CC BY
2The scientific heritage No 9 (9),2017 когда давление с одной стороны выше. Расширяющийся газ, двигая поршень, совершает работу и охлаждается. Поэтому, при движении цилиндров вправо, внешний газ у наружной поверхности правого большого цилиндра будет охлаждаться, совершая работу по перемещению цилиндров. То есть, работа по перемещению цилиндров была совершена только за счёт внутренней энергии газа. Этот охлаждённый газ восстановит свою внутреннюю энергию за счёт тепла окружающего газа и
_63
может снова совершать работу. Получился классический вечный двигатель, работающий только за счёт охлаждения окружающей среды. Причём этот двигатель, как и "демон Андреева", не нарушают ни один физический закон.
Список литературы
1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 2. ФИЗМАТЛИТ. 2005 г.
Дешко В.1.
д.т.н., проф, зав1дуючий кафедрою теплотехтки та енергозбереження 1нститут енергозбереження та енергоменеджменту
КП1 ím. 1горя Скорського Гончарук С.М.
к.т.н., провгдний науковий ствробтник, Нащональна академ1я наук Укра'ти, 1нститут техтчноИ
теплоф1зики БЫоус 1.Ю.
асистент, 1нститут енергозбереження та енергоменеджменту,
КП1 ím. 1горя Сгкорського Гурська Ю.В.
маггстрант, 1нститут енергозбереження та енергоменеджменту,
КП1 ím. 1горя акорського
КОМПЛЕКСНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК БУД1ВЛ1 BUILDINGS ENERGY PERFORMANCE INTEGRATED RESEARCH
Deshko V.
Prof., Head of Heat Engineering and Energy Saving, Institute of Energy Saving and Energy Management,
Igor Sikorsky KPI; Goncharuk S.
Senior Researcher, Ph.D., National Academy of Sciences, Institute of Engineering Thermophysics;
Bilous I.
Assistant, Institute of Energy Saving and Energy Management, Igor Sikorsky KPI;
Gurska Y.
Master student, Institute of Energy Saving and Energy Management, Igor Sikorsky KPI
АНОТАЦ1Я
В статп представлено особливосп застосування комплексного тдходу для визначення енергетичних характеристик будiвлi. Авторами запропонована регресшна модель для визначення температури повпря в будiвлi, що була побудована на базi результапв iмiтацiйного моделювання за допомогою математично! модел^ створено! в програмному середовищi EnergyPlus. Регресшна модель враховуе динашчш особли-восл розглянуто! будiвлi та використана для розрахунку впливу факторiв на приклащ кратносп повиро-обмшу, який складно вимiряти експериментально.
ABSTRACT
In the article the features of an integrated approach to determine the energy performance of the building. The authors proposed regression model to determine the temperature in the building, which was based on the results of simulation modeling mathematical model created in the software environment EnergyPlus. Regression model takes into account the dynamic features of the building considered and used to calculate the impact factors on the example of the multiplicity of air that is difficult to measure experimentally.
Ключовi слова: енергетичш характеристики будiвлi, погодт умови, фактори впливу, повирообмш, температура повпря, сонячш теплонадходження.
Keywords: energy performance of building, weather conditions, influence of factors, air change, air temperature, solar heat gains.
Необхвдшсть дослщження теплових режимiв будiвель обумовлена потребами проектування, експлуатаци, реконструкций або модершзацп. Основою поглибленого аналiзу теплового стану та нестацюнарних енергетичних баланав будiвель е математичне моделювання.
Традицшш тдходи полягають у використанш моделей на базi теплофiзичних та геометричних характеристик будiвлi. Основна увага придiляеться побудовi теоретичних моделей енергетичного споживання будiвель, вплив рiзних факторiв на
змшу та характеристики розподшу внутршньо1 температури в примiщеннях вивчаеться мало.
Альтернативнi - у використанш вимiряних значень параметрiв теплових режимiв будiвлi. Вони дозволяють аналiзувати та передбачати рiзнi аспекти поведшки будiвлi як енергетично1 системи [1, 2, 7]. Хоча моделi на основi фактичних даних представляють штерес при оцiнцi ефективностi введення локального регулювання, змiнi конструк-тивних особливостей будiвлi.
Поеднання зазначених пiдходiв для визначен-ня енергетичних характеристик будiвлi дозволить поеднати 1х переваги максимально близько про-гнозувати температурнi режими примiщень в реа-льних умовах.
