Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время энергосбережение является одним из наиболее важных направлений в развитии техники. Поэтому рациональное использование тепловой энергии в промышленных, административных и жилых зданиях позволит сократить ее потребление, снизить затраты на обслуживание инфраструктуры и улучшить экологическую обстановку.
Существует два подхода к повышению энергоэффективности зданий:
увеличение приведенных термических сопротивлений ограждающих конструкций и другие традиционные способы уменьшения тепловых потерь зданий;
улучшение качества регулирования микроклимата, использование солнечной радиации для покрытия части тепловых потерь зданий, вторичного тепла, эффектов аккумуляции тепла, прерывистого отопления и т.д.
В первом случае требуются новые подходы к строительству зданий или серьезная реконструкция построенных ранее. Повышение энергоэффективности зданий в этом случае требует значительных капитальных вложений. При существующих низких темпах строительства представляется более эффективным второй подход, при условии реконструкции систем отопления и некоторых элементов значительной части существующих зданий.
В случае применения способов повышения энергоэффективности зданий, характерных для второго подхода, практически неизбежно требуется проведение расчетов тепловых процессов в динамике. Однако в настоящее время не существует достаточно простых динамических методов расчета тепловых процессов в зданиях, даже с использованием ЭВМ, приемлемых для использования в инженерной практике. Тем более, не существует готовых программных продуктов, предназначенных для инженерных расчетов нестационарных тепловых процессов всех видов в зданиях.
По этим причинам важным направлением является развитие методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, соответствующих программ для ЭВМ, способов поддержания микроклимата зданий, основанных на расчетах нестационарных тепловых процессов, и инженерных методик расчета нестационарных процессов для определения энергоэф-фективности тех или иных инженерных решений.
Объектом исследования являются здания (включая системы поддержания микроклимата) как единые нестационарные теплофизические системы.
Предметом исследования являются: нестационарные тепловые процессы в зданиях и характеристики микроклимата зданий; программное и методическое обеспечение для проведения расчетов нестационарных тепловых процессов.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью работы является разработка методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, пригодных для использования в инженерной практике; разработка программного обеспечения, необходимого для проведения численных экспериментов и инженерных расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях, в том числе переходных, апериодических и негармонических процессов.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи,
-
Изучить существующие методы расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, определить их возможности, достоинства и недостатки, и определить область возможного использования каждого метода.
-
Определить возможности алгоритмизации для каждого из методов и возможности исключения или упрощения наиболее трудоемких этапов при проведении расчетов.
-
Разработать программно - вычислительный комплекс для проведения расчетов нестационарных тепловых процессов.
-
Сравнить результаты расчетов с применением разработанного программного обеспечения и результатами расчетов, полученными другими методами и натурными испытаниями.
-
Отработать методику проведения расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях и определения энергоэффективности инженерно -технических решений применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья.
Связь с тематикой научно - исследовательских работ.
Диссертационная работа проводилась в соответствии с тематикой научно - исследовательских работ Забайкальского института железнодорожного транспорта с целью совершенствования методов расчета нестационарных тепловых процессов в зданиях, разработки соответствующего программного обеспечения, развития нормативной базы и комплексного подбора инженерно - технических решений, направленных на повышение энергоэффективности зданий применительно к климатическим условиям Восточной Сибири и Забайкалья.
Методика проведения исследований. Исследования базируются на принципах термодинамического анализа, методах строительной теплофизики, принципах системного подхода, прикладного и объектно - ориентированного программирования, численных методах и методах геометрического моделирования.
Новизну составляют и на защиту выносятся.
-
Метод взаимодействующих объектов для расчета на ЭВМ нестационарных тепловых процессов в зданиях.
-
Способ выделения элементов здания и сопоставления им объектов -математических моделей.
-
Способ организации взаимодействий между объектами и предлагаемая схема взаимодействий, в которую укладываются все основные тепловые процессы в зданиях.
-
Способ коррекции коэффициентов взаимной облученности и способ расчета теплопереноса за счет излучения, адаптированные к предлагаемой схеме взаимодействий объектов.
-
Использование метода взаимодействующих объектов в программах для ЭВМ, осуществляющих выработку управляющих сигналов в системах поддержания микроклимата зданий.
-
Методические принципы построения и разработанное программное обеспечение для проведения расчетов нестационарных тепловых процессов в зданиях.
Практическая значимость работы заключается: в разработке метода расчета на ЭВМ нестационарных тепловых процессов в зданиях (в том числе и переходных процессов) на основе исходных геометрических данных, допускающего полную алгоритмизацию всех этапов расчета; разработке программного обеспечения для проведения инженерных и научных расчетов. Кроме того, теоретические и практические результаты исследования используются в учебном процессе при проведении лекционных, лабораторных и курсовых работ по дисциплине «Математическое моделирование на ЭВМ» в Забайкальском институте железнодорожного транспорта.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании Совета математического факультета Иркутского государственного университета (Иркутск, 1999); на Пятой научно- практической конференции «Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». (Москва, 2000); на научно- практической конференции, посвященной 100 - летаю Забайкальской железной дороги (Чита, 2000); на научном семинаре кафедр «Строительство железных дорог» и «Электротехника и физика» Забайкальского института железнодорожного транспорта (Чита, 2000); на научно - техническом семинаре кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция» Иркутского государственного технического университета (2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, в том числе 1 монография (в соавторстве).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (104 наименования) и приложений.
