Оптимизация технических решений систем кондиционирования воздуха общественных зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Шилин Александр Сергеевич

• Шилин Александр Сергеевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Шилин Александр Сергеевич

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Анализ литературных источников, цели и задачи исследования

1.1 Анализ проектирования энергоэффективных зданий в России и мире

1.2 Анализ архитектурно-строительных решений

1.3 Анализ теплозащитных свойств ограждающих конструкций

1.4 Анализ влияния остекления на теплозащитные свойства здания

1.5 Основные выводы по анализу литературных данных. Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. Постановка задачи оптимального выбора проектного решения систем кондиционирования воздуха

2.1 Параметрическая оптимизация

2.2 Структурная оптимизация

2.3 Критерии качества СКВ

ГЛАВА 3. Математическая модель теплообмена в помещении

3.1 Модель теплового баланса

3.2 Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции

3.3 Математическая модель лучистого теплообмена

3.4 Конечно-разностный аналог уравнений теплообмена

3.5. Метод решения СЛАУ

3.6 Математическое моделирование процессов теплообмена в помещении

ГЛАВА 4. Математическая модель управления тепловым режимом помещения

4.1 Особенности и методы управления комфортными системами кондиционирования воздуха

4.2 Целевая функция оптимизационной задачи

4.3 Математическая модель оптимального управления тепловым режимом

4.4 Методы решения оптимизационной задачи

4.5 Алгоритм и программа расчета оптимального управления

ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование теплового режима помещения

5.1 Описание экспериментального стенда

5.2 Методика проведения экспериментальных исследований

5.3 Измерение температуры воздуха и ограждающих конструкций

5.4 Тепловизионное исследование

5.5 Измерение расхода воздуха

5.6 Оценка погрешности измерений

5.7 Основные результаты экспериментального исследования

5.8. Сопоставление результатов расчетного и экспериментального исследования

Заключение

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Приложение А. Результаты экспериментального исследования №1

Приложение Б. Результаты экспериментального исследования №2

Приложение В. Результаты экспериментального исследования №3

Приложение Г. Акты внедрения

Публикации по теме диссертации

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Рост требований к качеству воздушной среды при постоянном повышении стоимости энергии, потребляемой инженерными системами жилых и общественных зданий, приводит к необходимости оптимизации проектных решений и алгоритмов управления системами кондиционирования и вентиляции воздуха (СКВ). По данным различных исследований потребность энергии на кондиционирование и вентиляцию при обеспечении нормативного воздухообмена составляет более 60 % от общего энергопотребления. Анализ возможных вариантов решения должен базироваться на результатах решения оптимизационной задачи целевая функция которой представляет собой свертку эксплуатационных и капитальных затрат.

Регулирование процессов теплообмена в помещениях с учетом режима их эксплуатации и внешних климатических условий открывает значительные резервы для экономии тепловой энергии. Одним из перспективных технических решений, позволяющих сократить энергопотребление при обеспечении комфортных параметров микроклимата, является использование теплоаккумулирующей способности наружных ограждающих конструкций. Так как в настоящее время краткосрочный (до 24 часов) прогноз внешних климатических условий имеет незначительную погрешность, а для многих помещений заранее известны режимы их эксплуатации, то выбор режима работы систем кондиционирования воздуха может определятся на основании экстраполяции решения оптимизационной задачи. Целевая функция такой задачи объединяет критерии качества микроклимата и энергетической эффективности, а нестационарные вентиляционные воздушные потоки, а также внутренние и

трансмиссионные тепловые потоки рассматриваются как внешние и внутренние возмущения и ограничения.

Как показывает практика, фактическое энергопотребление жилых и общественных зданий существенно превосходит расчетное, нормированное государственными стандартами. Необходимость повышения эффективности систем кондиционирования с учетом особенностей эксплуатации зданий и климатических условий определяет актуальность диссертационного исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация технических решений систем кондиционирования воздуха общественных зданий»

Цель работы

Целью исследования является разработка комплексных методов решения оптимизационной задачи выбора проектного решения систем кондиционирования воздуха и их режима управления.

Задачи работы

Анализ типовых проектных решений систем кондиционирования воздуха.

Оценка существующих методов повышения эффективности систем кондиционирования воздуха.

Выявление основных направлений совершенствования эффективности систем кондиционирования воздуха.

Формирование оптимизационной задачи проектного решения, включающей выбор целевой функции варьируемых параметров, внутренних и внешних условий и ограничений.

Разработка математической модели теплового баланса помещения.

Разработка математической модели и алгоритма оптимального управления системой формирования микроклимата.

Проведение расчетного исследования процесса теплопереноса в помещениях при различных конструктивных, режимных параметрах.

Создание экспериментального стенда для исследования нестационарных теплообменных процессов в кондиционируемом помещении.

Проведение экспериментальных исследований с целью оценки достоверности разработанных математических моделей и алгоритмов решения оптимизационной задачи.

Разработка рекомендаций по повышению эффективности систем кондиционирования воздуха с учетом климатических условий и теплофизических характеристик ограждений.

Научная новизна работы

Теоретической основой исследования послужили работы в области оптимизации тепловой эффективности зданий и систем кондиционирования воздуха отечественных и зарубежных ученых: Богословского В.Н., Гримитлина М. И., Кутателадзе С.С., Кокорина О.Я., Иванова О.П., Сотникова А.Г., Цветкова Ю. Н., Табунщикова Ю.А., Бродач М.М., Дацюк Т.А., Уляшевой В.М., H. Hausen, G. Reklaitis, A. Ravindran, M. Cook, G. Hunt, а также работы в области формирования комфортных параметров микроклимата: Бедфорда, Фангера, Головиной Е. Г., Сулина А.Б., Лучакова Ю.И., Иванова К.П., де Дира, Жанг, Мэдсона, Нильсона, Столвика, Хамфриса и др.

Предложен новый комплексный подход к оценке качества проектного решения и эффективности эксплуатации СКВ на основе свертки частных технико-экономических, энергетических, теплотехнических критериев и критериев воздушно-теплового комфорта.

Сформулирована задача оптимального управления СКВ с учетом внешних климатических условий и режима эксплуатации помещений. Предложен эволюционный метод решения задачи оптимального управления.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработанные модели, методы и алгоритмы реализованы в виде компьютерных программ, которые могут быть использованы при проектировании и эксплуатации систем кондиционирования воздуха.

Материалы диссертации используются в учебном процессе НИУ ИТМО в курсах «Математическое моделирование СКВ» и при разработке новой техники в НИЛ СПбПУ.

Положения, выносимые на защиту

Метод оценки проектного решения, включающей выбор целевой функции оптимизационной задачи, варьируемых параметров, внутренних и внешних условий и ограничений.

Нестационарная математическая модель теплового баланса помещения и алгоритм его расчета.

Математическая модель и алгоритм оптимизации тепловой эффективности помещений.

Результаты экспериментального исследования нестационарных теплообменных и воздухообменных процессов в помещении.

Результаты натурного энергетического обследования зданий общежития и учебного корпуса НИУ ИТМО.

Результаты расчетного исследования процесса теплопереноса в помещениях при различных конструктивных и режимных параметрах.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались

на:

1. XLVI Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2017 г.;

2. VI Всероссийском конгрессе молодых ученых, Санкт-Петербург, 2017 г.;

3. XLVII Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2018 г.;

4. 8-ой международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства», Омск, 2018 г.;

5. XLVIII Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2019 г.;

6. VIII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики», Санкт-Петербург, 2019 г.;

7. 9-ой международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства», Омск, 2019 г.;

8. VIII Всероссийском конгрессе молодых ученых, Санкт-Петербург, 2019

г.;

9. IX международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», Санкт-Петербург, 2019 г.;

10. XLIX Научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2020 г.;

11. 10-ой международной научно-технической конференции «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства», Омск, 2020 г.;

12. IX Всероссийском конгрессе молодых ученых, Санкт-Петербург, 2020 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень, рекомендованных ВАК -3, а также в международную базу Scopus - 2.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературных источников и 3 приложений. Работа изложена на 1 18 страницах и содержит 58 рисунков и 25 таблиц. Список литературных источников составляет 97 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

Содержание работы

Введение

Рост требований к качеству воздушной среды при постоянном повышении стоимости энергии, потребляемой инженерными системами жилых и общественных зданий, приводит к необходимости оптимизации проектных решений и алгоритмов управления системами кондиционирования и вентиляции воздуха (СКВ). По данным различных исследований потребность энергии на кондиционирование и вентиляцию при обеспечении нормативного воздухообмена составляет более 60 % от общего энергопотребления. Анализ возможных вариантов решения должен базироваться на результатах решения оптимизационной задачи целевая функция которой представляет собой свертку эксплуатационных и капитальных затрат.

Регулирование процессов теплообмена в помещениях с учетом режима их эксплуатации и внешних климатических условий открывает значительные резервы для экономии тепловой энергии. Одним из перспективных технических решений, позволяющих сократить энергопотребление при обеспечении комфортных параметров микроклимата, является использование теплоаккумулирующей способности наружных ограждающих конструкций. Так как в настоящее время краткосрочный (до 24 часов) прогноз внешних климатических условий имеет незначительную погрешность, а для многих помещений заранее известны режимы их эксплуатации, то выбор режима работы

систем кондиционирования воздуха может определятся на основании экстраполяции решения оптимизационной задачи. Целевая функция такой задачи объединяет критерии качества микроклимата и энергетической эффективности, а нестационарные вентиляционные воздушные потоки, а также внутренние и трансмиссионные тепловые потоки рассматриваются как внешние и внутренние возмущения и ограничения.

