Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-математические модели теплового режима зданий и методы расчета нестационарных тепломассообменых процессов 12
1.1. Анализ состояния вопроса 12
1.2. Выводы. 26
2. Математическое моделирование нестационарных тепловых и воздухообменных процессов в зданиях 29
2.1. Основные положения 29
2.2. Формализация отношений и взаимодействий между элементами зданий и обьектамми 32
2.3. Математические модели элементов здания и соответствующие им типы объектов 40
2.3.1. Объект - имитатор внешних условий 40
2.3.2. Моделирование теплопроводящих элементов 42
2.3.3. Моделирование тонких теплопроводящих элементов 46
2.3.4. Моделирование вертикальных воздушных прослоек 47
2.3.5. Моделирование процессов на наружных поверхностях 48
2.3.6. Моделирование процессов на внутренних поверхностях 53
2.3.7. Составные объекты для моделирования тепловых процессов 56
2.3.8. Моделирование процессов в помещениях 57
2.4. Моделирование нестационарных тепловых процессов в зданиях с учетом
воздухообмена 67
2.4.1. Основные уравнения тепло - воздухообмена 67
2.4.2. Взаимодействия между обьектами - математическими моделями 71
3. STRONG Теоретический анализ теплообмена при смешанной конвекции около
вертикальных поверхностей STRONG 77
3.1. Основные уравнения пограничного слоя при свободно- вынужденной конвекции около вертикальной поверхности 77
3.2. Аналитическое исследование теплопереда чи в воздушных прослойках окна 81
3.3. Анализ полученных решений. вывод расчетных соотношений. 92
3.4. Экспериментальное исследование теплопереда чи окна с тройным остеклением при помощи интерферометра 97
3.4.1. Методика исследования передачи тепла при помощи интерферометра 97
3.4.2. Разработка основных параметров экспериментальной установки и проведения стендовых исследований 103
3.4.3. Результаты экспериментальных исследований 112
3.5. Исследования теплотехническихка честв окон в клима тическои камере... 132
3.5.1. Методика проведения исследований и описание экспериментальной установки 132
3.5.2. Результаты исследований теплопередачи окон 140
стройным остеклением 140
3.6. Натурные теплотехнические исследования окон с учетом воздухопроницаемости 156
3.6.1.Исследование климатических особенностей районов проведения натурных экспериментов... 156
3.6.2. Описание объектов исследования 186
3.6.3. Методика проведения натурных исследований 189
3.6.4. Результаты натурных исследований 190
3.6.5. Натурные исследования теплотехнических качеств окон в условиях продольной инфильтрации 198
4. Реализация математической модели теплового и воздухообменного режима зданий 211
4.1. Повышение устойчивости метода взаимодействующих объектов 211
4.2. Программы для расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях 213
4.3. Решение обратных задач 220
4.4. Особенности реализации математической модели при автоматическом управлении системами отопления зданий 225
5. Оптимизация тепло-воздухообменных режимов и теплотехнических параметров гражданских зданий 228
5.1. Описание объектов исследования. 228
5.2. Оценка влияния ориентации здания по сторонам света на тепловой режим зданий 230
5.3. Оценка влияния компоновочных решений на тепловые потери зданий 233
5.4. Энергосбережение в зданиях при различных режимах регулирования систем отопления 239
5.5. Оценка влияния коэффициентов поглощения излучения поверхностей, площади остекления и других факторов на тепловые потери зданий 243
5.6. Сопоставление резулътатов расчета тепло-воздухообменных режимов по различным методикам 249
5.7. Экономическая эффективность инвестиций в повышение теплозащиты наружных ограждений 257
5.8. Экономическая эффективность автоматизированных систем отопления 267
Основные выводы 277
список литЕратуры
- Формализация отношений и взаимодействий между элементами зданий и обьектамми
- Основные уравнения пограничного слоя при свободно- вынужденной конвекции около вертикальной поверхности
- Программы для расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях
- Оценка влияния ориентации здания по сторонам света на тепловой режим зданий
Введение к работе
Устойчивая тенденция роста стоимости невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов приводит к необходимости повышения теплозащиты зданий. Вместе с тем увеличение термического сопротивления отдельных элементов оболочки здания является условием необходимым, но не достаточным для решения проблемы энергосбережения в строительстве. Требуется комплексный подход, учитывающий, что уровень энергетической эффективности здания зависит от архитектурно-планировочных решений, компоновки здания, особенностей природно-климатических воздействий, режима работы систем отопления и кондиционирования, уровня автоматизации систем поддержания микроклимата.
