CC BY
6
ISSN 222Б-3780
СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ
УДК 697.14
Б01: 10.15587/2312-8372.2015.57065
Хованський С. о., РОЗРАХУНКОВ1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ЮТОЕ. В., ТЕПЛОВОГО СТАНУ ПРИМ1ЩЕНЬ
Проведено моделювання аеродинамгчних та тепломасообмтних процесгв у примщент, на основг розробленог розрахунковог моделг його теплового стану за допомогою програмного комплексу ANSYS CFX. Здшснено дослгдження впливу нестащонарних процесгв у внутршньому об'емг примщення на його загальний тепловий стан. Отриманг залежностг змгни температури вгд часу прогргвання примщення.
Клпчов1 слова: теплозабезпечення, моделювання, тепловий стан примщення.
1. Вступ
На сьогодшшнш день актуальною задачею для Укра-!ни е забезпечення тдвищення ефективносп викори-стання паливно-енергетичних ресурав, в тому чи^ i теплово! енергп. Зпдно даних [1] Укра!на виробляе 53 % енергп вщ загально! потреби, iмпортуе 75 % необ-хiдного обсягу природного газу та 85 % сиро! нафти i нафтопродукпв. Майже 30 % вае! одержувано! теплово! енергп в Укра!т використовують приватнi домовласники, при цьому бшьше 80 % цiе! енергп витрачаеться на опалення примщень [1]. Забезпечення в примщеннях будiвлi певного теплового режиму передбачае узгоджен-ня взаемодтчих i взаемопов'язаних теплових потоюв у складнiй архiтектурно-конструктивнiй системi, яка характеризуеться рiзноманiттям складових !! елеменпв огороджувальних конструкцiй та iнженерного облад-нання, причому кожна з цих складових може бути як енергоноаем, так i енергопередавачем. Принциповою особливiстю дано! системи е те, що будiвля як едина енергетична система представляе не просто сукупшсть цих елеменпв, а певне !х поеднання, що додае всiй системi в цiлому нових якостей, ввдсутшх у кожного окремого елементу [2]. Виршення задачi тдвищен-ня ефективност використання теплово! енергп вима-гае врахування велико! кшькосп факторiв i потребуе удосконалення методiв оцiнювання та контролю рiвня ефективностi функцiонування систем теплозабезпечення.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
В даний час для побудови та реалiзацi! математич-них моделей складних енергетичних об'екпв, до яких може бути ввднесена будiвля, використовуеться мето-долопя системного пiдходу [3]. Декомпозицiя будiвлi як едино! енергетично! системи може бути представлена трьома основними енергетично взаемопов'язаними пiдсистемами [4]: енергетичним впливом зовшшнього клiмату на оболонку будiвлi; енерпею, що мiститься в оболонцi будiвлi, тобто в зовнiшнiх огороджувальних конструкщях будiвлi; енергiею, що мiститься всередиш об'ему будiвлi (у внутрiшньому повггр^ внутрiшньому обладнаннi, внутрiшнiх огороджувальних конструкщях тощо). Отже математична модель будiвлi як едино! енер-
гетично! системи буде складатися з трьох тдмоделей: математично! моделi зовнiшнього клiмату, математично! моделi теплопередачi через оболонку будiвлi та математично! моделi променистого i конвективного теплообмiну у примщеннях будiвлi [5]. Моделi теплового режиму використовуються для розрахунку термодинамiчних параметрiв будiвельних конструкцiй з урахуванням теплопроввдних включень, вологiсного стану, оцiнки теплоспоживання, вибору оптимально! теплоiзоляцi! [6]. Але повне врахування зазначених факторiв призводить тшьки до ускладнення розрахункiв, тому для моделей застосовують спрощення та припущення [7].
Першим етапом впровадження системи збереження теплово! енергп в будiвлях е енергетичний аудит, який, передуам, передбачае проведення значно! кшькосп тру-домiстких вимiрювань, розрахункiв, порiвняння рiзних варiантiв та вибору найбшьш рацiонального. Проведення таких робiт передбачае наявшсть дорогого обладнання для вимiрювань i може супроводжуватися труднощами, а шод^ навiть, неможливiстю проведення вимiрювань та технiчних розрахункiв [8]. Тому, у свиовш практицi широко використовуеться чисельне комп'ютерне моделювання, яке дозволяе розглянути значну юльюсть варiантiв пiд час проектування та обрати оптимальний iз точки зору енергоефективносп, комфорту та безпе-ки [7]. Також даний метод дозволяе змоделювати вже кнуючий об'ект, оцiнити його ефектившсть роботи та знайти шляхи модершзацп.
