Моделирование энергоэффективных инженерных систем. Монография

Величина энергопотребления инженерных систем зданий и комплексов зависит от значений параметров внешних воздействий на них. К таким воздействиям относятся:

•температура наружного воздуха;

•относительная влажность наружного воздуха;

•тепло, выделяемое людьми в здании;

•влага, выделяемая людьми в здании.

Целью работы инженерных систем является поддержание требуемых параметров микроклимата, к которым относится температура и относительная влажность воздуха. Инженерные системы различных зданий и комплексов могут поддерживать как оба параметра, так и один из них (как правило, температуру воздуха).

В зависимости от соотношения требуемых параметров микроклимата (температуры и относительной влажности воздуха в здании) и параметров погодных условий (температуры и относительной влажности наружного воздуха) можно выделить два режима работы инженерных систем: охлаждения и нагрева. Режим охлаждения предполагает охлаждение и осушку приточного воздуха и применяется, как правило, в теплый период года, характеризуемый

11

высокой влажностью и высокой температурой наружного воздуха. В рамках данного режима работы используются следующие инженерные системы:

•естественной вытяжной вентиляции;

•приточной вентиляции;

•приточно-вытяжной вентиляции;

•кондиционирования воздуха (охлаждение в теплый период);

•рекуперации энергии удаляемого воздуха;

•рециркуляции воздуха.

Режим нагрева предполагает нагрев и увлажнение приточного воздуха и применяется, как правило, в холодный период года, характеризуемый низкой влажностью и низкой температурой наружного воздуха. В рамках данного режима работы используются следующие инженерные системы:

•радиаторного отопления;

•естественной вытяжной вентиляции;

•приточной вентиляции;

•приточно-вытяжной вентиляции;

•воздушного отопления;

•пароувлажнения воздуха;

•увлажнения приточного воздуха в оросительной камере;

•рекуперации энергии удаляемого воздуха;

•рециркуляции воздуха.

1.3.Моделирование энергетического баланса зданий

икомплексов в системах автоматизированного

проектирования

В настоящие время существует множество систем автоматизированного проектирования, в той или иной мере реализующих задачи верификации энергетического баланса зданий и комплексов. К таким системам относятся программные продукты, основанные на информационном моделировании: Autodesk Ecotect Analysis, ArchiCAD Energy Analysis, Ansys CFD и др. Наряду с программными продуктами, имеющими готовые алгоритмы обработки вводимых данных, в системах автоматизированного проектирования также применяются программные продукты, предполагающие программирование и создание алгоритмов обработки данных: Matlab/ Simulink, MathCAD, LabView National Instrumens и др.

12

Функционирование тех и других систем автоматизированного проектирования в аспекте вычислительных алгоритмов базируется на схожих принципах. Перспективное энергопотребление моделируется на ЭВМ с помощью созданной в той или иной программе математической модели (рис. 1.1), включающей уравнения теплового баланса здания. Структура такой модели, в частности, описана в Пособии по проектированию автоматизированных систем управления производственных зданий (к СНиП 2.04.05-86). Математическая модель сводится к составлению уравнений теплового баланса, описывающих воздухообмен, технологические теплопоступления, наружные климатические воздействия, теплопотери через наружные ограждения за счет теплопроводности и фильтрации, теплосодержание технологического оборудования и внутренних ограждающих конструкций.

Рис. 1.1. Схема математической модели

13

Недостатком существующих методов расчета перспективного энергопотребления является моделирование энергопотребления либо при стационарных внешних условиях, либо при произвольно изменяемых внешних условиях. Ни тот, ни другой подход не обеспечивает приближение результатов моделирования к реальному энергопотреблению здания в процессе эксплуатации. Приближенная к реальным результатам оценка энергопотребления может быть получена при составлении наборов исходных данных в форме сценариев, отражающих наиболее вероятные для конкретного здания

вконкретном географическом месте изменения воздействий на инженерные системы. Такие сценарии должны учитывать как воздействие погодных условий, так и воздействие человека: выделение тепла и влаги при различных видах деятельности, использование тех или иных технических средств, продолжительность присутствия

вразличных помещениях здания и прочие факторы.

