Исследование теплоустойчивости здания методом имитационного моделирования Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

Изд-во ИрГТУ, 2007.

2. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами : учеб. пособие для вузов. - Л. : Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -392 с. : ил.

3. Башарин А. В., Постников Ю. В. Примеры расчета автоматизированного электропривода на ЭВМ : учеб. пособие для вузов. - 3-е изд. - Л. : Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 512 с. : ил.

4. Сартаков В. Д. Микропроцессорное управление электроприводами : учеб. пособие. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1999. - Ч. 1.

5. Сартаков В. Д., Пидченко Д. С. Функциональный синтез системы электропривода с отрицательной обратной связью // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири : материалы Всерос. науч.-практ. конф. -Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2008.

УДК 621.1 Сигачев Николай Петрович,

д.т.н., профессор, директор, Забайкальский институт железнодорожного транспорта - филиал ИрГУПС,

Елисеева Людмила Ионовна, доцент кафедры «технология и организация строительного производства»,

Читинский государственный университет Востриков Максим Викторович, ст. преподаватель кафедры «электроснабжение», Забайкальский институт железнодорожного транспорта,

e-mail: vostrikov@zab.megalink ru Клочков Яков Владимирович,

лаборант каф. «Строительство железных дорог», Забайкальский институт железнодорожного транспорта

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЯ МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

N.P. Sigachov, L.I. Eliseeva, M. V. Vostrikov, Ya. V. Klochkov

AN INVESTIGATION OF THERMAL STABILITY OF THE BUILDING BY SIMULATION

Аннотация. В данной статье авторами было проведено исследование теплоустойчивости здания на примере реального объекта методом имитационного моделирования. Созданная модель учитывает климатические факторы, влияющие на тепловой баланс здания и позволяет имитировать тепловые процессы в динамике.

Ключевые слова: теплоустойчивость, имитационное моделирование, энергобезопасность, энергоэффективность.

Annotation. In this article the authors investigated the thermal stability of the building on the example of a real object by simulation. The proposed model takes into account climatic factors, affecting on heat balance of the building, and allow to simulate the thermal processes in the dynamics.

Keywords: heat resistance, heat balance, simulation, energy efficiency.

Актуальность изучения теплоустойчивости зданий [1] в холодный период времени обусловлена следующими факторами:

- необходимостью определение времени остывания здания до критических значений температур в случае аварийных отключений теплоснабжения;

- расчетом тепловых потерь и амплитуд колебания температур на поверхностях ограждающих конструкций при прерывистой подаче тепла.

Для реализации поставленных задач была создана математическая модель здания, в которой учтены параметры микроклимата помещения, систем отопления, объемно-планировочных решений и ограждающих конструкций. Имитационная модель позволяет определить следующие параметры:

• температуру внутреннего воздуха в помещении;

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

• температуру теплоносителя в системе отопления;

• величину теплопотерь здания;

• время остывания здания до критического значения.

Полученные данные могут быть отображены в виде таблиц и графиков.

Расчет производился на основании введения в программируемую оболочку следующего исходного уравнения:

О I - О I + а + О, +

пр пр выт выт х-Л ^2 /1\

+0з + 04 + 05 + Об + 07 = 0, где О - расход приточного воздуха, кг/с;

/ - энтальпия приточного воздуха, Дж/кг;

ОвыЯ! - расход вытяжного воздуха, кг/с;

/выя! - энтальпия вытяжного воздуха, Дж/кг;

^ - мощность, поступающая от наружных стен, Вт;

- мощность, поступающая от внутренних стен, Вт;

- мощность, поступающая от окон, Вт;

- мощность, поступающая от пола, Вт;

^ - мощность, поступающая от покрытия (перекрытия), Вт;

- мощность, поступающая от людей, Вт;

- мощность, поступающая от радиаторов

отопления, Вт.

Мощность, поступающая от наружных и внутренних стен, покрытия, пола определяется по формуле

dQ = и-АТ■ аА , (2)

где и - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-°С);

АТ - температурный напор, °С;

аА - поверхность теплообмена, м2.

Чтобы учесть аккумуляцию в стенах, грунте и покрытии в модели, необходимо разбить их на несколько слоев. Тепловой поток от наружной среды к слою определяется по формуле

Ч1 =

1

+5

24

\тт -Т),

(3)

где аы - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-С); 5Х - толщина слоя 1, м;

4 - теплопроводность 1 слоя, Вт/(м-°С); Т„ - температура воздуха, °С; Т - температура на оси слоя 1, °С. Тепловой поток от одного слоя к другому определяется по формуле

Ч1 =

1

■ (Т - Т2),

(4)

5 5

24 24

где & - толщина слоя 2, м;

4 - теплопроводность 2 слоя, Вт/(м-°С); Т - температура на оси слоя 2, °С. Мощность, поступающая от людей, определяется по таблицам [2].