Системный подход к проектированию энергоэкономичных зданий предполагает рассмотрение здания как единой энергетической системы, обеспечивающей комфортные условия в помещениях.
Современные теплотехнические нормы требуют существенного увеличения уровня теплозащиты проектируемых и реконструируемых зданий.
Повышение теплозащиты зданий до уровня новых норм требует значительных капиталовложений. Кроме того, в условиях низких темпов строительства (особенно в регионах Восточной Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока) сокращения потребления энергоресурсов, расходуемых на отопление зданий, ожидать не приходится, так как основная часть потребителей тепла еще долгое время будет оставаться на прежнем уровне энергопотребления.
Очевидные трудности и экономическая необоснованность перехода на новые теплотехнические нормы, с одной стороны, и необходимость комплексного учета всех параметров и факторов, влияющих на тепловые потери вновь строящихся и существующих зданий, с другой стороны, привели к необходимости принципиально новых подходов к теплотехническому нормированию в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Новые подходы заложены в ряде территориальных строительных норм, которые одновременно обеспечивают равнозначный энергосберегающий эффект, предусмотренный федеральными нормами, и предоставляют проектировщику определенную свободу в выборе технических решений для обеспечения энергосбережения.
При этом территориальные нормы отличаются тем, что в них, наряду с федеральными требованиями, заложен новый, альтернативный принцип нормирования.
Согласно этому принципу регламентируются требования не к отдельным частям здания, определяющим тепловой баланс, а к зданию в целом, исходя из удельного энергопотребления, приходящегося на единицу его площади или объема.
Таким образом, альтернативный подход к нормированию позволяет задействовать резервы, не используемые ранее, и не требующие, как правило, значительных капиталовложений.
Резервами для экономии ^возобновляемых топливно-энергетических ресурсов в этом случае являются: улучшение качества управления микроклиматом с учетом бытовых тепловыделений и солнечной радиации; объемно-планировочные и компоновочные решения; управление воздухообменом; точный учет вклада различных частей оболочки здания в общий тепловой баланс и устранение теплозащитной неоднородности здания в целом; использование ночных тарифов на электроэнергию и эффектов аккумуляции тепловой энергии; применение прерывистого отопления в промышленных, административных и гражданских зданиях; использование рекуперативных эффектов и ряд других мер, обеспечивающих повышение энергоэффективности зданий.
Очевидно, что переход на новые принципы проектирования требует использования научно обоснованных и практически применимых методов расчета целого комплекса изменяющихся во времени теплотехнических параметров здания.
В основе всех существующих методов расчета тепловых процессов в зданиях лежат хорошо известные физические законы тепло-массообмена. Однако применение этих законов для расчета тепловых процессов в зданиях сталкивается с трудностями, носящими порой принципиальный характер. Здание является сложной геометрической и физической системой, в которой протекает одновременно множество процессов. При этом, с одной стороны, значительная часть исходных данных, необходимых для расчетов, с трудом поддается определению 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 (например, отсутствие общих решений задач аэродинамики, недостаточное быстродействие применяемой в расчетах вычислительной техники). Особые проблемы возникают, когда требуется применить в инженерной практике динамические методы расчета, по причине сложности последних.
Основной целью работы является разработка научных основ расчета управляемых тепло-воздухообменных процессов в зданиях как единых энергетических системах, обеспечивающих решение важной народно-хозяйственной и социальной проблемы энергоресурсосбережения с учетом региональных условий строительства.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: разработка математической модели физико-климатических воздействий на здание; разработка математической модели теплообмена на наружных поверхностях зданий; разработка математической модели теплообмена на поверхностях элементов конструкций, обращенных внутрь здания; разработка математической модели теплообмена в вертикальных воздушных прослойках; разработка математической модели теплообмена в тонких теплопроводя-щих элементах зданий (стекла окон, дверные полотна, покрытия крыш и т.д.); разработка математической модели нестационарных тепло-воздухообменных процессов в сплошных элементах зданий (стенах, перекрытиях, перегородках); разработка математической модели нестационарных тепло-массообменных процессов в помещениях; создание программно - вычислительного комплекса для решения прикладных задач расчета и управления тепло - воздухообменными процессами в зданиях; установление на основе теоретических и экспериментальных исследований расчетных соотношений и параметров теплообменных процессов вблизи поверхностей ограждений при смешанной конвекции; проведение сравнений расчетных теплотехнических параметров зданий с фактическими на основе натурных теплотехнических исследований и анализа систематических замеров теплозатрат зданий; апробация методики проведения расчетов нестационарных тепловых и воздухообменных процессов в зданиях и разработка комплекса мероприятий по повышению энергоэффективности гражданских зданий применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья.