Как показывает практика, фактическое энергопотребление жилых и общественных зданий существенно превосходит расчетное, нормированное государственными стандартами. Необходимость повышения эффективности систем кондиционирования с учетом особенностей эксплуатации зданий и климатических условий определяет актуальность диссертационного исследования.

Глава 1

Первая глава посвящена обзору литературных источников. Рассмотрен опыт проектирования энергоэффективных зданий в России и за рубежом, который показал значительное отставание России в области проектирования и строительства высоко энергоэффективных зданий от развитых старн Европы, США, Канады и др. В то время как в странах Европейского союза с 2020 года будет разрешено строительство только тех зданий и сооружений, которые удовлетворяют требованиям энергоэффективности не ниже пассивного дома, в нашей стране разработано всего несколько проектов экспериментальных энергосберегающих жилых домов.

Помимо этого, был проведен анализ архитектурно-строительных решений, теплозащитных свойств ограждающих конструкций и влияния остекления на потенциал энергосбережения зданий и сооружений, который показал, что большинство эксплуатируемых зданий, построенных по нормативным документам прежних лет, не соответствуют современным требованиям к энерго -ресурсосбережению.

Произведенный анализ исследований в области оптимизации тепловой эффективности зданий и систем кондиционирования воздуха, а также в области формирования комфортных параметров микроклимата отечественных и зарубежных ученых, таких как Богословский В.Н., Гримитлин М. И., Кутателадзе С.С., Кокорин О.Я., Иванов О.П., Сотников А.Г., Цветков Ю. Н., Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Дацюк Т.А., Уляшева В.М., Головина Е. Г., Сулин А.Б., Лучаков Ю.И., Иванова К.П., H. Hausen, G. Reklaitis, A. Ravindran, M. Cook, G. Hunt и др. показал отсутствие комплексного подхода к оптимизации проектных решений систем кондиционирования воздуха и систем управления.

Обоснована актуальность работы, сформулированы научные проблемы,

научная новизна, цель, которую ставит перед собой автор.

Глава 2

Во второй главе рассмотрены параметрический и структурный методы оптимизации, сформулирована задача оптимального проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха жилых и общественных зданий, проведен анализ изменения параметров наружного воздуха, приведены требования государственных стандартов к микроклимату помещений, проведен расчет оптимальности проектных решений систем кондиционирования воздуха на основании предложенных критериев качества.

В качестве изменяемых параметров при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха могут выступать параметры наружного воздуха и параметры воздуха, поддерживаемые в помещении.

Динамические процессы на планете за последние десятилетия, связанные, в первую очередь, с антропогенными выбросами парниковых газов и разрушением озонового слоя, приводят к существенному изменению климата и повышению среднегодовой температуры наружного воздуха. В связи с этим, данные о

климатических условиях, приведенные в нормативных документах, ставятся под сомнение и нуждаются в мониторинге и постоянном уточнении.

На основании данных, представленных интернет-ресурсом rp5.ru, который хранит архивные значения параметров наружного воздуха по дням и с периодичность в 3 часа, было проведено исследование изменения максимальных, минимальных и среднемесячных температур наружного воздуха для г. Санкт-Петербург в июле и феврале за последние пятнадцать лет. Значения температур наружного воздуха в июле и феврале, а также их сравнение с расчетными параметрами микроклимата для проектирования систем обеспечения микроклимата по требованиям СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» представлено на рисунках 1 и 2.

40

35

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Год

^■Максимальное значение Среднее значение "Строительная климатология"

Рисунок 1 - Параметры наружного воздуха в июле

-29 -24 О -19

1

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Год

^■Минимальное значение Среднее значение "Строительная климатология"

Рисунок 2 - Параметры наружного воздуха в феврале

Стоит отметить, что пиковые значения температуры наружного воздуха носят кратковременных характер, и сохраняют свои значения, как правило, не более 3х часов.

Уменьшение значений расчетных параметров наружного воздуха в холодный период года, оглядываясь на архивные данные, позволит уменьшить нагрузку на системы отопления до 25 %, в то время как в теплый период года это может позволить отказаться от установки секции охлаждения в системах центрального кондиционирования.

Изменение параметров микроклимата в пределах оптимальных значений, поддерживаемых системами кондиционирования воздуха, позволяет сократить расходование электроэнергии - изменение поддерживаемой температуры в помещении в теплый период года с 23 °С до 25 °С позволяет экономить до 10 % затрачиваемой электроэнергии и обеспечивает более быстрый выход помещения на температурный режим. Учитывая тенденцию к проектированию и строительству многоэтажных бизнес-центров с большим числом арендаторов, поддержание параметров микроклимата в теплый период года по верхней границе

оптимальных значений, позволяет значительно сократить потребление энергоресурсов.

Обобщенным критерием качества кондиционирования воздуха может выступать мультипликативный критерий, который объединяет частные критерии:

кк = (1)

где Кк - критерий качества кондиционирования воздуха; шво - весовые

коэффициенты соответствующих частных критериев - температуры, относительной влажности воздуха, подвижности и кратности воздухообмена.

Недостатком мультипликативного критерия является субъективный подход к выбору весовых коэффициентов и возможность взаимной компенсации одних критериев другими. Условие (1), при котором Кк > 0, может рассматриваться как необходимое для оптимизации проектного решения. Выполнение этого условия означает, что система кондиционирования обеспечивает параметры микроклимата, по меньшей мере, в области допустимых значений. Если прологарифмировать мультипликативный критерий, то получим аддитивный критерий:

Кк = ^ВД) + ш(рК(р(^) + шуКу(у) + шв°Кв°(Мв°) (2)

Так как все частные критерии изменяются в диапазоне 0 — 1, то в формулу не входит нормирующий множитель. Если весовые коэффициенты также заданы в диапазоне 0 — 1, то максимально значение коэффициента качества микроклимата равно числу частных критериев. Нормированный обобщенный критерий качества микроклимата вычисляется по формуле:

кк=11^=1к1 (3)

где К1

— частный критерий, п —количество частных критериев.

Глава 3

Третья глава посвящена разработке нестационарной математической модели теплового баланса помещений. Разработаны математические модели теплового баланса помещения, тепловых балансов ограждения, математическая модель лучистого теплообмена. Предложен конечно-разностный аналог уравнения теплового баланса, позволяющий определять величины тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, величины температур в помещении, внутри ограждения и на его поверхностях, что способствует, в зависимости от режима работы здания, формированию оптимального режима функционирования систем обеспечения микроклимата.

Тепловой баланс помещения составляется для определения избытков или недостатков теплоты, которые должны компенсировать системы кондиционирования воздуха. В холодный период года имеет место недостаток теплоты, компенсирующийся системами отопления, в теплый же - ее избыток, компенсирующийся системами кондиционирования.

Уравнение теплового баланса помещения имеет вид:

Q2 - Qi = Qout - Qin, (4)

где Q1 - количество теплоты в помещении в момент времени (к), Вт:

Qi = tik) • Ca • Pa • Vin, (5)

(k)

где q - температура в помещении в момент времени (к), °С; ca - теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); pa - плотность воздуха, кг/м3; Vin- объем помещения, м3.

Q2 - количество теплоты в помещении в момент времени (к+1), Вт:

Q2 = tik+1) • Ca • Pa • Vin, (6)

где t(k+1) - температура в помещении в момент времени (к+1), °С, ca -теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); pa - плотность воздуха, кг/м3; Vin- объем помещения, м3.

Qin - количество теплоты, вошедшей (вышедшей) с тепловым потоком qin,

Вт:

Q¿n = q(n 2) • Лт, (7)

^ л . (к+1) .(к) где -суммарные теплопоступления в помещение, Вт; Лт = 4 4 - шаг по

времени, с.

Qout - количество теплоты, вошедшей (вышедшей) в ограждение, Вт:

Qout = 2)

2У 1 - «1п • Fin • Лт, (8)

где ¿2 - температура внутренней поверхности ограждения, °С; - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2-°С); - площадь внутренней поверхности ограждения, м2.

Конечная разностная форма записи уравнения теплового баланса помещения имеет вид:

= 1 (я£? + чГ}) ■ 4т - 1а,„ ■ ■ 4т ■ (£*+« +- - С2(«).

Разделив левую и правую часть уравнения на ^т и полагая, что ^т ^ 0 получим дифференциальное уравнение теплового баланса:

Са • Ра • Цп ^ = «¿п • - ^2) + Чт (9)

Начальное условие для уравнения (7):

^ = при т = 0 (10)

где — начальная температура воздуха в помещении.

