Учебное пособие 2166

проектирования зданий, основным принципом которой является не только использование эффективных теплозащитных материалов, но и создание конструкций наружных ограждений активно взаимодействующих с внешней и внутренней средой. Предлагаемые проектные решения должны в последствии способствовать утилизации теплоты вытяжного воздуха и использованию солнечной энергии при нейтрализации неблагоприятных климатических воздействий на сооружение с ограничением инфильтрации и увлажнения.

Внастоящее время накоплен опыт зарубежного и отечественного строительства зданий

сгелиоактивными наружными ограждениями, в полной мере соответствующими обозначенной концепции. Однако несмотря на значительную теплоэнергетическую эффективность, такие конструкции в нашей стране еще не получили широкого распространения из-за отсутствия реальной государственной поддержки, слабой методической и информационной базы проектирования, а также недостаточного экспериментального строительства в различных районах РФ.

Следует отметить, что территориальное расположение регионов России значительно предопределяет теплотехническую эффективность гелиоактивных стен и возможность получения полезного тепла при существующих климатических условиях.

Так, например, в Москве, где вероятность солнечного сияния в зимний период колеблется от 10 до 30 % при его суточной продолжительности 6-7 ч. [1], такие конструкции наружных ограждений за счет воздушных прослоек и утилизации теплоты вытяжного воздуха через теплосъемные каналы существенно сократят теплопотери здания, исключая инфильтрацию воздуха и увлажнение теплоизоляции.

Вюжных районах России, в Восточной Сибири (Иркутск, Хабаровск, Чита, Улан-Удэ) характерной особенностью климата является высокая вероятность солнечного сияния. Например, в Чите в марте она достигает 77 % при 8-часовой продолжительности и весьма низкой температуре наружного воздуха. Поступление суммарной солнечной радиации на

вертикальные поверхности южной ориентации при действительных условиях облачности и прозрачности атмосферы в этом регионе, в январе в полдень может достичь 729 кВт/(м2·ч), при вероятности ясных дней 59 %, для сравнения в Ташкенте 616 кВт/(м2·ч) и 42 % [1]. Климатические данные [2], частично представленные на рис. 1, свидетельствуют, что в России есть ряд регионов, где могут эффективно использоваться гелиоактивные наружные ограждения, так как даже в пасмурную погоду существенно проявляется их

теплотехническое преимущество, позволяющее в полуясные дни сократить теплопотери на 25-35 Вт/м2, а в пасмурные – на 10-20 Вт/м2. Следовательно, для сокращения потребления энергии, расходуемой на поддержание требуемого микроклимата в помещениях, необходимо целенаправленно расширять проектирование и возведение зданий не только с качественной тепловой изоляцией строительных конструкций, но и системами пассивного использования солнечной радиации.

Так например, устанавливая окна с большой энергетической проницаемостью, можно обеспечить лучшее проникновение в помещения солнечного излучения, а увеличивая площадь остекления, можно получить пропорциональный подъем температуры внутреннего воздуха. В то же время нагрев помещения тем ниже, чем больше площадь поверхности воспринимающих тепло внутренних конструкций по отношению к поверхности окон.

Наряду с окнами и остекленными поверхностями строительных конструкций южного фасада, для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфортных условий, так как исключают прямое попадание лучей на человека.

132

следует увеличивать размеры остекления в наружных ограждениях, предусматривая для них лнительную теплозащиту с экранирующим эффектом, которая позволит в холодный период года в ночное время суток сократить теплопотери, а в теплый период предотвратить интенсивное нагревание внутреннего воздуха помещений. При этом в летние месяцы года благодаря высокому положению солнца будет снижено поступление излучения через вертикальное остекление. Кроме того, оно может быть экранировано относительно простыми средствами, что обеспечит сравнительно небольшой нагрев воздуха помещений.

Предлагаемые мероприятия по солнцезащите направлены на то, чтобы уменьшить нарушения внутреннего микроклимата, то есть слишком большое нагревание или слишком большой контраст яркости или блесткость, возникающие вследствие прямого и рассеянного излучения Солнца.

Для уменьшения тепловой нагрузки помещений в летние месяцы пригодны все солнцезащитные устройства, которые экранируют солнечное излучение перед проходом его через окно без большого собственного нагрева. Поэтому особенно эффективны располагаемые снаружи солнцезащитные и отражающие устройства, в том числе и стекло.

Каждая система солнцезащиты должна выполнять тройную функцию:

I – защиту против нежелательного нагрева внутренних помещений энергией излучения;

II – защиту находящихся в помещении людей от блесткости при действии прямых солнечных лучей, а также рассеянного излучения неба. Блесткость возникает прежде всего при низком положении Солнца под углом 30о, однако прямые лучи не должны при этом экранироваться полностью;

III – защиту против слишком большого контраста яркостей между непосредственно затененными поверхностями помещения для обеспечения равномерности освещенности помещения.

