Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время порядка 40 % мирового потребления энергии и около 30 % выбросов углекислого газа приходится на здания и сооружения. В современных зданиях обеспечение внутренних комфортных условий является сложной технической задачей, требующей обеспечения оптимальных значений всех факторов, влияющих на микроклимат, при необходимости ограничения потребления энергии. Оптимальными условиями при этом являются такие условия, при которых обеспечена высокая работоспособность и безопасность здоровья человека.
По данным ООН ожидается, что к 2050 году более 70 % населения будут проживать в городах. Кроме того, показатели мирового развития указывают, что к 2030 году 85 % населения будут располагаться в развивающихся странах. Данный показатель прогнозирует увеличение плотности городской застройки, что предполагает необходимость в совершенствовании систем жизнеобеспечения. При этом важным аспектом является увеличение времени, которое люди проводят на рабочем месте и, в целом, от 80 % до 90 % своего времени проводят в помещении. Во всем мире жилые и промышленные здания потребляют около 70% от конечного потребления энергии, которое расходуется на системы кондиционирования воздуха и искусственного освещения.
Высокое энергопотребление систем кондиционирования воздуха в значительной степени связано с однотипными решениями процессов регулирования параметров микроклимата, что, как подтверждается научными исследованиями, не всегда оправдано с точки зрения обеспечения требуемого уровня теплового комфорта.
Таким образом актуальной проблемой является разработка новых подходов к обоснованию технологических режимов работы систем кондиционирования воздуха, основанных на таких сочетаниях параметров микроклимата и личностных параметров, которые обеспечивают их наибольшую энергоэффективность.
Степень разработанности. В рамках настоящей работы предложена методика определения и база данных изокомфортных и эквивалентных комфортных параметров микроклимата, расчетные выражения данных параметров для помещений разных категорий комфортности, имитационные модели для анализа факторов теплового комфорта в кондиционируемых помещениях.
Цель и задачи работы. Целью работы является обоснование эффективных с позиций энергопотребления сочетаний параметров микроклимата и личностных параметров терморегуляции, обеспечивающих заданный уровень теплового комфорта. Для этого решены несколько задач, в том числе:
1) Разработка базы данных параметров микроклимата с заданным уровнем теплового комфорта.
-
Обоснование расчетных выражений для определения параметров микроклимата, обеспечивающих эквивалентные теплоощущения.
-
Обоснование параметра, обобщающего многофакторные характеристики теплового комфорта.
-
Разработка расчетных методик для анализа процессов формирования факторов теплового комфорта в помещениях и обоснования энергоэффективных решений систем кондиционирования воздуха.
Методология и методы исследования. Методология сочетает
использование аналитических и экспериментальных методов исследования, включая вычислительные эксперименты с имитационными моделями и верификацию результатов. В методике построения матриц изокомфортных параметров микроклимата в итерационном цикле решается обратная задача определения совокупности параметров, соответствующих заданному уровню теплового комфорта, и задача аппроксимации результатов. В методике вывода эквивалентных комфортных параметров микроклимата решается задача обобщения многофакторной базы данных, и их аппроксимация в виде алгебраических расчетных выражений. Методиками экспериментальных исследований предусмотрена верификация аналитических и численных математических моделей.
Научная новизна работы. Обоснован и разработан новый подход к определению технологических параметров при проектировании систем кондиционирования воздуха на основе нового индекса теплового комфорта – эквивалентной комфортной температуры, расчетные выражения для которой разработаны для нормируемых классов помещений.
Новые результаты, выносимые на защиту:
-
Методика расчета эквивалентных комфортных параметров микроклимата систем кондиционирования воздуха.
-
Расчетные выражения для эквивалентных комфортных параметров микроклимата.
-
Методика расчета параметра радиационного фактора теплового комфорта на основе среднерадиационной разности температур и отклонения температуры шарового термометра;
-
Имитационные модели для анализа схемных решений систем кондиционирования и факторов, определяющих тепловой комфорт.
-
Программный продукт в виде калькулятора теплового комфорта на базе предложенных эквивалентных комфортных параметров микроклимата.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением аналитических и численных методов анализа, вычислительных и физических экспериментов, сравнительным анализом полученных результатов с опубликованными в научно-технической литературе.
Практическая значимость. Рассчитанные матрицы изокомфортных параметров и разработанный на их основе параметр эквивалентной комфортной температуры, применение которых при проектировании систем кондиционирования воздуха и систем регулирования микроклимата
позволяют повысить энергоэффективность систем кондиционирования воздуха.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались на VII Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», XLV Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, V Всероссийском конгрессе молодых ученых, VII Международной научно-технической конференции «Казахстан – холод 2017», VI Всероссийском конгрессе молодых ученых, VIII Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» VIII Международной Научно-технической конференции «Казахстан – холод 2018», VII Всероссийский конгресс молодых ученых.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, трех глав,
заключения, списка использованных источников и шести приложений.
Работа изложена на 158 страницах, включая 49 рисунков и 19 таблиц. Список
использованных источников составляет 97 наименований работ
отечественных и иностранных авторов.