Метою роботи е комплексний шдхвд до дос-лiдження аналiзу показнишв енергетичного стану будiвлi на базi моделювання та експериментальних дослвджень. Для досягнення мети в рамках дано1 статп необх1дно виконати наступнi завдання:
1) провести аналiз експериментальним даних теплових характеристик та вибiр репрезентатив-них комнат для розглянуто1 будiвлi;
2) на базi результатiв iмiтацiйного моделювання розробити регресiйну модель для визначен-ня внутрiшньо1' температури повиря;
3) використати регресiйну модель для визна-чення кратностi повирообм^ на основi отрима-них експериментальних даних.
Об'ектом дослщження обрано примiщення на-вчального корпусу ушверситету. Це - 7 поверхова будiвля з технiчним поверхом, збудована в 1974 р.,
загальною площею 16030 м2. В будiвлi знаходять-ся адмiнiстративнi примiщення - 8%, навчальш аудиторi1' - 38,5%, комп'ютерш класи - 5%, науко-во-дослщш лабораторi1' - 19%, буфет, шдсобш примiщення - 15%, НД1 та навчальш центри -14,5%. Площа засклення - 4055 м2 (близько 45% площi зовнiшнiх стiн). Будiвля мае форму витяг-нутого прямокутника зорiентованого фасадами на
пiвнiч та швдень. Система опалення незалежна однотрубна радiаторна (радiатори М-140) з верх-нiм розведенням по 53 контурах опалювальних приладiв пвдключена до теплових мереж через пластинчатий теплообмiнник. Вентилящя природ-на [8].
З 2003 року 1-2 рази за опалювальний перюд (ОП) проводились вимiрювання температурних карт з фiксуванням температури радiаторiв. Зага-лом данi вимiрювання охопили понад 40% примь щень рiзного призначення, що дае можливiсть го-ворити про середнi показники для груп примiщень розглянуто! будiвлi. На базi температурних карт визначалися репрезентативш примiщення, де для детального аналiзу середньодобових коливань встановлювалися термохромнi датчики типу DS 1921 (дискретнiсть 0,5°С) та DS1922 (дискретшс-тю вимiрiв температури до 0,0625°С). Температурю датчики були запрограмованi на фжсування значень температур з iнтервалом в одну годину. 1нформащя з датчиков зчитувалась за допомогою спецiального програмного забезпечення, зберта-лася та оброблялася на комп'ютерш Термохромнi датчики в кшькосп 10 одиниць перевiрялася на однаковють показiв термостатичним методом.
Експериментальш данi визначення внутрш-ньо! температури повпря отриманi на основi температурних карт та термохрошв для навчального корпусу КП1 iм. 1горя Сiкорського проаналiзованi в статтi [8]. Було видшено п'яти найбiльш впливо-вих факторiв на внутрiшню температуру повпря: зовшшня температура, сонячнi теплонадходження, внутрiшнi теплонадходження, швидк1сть та на-прям вiтру.
На базi даних температурних карт запропоно-вано шдхщ для розподiлу теплового споживання будiвлi мiж комнатами. Створена регресiйна модель для визначення температури поверхш раща-тора в нормалiзованому виглядi в залежностi ввд зовшшньо! температури, поверху та рiзницi температур в первинному контурi.
де Трл — температура рад1атора на т — му повера; tзщ — зовшшня температура по в1тря; ш — номер поверху;
l - I l - температура теплонос1я в первинному контур! у подавальному та зворотному тру-бопровод1 системи опалення.
Отримаш значення середньо! температури по-верхонь радiаторiв з нормалiзованого виглядi приводились до абсолютних значень.
Отриманi значення температури ращатора на вiдповiдному поверсi використовуемо при розпо-дiлi теплоспоживання навчального корпусу.
де Qj - середньодобове значения теплового потоку вад ращатор1в в j-тш гамнап, Вт; к,-:
- г - площа радiатора в]-тш кlмнатi, м2; tpad.m ~ температура рад1атора на т-му noBepci, °С; teHij - внутршня температура повггря в j-riй гамнап, °С; ^Пд.т > к-Пн.т ~ пл°Ща рад1атор1в на от-му поверй вцщовцщо! ор1ентацп, м2; Q7 - ■ - загальне середньодобове теплове навантаження будiвлi, Вт.