Для данной цели наиболее подходят поворотные вертикальные пластинчатые шторы – жалюзи, применяемые для остекления с ориентацией по всем направлениям. Их использование обеспечит не только уменьшение тепловой нагрузки на традиционную систему отопления, но и позволит сократить в теплый период года холодопроизводительность систем кондиционирования, создающих оптимальные параметры внутреннего воздуха помещений.

При существующем многообразии конструктивного исполнения гелиоактивных наружных ограждений [1], в которых кроме остекления и теплоаккумулирующей способности основного массива использованы дополнительные устройства, увеличивающие энергетическую эффективность, следует отметить теплотехническое преимущество решений с применением жалюзей. Неподвижно установленные в воздушном канале жалюзи по сравнению с использованием только плоской поверхности поглощающего строительного материала увеличивают кпд, как показали результаты экспериментальных испытаний [1], на 16 %, а полезную энергию на 600-700 Вт/(м2·сут.). Активное наружное ограждение можно обустроить подвижными жалюзями, создавая тем самым дополнительные возможности для регулирования процессов теплообмена с внутренним воздухом помещения.

Так, например, теплоизоляционные полимерные пластины 3 с металлизированным покрытием [3], изображенные на рис. 2, позволяют в ночное время суток значительно сокращать теплопотери в окружающую среду за счет снижения излучения и теплопередачи. Упругие связи 4, соединяющие пластины в их верхних частях с механизмом поворота, обеспечивают вращение жалюзей вокруг вертикальных осей. Размещенный с внешней стороны наружной стены солнечный элемент в дневное время вырабатывает небольшое количество электроэнергии, достаточное для поддержания электромагнитного поля, воздействующего на металлические включения 5 жалюзей 3. В этом случае включения 5 поддерживают пластины 3 в рабочем положении в течение дня. В отсутствии солнечной радиации и, как следствие, электромагнитного поля, остекление полностью перекрывается

134

пластинами за счет восстановления положения упругих связей 4, обеспечивая тем самым дополнительную тепловую изоляцию.

Предлагаемое экранирующее теплоизоляционное устройство [3] не требует постоянного обслуживания и выполняет свои функции в автоматическом режиме без дополнительных затрат электроэнергии. Такая конструкция гелиоактивного наружного ограждения позволяет не только использовать солнечную радиацию для пассивного отопления в холодный и переходный периоды года, но и предотвратить чрезмерные теплопоступления в летние месяцы, тем самым снизить нагрузку на системы кондиционирования воздуха и холодоснабжения.

2

а)

3

4

1 5

5

4

5

1

Рис. 2. Разрез вида сверху двойного остекления с применением жалюзей в ночное (а) и дневное (б) время суток: 1, 2 – остекление, соответственно, наружное и внутреннее; 3 – полимерные пластины; 4 – упругие связи; 5 – металлические включения

Вывод

Таким образом, применение решений направленных на усиление активности строительных конструкций позволит более эффективно регулировать процессы теплопоступления из окружающей среды и снижать теплопотери здания, что существенно сократит энергопотребление объектов как в теплый, так и в холодный периоды года.

135

METHODOLOGICAL BASES OF MODELLING OF MANAGMENT PROCESS BY FUNCTIONING HYDRAULICS LIFE-SUPPORT SYSTEMS OF CITIES

On the basis of overlapping model of the indignant condition and a method of the least squares, methodological bases of model of operative management by functioning of city systems water-and gas supply are developed.

Efficiency of the given approach is caused by an opportunity of the priority account at a unicipal level of interests of individual consumers (or groups of consumers) a target product.

Оперативное управление гидравлическими трубопроводными системами, транспортирующими рабочую среду (воду, природный газ и т.д.) осуществляется воздействием на переменное гидравлическое сопротивление множества ID управляемых из компьютерного центра дросселей, поз. D, рис.1.

Подобная система оперативного управления должна функционировать в составе АСУ ТП РГ, в соответствии с общими положениями по проектированию и

строительству газораспределительных систем (СП 42-101-2003), которая обеспечивает безопасную эксплуатацию промышленных, коммунальных и бытовых объектов.

Математическое моделирование процесса оперативного управлеения строится на основе модели возмущенного состояния [1], для частного случая эквивалентирования абонентских подсистем множеством тупиковых (фиктивных, поз.f, рис.1) ответвлений от энергоузлов на границе системы (например поз. 2,4,6,8,10, рис.1).

Рис. 1. Расчетная схема системы водоснабжение

r - реальные участки, формирующие систему; f – фиктивные участки; Б,2,4,6,8,10 – энергоузлы системы; Б – водонапорная башня; - управляемый дроссельный элемент (регулятор); (11-15) – энергоузлы – стоки (потребители).

