Введение к работе
Актуальность
В связи с ростом объемов высотного и подземного строительства, разнообразием архитектурно-планировочных решений, включающих атриумы, лифтовые шахты и лестничные клетки, объединяющие все этажи здания по воздуху в единое целое, ужесточением санитарно-гигиенических требований к параметрам микроклимата в помещениях здания при их эксплуатации часто возникают трудности с обеспечением требуемых параметров микроклимата, связанные с существенным изменением рассматриваемых тепломассообменных режимов.
Закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» от 23 ноября 2009 года нацеливает общество на проведение энергоаудита зданий и сооружений с целью внедрения энергосберегающих мероприятий для обеспечения энергетической безопасности РФ. Потенциал энергосбережения экономики России оценивается в 360-430 млн. т.у.т.: ТЭК – 120-135 млн. т.у.т., промышленность и строительство – 110-140 млн. т.у.т., транспорт – 23-30 млн. т.у.т., сельское хозяйство – 12-15 млн. т.у.т., коммунально-бытовой сектор – 95-110 млн. т.у.т.
Физические процессы, определяющие выбор и оптимизацию технических решений по обеспечению требуемых параметров микроклимата в помещениях связаны с изменяющимися во времени воздушным, тепловым, газовым и влажностным режимами здания. Все эти режимы, так или иначе, изучены, но без учета взаимного влияния одного на другой. Для повышения надежности прогнозирования изменения параметров микроклимата в помещениях здания и углубленного изучения физической сущности процессов происходящих в рассматриваемых динамических режимах необходимо их совместное и комплексное рассмотрение с учетом взаимного влияния друг на друга, на единой методической основе. Анализ энергетической эффективности строящегося или уже построенного здания не возможен без комплексного рассмотрения указанных динамических режимов.
Воздушный режим здания объединяет все помещения здания и системы вентиляции в единую теплогидравлическую систему. ВРЗ определяет движение воздуха в помещении, в здании, в каналах и воздуховодах, через воздухопроницаемые элементы наружных и внутренних ограждающих конструкций под действием гравитационного давления и давления ветра, формирующегося при обтекании здания ветром. Воздушный режим здания – это определяющий динамический режим, который формирует изменение температуры, распределение концентрации вредных примесей, величину влагосодержания воздуха в помещениях здания.
Тепловой режим здания складывается из тепловых режимов каждого помещения, которые в каждый данный момент времени разные из-за неравенства тепловых поступлений и тепловых потерь. Тепловой режим влияет на воздушный и влажностный режимы каждого помещения и всего здания в целом.
Газовый режим здания связан с распределением вредных примесей в помещениях здания, поступающих от внешних и внутренних источников. Газовый режим помещений здания зависит от воздушного режима помещений здания.
Влажностный режим здания связан с распределением водяных паров в воздухе помещений здания, с поступлением влаги в воздух от открытых водных поверхностей, с влагопроницаемостью наружных и внутренних ограждающих конструкций, с работой систем вентиляции, кондиционирования и отопления. Влажностный режим зависит от воздушного и теплового режимов помещений здания.
В настоящий момент отсутствует единая научная концепция комплексного расчета всех элементов воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания. Для решения данной проблемы необходимо проведение исследований для разработки взаимосвязанной модели динамических режимов здания, в которой вскрыты связи между рассматриваемым комплексом динамических режимов.
Работа выполнена по государственной программе «Разработка и внедрение эффективных систем кондиционирования микроклимата, теплоснабжения и газоснабжения на основе энерго- и ресурсосберегающих технологий» Министерства образования и науки РФ.
Цель исследований заключается в разработке научных положений расчета и прогнозирования параметров микроклимата на базе комплексного рассмотрения изменения воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания в суточном, сезонном и годовом периодах, с учетом их взаимного влияния.
Для достижения цели были решены следующие задачи.
- Выявлены основные закономерности взаимозависимого действия при изменении в течение суток, сезона параметров ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ и ВлРЗ – распределение избыточного давления воздуха в здании, системах, каналах и вентшахтах, расходы воздуха через проемы и отверстия, параметры струйных течений в помещениях, распределение давления в вихревых зонах аэродинамического следа здания, распределение температуры воздуха, поверхностей в помещениях, с учетом нестационарной теплопередачи через ограждающие конструкции и теплопоступлений от различных источников в помещениях, изменение концентрации вредных примесей в помещениях здания и вне его с учетом влияния потоков воздуха и процесса диффузии, распространение водяных паров в здании с потоками воздуха и под действием диффузии.
- Сформированы блок-схемы для взаимосвязанного расчета воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания в комплексной многофакторной системе «микроклимат помещения и концентрация вредных примесей в воздухе – тепломассообменные динамические режимы здания – системы кондиционирования микроклимата – окружающий здание приземный слой атмосферы с переменными во времени параметрами климата и концентрациями вредных примесей» для прогнозирования изменения во времени параметров воздушного, теплового, газового и влажностного режимов в помещениях здания.