При аналiзi просторово-часових розподшв температур примiщень будiвлi були використаш метеоданi по температурах зовнiшнього повггря, напряму та швидкостi вiтру [8, 11-12], а також даш штенсивносп сонячно! радiацi! вимiрянi створе-ним в 1нституп техшчно! теплофiзики НАН Укра-!ни пристроем пiранометром «СР-У1», що нале-жить до актинометрично! групи приладiв i служить для виршення завдань, пов'язаних з довгостроковим безперервним мониторингом радь ацшних властивостей атмосфери i накопиченням даних вимiрювань надходження сонячно! радiацi! на похилу поверхню. Вiн вимiрюе густину сумар-но! сонячно! радiацi! у Вт/м2, що надходить на площину з кутом нахилу до горизонту ввд 0о до 90о з кроком в 10о[6-7].
Загалом для зимового перюду м. Киева мак-симальнi мiждобовi змiни зовнiшньо! температури становлять 6...10 °С. В середньому мiж добовi змь ни температури становлять 3-4 °С [3]. Швидкють вiтру для опалювального перiоду в середньому становила 2,7 м/с з переважним захвдним та швш-чно-захвдним напрямом вiтру [10].
Метеорологiчнi даш вщмшт ввд типового нормативного року. Зазвичай, при аналiзi впливу зовшшшх погодних умов на тепловий стан будiвлi використовують фактичнi метеоролопчш данi. Метеоданi щодо швидкостi та напряму виру, зов-нiшньо! температури були взяп з метеосайтiв [1112].
Зовшшня температура знаходилась в дiапазо-нi -3....+7 °С. Середньодобовi значення сонячних теплонадходжень, як1 потрапляють в комнату через свiтлопрозорi елементи конструкцп знаходились в дiапазонi ввд 15 Вт/м2 , для орiентацi! вiкон на тв-шчну сторону, до 200 Вт/м2 в залежносп ввд умов хмарностi для твденно! орiентацi!.
Накопиченi фактичнi данi внутршньо! температури повiтря несуть в ro6i одночасний вплив ряду факторiв, що не дозволяе вiдокремити вплив кожного фактору окремо при побудовi регресшно! моделi. Для дослiдження рiвня температури внут-рiшнього повiтря була створена динамiчна модель шмнати за допомогою програмного продукту EnergyPlus, яка дозволяе моделювати змiну температури повгтря в примiщенi в залежносп вiд кль матичних умов, р1вня опалення та теплотехшчних
tsii. = —0,03123 + 1,05865t,
характеристик примщення, щоб визначити почер-говий вплив видшених факторiв [4].
Репрезентативне примщення моделювалось для пiвденноi та швшчно! орieнтацii на рiзних по-верхах, за винятком примщень першого та остан-нього поверху.
Розмiри шмнати 5,5*6,1 м, висота примщен-ня 3,2 м. Комната мае одну зовншню стiну (5,5*3,2 м) з вшном (5^2,5 м). Конструкцiя будiвлi вщповь дае вимогам забудови 70-х рошв. Зовнiшня масив-на спна з термiчним опором 1 м2оС/Вт (цегляна кладка в одну цеглу). Вiкно з подвiйним засклен-ням у дерев'яних спарених плетiннях. Внутршш стiни середньоi масивностi - цегляна кладка в тв-цегли. Перекриття над опалювальними примщен-нями залiзобетоннi -20 см. Вентиляцiя природна. Вихвдними параметрами моделi е клiматичнi пого-диннi значення з IWEC (International Weather for Energy Calculations), як включають в себе температуру сухого термометру, ввдносну вологiсть, швидкють та напрям вiтру, барометричний тиск, пряму та розсiяну сонячну радiацiю, тощо [3]. Крiм того задаються графiк опалення, кратнiсть повiтрообмiну, орiентацiя примiщення по сторонах свiту, номер поверху та iншi [4, 9].
В статп [9] розглянуто регресшну залежнiсть для визначення середньодобовоi температури повггря в залежносп ввд рiвня опалення та зовшш-ньоi температури. Аналiз отриманих результатiв показуе, що для коректного визначення внутрш-ньо1' температури повiтря потрiбно враховувати передюторш збурення факторiв.
Для побудови залежносп внутршньо1' температури ввд факторiв впливу в iнтервалi середньо-добових значень обрано багатофакторну лшшну регресш, що побудована на базi методу наймен-ших квадратiв. Динам^ впливу враховано пред-ставленням залежносп вiд змiни факторiв для рiз-них дiб з врахуванням передюторп впливу за три попереднi дт. Нормалiзацiю значень для рiвнянь регреси проводили в дiапазонi середньодобово!' змши: зовнiшня температура At3E= 13 °С, внутрш-ня температура Atвн = 12 °С, кратнiсть повпрооб-мшу An = 1,5 год-1, тепловий потж ввд радiаторiв AQ= 900 Вт, сонячш теплонадходженя до шмнати AQsol=1000 Вт.