Процессы переноса теплоты через ограждающие конструкции зданий и сооружений связаны со всеми видами теплообмена, однако, в твердых материалах конструкций стен перенос тепла осуществляется путем теплопроводности (рисунок 3). Воздух помещения с температурой отдает (забирает) теплоту внутренним поверхностям ограждающих конструкций, которая затем распределяется по толщине ограждения. Схема изменения температуры в ограждении показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема изменения температуры ограждения

Уравнение нестационарной теплопроводности имеет вид:

м

й2г

2 С11)

где Лш - теплопроводность материала ограждения, Вт/(м-°С); сш - теплоемкость материала ограждения, Дж/(кг°С); - плотность материала ограждения, кг/м3.

При решении оптимизационной задачи проводится многократное итерационное решение системы. Для сокращения общего времени расчёта на начальных шагах итерационного процесса изменение температуры ограждения аппроксимируется полиномом второй степени, а решение по временной координате проводится по явной схеме.

Са-Ра ■ Уы ■ - = = ( &П + Qout) -Дт--аы- Ьп ■ Ат ■ + 4- 4+1 - 4)

«п ■ (4+1 - 4+1) = $ ■ (4+1 - 4+1)

>. 1+1

—*

£2 +

Ат

cw'Pw

Ах2

а

(+1 + 1 — + — $ Г+1 + 1 — + ( 14 1 ои г ) = и' (13 14 )

оиЬ

к

(12)

Таким образом математическая модель теплового баланса помещения сводится к последовательному решению четырех алгебраических уравнений на каждом временном слое.

На основании разработанной математической модели были проведено моделирование изменения параметров микроклимата учебной лаборатории 4212 Университета ИТМО. Исходные данные для расчета (температура наружного воздуха, теплопоступления от оборудования, архитектурно-строительные характеристики) принимались в соответствии с экспериментальными данными, представленными в главе 5. Результаты математического моделирования представлены на рисунках 4 - 6. Стоит отметить, что выполненные расчеты по моделированию параметров микроклимата помещения показали хорошую сходимость с экспериментальными данными, отклонения от фактических измеренных значений не превышает 5 %.

24

22 20

------

и 16----- О 14

Л 12 Й 10 та а о (и 8 И ,

Е --- Н 4

2

0

-2

-4

-6

0 20 32 46 59 80 105 132 183

Время измерений, мин.

-1 пом.-1 внутр. пов -1 огр.-1 нар. пов.

8 6 4 2

0 18 33 75 140 185 245 305

Время измерений, мин. -1 пом. -1 внутр. пов. -1 огр. -1 нар. пов.

Рисунок 5 - Параметры микроклимата помещения по данным эксперимента №2

н

0 -5 -10

0 12 40 85 115 160 210 265 320 385

Время измеренеий, мин.

1пом. (внутр.пов. Югр. Шар.пов.

Глава 4

В четвертой главе рассматривается математическая модель управления тепловым режимом помещения. Учтены особенности и методы управления комфортными системами кондиционирования воздуха. Рассмотрены целевая функция оптимизационной задачи и методы ее решения. Предложена математическая модель оптимального управления тепловым режимом, алгоритм и программа расчета оптимального режима управления.

Целевая функция задачи оптимального управления систем кондиционирования воздуха представляет собой свертку критериев качества микроклимата и энергетических затрат на формирование этого микроклимата.

Обобщенным критерием качества микроклимата является мультипликативный критерий, который объединяет частные критерии:

^ = (13)

где ^ - критерий качества кондиционирования воздуха; ^В0 - весовые

коэффициенты соответствующих частных критериев.

Показателем качества энергетической эффективности является общее количество В качестве общей целевой функции (критерия оптимальности) принят

взвешенный аддитивный критерий вида.

£

^опт = % ^ - % ^ = % ^ - (14)

где % — весовой параметр качества микроклимата (коэффициент значимости), — весовой коэффициент значимости энергетической эффективности, Е — энергия, потребляемая СКВ, ^ — нормирующий коэффициент, — критерий качества энергопотребления.

Максимум целевой функции (1 5) обеспечивает наилучшее качество микроклимата при наименьших затратах энергии.

Коэффициенты % и зависят от назначения и особенностей эксплуатации кондиционируемого помещения и определяются на основании экспертных оценок или технического задания на проектирование.

Модель управления может быть формализована в виде оптимизационной задачи.

ехГг = Р(и) ,и Е йц (16)

где F - целевая функция, и - вектор управления, Бу - допустимая область существования переменных управления. Таким образом необходимо найти оптимальное управление СКВ, обеспечивающее экстремум (максимум) целевой

функции.

Вектор управления состоит из двух элементов:

и = Ец,Ев (17)

ЕЧ=Г($Ч, Ев=Г(Св^в,т) (18)

где Qq - мощность отопительного прибора, вв - расход приточного воздуха, t В -температура приточного воздуха, т - время.

Управление определяется в узлах временной сетки с постоянным шагом:

т= Ат • и 1 = 0,1,2........п, Ат = тх/п (19)

где тх - общее время (24 часа).

Внешняя температура 1оиг(т), внутренние теплопоступления Qiп (т) и график пребывания людей в помещении также определены в узлах временной сетки.

Отопительный прибор и приточную вентиляцию можно рассматривать как звенья системы управления. Динамические свойства звеньев определяются их переходными (временными) к(т) или весовыми w(т) характеристиками. Переходная характеристика представляет собой реакцию на выходе звена, вызванную подачей на вход единичного ступенчатого воздействия. Весовая характеристика — это реакция звена при подаче на вход единичного импульса. Переходная и весовая функции связаны зависимостью,

Кт) = Ц w(т) Ох (20)

В теории автоматического управления принято оценивать динамические свойства звена по весовым функциям. Анализ переходных характеристик

отопительных приборов и вентиляционных устройств показывает, что они имеют экспоненциальную форму.

к 1

ш(т)=^-г (21)

где к = — — отношение выходной и входной величин в установившемся

статическом режиме, Т — длительность переходного процесса. Передаточную функцию такого апериодического звена принято записывать в виде:

Ш = — (22)

Тр+1 4 '

а

где р = — .

Анализ процессов в машинах и аппаратах климатической техники показывает, что если длительность переходных процессов значительно меньше шага временной сетки Т « Дт , то инерционностью апериодических звеньев можно пренебречь, т.е. Т = 0, у =

Область существования Э может включать помимо верхних и нижних границ переменных оптимизационной задачи дополнительные условия накладывающие ограничения на допустимые значения вектора состояния X.

На основании разработанной математической модели режимов оптимального управления было произведено моделирование процессов изменения параметров микроклимата в помещении. Исходными условиями для моделирования процессов управления являются график изменения среднесуточной температуры наружного воздуха в феврале (рисунок 7) и график пребывания в помещении людей (рисунок 8).

Рисунок 7 - График изменения температуры наружного воздуха

Рисунок 8 - График изменения теплопоступлений в помещении

Результаты математического моделирования режимов управления системами кондиционирования воздуха представлены на рисунках 9-11.

900

35

М 100

0 -

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Время , ч

Рисунок 9 - Требуемая величина теплопоступлений при выбранных весовых коэффициентах ^ = 0,5, ^В0 = 0,5, = 0,5, = 0,5

900

35

М 100

0 -

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Время , ч

Рисунок 10 - Требуемая величина теплопоступлений при выбранных весовых коэффициентах ^ = 0,8, ^В0 = 0,2, = 0,5, = 0,5

Время , ч

Рисунок 11 - Требуемая величина теплопоступлений при выбранных весовых коэффициентах К = 0,2, Кво = 0,8, Ктк = 0,2, Ке = 0,8

В качестве начального режима управления был выбран режим с одинаковыми весовыми коэффициентами критериев качества (рисунок 9). Из расчета следует, что такой вариант управления является самым энергозатратным.

Режим управления, при котором поддерживается оптимальная температура воздуха в помещении, которая составляет 20 °С (рисунок 10), по энергозатратам является промежуточным решением с относительно высоким уровнем энергопотребления, однако позволяет обеспечивать комфортные условия пребывания и жизнедеятельности людей.

Режим управления, направленный на уменьшение потребления энергии (рисунок 11) является самым экономичным с точки зрения энергозатрат, однако, обеспечение комфортных параметров микроклимата отходит на второй план, в помещении поддерживается температура воздуха порядка 18 °С.

Как видно из графиков, при использовании методов управления системами кондиционирования воздуха, направленных на обеспечение и поддержание комфортных параметров микроклимата, затрачивается большее количество теплоты, нежели при использовании методов управления, направленных на минимизацию потребления энергоресурсов. Разница энергопотребления

представленных методов составляет порядка 25 % для рассматриваемого помещения, при этом, вариант управления, при котором выбранные критерии качества принимают одинаковые значения, отличается наибольшим энергопотреблением.

Применение методов управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, в зависимости от выбранных критериев качества, позволяет сформировать оптимальные параметры микроклимата помещений зданий и сооружений при минимизации затрат энергоресурсов на поддержание функционирования этих систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шилин Александр Сергеевич, 2020 год

Литература

1. Кувшинов Ю. Я., Самарин О. Д. Основы обеспечения микроклимата зданий: учебник для вузов. — М.: АСВ, 2012. 200 с.

2. Сотников А. Г. Проектирование и расчет систем вентиляции и кондиционирования воздуха / Полный комплекс требований, исходных данных и расчетной информации для СО, СПВ, СКВ, СГВС и СХС (в 2-х томах с продолжением). Т. 1. — СПб. 2013. 423 с.

