В А Маляренко - Тепловые режимы зданий основа эффективного управления системой теплоснабжения - страница 1

Страницы:
1  2 

НТП И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.311: 568.264

В. А. МАЛЯРЕНКО, д-р техн. наук, профессор Национальная академия городского хозяйства, г. Харьков В. Н. ГОЛОЩАПОВ, канд. техн. наук, Н. А. ОРЛОВА

Институт проблем машиностроения НАН Украины им. А. Н. Подгорного, г.Харьков

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ЗДАНИЙ - ОСНОВА ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В данной работе представлена модель управления тепловыми режимами зданий с учетом внешних возмущающих воздействий. Показана взаимосвязь коэффициентов теплоотдачи на наружной поверхности здания со скоростью и направлением ветра, предлагается методика управления тепловым режимом зданий.

У даній роботі наведено модель керування тепловим режимом будинків з урахуванням навколишніх впливів. Показано взаімозв 'язок коефіцієнтів тепловіддачі на зовнішній поверхні будинку зі швидкістю і напрямком вітру, пропонується методика керування тепловим режимом будинків.

Повышение эффективности систем теплоснабжения наиболее целесообразно проводить на основе решения оптимизационной задачи управления тепловым режимом здания. В этом случае оптимальный расход энергии на отопление может быть обеспечен лишь тогда, когда в любой момент времени в заданной зоне здания подача тепла соответствует минимально необходимым значениям, обеспечивающим потребительские комфортные параметры системы (микроклимата). Таким образом, основной задачей управления тепловым режимом является перевод объекта из вероятностного состояния в детерминированное. Т. е. для создания эффективной схемы управления тепловым режимом здания необходимо выработать соответствующее управляющее воздействие, позволяющее вернуть объект в стационарный режим.

В настоящее время для оценки температуры внутреннего воздуха в зданиях при расчетах систем теплоснабжения широкое распространение получило уравнение Соколова Е. Я., которое имеет следующий вид [ 1 ]

t   =t   +     Q°     +_(q°-V) (1)

6     "    (q„-V)+ 1 ' ()

где Qo - подача теплоты в здание;

qo - удельная отопительная характеристика;

V - объем здания по наружному обмеру;

tH - температура наружного воздуха;

t'B - температура внутреннего воздуха в здании при х=0;

т- время;

Р - коэффициент аккумуляции здания.

Уравнение (1) является приближенным, описывающим динамику переходного процесса при нагреве или остывании здания и не учитывает динамические свойства помещения (изменение температуры наружного воздуха, скорость и направление ветра, дополнительные внутренние тепловыделения, инсоляцию).

Начало отопительного сезона связано с процессом остывания здания, которое происходит в результате воздействия погодных условий. Для восстановления теплового равновесия

N«11 2006 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКА ЭНЕРГОАУДИТнеобходимо выработать соответствующий регулирующий импульс, пропорциональный возмущениям. Восстановив тепловое равновесие в помещении, необходимо поддерживать температуру внутреннего воздуха на заданном уровне, изменяя температуру источника с учетом внешних возмущающих воздействий. Это связано с выбором временного интервала изменения температуры наружного воздуха. Нестационарный тепловой режим помещения рассматривается как процесс, включающий отдельные периоды остывания и нагрева на определенном временном интервале, длительность которого можно оценить путем контроля изменения температуры наружного воздуха в интервале 3, 6, 12 и 24 часа на протяжении нескольких отопительных периодов. С учетом сказанного выбран временной интервал для отопительных сезонов 2001-2002, 2002-2003, 2003-2004 годов города Харькова 12 часов [2].

Адекватность модели теплового режима помещения реальным климатическим условиям зависит от граничных условий нанаружных ограждающих поверхностях, аименно: на стеновых, свегопрозрачных поверхностях, а также на перекрытиях первого и последнего этажа. При проведении теплотехнических расчетов, согласно [3], коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности, вычисляемый для скорости ветра 9-10 м/с при постоянных теплофизических характеристиках воздуха, принимает постоянное значение 0Ш=23 Вт/(м2 °С).

