Наукові підходи до оптимізації теплоенергетичного впливу погодно-кліматичних умов на тепловий режим будівлі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наукові підходи до оптимізації теплоенергетичного впливу погодно-кліматичних умов на тепловий режим будівлі

Волощук В.А.

Розглянуті методичні підходи до оптимізації теплоенергетичного впливу погодно-кліматичних умов на тепловий режим будівлі з метою мінімізації затрат енергії

В сучасних умовах енергетика України знаходиться у дуже складному становищі. Обумовлено це, перш за все, дефіцитом паливних ресурсів. Тому особлива увага сьогодні в країні повинна приділятися раціональному використанню енергетичних ресурсів.

Значну долю в енергетичних затратах займає житлово-комунальний сектор. Причому витрати на опалення будівель тут є найбільшими. Наприклад, в Україні загальні потреби палива на теплопостачання приміщень становлять 74,4 млн. т. у. п. за рік. Це приблизно 25 % від загального обсягу щорічно спожитого палива [1]. Отже, логічно виникає питання про пошук шляхів економії цих витрат у житлово-комунальному секторі.

Аналіз показує [2, 3, 4, 5], що систему теплопостачання разом з природними умовами, які їх оточують і безпосередньо впливають на їх роботу, за усі-ма характерними ознаками можна віднести до складних природно-технічних сис-тем. Причому, функціонування таких складних природно-технічних систем визначається, насамперед, природно-кліматичними умовами об'єкта.

На рис. 1 наведена принципова схема централізованої системи подачі теплової енергії до житлової будівлі, яка складається із трьох основних елементів: центр виробництва теплової енергії, зовнішні теплопроводи подачі тепла та будівля.

Сучасною методологічною основою, що прийнята у всьому світі для аналізу складних систем, є системний аналіз у широкому розумінні цього слова і системний підхід як його методологічне ядро. Побудова моделей складних природно-технічних систем на основі системного підходу включає в себе декомпозицію складних цілей і задач ієрархічної природи, притаманних таким системам, застосування методології низхідної ієрархії аналізу та висхідної ієрархії синтезу для досягнення окремих цілей і розв'язання окремих задач.

Отже, кожна складова системи теплопостачання на рис. 1 для здійснення її аналізу може бути розглянута окремо з дотриманням взаємозв'язків з іншими елементами.

В даній статті розглядається будівля як складова системи теплопостачання і зображена на рис. 1 як елемент 3. В будівлі передбачається цілий комплекс інженерно-архітектурних рішень для створення сприятливих умов життєдіяльності людини. Зокрема, огороджувальні конструкції будівель захищають приміщення від несприятливих погодно-кліматичних умов, а спеціальні системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря підтримують всередині приміщення певні параметри середовища. Сукупність всіх інженерних засобів і пристроїв, що забезпечують заданий тепловий режим в приміщеннях, називається системою кліматизації. Тепловий режим будівлі - сукупність всіх факторів і процесів, що визначають тепловий стан в його приміщеннях [2].

Варто зауважити, що елемент 3 можна розглядати і як житловий масив, що є характерно для централізованих систем теплопостачання. В такому випадку необхідно враховувати взаємовплив будівель на їх тепловий режим.

Рис. 1. Принципова схема взаємовпливу централізованої системи теплопостачання та умов навколишнього середовища:

1 - джерело виробництва теплової енергії; 2 - транспортування енергії;

3 - будівля

Аналіз впливу зовнішніх метеофакторів на тепловий режим будівлі відкриває великі можливості для зменшення затрат енергії на опалення приміщень в холодний період року і охолодження приміщень в теплу пору року. Наприклад, в холодний період проникнення теплоти сонячної радіації через скляні огородження приміщення створює додаткове надходження теплоти до будівлі. Вітер також має свій вплив на тепловий режим будівлі. В холодний період він спричиняє додаткові втрати теплоти інфільтрацією, яка збільшується із збільшенням швидкості вітру. В теплу пору року вплив вітру в денний час може бути негативним (тобто він сприяє надходженню нагрітого зовнішнього повітря всередину приміщення), а в нічний час цей вплив може бути позитивний (в даному випадку зовнішнє повітря є охолодженим, надходження якого в приміщення є бажаним).