3. ГОСТ Р 55656-2013 (ИСО 13790:2008) Энергетические характеристики зданий. Расчет использования энергии для отопления помещений. — М.: Стандартинформ, 2014. 28 с.

4. Рымкевич А. А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1990. 300 с.

5. Белова Е. М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. — М.: Евроклимат, 2006. 640 с.

6. Сотников А. Г. Проектирование и расчет систем вентиляции и кондиционирования воздуха // Полный комплекс требований, исходных данных и расчетной информации для СО, СПВ, СКВ, СГВС и СХС (в 2-х томах с продолжением). Т. 2. СПб, 2013. 423 с.: ил.

7. Богословский В. Н., Кокорин О. Я., Петров Л. В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. — М.: Стройиздат, 1985. 416 с.

8. Кувшинов Ю. Я. Энергосбережение в системе микроклимата зданий. — М.: АСВ, 2010. 320 с.

9. Богословский В. Н. Строительная теплофизика (теплофи-зические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). — М.: Высш. школа, 1970. 376 с.

10. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Ч. 1-6. Вып. 1-35. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990-1999.

11. Лысёв В. И., Коцюлим Н. Н., Кучанский В. А. Оценка энергопотребления для отопления и охлаждения зданий. // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. 2018. № 1 С. 24-29.

12. Лысёв В. И., Коцюлим Н. Н., Кучанский В. А. Расчет энергопотребления для отопления и охлаждения зданий. // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. 2018. № 1 С. 1-12.

13. Кокорин О. Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — М.: Издательство физико-математической литературы, 2003. 278 с.

14. Лысёв В. И., Чурюмов М. С., Шилин А. С. Энергетические показатели зданий учебных корпусов. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. 2015. № 1. С. 33-37.

15. Лысёв В. И., Шилин А. С. Результаты энергетического обследования здания общежития. В сборнике: VII Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в ХХ1 веке». СПб.: Университет ИТМО, 2015, С. 398-401.

References

1. Kuvshinov Yu. Ya., Samarin O. D. Fundamentals of building microclimate: a textbook for high schools. Moscow, ACB, 2012. 200 p. (in Russian)

2. Sotnikov A. G. Design and calculation of ventilation and air-conditioning systems. Full set of requirements, initial data and calculated information for CO, SPV, SLE, SGS and SHS (in 2 volumes with continuation). Vol. 1. SPb, 2013, 423 p. (in Russian)

3. GOST P 55656-2013 (ISO 13790:2008) Energy performance of buildings. Calculation of energy use for space heating and cooling. Moscow, Standartinform, 2014. 28 p. (in Russian)

4. Rymkevich A. A. System analysis of optimization of general ventilation and air-conditioning. Moscow, Stroiizdat, 1990, 300 p. (in Russian)

5. Belova E. M. Central air-conditioning system in buildings. Moscow, Euroclimate, 2006, 640 p. (in Russian)

6. Sotnikov A. G. Design and calculation of ventilation and air-conditioning systems. Full set of requirements, initial data and calculated information for CO, SPV, SLE, SGS and SHS (in 2 volumes with continuation). Vol. 2.SPb, 2013. 423 p. (in Russian)

7. Bogoslovkij V. N., Kokorin O. YA., Petrov L. V. Air conditioning and cold water supply. Moscow, Stroiizdat, 1985, 416 p. (in Russian)

8. Kuvshinov Yu. Ya. Energy saving in the microclimate system of buildings. M.: ACB, 2010, 320 p. (in Russian)

9. Bogoslovkij V. N. Construction thermophysics (thermophysical fundamentals of heating, ventilation and air conditioning) Textbook for universities. Moscow, Higher School, 1970, 376 p. (in Russian)

10. Scientific and applied book on climate of USSR. Ser. 3. Part 1-6. Vol. 1-35. Leningrad, Hydrometeorological publishing house, 1990-1999. (in Russian)

11. Lysev V. I., Kothyuim N. N., Kuchanskiy V. A. Assessment of energy consumption for heating and cooling buildings. Scientific journal of ITMO. Series: Refrieration and air conditioning. 2018. No 1. pp. 24-29. (in Russian)

12. Lysev V. I., Kothyuim N. N., Kuchanskiy V. A. Calculation of Energy use for space heating and cooling buildings. Scientific journal of ITMO. Series: Refrieration and air conditioning. 2018. No 1. pp. 1-12. (in Russian)

13. Kokorin O. Ya. Modern air conditioning systems. Moscow, Publishing house of physical and mathematical literature, 2003, 278 p.

14. Lysev V. I., Churyumov M. S., Shilin A. S. Energy indicators of educational buildings. Scientific journal of ITMO. Series: Refrieration and air conditioning. 2015. No 1. pp. 33-37. (in Russian)

15. Lysev V. I., Shilin A. S. The results of the energy survey of the hostel building. In the collection: VII International Scientific and Technical Conference "Low-Temperature and Food Technologies in the 21st Century". Saint-Petersburg, ITMO University. 2015, pp. 398-401. (in Russian)

Сведения об авторах

Лысёв Владимир Иванович

к. т. н., ст. преподаватель факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Цыганков Александр Васильевич

д. т. н., профессор факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Шилин Александр Сергеевич

аспирант факультета низкотемпературной энергетики Университета ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, [e-mail]

Information about authors

Lysev Vladimir Ivanovich

Ph. D., Senior Lecturer of Faculty of Cryogenic

Engeneering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg,

Lomonosov str., 9, [e-mail]

Tsygankov Aleksandr Vasilevich

D. Sc., Professor of Faculty of Cryogenic

Engeneering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg,

Lomonosov str., 9, [e-mail]

Shilin Aleksandr Sergeevich

Postgraduate Student of Faculty of Cryogenic Engeneering of ITMO University, 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9, [e-mail]

Поздравляем с юбилеем О. Б. Цветкова!

7 сентября 2019 г. исполнилось 80 лет известному ученому-теплофизику, талантливому педагогу, доктору технических наук, профессору мегафакуль-тета биотехнологий и низкотемпературной энергетики Университета ИТМО — Олегу Борисовичу Цветкову.

Олег Борисович родился в Ленинграде. В 1961 г. с отличием окончил ЛТИХП. Сталинский стипендиат. В декабре 1965 г. защитил кандидатскую диссертацию. С 1968 по 1970 гг. преподавал в Камбодже. С января 1971 г. — начальник НИСа ЛТИХП. Избран секретарем парткома вуза в 1973 г. Стажировался в США. Докторскую диссертацию защитил в 1983 г. Проректор ЛТИХП по научной работе с 1983 по 1998 годы. С 1985 г. — профессор, а с февраля 1991 г. по август 2017 г. заведовал кафедрой «Теоретические основы тепло-и хладотехники».

В 1993 г. Цветкову О. Б. присвоено почетное звание Заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации. Академик Международной академии холода (МАХ), председатель Санкт-Петербургского регионального отделения, вице-президент МАХ с 1999 г.

Цветков О. Б. — член Международного института холода (МИХ), избирался вице-президентом комиссии В1 МИХ. Член Нью-йоркской академии наук, член Международного комитета ИЮПАК, член-корреспондент Международной академии наук высшей школы и Санкт-Петербургской инженерной академии. С 1983 г. — председатель рабочей группы «Свойства хладагентов и теплоносителей» и член Президиума Научного Совета РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика».

Олег Борисович — член трех специализированных советов по присуждению ученых степеней Университета ИТМО и СПбГПУ Петра Великого.

Цветков О. Б. является членом редакционных коллегий журналов «Холодильная техника», «Холодильный бизнес» и «Вестник Международной академии холода». Лауреат Премии Правительства России в области науки и техники за 2007 г. Принимает активное участие в работе Торгово-промышленной палаты РФ по предпринимательству в агропромышленной сфере, экспертной комиссии по рассмотрению проектов таблиц ССД Госстандарта РФ, экспертной группы по лицензионной экспертизе на право ведения образовательной деятельности Администрации Санкт-Петербурга. Эксперт двух научных фондов РФ.

Автор более 350 печатных работ, монографий, учебников, учебных пособий, изобретений, госстандартов, статей и докладов по проблемам воздействия холодильных агентов на озоновый слой и парниковый эффект, применения экологически безопасных и энергоэффективных рабочих веществ низкотемпературной техники.

Дорогой Олег Борисович, от всей души поздравляем Вас с Вашим прекрасным юбилеем! Желаем здоровья, оптимизма и дальнейших творческих успехов!

Президиум Международной академии холода, редакция журнала «Вестник МАХ»

ВАК

* ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ВИЭ "

Оценка

энергетической эффективности отопления зданий

Рецензия эксперта на статью получена 25.11.2019 [Expert review on the article received on October 25, 2019].

Введение

Наибольшее энергопотребление жилыми и общественными зданиями на большей части территории России происходит в зимний отопительный период. Здания и сооружений оборудуются техническими системами, обеспечивающими необходимое (комфортное) состояние воздушной среды в помещениях. К системам обеспечения микроклимата относятся системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВиК). Класс энергетической эффективности здания определяет финансирование, очерёдность и объём модернизации инженерных систем зданий и ограждающих конструкций. Поэтому оценки энергоэффективности имеют существенное экономическое значение для собственников зданий, эксплуатирующих организаций и органов государственного надзора и управления. Имеющиеся результаты в рассматриваемой области показывают существенное различие в оценке энергетической эффективности зданий. Целью работы является определение расчётных и нормируемых характеристик энергопотребления и их сопоставление с фактическими значениями.

