Все авторефераты докторских диссертаций

Обобщение и развитие научно-методических основ прогнозирования микроклимата гражданских зданий

Автореферат докторской диссертации

аа На правах рукописи

Рымаров Андрей Георгиевич

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский государственный строительный университет.

Научный консультант:	доктор технических наук, профессор
	Кувшинов Юрий Яковлевич

Официальные оппоненты:	Бодров Валерий Иосифович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра отопления и вентиляции, заведующий кафедрой
	Позин Гари Моисеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна, кафедра безопасности жизнедеятельности, профессор;
	Хаванов Павел Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет, кафедра теплотехники и теплогазоснабжения, заведующий кафедрой.
Ведущая организация:	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится а29 амая а2012 г. в "_____"а часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. № ________.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет.

Автореферат разослан "____ " ______________ 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совет Орлов Владимир Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

В связи с ростом объемов высотного и подземного строительства, разнообразием архитектурно-планировочных решений, включающих атриумы, лифтовые шахты и лестничные клетки, объединяющие все этажи здания по воздуху в единое целое, ужесточением санитарно-гигиенических требований к параметрам микроклимата в помещениях здания при их эксплуатации часто возникают трудности с обеспечением требуемых параметров микроклимата, связанные с существенным изменением рассматриваемых тепломассообменных режимов.

Закон РФ Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности от 23 ноября 2009 года нацеливает общество на проведение энергоаудита зданий и сооружений с целью внедрения энергосберегающих мероприятий для обеспечения энергетической безопасности РФ. Потенциал энергосбережения экономики России оценивается в 360-430 млн. т.у.т.: ТЭК - 120-135 млн. т.у.т., промышленность и строительство - 110-140 млн. т.у.т., транспорт - 23-30 млн. т.у.т., сельское хозяйство - 12-15 млн. т.у.т., коммунально-бытовой сектор - 95-110 млн. т.у.т.

Физические процессы, определяющие выбор и оптимизацию технических решений по обеспечению требуемых параметров микроклимата в помещениях связаны с изменяющимися во времени воздушным, тепловым, газовым и влажностным режимами здания. Все эти режимы, так или иначе, изучены, но без учета взаимного влияния одного на другой. Для повышения надежности прогнозирования изменения параметров микроклимата в помещениях здания и углубленного изучения физической сущности процессов происходящих в рассматриваемых динамических режимах необходимо их совместное и комплексное рассмотрение с учетом взаимного влияния друг на друга, на единой методической основе. Анализ энергетической эффективности строящегося или уже построенного здания не возможен без комплексного рассмотрения указанных динамических режимов.

Воздушный режим здания объединяет все помещения здания и системы вентиляции в единую теплогидравлическую систему. ВРЗ определяет движение воздуха в помещении, в здании, в каналах и воздуховодах, через воздухопроницаемые элементы наружных и внутренних ограждающих конструкций под действием гравитационного давления и давления ветра, формирующегося при обтекании здания ветром. Воздушный режим здания - это определяющий динамический режим, который формирует изменение температуры, распределение концентрации вредных примесей, величину влагосодержания воздуха в помещениях здания.

Тепловой режим здания складывается из тепловых режимов каждого помещения, которые в каждый данный момент времени разные из-за неравенства тепловых поступлений и тепловых потерь. Тепловой режим влияет на воздушный и влажностный режимы каждого помещения и всего здания в целом.а

Газовый режим здания связан с распределением вредных примесей в помещениях здания, поступающих от внешних и внутренних источников. Газовый режим помещений здания зависит от воздушного режима помещений здания.

Влажностный режим здания связан с распределением водяных паров в воздухе помещений здания, с поступлением влаги в воздух от открытых водных поверхностей, с влагопроницаемостью наружных и внутренних ограждающих конструкций, с работой систем вентиляции, кондиционирования и отопления. Влажностный режим зависит от воздушного и теплового режимов помещений здания.

В настоящий момент отсутствует единая научная концепция комплексного расчета всех элементов воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания. Для решения данной проблемы необходимо проведение исследований для разработки взаимосвязанной модели динамических режимов здания, в которой вскрыты связи между рассматриваемым комплексом динамических режимов.

