Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем инструментального определения тепловых потерь
1.1 Инструментальное определение теплопотребления здания -актуальная задача промэнергетики 11
1.2 Инструментальные методы 14
1.3 Анализ методик проведения тепловизионных обследований и расшифровки получаемых тепловых изображений 20
1.4 Расчетные методы 31
1.5 Выводы и постановка задач исследования 38
Глава 2. Математические модели гидродинамики и тепломассообмена для взаимодействия зданий с окружающей средой
2.1 Модель гидродинамики и теплообмена и ее реализация 40
2.2 Модель локальной интенсивности переноса при испарении 48
2.3 Модель инееобразования при внешнем тепло- и массообмене ограждающих конструкций зданий 55
Глава 3. Численные исследования внешнего тепломассообмена зданий и их анализ .
3.1 Результаты исследования локальных и интегральных коэффициентов теплоотдачи с внешней поверхности зданий 60
3.2 Аппроксимация численных исследований коэффициентов теплоотдачи с наружной поверхности ограждающих конструкций 71
3.3 Исследование влияние лучистой составляющей теплового потока на его результирующую величину, вывод зависимостей для определения угловых коэффициентов излучения 75
3.4 Условия инееобразования. Вывод зависимости для определения температуры точки инея 81
3.5 Результаты численных исследований влияния процесса инееобразования на погрешность определения тепловых потоков тепловизионным методом 83
3.6 Построение диаграммы возможного инееобразования для различных типов строительных материалов 85
3.7 Оценка необходимой амплитуды колебания температуры окружающей среды для обеспечения требуемой точности определения сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций при решении задачи нестационарной теплопроводности 88
Глава 4 Экспериментальные исследования тепло-и массообмена ограждающих конструкций
4.1 Экспериментальные установки 94
4.1.1. Экспериментальный стенд для проверки адекватности предложенной модели локальной интенсивности переноса при испарении 94
4.1.2. Полупромышленная климатическая камера НИИСФ 98
4.2 Методика проведения исследований и оценка погрешности измерений 100
4.2.1. Методика проведения эксперимента по проверки адекватности математической модели локальной интенсивности переноса при испарении 100
4.2.2. Методика проведения полупромышленного эксперимента 104
4.2.3. Методика проведения полупромышленного эксперимента по проверки корректности задания температуры точки инея 106
4.3 Проверка адекватности математических моделей 108
4.3.1. Проверка адекватности математической модели локальной интенсивности переноса при испарении 108
4.3.2. Проверка адекватности математической модели гидродинамики и тепломассообмена 113
4.3.3. Проверка корректности задания температуры точки инея 117
Глава 5. Разработка методологии и алгоритма использования тепловизоров при определении тепловых потерь
5.1 Методика выбора объектов тепловизионного обследования потребителей ТЭР бюджетной сферы 121
5.2 Общий алгоритм расшифровки тепловизионных изображений с целью определения тепловых потерь зданием 126
5.2.1. Алгоритмы предварительной обработки изображений 130
5.2.2. Алгоритмы (методика) пересчета температурных полей ограждающих поверхностей зданий в удельные тепловые потоки 137
Глава 6. Натуральные определения тепловых потерь зданий .
6.1 Расчетные способы определения тепловой нагрузки зданий и сооружений 141
6.2 Определение теплопотерь тепловизионным методом 144
Выводы 165
Список литературы 167
- Анализ методик проведения тепловизионных обследований и расшифровки получаемых тепловых изображений
- Модель инееобразования при внешнем тепло- и массообмене ограждающих конструкций зданий
- Исследование влияние лучистой составляющей теплового потока на его результирующую величину, вывод зависимостей для определения угловых коэффициентов излучения
- Методика проведения эксперимента по проверки адекватности математической модели локальной интенсивности переноса при испарении
Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что на производство тепловой энергии
используется более 40% расходуемых в стране топливно-энергетических ресурсов
[82,147]. За последние 10 лет отпуск тепла возрос с 2040 млн. Гкал до 2270 млн. Гкал.
В перспективе (в 2020 г) общий отпуск тепла потребителям составит 2780+2800 млн.
