Разработка систем динамического микроклимата и создание на их основе энергосберегающих режимов работы оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Гаранин, Алексей Валентинович

• Гаранин, Алексей Валентинович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гаранин, Алексей Валентинович

Принятые сокращения

Введение

1. Обзор методов расчёта параметров динамического микроклимата, существующих энергосберегающих мероприятий и подходов к созданию математической модели теплового режима здания

1.1 Общая характеристика динамического микроклимата и определяющих его параметров

1.2 Обзор предлагаемых энергосберегающих мероприятий

1.3 Анализ математических моделей теплового и влажностного режима здания

1.3.1 Линеаризованная математическая модель помещения

1.3.2 Модель на базе теории регулярного процесса

1.3.3 Математическая модель теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы

1.3.4 Модель, построенная на уравнениях тепловых балансов

1.3.5 Модель, построенная с помощью передаточных функций элементов СКВ

1.3.6 Математическая модель нестационарного температурного режима в обогреваемом секционированном объёме с индивидуальными источниками теплоснабжения в секциях

1.3.7 Математическая модель теплового режима здания с пассивной системой солнечного теплоснабжения

1.3.8 Расчёт воздухообмена

2. Математическая модель динамического микроклимата

2.1 Требования, предъявляемые к математической модели динамического микроклимата

2.2 Принципы построения модели динамического микроклимата

2.3 Способы нахождения тепловых потоков, входящих в уравнение сохранения энергии

2.3.1 Тепловой поток через заполнение светового проёма

2.3.2 Определение тепловых потоков, проходящих через стены и покрытие б

2.3.3 Определение теплопотерь через пол

2.3.4 Определение потоков теплоты, вносимых инфильтрационным воздухом

2.3.5 Тепловой поток, вносимый приточным воздухом

2.3.6 Тепловой поток, возникающий в результате организованного удаления воздуха из помещения

2.3.7 Тепловой поток от работающего и не работающего оборудования

2.3.8 Тепловой поток от освещения

2.3.9 Тепловой поток от людей

2.3.10 Тепловой поток, идущий на нагрев (охлаждение) внутреннего воздуха

2.3.11 Тепловой поток, отдаваемый приточному воздуху в рекуператоре

2.3.12 Учёт влияния наружного климата

2.3.13 Учёт изменения температуры по высоте помещения

2.4 Алгоритм использования математической модели и её реализация на ЭВМ

2.5.1 Явная разностная схема

2.5.2 Неявная разностная схема

2.5.3 Шеститочечная разностная схема с весовым коэффициентом 0,5 (схема Кранка-Николсона)

2.5.4 Сравнение точности и скорости счёта разностных схем

2.5.5 Структурная схема модели динамического микроклимата и расчёт по ней с использованием метода последовательных , приближений

3 Сопоставление работы модели динамического микроклимата с замерами на моделируемом объекте

3.1 Характеристика объекта моделирования

3.2 Замер температур внутреннего и наружного воздуха

3.3 Тепловизионная съёмка

3.4 Замер тепловыделений от активного оборудования

3.5 Определение теплового потока от системы поддержания микроклимата

3.6 Расчёт воздухораспределения

3.7 Описание программы, реализующей модель и результаты расчётов

3.7.1 Аппроксимированная температура наружного воздуха

3.7.2 График работы активного оборудования

3.7.3 Аппроксимированная плотность потока солнечной радиации

3.7.4 Рассчитанная зависимость температуры внутреннего воздуха

3.7.5 Сопоставление рассчитанной температуры стен и данных тепловизионной съёмки

3.7.6 Учёт теплоаккумуляционной способности ограждающих конструкций и её изменение при использовании теплоизоляции

3.7.7 Учёт влажности воздуха

3.7.8 Пассивное оборудование '

3.8 Рассмотрение возможности применения теплоизоляции стен 157 4. Моделирование годового цикла эксплуатации здания

4.1 Моделирование фактического режима эксплуатации здания при условии отсутствия инфильтрации

4.2 Моделирование фактического режима эксплуатации здания при наличии инфильтрации

4.3 Моделирование режима эксплуатации здания при наличии инфильтрации, теплоизоляции стен пенополистеролом

4.4 Моделирование режима эксплуатации здания при наличии инфильтрации, применении рециркуляции внутреннего воздуха из рабочей зоны

4.5 Моделирование режима эксплуатации здания при наличии инфильтрации, применении пластинчатого рекуператора типа «воздух-воздух»,

4.6 Моделирование режима эксплуатации здания при наличии инфильтрации, применении рециркуляции внутреннего воздуха из рабочей зоны, теплоизоляции стен с наружной поверхности пенополистеролом толщиной 50мм

4.7 Моделирование фактического режима эксплуатации здания при наличии инфильтрации и создании динамического микроклимата

4.7.1 Расчёт требуемых параметров динамического микроклимата для рассматриваемого промышленного здания

4.7.2 Результаты моделирования динамического микроклимата

4.7.3 Экономический эффект, получаемый при внедрении рассмотренных вариантов расчёта 189 Выводы и основные результаты работы 193 Список литературы ""

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ а) система ОВК - система отопления вентиляции и кондиционирования; б) т.у.т. — тонна условного топлива; в) СКВ - система кондиционирования воздуха; г) ДМ — динамический микроклимат; д) ДДМ - допустимый динамический микроклимат; е) ОДМ — оптимальный динамический микроклимат; ж) СКДМ — система кондиционирования динамического микроклимата; з) метод ДУКУ - метод дискретного удовлетворения краевым условиям.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка систем динамического микроклимата и создание на их основе энергосберегающих режимов работы оборудования»

В настоящее время проблема энергосбережения при поддержании микроклимата в промышленных зданиях затронута значительно меньше, чем для жилых и общественных зданий. Так для жилых и общественных зданий разработан целый ряд норм и стандартов [1, 2, 3], опубликовано множество статей по повышению их тепловой эффективности (например [4, 5]), с помощью которых можно определить как расход тепловой энергии на системы ОВК, так и эффективность применения различных энергосберегающих мероприятий. Для промышленных зданий всё ограничивается справочником проектировщика [6, 7] и требованиями к воздуху рабочей зоны [8]. При этом промышленность, только в Москве, потребляет 18% тепловой и электрической энергии [9], а в насыщенных производством регионах Урала и Сибири эта доля значительно выше.