3. Об'ект, мета та задач1 дослщження
Проведений аналiтичний огляд тенденцш розвит-ку, технiчного рiвня систем теплозабезпечення дозволив сформулювати мету даног роботи - тдвищення ефективност використання теплово! енергп будiвель на основi аналiзу !хнiх теплових режимiв.
Для досягнення поставлено! мети необхвдно вирь шити наступнi задача
- розробити математичнi та чисельш моделi теплового стану примщення;
- провести моделювання процеав аеродинамжи та тепломасообмiну в будiвлях та/або !х окремих еле-ментах для аналiзу теплового стану будiвель;
- на основi розроблено! моделi ощнити тепловий стан примiщення;
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 6/3(26], 2015, © Хованський С. О., Колшшченко Е. В., 45
Панченко В. □.
- досл1дити вплив нестащонарних процеав у вну-тршньому об'ем1 примщення на його загальний тепловий стан.
Об'ектом дослгдження е термодинам1чт параметри теплового стану примщення, яке обйр1ваеться опалюваль-ним приладами рад1ацшно-конвективного типу
4. Матер1али та методи дослщження теплового стану примщень
Для досягнення поставлено! мети використовувався програмний комплекс ANSYS CFX ушверситетсько! л1-цензн (дослщження проводилися у Сумському державному утверситеп). Для проведення чисельного експе-рименту була створена тривим1рна модель примщення, наближена до реальних умов, з габаритними розм1рами (10x6x3 м). При цьому враховувалася наявтсть мебл1в (шафи, дивану, стола, книжково! полищ, тумбочки), в1кон (1,6x1,4 м), дверей (2,1x0,9 м) та опалювальних прилад1в. Пщ час створення тривим1рно! модел1 приймалися наступи спрощення (щеал1защя модел1): не враховувався вплив др1бних об'екпв штер'еру, не враховувалася наяв-шсть пщвжоння та шдвод1в до опалювальних прилад1в. У якосп опалювальних прилад1в було спроектовано два восьмисекцшт опалювальних прилади рад1ацшно-кон-вективного способу передач1 теплоти.
Розрахунковою областю в данш розрахунковш зада-ч1 е внутршнш об'ем у примщенш, який займае повггря (рис. 1), виключаючи його заповнення об'ектами (меблями, опалювальними приладами). При створент розрахунково! обласп були видшет дв1 характеры зони: роз'емна зона вж-на та зовтштх дверей. Вщокремлення цих зон пов'язано з тим, що вихщт дат для них вщр1зняються пор1вняно з ш-шими мкцями розрахунково! область
му i розмiри розрахунково! областi; фiзичнi умови, як характеризують фiзичнi властивостi тша (густина, в'язкiсть, теплопровiднiсть тощо); 4acoBi умови, якi формують особливостi перебйу процесу в 4aci (зада-ються для нестацiонарного процесу); граничнi умови, що характеризують умови протжання процесу на кордонах розрахунково! област [10]. У якостi граничних умов задавалися граничш умови першого роду (розподш температур на поверхнi твердих стшок розрахунково! областi). Температура стел^ пiдлоги та стiн прийма-лася 18 °С, опалювальних приладiв - 45 °С, вiкон i дверей - 15 °С.
Для виршення задачi використовувалася модель теплообмiну в постановщ (Thermal Energy) [10], що включае сукупнiсть транспортних рiвнянь нерозривнос-тi, iмпульсy повно! енергп. Шд час розрахунку використовувалася модель гравггацп, яка дозволяе врахува-ти процес вшьно! (природно!) конвекцп в замкнутому об'ем^ що обумовлена дiею масових (об'емних) сил. Модель перемщення повiтря в розрахунковiй областi описувалася рiвняннями Нав'е-Стокса осередненими за числом Рейнольдса.
5. Анал1з результат1в числового моделпвання теплового стану примщення
В результат чисельного дослiдження теплового стану примщення були отримаш основш термодинамiчнi параметри в розрахунковiй область На рис. 2 наведений розподш температур в об'емi примщення (стан теплово! рiвноваги).