Гкал, т.е. в ближайшие 15 лет его величина возрастет на 12+33%. Постоянно
увеличивающийся расход топлива и энергетических ресурсов на нужды
теплоснабжения сопровождается в настоящее время осознанием огромных
непроизводительных потерь энергии на всех этапах: добычи энергоресурсов;
транспортировки их к источникам вторичной энергии; в магистральных и
распределительных сетях и у потребителя. Суровые климатические условия России
предопределяют теплоснабжение бюджетных организаций и жилых зданий как
наиболее социально значимый и одновременно наиболее топливоемкий сектор
экономики. В настоящее время бюджетная сфера является одним из крупнейших
потребителей теплоты, объем энергопотребления приблизительно 7% от ТЭР страны,
а количество потребителей ТЭР превышает 40 тыс., каждый из которых включает от 1
до 60 зданий и сооружений. *ч
Тепловой баланс централизованного отопления показывает, что половина первичного топлива, преобразованного в тепловую энергию, теряется на пути к потребителю и у конечного потребителя [154]. Переход страны к рыночной экономике в начале 90-х годов и значительный рост цен на топливо внутри страны привели к пристальному вниманию к вопросам теплозащиты зданий и сооружений, как основной причине низкой эффективности использования энергии. Теплотехнические свойства ограждающих конструкций зачастую не соответствуют проектным. Особенно часто такая ситуация возникает в зданиях старой застройки, в которых фактическое теплопотребление на 20+30% превышает проектную величину [125].
Нормирование тепловой защиты зданий к настоящему времени прошло три этапа: а) использование поэлементного метода, при котором устанавливались нормы по величине теплопередачи отдельных элементов; б) нормирование приведенного (среднего) коэффициента теплопередачи в стационарных условиях; в) нормирование конечной потребности здания в тепловой энергии.
Реализуемый в настоящее время последний из упомянутых этапов нормирования требует создания кадастра зданий по величине теплопотерь.
Для зданий и сооружений с известной конструкцией ограждающих поверхностей можно определить величину сопротивления теплопередачи последних, и, соответственно, тепловые потоки. Для зданий и сооружений "старой" застройки отсутствие проектной документации приводит к тому, что для определения тепловой нагрузки необходимо использование инструментальных методов.
Среди методов натурных исследований наиболее результативным может быть установка теплосчетчиков на каждое здание. Однако, во-первых, годовое количество выпускаемых сертифицированных в нашей стране теплосчетчиков недостаточно для оборудования ими в ближайшие 50 лет всех зданий и сооружений. Во-вторых, финансовые возможности федеральных органов и индивидуальных владельцев жилья не позволяют реализовать такую программу. В-третьих, полученные с помощью теплосчетчиков данные не позволяют выявлять тепловые дефекты зданий для их дальнейшего устранения и уменьшения теплопотерь.
Анализ возможных способов реализации натурных испытаний показывает, что наиболее перспективным может оказаться тепловизионный способ обследования зданий. Существующая и реализуемая нормативная база проведения тепловизионных обследований зданий позволяет качественно с достаточной точностью выявлять тепловые дефекты ограждающих конструкций и лишь в аномальных точках количественно контактным путем определять тепловые потоки и термическое сопротивление конструкций. Тепловизионный метод обследования в России лишь недавно нашел широкое распространение из-за высокой стоимости тепловизионного оборудования, из-за недостатка знаний по влиянию ряда факторов на тепловые потери зданиями и, как следствие, отсутствие корректных методик проведения тепловизионной съемки и расшифровки тепловизионных изображений. Известны работы О.Н. Будадина, В.П. Вавилова, В.А. Могутова, Э.Я. Фалькова и др., затрагивающие важные аспекты использования тепловизионной техники при количественной оценке тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Однако пересчет тепловизионных изображений полей температур на поверхности стен в тепловые потоки проводят или с использованием постоянного значения коэффициента теплоотдачи от поверхности ограждающих конструкций в
7 окружающую среду, не зависящего ни от конфигурации здания, ни от гидродинамики его обтекания, или в отдельных аномальных точках. Последнее, как показывают результаты данной работы, приводит к значительным (до 30^-40%) ошибкам в определении плотности теплового потока, а, соответственно, в объемах необходимого теплопотребления. Известно, что в зависимости от вида зданий, этажности, года застройки и т.п. соотношения между теплопотерями через светонепрозрачные ограждения (стены-покрытие-перекрытие) существенно меняются. Доля потерь основными вертикальными ограждающими конструкциями лежит в диапазоне от 40 до 82% [89,125]. Поэтому снижение погрешности в определении теплопотерь только вертикальными конструкциями (как правило, тепловизионные обследования проводят для основных ограждающих конструкций) приведет к значительному уточнению потребной тепловой энергии. С учетом непроизводительных потерь в цепочке от потребителя до мест добычи (потери в местах добычи топлива, при транспортировке, в теплопроизводящих установках и в тепловых сетях) уточненная цифра возрастает примерно в 2 раза.