На основании изложенного представляется возможным повысить эффективность моделирования значений потребления энергии зданиями и комплексами в процессе эксплуатации на основе сценарного представления исходных данных в системах автоматизированного проектирования.

В существующей структуре САПР (рис. 1.2, по И.П. Норенкову, схема А.А. Волкова) исследования, проводимые в настоящей работе, относятся к математическому обеспечению САПР, методологическому обеспечению САПР и формализации потоков данных в САПР.

Итак, мы рассмотрели нормативные и регламентирующие документы по энергоэффективности зданий стран Европейского союза, США и Российской Федерации. Проведен анализ зданий и комплексов как объектов энергетического исследования: выделены основные инженерные системы зданий, типы потребляемой ими энергии, показана обоснованность классификации инженерных систем зданий по энергоемкости. Также были рассмотрены существующие системы автоматизированного проектирования, в той или иной мере реализующие задачи верификации энергетического баланса зданий и комплексов, показаны их недостатки и сформулирована научно-техническая гипотеза, состоящая в предположении возможности повышения эффективности моделирования значений потребления энергии зданиями и комплексами в процессе эксплуатации на основе сценарного представления исходных данных в системах автоматизированного проектирования.

14

Глава 2

СЦЕНАРНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ И КОМПЛЕКСОВ

2.1. Сценарная верификация энергетического баланса

Верификация энергетического баланса проводится путем моделирования, то есть изучения объекта исследования путем построения соответствующих моделей.

Верификация энергетического баланса зданий и комплексов может реализовываться системами автоматизированного проектирования (САПР). САПР в строительстве — это человеко-машинная организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователей САПР), и выполняющая автоматизированное проектирование объектов строительства.

Применение САПР позволяет повышать качество и техникоэкономический уровень объектов проектирования; уменьшать затраты на их создание и эксплуатацию; сокращать сроки, трудоемкость проектирования и повышать качество проектной документации. Основной функцией САПР является автоматизированное проектирование на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей на основе применения математических и других моделей, автоматизированных проектных процедур

исредств вычислительной техники.

Взависимости от взаимодействия с техническими средствами различают САПР пакетного, диалогового или смешанного типов. Объектная подсистема как функциональная подсистема осуществляет проектирование объекта или класса объектов (жилых, общественных и промышленных зданий, дорог и т.п.). Инвариантная подсистема выполняет функции управления и обработки информации (диалоговых процедур, численного анализа, оптимизации, ввода, обработки и вывода графической информации, информа- ционно-поисковых процедур, размещения, компоновки, трассировки, прочностных расчетов строительных конструкций, решения задач строительной физики и др.).

16

В САПР, осуществляющих верификацию энергетического баланса зданий и комплексов, используются математические модели исследуемых объектов. Наилучших результатов моделирование достигает в случае, когда в модели удается отразить наиболее существенные характеристики моделируемого объекта [4]. Кроме этого, не менее важно обеспечить адекватность исходных данных для моделирования. Для получения результатов моделирования, максимально отражающих характеристики реального процесса, необходимо сформировать такой набор (наборы) исходных данных, который максимально полно отражал бы условия протекания реального процесса. Данное требование к исходным данным для математического моделирования в достаточной степени удовлетворяется при сценарном составлении исходных данных.

Суть подхода состоит в составлении различных наборов исходных данных для математического моделирования, соответствующих различным сценариям внешних воздействий на здания и комплексы. При составлении сценариев рассматриваются существенные характеристики внешних сред, их возможные состояния и вероятности перехода из одного состояния в другое.

Таким образом, сценарная верификация энергетического баланса зданий и комплексов позволяет в наиболее полной мере отражать характеристики исследуемых объектов и процессов.

2.2. Оценка факторов внешних сред при сценарной верификации энергетического баланса в системах автоматизированного проектирования

С целью выделения наиболее существенных характеристик моделируемого объекта необходимо провести оценку факторов внешних сред.

