ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ЗДАНИЙ

1. Введение.

Жилищно-общественный сектор экономики Украины относится к числу крупнейших потребителей энергии. Сегодня жилищно-коммунальная сфера Украины потребляет до 50% газа для обогрева зданий, производства горячей воды и приготовления пищи. При этом эффективность использования энергоресурсов в жилом фонде Украины в 3-5 раз ниже, чем в странах ЕС с подобными климатическими условиями [1].

Стоит отметить, что вопрос энергосбережения актуален не только для Украины. Поэтому на увеличение эффективности использования энергии в странах ЕС направлена ​​директива Европейского парламента и Совета Европы 2010/31 / ЕС от 19 мая 2010 по энергетической эффективности зданий [2].

В зданиях наблюдаются сложные взаимодействующие и взаимосвязанные тепломасообменные процессы. И именно от них зависит эффективность использования энергоресурсов.

На сегодня эти процессы недостаточно изучены из-за их сложности и многообразия. Поэтому возникает насущная необходимость в совершенствовании существующих и разработке новых методов исследования таких процессов. И здесь определенно не обойтись без математического моделирования с использованием современных информационных технологий.

Именно разработке инструментальных средств для организации вычислительного эксперимента по исследованию взаимосвязанного и взаимообусловленного тепломассообменного процесса здания посвящена данная работа.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы.

На сегодня есть компьютерные программы расчета теплопотребления здания, среди них к наиболее популярным относятся:

- DOE-2 (DOE-2.3), разработанная Lawrence Berkley National Laboratory, США [3];

- EnergyPlus (EnergyPlus 8.1.0), разработанная Lawrence Berkley National Laboratory, USA CERL, University of Illinois, США [4];

- BSim, разработанная Danish Building Research Institute, Дания [5];

- ESP-r, разработанная Universitu of Strathclyde, Великобритания [6].

Эти программы опираются на национальные нормативные документы и скрытые математические модели, которые находятся в основе их расчетных алгоритмов. А это затрудняет их корректное применение в строительной практике Украины.

Кроме того, как показали исследования [7-9], проведенные с целью оценки валидности указанных компьютерных программ, результаты расчета могут значительно отличаться в зависимости от выбранной компьютерной программы.

В странах СНГ моделирования тепловых режимов в зданиях находится в зачаточном состоянии. Проводятся исследования или в отдельных элементах здания, или с помощью достаточно простых моделей. Так, работа [10] посвящена исследованию наружных ограждающих конструкций, в составе которых используются теплоизоляционные изделия из пенополиуретана. В работе [11] разработана экспресс-методика расчетно-экспериментального контроля энергосбережения на основе удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания. В работе [12] приводятся результаты эксперимента, целью которого является оценка эффективности использования легкой стальной ограждающей конструкции.

В работах [13, 14] уделено внимание разработке программного комплекса, ориентированного на численное решение уравнений Навье-Стокса для областей с произвольной геометрией. Код имеет опции для решения задач свободной и смешанной конвекции парогазовой смеси на основе поверхностной конденсации пара в присутствии неконденсированных газов. С помощью этого кода в двумерной и трехмерной постановках выполнено численное моделирование ряда задач по конвективному теплообмену в помещении здания.

Следовательно, отсутствие программных продуктов, которые бы рассматривали взаимосвязанный и взаимообусловленный тепловой процесс во всем здании, приводит к необходимости проведения дальнейших исследований в этом направлении.

3. Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является создание инструментального средства для организации вычислительного эксперимента с анализа взаимосвязанного и взаимообусловленного тепломассообменного процесса в здании.

Для этого решаются следующие задачи:

1. Выбор расчетной структуры здания.

2. Выбор структуры инструментального средства.

3. Проектирование функционального наполнения инструментального средства.

4. Выбор моделей и методов расчета тепломасообменного процесса в здании для реализации прикладного обеспечения инструментального средства.

4. Материалы исследований по построению инструментальных средств для проведения вычислительного эксперимента с анализа тепломасообменного процесса.

Здания характеризуются большим разнообразием функционально-конструктивного исполнения и непростым тепловым процессом, который протекает в нем. Поэтому тепловой процесс является сложной системой, т.е. совокупностью взаимодействующих элементов, объединенных единством целей и образующих определенную целостность.