Основной раздел

Определение энергетической эффективности на этапах проектирования или модернизации здания выполняется в соответствии нормативными документами.

В стандарте ГОСТ Р 55656-2013 [1] приводятся указания и рекомендации по расчёту годовых затрат энергии на поддержание микроклимата в помещениях здания при его отоплении и охлаждении.

Класс энергоэффективности здания определяет финансирование, очерёдность и объём модернизации инженерных систем зданий и ограждающих конструкций. Оценки энергоэффективности имеют экономическое значение для собственников зданий, эксплуатирующих организаций и органов государственного надзора и управления

На величину энергии, потребляемой системами обеспечения микроклимата, влияют следующие факторы [2, 3]:

□ нормируемые параметры микроклимата (прежде всего расчётная температура воздуха в помещениях здания);

□ объёмно-планировочные решения и теплотехнические характеристики ограждающих конструкций здания;

□ внутренние источники поступлений теплоты в помещения здания;

□ расход наружного приточного воздуха;

□ климатические параметры региона, в котором находится здание.

УДК628.8. Номер специальности: 05.23.03. UDC 628.8. The number of scientific speciality: 05.23.03.

Оценка энергетической эффективности отопления зданий В. И. Лысёв, к.т.н., инженер; А. В. Цыганков, д.т.н., профессор, доцент; А. К. Рубцов, к.т.н., ассистент; А. С. Шилин, аспирант, факультет низкотемпературной энергетики (ФНТЭ), Национальный исследовательский университет ИТМО (НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург) Выполнен анализ действующих нормативных документов по расчёту годовых расходов тепловой энергии, потребляемых системами обеспечения микроклимата в помещениях зданий. Определена ожидаемая величина энергопотребления здания за отопительный период. Приведены расчёты на примере зданий учебного корпуса и общежития Университета ИТ-МО. Выполнена оценка энергетических показателей зданий, позволяющая устанавливать их энергетическую эффективность. Ключевые слова: потребление теплоты, система отопления, отопительный период, энергопотребление здания. Estimation of energy efficient of heating buildings V. I. Lysev, PhD, engineer; A. V. Tsygankov, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Associate Professor; A. K. Rubtsov, PhD, assistant; A. S. Shilin, postgraduate student, the Faculty of Cryogenic Engineering, ITMO University (St. Petersburg city) The analysis of the current regulatory documents on the calculation of the annual consumption of thermal energy consumed by the microclimate supply systems in the premises of buildings is carried out. The expected energy consumption of the building for the heating period has been determined. The calculations are given on the example of buildings of the academic building and the dormitory of the ITMO University. An estimation of the energy performance of buildings, allowing establishing their energy efficiency has been made. Keywords: heating consumption, heating system, heating season, building energy consumption.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ВИЭ

Для анализа оценок энергоэффективности, полученных расчётным путём и по результатам фактического энергопотребления, были обследованы здания учебного корпуса и студенческого общежития Университета ИТМО. Здания расположены в городе Санкт-Петербурге, построены около 50 лет назад, близки по объёму и эксплуатируются одной организацией. Архитектурные и теплотехнические характеристики зданий приведены в табл. 1.

Приведённый трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания кзд [Вт/ (м2-°С)] определялся с учётом действовавших норм проектирования [4] как осред-нённое по площади значение термических сопротивлений внешних ограждающих элементов [5]:

^нс | -^ост | ^покр ^ ^пола | ^дв

I _ -^нс -^ост -^покр -^пола ^дн

кзД- ^ ■ и;

В работе [6] показано, что в процессе эксплуатации здания возможно увели-

чение коэффициента теплопроводности наружных ограждающих конструкций, поэтому в дальнейших расчётах использовался трансмиссионный коэффициент теплопередачи, увеличенный на 20 %.

Параметры функционирования зданий обобщены в табл. 2.

Архитектурные и теплотехнические характеристики зданий

табл. 1

Рассмотрим отдельные составляющие теплового баланса систем обеспечения микроклимата [7, 8, 9]. Трансмиссионные потери теплоты QоГр через наружные ограждающие конструкции:

Qогр = (кзд ^-^огрХ^в.от — ^от.ср) 2оп, (2)

где 2^огр — общая (суммарная) площадь внутренних поверхностей наружных ограждений здания, м2; ^.от — средневзвешенное значение температуры воздуха в помещениях за отопительный период, °С; г:ох.ср — среднее значение температуры наружного воздуха за отопительный период, °С; гоп — продолжительность отопительного периода, ч.

По данным СП 131.13330.2012 [10], для Санкт-Петербурга средняя продолжительность отопительного периода гоп = = 232 сут. (5112 ч) при среднем значении температуры наружного воздуха г:ох.ср = = -1,3 °С. Рекомендуемое значение температуры воздуха в помещениях в течении отопительного периода принимается как минимальное значение из оптимальной нормы для холодного периода года ¿в.от = 20 °С [11].

Характеристика здания Учебный корпус Общежитие

Отапливаемый объём здания Узд, м3 20 000 22 000

Общая площадь наружных ограждений 2РоГр, м2 5000 7000

Площадь наружных стен Fнс, м2 3000 4000

Площадь остекления FосI, м2 580 960

Площадь покрытий РпоКр, м2 700 1000

Площадь пола первого этажа Fп0ла, м2 700 1000

Площадь входных дверей Fдв, м2 20 40

Расчётная (жилая) площадь помещений Ррасч, м2 4000 4000

Термическое сопротивление наружных стен Янс, (м2 • °С)/ Вт 0,71 0,71

Термическое сопротивление остекления Яост, (м2 °С)/Вт 0,51 0,51

Термическое сопротивление покрытий ВпоКр, (м2°С)/Вт 1,06 1,06

Термическое сопротивление пола 1-го этажа Япожа, (м2°С)/Вт 0,88 0,88

Термическое сопротивление входных дверей Ядв, (м2 °С)/Вт 0,48 0,48

Приведённый трансмиссионный коэффициента теплопередачи здания кзд, (м2'°С)/Вт 1,372 1,383

То же, при учёте условий эксплуатации 1,2кзд, (м2°С)/Вт 1,650 1,660

" Параметры функционирования зданий табл. 2

Параметр Учебный корпус Общежитие

Тепловыделения от одного человека qчеж, Вт 90 90

Расчётное число персон (людей) пчел, чел. 400 500

Длительность присутствия людей в течение недели тчел, ч (6x6) (18x7)

Заполняемость помещений людьми рчел 0,50 0,80

Удельная установленная мощность освещения q0св, Вт/м2 10 10

Средняя продолжительность работы освещения в неделю тосв, ч (6x6) (18x7)

Среднее значение удельной установочной мощности (теплового потока) от оргтехники и др. внутренних источников теплоты q0рг, Вт/м2 10 10

Длительность работы оргтехники и других внутренних источников теплоты в неделю торг, ч (6x6) (10x7)

Доля одновременно работающих источников теплоты рорг 0,5 0,5

Число часов в неделе т, ч 168 168

Расчётная площадь помещений Ррасч, м2 4000 4000

Для анализа оценок энергеоэф-фективности, полученных расчётным путём и по результатам фактического энергопотребления, были обследованы здания учебного корпуса и студенческого общежития Университета ИТМО. Здания расположены в Санкт-Петербурге, построены около 50 лет назад, близки по объёму и эксплуатируются одной организацией

Затраты энергии Qвен на нагрев наружного приточного воздуха с учётом рабочего времени функционирования систем вентиляции (и кондиционирования):

Qвен = ^вРв ^в(^в.от — £от.ср) ^оп крв, (3)

где св — удельная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг-°С); рв — среднее за отопительный период значение плотности наружного воздуха, кг/м3; Ьв — расход наружного приточного воздуха, м3/с; крв — коэффициент рабочего времени системы вентиляции.

В зданиях с оконными блоками, при отсутствии приточных устройств, приток наружного воздуха происходит в основном за счёт проветривания и воздухопроницаемости ограждающих конструкций [12]. Согласно СП 50.13330.2012 [5] для оконных блоков массовая воздухопроницаемость с наветренной стороны фасадов здания Ьв = 5 кг/(м2-ч).

91

Сантехника Отопление Кондиционирование

. . . ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ВИЭ

Эта величина принята для расчёта объёмного расхода наружного приточного воздуха Ьв [5]:

1в = 1800-^огр. Рв

(4)

Учебное здание работает шесть дней в неделю с 9:00 до 15:00 (36 ч в неделю в сумме). Коэффициент рабочего времени ^рв = 36/168 = 0,214. С учётом длительности присутствия людей в здании общежития (табл. 2) ^рв = 0,75.

Поступления теплоты от внутренних источников Qвн за рассматриваемый отопительный период [5]:

Qвн = (^вн ^расч) ^оп, (5)

где qвн — удельные поступления теплоты, Вт/м2.