Работа выполнена по государственной программе Разработка и внедрение эффективных систем кондиционирования микроклимата, теплоснабжения и газоснабжения на основе энерго- и ресурсосберегающих технологий Министерства образования и науки РФ.

Цель исследований заключается в разработке научных положений расчета и прогнозирования параметров микроклимата на базе комплексного рассмотрения изменения воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания в суточном, сезонном и годовом периодах, с учетом их взаимного влияния.

Для достижения цели были решены следующие задачи.

- Выявлены основные закономерности взаимозависимого действия при изменении в течение суток, сезона параметров ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ и ВРЗ - распределение избыточного давления воздуха в здании, системах, каналах и вентшахтах, расходы воздуха через проемы и отверстия, параметры струйных течений в помещениях, распределение давления в вихревых зонах аэродинамического следа здания, распределение температуры воздуха, поверхностей в помещениях, с учетом нестационарной теплопередачи через ограждающие конструкции и теплопоступлений от различных источников в помещениях, изменение концентрации вредных примесей в помещениях здания и вне его с учетом влияния потоков воздуха и процесса диффузии, распространение водяных паров в здании с потоками воздуха и под действием диффузии.

- Сформированы блок-схемы для взаимосвязанного расчета воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания в комплексной многофакторной системе микроклимат помещения и концентрация вредных примесей в воздухе - тепломассообменные динамические режимы здания - системы кондиционирования микроклимата - окружающий здание приземный слой атмосферы с переменными во времени параметрами климата и концентрациями вредных примесей для прогнозирования изменения во времени параметров воздушного, теплового, газового и влажностного режимов в помещениях здания.

- Создана физико-математическая модель динамики параметров микроклимата в помещениях для управления воздушным, тепловым, газовым и влажностным режимами здания.

Научная новизна. К числу новых положений, внесенных в решение проблемы прогнозирования параметров микроклимата в помещениях здания относятся:

впервые разработанные научные положения расчета и прогнозирования параметров микроклимата на базе комплексного рассмотрения изменения воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания в суточном, сезонном и годовом периодах, с учетом их взаимного влияния;
методы составления систем уравнений, выводы по анализу изменения во времени тепломассообменных режимов здания с учетом динамики возмущающих воздействий;
впервые предложенная единая математическая модель совместного действия воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания как совокупность тепломассообменных режимов помещений;
системы уравнений, описывающие физические процессы переноса теплоты, влаги, вредных примесей и воздуха в помещениях здания на основе комплексного взаимодействия физико-математических моделей динамических режимов здания при реализации в виде численного метода расчёта.

Практическая ценность работы заключается:

в разработке на единой научно-методической основе комплексного метода прогнозирования параметров микроклимата в здании при различных асистемах кондиционирования микроклимата и режимах эксплуатации с учетом динамики изменения ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ и ВРЗ здания;
в разработке алгоритмов расчета ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ и ВРЗ;
в постановке и решении задачи по расчету распределения концентрации вредной примеси в помещении, здании и окружающем здание приземном слое воздуха;
в методе учета влияния задержки проветривания во времени заветренной вихревой зоны аэродинамического следа при расчете нестационарного газового режима помещения и здания;
в анализе расчета изменения концентрации вреднойа примеси в системе:а помещение с источником вредных примесей - здание - другие помещения для оценочных расчетов;
в алгоритмах и программах для расчета изменения теплового потока от элементов системы отопления, для расчета изменяющихся во времени параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в помещениях здания;

Реализация результатов работы.

Представленные в данной работе методы и математические модели прогнозирования воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания используются автором и его аспирантами при исследованиях, проводимых в МГСУ, при решении научных и практических задач по сопровождению проектирования систем кондиционирования микроклимата сложных в архитектурно-планировочном плане уникальных современных зданий и сооружений (Храм Христа Спасителя, Большая спортивная арена Лужники, Старый Гостиный двор, Торговый центр Пирамида на площади Курского вокзала, Коллектора для подземных коммуникаций и др.), при проведении экспертиз систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха помещений зданий различного назначения, при изучении параметров микроклимата существующих зданий.