Исследование такого процесса возможно лишь в рамках компьютерного моделирования, направленного на реализацию вычислительного эксперимента. Для этого требуется специализированное программное обеспечение. На текущем этапе развития информационных технологий таким программным обеспечением является пакет прикладных программ.

Пакет прикладных программ – это комплект программ, предназначенный для решения определенного класса задач с некоторой предметной области. Пакеты разрабатываются таким образом, чтобы максимально упростить использование компьютера специалистами разных профессий, освободив их от необходимости изучать программирование и другие области знаний, связанные с компьютером [15].

Пакет прикладных программ, вообще говоря, может иметь разную структуру в зависимости от предметной области, для решения задач из которой он ориентирован [16].

Важным этапом в создании пакета прикладных программ является этап выбора и построения модулей предметной области. Модуляризация предметной области в данной работе осуществляется путем построения расчетной структуры здания и объектно-ориентированного подхода к анализу ее тепломассообменного режима.

Жилое здание подается в виде дерева. Его самым низким уровнем является элементарный элемент. Это составляющие ограждающей конструкции; пространства паровоздушной смеси: комната, часть лестницы, часть чердака, часть подвала; элементы поступления (потери) тепла.

Некоторые элементы в конкретном доме могут отсутствовать.

Такая структура позволяет рассматривать с единых позиций любой дом. При этом взаимосвязанный и взаимообусловленный тепловой процесс во всем доме сводится к тепловому процессу в элементарных элементах и согласовываются соответствующими краевыми условиями.

Подобную структуру можно построить для любого жилого, общественного или административного здания.

На сегодня существует несколько технологий объектно-ориентированной разработки прикладных программных систем, в основе которых находится построение и интерпретация на компьютере моделей этих систем. В данной работе используется методология OMT (Object Modeling Techniques) [17].

В технологии OMT проектируемая программная система моделируется тремя взаимосвязанными моделями:

- функциональной моделью, в которой подается взаимодействие отдельных частей системы (как по данным, так и по управлению) в процессе ее работы;

- динамической моделью, описывающей работу отдельных частей системы;

- объектной моделью, которая подает статические, структурные аспекты системы, в основном связаны с данными.

Реализация функциональной модели анализа тепломассообменного процесса в рамках объектно-ориентированного проектирования в здании сводится к следующим шагам:

1. Определение теплопоступления за счет лучевого излучения и конвекции. Передача результатов в блок для решения задачи о конвективном теплообмене.

2. Решение задачи о конвективном теплообмене. Передача результатов в блок для решения задачи о теплопотерях за счет теплопроводности через элементы, которые подают ограждающую конструкцию.

3. Определение теплопотерь через ограждающую конструкцию.

В общем случае модель тепломассообменного процесса в доме непроизводственного назначения состоит из следующих элементов:

1. Внешняя среда (ВС).

2. Элемент ограждающей конструкции (ОК).

3. Паровоздушное пространство (ПП).

4. Система отопления (СОП).

5. Система освещения (ЕСВ).

6. Солнечная радиация (СР).

7. Люди (Л).

Принимается такая методология моделирования. Элементарные элементы системы типизированные, то есть каждый элементарный элемент системы принадлежит определенному виду.

Состояние элементарного элемента системы определяется внутренними процессами, отраженными в субмодели, и воздействиями на него других элементарных элементов системы. Состояние элементарного элемента системы описывается набором переменных.

Каждый элементарный элемент системы получает информацию (параметры) о состоянии тех элементарных элементов системы, которые имеют на него влияние. Обобщенная информация о наличии такого влияния для каждого элементарного элемента системы подается матрицей междуэлементных воздействий. Имена строк и столбцов в этой матрице соответствуют именам элементарных элементов системы, перечисленных выше. Значение элемента, размещенное в строке с именем i и в колонке с именем k, равное 1, означает, что элементарный элемент с именем i испытывает влияние со стороны элементарного элемента системы с именем k. Если этот элемент равен 0, то такого влияния нет. Эта матрица используется для построения интерфейсов функций, которые описывают поведение элементарных элементов системы.

Моделирование поведения системы выполняется на определенном отрезке времени. Временной шаг моделирования является переменным. При этом выполнение каждого шага включает 3 этапа:

1. Каждый элементарный элемент системы получает информацию о состоянии элементарных элементов, которые влияют на него в данный момент времени.