- Создана физико-математическая модель динамики параметров микроклимата в помещениях для управления воздушным, тепловым, газовым и влажностным режимами здания.
Научная новизна. К числу новых положений, внесенных в решение проблемы прогнозирования параметров микроклимата в помещениях здания относятся:
впервые разработанные научные положения расчета и прогнозирования параметров микроклимата на базе комплексного рассмотрения изменения воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания в суточном, сезонном и годовом периодах, с учетом их взаимного влияния;
методы составления систем уравнений, выводы по анализу изменения во времени тепломассообменных режимов здания с учетом динамики возмущающих воздействий;
впервые предложенная единая математическая модель совместного действия воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания как совокупность тепломассообменных режимов помещений;
системы уравнений, описывающие физические процессы переноса теплоты, влаги, вредных примесей и воздуха в помещениях здания на основе комплексного взаимодействия физико-математических моделей динамических режимов здания при реализации в виде численного метода расчёта.
Практическая ценность работы заключается:
-
в разработке на единой научно-методической основе комплексного метода прогнозирования параметров микроклимата в здании при различных системах кондиционирования микроклимата и режимах эксплуатации с учетом динамики изменения ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ и ВлРЗ здания;
-
в разработке алгоритмов расчета ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ и ВлРЗ;
-
в постановке и решении задачи по расчету распределения концентрации вредной примеси в помещении, здании и окружающем здание приземном слое воздуха;
-
в методе учета влияния задержки проветривания во времени заветренной вихревой зоны аэродинамического следа при расчете нестационарного газового режима помещения и здания;
-
в анализе расчета изменения концентрации вредной примеси в системе: помещение с источником вредных примесей – здание – другие помещения для оценочных расчетов;
-
в алгоритмах и программах для расчета изменения теплового потока от элементов системы отопления, для расчета изменяющихся во времени параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в помещениях здания;
Реализация результатов работы.
Представленные в данной работе методы и математические модели прогнозирования воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания используются автором и его аспирантами при исследованиях, проводимых в МГСУ, при решении научных и практических задач по сопровождению проектирования систем кондиционирования микроклимата сложных в архитектурно-планировочном плане уникальных современных зданий и сооружений (Храм Христа Спасителя, Большая спортивная арена Лужники, Старый Гостиный двор, Торговый центр Пирамида на площади Курского вокзала, Коллектора для подземных коммуникаций и др.), при проведении экспертиз систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха помещений зданий различного назначения, при изучении параметров микроклимата существующих зданий.
На базе результатов исследований разработаны и читаются автором разделы курсов лекций «Экология», «Охрана воздушного бассейна», «Вентиляция» по специальности 270109, при чтении лекций на курсах повышения квалификации по теме «Воздушно-тепловой, газовый и влажностный режимы высотных зданий» в системе дополнительного и послевузовского образования для работников строительной отрасли.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях, международных симпозиумах, в НИИСФ г. Москва (1996-2002, 2009 г.г.), РНТО «Строителей» (2004), Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова (2002), Пензенском государственном университете архитектуры и строительства (2003), на девятой международной специализированной выставке «Инвестиции, строительство, недвижимость Realtex-2004» Москва (2004), на десятой международной специализированной выставке «Инвестиции, строительство, недвижимость Realtex-2005» Москва (2005), на международном форуме по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT Москва (2004), на международной научно-практической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» Волгоградский ГАСУ (2005, 2008, 2009), на научно-практических конференциях «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» в МГСУ (2005, 2007, 2009), на конференции «Эффективность использования энергии в городах и зданиях» Ассоциации по исследованиям в промышленности и образовании «A.R.I.E.L» Париж с 24 ноября по 27 ноября 2008 года. При проведении научных исследований по хоздоговорным работам, также проводилась апробация научных исследований.
На защиту выносятся:
Метод расчета нестационарных параметров микроклимата помещений здания с учетом одновременного действия воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания и с учетом внутренних и внешних возмущающих воздействий.
Способ определения концентрации вредной примеси в заветренной вихревой зоне аэродинамического следа здания.
Математическая модель по комплексному расчету воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания.
Адаптация математической модели к практическим расчетам воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания.
Личное участие. Все результаты работы получены лично автором при проведении многолетних научных исследований, материалы других исследователей даны со ссылкой на литературный источник. Исследования и разработки выполнены автором на кафедре Отопления и вентиляции ФГБОУ ВПО МГСУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 19 статей в журналах по списку ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение, список литературы из 253 наименований отечественных и зарубежных авторов, содержит 252 страницы текста, 100 рисунков, 4 таблицы и приложений. Приложения содержат 138 страниц и 18 таблиц.
