АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ НА ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ BIM

ANALYSIS OF THE IMPACT OF NATURAL VENTILATION ON THERMAL COMFORT AND ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS USING A BIM-BASED SYSTEM

Yulia Perfilova

master's student,St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Здания по всему миру потребляют огромное количество энергии, причем значительная часть приходится на механические системы вентиляции и кондиционирования. Применение естественной вентиляции способно создать комфортные условия внутри помещений, снижая как зависимость от кондиционеров, так и энергопотребление здания. Однако существующие исследования в основном фокусировались либо на комфортных условиях в помещениях, либо на экономии энергии за счет использования естественной вентиляции. Взаимосвязь между тепловым комфортом и энергетическими показателями благодаря естественной вентиляции имеет значение. Кроме того, на естественную вентиляцию в зданиях сильно влияют его геометрия, свойства материалов, состояние окружающей среды и количество людей. В этой статье представлена структура, основанная на информационном моделировании зданий (BIM), для изучения влияния естественной вентиляции на взаимосвязь между тепловым комфортом и энергетическими характеристиками.

ABSTRACT

Buildings around the world consume enormous amounts of energy, with a significant portion coming from mechanical HVAC systems. The use of natural ventilation can create comfortable indoor conditions, reducing both dependence on air conditioning and the energy consumption of the building. However, existing studies have mainly focused on either indoor comfort or energy savings through the use of natural ventilation. The connection between thermal comfort and energy performance through natural ventilation is important. In addition, natural ventilation in buildings is strongly influenced by its geometry, material properties, environmental conditions and the number of occupants, which have not been fully taken into account in previous studies. This paper presents a building information modeling (BIM)-based framework to study the influence of natural ventilation on the correlation between thermal comfort and energy performance.

Ключевые слова: оценка вентиляции воздуха; информационное моделирование зданий; энергоэффективность; тепловой комфорт; комплексное проектирование здания.

Keywords: air ventilation assessment; building information modeling; energy efficiency; thermal comfort; complex building design.

Введение

В городской среде на здания приходится почти 60% выбросов углекислого газа и 90% потребления энергии. Использование естественной вентиляции может обеспечить комфортную среду в помещении, одновременно снижая энергопотребление механической вентиляции. Таким образом, важно изучить влияние естественной вентиляции на тепловой комфорт и энергоэффективность.

Вычислительная гидродинамика (CFD) — распространенный метод изучения воздушного потока в вентилируемой среде. С помощью BIM технологий можно оценить эффективность естественной вентиляции и распределение температуры в помещении в жилом доме. Для этого CFD была объединена с полевыми исследованиями фактических данных граничных условий, чтобы улучшить характеристики вентиляции. Также было предпринято оценивание вентиляции воздуха в помещении с различными конфигурациями оконных проемов (т. е. одностороннюю и перекрестную вентиляцию). Поскольку CFD-моделирование не может напрямую выдать тепловую нагрузку и энергопотребление, для оценки энергетических характеристик зданий были применены программы моделирования энергопотребления зданий (BES).

Методология

1. BIM-моделирование. Первым шагом является создание проектной модели BIM. BIM предоставляет подробную геометрию (и конфигурацию) здания с точным положением каждого отдельного компонента здания (например, стены, колонны и плиты), которые используются для автоматического создания расчетных областей в CFD и BES. Кроме того, информация о свойствах материала в моделях BIM (например, теплопроводность и коэффициент пропускания солнечной энергии) используется для моделирования процесса теплопередачи в моделированиях CFD и BES. Помимо геометрии здания и свойств материалов, из BIM также можно извлечь местоположение здания, чтобы определить местный климат (например, скорость ветра, энтальпию и т. д.). Тип здания для каждого отдельного помещения (например, жилого или офисного) используется в BIM, чтобы определить категорию тяжести работ и оценить поведение, связанное с энергопотреблением, с точки зрения энергоэффективности здания. Благодаря BIM предлагаемая структура может обеспечить более эффективную и точную оценку тепловой среды внутри помещений и энергетических характеристик здания.

