных.

3. Разработан метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов для систем автоматизированного проектирования, опирающейся на научно-техническую гипотезу о возможности повышения эффективности моделирования значений потребления энергии зданиями и комплексами в процессе эксплуатации на основе сценарного представления исходных данных в САПР.

4. Разработан алгоритм автоматизированного составления сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования, описывающий порядок подготовки исходных данных к процессу сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов, согласно разработанному методу.

5. Разработана модель энергопотребления зданий и комплексов в системах автоматизированного проектирования, обеспечивающая возможность сценарной верификации энергетического баланса для 92 типов зданий и комплексов различающихся по составу инженерных систем.

6. Проведена оценка факторов внешних сред инженерных систем зданий и комплексов и систем автоматического управления при автоматизированном составлении сценариев для верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования, позволившая выделить определяющие факторы внешних сред.

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

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

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

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

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

8. Рассмотрены перспективные направления дальнейших исследований, состоящие в разработке на базе предложенного метода систем автоматизированного проектирования, обеспечивающих выбор оптимальных инженерных и архитектурных решений зданий и комплексов на основе оценки перспективных затрат на эксплуатацию зданий и комплексов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Челышков П. Д. Особенности синтеза математических моделей инженерного оборудования зданий и сооружений [текст] // Сб. науч. тр. Юбилейной X международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов "Строительство - формирование среды жизнедеятельности". - М.: МГСУ; Издательство АСВ, 2007. - 0,5/0,25 п.л.

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

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

4. * Челышков П. Д. Постановка задач на оптимизацию автоматического управления микроклиматом помещений [текст] И Вестник МГСУ. - 2009. - №1. -0,5/0,25 п.л.

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

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

7. Челышков П.Д. Разработка математической модели процессов микроклимата в помещении [текст] // Сб. науч. тр. Международной научно-технической конференции "Стройкомплекс - 2010". - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2010 - 0,5/0,25 п.л.

8. Челышков П.Д. Задачи автоматизации в задачах энергосбережения [текст] // Автоматизация зданий. - 2010. - №3^1(38-39). - 0,5/0,25 п.л.

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

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

*

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

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

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

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

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

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

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

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

-0,5/0,25 п.л. *

19. Челышков П.Д. Сценарное моделирование режимов эксплуатации зданий и сооружений для решения задач их геологической безопасности [текст] // Гео Риск. - 2011. - №3. - 0,5/0,25 п.л.

20. Челышков П.Д. Алгоритм сценарной верификации инженерных решений зданий и комплексов в САПР [текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №5. -0,5/0,25 п.л.

21. Челышков П.Д. Методы теории вероятностей при сценарном моделировании режимов эксплуатации зданий и комплексов в САПР [текст] // Вестник МГСУ. - 2011. - №6. - 0,5/0,25 п.л.

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

23. Челышков П.Д. Перспективное энергетическое моделирование в системах автоматизированного проектирования зданий и комплексов [текст] //

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

24. CHELYSHKOV, Р., 2012. Application of Computer Simulation to Ensure Comprehensive Security of Buildings. In Abstract Volume, 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (14th ICCCBE), V. TELICHENKO, A. VOLKOV and I. BILCHUK (Editors), Moscow 27-29 June, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Publishing House "ASV", p. 430-431, ISBN 978-5-93093-877-7. - 0,25 п.л.

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

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

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

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

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

29. Св. 2011618900 Российская Федерация. Программа автоматического управления подпиткой системы сбора и использования дождевой воды в зданиях [Текст] / Волков A.A., Седов A.B., Челышков П.Д.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "МГСУ". - № 2011617145; заявл. 23.09.11; per. 15.11.11.

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

Лицензия ЛР №020675 от 09.12.1997 г. ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" Подписано в печать: 25.09.2012. Формат: 60x84 1/16 Печать: XEROX Объем: 1,0 п.л._Тираж: 100_Заказ №: б/н

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