Мощность, поступающая от радиаторов отопления, определяется по формуле

(АТ (О Л

Ч.НОМ

V 70 у

ч 360 у

(5)

где дтм - номинальный тепловой поток прибора, Вт/(м-°С);

АТ =

ср

(Т + Т2) 2

- Т

(6)

где Т - температура теплоносителя на входе в прибор, °С;

Т - температура теплоносителя на выходе из прибора, °С;

Т„ - температура внутреннего воздуха окружающего нагревательный прибор, °С;

п, р - экспериментальные коэффициенты, зависящие от типа нагревательного прибора;

Опр - расход теплоносителя через нагревательный прибор, кг/ч;

360 - расход воды при стандартном режиме,

кг/ч;

70 - образцовый температурный напор, °С.

Температура в любой момент времени определяется по формуле

Q

Т = Т ах.

с ■ т

(7)

где Т - температура в предыдущий момент времени, (°С);

Q - тепловой баланс объекта, Вт; с - теплоемкость объекта, Вт/(кг*°С);

р

*

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

m - масса объекта, кг;

dt - интервал счета, с.

В качестве рассматриваемого объекта было выбрано здание Краевого специализированного дома ребенка № 1, расположенного по адресу: г. Чита, ул. 5-я Малая, строение № 4, введенное в эксплуатацию в 1966 году. Здание двухэтажное, состоит из трех секций, соединенных между собой теплыми переходами. Стены кирпичные из керамического кирпича с отделкой силикатным, оштукатурены изнутри, общей толщиной 670 мм (величина, принятая для расчета). Перекрытия - железобетонные, пустотные плиты заводского изготовления 220 мм. Утепление в покрытии - шлак толщиной 300 мм. По результатам натурных исследований установлено, что средняя температура в здании в самый холодный период зимы составляет +25 ^ +26 ОС, расчетная, нормативная для зданий этого типа - +22 ОС [3].

В процессе моделирования здание было разделено на шесть условных блок-секций, по три секции на каждый этаж. Переходы разделены по центру и отнесены к примыкающим секциям [4].

При формировании модели были учтены следующие параметры: теплотехнические характеристики ограждающих конструкций, внутренних стен и перегородок, тип отопительных приборов, температура теплоносителя, параметры воздухообмена и тепловыделения от находящихся в помещениях людей. Теплопоступления от оборудования и солнечной радиации не принимались во-внимание, т. к. расчет производился по самым неблагоприятным условиям [5].

Первым этапом исследования явилось определение периода расчетного времени снижения температуры до верхней границы нормируемых значений при аварийном отключении тепла [6]. Результаты расчетов представлены в графической форме на рис. 3.

Рис. 1. Расчетная схема здания

Рис. 2. Структура имитационной модели одной секции здания

Рис. 3. Характер изменения температурной кривой внутреннего воздуха при аварийном отключении систем теплоснабжения здания

В результате расчета были получены зависимости внутренней температуры воздуха, температуры теплоносителя в системе отопления от времени.

Оценивая результаты можно сказать, что уже через 15-17 минут температура теплоносителя падает до +45 °С, а температура внутреннего воздуха с +25 °С до +22 °С. Угроза частичного размораживания системы теплоснабжения возникает через 30 часов, при этом температура внутреннего воздуха составляет +4 °С.

Таким образом, созданная модель наиболее полно учитывает все факторы, влияющие на тепловой баланс здания, она позволяет имитировать процессы в динамическом развитии максимально соответствующем реальной ситуации.

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

Рис.4. Характер изменения расчетных параметров при аварийном отключении систем теплоснабжения здания: а) график теплопотерь здания через ограждающие конструкции; б) график температуры теплоносителя; в) график температуры внутреннего воздуха по каждой секции

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК

1. Российская Федерация. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений [Электронный ресурс] : Федер. закон № 384 от 30 декабря 2009 г. : принят Гос. Думой 23.12.2009 г. : Одобрен Советом Федерации 25.12.2009 г. - URL : http://www.consultant.ru/

/online/base/?req=doc;base=LAW;n=95720. - (Дата обращения 29.09.2010).

2. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий [Электронный ресурс] : взамен СНиП II-3-79. - Введ. 2003-10-01. - М. : РосТепло.ги, 2003-2010. - URL : http://www. ro steplo. ru/Npb_file s/ /npb_shablon.php?id=306. - (Дата обращения 29.09.2010).

3. СанПиН 2.1.3.1375-03. Гигиенические требования к размещению, устройству, оборудованию и эксплуатации больниц, родильных домов и других лечебных стационаров [Электронный ресурс] : утв. гл. гос. санитар. врачом РФ 06.06.2003. - Введ. 200306-30. - М. : НДП «Альянс Медиа», 2003-2010. -URL : http://www.tehbez.ru/Docum/DocumShow_DocumID_ 538.html. - (Дата обращения 29.09.2010).

4. Программа по имитационному моделированию энергетических систем «МОДЭН» : (версия 3.02) / Волов Г., Савченко Д., Шумячер С., Долбик Д. -Минск, 2007. - 244 с.

5. Сигачев Н. П. Энергосбережение в зданиях с управляемыми тепло-воздухообменными режимами. - Чита, 2001. - 341 с.

6. Табунщиков Ю. А., Бородач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. - М. : АВОК-ПРЕСС, 2002. - 194 с.