Разработка способа тепловизионного определения не термического сопротивления в аномальных точках конструкции, а суммарного необходимого количества тепловой энергии особенно актуально для бюджетной сферы, коммунальные услуги которой оплачивает федеральный бюджет. В коммунальных услугах, например, потребителей Рособразования более 50% составляет тепловая энергия. В силу стесненных финансовых средств потребители лишь на 12-14% оснащены приборами учета расхода тепловой энергии. Остальные потребители оплачивают тепловую энергию по договорам снабжения, в которых по оценкам Рособразования действительные потребности в тепловой энергии завышены в среднем от 10 до 70%. Поэтому уточнение потребностей в энергии объектов бюджетной сферы - актуальная задача. На рис. В.1 показаны существующие в настоящее время дисбалансы между требуемым количеством тепла для отопления и подведенным по реестрам теплоснабжающих организаций [121].
Из сказанного выше очевидно, что наиболее перспективным направлением в этой работе может быть тепловизионный метод, требующий, однако, разработки корректных методов расшифровки тепловизионных изображений при пересчете их в тепловые потери.
QtrkaA
ноябрь декабрь октябрь ноябрь декабрь
а) теплопотребление в 2002 году б) теплопотребление в 2003 году
Рис. В.1. Дисбалансы между требуемым количеством тепла для отопления и подведенным по реестрам предприятия: 1- требуемое тепло ЦО; 2 - подведенное
тепло ЦО. Исследование влияния таких факторов как особенности гидродинамики и
тепломассообмена наружных поверхностей зданий с окружающей средой,
переизлучения между поверхностями зданий и поверхностью земли и т.д.
приводящих в ряде случаев к погрешностям в определении тепловых потоков,
исчисляемым десятками процентов, обуславливает актуальность проведенной работы.
Тепловизионные обследования с уточнением действительных тепловых потерь
потребителями Рособразования могут сэкономить бюджету более 1,5 млрд. руб. в год.
Решению возникающих проблем при разработке корректных методов и их
реализации способствует поставленная цель диссертационной работы - разработка
математических моделей и методов расшифровки тепловизионных изображений в
удельные тепловые потоки в условиях теплообмена, осложненного массообменом.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:
оценить влияние отклонения от принимаемых по СНиП 23-02-2003 [135]
коэффициентов теплоотдачи с наружных поверхностей ограждающих конструкций
зданий на величину тепловых потерь; провести численные исследования и обобщить
полученные результаты по коэффициентам теплоотдачи при различной геометрии
зданий для последующего их использования при определении тепловых потерь
тепловизионным методом; расчетно-экспериментальными исследованиями выявить
влияние процесса испарения с поверхности ограждающих конструкций на
погрешность расшифровки тепловизионных изображений и разработать
математическую модель процесса; провести расчетно-экспериментальные
исследования возможности образования и влияния процесса инееобразования на
9 поверхности ограждающих конструкций на погрешность расшифровки тепловизионных изображений; уточнить существующие методики расшифровки тепловизионных изображений в удельные тепловые потоки и разработать алгоритм обработки и программный продукт для его реализации для получения тепловых потерь по результатам тепловизионных обследований объектов при наличии теплообмена, осложненного массообменном; провести проверку адекватности предложенных математических моделей в натурных условиях на реальных объектах, в том числе и в бюджетной сфере.
Научная новизна. Установлено качественное и количественное отклонение реальных тепловых потерь от расчетных по СНиП 23-02-2003 значений для семи модельных форм зданий за счет гидродинамических особенностей обтекания зданий; математическая модель локальной интенсивности переноса при испарении с поверхности ограждающих конструкций адаптирована применительно к задачам определения тепловых потерь тепловизионным методом; аппроксимированы полученные при численном исследовании значения коэффициентов теплоотдачи с наружной поверхности ограждающих конструкций; получена зависимость для вычисления температуры точки инея, использование которой позволяет корректно определять границы возможного образования инея на поверхности ограждающих конструкций зданий; предложены метод и оригинальный алгоритм расшифровки тепловизионных изображений, позволяющий определять тепловые потери зданий с учетом гидродинамики и тепломассообмена между ограждающими конструкциями и окружающей средой.