По опубликованным данным [10] в России с 2002 по 2007 годы наибольший рост потребления энергии наблюдался в промышленности. За указанное время он составил почти 80 млн. т.у.т. Это говорит о высоком потенциале энергоэффективности, сосредоточенным в промышленной сфере. На сегодняшний день среди всех секторов российской экономики промышленный сектор занимает вторе место и составляет 43 млн. тонн нефтяного эквивалента [10].

В [11] сформулированы основные принципы, определяющие политику энергосбережения: а) энергоресурсы имеют критическое значение не только для поддержания и улучшения качества жизни, но также для обеспечения независимости и безопасности страны; б) энергетическая политика XXI века будет основана на применении технологий, использующих возобновляемые источники энергии; в) приоритет при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, способствующие улучшению микроклимата помещении;

Публикующийся в настоящее время обширный материал [12], [13], [14], [15], посвященный энергосбережению в системах теплоэнергоснабжения и климатизации зданий, позволяет сделать следующие выводы: а) энергосбережение в мировой строительной практике обеспечено государственной поддержкой и развитой гибкой законодательной системой стимулирования, экономически привлекательно и прозрачно для инвесторов и переживает период реализации продуктивных, перспективных решений; б) энергосбережение в российском строительстве до настоящего времени не обеспечено законодательным стимулированием, а проектирование и строительство зданий осуществляется на базе традиционных технологий без обязательного сравнительного технико-экономического обоснования, выбора технологий, конструкций с высокой энергоэффективностью и экономической оптимизации параметров выбранного решения.

Такой подход искажает представление о действительном потреблении теплоты зданием и осложняется оценка эффективности применения энергосберегающих мероприятий, как для расчётного цикла эксплуатации здания, так и для конкретно заданного момента времени из-за не учёта динамики всех тепловых процессов проходящих внутри, снаружи, а так же в оболочке здания [16].

Актуальность темы. В промышленном производстве с монотонным и напряжённым характером работы стабильные параметры микроклимата повышают утомляемость персонала и отрицательно сказываются на производительности труда. Одним из наиболее эффективных методов борьбы с данной проблемой является создание динамически меняющихся наиболее важных параметров микроклимата (температуры, относительной влажности) в рабочей зоне производственного помещения. Комплекс параметров воздуха в рабочей зоне, под воздействием которых средневзвешенная температура кожи человека совершает периодические отклонения от оптимальных значений с определённой частотой, называется динамическим микроклиматом. При этом остальные показатели теплового состояния человека остаются на уровне, соответствующем гигиеническим рекомендациям. Как показали эксперименты в НИИ охраны труда в Санкт-Петербурге изменение условий теплоотдачи человека, занятого лёгкой монотонной работой, при динамическом микроклимате повышает психофизиологическую активность и работоспособность за счёт возбуждения центральной нервной системы.

Для создания рассмотренных параметров воздуха в помещении необходимо использовать систему кондиционирования динамического микроклимата (СКДМ). Такая система должна подавать в помещение воздух с параметрами, которые непрерывно меняются во времени, при этом температура и влажность воздуха в рабочей зоне должны устанавливаться в соответствии с заданным законом.

Поддержание заданных параметров микроклимата, определение характеристик приточного воздуха и нагрузок на СКДМ представляет собой довольно сложную научную и техническую задачу. На промышленное здание воздействует множество тепловых потоков, непрерывно меняющихся во времени: наружный климат; солнечная радиация; тепловые потоки, проходящие через ограждающие конструкции здания; тепловой поток, вносимый инфильтрацион-ным воздухом; выделения теплоты от различного оборудования, установленного в здании; тепловой поток от освещения, людей и т.д. Для решения поставленной задачи необходимо создание математической модели климатического режима промышленного здания, учитывающей все перечисленные тепловые воздействия. Модель должна учитывать кроме того изменение температуры и влажности внутреннего воздуха по высоте и быть применимой как для одноэтажных, так и многоэтажных зданий с помещениями различного назначения.

Часто промышленные объекты с повышенными требованиями к микроклимату потребляют необоснованно большое количество энергии. Применение моделирования для конкретного промышленного объекта дает возможность предложить оптимальные режимы работы системы поддержания микроклимата и разработать комплекс энергосберегающих мероприятий.

С использованием действующих нормативных документов по проектированию теплозащиты зданий можно определять все перечисленные тепловые воздействия только для расчётных параметротз наружного и внутреннего воздуха. Они не позволяют находить количество энергии, аккумулируемое ограждающими конструкциями при меняющихся внутренних и внешних условиях. Аккумуляция энергии может быть значительной и пренебрежение ей искажает реальное энергопотребление.

Математическое описание состояния объекта в любой момент времени позволит определить, когда и на какую мощность необходимо включать СКДМ для создания динамического микроклимата, дает возможность выбрать оборудование СКДМ и способ регулирования его загрузки, а так же предложить мероприятия, направленные на снижение количества потребляемой энергии.