2. CFD-моделирование. Используя геометрию модели, тип материала и расчетную область, экспортированную из BIM, CFD-моделирование выполняется для определения потоков воздуха в помещении, чтобы оценить тепловой комфорт людей в различные периоды года. Уравнения (1) и (2) представляют из себя основные уравнения сохранения массы и импульса (также известные как уравнение Навье-Стокса) для моделирования движения жидкости.

Скорость воздушного потока, определенная в результате моделирования CFD, используется для измерения эффективности естественной вентиляции, выраженной в воздухообмене в час (ACH). Значения ACH затем используются для прогнозирования теплопередачи посредством естественной вентиляции следующим образом:

где Q^w_N - теплопередача за счет естественной вентиляции через отверстие w, CT - удельный коэффициент теплоты (Дж/кг·°C), ρ_air - плотность воздуха (кг/м3), (ACHˑV)/3600 - объемный расход в секунду (м3/с), T_out — наружная температура, T_in — температура внутреннего воздуха. Результат CFD-моделирования (Q^w_N) будет использоваться на следующем этапе для прогнозирования энергетических характеристик зданий.

3. Моделирование BES: программа BES моделирует передачу тепла от естественной вентиляции и других источников тепла при прогнозировании тепловой нагрузки и энергопотребления следующим образом.

где Q^w_N - теплопоступления за счет естественной вентиляции через отверстие w из предыдущего этапа, Qc - теплопоступления путем проводимости через поверхность i, Qs - солнечное излучение через окно j, Qo - теплопоступления от людей k, Q_T — общая тепловая нагрузка, необходимая для поддержания температуры термостата. Программа BES моделирует здания, подверженные переменному климату, и прогнозирует потребление энергии на основе тепловой нагрузки (Q_T) от различных источников тепла. Затем можно проанализировать энергоэффективность любого конкретного здания.

4. Расшифровка и анализ результатов: Результаты CFD (включая распределение температуры и поле потоков) и BES (ACH, тепловая нагрузка, энергопотребление и т. д.) служат для определения эффективности естественной вентиляции. Предложенная схема может быть применена для изучения стратегии переключения между механической и естественной вентиляцией в разное время с целью достижения лучшего теплового комфорта жильцов и экономии энергии в зданиях.

Выводы

В данной статье была представлена структура для анализа влияния естественной вентиляции на микроклимат и энергоэффективность зданий. BIM предоставляет главные характеристики здания, его геометрию, назначение, используемые материалы, внешнюю среду, которые можно интегрировать с CFD и BES для более точного анализа естественной вентиляции. Результаты могут помочь определить степень совмещения естественной и механической вентиляции для повышения энергоэффективности зданий без значительного ущерба для комфорта людей.

Список литературы:

1. BIM – Википедия [Электронный ресурс] // Википедия : свободная энцикл. – 2024. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/BIM.
2. Понятие BIM технологии в проектировании: что такое информационное моделирование зданий в строительстве [Электронный ресурс] // ООО «ЗВСОФТ». – URL: http://www.zwsoft.ru/stati/ponyatie-bim-tekhnologii.
3. Бобровицкий И.И., Шилкин Н.В. Гибридная вентиляция в многоэтажных жилых зданиях. / И.И. Бобро-вицкий, Н.В. Шилкин // АВОК – 2003. – №10. – с. 16-27.
4. Ермакова В.А., Саламатина А.С. BIM-моделирование в системах вентиляции // Инженерный вестник Дона, 2022, №1.
5. Варапаев В.Н. Математическое моделирование задач внутренней аэродинамики и теплообмена зданий / В.Н. Варапаев, Е.Х. Китайцева. – М.: Изд. СГА, 2008. – 337с.
6. Харитонов А.М. О верификации и валидации моделей и методов численного моделирования пространственных течений. / А.М. Харитонов // Международная конференция «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика», Новосибирск, 30 мая – 2024. –  с.1-7.
7. Суханова И.И., Гнедых В.С., Демшина Д.А. Анализ гидравлического и аэродинамического расчётов систем отопления и вентиляции на основе BIM-  моделирования // Инженерный вестник Дона, 2019, №9.