На базе результатов исследований разработаны и читаются автором разделы курсов лекций Экология, Охрана воздушного бассейна, Вентиляция по специальности 270109, при чтении лекций на курсах повышения квалификации по теме Воздушно-тепловой, газовый и влажностный режимы высотных зданий в системе дополнительного и послевузовского образования для работников строительной отрасли.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях, международных симпозиумах, в НИИСФ г. Москва (1996-2002, 2009 г.г.), РНТО Строителей (2004), Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шуховаа (2002), Пензенском государственном университете архитектуры и строительства (2003), на девятой международной специализированной выставке Инвестиции, строительство, недвижимость Realtex-2004 Москва (2004), на десятой международной специализированной выставке Инвестиции, строительство, недвижимость Realtex-2005 Москва (2005), на международном форуме по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT Москва (2004), на международной научно-практической конференции Качество внутреннего воздуха и окружающей среды Волгоградский ГАСУ (2005, 2008, 2009), на научно-практических конференциях Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции в МГСУ (2005, 2007, 2009), на конференции Эффективность использования энергии в городах и зданиях Ассоциации по исследованиям в промышленности и образовании A.R.I.E.L Париж с 24 ноября по 27 ноября 2008 года. При проведении научных исследований по хоздоговорным работам, также проводилась апробация научных исследований.

На защиту выносятся:

Метод расчета нестационарных параметров микроклимата помещений здания с учетом одновременного действия воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания и с учетом внутренних и внешних возмущающих воздействий.
Способ определения концентрации вредной примеси в заветренной вихревой зоне аэродинамического следа здания.
Математическая модель по комплексному расчету воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания.
Адаптация математической модели к практическим расчетам воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания.

ичное участие. Все результаты работы получены лично автором при проведении многолетних научных исследований, материалы других исследователей даны со ссылкой на литературный источник. Исследования и разработки выполнены автором на кафедре Отопления и вентиляции ФГБОУ ВПО МГСУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 19 статей в журналах по списку ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация включает введение, шесть глав, заключение, список литературы из 253 наименований отечественных и зарубежных авторов, содержит 252 страницы текста, 100 рисунков, 4 таблицы и приложений. Приложения содержат 138 страниц и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации представлен обзор и анализ работ, посвященных изучению и расчету теплового, воздушного, влажностного и газового режимов здания.

Исследования теплового режима здания, помещений, ограждающих конструкций в нашей стране проводили многие ученые и инженеры. В основе их исследований лежит постановка задачи теплообмена в помещении на базе общих закономерностей теплопередачи. Теплообмен в помещенииа представляет собой совокупность процессов передачи теплоты за счет: 1.теплопроводности; 2.конвективного теплообмена; 3. лучистого теплообмена; 4.массообмена. Среди известных методов можно отметить методы, использующие граничные условия, представленные как гармонические или периодические. При таком подходе предполагается, что по прошествии определенного отрезка времени в конструкциях ограждения устанавливается периодическое тепловое состояние, которое не зависит от начального, называемое квазистационарным. Воздушный режим здания не учитывается при расчетах теплового режима помещения, кроме расчетов инфильтрации.

Проектирование систем кондиционирования микроклимата связано с соблюдением норм и правил, создание которых затруднительно из-за сложности и взаимозависимости физических процессов, протекающих в здании и системах кондиционирования микроклимата помещений. Тепловые, диффузионные, аэродинамические и массообменные процессы в помещениях и здании взаимосвязаны, а часть этих процессов, как в отдельности, так и в разном сочетании относятся к воздушному режиму здания.