2. Каждый элементарный элемент системы вычисляет свое состояние в следующий момент времени (не переходя при этом в следующее состояние). Вычисления выполняются на основе соответствующей субмодели элементарного элемента системы.

3. Каждый элементарный элемент системы реализует (переводит себя в) следующее состояние.

Согласно идеологии объектно-ориентированного моделирования все элементарные элементы модели системы типизированные, то есть относятся к определенному классу и каждый элемент модели системы подается объектом соответствующего класса.

При этом структура, свойства и поведение объекта данного класса однозначно определяется описанием этого класса. Класс определяет информационную структуру элемента модели системы и содержит набор функций (методов), определяющих эволюцию его состояния. Структура междуэлементных взаимодействий подается в соответствующих классах в виде списков аргументов функций – членов класса, осуществляющих выполнение второго этапа очередного шага моделирования системы.

Пример UML-диаграммы сложного тепломассообменного процесса показан на рисунке 1.

Существует немало систем различного характера, в которых наблюдаются сложные взаимосвязанные и взаимообусловленные различные по своей природе тепломассообменные процессы. Стыковка этих процессов, то есть задания краевых условий является не простой задачей.

Рисунок 1. URL- диаграмма тепломассообменного процесса

Решить эту проблему в данной работе предлагается введением обобщенных краевых условий, под которыми понимается совокупность краевых условий, заданных в простейшем виде, и нестационарных точечных, поверхностных и объемных источников и стоков массы, импульса и энергии, которые примыкают к определенной границы или рассеяны в исследуемом пространстве. Такой подход позволяет рассматривать с единых позиций сложный взаимосвязанный и взаимообусловленный теплообменный процесс, задавая краевые условия в простейшем виде, а реальные взаимодействия реальных процессов подавать источниками и стоками соответствующей субстанции.

В технологии OMT динамическая модель проектируемого пакета прикладных программ описывает работу отдельных частей этой системы. В нашем случае – это отдельные модули, которые подают методы анализа теплопроводности, конвективного теплообмена и лучевого излучения.

Элементы ограждающей конструкции (наружные стены, окна, двери, пол) часто являются многослойными. Каждый слой имеет разные толщины и различные теплофизические характеристики. Причем некоторые слои могут быть достаточно тонкими. Считается, что в элементе ограждающей конструкции наблюдается трехмерный нестационарный тепловой процесс. Частным случаем является одномерный нестационарный процесс. За метод расчета используется модифицированный метод конечных элементов. Модификация касается разделения конечных элементов на однородные и неоднородные. Однородные элементы имеют правильную геометрическую форму (прямоугольный параллелепипед) с направляющими, параллельными осям координат, и однородный состав, что в данном случае означает постоянство коэффициента теплопроводности. Особый случай составляют неоднородные элементы. Это элементы, содержащие тонкие слои, на границах которых коэффициент теплопроводности существенно меняется. Использование стандартного метода конечных элементов для таких элементов приводит к физически неверным профилям решения. Конечно, такие дефекты исправляются введением подробной сетки, но это может приводить к неприемлемому увеличению размера сетевой задачи. Функции формы для однородных элементов отыскиваются в виде трехлинейных функций:

N = (a₁x + b₁) (a₂y + b₂) (a₃z + b₃),

где параметры a₁, b₁, a₂, b₂, a₃, b₃ находятся из условия, что в рассматриваемом узле конечного элемента функция формы равна единице, а в других узлах равна нулю. Считаем, что в неоднородных элементах коэффициент теплопроводности является кусочно-постоянным, а функция формы меняется только в направлении, перпендикулярном тонкому слою (расположение слоя в элементе может быть произвольным). Тогда функция формы выбирается кусочно-линейной и находится из условия воспроизведения точного решения одномерного уравнения теплопроводности в конечном элементе. Так выбранный вид функции формы в неоднородном элементе обеспечивает правильное описание поля температур при наличии узкого слоя без использования подробной сетки. Частным случаем указанной модели, которая используется при анализе теплового процесса в элементе ограждающей конструкции здания, является одномерная нестационарная модель. Указанные модели подробно описаны в работе [18].