■вн. I— 1
0,25119er,
+0,11633(tJBj_1 - t^, 2) + 0,0 8283 - t^ - 0,41010(^-^0 -0,16435 (тц_г - тг,_2) - 0,10117 (тц_2 ~щ_3) + 0,11864«?so!ii - 0„i.M) +
де i - порядковш номер доби, ten - середньодобова внутршня температура повиря;
t3e - середньодобова зовшшня температура повиря;
Qsoi - сонячнi теплонадходження до шмнати; Q - тепловий поик ввд радiаторiв; n - кратшсть повiтрообмiну.
Дана регресiйна залежнiсть враховуе серед-ньодобовi змiни опалення, зовшшньо1' температури повiтря, сонячно1 активностi, швидшсть та напрям вiтру (виражена через кратшсть повирообм^).
Для аналiзу загально1' якостi рiвняння лiнiйноï багатофакторно1 регресп використовуеться коефь цieнт детермiнацiï. Дана величина характеризуе яшсть отримано1 лшшно1 регресiï. Обробка результатов розрахунку почергового впливу видше-
них фактор1в дае ^яорм = 0,994. середньок-
вадратичне вiдхилення мгж результатами розрахунку за допомогою рiвняння регресп та в середовищ1 EnergyPlus з ктматичними погодними даними IWEC становить 0,106.
Iншi характеристики оцiнки адекватноси рiв-няння perpeciï: середньсн помилки апроксимацп
8 = 0,45% стандартна помилка
G - = 0,013 . Також, при трактуваннi рiвняння регресiï широко використовують коефщенти ела-стичностi. Значення приведених коефiцiентiв рiв-няння регресп являються коефiцiентами еластич-
HOCTÎ.
Езе = 0,251 ,Еп = -0,41. EqsoI = 0,142, fç = 0,341
З цих даних видно, найб№ший вплив на нор-малiзовану температуру повиря в шмнаи мае кратшсть повирообм^. При переходi ввд нормалiзо-ваних до натуральних значень треба враховувати i
вплив ампллуди коливань, перш за все сонячноï ращаци.
Багатофакторна лiнiйна регресiйна модель ш-мнати може бути використана для ошнки кратнос-тi повирообм^, так як даний показник найбшьш складно експериментально визначати. На базi отриманих експериментальних значень внутрш-ньоï температури примiщень, рiвня опалення та зовшшшх погодних умов визначено фактичний повiтрообмiн обраних примiщень.
Уточнення кратносл повiтрообмiну проводились для осшнього перiоду (жовтень-листопад 2014 р.), коли опалення ще не було ввiмкнене, та при наявностi централiзованого опалення.
Розрахунок кратностi повiтрообмiну проводи-вся для репрезентативних шмнат рiзного призна-чення (рiвень природно1' вентиляцiï яких залежить ввд 1'х розташування, призначення, стану вiкон i таке шше): адмiнiстративнi, навчальнi лабораторнi та комп'ютерш аудиторп. Добовi погодиннi значення внутршньо1' температури повiтря з термох-ронiв усереднювались. Аналогiчно визначались середньодобовi значення для погодних умов (температура, швидшсть, напрям виру, сонячна раща-цiя).
В умовах невизначеносп початкового значення кратностi повирообмшу за попереднi днi прий-малось в першому наближенi нормативне значення. Для обраного розрахункового дiапазону повто-рювали розрахунки з уточненням початкового значення кратностi повiтрообмiну для середнього значення. Даний шдхщ коригував отримаш значення кратностi шсля першо1' iтерацiï на 0,2-0,3 год-1. Для розглянутого iнтервалу часу кратшсть повiтрообмiну знаходилась в дiапазонi 0,2....2 год-1 для обраних примiщень. Для прикладу на рис. 1 наведено розраховану за допомогою регресшного рiвняння змiну кратностi повiтрообмiну в залеж-ностi вiд клiматичних умов в нормалiзованих оди-ницях для навчальних примiщень пiвденноï та шв-шчно1' орiентацiï розташованi на середнiх поверхах будiвлi ( 3 та 4 поверх).