Актуальность работы. Новые принципы нормирования теплозащиты по удельному энергопотреблению, приходящемуся на единицу отапливаемой площади или объема здания, требуют проведения расчетов тепловых и мас-сообменных процессов с учетом множества различных факторов и позволяют проектировщикам использовать незадеиствованные резервы экономии тепла во вновь строящихся и реконструируемых зданиях. в то же время, современные программно-вычислительные средства, реализующие математические модели и рассчитывающие поведение сложных динамических объектов, позволяют автоматизировать управление тепловыми процессами в проектируемых и эксплуатируемых зданиях и существенно уменьшить потребление тепловой энергии при минимальных капитальных затратах.
Оптимизация тепловых процессов в эксплуатируемых зданиях может стать основным резервом энергосбережения в регионах Восточной Сибири и Забайкалья, для которых характерны значительные резервы увеличения вклада солнечного излучения в тепловые балансы зданий и низкие темпы строительства нового жилья.
Объектом исследования являются здания (включая системы поддержания микроклимата), как единые нестационарные, открытые теплофизические и энергетические системы.
Научная новизна работы заключается в следующем: обобщенная математическая модель нестационарных тепло-воздухообменных процессов в зданиях; новый метод расчета нестационарных тепло-воздухообменных процессов в зданиях за счет организации взаимодействий между объектами - математическими моделями элементов здания; схема взаимодействий между объектами, включающая все основные тепловые и воздухообменные процессы в зданиях; принципы осуществления выработки управляющих сигналов в системах поддержания микроклимата помещений в нестационарных тепло-массообменных условиях; экспериментально-аналитические зависимости изменения коэффициентов теплообмена на вертикальных поверхностях при смешанной конвекции; исследования характера формирования пристенных пограничных слоев воздуха и конвективных потоков в ядре воздушной прослойки при свободно-вынужденной конвекции; закономерности тепло-массообмена в воздушных прослойках и около вертикальных поверхностей при совместном действии лучистой и конвективной составляющей теплопередачи в условиях различно направленной фильтрации воздуха.
Практическая ценность работы заключается в следующем: разработан метод расчета на ЭВМ нестационарных тепловых и воздухо-обменных процессов в зданиях; разработано программное обеспечение для проведения научных и инженерных расчетов нестационарных процессов тепло - массообмена в зданиях на основе первичных геометрических данных при полной алгоритмизации всех этапов расчета; предложен метод управления системами поддержания микроклимата и оптимизации теплопотребления; предложены рекомендации по оптимизации теплового режима окон в условиях отрицательных температур наружного воздуха; создана и апробирована в исследованиях экспериментальная установка по моделированию процессов тепло - воздухообмена в воздушных прослойках и на поверхностях ограждений при свободно-вынужденной конвекции; проведена количественная оценка ряда энергосберегающих мероприятий применительно к типовым гражданским зданиям в природно-климатических условиях Восточной Сибири и даны рекомендации по повышению эффективности объемно-планир выявлены оптимальные режимы теплопотребления зданий в условиях управления микроклиматом помещений; - даны предложения по эффективному нормированию теплозащиты и теп- лопотребления зданий с учетом климатологических и экономических условий района строительства применительно к регионам Восточной Си бири и Забайкалья.
Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при разработке нормативных документов, проектировании и строительстве ряда объектов: в территориальных строительных нормах Читинской области «Энергоэффективность жилых и гражданских зданий»; в проекте Закона Читинской области «Энергосбережение в граждан- ских зданиях»; для решения комплекса задач при проектировании промышленных и гражданских объектов Забайкальской железной дороги проектно-изыскательским институтом «Забайкалжелдорпроект»; при корректировке проектного решения жилых домов серии 122 возведенных на БАМе, внедренных ЦНИИС, ЛенЗНИИЭП, комбинатом «Шимановскстрой-индустрия»; при строительстве здания Президиума Академии наук РФ; в программе реализации международного научно-технического проекта «Исследования конструктивных решений энергоэффективных окон и разработка конструкций, оптимальных для климатических условий России»; при реализации плана НИОКР Забайкальской железной дороги «Энергоаудит и энергосбережение».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:
14 Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», г. Москва, 1996 год;
Международной конференции «Наука и образование на рубеже тысячелетий», г. Чита, 1999 год;
Четвертой научно-практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», г. Москва, 1999 год;
Всероссийский научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков», г. Хабаровск, 2000 год;
Пятой научно-практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», г. Москва, 2000 год;
Шестой научно-практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», г. Москва, 2001 год; научно-техническом семинаре «Теплоснабжение и вентиляция» Иркутского государственного технического университета, г. Иркутск, 2000 год, - Основное содержание диссертации опубликовано в монографиях, статьях, авторском свидетельстве, всего в 34 печатной работе.
Формализация отношений и взаимодействий между элементами зданий и обьектамми
Как было отмечено ранее, системный подход подразумевает разделение здания на элементы, изменение состояния каждого из которых возможно описать относительно простыми уравнениями, и взаимодействие между которыми также можно формализовать и описать в виде некоторых выражений. Существует множество способов, позволяющих решить поставленную задачу, но система базовых объектов должна, по возможности, состоять из небольшого числа типов, охватывающих, тем не менее, все виды тепловых процессов в зданиях. 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. Всего можно выделить 6 типов поверхностей: внутренняя вертикальная поверхность, внутренняя горизонтальная, обращенная вниз внутренняя горизонтальная, обращенная вверх, наружная вертикальная, наружная горизонтальная, обращенная вниз, наружная горизонтальная, обращенная вверх, поверхности.
Элементы здания, изменение состояния которых определяется уравнением теплопроводности в том или ином приближении. Далее элементы этого типа (и соответствующие им типы объектов) для краткости именуются "теплопроводящие элементы". 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 (например, воздушные прослойки и стекла окон). Элементы этого и предыдущего типов являются основой для построения виртуальной системы - аналога для динамического моделирования тепловых процессов в зданиях. Именно взаимодействие между элементами этих двух типов и их многочисленные комбинации позволяют при помощи относительно малого числа базовых элементов получить динамические модели всех необходимых элементов здания и зданий в целом. 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. Объект предназначен для моделирования наружных условий в зависимости от географической широты местности и некоторых других исходных данных о климатических условиях.
"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. Например, объект, соответствующий вертикальной панели ограждающей конструкции, состоит из 3 объектов: вертикальной наружной поверхности, собственно панели, и вертикальной внутренней поверхности.
Иерархия в построении системы объектов требует определения свойств, общих для всех объектов, и дополнение новыми свойствами объектов, представляющих более высокие уровни иерархии. Общим свойством всех типов объектов, рассмотренных выше, является способность расчета изменения состояния элемента здания, соответствующего объекту, за достаточно малый интервал времени (или расчета изменения величин, характеризующих наружные условия). По этой причине основой иерархической системы объектов является абстрактный объект типа THObj (обозначения типов объектов и наименования методов объектов приводятся с использованием номенклатуры, принятой для модулей, приводимых в приложениях). Объект является родоначальником всех наследуемых от него объектов. Полиморфный метод расчета изменения состояния объекта (в приложениях - метод Count) является универсальным методом всех наследуемых от него объектов. Метод предназначен для проведения расчета изменения состояния объекта за период времени, равный разности между указанными моментами времен при текущем и предшествующем вызовах этого метода.
Объект имеет констрактор, при вызове которого требуется указать начальный момент времени. Начальный момент времени задается произвольно, но из практических соображений удобно задавать начальный момент времени, соответствующий всем начальным условиям, равный нулю. Дестрактор является стандартным методом и предназначен для динамического высвобождения оперативной памяти в случаях, когда экземпляр объекта (или наследуемого от него объекта) выполнил все необходимые от него действия и в дальнейшем использоваться не будет.