Практическая значимость работы заключается в результатах экспериментальных и численных исследований позволивших скорректировать и дополнить существующие методики по расшифровке тепловизионных изображений при определении тепловых потерь ограждающими конструкциями зданий в условиях теплообмена, осложненного массообменом, которые реализованы в проекте методики проведения тепловизионной паспортизации объектов бюджетной сферы и ЖКХ, разрабатываемой под руководством специалистов ФГУ "Мосгосэнергонадзор". Разработанный метод пересчета тепловизионных изображений влажных объектов в тепловые потоки,
10 подводимые к ним, могут быть использованы в теплотехнологиях, например, при сушке различных материалов.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на следующих научных и научно-практических конференциях: на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», ГОУВПО «УГТУ-УПИ», Екатеринбург, 2002., на 9, 10-ой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ (ТУ), Москва, 2003, 2004., на научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа», ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Смоленск, Смоленск, 2003., на Международной научно-практической конференции СЭТТ-2005, Москва, 2005 г.
Публикации. Основные научные положения и выводы изложены в 8 опубликованных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 175 наименований, и приложений. Общий объем диссертации составляет 181 страницу, включая рисунки и таблицы.
Работа выполнена на кафедре Тепломассообменных установок Московского энергетического института (технического университета).
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю д.т.н., профессору О.Л. Данилову за терпение и профессиональное руководство диссертационной работой, д.т.н., профессору Э.Д. Сергиевскому, д.т.н. СИ. Коновальцеву, к.т.н., доценту А.В. Бобрякову, к.т.н., доценту А.Б. Гаряеву, к.т.н., доценту Е.В. Овчинникову, к.т.н., доценту Е.Ю. Головиной за большую помощь в выполнении ряда разделов диссертации, к.т.н. ст.н.с. В.А. Могутову, начальнику информационно-аналитического отдела ФГУ Мосгосэнергонадзор В.А. Тихонову, к.т.н. С.А. Власенко за помощь в проведении экспериментальных исследований, Л.Ш. Найдорф за помощь в работе над рукописями диссертации, а также всем, совместно с кем автор выполнял научные исследования, положенные в основу диссертации: аспиранту A.M. Стефанцову, студентам Д.М. Николашину, Д.В. Королеву, М.В. Горелову, А.С. Власенко.
Анализ методик проведения тепловизионных обследований и расшифровки получаемых тепловых изображений
Данный способ определения тепловой нагрузки лежит в основе действия существующих на сегодняшний день теплосчетчиков. Как известно, теплосчетчик состоит из двух основных функционально самостоятельных частей: тепловычислителя и датчиков (расхода, температуры и давления теплоносителя). Однако использование в настоящее время теплосчетчиков для определения тепловой нагрузки зданий имеет помимо указанных во введении еще ряд трудностей: - так как вода на отопление и на ГВС поступает по одному и тому же подающему трубопроводу, то теплосчетчик фиксирует суммарный расход тепла, не позволяя выделять составляющую, идущую на компенсацию тепловых потерь зданием; - большинство теплосчетчиков требуют "врезки" в трубопровод, остановки технологических процессов, перекрытия вентилей, снятия нагрузки и т.п.
Поэтому использование теплосчетчиков типа ВзлетCP, SA-94 и т.п. в специфических условиях экспресс-обследований в инструментального энергоаудита практически затруднено.
Определение тепловой нагрузки здания, согласно выражению (1.1), без нарушения режима работы системы в экспресс-обследованиях возможно при использовании ультразвуковых расходомеров для измерения расходов воды. Ультразвуковые методы и средства являются так называемыми неинвазивными (т.е. -не требующими вмешательства в ход процесса, внедрения внутрь и/или нарушения целостности трубопровода).
На рис. 1.2 представлен пример использования ультразвукового расходомера PORTAFLOW МК-П R совместно с цифровым измерительным регистратором -SQUIRREL 1003 для многоканальной регистрации расхода горячей воды и некоторых значений температур на тепловом пункте [111].
Основным недостатком использования ультразвуковых расходомеров является то, что погрешности измерений, указываемые производителем (не более 10%), рассчитаны на "чистые" трубопроводы. На практике же внутренняя поверхность трубопроводов имеет различного вида отложения и, соответственно, в реальности погрешность измерения данным прибором расхода теплоносителя может достигать 30% и более [111,113], что также ограничивает применение данного подхода для оценки тепловой нагрузки зданий и сооружений.