Предлагаемый метод сценарной верификации энергетического баланса зданий и комплексов подразумевает составление сценариев внешних воздействий на инженерные системы зданий и комплексов. К внешним воздействиям относятся действия человека и погодные условия. Соответственно, предлагаемым методом предусмотрено составление сценариев двух типов: действий людей и климатических.

Воздействие людей на инженерные системы зданий и комплексов количественно можно оценить в выделениях тепла и влаги, которые инженерным системам необходимо компенсировать. Таким

17

образом, можно выделить два независимых канала воздействия людей на инженерные системы зданий:

1)вид деятельности людей (канал b);

2)количество людей (канал n).

Влияние по первому каналу выражается в изменении удельных выделений тепла и влаги людьми в зависимости от двух параметров: температуры воздуха, поддерживаемой в помещении, и типа деятельности, которой заняты люди. Выделим для рассмотрения четыре типа деятельности: отдых, легкая работа, работа средней тяжести и тяжелая работа.

Таким образом, люди в помещениях определенного типа могут находиться в четырех различных состояниях:

•состояние b1 — отдых;

•состояние b2 — легкая работа;

•состояние b3 — работа средней тяжести;

•состояние b4 — тяжелая работа.

На рис. 2.1 приведен граф изменения состояния людей в по-

мещениях одного типа.

Из графа видно, что из каждого состояния возможно четыре исхода: переходы в три другие состояния и сохранение состояния. Это

означает, что в рассматриваемых

сценариях люди могут менять виды деятельности в произвольном порядке: переходить от отдыха (b1) к тяжелой работе (b4), от легкой работы (b2) к работе сред-

ней тяжести (b3) и т.д. Такое рассмотрение делает составляемые сценарии наиболее приближенными к реальности.

От того, в каком из четырех состояний находятся люди, зависит величина выделений тепла и влаги. Характер зависимости показан в табл. 2.1.

Воздействие людей на инженерные системы зданий и комплексов по каналу n выражено в изменении числа людей в помещениях одного типа. Выделим для рассмотрения три состояния:

•состояние n1 — наименьшее количество людей;

•состояние n2 — среднее количество людей;

•состояние n3 — наибольшее количество людей.

18

Таблица 2.1

Значения выделений тепла и влаги людьми в зависимости от рода занятий

На рис. 2.2 приведен граф изменения количества людей в помещениях одного типа.

Из графа видно, что из каждого состояния возможно три исхода: переходы в два другие состояния и сохранение состояния. Таким образом, в рамках составляемых сценариев количество людей в по-

19

мещениях одного типа может изменяться в различные моменты времени как в большую, так и в

меньшую сторону. Рассмотренные влияния дея-

тельности людей на инженерные

системы зданий и комплексов

составляют сценарии воздействий людей на инженерные системы зданий и комплексов. Каждый сценарий включает две

переменных величины, относящиеся соответственно к двум различным каналам влияния: вид деятельности людей в помещениях данного типа и число людей в помещениях данного типа.

По такому принципу можно составить ряд сценариев: сценарий s11 предусматривает отдых при наименьшем количестве людей; s12 — при среднем количестве людей; s13 — при наибольшем количестве людей; сценарий s21 предусматривает легкую работу при наименьшем количестве людей; s22 — при среднем количестве людей; s23 — при наибольшем количестве людей; сценарий s31 предусматривает работу средней тяжести при наименьшем количестве людей; s32 — при среднем количестве людей; s33 — при наибольшем количестве людей; сценарий s41 предусматривает тяжелую работу при наименьшем количестве людей; s42 — при среднем количестве людей; s43 — при наибольшем количестве людей.

Описание сценариев в символьном виде сведено в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Возможные сценарии действий людей в здании

Для автоматизированного моделирования энергопотребления инженерных систем зданий и комплексов составляется план сценариев, т.е. последовательность моделирования событий, соответствующих различным сценариям.

20