Распределение температуры воздуха в помещениях здания влияет на ВРЗ и одновременно является частью ТРЗ. Развитие теоретической базы для решения внутренней части ВРЗ посвящены работы следующих инженеров и ученых: Зельдовича Я.Б., Абрамовича Г.Н., Талиева В.Н., Богословского В.Н., Бахарева В.А., Клячко Л.С., Шепелева И.А., Вулиса Л.А., Титова В.П., Гримитлина М.И., Баркалова Б.В., Посохина В.Н., Табунщикова Ю.А., Позина Г.М., Шилькрот Е.О. и многих других исследователей, в том числе зарубежных - Прандтля Л., Толлмина В., Тейлора Дж., Рейхардта Г., Шлихтинга Г.

Краевая часть ВРЗ - организованное и неорганизованное движение воздуха в помещения и из помещений здания через неплотности, отверстия и проемы в наружных и внутренних ограждающих конструкциях, движение воздуха в каналах, воздуховодах, вентшахтах здания. Этими вопросами занимались ученые: Брилинг Р.Е., Фокин К.Ф., Ушков Ф.В., Батурин В.В., Каменев П.Н., Лобаев Б.Н., Эльтерман В.М., Константинова В.Е., Разумов Н.Н., Титов В.П. и др.

Внешняя часть ВРЗ связана с процессом обтекания здания набегающим потоком ветра, что определяет избыточное давление ветра на поверхностях наветренного, заветренного и боковых фасадов здания.

Описание вентиляционного процесса в помещении с учетом внутренней, краевой и внешней частей ВРЗ возможно с помощью известных уравнений (уравнение Фурье, Фурье-Кирхгофа, Навье-Стокса, уравнение неразрывности), при этом система уравнений очень велика, является незамкнутой, недоступна для использования инженерами и применяется в настоящее время редко.

Современные методы расчета и анализа, связанные с традиционным подходом к рассмотрению воздушного режима в вентилируемом помещении базируются на методах стационарного режима. Однако требования к параметрам воздуха в помещениях постоянно возрастают, а также совершенствуются и расширяются технические возможности по обработке и распространению воздуха в помещении, что возможно полностью осуществить лишь с учетом динамики параметров воздуха не только в рассматриваемом помещении, но и во всех помещениях зданияа иа в окружающем здание воздухе.

Газовым режимом здания и процессом распространения вредных примесей в воздухе помещений занимались такие ученые как Селиверстов А.Н., Эльтерман В.М., Титов В.П. и др.

В настоящее время существуют методы расчета распределения вредных примесей в воздухе помещения и приземного слоя атмосферы от постоянных и периодически действующих источников вредных примесей на основе действия стационарных тепломассообменных процессов.

Влажностный режим воздушной среды помещений в настоящей работе рассматривается как процесс тепломассообмена с учетом действия систем вентиляции и кондиционирования воздуха, при этом распространение водяного пара по помещению и зданию определяется процессами диффузии и конвективного переноса.

На основании изучения и обобщения научно-технической литературы, возможно сделать вывод: в основном, исследователи изучали отдельно динамические режимы здания - тепловой (ТРЗ), воздушный (ВРЗ), влажностный (ВРЗ) и газовый (ГРЗ), что не позволяло получить достоверные результаты. Автором выдвинуто предположение (гипотеза), что совместное и взаимозависимое рассмотрение всех тепломассообменных и газового режимов в здании с построением математической модели позволит получить реальную картину динамики указанных режимов и произвести комплексный расчет параметров микроклимата и концентраций примесей в воздухе помещений здания.

Для формирования единой математической модели динамических режимов здания, необходимо исследовать работу каждого из указанных режимов в помещениях и здании с учетом особенностей каждого из режимов, а также получить математическую модель взаимосвязанных и взаимозависимых динамических режимов, изменяющихся во времени и создать системы уравнений, необходимые для расчетов. Также необходимо было определить базу исходных данных для реализации математической модели, создать программу для моделирования рассматриваемых динамических режимов, получить результаты прогнозирования параметров микроклимата и концентрации вредных примесей и проанализировать результаты прогнозирования в сравнении с результатами натурных измерений.

Изученные ранее другими авторами, указанными в перечне литературы данной работы, отдельные тепломассообменные процессы в помещении и инженерных системах изучены с позиции моделирования и прогнозирования параметров микроклимата и концентрации вредной примеси, что позволило создать новую технологию расчета параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в воздухе в помещениях здания.