Второй из указанных в начале параграфа способов - тепловизионныи, является бесконтактным способом инструментального контроля. Известно, что тепловизионныи метод может позволять не только оперативно определить тепловые потери здания, но и выявить качественные локальные дефекты наружных ограждающих конструкций, возникшие в процессе эксплуатации здания, т.е. указать возможные направления по уменьшению тепловой нагрузки здания [7,18-23,26-29,57-63,143,152].
Анализ результатов использования тепловизионного метода показывает, что этот способ определения тепловых потерь имеет очевидное преимущество перед другими инструментальными методами оценки тепловой нагрузки зданий и сооружений, однако при проведении инфракрасной съемки с последующей расшифровкой получаемых тепловых изображений возможно наличие ряда факторов, существенно снижающих достоверность получаемой информации. При проведении тепловизионных измерений по существующим методикам [46,98-101] допускаются две типичные ошибки, которые делают результаты тепловизионных измерений недостоверными: 1. Не учитывается неравномерность коэффициента теплоотдачи (массоотдачи) на поверхности зданий и сооружений и его зависимость от таких факторов как скорость и направление ветра, геометрии зданий и т.д. 2. Не учитываются эффекты, связанные с влиянием массообмена на теплообмен при испарении влаги с поверхности здания и при образовании на стенах инея. При существующих методиках обработки результатов тепловизионных измерений первой ошибки избежать не возможно. Второй ошибки можно избежать, особым образом выбирая погодные условия, в которых выполняются тепловизионные измерения, но это существенно ограничивает временные интервалы, в течение которых здания и сооружения становятся доступными для тепловизионных измерений. Отметим еще причину, которая влияет на точность расшифровки тепловизионных снимков при использовании их для определения тепловых потерь. Так как тепловизионное обследование проводится в основном вертикальных поверхностей, то в данном случае можно выделить два основных типа ограждающих конструкций: стены и светопрозрачные конструкции. Так как тепловизионные обследования ограждающих конструкций проводятся, как правило, в ночное время суток, то возникают трудности с интерпретацией участков с повышенной температурой поверхности, которые могут оказаться открытыми окнами (рис.1.3), что затрудняет автоматизацию обработки тепловизионного снимка на предварительном этапе. Еще одной трудностью при расшифровке тепловизионных изображений, полученных при съемке свегопрозрачных конструкций, является то, что используемые на данный момент в строительстве типы стекол (оконные блоки с селективным покрытием, тонированные и т.п.) имеют широкий спектр оптических характеристик [109], вследствие чего одинаковые по теплотехническим параметрам оконные блоки на термограммах могут иметь различные температуры наружных поверхностей (рис. 1.4), последующий пересчет которых в удельные тепловые потоки может приводить к значительным погрешностям.
Модель инееобразования при внешнем тепло- и массообмене ограждающих конструкций зданий
Чем меньше термическое сопротивление стены, тем большая погрешность возникает при определении коэффициента теплопередачи к при отличии ан от значения 23 Вт/м2К, заданного по СНиП. Анализируя рис. 2.2. можно сделать вывод, что чем меньше была величина коэффициента теплоотдачи ан при проведении тепловизионного обследования ограждающих конструкций, тем большую погрешность в определении коэффициента теплопередачи к стены можно получить, причем ошибка будет тем больше, чем меньше термическое сопротивление стены.
Следовательно, можно сделать вывод, что при определении тепловых потерь тепловизионным способом необходимо учитывать изменение коэффициента теплоотдачи а,, по поверхности ограждающей конструкции и уметь его определять при различных гидродинамических условиях.
Для выбора способа определения коэффициента теплоотдачи с наружной стороны здания отметим некоторые особенности физической картины внешнего обтекания многоэтажных зданий. Поскольку для предлагаемого в настоящей работе методического подхода к определению тепловых потерь зданием тепловизионным методом лишь принципиально важен выбираемый способ определения коэффициента теплоотдачи, то отметим лишь: - размеры зданий в плане и по высоте изменяются от десятков до сотен метров; - радиационный теплообмен с окружающей средой учитывается на основе закона адитивности; - учет воздействия влаги, инея производится с помощью специальной математической модели; - учет ветрового воздействия можно производить согласно [23,24] Более подробно физическая модель процессов снаружи здания рассмотрена в [ПО]. Известно, что конвективный теплообмен ограждающих конструкций можно рассчитать, используя эмпирические [68,83,93,94]; полуэмпирические [61,67,79,80]; аналитические [137,151] зависимости и численные методы. Учитывая многообразие конфигураций зданий (особенно бурно развивающееся индивидуальное строительство), значительные размеры по высоте и в плане использование первых трех методов неоправдано. Использование расчетных зависимостей для коэффициента теплоотдачи через число Нуссельта осложняется тем, что такой подход не учитывает трехмерность пограничных слоев и то обстоятельство, что пограничный подслой на поверхностях значительных размеров успевает, как правило, несколько раз разрушиться и восстановиться.