Моделирование и разработка систем динамического микроклимата и создание на их основе энергосберегающих режимов работы оборудования является актуальной научной и технической задачей. Решению этой задачи посвящена данная работа, практическое приложение которой осуществлено на одном из технологических производств машиностроительного завода ОАО «МКБ «Факел» (г. Химки Московской обл.).

Объект исследования. Системы динамического микроклимата для различных помещений.

Предмет исследования. Нестационарные тепловлажностные процессы в ограждающих конструкциях и помещениях зданий различного назначения.

Цель работы. Создание модели динамического микроклимата в промышленном здании, учитывающей многочисленные воздействия на это здание, и предусматривающей возможность разработки комплекса энергосберегающих мероприятий.

В данной работе решаются следующие задачи:

- анализ методов расчёта параметров динамического микроклимата и существующих математических моделей климатического режима здания;

- разработка математической модели динамического микроклимата промышленного здания, связанной с ней модели нестационарных тепловых процессов в многослойных ограждающих конструкциях и алгоритма учёта изменения температуры по высоте помещения;

- реализация модели динамического микроклимата на ЭВМ;

- проверка адекватности модели динамического микроклимата на действующем промышленном здании;

- расчёт переменной нагрузки на систему кондиционирования, необходимой для создания динамического микроклимата;

- расчёт, с учётом нестационарности тепловых процессов, потребностей в энергии, затрачиваемой на поддержание микроклимата, при внедрении энергосберегающих мероприятий: теплоизоляция ограждений, рекуперация теплоты и рециркуляция воздуха;

- разработка рекомендаций по подбору элементов системы кондиционирования для создания динамического микроклимата, учитывающих нестационарность тепловых процессов.

Методы исследования. Теоретические методы исследования основываются на системе уравнений тепловых балансов в которую входят дифференциальное уравнение теплопроводности и интегральные выражения для определения тепловых потоков. Решение системы базируется на методе конечных разностей с применением неявной разностной схемы Кранка-Николсона и метода итераций.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается соответствием исходных математических уравнений и физических допущений поставленным задачам исследования; обеспечивается применением фундаментальных положений теплопроводности, термодинамики и теплопередачи, обоснованностью выбора математической модели и проверкой её адекватности, полнотой обзора литературных данных, сходством полученных результатов с результатами других исследователей и данными компьютерного моделирования.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.14.04 — «Промышленная теплоэнергетика»

Соответствие диссертации формуле специальности

В соответствии с формулой специальности 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика», объединяющей исследования по совершенствованию промышленных теплоэнергетических систем, по разработке и созданию нового и наиболее совершенного теплотехнического и теплового технологического оборудования, в диссертационном исследовании разработаны математические модели нестационарности процесса передачи теплоты через многослойную твёрдую стенку, динамического микроклимата промышленного здания и численные методы их решения, позволяющие определить зависимость нагрузки на систему кондиционирования при создании динамического микроклимата и расход энергии промышленным зданием в случае применения энергосберегающих мероприятий (тепловая изоляция различной толщины, рекуперация воздуха, рециркуляция воздуха) от времени. Такие модели позволяют знать, когда и на какую мощность необходимо включать СКДМ для создания динамического микроклимата, дают возможность выбрать оборудование СКДМ и способ регулирования- его загрузки, а так же предложить мероприятия, направленные на снижение количества потребляемой энергии.

Соответствие диссертации области исследования специальности

Отражённые в диссертации научные положения соответствуют области« исследования специальности 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»: поиск структур и принципов действия теплотехнического оборудования, которые обеспечивают сбережение энергетических ресурсов, уменьшение энергетических затрат на единицу продукции, сбережение материальных ресурсов, направляемых на изготовление теплопередающего и теплоиспользующего оборудования, защиту окружающей среды.

Пункту 1 «Разработка научных основ сбережения энергетических ресурсов в промышленных теплоэнергетических устройствах и использующих тепло системах и установках» соответствует следующий результат диссертации, отражённый в поставленных задачах и имеющий научную новизну.

Математическая модель динамического микроклимата промышленного здания, предложенная Гараниным A.B. на основании численного решения дифференциального уравнения теплопроводности и сопряжённой задачи внешнего и внутреннего теплообмена, в отличии от существующих моделей климатического режима зданий, позволяет учесть нестационарные тепловые процессы в многослойных ограждающих конструкциях зданий и определить расход энергии, необходимой для создания заданных динамических параметров воздуха в рабочей зоне. Модель позволяет учесть эффект от применения энергосберегающих мероприятий (тепловая изоляция различной толщины и расположения, рециркуляция воздуха, рекуперация теплоты). Модель состоит из трёх взаимосвязанных процессов: расчёт нестационарной передачи теплоты через многослойную стенку, решение сопряжённой задачи внутреннего и внешнего теплообмена в системе «наружный воздух - ограждающие конструкции - внутренний воздух», позонного определения внутренних температур и тепловыделений с целью учёта изменения температуры воздуха по высоте помещения.

Научная новизна

1. Разработаны алгоритмы и составлены математические модели, учитывающие внешние и внутренние воздействия на здание:

- нестационарные процессы передачи теплоты через многослойные ограждающие конструкции, что позволяет учесть их аккумулирующую способность;

- потери теплоты через разноудаленные от наружных стен участки пола с применением понятия «эквивалентной толщины грунта»;

- изменение параметров воздуха по высоте помещения;

- этажность здания с помещениями различного функционального назначения;

- математическая модель параметров наружного климата (температуры, относительной влажности, солнечной радиации).

2. Выполнено моделирование теплоустойчивости трехслойной ограждающей конструкции, позволяющее определить температуры и тепловые потоки в ограждении в любой момент времени за установленный цикл его эксплуатации.