Линейная модель возмущенного состояния системы, с учетом переменности гидравлического сопротивления управляемых дросселей (УД), как исполнительных органов системы управления (например для системы водоснабжения), представлена ниже:

137

Здесь а,в,с – опытные (апроксимационные) значения коэффициентов напорной характеристики насоса; H j ,q j - напор и подача центробежного насоса j; δH j - относительное

(задаваемое на итерации к) отклонение напора насоса j, обусловленные соответствующим отклонением подачи; JπR , JηR - множество резервуарных энергоузлов, функционирующих в

режиме источников и стоков соответственно; Jη( p) - множество энергоузлов с фиксированным потенциалом; Jπr (ϕ) - множество насосных ЭУ-источников.

Под режимом потребления целевого продукта (ЦП): воды, природного газа и т.п., будем понимать множество значений расходов ЦП (не противоречащих соответствующим нормативам), покидающих пределы системы через фиктивные участки. Прогноз режима потребления (изменение его по часам суток, недель и т.д ) строится на основе потребностей в ЦП с помощью статистических данных, например [2], и является отдельной задачей, выходящей за рамки настоящей работы. В такой постановке режим потребления однозначно определяет граничные условия, задаваемые пользователем.

Область реализации модели (1) включает гидравлические системы с рабочим давлением от источников, не зависящим от любых форм возмущений. Это относится к системам газоснабжения, системам водоснабжения, функционирующим от резервуарных узлов, водонапорных башень, гравитационных систем водоснабжения и т.д.

В случае, когда в качестве источников применяются насосы (насосные станции) напор, вырабатываемый насосом, зависит (в соответствии с его напорной характеристикой) от подачи. Для определения неизвестных подач насосов необходимо ввести дополнительные условия в форме узловых балансов насосных ЭУ-источников, выражаемых нижеследующей (линеаризованной) системой уравнений:

j Jπr (ϕ ) i I rj I jf

где Ij – множество участков, инцидентных насосному ЭУ-источнику j; sgn – оператор присвоения знака; qj – искомая подача насоса j; Qij – расход участка i, инцидентного узлу j.

Система (2), будучи решаемой по результатам решения системы уравнений (1) (то есть за ее пределами), является тривиальной. По найденным из (2) значениям δq j = q jδq j

вычисляются вариации напоров δH) j = H) jδH j на итерации (к-1) с помощью напорных характеристик насосов и вводятся в систему (1) на итерации (к). Определение Qi , i I r I f осуществляется в итерационном процессе по соответствующему алгоритму.

По результатам моделирования прямой задачи анализа для системы водоснабжения [3], вследствие отсутствия обратной связи между режимом водопотребления и множеством δS i ,

дроссельные характеристики утрачивают характер однозначных зависимостей, рис.2, что исключает прямую задачу анализа из области управления системой.

Для формирования обратной связи, реализующей с допустимой точностью режим потребления ЦП, задаваемый пользователем, необходимы дополнительные (избыточные по отношению к уравнениям, синтезирующим структуру модели (1)), аналитические связи. Поиск таких (независимых) связей в недрах вариационных принципов аналитической механики малоперспективен, поскольку последние в этом смысле исчерпали себя. С этой целью предлагается использовать суррогатный (не основанный на физических законах) принцип Лежандра-Гаусса, получивший известность как метод наименьших квадратов (МНК). Квадратичный функционал, составленный на основе МНК, представляет из себя некую остаточную функцию F для множества компонентов векторов H и Q, связанных

139

между собой уравнением Бернулли. Последнее должно быть записано для двух сечений, пересекающих узлы, инцидентные фиктивным участкам.

Запишем это уравнение для одного из фиктивных участков водоснабжающей системы второго подъема, рис.1.

где Z2, H2, W2, Z11, H11, W11 – геодезическая высота, пьезометрический напор и скорость потока, пересекающего соответствующий узел; h2-11 - потери напора фиктивного участка между выделенными сечениями.

Учитывая равномерное движение воды в трубопроводе, можно пренебречь изменением скорости между контрольными сечениями (традиционное допущение для большинства гидравлических задач), и переписать уравнение (3) для граничных условий модели возмущенного состояния [1] (H11=H12= =H13=H14=H15=0, рис.1.):

Рис. 2. Иллюстрация результатов моделирования дроссельных характеристик в области прямого анализа системы водоснабжения для участка с управляемым дросселем.

1 – дроссельная характеристика для области прямого анализа;

2 – то же для области обратного анализа.

Согласно МНК функцию (4) следует записать для двух сопоставимых версий по расходу на фиктивном участке: первая – компьютерная версия строится по результатам моделирования, вторая – версия пользователя, вытекающая из заданного режима потребления. Запишем эти версии, применительно к схеме, рис.1:

140