Предлагаемая в работе концепция определения тепловых потерь зданием требует знания локальных характеристик теплоотдачи, что может быть обеспечено при использовании численного моделирования гидродинамики и тепломассообмена. В работах научной группы Мотулевича В.П., Сергиевского Э.Д. [32,110,122] подробно в России прослежено развитие численных методов исследования трехмерного пространства и показано, что с конца 60-х годов бурно развивается и усложняется, точнее соответствуя физической картине, математическое описание и создаются программные продукты под современные технические средства для расчета двух- и трехмерных течений не только в плоских геометрически правильных каналах, но и в каналах сложной конфигурации, при естественной, смешанной конвекции и т.д. Такие же анализы истории развития численных методов для расчета конвективного теплообмена представлены в работах [154,155]. Сравнение получаемых в результате численного и лабораторного экспериментов данных доказывают пригодность математических моделей и программных продуктов для численного исследования гидродинамики и тепломассообмена.
В последнее десятилетие прошлого столетия нашел широкое применение пакет программ PHOENICS, реализующий решение системы дифференциальных уравнений конвективного переноса, включая уравнения неразрывности, сохранения импульса, сохранения энергии, кинетической энергии турбулентных пульсаций и диссипации турбулентной энергии [164-175].
Многообразие задач, решаемых с помощью PHOENICS в последние годы, многократные результативные тестирования получаемых результатов позволяют в качестве инструмента для расчета локальных значений и направлений скорости воздушного потока, коэффициентов теплоотдачи, полей температур, давления и т.д. использовать программный пакет PHOENICS.
PHOENICS был создан в 1979-80 годах, а первая его версия вышла в 1981 году. В настоящее время это программа с удобным интерфейсом, которая имеет возможность описывать и решать более широкий круг физических процессов, чем представленные в данной работе.
Алгоритм основан на аппроксимации частных дифференциальных уравнений с конечными разностями на данном элементарном объеме. Для получения таких элементарных объемов рассчитываемая область покрывается ортогональной сеткой. Самая маленькая ячейка сетки, ограничивающая самый маленький элементарный объем, должна быть меньше или, по крайней мере, равна самому маленькому физическому элементу, участвующему в данном процессе.
Очевидно, что перенос энергии и вещества вычисляется по рассчитанным полям температур, концентраций, давлений скоростей.
Численные исследования для ряда практически важных случаев обтекания зданий воздушным потоком проводились под руководством д.т.н. профессора Сергиевского Э.Д. на кафедре ТМПУ с использованием программы PHOENICS, реализующей решение вышеприведенной системы дифференциальных уравнений. При создании модели обтекания здания в программе PHOENICS использовались следующие допущения: внутреннее воздухораспредление не рассматривалось; температура всех внутренних поверхностей ограждения фиксировалась на уровне 16С; стены рассматривались без остекления; температура наружного воздуха фиксировалась на уровне (-25)С; моделировалась двухмерная область обтекания; радиационный теплообмен не учитывался.
Обработку результатов расчета осуществляли с использованием программы Phoenics Reader и MathCad 2001. Так как поверхность раздела для воздуха и ограждающих конструкций приходилась на грани контрольных объемов, и для нее непосредственно значения не рассчитывались, то для нахождения коэффициента теплоотдачи а» использовался следующий алгоритм (рис.2.3) [110]:
Исследование влияние лучистой составляющей теплового потока на его результирующую величину, вывод зависимостей для определения угловых коэффициентов излучения
Так как согласно [98] тепловизионное обследование можно проводить при наличии температурного напора (разность температур внутреннего и наружного воздуха) 10С и более, то возможны случаи, когда инструментальное обследование ограждающих конструкций происходит при положительных температурах наружного воздуха, следовательно, возможны случаи, когда на поверхности стен будет присутствовать свободная влага, например, после дождя. Методики проведения тепловизионных обследований [46,99-101] оговаривают, что проводить обследования необходимо при отсутствии атмосферных осадков (дождь, снегопад), изморози и влаги на контролируемых поверхностях. В данном случае использование "сухих" моделей пересчета температурных полей в удельные тепловые потоки является некорректным и для расшифровки тепловизионных изображений необходимо использование моделей, дополнительно учитывающих затраты тепла на испарение с поверхности влажных поверхностей.