3. Впервые рассчитаны параметры допустимого динамического микроклимата и приточного воздуха для промышленного здания, определены расходы энергии для поддержания требуемых параметров в годовом цикле эксплуатации здания.

Практическая значимость работы.

1. Предложена математическая модель, динамического микроклимата промышленного здания, дающая возможность рассчитать график нагрузки на систему кондиционирования с учётом динамического режима эксплуатации ч здания.

2. Разработан алгоритм реализации математической модели динамического микроклимата на ЭВМ.

3. С помощью разработанной модели выполнены численные эксперименты по определению энергопотребления промышленным зданием в зависимости от различных факторов, определяющих микроклимат и энергозатраты на его создание.

4. Разработанная математическая модель реализована в виде программного комплекса, предназначенного для автоматического управления системами кондиционирования воздуха.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде компьютерных программ моделирования динамического микроклимата для годового цикла эксплуатации промышленного здания используются в ОАО

МКБ «Факел» для расчёта годовых потребностей зданий в энергии и выбора наиболее эффективных энергосберегающих мероприятий с учётом обеспечения требуемых параметров воздуха в рабочей зоне. Программный комплекс передан для проведения энергетического аудита и проектирования в ООО «НТЦ «Промышленная энергетика» и используется в учебном процессе на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» при подготовке инженеров по специальности 140104 - «Промышленная теплоэнергетика» и 140106 - «Энергообеспечение предприятий».

Личный вклад автора в получении результатов исследования состоит:

1. В разработке модели динамического микроклимата и отдельных алгоритмов, характеризующих внешние и внутренние воздействия на здание.

2. В проведении физического эксперимента по проверке адекватности разработанной математической модели.

3. В выполнении вычислительных экспериментов по исследованию тепловых процессов в многослойных ограждающих конструкциях и определении затрат энергии промышленным зданием при динамическом режиме его эксплуатации.

4. В расчёте с использованием математической модели нагрузок на систему кондиционирования для создания динамического микроклимата в промышленном здании.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель динамического микроклимата промышленного здания и отдельные алгоритмы, характеризующие внешние и внутренние воздействия на это здание.

2. Результаты проверки адекватности разработанной модели.

3. Результаты численных экспериментов по исследованию тепловых процессов в многослойных ограждающих конструкциях.

4. Результаты моделирования динамического микроклимата в здании и предложенные энергосберегающие мероприятия.

Апробация работы:

Основные положения диссертации, результаты теоретических и расчётных исследований и проверки адекватности разработанной математической модели докладывались и обсуждались на Региональной научно—технической конференции студентов и аспирантов «Теплоэнергетика» - г.Иваново 2006 г., представлены на Международной научно—технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии» (XIV Бенардосовские чтения) -г. Иваново 2007 г., а так же на региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия-2009» — г.Иваново 2009 г., на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) - г.Иваново 2009 г, на пятой региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Энергия-2010» - г.Иваново 2010 г. и на заседаниях кафедры ПТЭ Ивановского энергетического университета - г.Иваново 2010 г. и ТМПУ Московского энергетического института (технического университета) - г.Москва 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9-ти печатных работах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, основных выводов и содержит 209 страниц, 71 рисунок, 15 таблиц, список использованной литературы из 103 наименований

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Гаранин, Алексей Валентинович

Выводы и основные результаты работы:

• Современный подход к проектированию и эксплуатации систем поддержания микроклимата в промышленных зданиях искажает представление о действительном потреблении теплоты зданием и осложняет оценку эффективности применения энергосберегающих мероприятий, как для расчётного цикла эксплуатации здания, так и для конкретно заданного момента времени из-за не учёта динамики всех тепловых процессов проходящих внутри, снаружи, а так же в оболочке здания. Кроме того, становится невозможным проектирование систем с переменными (динамическими) параметрами внутреннего микроклимата.

• Для определения оптимального значения энергозатрат на поддержание микроклимата очень сложно найти аналитическую зависимость между параметрами внутреннего воздуха и динамически меняющимися факторами, воздействующими на здание. Таким образом решить поставленную задачу можно только с помощью методов математического моделирования с применением компьютерных программ, что позволит выполнить многовариантные расчёты.

• Выполненный обзор показал, что модели, абсолютно точно подходящей для моделирования динамического микроклимата на сегодняшний момент не разработано. Некоторые модели просты для реализации: линеаризованная, на базе теории САР, ячеечная, но не учитывают многих факторов, воздействующих на здание и (или) конструктивных особенностей здания, что снижает точность моделирования. Другие модели [15] выявляют очень большое количество факторов, многие из которых на сегодняшний день точно определить не представляется возможным.

• При определении подхода к созданию математической модели обозначены её входные и выходные функции.

Исходными данными являются свойства материала и конфигурация ограждающих конструкций здания, законы изменения параметров микроклимата в помещении и информация об изменении параметров наружного воздуха (температуры, влажности, скорости ветра и его направленности, интенсивности солнечного излучения). Кроме того, необходимо иметь информацию об изменяющихся во времени закономерностях воздухораспределения и воздухоудаления и тепло-массообменных процессах, протекающих в находящихся в помещении потребителях микроклимата.

Выходные функции модели должны показывать затраты системой поддержания микроклимата энергии (теплоты, холода) и влаги в зависимости от времени, а также изменение температуры различных участков ограждений, по которым оцениваются теплозащитные свойства конструкций здания.