Рис. 1. Разрахункава область: 1 - раз Емна зона зовшшшх дверей;
2 - разЕмна зона вiкна
Для отримано! розрахунково'! обласп була побудована блочно-структурована гексаедрна сика, яка нараховувала 1,7 мш. ком1рок. Виб1р такого типу атки пояснюеться тим, що дана геометрична модель розрахунково! област представляе собою сукупшсть достатньо правильних елементарних об'ем1в, для яких прийнятна впорядкована блочна структура [9].
Для математичного визначення поставлено! задач! задавалися умови однозначност (крайов! умови), що мктять: геометричш умови, як характеризують фор-
Рис. 2. Розподш температури по об'Ему примщення
Анал!з отриманих даних показуе: по-перше, температура повиря зростае з висотою прим!щення, що обумов-лено термограв!тац!йною конвекц!ею; по-друге, температура повиря знижуеться поблизу твердих стшок, що мають пор1вняно нижчу температуру (в!кно, стеля, ст!ни).
Розподш температури в об'ем! примщення ткно пов'язаний ¿з характером руху повиря, його швидк!стю, зонами вихроутворення тощо. Ана.гпз розпод!лу швидко-стей руху повиря в об'ем! примщення в стащонарному режим! (рис. 3) свщчить про ¿снування застшних зон, в яких швидюсть повиря знаходиться в межах 0..Д1 м/с, що в свою чергу е причиною тривалого прогр1вання примщення. В реальних умовах опалювальш прилади част-ково можуть бути загороджеш декоративними панелями, меблями, елементами декору, що призводить до зниження швидкосп руху повиря вщ опалювальних пристро!в та попршення умов теплообмшу у примщенш в цшому.
Розподш температур повиря з висотою примщення е також нер1вном1рним (рис. 4). По висот примщення можна видшити декшька температурних зон, розм1ри
ISSN 2226-3780
СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ
та параметри яких обумовлюються впливом окремих конструктивних елеменлв та часом про^вання примщення.
Рис. 3. Розподш швидкостей руху поВтря в od'EMi примiщення
Рис. 4. Розподш температури з висотою примщення: 1, 2 - зона впливу опалювальних прилад1в; 3 - зона впливу вх1дних дверей; 4 - зона впливу вшонного отвору
За допомогою розроблено! модел1 можна оцшювати до-тримання саштарно-гшешчних норм 1 забезпечення умов для комфортно! життед1яльност1 людей, а також спрогно-зувати найбшьш доцшьний вар1ант проектування системи опалення з точки зору енергоефективност1. Також отримаш результати та подальш1 дослщження нестацюнарних процес1в прогр1вання примщень можуть бути в майбут-ньому використаш пщ час розробки систем автоматичного регулювання систем опалення (чергового опалення, пофа-садного опалення тощо).
6. Висновки
1. Розроблена розрахункова модель примщення дозволяв ощнити його тепловий стан, а саме: отримати розподш температурних пол1в, пол1в швидкостей руху повиря; визначити значення теплових потоюв на поверхнях конструкцш; встановити наявшсть за-стшних зон та зон вихроутворення в процес про-гр1вання примщення.
2. Отримаш анал1тичш залежност змши температури вщ часу прогр1вання примщення дозволяють проводити ощнку дотримання саштарно-гшешчних норм буд1вл1 та забезпечення умов для комфортно! життед1яльност1 людей.
3. Розроблена модель дозволяе проводити ощню-вання дотримання комфортних умов у примщенш, здшснювати анал1з теплового балансу примщення, а також розрахунки ефективност застосування р1зних енергозбер1гаючих заход1в.
Моделювання теплового стану примщення здшснено також у нестацюнарнш постановцi задачi, тобто були отримаш основт термодинамiчнi параметри в роз-рахунковiй областi пiд час прозвания примiщення. Залежнiсть осереднено! по об'ему примiщення температури вщ часу прогрiвання примiщення (рис. 5) можна апроксимувати логарифмiчною залежнiстю типу:
TV = C ■ ln(T) + TV,
(1)
де Ту - осереднена по об'ему температура повпря в примщенш в момент часу прогр1вання т, К; С - константа, що залежить вщ геометричних розм1р1в примщення; т - час прогр1вання примщення, с; ТпУ - осереднена по об'ему температура в примщенш до початку його прогр1вання, К.
Для дослщжуваного об'екту залежшсть (1) набувае вигляду Ту=0,0586-1п(т)+291,25 (достов1ршсть апрокси-мацГ! складае R2=97,42 %).
