Моделирование теплового режима

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ В ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЯХ

Перминов Р.Э.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия shaftcom[AT]gmail.com

Носков А. С.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия

Мальцева И.Н.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия

Хаит А. В.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия

Попова М.Н.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия Введение

Авторами статьи была поставлена задача создания приближенной к реальности модели ограждающих конструкций для анализа потребления энергии зданий в разных климатических зонах. Анализ был проведен на разработанной модели здания, которая позволяет имитировать его поведение в изменяющихся в зависимости от параметров внешней и внутренней среды условиях. Программа написана на языке Python 2.7, что позволило сделать её гибкой, быстро вносить корректировки, адаптировать для поставленных задач и при необходимости добавлять новые факторы. Верификация результатов расчета была произведена путем сравнения с ведущими программными комплексами, такими как TRNSYS, EnergyPlus и BEPS [1].

Численная модель

Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих расчетное здание. Нестационарные уравнения энергетического баланса характеризуют каждый фрагмент здания в отдельности: стены, пол, покрытие или чердачное перекрытие и температуру внутреннего воздуха. Расчетный период времени - 1 год с шагом изменения температур (граничных условий) - 1 час и заданным шагом по времени At. Для сравнения и проверки результатов расчета был принят тип ограждающих конструкций согласно отчету [2].

Геометрия расчетного здания

Рассмотрен стандартный двухэтажный блок в форме параллелепипеда: 10х10 м в плане, высотой этажа - 3 м. Суммарный отапливаемый объем составляет 600 м3, а площадь 200 м2.

Климатические данные

В качестве климатических данных приняты почасовые среднемесячные значения: температур наружного воздуха и грунта, поверхностной плотности потока прямого солнечного излучения и поверхностной плотности потока горизонтального рассеянного излучения. Почасовые профили температур были приняты по данным [3] измерений метеорологических станций для Милана, Рима и Палермо.

Наружные ограждающие конструкции

Каждая ограждающая конструкция условно делится на необходимое количество слоев, в зависимости от материала, толщины слоя и необходимой точности расчета. Слои приняты однородными и без внутренних поступлений тепла, поэтому задача рассмотрена как одномерная. Распределение температуры внутри слоя описывается уравнением теплопроводности Фурье с граничными условиями первого и второго рода. Для крайних слоев граничными условиями являются температуры внутреннего и наружного воздуха и тепловые потоки от конвекции и излучения. Уравнения Фурье решаются для каждого шага времени At методом конечных разностей. Результатом являются графики распределения температуры в толще ограждающих конструкций по времени.

Параметры внутренней среды

Внутренняя среда здания смоделирована как единый объем воздуха с собственной теплоемкостью. В виде тепловых потоков в расчете учтены потери/поступления тепла от системы вентиляции, прямое солнечное излучение через светопрозрачные конструкции, поступления от внутренних источников тепла (люди, бытовая техника и т.п.) и работа приборов отопления/кондиционирования [4]. С помощью приборов отопления и кондиционирования в течение расчетного периода поддерживается температура внутреннего воздуха Tint, i = 19,3°C с допуском 2°С. Уравнение энергетического баланса описывает взаимосвязь теплоемкости и температуры внутреннего воздуха и тепловых потоков внутри здания. Отсюда находится температура внутреннего воздуха для каждого последующего момента времени, а из суммарной работы приборов отопления складывается потребность в энергии на отопление 1 м2 здания.

Результаты

Результаты годового расчета с применением разработанной модели приведены на рис. 1. Сравнивая результаты можно констатировать, что все расчетные программы предсказывают похожие значения потребления энергии на отопление для различных климатических условий [5,6].

Основные результаты проделанной работы:

Рис. 1. Сравнение оценки потребности в энергии на отопление для различных городов

Произведена верификация расчетной программы по показателю потребности в энергии на отопление.

Проведена оценка минимальной необходимой мощности отопительного прибора.

С помощью данной модели можно проводить расчеты регулируемых систем отопления/кондиционирования и разрабатывать алгоритмы их работы.

Модель позволяет производить расчеты темпов остывания здания [7].

Разработанная нами модель расчета позволяет не только оценить отопительную нагрузку здания в различных климатических условиях, но и позволяет получить профиль температур в толще ограждения в любой момент времени. Это дает возможность комплексно прогнозировать совместную работу конструкций и инженерных систем уже на стадии проектирования с минимальными затратами времени.

Библиографический список

De Rosa M. Heating and cooling building energy demand evaluation; a simplified model and a modified degree days approach [Electronic resource] / M. De Rosa, V. Bianco, F. Scarpa, L. A. Tagliafico // Applied Energy. — 2014. — Vol. 128. — P. 217-229.

Caputo P, Costa G, Zanotto V. Rapporto sulla validazione del modulo edificio Report ENEA RdS/2011/33 (2011) (in Italian), ENEA. URL: www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistema- elettrico/efficienza-energetica-servizi/rds-33.pdf [date of access 12.03.15].

Weather Data, U.S. Department of Energy.

URL:

apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/weatherdata_about.cfm [date of access 12.03.15].

Кувшинов Ю. А. Энергосбережение в системе обеспечения микроклимата зданий : [монография] / Ю. Я. Кувшинов.— Москва : АСВ, 2010 .— 320 с.

Табунщиков Ю. А. Оценка годового расхода энергии на отопление и охлаждение зданий / Ю. А. Табунщиков // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. — 2013. — № 3. — С. 56-63.

Шкловер А. М. Температурный режим помещения и определение теплопотерь / А. М. Шкловер // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. — 2012. — № 4. — С. 92-97.

Малявина Е. Г. Расчет темпа остывания помещения после отключения теплоснабжения / Е. Г. Малявина // Промышленное и гражданское строительство. — 2015. — № 2. — С. 55-58.

Количество показов: 1654