• Разработана математическая модель динамического микроклимата промышленного здания, как объекта с сосредоточенными параметрами. Особенности модели, представляющие научную новизну:

- модель достаточно точно учитывает воздействия наружного климата (температуру и относительную влажность наружного воздуха, солнечную радиацию). Температура и влажность аппроксимируется по данным метеонаблюдений полиномом третьей степени в течение суток. Солнечная радиация аппроксимируется двумя полиномами второй степени в зависимости от ориентации стен по сторонам света;

- модель разработана для зданий с многослойными ограждающими конструкциями и для отдельных помещений здания; - модель учитывает аккумуляцию теплоты ограждающими конструкциями, моделированием температурного поля внутри многослойной ограждающей конструкции при помощи численного решения дифференциального уравнения теплопроводности. Решение находится методом конечных разностей на 6-ти точечном шаблоне;

- модель позволяет учесть изменения температуры по высоте помещения и многоэтажность здания;

- разработан алгоритм реализации модели на ЭВМ.

• При моделировании учтены следующие тепловые потоки, воздействующие на здание:

- теплопотери через ограждающие конструкции (окна, стены, пол, покрытие).

- теплопотери с инфильтрационным воздухом

- тепловой поток, вносимый приточным воздухом

- тепловой поток, возникающий в результате организованного удаления воздуха из помещения

- тепловой поток от работающего и не работающего оборудования

- тепловой поток от освещения

- тепловой поток от людей

- тепловой поток, идущий на нагрев (охлаждение) внутреннего воздуха

- тепловой поток, отдаваемый приточному воздуху в рекуператоре

- тепловые потоки, вызванные погодными условиями (солнечная радиация, температура, относительная влажность).

• Сопряженная задача внешнего и внутреннего теплообмена решена с помощью уравнения теплового баланса методом последовательных приближений.

• Разработанный алгоритм реализации модели на ЭВМ позволяет решать задачи моделирования как на проектной стадии — определение нагрузки на СКВ с учётом всех наружных и внутренних воздействий (вариант модели с заданной температурой внутреннего воздуха), так и задачи моделирования микроклимата в действующих зданиях, где мощность СКВ задана. В обоих случаях модель проверяет выполнение условия комфортности и регулирует тепловую мощность системы поддержания микроклимата с целью получения требуемой температуры приточного воздуха.

• Модель позволяет оценить тепловую устойчивость здания т.е. запаздывание изменения внутренней температуры по отношению к температуре наружного воздуха.

• Разработанная модель позволяет определить эффективность применяемых энергосберегающих мероприятий: рециркуляция воздуха из рабочей зоны, установка пластинчатого рекуператора, изменение толщины и типа ограждающих конструкций здания.

• Модель реализована на ЭВМ в среде MS Visual Basic 6.0.

• Адекватность работы модели проверена на существующем корпусе машиностроительного завода путём сопоставления смоделированных параметров внутреннего воздуха с замеренными. Период расчёта и замеров составил 8 суток. Моделирование динамического микроклимата показало, что замеренные значения величин близки к рассчитанным. Так основной контролируемый параметр - температура внутреннего воздуха был определён с точностью около 1°С и лишь в некоторые моменты времени погрешность достигала 2-3°С. Это объясняется тем, что моделирование теплового потока от активного оборудования было построено на основании замера потребляемой мощности в одни рабочие сутки и дублирования этого замера на все остальные рабочие дни.

• Проверка адекватности показала, что с применением разработанной модели возможно выполнить оптимизацию энергопотребления промышленного здания при обеспечении заданного динамического микроклимата в годовом цикле эксплуатации здания. При моделировании возможно оценить изменение расходов теплоты (холода) от применения того или иного энергосберегающего мероприятия, а также комплекса таких мероприятий.

• Для рассмотренного промышленного здания было выполнено моделирование применения различных энергосберегающих мероприятий. Весьма эффективными оказались применение рециркуляции и рекуперации теплоты. Годовая экономия теплоты в первом случае составила 89,7%, во втором 16,1%. На первое место по эффективности выходит комплексное применение теплоизоляции и рециркуляции (90,5%)

• Для того же здания с помощью созданной модели была рассмотрена возможность теплоизолирования наружных стен теплоизоляцией различной толщины. Получена зависимость относительных годовых потерь теплоты от толщины изоляции (пенополистерола). В данном случае вполне достаточно применение тепловой изоляции толщиной 50мм.

• Выполнено моделирование микроклимата в здании при различных вариантах расположения тепловой изоляции на ограждающей конструкции (со стороны наружного воздуха и со стороны внутреннего воздуха). Выяснилось, что расположение тепловой изоляции снаружи не влечёт снижения годового расхода теплоты, но уменьшает амплитуду колебаний температуры внутреннего воздуха относительно заданного значения.

• Рассмотрено изменение температурного поля внутри наружной стены здания в период низких температур наружного воздуха. В результате ещё раз был подтверждён наиболее выгодный способ расположения тепловой изоляции - со стороны наружного воздуха.

• В рассматриваемом здании было выполнено моделирование динамического микроклимата. Температура внутреннего воздуха была задана с учётом исследований гигиенистов и требований тех. процессов. Увеличение годовых затрат тепловой энергии всего на 0,2% и затрат холода на 7,3% позволило создать допустимый динамический микроклимат. Годовые теплопотери здания выросли на 10,8%, а количество холода, которое необходимо внести в здание на 20,1%.

• Разработанная модель способна управлять системами кондиционирования промышленных зданий. В качестве управляющего воздействия используются данные о нагрузке на СКВ и потреблении тепла (холода) СКВ. В качестве регулирующего органа может быть использован клапан регулятора расхода теплоносителя на калорифере или местных доводчиках.