Удельные внутренние теплопоступле-ния определялись согласно рекомендациям ГОСТ Р 55656-2013 [1] по формуле (4) и составили для зданий учебного корпуса и общежития 4,0 и 16,0 Вт/м2 (табл. 2), соответственно:

*2чел ^чел ^чел Рчел *?осв ^'расч ^осв

<?вн=-р---+

^' расч

^орг^расч^оргРорг /

-Р-' ^ '

^ расч

Поступление теплоты от солнечной радиации не учитывалось, поскольку в зимний период оно мало по сравнению с другими теплопритоками и не стабильно во времени.

Потребление энергии, необходимой на отопление и вентиляцию здания, с учётом теплопоступлений от внутренних источников, определяется как [1]:

Qов = №огр + Q венУ х!вн У, (7)

где У — коэффициент, учитывающий снижение теплопоступлений за счёт тепловой инерции ограждающих конструкций (по рекомендациям СП 50.13330.2012 может быть принят равным У = 0,8).

Для определения энергетических характеристик уже эксплуатируемых зданий предлагается следующая последовательность действий [13, 14]:

□ обследование здания с целью определения фактических значений его объёмно-планировочных и теплотехнических характеристик;

□ выявление (по приборам учёта) фактических величин потребляемых ресурсов и вычисление (по методикам нормативных документов) расчётных величин соответствующих ресурсов;

□ сопоставление фактических и расчётных величин потребляемых ресурсов и определение энергетической эффективности здания.

Результаты расчётов по приведённым выше зависимостям и фактическое по-

Проведённое энергетическое обследование зданий учебного корпуса и общежития Университета ИТМО выявило существенное расхождение между расчётными, нормируемыми и фактическими характеристиками энергопотребления в отопительный период

требление энергии, измеренное приборами учёта тепловой энергии, обобщены в табл. 3. Как видно, основная доля тепловой энергии приходится на компенсацию потерь теплоты через наружные ограждающие конструкции здания. Потребление энергии на вентиляцию в обоих зданиях — около 5 % от трансмиссионных потерь. Поэтому можно полагать, что погрешности расчётов, связанные с неопре-

Потребление тепловой энергии

делённостью режимов работы вытяжной вентиляции без механического побуждения, не оказывают существенного влияния на конечную оценку эффективности. Поступление теплоты от внутренних источников в здании общежития в пять раз больше, чем в учебном корпусе, что уже соизмеримо с трансмиссионными потерями. Это объясняется тем, что коэффициент рабочего времени для общежития значительно больше, чем для учебного корпуса.

Значительное превышение потребляемой энергии (по приборам учёта) по отношению к расчётным величинам (20 % и 36 %) связано с особенностями эксплуатации и теплоснабжения конкретных зданий или с несовершенством расчётных методов, а вероятнее всего — с комбинацией обоих факторов. Необходимо учесть, что приведённый трансмиссионный коэффициент теплопередачи был увеличен на 20 %, что существенно снизило расхождение между фактическим и расчётным потреблением энергии.

Следует отметить, что используемые в расчётах исходные данные и рекомендации, приведённые в нормативных документах, как правило, представляют собой среднее значение диапазона возможных значений либо носят вероятностный характер. Поэтому полученные расчётные и фактические характеристики энергопотребления системами ОВиК также в значительной мере являются вероятностными [1].

табл. 3

Параметр Учебный корпус Общежитие

Потребление энергии на отопление (компенсация трансмиссионных потерь теплоты), МВтч 898 1265

Потребление энергии на вентиляцию, МВтч 44 73

Поступления теплоты от внутренних источников, МВтч 65 327

Расчётное потребление энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период, МВтч 8 1076

Фактическое потребление энергии (по приборам учёта) на отопление и вентиляцию за отопительный период, МВтч 1050 1500

Величина превышения энергопотребления, % 20 36

:: Удельные тепловые характеристики зданий табл. 4

Параметр Учебный корпус Общежитие

Удельная теплозащитная характеристика здания, Вт/(м3°С) 0,41 0,53

Нормируемое значение удельной теплозащитной характеристика здания, Вт/(м3'°С) 0,19 0,19

Удельная вентиляционная характеристика здания, Вт/(м3°С) 0,02 0,03

Удельная характеристика внутренних (бытовых) тепловыделений, Вт/(м3.°С) 0,04 0,136

Расчётное значение удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, Вт/(м3°С) 0,39 0,424

Нормируемое (базовое) значение удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, Вт/(м3°С) 0,371 0,359

Отклонение расчётной удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания от базовой величины, % +5 +18

Класс энергетической эффективности здания С (нормальный) Д (пониженный)

Методика вычисления оценки энергетической эффективности зданий базируется на удельных величинах [Вт/ (м3-°С)], характеризующих [5]: теплозащитные свойства здания — удельная теплозащитная характеристика здания; теплоту для нагрева наружного воздуха — удельная вентиляционная характеристика здания; поступления теплоты в помещения — удельная характеристика внутренних (бытовых) теплопоступлений.

Расчётные зависимости и нормативные величины для определения этих оценок приводятся в приложениях к СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изм. №1)» (табл. 14). Результаты расчётов приведены в табл. 4. Расчётное значение удельной теплозащитной характеристики здания почти в 2-2,5 раза превышает нормируемое значение. Однако по комплексному показателю — удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания (с учётом теплопоступлений от внутренних источников) — расхождение с нормируемым (базовым) значением составляет порядка 5 % для здания учебного корпуса и 18 % для здания общежития. Этим величинам превышения соответствуют классы энергетической эффективности С (нормальный) и Д (пониженный), соответственно.

Заключение

Проведённое энергетическое обследование зданий учебного корпуса и общежития ИТМО выявило существенное расхождение между расчётными, нормируемыми и фактическими характеристиками энергопотребления в отопительный период. Перспективным направлением совершенствования методики оценки энергетической эффективности зданий представляется использование статистических методов, что позволит не только получать саму оценку, но и определять уровень её достоверности.

1. ГОСТ Р 55656-2013 (ИСО 13790:2008). Энергетические характеристики зданий. Расчёт использования энергии для отопления помещений. — М.: Стандартинформ, 2014.

2. Рымкевич А.А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. — М.: Стройиздат, 1990. 300 с.

3. Сотников А.Г. Проектирование и расчёт систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Полный комплекс требований, исходных данных и расчётной информации для СО, СПВ, СКВ, СГВС и СХС. В 2-х томах. Т. 1. — СПб.: Проектоптимум, 2013. 423 с.

4. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1970. 376 с.

5. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализ. ред. СНиП 23-022003 (с Изм. №1). — М.: Стандартинформ, 2018.

6. Дацюк Т.А., Гримитлин А.М., Аншукова Е.А. Оценка показателей энергоэффективности зданий //Вестник гражданских инженеров, 2018. №5. С. 141-145.

7. Белова Е.М. Центральные системы кондиционирования воздуха в зданиях. — М.: Евроклимат, 2006. 640 с.

8. Кувшинов Ю.Я., Самарин О.Д. Основы обеспечения микроклимата зданий: учебник для вузов. — М.: Изд-во АСВ, 2012. 200 с.

9. Богословский В.Н. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение /

B.Н. Богословский, О.Я. Кокорин, Л.В. Петров. — М.: Стройиздат, 1985. 416 с.

10. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализ. ред. СНиП 23-01-99* (с Изм. №1, 2). — М.: Стандартинформ, 2018.

11. СП 60.13330.2012. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализ. ред. СНиП 41-01-2003. — М.: Минрегион России, 2012.

12. Дацюк Т.А., Гримитлин А.М. Влияние воздухопроницаемости ограждающих конструкций на энергопотребление жилых зданий //Вестник гражданских инженеров, 2017. №6. С. 182-187.

13. Лысёв В.И., Чурюмов М.С., Шилин А.С. Энергетические показатели зданий учебных корпусов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование, 2015. №1. С. 33-37.

14. Лысёв В.И., Шилин А.С. Результаты энергетического обследования здания общежития. Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке: Сб. трудов XII Межд. науч.-техн. конф. — СПб.: Университет ИТМО, 2015.

C.398-401.

References — see page 95.

УДК 628.8

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

А.С. Шилин

Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия [e-mail]

Аннотация

Актуальность настоящей работы определяется необходимостью повышения энергетической эффективности систем обеспечения микроклимата (систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) общественных зданий при поддержании комфортных условий микроклимата в обслуживаемых помещениях. Рассматриваемая проблема является многофакторной и включает в себя несколько направлений уменьшения затрат энергетических и материальных ресурсов, наиболее перспективными из которых являются оптимизация систем обеспечения микроклимата и выбор оптимально режима их управления. В ходе исследования была разработана математическая модель оптимизации технических решений систем обеспечения микроклимата и режима их функционирования, процессов тепломассопереноса в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, позволяющая определять параметры микроклимата в помещениях в зависимости от прогнозируемых внешних климатических условий, теплоаккумулирующих свойств ограждающих конструкций и режима эксплуатации общественных зданий. Ключевые слова

Системы обеспечения микроклимата, микроклимат помещений, энергетическая эффективность, энергосбережение, оптимизация систем обеспечения микроклимата.

Для определения потенциала энергопотребления здания необходимо иметь объективную информацию о его энергетических показателях. Актуальность этого вопроса непосредственно связана с эффективностью использования энергоресурсов в технологических процессах систем обеспечения микроклимата в зданиях и сооружениях.

