Введение к работе
Актуальность темы исследования. Система теплоснабжения является элементом современных жилых и общественных зданий. Обеспечение нагрузки на систему теплоснабжения осуществляется, как правило, централизованным способом с применением традиционных энергетических ресурсов. Недостатком данного способа энергоснабжения является исчерпаемость традиционных ресурсов и нанесение существенного вреда окружающей среде. Применение альтернативных источников энергии позволяет решить обе проблемы. Кроме того, использование альтернативных источников энергии создает условия для обеспечения автономности потребителя от централизованных энергосетей.
Использование энергии солнечных лучей для теплоснабжения гражданских зданий применимо для большей части территории России. Дальневосточный, Сибирский, большая часть Приволжского, Южный и Северокавказский округа обладают достаточно высоким уровнем радиационных ресурсов, что указывает на целесообразность применения данного способа энергоснабжения в упомянутых регионах.
В гражданских и производственных зданиях значительно отличаются режимы и объемы потребления тепловой энергии и требуются разные подходы к проектированию систем теплоснабжения. В СП 41-101-95 "Проектирование тепловых пунктов" не рекомендуется теплоснабжение производственных зданий от ЦТП, обсуживающих гражданские.
Однозначный подход к проектированию систем солнечного теплоснабжения (ССТ) на сегодняшний день отсутствует. Нормативную базу проектирования установок солнечного горячего водоснабжения составляют ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения» и ГОСТ Р «Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности и эффективности системы теплогенерации с солнечными установками». Область применения данных норм проектирования охватывает установки солнечного горячего водоснабжения на основе плоских солнечных коллекторов. Методика расчета в ВСН более подробна и осуществляется по часовым суммам прямой и рассеянной солнечной радиации и температуре наружного воздуха, значение которых определяют по «Справочнику по климату СССР», расход горячей воды принимается по суточным нормам потребления в соответствии с СНиП 2.04.01-85.
Солнечные водонагревательные установки могут работать на основе не только плоских, но и трубчатых вакуумных коллекторов. По назначению данные системы могут быть системами ГВС, отопления, холодоснабжения или комбинированными. Кроме того, гелиоустановки не всегда являются водонагревателями, т.к. в них могут применяться воздушные коллекторы, галечные аккумуляторы теплоты и т.д. Однако проектирование таких гелиоустановок не нормировано.
При проектировании ССТ используются математические модели разной степени детализации, при которой некоторыми параметрами системы пренебрегают. С одной стороны общепринято учитывать тепловые потери коллектора, его угол наклона и ориентацию по сторонам света, с другой стороны не все авторы учитывают тепловые потери в трубопроводах или неравномерность потребления; некоторые авторы не учитывают потребление совсем.
Также отсутствует единый подход к определению временного интервала, на который производится моделирование. Как правило, расчет производится по среднемесячным значениям солнечной радиации, однако существуют модели, использующие и среднегодовые значения, и суточные. Применение укрупненных показателей не позволяет оценить момент времени, в который система может не обеспечить потребителя необходимым количеством теплоты. При наличии такого состояния системы можно говорить о её неавтономности.
В большинстве моделей расчет производится на нормативные значения потребления горячей воды (либо на расчетную тепловую нагрузку здания). Однако данный подход негативно отражается на точности и степени приближенности к реальности моделирования работы системы. В связи с этим необходимо учитывать как неравномерность суточного потребления горячей воды в системах ГВС, так и неравномерность суточной тепловой нагрузки здания.
На основе вышеизложенного, актуальность темы исследования заключается в необходимости разработки единого и исчерпывающего подхода к проектированию ССТ, а именно методического, математического и информационного обеспечения автоматизации проектирования ССТ.
Степень разработанности темы исследования.
Исследованиями в области математического моделирования ССТ многие годы с разной степенью детализации занимались как отечественные (Бутузов В.А., Бастрон А.В, Судаев Е.М., Трошкина Г.Н, Карташев А.Л., Рабинович М.Д., Ферт А.Р., Попель О.С. и др.), так и зарубежные (A.V. daRosa, W.A.Beckman, S.A.Klein, J.A.Duffie и др.) исследователи. Однако вопрос влияния параметров системы и их сочетаний на точность математической модели, а также нахождения условий обеспеченности потребителя остаются недостаточно изученными.
Целью диссертационного исследования является разработка системы автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений систем солнечного теплоснабжения гражданских зданий.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Провести анализ современных и перспективных ССТ гражданских зданий.
-
Провести анализ объектов, процессов и результатов автоматизации проектирования ССТ гражданских.
-
Разработать многофакторную математическую модель работы ССТ гражданских зданий, учитывающую, в том числе, режим потребления тепловой энергии, тепловые потери элементов, зависимость параметров оборудования, теплоносителя и воды от температуры.