• Выполнена экономическая оценка, получаемая при выполнении предложенных энергосберегающих мероприятий. Наибольший эффект даёт применение рециркуляции в комплексе с теплоизоляцией стен пенополистеролом - 8,5 млн. руб/год, применение пластинчатого рекуператора - 1,6 млн. руб/год. Создание динамического микроклимата для данного промышленного здания требует дополнительных годовых затрат в размере 17 тыс.руб;

• С помощью разработанной модели возможно определить направление наибольших теплопотерь зданием и предложить максимально эффективное мероприятие по их снижению.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гаранин, Алексей Валентинович, 2010 год

1. Стандарт АВОК-1-2004. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. Введ. 2004-01-01. - М.: Авок-Пресс, 2004 - 16с.

2. ГОСТ 31168-2003. Здания жилые. Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление. -Введ.2003-07-01. СПб.: Издательство ДЕАН, 2005. - 32с.

3. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. -Введ. 1999-03-01 М.: ГУЛ ЦПП, 1999. - 17с.

4. Ч.З. Кн.2: Внутренние санитарно-технические устройства. Вентиляция и кондиционирование воздуха -М.: Стройиздат, 1992.-416с.

5. ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. -Введ. 1989-01-01. М.: Стандартинформ, 2006. - 49с.

6. Оглоблина, М.Е. Экономическая стратегия энергосберегающей политики. М.Е. Оглоблина // Энергосбережение 2009. - №1. -С. 12-13.

7. Башмаков, И.А. Потенциал энергосбережения в России. И.А. Башмаков // Энергосбережение 2009. - №1 -С.5-6.

8. Табунщиков, Ю.А. Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты. Ю.А.Табунщиков // АВОК 2008. - №5. -С. 10-12.

9. Кудинов, A.A. Энергосбережение в теплогенерирующих установках / A.A. Кудинов -Ульяновск.: Ульян, гос. техн. ун-т, 2000. -149с.

10. Энергосбережение в промышленно-хозяйственном комплексе : Всерос. науч.-практ. конф., 22 нояб. 2000 г. : Сб. материалов / Под ред. В.П. Буца, B.C. Григорьева -Пенза. : Приволж. дом знаний, 2000. -94с.

11. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха Электронный ресурс. : (Справ, пособие) / Под ред. JI. Д. Богуславского, В. И. Ливчака М. : РГБ, 2005

12. Бабаханов, Ю. М. Оборудование и пути снижения энергопотребления систем микроклимата / Ю. М Бабаханов H.A. Степанова -М.: Россельхозиздат, 1986. -230с.

13. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий. —Введ. 2004-06-01 -СПб.: Издательство ДЕАН, 2007. 320с.

14. Павлухин, JI.B. Методические рекомендации по оценке условий микроклимата и прогнозированию его влияния на организм работающего человека / JI.B. Павлухин —Л.: 1986. -81с.

15. Минут-Сорохтина, О.П. Физиология терморецептии / О.П. Минут-Сорохтина -М.: Медицина, 1972. 309с.

16. Хомутецкий, Ю.Н. Комфортный динамический микроклимат в помещениях. Ю.Н. Хомутецкий, Т.В. Куксинская // Водоснабжение и сан. Техника. 1979. -№5. с. 23-24.

17. Афанасьева, Р.Ф. Новый метод интегральной оценки оптимального и допустимого микроклимата. Р.Ф. Афанасьева // Гигиена и санитария, 1985. №8 С.65-68.

18. Банхиди, JI. Тепловой микроклимат помещений: Расчёт комфортных параметров по теплоощущениям человека / Л. Банхиди; пер. с венг. В.М. Беляева; под ред. В.И. Прохорова и А.Л. Наумова. -М.: Стройиздат 1984. -248с.

19. Павлухин, Л.В. Производственный микроклимат. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Л.В. Павлухин, В.Н. Тетеревников -М.: Стройиздат 1991. -305с.

20. Оценка теплового состояния человека с целью обоснования гигиенических требований к микроклимату рабочих мест и мерам профилактики охлаждения и перегревания: Метод рекомендации. Утв. М-вом здравоохранения СССР 05.03.90. М., 15с.

21. Ловцов, В.В. Системы кондиционирования динамического микроклимата помещений / В.В. Ловцов, Ю.Н. Хомутецкий -Л.: Стройиздат 1991.-149с.

22. Fanger, P.O.: Thermal Comfort. McGrow Hill 1970.

23. Fanger, P.O.: Calculation of thermal comfort: introduction of a basic comfort équation. ASHARE Transaction, 1967, Vol. 73.

24. Fanger, P.O. — Angelus, O. Kjerulf-Jensen, P.: Radiation data for the human body. ASHARE Transaction, 1970, Vol. 76.

25. Костин, В.И. Принципы расчета эффективных энергосберегающих систем обеспечения микроклимата промышленных зданий : диссертация . доктора технических наук : 05.23.03 / Костин, Владимир Иванович Новосибирск, 2001. -352 с.

26. Каммерер, И.С. Теплоизоляция в промышленном строительстве / И.С. Каммерер-М.: Стройиздат, 1965. -98с

27. Новгородский, Е.Е. Энергосбережение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / Е.Е Новгородский М.:"МАШМИР", 1992. -46с.

28. Юрьев, И.О. Математическая модель теплового режима производственного здания для автоматизированной системы управления теплоснабжением: автореферат дис. . канд. техн. наук: 05.23.03 / Юрьев Игорь Олегович. М., 1989. -27 с.

29. СТО НП «АВОК» 4.1.5-2006 Системы отопления и обогрева с газовыми и инфракрасными излучателями. Введ. 1996-01-01 -М.:АВОК-ПРЕСС, 2007-Юс.