Тому завдання найкращого врахування позитивного і нейтралізації негативного впливу зовнішнього клімату на будівлю можна розглянути в аспекті визначення конструктивних параметрів та орієнтації будівлі, які найкращим чином враховують позитивний і зменшують негативний вплив зовнішнього клімату. Це, у свою чергу, дозволяє знизити енергозатрати на створення сприятливого мікроклімату всередині будівель.

Отже, в даній статті необхідно:

проаналізувати вплив метеопараметрів на тепловий режим будівлі;

вивести залежності, що дозволяють визначити тепловий баланс будівлі;

вивести залежності, що дозволяють оптимізувати теплоенергетичний вплив зовнішнього клімату на тепловий режим будівлі.

Задача оптимізації конструктивних параметрів та орієнтації будівлі вирішується відповідно до [2] і має наступний зміст: серед усіх будівель, які мають однакову загальну житлову площу F, вибрати таку, яка при інших рівних умовах потребує мінімальних затрат теплової енергії на її опалення в холодний період року і охолодження в теплий період року. Тут в якості цільової функції, яку потрібно мінімізувати, прийняті затрати енергії. Враховуючи обставину, що затрати теплової енергії або енергії на охолодження як енергетичні показники мають одну і ту ж саму розмірність, але істотно різну вартість, в якості цільової функції бажано приймати затрати енергії на опалення чи охолодження будівель в їх вартісному вираженні. По суті, ця величина може розглядатися як експлуатаційні затрати. В результаті задача теплоенергетичної оптимізації конструктивних параметрів та орієнтації будівель математично запишеться так: визначити мінімум цільової функції Е>min при F= const, де Е - експлуатаційні затрати в річному циклі, які обчислюємо за формулою

, (1)

теплопостачання кліматичний будівля огородження

де сн, сс - відповідно ціна одиниці тепла і одиниці холоду, грн/кДж;

Qн, Qс - відповідно затрати теплової енергії на опалення і охолодження будівель, кВт;

(ф2-ф1), (ф4-ф3) - відповідно періоди опалення і охолодження будівель, сек.

Потрібно відмітити, що сн і сс в загальному випадку є функціями часу (на-приклад, нічний і денний тарифи на електричну енергію, яка використовується для опалення будівель, відрізняються).

Кількість теплової енергії, необхідної для опалення чи охолодження будівлі, визначається для кожного моменту часу як результат сумування його тепловтрат і теплонадходжень, тобто шляхом рішення рівняння теплового балансу внут-рішнього повітря.

 В даній роботі ми обмежилися розглядом тільки періоду опалення а також задачею теплоенергетичної оптимізації габаритних розмірів будівлі. Тоді задача оптимізації має такий зміст: серед усіх будівель, що мають однакову житлову площу F, необхідно вибрати таку, яка при інших рівних умовах має найменші втрати теплової енергії і, відповідно, потребує мінімальні затрати теплової енергії на опалення в холодний період року. Тут як цільову функцію, яку потрібно мінімізувати, прийняті питомі втрати теплової енергії на одиницю житлової площі F

, (2)

де - загальні втрати теплоти зовнішніми поверхнями огородження, .

У даній роботі враховується вплив на тепловтрати будинку таких метеорологічних параметрів: температура атмосферного повітря, швидкість вітру і прихід сонячної радіації на вертикальні стіни. При цьому згідно методики [3] уводиться комплексний параметр - ефективна температура, що враховує три вищезгаданих метеопараметри.

Для визначення приходу сонячної радіації на вертикальні стіни при заданих значеннях приходу сонячної радіації на горизонтальну поверхню використані коефіцієнти перерахування, що наведені в [6].

Загальні тепловтрати зовнішніми огородженнями будівлі за опалювальний період визначаються залежністю

, (3)

де - номер зовнішнього огородження;

;

- термічний опір зовнішнього огородження (вертикальна стіна, дах, підлога), ;

- термічний опір вікна, ;

- температура всередині будівлі, ;

- так звана ефективна температура - комплексний показник, що враховує вплив на тепловтрати будівлі зовнішніх метеорологічних параметрів: температури атмосферного повітря , швидкості вітру , короткохвильової радіації , що проникає через вікна, а також конструктивних параметрів огородження будівлі: відносної поверхні вікон , і термічних опорів , ;

- площа зовнішнього огородження;

- дефіцит теплоти огородження, ;

- час, сек;

, - відповідно початок і кінець опалювального періоду, сек.