Если наличие атмосферных осадков можно определить визуально и при их наличии заблаговременно отказаться от проведения тепловизионного обследования, то определить наличие влаги на контролируемых поверхностях возможно только при непосредственном контакте с поверхностью здания и, следовательно, отказ от проведения обследований повлечет за собой ненужную трату как временных (время, затраченное на подготовку и доставку к месту работы), так и материальных (транспортная стоимость) ресурсов. Исходя из вышесказанного, создание математической модели, учитывающей возможные процессы массообмена между ограждающими конструкциями зданий и окружающей средой, является актуальной задачей.
Поскольку в случае влажных поверхностей ограждающих конструкций использование традиционных "сухих" моделей для пересчета тепловых полей в удельные тепловые потоки не корректно и, как показывает анализ, погрешность пересчета будет пропорциональна движущей силе массообмена (zcm-zoc), где zcm — влагосодержание воздуха на поверхности испарения, zoc - влагосодержание воздуха в окружающей среде, причем, чем меньше будет относительная влажность наружного воздуха при проведении тепловизионного обследования, тем выше погрешность определения удельных тепловых потерь, то с целью учета указанного фактора при расшифровке тепловизионных изображений была проанализирована и дополнена математическая модель локальной интенсивности переноса при испарении, положенная в основу сорбционной модели сушки [81].
Согласно данной модели для расчета локальной интенсивности тепломассообмена при испарении в атмосфере парогазовой среды используется приближенное одномерное решение задачи, основанное на пленочной модели Нернста [150].
Для использования модели принимают, что на поверхности испарения находится пограничный слой известной постоянной толщины s (рис. 2.4). В предлагаемой модели рассматривается приближенное решение дифференциальных уравнений переноса лишь в поперечном направлении через пограничный слой. В них входит только вертикальная проекция вектора скорости парогазовой смеси - скорость конвективного потока Стефана. Отсутствие горизонтальной проекции вектора скорости избавляет от необходимости учитывать нарастание пограничного слоя и пользоваться информацией, полученной из решения задачи Блазиуса.
Одномерная модель теплового и концентрационного пограничного слоя над поверхностью испарения. х - поперечная координата; Т - температура парогазовой смеси; у - молярная доля пара в парогазовой смеси; s - толщина пограничного слоя; Тст - температура парогазовой смеси на поверхности испарения при л: = 0; Тос - температура парогазовой смеси в ядре потока при х = s; ycm — молярная доля пара в парогазовой смеси на поверхности испарения при х = 0; уос - молярная доля пара в парогазовой смеси в ядре потока при x = s.
Процесс тепломассопереноса в поперечном направлении через ламинарный пограничный слой над поверхностью испарения может быть описан следующей системной дифференциальных уравнений:
Методика проведения эксперимента по проверки адекватности математической модели локальной интенсивности переноса при испарении
Анализируя данные табл. 3.8 с учетом выше оговоренных условий о выбранных для расчета значениях скорости ветра, можно сделать вывод, что предписываемая СНиП величина коэффициента теплоотдачи, по крайней мере, для большинства территорий России, завышена. Возвращаясь к графику рис. 2.2 можно увидеть, что при определенных значениях термического сопротивления наружных ограждающих конструкций погрешность в определении коэффициента теплопередачи к может достигать 30%. Очевидно, что чем меньше значение термического сопротивления, тем погрешность в определении коэффициента теплопередачи к больше. Как известно удельные тепловые потери ограждающими конструкциями зданий прямопропорциональны их коэффициенту теплопередачи qcm = к (teH - toc) и, следовательно, завышенное значение нормативного коэффициента теплоотдачи ан как при проектных расчетах, так и при определении тепловой нагрузки тепловизионным методом может приводить к завышению расчетных нагрузок и, соответственно, к перерасходам оплачиваемой потребителями тепловой энергии.