В то же время, при натекании потока воздуха на поверхность в зависимости от скорости ветра, его направления и расположения поверхности существенно изменяется структура течения воздуха, т.е., вблизи наветренной, боковой или подветренной поверхности формируются области торможения, отрывные области с различной степенью развития пограничного слоя. В зависимости от этого на поверхности стен здания изменяется и коэффициент теплоотдачи [4, 5]. Так, при скорости ветра 5 м/с на боковых поверхностях ан изменяется от 8,8 до 6,5 Вт/(м2 °С), на заветренной - от 1,2 до 0,75 Вт/(м2 °С), на наветренной от 39,57 до 15,81 Вт/(м2 °С), что в 2 и более раза отличается от значений приведенных в [3].

В данной работе, исходя из составления уравнения теплового баланса с учетом нестационарной теплопроводности через ограждающие конструкции при несимметричных граничных условиях на ее внутренней и наружной поверхности разрабатываются следующие математические модели:

определения регулирующего воздействия-мод ель управления температурой внутреннего воздуха, реализующая процесс нагрева помещения при постоянной температуре источника тепла происходит;

управления тепловым источником помещения при постоянной температуре внутреннего воздуха и изменении температуры наружного воздуха - модель управления тепловым режимом помещения с учетом внешних возмущающих воздействий;

Модель управления температурой внутреннего воздуха помещений

оо А

t.(T)=tB(oo)+£ '

-ак}%

(2)

Коэффициенты Aj и k, М определяются при решении характеристического уравнения

где

к F

-     _ ^ОК1 ок -

n CjlTl:

и   ок    — _ J J

-F,

cm

-F„.

j=1cpFCT '

TI 2006 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКА ЭНЕРГОАУДИТ

BL=^

BL=^

ґ      . \

1

1-

м

м

KF+aF пс;т, _ ^ок1 ок ' "-и1 и J    J 11,2

'J J

j=l CPFc

V     ae J

Модель управления тепловым режимом помещения при tB=const

- F

^окм ок

t„(x)= t, +^^(tB +t(0, x))+^i(tB -tH)

Qn +Q вент

I—' \K \     '      / / і r        \    15 П / jr J ~

CL  г OL  г CL   r        CL г

(3)

В уравнениях (2) и (3) Fu,Fcm, F0K - площадь источника теплоты (радиатора), наружных стен и окон, соответственно; ам, ав - коэффициент теплоотдачи источника теплоты и внутренней поверхности наружной стены; \и - средняя температура источника теплоты = (tnp -to6p)/2; tB - температура внутреннего воздуха рассматриваемого помещения, °С; tH - температура наружного воздуха, °С; t(0, т) - температуры на внутренней поверхности наружной стены; Qn - теплопотери через перекрытие (для помещений первого или последнего этажа).

Временные условия при т=0 и т=оо могут быть представлены в виде функции распределения температуры по сечению ограждающей конструкции. Теплотехнические характеристики материала наружных стен здания зависят от его конструктивного исполнения.

Запишем уравнение (3) для панельных зданий блочного типа со следующими характеристиками: толщина наружной стены - 5=0,35 м, теплопроводность А.=0,37 Вт/(м К), коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности ав=7,3 Вт/(м2К) [3].

В результате преобразования уравнения нестационарной теплопроводности с помощью метода Фурье модель управления тепловым режимом помещения (3) будет иметь следующий вид

/ы (г) = 21,5+ 7,3-

Fcm\

21,5-ф,со)- £ Aj ,=1 ст1

4 -ак^{т-0.11)Л

„ „ Fcm~

•7,3--

аи^и

21,5-,(0,«)-Ь,си2-^2(Г-°-77)

/=1

*™-^к.(21,5-,н) + Явент+ Qn

<xHFH aHFH

(4)

4

I

/=1

<+3,59-10   -aH-0,5297 Jx

x 0 99965І-0'895'10_3 a" +5'2540"2 'a« +22-36]2 -(t-0,77)

где   FCTi,   FCT2   -   площадь   наружных   стен,   соответственно;    У -akf(z-OJl)

(=1

Z4

lcm2

i=\

-akf(x-0.11)

коэффициенты, которые вычисляются для каждой стены, исходя из

решения характеристического уравнения; ?'(0,со) - температуры на внутренней поверхности

соответствующей стены. В момент времени х=оо ограждение достигает стационарного теплового состояния. Отсутствие одной из стен учитывается в уравнении (3) коэффициентом

А, =0.