Конвективный теплообмен рассматривается в приближении нестационарного трехмерного турбулентного потока двухкомпонентной паровоздушной смеси при наличии в элементарном элементе внутренних источников и стоков энергии. Моделирование турбулентности выполняется на основе SST-модели Ментера [19]. Для числовой реализации задачи о конвективном тепломассообмене используется метод конечных объемов [20]. При этом уравнения газовой динамики записываются в интегральной форме. Частным случаем указанного метода, используемого при анализе конвективного тепломассообмена, является квазистационарный модель, при которой считается, что параметры потока зависят от времени, но не зависят от пространственных координат. Указанные методы подробно описаны в работе [21].

Поступление тепла от систем отопления и освещения, солнечной радиации и людей моделируется точечными, поверхностными и объемными источниками (стоками) тепла. Причем учитывается поступление тепла как за счет конвекции, так и за счет лучевого излучения.

Тепловой поток, переданный при конвективном теплообмене, определяется по формуле:

,

где a₁ - коэффициент теплоотдачи;

F - поверхность соприкосновения теплоносителя со стенкой;

t₁ - температура теплоносителя;

t₂ - температура поверхности стенки.

Энергия тепловыделения при лучистом теплообмене пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела, то есть:

,

где   - коэффициент излучения тела;

  - абсолютная температура тела.

Интенсивности источников, моделирующие поступления тепла от системы освещения, солнечной радиации и людей находятся с использованием известных методик [22, 23].

Используемые методы требуют некоторых экспериментальных данных (материалы ограждающих конструкций, их теплофизические характеристики, параметры отопительного прибора, тип системы освещения и т.д.). Нужные экспериментальные данные оформлены в виде специальных таблиц, которые являются неотъемлемой частью инструментального средства, предлагаемого в данной работе.

Пакет прикладных программ для анализа теплового режима здания непроизводственного назначения состоит из трех основных частей: препроцессора, решателя и постпроцессора. Каждая из этих частей является независимой и может быть использована как отдельная программа. Связь между программами осуществляется с помощью стандартизированных потоков данных (файлов). Диаграмма работы пользователя с предложенным пакетом изображена на рисунке 2.

Препроцессор, решатель и постпроцессор, а также модули, подающие предметную область, написаны на языке C# для операционной системы Windows. Препроцессор предназначен для достоверного визуального ввода и редактирования информации как геометрического и теплофизического характера, так и определяющего тепловой процесс. Оболочка препроцессора построена в виде иерархической структуры по принципу дерева каталогов.

Рисунок 2. Диаграмма работы пользователя и информационные потоки в предложенном пакете

Исходные данные с препроцессора передаются в решатель. В решателе формируется программа в виде последовательности классов и их объектов и выполняются соответствующие вычисления. В основе формирования программы находится функциональная модель предметной области, созданная при объектно-ориентированном проектировании. Для построения программы используются модули, которые составляют информационную базу пакета.

В разработанном постпроцессоре предусмотрена возможность визуализации полей скорости, температуры, давления. Поля представляются в виде цветных или серых линий.

После загрузки пакета «Анализ теплопотерь» появляется основное окно, в котором в пункте главного меню Файл выбирается опция Открыть (открыть проект при его наличии) или Новый (создать новый проект) (рисунок 3).

При выборе опции открыть проект появляется список имен сохранившихся проектов. При выборе опции создать новый появляется древовидная структура для формирования пользователем вычислительной схемы конкретной задачи по исследованию теплового режима дома (рисунок 4).

Рисунок 3. Исходное окно пакета «Анализ теплопотерь»

Рисунок 4. Фрагмент шаблона для формирования вычислительной схемы

После выбора конкретного типа элементарного элемента указывается конкретный элементарный элемент этого типа. По умолчанию предусмотрено наличие одного такого элемента. В случае необходимости можно добавить нужные элементы, разместив курсор мышки после предыдущего элемента справа в окне и нажав клавишу Enter. Имена элементов задаются автоматически. В случае необходимости их можно переименовать, поскольку эти имена должны совпадать с соответствующими именами, заданными в матрице междуэлементных связей. Выделив конкретный элемент конкретного типа появляется новый уровень (расположен справа), в котором задаются пользователем параметры выбранного элемента. Сначала задаются координаты этого элемента. Для этого на экране подается таблица с тремя строками и четырьмя столбиками, в которой указываются координаты двух вершин, расположенных на диагонали параллелепипеда, который подает конкретный элемент. Координаты других вершин вычисляются автоматически.