Кроме полиморфного метода расчета изменения состояния объекта, для организации взаимодействий между объектами требуются методы, производящие связывание взаимодействующих объектов. Связывание объектов производится путем передачи указателей на объекты, с которыми взаимодействует данный объект. Для связывания объектов используются методы SetCapHndl и SetSurfHndl. Первый из названных методов предназначен для связывания объекта типа "поверхность" с объектом типа "теплопроводящий элемент". Второй из методов предназначен для связывания объекта типа "теплопроводящий элемент" с объектом типа "поверхность". Предлагаемый способ связывания объектов предполагает двухкратное дублирование исходной геометрической информации. Дублирование в данном случае позволяет провести проверку исходных геометрических данных о структуре здания и является необходимым для исключения ошибок в исходных данных.
Основные уравнения пограничного слоя при свободно- вынужденной конвекции около вертикальной поверхности
Конвективный теплообмен связан с движением воздуха около поверхностей заполнений световых проемов. Различают два основных вида движения воздуха: свободное и вынужденное. Вынужденное движение воздуха в окнах возникает под действием ветра, разности барометрических давлений внутреннего и наружного воздуха; свободное - вследствие разности плотностей воздуха около различно нагретых поверхностей заполнения.
При фильтрации в светопрозрачных конструкциях имеет место совместное действие свободной и вынужденной конвекции. Теплообмен при свободно-вынужденной (смешанной) конвекции можно описать системой дифференциальных уравнений пограничного слоя.
Дифференциальные уравнения смешанной конвекции на вертикальной поверхности для двухмерного, ламинарного, установившегося слоя имеют вид: Уравнение количества движения: Р ( ди дгЛ 5Р_п д2и дх ду) дх ду Уравнение неразрывности: Эй 5v
Уравнение переноса энергии: u. + v. - = a- ГДЄУ = (Т-ТЮ). дх ду ду
На рис. 3.1 приведена принципиальная схема развития профилей скоростей и температур в пограничных слоях, совпадающих и противоположных направлениях вынужденной и свободной конвекции.
В теории теплообмена конвекцией большинство критериальных зависимостей получено из автомодельных решений или по результатам их обобщений. С помощью автомодельных решений установлено от каких критериев зависит толщина пограничного слоя. Автомодельные решения позволяют получить результаты в явном виде, легко допускают расчеты ос-редненных параметров и представляют практическую ценность для инженерных расчетов.
В настоящее время рассчитано ограниченное количество автомодельных задач смешанной конвекцией.
В математическую формулировку задачи включен параметр Grx/Rex2, характеризующий соотношение между свободной и вынужденной конвекцией.
При малых значениях параметрам Grx/Rex превалирует вынужденная конвекция, а при больших - естественная.
Расчеты проводились на ЭВМ для критерия Рг = 0,7 при двух условиях: постоянная температура стенки и постоянный поток тепла на стенке.
Параметр Grx/Rex2 принимал значения в области от О до 100 для совпадающих потоков жидкости и от нуля до точки отрыва для противоположных.
На рис. 3.2 представлено изменение скоростей и температуры в случае постоянной температуры стенки от автомодельной переменной п = - ?- = (Кех)ї) Принято, что ори иовпадающии хотоках хараметр Grx/Rex2 2 х принимает положительные значения, и для противоположных - отрицательные.
Изменение относительной скорости u/Uoo и относительной избыточной температуры 0 от параметра Grx/Rex2 позволяет установить влияние естественной конвекции на гидродинамическую и тепловую картину процесса.
При спутном потоке вынужденной конвекции характерно выражен максимум относительной скорости u/uo в пределах пограничного слоя. Причем по мере снижения величины параметра Grx/Rex2 максимум скорости увеличивает свою координату у, "отодвигаясь" от стенки.
Отпускной вынужденный поток при уменьшении абсолютного значения Grx/Rex увеличивает влияние тормозящих эффектов на движение. Выраженных максимумов изменения скорости в этом случае нет.
Профили безразмерной избыточной температуры имеют вид аналогичный чисто свободными, чисто вынужденному движению.
Подобный характер изменения профилей температур наблюдается во всей области изменения.