а) б)
Рис. 1. Розрахункове нормалгзоване значення Kpamnocmi повтрообмту для навчальних аудиторш розташованих на твдентй (а) та твтчтй (б) сторон будiвлi в залежностi eid клiматичнихумов
Розглянуи шмнати орiентованi на твденну та пiвнiчну сторону та знаходяться на середньому поверсi в середиш будiвлi. Зважаючи на те, що профшь розподiлу швидкостi виру вздовж зовш-шньо1' огороджувально1' поверхш збiльшуеться з збiльшенням висоти (етажшстю) дана особливiсть
при розрахунках простежувалась при аналiзi всiх репрезентативних примщень. На рис. 2 наведено середньодобова змша кратностi повiтрообмiну в порiвняннi зi змiною характеру вiтру та температурного перепаду.
а)
Рис. 2. Порiвняння величини кратностi повтрообмту на характеристик вiтру та рiзницi температур
б)
твденнш (а) та твтчнш (б) сторон будiвлi i повiтря всередиш та ззовм будiвлi
Як рашше згадувалось, типова швидшсть виру для розглянугш мюцевоси становить 2,7 м/с. За фактичними показниками швидшсть виру знахо-дилась в дiапазонi 0-4 м/с. За умови навиряно1' зовшшньо1' стшки та швидкостi виру б™ 4 м/с кратнiсть повирообм^ становить 2 год-1 (рис.2). Невизначешсть початкового значення кратностi повiтрообмiну вносить свш вплив на наступнi три дш розрахунку, далi цей вплив затухае.
Висновки
В роботi використаний комплексний пвдхвд, що базуеться на використанш математичних моделей та експериментальних даних. На базi експери-ментальних даних було визначено фактори, як найбiльш суттево впливають на внутршню температуру повiтря. На основi iмiтацiйного моделю-вання в програмному продуктi EnergyPlus досль джено ввдокремлений вплив кожного фактору та побудована регресiйна модель для визначення внутршньо1' температури повiтря. На базi створено!' регресiйноï залежностi проведено уточнення кратностi повiтрообмiну вiдповiдно до експериментальних даних. Кратшсть повирообмшу е залеж-ною величиною вщ ряду факторiв: рiзницi температур повиря всередиш та ззовш будiвлi, швидко-стi i напряму виру, вирового тиску. Для розглянутого штервалу часу кратнiсть повирооб-мiну коливалась в дiапазонi 0,2....2 год-1.
Список лггератури
1. D. Popescu, F. Ungureanu, E. Serban Simulationof Consumptionin District Heating Systems. ENVIRONMENTAL PROBLEMS and DEVELOPMENT. p. 50-55.
2. Fangting Song, Yi Jiang, Anne Le Mouel, Jean-Jacques Roux Development of a datamodel for consumption analys is and prediction of larse-scale
commercial building. Building Simulation 200, p. 1601-1609.
3. International Weather for Energy Calculations: https ://energyplus.net/weather-location/europe_wmo_region_6/UKR.
4. The official website EnergyPlus Energy Simulation Software [Електронний ресурс]. - Режим доступу: https://app1.eere.energy.gov/bildings/energyplus.
5. Басок Б.1. Прилад для дослвджен-ня надходження сонячно1' енергiï на похилий гелi-околектор / Басок Б.1., Воробйов Л.Й., Гончарук С.М., Декуша Л.В., Чорна Н.О. // Промышленная теплотехника. - 2013. - Т. 35, № 5. - С. 8-8
6. Басок Б.И., Накорчевский А.И. Теплофизика влияния солнечного излучения на здания. Киев. Наукова думка. 2016. - 224 с.
7. Дешко В.1. Математичш моделi будiвель для оцшки енергоспоживання / В.1. Дешко, 1.Ю. Бшоус // Будiвельнi конструкцiï: Мiжвiдомчий науково-технiчний збiрник наукових праць. Ви-пуск 80, Кшв 2014. 68 - 2 с.
8. Дешко В.1. Мониоринг температурного стану навчального корпусу / В.1. Дешко, 1.Ю. Бi-лоус // Науковий журнал «Енергетика: економша, технологiï, екологiя». Випуск №2 Кшв 2015. С. 2432.
9. Дешко В.1. Моделювання режимiв опалення примщень / В.1. Дешко, 1.Ю. Бшоус // Науковий журнал «Енергетика: економжа, технологи, еколо-гiя». Випуск №3 Кив 2016. С 9-104.
10. ДСТУ-Н Б В.1.1-2:2010. БУДВЕЛЬНА КЛ1МАТОЛОГ1Я. К.: Мiнрегiон Укра1ни. 2010.
11. Сайт метеоролопчних даних: http://meteo.ua
12. Сайт метеоролопчних даних: http://rp5.ua