Если выделенный элемент принадлежит к ограждению, то в таблице, которая появляется после выбора опции слои, задаются материал и толщины слоев, образующих многослойную ограждающую конструкцию. По умолчанию предусмотрен один слой. В случае необходимости добавляются нужные элементы, разместив курсор мышки после задания толщины предварительного элемента и нажав клавишу Enter. Стоит заметить, что слои указываются последовательно, начиная с внешнего. Пункт слои присутствует только у элементов ограждения.

Пункт источники (стоки) тепла предусмотрен для задания типа (точечный, поверхностный, объемный) и размещение (координаты) источников и стоков тепла в рассматриваемом элементарном элементе. Если источник точечный, то задаются координаты одной точки, иначе - двух точек, расположенных на диагонали параллелограмма (для поверхностных источников) и диагонали параллелепипеда (для объемных источников).

В опции метод анализа выбирается метод исследования теплового процесса. Если рассматривается элемент ограждающей конструкции, то методом анализа является трехмерный нестационарный тепловой процесс или одномерный нестационарный тепловой процесс. Для элемента паровоздушной пространства методом анализа является трехмерный нестационарный процесс или квазистационарных процесс.

В опции краевые условия указываются краевые условия на всех шести границах элементарного элемента. Сначала из списка выбирается краевая условие, а затем указывается поверхность, для которой применимо выбранное условие. Поверхность задается двумя вершинами, расположенными на диагонали параллелограмма.

Если указанный элемент относится к типу внешнюю среду, то его параметром является температура, которая является постоянной величиной, или величиной, которая меняется по закону, установленному экспериментально. Эта величина или ряд величин задается в опции температура.

При выборе элемента класса системы отопления нужно выбрать тип установки (традиционная система отопления, система отопления с традиционным теплоносителем, электрическая система отопления). В зависимости от типа задаются другие параметры системы отопления. Для традиционной системы отопления указывается температура теплоотдающей поверхности; для систем отопления с традиционным теплоносителем указываются температуры теплоносителя на входе и выходе из отопительного прибора и материал теплоотдающей поверхности прибора. Для электрической системы отопления указывается температура внешней оболочки кабеля.

При выборе элемента класса системы освещения нужно выбрать тип светильника (лампа накаливания, открытая или закрытая люминесцентная лампа с холодным катодом или с горячим катодом).

При выборе элемента класса люди нужно задать количество людей, отдельно мужчин, женщин, детей.

При выборе элемента класса солнечная радиация нужно указать следующие параметры:

- число световых проемов и массивных ограждений;

- угол наклона остекления к горизонтальной плоскости;

- высоту и ширину светового проема;

- ширину горизонтальных и вертикальных строительных солнцезащитных плоскостей.

Ввод исходных данных продолжается до исчерпания всех элементарных элементов, составляющих структуру части или всего здания, которое рассматривается в конкретной задаче. При отсутствии элементов некоторого класса никакие параметры не вводятся.

Результатом работы препроцессора есть текстовый файл, в котором за логическими признаками сгруппированы входные данные.

После введения исходных данных можно выполнить компиляцию программы, или их сохранить. Для этого в главном меню выбирается соответствующие операции.

При выборе пункта компиляция по входным данным автоматически создается алгоритм решения задачи и на его основе с использованием сохранившихся модулей формируются программа. После завершения компиляции можно передать программу на реализацию, а можно сохранить результат компиляции, выбрав соответствующие опции в главном меню.

Данные, полученные в результате расчетов, передаются в постпроцессор, который выполняет их дальнейшую обработку, в том числе результаты представляются в виде графиков.

Рассмотрим использование предложенного инструментального средства для сравнения некоторых систем отопления.

В последнее время распространено строительство помещений больших площадей с свободной планировкой рабочих пространств. Поэтому возникла необходимость в применении систем отопления и охлаждения, которые позволяют трансформировать системы обеспечения микроклимата так же свободно, как и менять планировку [24].

Появление современных стеклопакетов с высоким сопротивлением теплопередачи позволяет убрать отопительные приборы из-под оконных проемов.