'cm 2

В качестве примера рассмотрим здание типовой серии I-464A. Высота здания 15,04 м, длина - 52,5 м, ширина - 11,95 м.

12

В начальный момент времени (начало отопительного сезона) температура внутреннего воздуха в помещениях колебалась от 15-17 °С. За 4 часа при температуре источника от 45-56 °С температура внутреннего воздуха достигла 21,5 °С.

Изменение коэффициента теплоотдачи на наружных поверхностях здания при скорости ветра 5м/с под углом 90 0 к наветренной стороне представлено на рис.1 [4, 5].   ,,>, .-■

Г-27,оТ^- Вт/(м2"?

Вт/(м2К)

область область градиентного заторможенного потока ^     _ потока

-1

-4

'   ^ 23,56

| ОО

оо I оо

О [1] ОО

ос !оо~

Г-Н-

О і с»

ОО оо"

1-І­

о I СЮ ОС | ОС

28,01

4,2

4,2

4,1

4,1

23_,56_ 23,56

3,9

3,9

23,56 20,36

3,7

3,7

20,36 15,81

3,4

3,4

15,81

39,57

4,4

4,4

39,57 36,705

4,3 4,3

36/705_ 33,27

4,1

4,1

33,27 28,76

3,9

3,9

I

28,76 22,32

3,6

3,6

22,32

область градиентного потока

4,2

I

| 28,01

4,2

I а„, Вт/(м2К)

28,01

4,2

4,2

28,01___

23,56 '

4,1

4,1

23;_56_

23,56

-44

3,9

3,9

23,56 _[ _j_ 20,36

3,7

3,7

203,6 15,81

3,4

3,4

15,81

l-t­

_1_

I

I

1

I

L1

1,2

0,95

1,2 1,2

0,95

1,2

0,79 ;

0,94 I

I----і

■ 0,94 !

1,2

0,95

1,2

0,95

1,2 Т,2

0,95

1,2

0,94 !

0,79

0,94 0,94

0,79

, 0,94 :

----1

0,94 •

0,79 |

0,94 6^94"

0,79 I

0,94

0,82

0,96

0,82 0,82

0,96

0,82

о.вг"[2]

0,96

0,82

їда

0,96

0,82 0,82

0,96

0,82

0,75

0,65

0,75 0,75

0,65

0,75 0,75

0,65

0,75 0л5

0,65

0,75 0,75 0,65

0,75

0,68 0,59

0,68

0,59

0,68

"о,бі"

0,68(0,59 U

10,680,59

0,59

0,68

0,<

0,59

0,68 ~07б8"~

Ю,68о,59

0,59

0,68

"оТбТ"

b,68fo^59

0,59

0,68

Рис. 1. Изменения коэффициента теплоотдачи и коэффициента теплопередачи по сторонам здания (Вт/(м2К))

Зная граничные условия на наружных поверхностях здания, согласно (3) можно определить температуру источника в каждом его помещении, (рис. 2).

,£0

|=0

91.7

82,2

50.3

49,9

46,5

70,5

д

83,7

50.

- (л5

49,1

47,0

70,8

62.6

З]

89,9

85,9

52.6

50,7

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

В А Маляренко - Возобновляемые источники энергии в стратегии обеспечения комфортной среды обитания

В А Маляренко - Тепловые режимы зданий основа эффективного управления системой теплоснабжения

В А Маляренко - Концептуальные положения развития муниципальной энергетики украины

В А Маляренко - Введение в инженерную экологию энергетики

В А Маляренко - Енергетика і навколишнє середовище