Системы обеспечения микроклимата (системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) зданий и сооружений являются одними из наиболее крупных потребителей тепловой энергии. По некоторым оценкам, они потребляют до 40% добываемого в стране твердого и газообразного топлива и до 10% производимой электрической энергии [1]. В связи с этим, повышение энергетической эффективности систем обеспечения микроклимата зданий и сооружений является актуальной задачей. Для достижения данной цели существует несколько направлений уменьшения затрат природных ресурсов, затрачиваемых в этих системах, наиболее перспективными из которых являются оптимизация систем обеспечения микроклимата и выбор оптимального режима их управления [2].

При выборе схем систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха основную роль играют стоимостные и натуральные показатели: энергетическая эффективность, потребляемая электрическая мощность, расход теплоты и холода, воды и водяного пара. В то же время выбор технических решений систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха зависит от множества факторов: объемно-планировочных решений зданий и сооружений, требований нормативных документов к

273

инженерным системам, конструктивных особенностей, требований заказчиков и др. В некоторых случаях, оптимальное для одного объекта решение систем обеспечения микроклимата, является неприменимым на другом объекте, поэтому необходимо рассматривать все возможные оптимальные варианты инженерных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха зданий и сооружений.

С целью оптимизации технических решений систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха общественных зданий была разработана математическая модель, позволяющая решать нестационарную задачу тепломассопереноса через наружные ограждающие конструкции зданий и сооружений. Решение уравнений разработанной математической модели позволяет определять величины температур внутреннего воздуха помещений, температур внутри ограждений, а также температуры на его внутренних и наружных поверхностях в зависимости от температуры наружного воздуха и поступлений теплоты в помещения в любой момент времени. Определение значений этих температур позволяет рассчитать величину теплового потока, проходящего через ограждения помещений и выбрать оптимальную технологическую схему обработки воздуха, подобрать оптимальный вариант оборудования систем обеспечения микроклимата и выбрать оптимальный режим управления системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха с целью создания комфортных условий для пребывающих в помещениях людей.

Уравнение теплового баланса помещения:

Q2-Ql = Q4- Qз, (1)

где Q1- количество теплоты в помещении в момент времени (к), Вт:

Ql = ^ ' ^а • Ра • Ущ, (2)

где ^ - температура в помещении в момент времени к, °С; са - теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); ра - плотность воздуха, кг/м3; К^- объем помещения, м3. Q2 - количество теплоты в помещении в момент времени (к +1), Вт:

= (3)

где ^+1- температура в помещении в момент времени (к + 1).

Q3 - количество теплоты, вошедшей (вышедшей) с тепловым потоком qm, Вт:

к+1

Qз = (Ч~2) • Ат, (4)

где qin - теплопоступления в помещение, Вт; Ат - шаг по времени, с. Q4 - количество теплоты, вошедшей (вышедшей в ограждение), Вт:

к+1 к+1

$4=\ - ¿Т) ^ а™ ^ • ^Т, (5)

где ¿1 - температура в помещении, °С; ¿2 - температура внутренней поверхности ограждения, °С; а¿п - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2-°С); - площадь внутренней поверхности ограждения, м2.

Примем, что изменение температуры по толщине ограждения описывается полиномом второй степени:

т=22=0а0К, (6)

274

Тогда среднеинтегральная температура ограждения, вычисленная по формуле Симпсона, имеет вид:

12 1

*п=1*2+2Ь+1*4, (7)

где 12 - температура внутренней поверхности ограждения, °С; - температура в центре ограждения, °С; - температура наружной поверхности ограждения, °С; Уравнение теплового баланса ограждения:

0в-05 = 08- 0?, (8)

где Q5 - количество теплоты в ограждении в момент времени (к), Вт:

0.5 = • С^м ' Р\м ' К,, (9)

где ^ - среднеинтегральная температура ограждения в момент времени (к), °С; ^ -удельная теплоемкость ограждения, Дж/(кг-°С); рщ - плотность материала ограждения, кг/м3; Ц^ - объем ограждения, м3.

Q6 - количество теплоты в ограждении в момент времени (к +1), Вт:

= , (10)

где ^+1 - среднеинтегральная температура ограждения в момент времени (к + 1). Qy - теплообмен в помещении, Вт:

= (11)

Q8 - внешний теплообмен, Вт:

= 1 + ^+1 — — ^м) • ' ' (12)

где ^ - температура наружной поверхности ограждения в момент времени (к), °С; ^+1

Гк -

- температура наружной поверхности ограждения в момент времени (к + 1), °С;

температура наружного воздуха в момент времени (к), °С; t- температура наружного воздуха в момент времени (к + 1), °С; aout - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности Вт/(м2-°С); Sout - площадь наружной поверхности, м2; Дт - шаг по времени, с.

Уравнение нестационарной теплопроводности:

dt _ ^w ( 1 оч

dr cw • pw^dx2 ( '

rit- tk+i_l.k-i

= _[s__(14)

KdrJ 2AT V '

t-k_it-k i_t-k

2i3 +l2 /1 r\

(dX2) ( )

= (16)

2ЛТ Kcw • pw' (ИЖ)2

к

где t2 - температура внутренней поверхности ограждения в момент времени (к), °С;

275

i-k+1 f.k-1 tо —tr>

3 -3

- температура в центре ограждения в момент времени (к), °С; ^ - температура в центре ограждения в момент времени (к + 1), °С; ьЗ;-1 - температура в центре ограждения в момент времени (к - 1), °С; - температура наружной поверхности ограждения в момент времени (к), °С; Ащ - теплопроводность материала ограждения, Вт/(м-°С); Ищ - толщина ограждения, м.

Общее уравнение теплового баланса:

Q2-Ql + Qв-Qs + Q8 = Чы, (17)

Таким образом, математическая модель оптимизации систем обеспечения микроклимата представляет собой систему четырех уравнений:

Q2-Ql = Q4- $3

Q6-Qs = Q8- Я7 йг _ (18)

йт сю •

$2 -Ql + Q6-Qs + Q8 = Чы

Разработанная математическая модель позволяет определять величины тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, температуры в помещении, внутри ограждения и на его поверхностях в любой момент времени, что позволяет, в зависимости от режима работы здания, задать оптимальный режим функционирования систем обеспечения микроклимата.

Разработанная математическая модель и программа, разрабатываемая на ее основе, позволит инженерам быстро и качественно проектировать системы обеспечения микроклимата при строительстве или реконструкции зданий и сооружений.

В дальнейшем, разработанная модель будет дополняться, чтобы учесть различные факторы изменения микроклимата в зданиях и сооружениях, а именно:

- учет инфильтрации через неплотности наружных ограждений;

- учет лучистого теплообмена;

- учет процессов массопереноса влажного воздуха.

На основе разработанной математической модели, было проведено математическое моделирование процессов теплопереноса в учебной лаборатории факультета низкотемпературной энергетики университета ИТМО в холодный период года. В помещении лаборатории имеются поступления теплоты от системы водяного отопления, компенсирующей потери теплоты через наружные ограждающие конструкции в холодный период года, а также поступления теплоты от пребывающих в помещении людей и оборудования. Для обеспечения воздухообмена, в помещение лаборатории подается свежий обработанный наружный воздух при помощи системы общеобменной вентиляции, функционирующей в период проведения занятий (с 9:00 до 18:00) из расчета 40 м3/ч на человека, в соответствии с требованиями нормативных документов [3].

Результаты математического моделирования, произведенные на основе разработанной математической модели для нерегулируемых систем обеспечения микроклимата приведены на рис. 1

В помещении лаборатории поддерживаются оптимальные комфортные условия микроклимата для пребывания людей. Однако, в периоды, когда в помещении отсутствуют люди, поддерживать оптимальную температуру воздуха нецелесообразно. В целях уменьшения затрат натуральных и стоимостных ресурсов, необходимо и достаточно поддерживать температуру воздуха в помещении, предотвращающую

276

выпадения конденсата на его внутренних поверхностях. К тому же, отсутствие циркуляции воздуха в периоды, когда в помещении отсутствуют люди, приводит к образованию застойных зон, в связи с чем, необходимо и достаточно поддерживать минимальный расход воздуха в помещении.

10000

¡-

§

а

ш ¡-

9000

8000

т 7000

рс

ё а

6000

5000

4000

° 3000

2000

1000

23

18

13

л а

л а

<и

а

а 0> Н

-7

-12

ООООООООООО ОВ<^мя ЧЭООООООООО ООООООООООО оВСГмя, оооооооооо

I Теплопоступления в помещение Температура наружной поверхности ограждения •Температура внутреннего воздуха Температура наружного воздуха Температура внутренней поверхности ограждения Температура в ограждении

8

3

0

Рис. 1. Результаты математического моделирования нерегулируемых систем жизнеобеспечения

Результаты математического моделирования, произведенные для регулируемых систем обеспечения микроклимата, приведены на рис. 2. Расчеты выполнены для минимального возможного расхода энергетических ресурсов в периоды отсутствия людей и минимального необходимого расхода энергоресурсов для обеспечения комфортных условий микроклимата помещения во время проведения лабораторных занятий. Аналогично, минимально возможный расход воздуха, предотвращающий возникновений застойных зон, применяется во время отсутствия занятий в лаборатории, в остальное время система вентиляции воздуха функционирует в соответствии с нормами наружного воздуха, устанавливаемыми нормативными документами для помещений с пребывающими в них людьми [3].