30. Богуславский, Л.Д. Эксплуатация инженерного оборудования в условиях экономии энергетических ресурсов / Л.Д. Богуславский, А.М. Стражников. М.: Стройиздат, 1984. -191с.

31. Шкловер, А.М. Основы строительной теплотехники жилых и общественных зданий / А.М. Шкловер, Б.Ф. Васильев, Ф.В. Ушков -М.: Стройиздат, 1956. -241с.

32. Кононович, Ю. В. Тепловой режим зданий массовой застройки / Ю. В Кононович -М.: Стройиздат, 1986. -157с.

33. Ушков, Ф.В. Теплопередача ограждающих конструкций при фильтрации воздуха/ Ф.В. Ушков-М.: Стройиздат, 1967. -102с.

34. Шкловер, A.M. Теплопередача при периодических тепловых воздействиях / A.M. Шкловер —М.: Энергоиздат, 1961. -68с.

35. Рымкевич, А. А. Математическая (термодинамическая) модель системы кондиционирования воздуха / А.А Рымкевич — Л.: 1979. -54с

36. Табунщиков, Ю.А. Основы математического моделирования теплового режима здания как единой теплоэнергетической системы: диссертация доктора техн. наук: М. НИИСФ, 1983.-384с

37. Волков, В.А. Повышение энергоэффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования на основе оптимизации их композитных решений: дис. канд. техн. наук.: 05.14.04 / Волков Виталий Алексеевич. — М.,-2003.-199с.

38. Рымкевич, А.А. Системный анализ общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха / А.А. Рымкевич -СПб.: АВОК Северо-запад: Арктика, 2003. -271с.

39. Фоломеев, Д.Ю. Моделирование и расчёт теплового состояния секционированных объектов с индивидуальными тепловыми источниками: диссертация канд. техн. наук.: Иваново, 2007. -195с.

40. Chen, Youming, New analysis method of dynamic heat transfer for building envelops, Chen Youming, Wang Shengwei Beijing.: science publishing company, 2004. -65c.

41. Милин, B.E. Эффективные системы отопления зданий / В.Е. Милин, В.К. Аверьянов. Е.А. Белицкий; под общей ред. В.Е. Милина Д.: Стройиздат, 1988.-216с.

42. Гримитлин, М.И. Вентиляция и отопление цехов машиностроительных заводов / М.И. Гримитлин, Г.М. Позин, О.Н. Тимофеева. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1993. -288с.

43. Гримитлин, М.И. Распределение воздуха в помещениях /М.И. Гримитлин СПб.:, 1994. - 316с.

44. Гримитлин, A.M. Отопление и вентиляция производственных помещений / A.M. Гримитлин, Т.А. Дацюк, Г.Я. Крупкин, A.C. Стронгин, Е.О. Шилысрот-СПб.: Издательство «Авок Северо-запад», 2007. -399с.

45. Гаранин, A.B. Моделирование динамического микроклимата: Юбилейный сборник научных трудов к 100-летию со дня рождения профессора Черкасского Владимира Михайловича / A.B. Гаранин, В.К. Пыжов Иваново.: ГОУВПО"ИГЭУ имениВ.И.Ленина", 2005. -С. 108-116.

46. Малявина,.Е. Г. Теплопотери здания / Е. Г. Малявина М.:АВОК-ПРЕСС, 2007. -144с.

47. Тихомиров, С. А. Исследование динамики процессов теплопереноса через ограждающие конструкции: диссертация . канд. техн. наук : 05.23.03 /Тихомиров, Сергей Алексеевич. -Ростов-на-Дону., 2004. -138 с.

48. Годунов, С.К. Разностные схемы (введение в теорию), учебное пособие / С.К. Годунов, В.С.Рябенький -М. : «Наука», 1977. -439с.

49. Лыков, A.B. Тепломассообмен: (Справочник) / A.B. Лыков -2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1978. - 480с.

50. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К.Ф. Фокин; под ред. Ю.А. Табунщикова, В.Г. Гагарина 5-е изд., пересмотр. - М.-.АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256с.

51. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. -Введ. 2000-01-01 -М.:ГУПЦППС, 2004. -70с.

52. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика : теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / В.Н. Богословский -СПб.: АВОК Северо-Запад, 2006 -399 с.

53. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков -М.:, 1967. -417с.

54. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. -Введ.2003-10-01 СПб.: ДЕАН, 2004. -64с.

55. Ильинский, В.М. Проектирование ограждающих конструкций зданий (с учётом физико-климатичеких воздействий) / В.М. Ильинский -М.: Стройиздат, 1964. -120с.

56. Пирумов, У.Г. Численные методы. Сборник задач. Учебное пособие для вузов / У.Г. Пирумов, В.Ю. Гидаспов, И.Э. Иванов -М.: Дрофа, 2007. -144с.

57. Титов, В.П. Инфильтрация воздуха и её учёт в тепловом балансе помещений /В.П, Титов // Науч-техн. информ. ЦИНИС -1967, №8. С 25-28.

58. Богословский, В.Н. Тепловой режим здания /В.Н. Богословский М.: Стройиздат, 1979. - 248с.

59. Реттер, Э.И. Аэродинамика зданий / Э.И. Реттер, С.И. Стриженов -М.: Стройиздат, 1968. -208с.

60. Справочное пособие АВОК 1-2004 «Влажный воздух» М.:АВОК-ПРЕСС, 2004.-46с.

61. Баркалов, Б. В. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях / Б. В. Баркалов, Е. Е. Карпис -М.: Стройиздат, 1982. -312 с.

62. Шепелев, И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении / И.А. Шепелев -М.: Стройиздат, 1978. -94с.