Рис. 5. Прогр]вання пpимiщення у час]
Л1тература
1. Олехнович, Л. I. Статистичний щор1чник Сумсько! об-ласт за 2013 рж [Текст] / за ред. Л. I. Олехнович. -Суми: Головне управлшня статистики у Сумськш обл., 2014. - 568 с.
2. бнш, П. М. Теплопостачання [Текст]. Ч. 1: Теплов1 мереж1 та споруди: навч. поаб. / П. М. бнш, Н. А. Швачко. - К.: Кондор, 2007. - 244 с.
3. Хованський, С. О. Системний анал1з комплексу подач1 i роз-подыу води в житлово-комунальному господарсга [Текст] / С. О. Хованський, В.Г. Неня // Схщно-бвропейський журнал передових технологш. - 2010. - № 4/4 (46). - С. 56-59. -Режим доступу: \www/URL: http://journals.uran.ua/eejet/ article/view/29
4. Табунщиков, Ю. А. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий [Текст] / Ю. А. Табунщиков, М. М. Бродач. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. - 194 с.
5. Baldvinsson, I. A comparative exergy and exergoeconomic analysis of a residential heat supply system paradigm of Japan and local source based district heating system using SPECO (specific exergy cost) method ^ext] / I. Baldvinsson, T. Nakata // Energy. - 2014. - Vol. 74. - P. 537-554. doi:10.1016/j.energy.2014.07.019
6. Дешко, В. I. Розробка нестащонарно! модел1 теплового стану огороджень буд1вл1 [Текст] / В. I. Дешко, М. М. Шовка-люк // Вюник СумДУ. Сер1я: Техшчш науки. - 2009. -№ 4 - С. 218-225.
7. Rohdin, P. Numerical modelling of industrial indoor environments: A comparison between different turbulence models and supply systems supported by field measurements ^ext] / P. Rohdin, B. Moshfegh // Building and Environment. -2011. - Vol. 46, № 11. - P. 2365-2374. doi:10.1016/j.build-env.2011.05.019
8. Чернишов, С. О. Математичне моделювання теплового стану примщень [Текст]: матер1али Науково-техшчно! конференцп викладач1в, ствроб1тниюв, асшранлв i студ. фак-ту техшчних систем та енергоефективних технологш, м. Суми, 14-17 кв1тня 2015 р. / С. О. Чернишов, С. О. Хо-
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 6/3(26), 2015
ванський // Сучасш технологи у промисловому виробницт-в1. - Суми: СумДУ, 2015. - Ч. 2. - С. 96.
9. ANSYS CFX Solver Theory [Electronic resource]. - Release 11.0. - ANSYS, Inc., December 2006. - 302 p. -Available at: \www/URL: http://product.caenet.cn/Uploadfi les/12872437250986625020081129090050986.pdf 10. ANSYS CFX Solver Modeling Guide [Electronic resource]. -Release 12.0. - ANSYS, Inc., April 2009. - 486 p. - Available at: \www/URL: http://orange.engr.ucdavis.edu/Documenta-tion12.0/120/CFX/xmod.pdf
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОМЕЩЕНИЙ
Проведено моделирование аэродинамических и теплообмен-ных процессов в помещении, на основе разработанной расчетной модели его теплового состояния с помощью программного комплекса ANSYS CFX. Проведено исследование влияния нестационарных процессов во внутреннем объеме помещения на его общее тепловое состояние. Полученные зависимости изменения температуры от времени прогрева помещения.
Ключевые слова: теплоснабжение, моделирование, тепловое состояние помещения.
Хованський Сергт Олександрович, кандидат технчних наук, доцент, кафедра прикладног глдроаеромехашки, Сумський дер-жавний утверситет, Украгна, e-mail: [email protected]. Колктченко Едуард Васильович, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра прикладног глдроаеромеханжи, Сумський дер-жавний утверситет, Украгна.
Панченко ВШалт Олександрович, асистент, кафедра прикладног глдроаеромеханжи, Сумський державний утверситет, Украгна.
Хованский Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, кафедра прикладной гидроаэромеханики, Сумский государственный университет, Украина.
Колисниченко Эдуард Васильевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра прикладной гидроаэромеханики, Сумский государственный университет, Украина.
Панченко Виталий Александрович, ассистент, кафедра прикладной гидроаэромеханики, Сумский государственный университет, Украина.
Khovanskyy Sergey, Sumy State University, Ukraine, e-mail: [email protected].
Kolisnichenko Eduard, Sumy State University, Ukraine. Panchenko Vitalii, Sumy State University, Ukraine