На рис.3.2 представлены графики изменения безразмерного потока тепла 4-NUx/Rex,/2 от параметра Grx,/2/Rex.
Из графиков рис. 3.2 видно, что для малых значений параметра Grx/Rex2 поток представляет собой вынужденное движение, а для больших - кривые изменения потока тепла приближаются к асимптотам свободной конвекции.
Как отмечается в работе [46] максимальное отклонение асимптот от кривых не превышает 23%.
Программы для расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях
При взаимодействии объектов типов «поверхность» и «теплопрово-дящий элемент» устойчивость метода определяется явной разностной схемой, принятой для расчета изменения состояния последнего объекта. Многочисленные экспериментальные проверки метода показали, что взаимодействие между объектами названных типов не приводит к появлению новых видов неустойчивостей. Как было отмечено выше, запас устойчивости явной разностной схемы позволяет использовать шаг интегрирования порядка 1 минуты, что является оптимальным как с точки зрения быстродействия существующей вычислительной техники, так и для расчетов относительно быстропротекающих тепловых процессов.
Однако при взаимодействии между объектами типов «поверхность» и «тонкий теплопроводящий элемент», а также типов «поверхность» и «воздушная прослойка», устойчивость метода оказалось на 1 - 2 порядка ниже. На рис. 4.1 показано развитие неустойчивости при взаимодействии между объектами типов «поверхность» и «воздушная прослойка».
Эффективным способом повышения устойчивости метода при взаимодействии объектов указанных типов является замена тепловых потоков Q] и Q2 в выражениях (2.18), (2.19), (2.22) и (2.23) на полусумму этих же потоков, соответствующих текущему и предыдущему шагам интегрирования по времени. Таким образом, для практической реализации метода, выражения (2.18), (2.19), (2.22) и (2.23) целесообразно заменить на следующие:
Развитие неустойчивости при взаимодействии объектов типов «поверхность» и «воздушная прослойка». Зависимость мощности тепловых потерь от времени для помещения в целом за счет конвекции (слева), и зависимость полной мощности тепловых потерь от времени для оконного блока (справа). Изображение скопировано с экрана ЭВМ. Время в секундах, одно горизонтальное деление соответствует 2,0 104 с. Мощность в ваттах, одно вертикальное деление соответствует 500 Вт. где верхний индекс при Qi и Q2 обозначает номер шага интегрирования. Результирующий запас устойчивости при использовании выражений (4.1)-(4.4) оказывается достаточным для увеличения шага интегрирования по времени до нескольких десятков минут, что приблизительно на 1 порядок превышает оптимальную величину шага интегрирования.
Наиболее удобным инструментом для создания виртуальной системы-аналога для моделирования тепловых процессов в зданиях являются объекты. Объектом называется особое объединение данных и программного кода, обрабатывающего эти данные. Процедуры и функции, обрабатывающие данные объекта, называются методами объектов. Три основных свойства характеризуют язык объектно - ориентированного программирования: - инкапсуляция: объединение записей с процедурами и функциями, что превращает их в новый тип данных - объект; - наследование: задание объекта, затем использование его для построения иерархии порожденных объектов, с наследованием доступа каждого из порожденных объектов к коду и данным предка; - полиморфизм: задание одного имени действию, которое передается вверх и вниз по иерархии объектов, с реализацией этого действия способом, соответствующим каждому объекту в иерархии. Технология программирования ООП предполагает следующий порядок работы с объектами:
1) Инициализация объекта. Инициализация (приведение в первоначальное состояние) производится специализированной процедурой, называемой констрактором. В некоторых случаях при выполнении констрактора выделяется оперативная память, необходимая для работы объекта. Параметры констрактора могут определять начальное состояние и другие исходные данные для элемента здания, которому соответствует данный объект. Например, параметры констрактора могут определять начальную температуру, площадь поверхности и другие параметры элемента здания. Как правило, констракторам дается имя Init.
2) Исполнение любых методов объекта, кроме констрактора и дест-рактора. При исполнении любого метода объекта совершаются некоторые операции над данными объекта. Например, может рассчитываться изменение состояния элемента здания, которому соответствует объект, за некоторый интервал времени.