63. Гримитлин, М.И. Распределение воздуха в помещении / М.И. Гримитлин -СПб.: Издательство «Авок Северо-запад», 2004г. -399с.

64. Ометова, М. Ю. Повышение энергоэффективности воздухораспределительных устройств промышленных предприятий: диссертация . канд. техн. наук : 05.14.04 / Ометова, Мария Юрьевна -Иваново, 2004.-171 с.

65. СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование. -Введ. 2004-01-01. Гос. предпр.-Центр проектной продукции массового применения, 2004. - 54с.

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

67. Талиев, В.Н. Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха на текстильных предприятиях: учебное пособие для ВУЗов / под ред. В.Н. Талиева. — М.: Легпромбытиздат, 1985 -256 с.

68. Титов, В.П. Отопление и вентиляция, в 2 ч. / В.П. Титов -М.: Стройиздат, 1976.

69. Ч. II. Вентиляция М.:Стройиздат, 1976. -91с.76 . Тарабанов, М. Г. Расчет систем кондиционирования воздуха с центральными кондиционерами и фэнкойлами. М.Г. Тарабанов // АВОК 2005. - №2.-С. 19-21.

70. Кокорин, О.Я. Установки кондиционирования воздуха / О.Я. Кокорин -М.: Машиностроение, 1978. -165с.

71. Беккер, А. Системы вентиляции / А. Беккер; под ред. Г. В. Резникова; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой -М.: Техносфера : Евроклимат, 2007. 237с,

72. Кокорин, О. Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК) / О.Я. Кокорин М.: Проспект, 1999.

73. Дискин, М.Е. Эффективность рекуперации в системах вентиляции при температурах наружного воздуха ниже температуры опасности обмерзания М.Е. Дискин // АВОК 2006. - №4. -С. 10-11.

74. Денисов, П.П. Колебания температуры воздуха в помещениях под влиянием гармонических колебаний температуры наружного воздуха. / П.П. Денисов; в кн.: Практические задачи строительной теплофизики крупнопанельных зданий. — М.: Стройиздат, 1966. -С. 54-62.

75. Яковлев, С. JI. Яревский, Е. А. Численные методы для дифференциальных уравнений в частных производных : учебно-методическое пособие / С. Л. Яковлев, Е. А. Яревский -СПб.: 2007, -129 с.

76. Самарский, A.A. Введение в численные методы / A.A. Самарский -М.: Наука, 1978-269с.

77. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар; пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. -150с.

78. Пасконов, В.М. Численное моделирование процессов тепло- и массобмена / В.М.Пасконов, В.И.Полежаев, Л.А. Чудов -М.: Наука, 1984.-288с.

79. Пыжов, В.К. Исследование сопряжённых тепловых процессов в установках огневой промышленной теплотехники : диссертация канд. техн. наук.: 0514.04 / Пыжов Валерий Константинович. Иваново, 1977. -249.с

80. Арутюнов, В.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей: Учебник для вузов / В.А. Арутюнов, В.В. Бухмиров, С.А. Крупенников М.: Металлургия, 1990 - 239с.

81. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А Михеев, И.М. Михеева; изд. 2-е, стереотип. М.: «Энергия», 1977 - 344с.

82. Глушаков, C.B. Программирование на Visual Basic 6.0 / C.B. Глушаков, A.C. Сурядный M.: ACT, 2003 - 497с.

83. Гаранин, A.B. Моделирование теплоустойчивости многослойных ограждающих конструкций. A.B. Гаранин, В.К. Пыжов // Вестник ИГЭУ -2004 — вып.6 С.20-24.

84. Богословский, В.Н. Годовые затраты теплоты и холода системами кондиционирования микроклимата. В.Н. Богословский, Ю.Я. Кувшинов // Информ. вып. Главпромстройпроекта .: М, 1968. №6-С12-13.

85. Виленкин, Н. Я. Метод последовательных приближений / Н.Я. Виленкин; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1968 - 108с.

86. Сотников, А.Г. Определение годовых расходов тепла, холода и воды в системах кондиционирования воздуха и вентиляции. А.Г. Сотников, Н.В. Кобышева, В.Э. Ницис // Холодильная техника -1982. -№7. -С.21-23.

87. Ривкин, С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник. / С.Л. Ривкин, А.А .Александров; 2-е изд., перераб., и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984 - 80 с.

88. Гаранин, A.B. Математическое моделирование динамического микроклимата промышленного здания и анализ изменения потребления теплоты и холода при выполнении энергосберегающих мероприятий / A.B.л

89. Гаранин, B.K. Пыжов. Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) Тез. докл. — Т2 Иваново.: ГОУ ВПО "ИГЭУ имени В.И.Ленина". 2009, с. 254.

90. МДС 55-1.2005 Стены с теплоизоляцией из пенополистирола и минераловатных плит с отделочным слоем из тонкослойной штукатурки. Материалы для проектирования и рабочие чертежи узлов М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 59с.

91. Богуславский, Л.Д. Технико-экономические расчёты при проектировании наружных ограждающих конструкций зданий / Л.Д. Богуславский -М.: 1969, -242с.

92. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия. Введ. 1987-01-01. - Гос. предпр.-Центр проектной продукции массового применения, 2004. - 85с.

93. Гаранин, A.B. Построение модели динамического микроклимата для промышленного здания с учётом изменения температуры воздуха по его высоте A.B. Гаранин // Надёжность и безопасность энергетики №11 09.2010, с. 33-35

94. Гаранин, A.B. Практическое применение модели динамического микроклимата для промышленного здания и оценка энергосберегающих мероприятий. A.B. Гаранин // Надёжность и безопасность энергетики №12 01.2011, с. 14-16*статья принята к публикации