Теплые полы и излучающие панели, охлаждающие потолки и «балки» - все это не только современная альтернатива традиционным системам отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха, но и оборудование, имеющее в своей основе другой принцип обеспечения комфорта в помещении. Они обеспечивают нагрев или охлаждение воздуха за счет не только конвекции, но и излучения.

Имеющиеся на сегодня инженерные решения на основе систем лучистого отопления и охлаждения позволяют более рационально по сравнению с традиционными выстраивать архитектурный облик зданий и интерьеры помещений. Теплоноситель (как правило, вода), используемый в таких системах, имеет умеренную температуру как для отопления, так и для охлаждения. Отсюда вытекают оптимальные условия для работы конденсационных котлов и тепловых насосов, солнечных коллекторов, высокий уровень энергетической эффективности и экологической безопасности.

При использовании систем лучистого отопления средняя температура в помещении, как правило, выше, чем температура воздуха, поскольку передача тепла осуществляется нагретыми поверхностями пола, потолка, стен большой площади или их сочетанием.

Вследствие большой площади теплоотдающих поверхностей их температура близка к требуемой температуре в помещении и нет необходимости использовать воздух как дополнительный способ нагрева помещения. Равные условия комфорта в помещении можно обеспечить при более низкой температуре воздуха, сократив расходы тепла на его подогрев. Основное различие между традиционным и лучевым отоплением как раз и заключается в температуре воздуха.

Что касается материалов, которые применяются для изготовления излучающих панелей, на первом месте стоит медь по показателям теплопроводности, меньшей высоты прокладки, высокой термостойкости. Пластмассовые материалы (полиэтилен, полибутилен и др.), В свою очередь, достаточно технологичны при монтаже, что позволяет значительно снизить их стоимость.

Излучающие панели в стенах применяются, как правило, дополнительно к другим системам отопления, но могут использоваться и в качестве самостоятельных системы. Модульные блоки змеевика панелей монтируются непосредственно на стену обычным креплением и покрываются штукатуркой слоем толщиной около 3,5 см. Они могут монтироваться на стену и закрываться гипсокартоном или иной жесткой облицовкой. Блоки змеевика могут крепиться с помощью вертикальных или горизонтальных осевых опорных штанг на слой теплоизоляционного материала, покрытого, как правило, алюминиевым листом. Кроме того, модульные блоки змеевика могут крепиться к металлической арматуре, затем заливаться бетоном традиционным методом. Готовая панель остается открытой или штукатурится.

Следует, однако, признать, что есть одна важная особенность, которая влияет на выбор того или иного решения - в жилых помещениях, обставленных мебелью, эффективность обогревательных панелей в стенах существенно снижается.

Подвесные излучающие потолка модульного типа отличаются низкой тепловой инерцией, простотой установки и - что немаловажно - необычайной легкостью и безопасностью доступа для обслуживания.

В прошлом негативное влияние определенных факторов, а точнее поверхностный подход к решению функциональных проблем, присущих излучающим панелям, приводило к известному скептицизму относительно систем лучистого отопления. Однако сегодня - в связи с улучшением теплоизоляции зданий и системы регулирования температуры воздуха - системы лучистого отопления переживают второе рождение.

Нормальное теплоощущение человека определяют два основных параметра - температура воздуха и средняя радиационная температура [24]. Комбинирование воздействия этих двух параметров выражается показателем «результирующая температура помещения». Для небольших скоростях воздуха в помещении (<0,2 м/с) результирующая температура может быть определена как среднее арифметическое температуры воздуха и средней радиационной температуры. Это означает, что и температура воздуха, и средняя радиационная температура одинаково важны для поддержания необходимого уровня теплового комфорта в помещении [25, 26].

В рамках предложенного инструментального средства, следуя работе [27], проведены исследования вертикального распределения температур в помещении здания для таких типов систем отопления:

- напольного лучистого отопления;

- низкотемпературных подоконных отопительных панелей;

- потолочных панелей;

- воздушного отопления с подачей воздуха со стороны задней стенки.

Нужных исходных данных, приведенных в работе [27], недостаточно для моделирования теплового режима в рамках предложенного инструментального средства. Поэтому такие данные дополнены параметрами, типичными для современного жилого фонда.