10000

m 9000

а 8000

I 7000

Б 6000

« 5000

я 4000

и

¡3 3000

ЕЛ 2000

° 1000

с 0

1IIIIIIIII

IIIIIIIII

щшштгоптя

оооооооооооооооооооооооо оооооооооооооооооооооооо

Время, ч

Теплопоступления в помещение Температура наружной поверхности ограждения ■Температура внутреннего воздуха Температура наружного воздуха Температура внутренней поверхности ограждения Температура в ограждении

23 18 13 8 3 -2 -7 -12

гмго^-1Л101^оост>о*нгмт

л

а

£

а

(D

я

S о

н

Рис. 2. Результаты математического моделирования регулируемых систем жизнеобеспечения

Оптимизация режима управления системами обеспечения микроклимата привела к значительному сокращению потребления энергоресурсов. Однако оптимизация режима управления не всегда приводит к экономии ресурсов, если не выполняются минимально необходимые требования к обеспечению микроклимата помещений.

Литература

1. Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.journal.esco.co.ua/2008_2/art118/art118.htm. - (Дата обращения: 05.11.2016).

2. Лысев В.И., Шилин А.С. Направления повышения энергоэффективности зданий и сооружений // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование - 2017. - № 2(26). - С. 18-25.

3. Свод правил СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная версия СНиП 41-01-2003.

УДК 697.536

Анализ требований Свода Правил теплозащитной оболочке здания

Канд. техн. наук, доцент Лысёв В.И. [e-mail] Шилин А.С. [e-mail] Университет ИТМО 191002, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Рассматривается удельная теплозащитная характеристика здания, как показатель его теплозащитной оболочки. Для определения расчетного значения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания за отопительный период, необходимо знать объемно-планировочные и теплозащитные характеристики отдельных ограждающих конструкций здания, а так же условия их функционирования в зависимости от климатических условий региона, в котором находится здание. Предложены поэтапные мероприятия по увеличению теплозащитных свойств ограждающих конструкций при эксплуатации существующих зданий. Было проведено сопоставление полученных результатов с нормативными величинами. Все положения сопровождаются примерами.

Ключевые слова: тепловая защита здания, отапливаемый объем здания, показатель компактности здания, теплозащитные свойства ограждающих конструкций, удельная теплозащитная характеристика здания, удельный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, теплозащитная оболочка здания.

DOI: 10.17586/2310-1148-2017-10-1-15-22

Requirements analysis of the Set of Rules to the building thermal protective shell

Ph.D. Lysev V.I. [e-mail] Shilin A.S. [e-mail] ITMO University 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9

We consider the specific heat-shielding characteristic of a building, as a measure of its thermal protective shell. For determine of calculation value of specific heat consumption for building heating during heating season, you need to know thermal and geometric properties offencing structures of building and conditions of their functioning in depend on climatic conditions of region, where the building is situated. The field investigations were made. The thermal and geometric properties have been identified. This allowed to do required calculations on determination of specific heat consumption for building heating during heating season. It was made comparison of the results with normative documents. All provisions are accompanied by examples.

Keywords: thermal performance of a building, heating volume of a building, index of the shape of a building, heat-shielding properties building envelope, specific heat-shielding characteristic of a building, specific energy demand for heating, thermal protective shell of a building.

Требования к тепловой защите зданий и сооружений изложены в нормативном документе - Своде Правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» [1].

Согласно п. 5.1 действующей редакции данного Свода Правил «Теплозащитная оболочка здания должна отвечать следующим требованиям:

а) приведенное сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше нормируемых значений (поэлементные требования);

б) удельная теплозащитная характеристика здания должна быть не больше нормируемого значения (комплексное требование);

в) температура на внутренних поверхностях ограждающих конструкций должна быть не ниже минимально допустимых значений (санитарно-гигиеническое требование)».

При эксплуатации существующих зданий поэлементные требования выполнить не всегда возможно, так как в действовавших ранее нормах [2, 3], значение общего сопротивления теплопередаче определялось по величине нормируемого перепада между температурой воздуха в помещении и температурой внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции. Так для наружных стен и покрытий этот перепад составлял соответственно 6 °С и 4 °С (в действующих нормативах: соответственно 4°С и 3°С для помещений 1-й группы -см. п. 5.2 табл. 5 Свода Правил).

Санитарно-гигиеническое требование практически всегда может быть выполнено, так как температура внутренней поверхности ограждающей конструкции выше точки росы внутреннего воздуха, которая при нормируемых значениях температуры и относительной влажности не превышает 12 °С.

Термическое сопротивление теплопередаче заполнений оконных проемов определяется с учетом данных о воздушных вертикальных прослойках [3]. Для стационарных условий теплопередачи, термическое сопротивление прозрачного ограждения (оконного проема) вычисляется по известной зависимости [3], в которую входит значение термического сопротивления воздушной прослойки, равное 0,18 (м2-°С)/Вт и сумма термических сопротивлений теплоотдачи на поверхностях ограждения, равная 0,17 (м2-°С)/Вт.

Расчет показывает, что значение термического сопротивления окна с двойными деревянными переплетами существенно меньше, чем значения, предписанные Сводом Правил для климатических условий Санкт-Петербурга [1, 4].

Согласно данным Свода Правил (приложение К), современные стеклопакеты имеют значения термического сопротивления центральной части (без учета термических сопротивлений теплоотдачи на поверхностях) в зависимости от их конструктивного исполнения в диапазоне от 0,34 до 1,73 (м2-°С)/Вт. Но даже при использовании стеклопакетов с максимальным значением термического сопротивления теплопередаче, требования СП 50.13330.2012 обеспечить весьма проблематично.

Здания имеют в зависимости от их назначения и иных факторов разные объемно-планировочные решения (что отражается на размерах ограждающих конструкций, значениях площадей стен, покрытий, перекрытий, оконных проемов, дверей и т.д.), а также разнообразные теплозащитные свойства ограждающих конструкций. В Своде Правил [1] рассматриваются такие характеристики здания как: отапливаемый объем здания, показатель компактности, коэффициент остекленности фасада здания. Эти показатели, наряду с теплотехническими характеристиками, влияют на расчетный (ожидаемый) расход тепловой энергии, необходимый для отопления здания за отопительный период.

Рассмотрим комплексное требование, в котором показателем расхода тепловой энергии на отопление объекта (здания или сооружения) является значение удельной теплозащитной характеристики (УТЗХ) здания. Данная характеристика учитывает объемно-планировочные и теплозащитные свойства конкретного здания. Расчетное значение удельной теплозащитной характеристики Коб вычисляется по зависимостям, представленным в СП 50.13330.2012 (приложение Ж), как произведение общего (осредненного по площади) коэффициента теплопередачи здания Кобщ на показатель его компактности Ккомп:

К об — (Ккомп • К общ), (1)

где, Ккомп - показатель компактности здания, 1/м, определяемый по формуле:

ККОМП = Ж/Уош, (2)

где, - общая (суммарная) площадь внутренних поверхностей всех наружных ограждений теплозащитной оболочки здания м2; ¥от - отапливаемый объем здания, м3.

Кобщ - общий коэффициент теплопередачи здания, Вт/(м2-°С), рассчитываемый по формуле:

Рн | Рост | Рпокр | Рдола тг _ ^(^огр/^огр) _ Кн Кос Кдокр Кдола

ЛОбщ - Ер - 2р , (3)

где, ^огр - площадь соответствующего фрагмента теплозащитной оболочки здания, м2; Логр - приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания, (м2-°С)/Вт.

Требуемое значение удельной теплозащитной характеристики здания определяется в соответствии с требованиями Свода Правил [1] по зависимости:

0,16+-;== ^тр _ _уУрт

об — 0,00013-гс0п+0,61

(4)

При этом расчетная величина удельной теплозащитной характеристики здания должна быть не больше нормируемого значения. Нормируемое значение удельной теплозащитной характеристики здания следует принимать в зависимости от отапливаемого объема здания и градусо-суток отопительного периода (ГСОП) района строительства [1, 4]. Нормируемое значение удельной теплозащитной характеристики здания, Вт/(м3-°С), определяется по данным п. 5.5 СП 50.13330.2012.

Оценим значения удельной теплозащитной характеристики здания для двух характерных типов здания: протяженного и башенного типа, расположенных в климатических условиях Санкт-Петербурга [4]. Рассмотрим

общественные здания, имеющие одинаковые величины площадей наружных ограждений, отапливаемых объемов, коэффициента остекленности фасада и показателя компактности. Основные исходные данные по типам зданий сведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные по типам зданий

Наименование величины Тип здания

Протяженного типа Башенного типа

Длина здания, (м) 60 20

Ширина здания, (м) 15 15

Высота здания, (м) 20 60

Общая площадь наружных ограждений, (м ), 4800 4800

в том числе: фасадов, (м2) 3000 4200

остекления, (м2) 600 840

наружных стен, (м ) 2400 3360

покрытия, (м2) 900 300

пола 1-го этажа, (м ) 900 300