Розглянемо прямокутну в плані будівлю (рис.2). Введемо позначення: F - загальна житлова площа будівлі, м2; а, b - зовнішні (габаритні) розміри будівлі, м; Н - висота поверху, м; Z - число поверхів. Крім того, будемо рахувати, що площі зовнішніх вертикальних огороджувальних конструкцій (стін і за-повнення світлових отворів) зі стороною «а» рівні F1=F3=a·Z·H ; відповідно зі стороною «b» рівні F2=F4=b·Z·H; тоді площі даху і підлоги F5=F6=a·b.

Тоді формулу (3) можна записати як

, (4)

де і = 1, 2, 3, 4 відносяться до стін; і = 5 - до даху, і = 6 - до підлоги.

Праву і ліву частину рівняння (4) поділимо на F=a·b

, (5)

Рис. 2. Принципова форма будівлі, яка взята для аналізу

Оптимальні значення та , що забезпечують при заданій житловій площі F будівлі мінімальні втрати теплової енергії, визначаються мінімізацією питомої теплової характеристики будівлі як функції змінних а та b. Виконавши відповідні перетворення, отримаємо

;

(6)

Відповідно оптимальна кількість поверхів становить

. (7)

Реалізація викладеного підходу до визначення оптимальних габаритних розмірів будівлі з урахуванням теплоенергетичного впливу погодно-кліматичних умов на тепловий режим будівлі виконана в пакеті Mathcad. Показано, що вибір габаритних розмірів будівлі з метою мінімізації втрат теплової енергії дозволяє зекономити до 40 % теплової енергії, яку необхідно подати на опалення у порівнянні із будівлею із загальноприйнятими розмірами.

Висновки

Для врахування позитивного і нейтралізації негативного впливу зовнішніх погодно-кліматичних умов на будівлю, з метою зменшення енергозатрат, можна розглянути вибір габаритних розмірів будівлі, які найкращим чином враховують позитивний і зменшують негативний вплив цих умов.

Задача оптимізації габаритних розмірів будівлі має такий зміст: серед усіх будівель, що мають ту саму житлову площу , необхідно вибрати таку, яка при інших рівних умовах, має найменші тепловтрати і, відповідно, потребує мінімальних витрат теплової енергії на її опалення (охолодження).

Загальні тепловтрати зовнішніми огородженнями будівлі за опалювальний період можна визначити за залежністю (3), де враховується вплив на тепловтрати будівлі таких метеорологічних параметрів: температура зовнішнього середовища, швидкість вітру і прихід сонячної радіації на вертикальні стіни. При цьому згідно методики [3] уводиться комплексний параметр - ефективна температура, що враховує три вищезгаданих параметри.

Оптимальні значення габаритних розмірів будівлі та , що забезпечують при заданій житловій площі будівлі мінімальні тепловтрати, визначаються за залежностями (6).

Реалізація викладеного підходу дозволяє на 40 % зменшити тепловтрати будівлі у порівнянні із будівлею загальноприйнятих розмірів.

Література

1.Корчемний М., Федорейко В., Щербань В. Енергозбереження а агропромисловому комплексі. - Тернопіль: Підручники і посібники, 2001. - 984 с.

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

3. Анапольская Л. Е., Гандин Л. С. Метеорологические факторы теплового режима зданий. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 239 с.

4. Комплексные проблемы развития теплоснабжающих систем / А. В. Федяев, О. Н. Федяева. - Новосибирск: Наука, 2000. - 256 с.

5. Рокочинський А. М. Оптимізація проектних технічних і технологічних рішень з водорегюлювання осушуваних земель: автореф. дис... д-ра техн. наук: 06.01.02. - Київ, 2002. - 35 с.

6. Кондратьев К. Я., Пивоварова З. И., Федорова М. П. Радиационный режим наклонных поверхностей, Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 215 с.

7. Волощук В. А., Рокочинський А. М. Визначення тепловтрат будівель з урахуванням впливу швидкості вітру та приходу сонячної радіації // Вісник НУВГП. Збірник наукових праць: Вип. 2 (32), ч. 2. - Рівне: НУВГП, 2006. - с. 182 - 191.

Размещено на Allbest.ru