Как отмечалось выше, существующие методики тепловизионных обследований ограждающих конструкций зданий предусматривают проведение измерений в реперных точках, а использование тепловизора лишь для качественной оценки сплошности теплоизоляции с целью выявления мест тепловых утечек. Инструментальная реализация таких методик не позволяет получать распределение удельных тепловых потоков и температур поверхности стен. Используемая нами математическая модель течения и теплообмена и программный продукт для ее реализации дают возможность определять плотности теплового потока и температуры по длине стены. Покажем на примере модельного здания 5 и ограждающей конструкции, сделанной из кирпичной кладки (Лк=0,81 Вт/мК) толщиной 750 мм, сложный характер изменения, как удельного теплового потока, так и температуры. Рассматриваемая конструкция стены типична для зданий старой застройки, которыми, в большинстве своем, и являются объекты в бюджетной сфере. На рис. 3.11,3.12 представлены зависимости распределения удельного теплового потока и температуры от безразмерной длины X модельного здания 5, с заданной выше конструкцией стен, на высоте 2 м. Анализируя графики рис. 3.11. можно увидеть, что характер изменения плотности теплового потока qcm по длине здания имеет сложный характер, причем очевидно, что проведение контактных измерений в реперной точке с последующим обобщением полученных результатов на всю поверхность ограждающих конструкций является некорректным. Использование тепловизора для качественного контроля состояния ограждающих конструкций не целесообразно без учета гидродинамики ветрового потока (рис. 3.12), так как в этом случае повышенная температура поверхности, например, связанная с наличием застойных ветровых зон, может быть воспринята как дефект теплоизоляции, что приведет к неправильным рекомендациям по окончанию обследования.
Так как характер распределения и значения коэффициента теплоотдачи ан существенно зависят от различных факторов, таких как скорость ветра, его направления и т.п. (рис.3.3-3.9), то его корректное определение является одной из трудоемких задач, которую необходимо решать при расшифровке тепловизионных изображений. Наиболее точный способ решения данной задачи - использование пакета программного обеспечения PHOENICS для обсчета гидродинамики обтекания каждого здания, тепловизионная съемка которого проводится. Однако использование пакета программного обеспечения PHOENICS требует значительных временных ресурсов и достаточно высокой квалификации специалиста, работающего с ним, поэтому обсчет каждого здания затруднителен, вследствие чего в работе были предложены следующие пути решения проблемы, связанной с определением коэффициента теплоотдачи ан при расшифровке тепловизионных изображений, полученных при съемке наружных ограждающих конструкций зданий. Первый путь решения данной задачи заключается в создании, накоплении и хранении базы данных матриц коэффициентов теплоотдачи а„, полученных в результате обсчета с помощью пакета программного обеспечения PHOENICS реальных зданий, тепловизионная съемка которых проводится (более подробно решение данной задачи будет рассмотрено в главе 5). Так как конфигурации реальных зданий в большинстве своем однотипны, то путем накопления информации можно достичь того, что при проведении расшифровки тепловизионных изображений необходимо будет извлечь матрицы значений из базы данных, пересчитать их на другие значения измеренных скоростей ветра и использовать для определения удельных тепловых потерь ограждающими конструкциями зданий. Создание подобной базы данных требует больших временных ресурсов. Второй путь решения данной задачи, который будет рассмотрен в этой главе, это аппроксимация полученных значений коэффициентов теплоотдачи аи и получение выражений удобных для инженерных расчетов, использование которых позволит определять значения а„ с полученной при аппроксимации точностью.
В работе проведена аппроксимация значения коэффициента теплоотдачи ан по длине здания на высоте 2 м в зависимости от расположения поверхности стены к направлению потока ветра и оценены возможные погрешности, возникающие при этом как в локальном, так и в интегральном значении ан. Согласно принятой стратегии и возможности анализа распределения коэффициента теплоотдачи ан по длине здания для семи реализованных модельных случаев, расположение стен относительно направления потока ветра разделились на следующие типы: лобовое, продольное и тыловое. При аппроксимации полученные зависимости распределения коэффициента теплоотдачи ан, приводились к одному значению скорости ветра в предположении, что режим течения турбулентный и ан У0,8. С целью получения наиболее простых зависимостей для расчета коэффициента теплоотдачи ан аппроксимация полученных результатов проводилась линейными зависимостями. Анализ возможных аппроксимирующих кривых показал, что использование линейной аппроксимации позволяет получать результаты без существенного снижения точности по сравнению с другими типами аппроксимаций. Итоговая зависимость получалась путем среднеарифметического усреднения аппроксимирующих прямых, построенных для каждого отдельного случая при заданном расположении стены по отношению к направлению потока ветра.
Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальные исследования определения тепловых потерь тепловизионным способом при энергетической паспортизации зданий