В частности, считается, что помещение имеет размеры 6×3×3; одна кирпичная внешняя стена (характеристики кирпича: размеры 250×120×140 мм, коэффициент теплопроводности 0,6, коэффициент теплоотдачи 23). Остальные три стены, потолок и пол является непроницаемыми для тепла и паровоздушной смеси. Температура окружающей среды составляет -15 °С.

Таким образом, при объектном анализе помещения выделяется один элемент ограждающей конструкции (ОК), одно паровоздушное пространство (ПП), внешнюю среду (ВС) и один элемент, который моделирует поступления тепла от системы отопления (СОП).

Поступление тепла в паровоздушное пространство подается поверхностным источником энергии. При напольном лучевом отоплении источник размещен на нижней грани элемента. При низкотемпературных подоконных отопительных панелях источник размещен на нижней четвертой части грани ОК. При потолочных панелях источник размещен на верхней грани элемента паровоздушного пространства. При воздушном отоплении с подачей воздуха со стороны задней стенки источник размещен на грани элемента паровоздушного пространства, противоположного элемента ОК.

Матрица междуэлементных связей для рассматриваемой задачи будет иметь вид, представленный в табл. 1.

Таблица 1.

Матрица междуэлементных связей

Результаты моделирования представлены на рисунке 5. Напольное лучевое отопление и подоконные панели с большой поверхностью нагрева обеспечивают равномерное профиль температур. Системы с большей долей конвективной теплоотдачи создают более значительный градиент.

Полученные результаты согласуются с данными работы [27]. Графики на рис. 5, в частности, показывают, что для систем с большей долей конвекции в теплоотдаче неравномерность температурного профиля увеличивается. Причем, потолочные панели приводят к наибольшей неравномерности. Поэтому потолочные панели уместно использовать для охлаждения помещений.

Более высокая средняя радиационная температура в помещениях с напольным лучевым отоплением обусловливает возможность поддержки более низкой температуры воздуха, чем в домах из «обычной» системой отопления.

Рисунок 5. Вертикальное распределение температуры с различными системами отопления: синяя линия – напольное лучистое отопление; голубая – низкотемпературные подоконные отопительные панели; желтая – потолочные панели; красная – воздушное отопление с подачей воздуха со стороны задней стенки. Тепловой поток – 50 Вт/м²

5. Выводы.

Результатом выполненных исследований является созданное инструментальное средство для оценивания взаимосвязанного и взаимообусловленного теплового процесса во всем здании.

Построенное инструментальное средство может использоваться для анализа теплового процесса при проектировании новых и модернизации существующих зданий, а именно для:

- выбора материалов и их параметров для изготовления стен, окон, дверей;

- выбора материалов и их параметров для утепления помещений;

- для выбора типа и размещения в помещении системы отопления.

Список литературы:

1. Термомодернізація житлового фонду: організаційний, юридичний, соціальний, фінансовий і технічний аспекти [Текст]: Практичний посібник. Видання 2-ге, доповнене. / За загальною редакцією Бригілевича В. – Львів, 2014. – 240 с.
2. Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council [Electronic resource]. – 2010. – May. – Mode of access: http://eurlex.europa .eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:153:0013:0035:EN:PDF.
3. The home of DOE–2 based building energy use and cost analysis software [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.doe2.com/.
4. Energyplus energy simulation software [Electronic resource] / U.S. Department of Energy. – Mode of access: http://apps1.eere.energy.gov /buildings/energyplus/?utm_source=EnergyPlus&utm_medium=redirect&utm _campaign=EnergyPlus%2Bredirect%2B1.
5. Statens byggeforskningsinstitut [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.sbi.dk/indeklima/simulering.
6. ESP– [Electronic resource]. – Mode of access: http://www.esru. strath.ac.uk/Programs/ESP–.htm.
7. Рerformance simulation programs [Electronic resource] : report / Drury B. Crawley [et al.] / Crawley, D. B. Contrasting the Capabilities of building energy United States Department of Energy : University of Strathclyde : University of Wisconsin. – 2005. – July. – 59 p. – Mode of access: http:// gundog.lbl.gov/dirpubs/2005/05_compare.pdf.
8. Judkoff, R. A methodology for validating building energy analysis simulations [Electronic resource] : report / R. Judkoff [et al.] / National Renewable Energy Laboratory. – 2008 – Apr. – 192 p. – Mode of access : http://www.nrel.gov/docs/fy08osti/42059.pdf.
9. Zhu, D. A Detailed loads comparison of three building energy modeling programs: EnergyPlus, DeST and DOE–2.1E [Electronic resource] / Dandan Zhu [etal.] // Building Simulation. – 2013. – Vol. 6. – № 3. – P. 323–335.
10. Gorshkov A.S., Vatin N.I. Svoystva stenovykh konstruktsiy iz yacheistobetonnykh izdeliy avtoklavnogo tverdeniya na poliuretanovom kleyu [Properties of the wall structures made of autocalved cellular concrete products on the polyurethane foam adhesive]. Magazine of Civil Engineering. – 2013. – No 5(40). – Pp. 5 – 19.(rus)
11. Korniyenko S.V. Raschetno-eksperimentalnyy kontrol energosberezheniya zdaniy [Settlement and experimental control of energy saving for buildings]. Magazine of Civil Engineering. – 2013. – No 8(43). – Pp. 24 – 30.(rus)
12. Petrosova D.V., Kuzmenko N.M., Petrosov D.V. Eksperimentalnoye issledovaniye teplovogo rezhima legkoy ograzhdayushchey konstruktsii v naturnykh usloviyakh [A field experimental investigation of the thermal regime of lightweight building envelope construction] Magazine of Civil Engineering. – 2013. – No 8(43). – Pp. 31 – 37.(rus)
13. Семашко, С. Е. Расчетно-экспериментальное моделирование процессов в защитной оболочке при наличии пассивного конденсатора в системе пассивного отвода тепла / С. Е. Семашко, В. В. Безлепкин, М. А. Затевахин, О. И. Симакова, И. М. Ивков // Атомная энергия. – 2010. – Т. 108, №5. – С.308–312.
14. Semashko S. E. Review on condensation on the containment structures  [Text] / J. C. De la Rosa, A. Escriva, L. E. Herranz, T. Cicero, J. L. Munoz-Cobo // Progress in Nuclear Energy. – 2009. – V. 51. – P. 32–66.
15. Ершов А. П. Пакеты программ – технология решения прикладных задач [Текст] / А. П. Ершов, В. П. Ильин – Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1978.
16. Пакеты прикладных программ: программное обеспечение вычислительного эксперимента [Текст] / Ред. А.А. Самарский – М.: Наука. 1987. – 150 с.
17. Booch, G. Object-oriented analysis and design [Текст] / G. Booch // Addison-Wesley Publishing Company. – 2007. – 534р.
18. Куценко О. С. Моделювання теплообміну через огороджувальні поверхні будівлі [Текст] / О. С. Куценко, Г.А. Зацеркляний // Вісник НТУ «ХПІ». – 2012. – № 42 (948).
19. Menter F.R. Two–Equation Eddy–Viscousity Turbulence Models for Engineering Applications [Text] / F.R. Menter // AIAA J. – 1994. – 32, № 8. – P. 1598–1605.
20. Аникеев А.А. Основы вычислительного теплообмена и гидродинамики [Текст] /  А.А. Аникеев, А.М. Молчанов, Д.С. Янышев : Учебное пособие.
21. Єрохін А.Л., Зацеркляний Г.А. Інформаційна технологія аналізу конвективного теплообміну в приміщенні будівлі [Текст] / А.Л. Єрохін, Г.А. Зацеркляний // Системи обробки інформації. – 2016. – № 9(146), – стор.187–192.
22. Weitzmann P. Modelling building integrated heating and cooling systems / P. Weitzmann // Danmarks tekniske universitet. – 2004. – 239 Р.
23. Львовский И.Б. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения [Текст] / И.Б. Львовский, Б.В. Баркалов – М. – 1993. – С. 32.
24. KWD market and charts: plumbing and heating Europe – 2001/2002.
25. ISO Standard 7730. Moderate thermal environments — determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. Geneva: International Organization for Standardization. – 1994.
26. ASHRAE Handbook – Fundamentals. Chapter 8.
27. ANSI/ASHRAE Standard 55–1992. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
28. B. W. Olesen. [Електронний ресурс].Теория и практика напольного лучистого отопления. http://www.abok.ru/for_spec/articles.php? nid=1912.