3) Дестракция, т.е. разрушение объекта. Дестракция производится специальной процедурой, называемой дестрактором. Дестракция производится после выполнения объектом всех необходимых действий и служит для освобождения оперативной памяти, занятой объектом. Как правило, дестракторам дается имя Done.
Оценка влияния ориентации здания по сторонам света на тепловой режим зданий
Представляет интерес зависимость тепловых потерь от ориентации здания по сторонам света. В табл. 5.2 приведена полная среднесуточная мощность (в ед. СИ) тепловых потерь здания (вверху) и среднесуточные тепловые потери по фасадам здания (внизу) в зависимости от ориентации здания и времени года. (Для 5 - этажного типового здания профилактория ЧГТУ с учетом климатических условий Забайкалья.) Как видно из табл. 5.2, среднегодовая мощность тепловых потерь здания может варьироваться в пределах 1.9% в зависимости от ориентации здания, причем минимум тепловых потерь соответствует ориентации фасада здания на юг. Однако в конце отопительного периода наблюдается обратная зависимость тепловых потерь от ориентации здания. Это связано с увеличением средней высоты солнца над горизонтом, что приводит к уменьшению количества солнечной радиации, проникающей в помещения здания через заполнения оконных проемов и поглощаемой вертикальными ограждающими конструкциями, ориентированными на юг.
Среднесуточная мощность тепловых потерь здания (Вт) в зависимости от ориентации фасада здания по отношению к направлению на юг и времени года. Вверху: полные среднесуточные тепловые потери здания; внизу: среднесуточные тепловые потери по фасадам здания.
Из приведенных в таблице 5.2 результатов расчетов следует, что при ориентации фасадов «запад-восток» отличие тепловых потерь между западным и восточным фасадами незначительно, и изменяется от 0,1% в декабре, до 7,1% в апреле.
При ориентации фасадов «север-юг» через северный фасад тепла теряется больше, чем через южный - в октябре на 47,5%, в декабре на 24%, в феврале на 35%, в апреле на 50,9%, в среднем за отопительный период-на 39%. Очевидно, что это количество тепла является резервом энергосбережения в зданиях, не имеющих пофасадного регулирования систем отопления.
Следует отметить, что современные строительные нормы («Энерго сбережения в зданиях» - Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектро-снабжению, МГСН 2.01-99. Москва, 1999) учитывают теплопоступления от солнечной энергии следующим образом. Потребность в тепловой энергии на отопления определяется по формуле: Ql=hl ten+Qsy)vk, где Qht общие теплопотери здания через наружные ограждения, кВт ч; Q? - бытовые теплопоступления в течение отопительного периода, кВт ч; Qs - теплопоступления через окна от солнечной радиации в течение отопительного периода, кВт ч; V - коэффициент, учитывающий способность ограждений отдавать или аккумулировать тепло; (3 - коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление. Расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания определяется по формуле: ndes =ПУ 4h h где Ah - полезная площадь здания, м2.
Таким образом, расчетный удельный расход тепловой энергии уменьшается на количество тепла, поступающего от бытовых теплопо-ступлений и солнечной радиации через окна. Вместе с тем, очевидно, что уменьшение тепловой нагрузки на систему отопления возможно только при регулируемых системах отопления, в том числе, при пофасадном регулировании. В противном случае учитывать периодически действующие дополнительные теплопоступления не имеет смысла, что специально не оговаривается в действующих нормах.
Рассмотрим влияние компоновочных решений на удельные потери тепловой энергии на примере прямоугольного в плане здания высотой Н м, шириной А м, длиной В м, с высотой типового этажа h м.
Площадь типового этажа определиться как S = А В, м2, количество Н с 0 Н А В г»г»тттяа ггг тт»г}тіясг ттттг\ттта TUL \ — и с — 2 этажей п = — , общая полезная площадь S = n s = , м , общий отапливаемый объем Vh = А В Н, м3 , трансмиссионные ыеплопотери через оболочку здания Q = k A B + k2 A B + k3 B H + k4 B H + k5 A H + k6 A H, где ки к2, къ, к4, к5, к6 - приведенные по всей площади фасадов, перекрытия верхнего этажа и цокольного перекрытия коэффициенты теплопередачи, Вт/(м С).
Похожие диссертации на Энергосбережение в зданиях с управляемыми тепло-воздухообменными режимами