-
Разработать методику повышения эффективности проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Разработать алгоритм численного моделирования, обеспечивающий устойчивую и быструю сходимость итерационного процесса при автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Установить необходимый и достаточный временной интервал, определяющий модель климатических условий и нагрузки на систему при автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Выявить и систематизировать факторы и их взаимодействия по значимости влияния на точность многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Разработать систему автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Провести практическую апробацию предложенных решений.
-
Определить перспективные направления дальнейших исследований в рамках обозначенной предметной области.
Объектом диссертационного исследования являются современные и перспективные системы солнечного теплоснабжения гражданских зданий.
Предметом диссертационного исследования являются объекты, процессы и результаты автоматизации проектирования систем солнечного теплоснабжения гражданских зданий.
Научно-техническая гипотеза состоит в возможности повышения эффективности автоматизации проектирования систем солнечного теплоснабжения гражданских зданий на основе многофакторного перспективного моделирования их проектных решений.
Теоретической и методологической основой диссертационного исследования являются труды российских и зарубежных авторов, базирующиеся как на основе натурных, так и численных экспериментов, проводимых с различной степенью детализации, а также существующая нормативная база проектирования ССТ.
Научная новизна диссертации:
1. Разработана система автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Разработана многофакторная математическая модель работы ССТ гражданских зданий, учитывающая, в том числе, режим потребления тепловой энергии, тепловые потери элементов, зависимость параметров оборудования, теплоносителя и воды от температуры.
-
Разработана методика повышения эффективности проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Разработан алгоритм численного моделирования, обеспечивающий устойчивую и быструю сходимость итерационного процесса при автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Установлен необходимый и достаточный временной интервал, определяющий модель климатических условий и нагрузки на систему при автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Выявлены и систематизированы факторы и их взаимодействия по значимости влияния на точность многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
Теоретическая значимость результатов работы. Разработана многофакторная математическая модель работы ССТ, учитывающая наиболее значимые параметры, позволяющая определять состояние системы в указанный момент времени, также методика повышения эффективности проектных решений ССТ гражданских зданий.
Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой диссертации являются исследования российских и зарубежных авторов в области солнечного теплоснабжения, моделирования процессов, автоматизации проектирования, базирующиеся как на натурных, так и численных экспериментах, проводимых с различной степенью детализации. В качестве инструментов исследования использовались следующие методы: математическое моделирование, численные методы, методы статистики и планирования экспериментов, системный анализ, теория вероятности.
Практическая значимость результатов работы. Разработанная система автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений систем солнечного теплоснабжения гражданских зданий позволяет производить уточнение принятых проектных решений с целью совершенствования конструкции и параметров системы и управления работы как существующих, так и вновь возводимых ССТ для повышения их эффективности.
На защиту выносятся:
1. Система автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Многофакторная математическая модель работы ССТ гражданских зданий, учитывающая, в том числе, режим потребления тепловой энергии, тепловые потери элементов, зависимость параметров оборудования, теплоносителя и воды от температуры.
-
Методика повышения эффективности проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Алгоритм численного моделирования, обеспечивающий устойчивую и быструю сходимость итерационного процесса при автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Оценка необходимого и достаточного временного интервала, определяющего модель климатических условий и нагрузки на систему при автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
-
Оценка значимости факторов и их взаимодействия по значимости влияния на точность многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий.
Личный вклад автора диссертационного исследования заключается в разработке системы автоматизации многофакторного перспективного моделирования проектных решений ССТ гражданских зданий на основе многофакторной математической модели и метода численного моделирования, обеспечивающего устойчивую и быструю сходимость. Предложена методика повышения эффективности проектных решений ССТ гражданских зданий, выявлены и систематизированы факторы и их взаимодействия по значимости влияния на точность моделирования, установлен необходимый и достаточный временной интервал, определяющий модель климатических условий и нагрузки на систему.
Степень достоверности результатов диссертационного исследования подтверждается применением современных общепринятых в области науки методов исследования, в том числе численных экспериментов, и теоретических основ в области теплофизики, проектирования, анализа данных и автоматизации.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации были изложены на следующих научно-практических конференциях:
XVIII Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 2015г., г. Москва; XIX Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 2016г., г. Москва; Международная научная конференция «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании», 2016 г., г. Москва; XX Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство -
формирование среды жизнедеятельности», 2017г., г. Москва; XXI Construction the formation of living environment, 2018 г., Moscow.
Публикации. Научные результаты изложены в 9 научных публикациях, из них 4 работы опубликованы в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, а также 1 работа в издании, индексируемом базой Scopus.
В диссертации использованы результаты научных работ, выполненных автором – соискателем ученой степени кандидата технических наук – лично и в соавторстве, представленные в Списке работ, опубликованных автором по теме диссертации.
Внедрение результатов исследования выполнено в Обществе с ограниченной ответственностью «ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, основной части, включающей 4 главы, заключения, списка условных обозначений, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 144 страницы, работа содержит 22 рисунка, 21 таблицу и одно приложение. Список литературы насчитывает 111 наименований.