Во второй главе рассмотрены научные основы прогнозирования воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания. Для обеспечения параметров микроклимата в помещениях здания, для создания комфортных условий для человека и для формирования потенциала энергосбережения в здании рассматривается взаимозависимое функционирование воздушного, теплового, газового и влажностного режимов.

Воздушный, тепловой, газовый и влажностный режимы здания - это совокупность тепломассообменных процессов, которые присутствуют в каждом здании, и которые, совместно влияя друг на друга, оказывают влияние на параметры микроклимата в помещениях, на концентрацию вредных примесей в воздухе. С помощью инженерных систем создаются и корректируются параметры микроклимата в помещениях здания. Работа инженерных систем может быть взаимоувязанной, а может быть и не взаимоувязанной. Работа инженерных систем связана с действием переменных во времени наружных и внутренних возмущающих воздействий на параметры микроклимата, отставание в отклике на возмущающие воздействия или недееспособность инженерных систем приводит к дискомфортному сочетанию параметров микроклимата с перерасходом тепловой и электрической энергии.

Взаимное влияние динамических тепломассообменных режимов помещений здания определяется наличием в математических зависимостях общих параметров микроклимата, которые позволяют объединить воздушный, тепловой, газовый и влажностный режимы помещений здания в единую модель, где изменение одного или более параметров приводит к изменению других с учетом инерционности и нестационарности функционирования каждого режима.

Основные параметры рассматриваемых режимов здания - это температура воздуха в помещении, приточного (инфильтрационного), удаляемого (эксфильтрационного) и перетекающего воздуха, температура поверхностей и слоев наружных и внутренних ограждающих конструкций, температурный режим системы отопления (охлаждения), расход приточного (инфильтрационного), удаляемого (эксфильтрационного) и перетекающего воздуха, относительная влажность воздуха, концентрация примесей в воздухе в помещениях здания, работа источников тепла, холода, влаги и вредных примесей в помещениях здания.

Температура наружного воздуха и воздуха помещений участвует в расчете ВРЗ и ТРЗ, температура поверхностей и слоев наружных и внутренних ограждающих конструкций участвует в расчете ТРЗ и ВРЗ, расходы приточного и вытяжного воздуха систем приточно-вытяжной механической или естественной вентиляции, расходы инфильтрующегося, эксфильтрующегося и перетекающего воздуха участвуют в расчете ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ, ВРЗ. Источники конвективного и лучистого тепла в помещениях влияют на температуру внутреннего воздуха, на температуру поверхностей и затем слоев наружных и внутренних ограждающих конструкций и затем на ТРЗ, ВРЗ, ГРЗ, ВРЗ. Источники влагопоступлений в воздух помещений влияют на относительную влажность воздуха в помещении, на которую в свою очередь влияет температура воздуха. Вредные примеси, поступая в воздух помещений, совместно с воздухообменом в помещении формируют концентрации вредных примесей в воздухе и создают ГРЗ, при этом значения концентраций вредных примесей зависят от ВРЗ и ТРЗ. Параметры наружного климата, постоянно находясь в динамике, приводят в динамику работу инженерных систем обеспечения микроклимата помещений зданий, влияя на значения требуемых параметров микроклимата, на комфортность среды обитания человека, на потребление энергетических ресурсов зданием. Обозначим четыре рассматриваемых в настоящей работе режима - ВРЗ, ТРЗ, ГРЗ, ВРЗ как динамические режимы здания (ДРЗ) по обеспечению параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в воздухе.

Рис. 1 Изменение температуры внутреннего воздуха в помещениях офисов в январе 2011 года.

Рис.2 Суммарный перерасход тепловой энергии за счет теплопередачи через наружные ограждающие конструкции в помещениях офисов.

Температура внутреннего воздуха, измеренная в режиме мониторинга в помещении, показывает суммарное влияние на температуру поступающих и уходящих потоков теплоты в помещении, и показывает возможности поа энергосбережению. Результаты и анализ измерения температуры внутреннего воздуха в помещениях двух офисов и коридора административного здания в г. Москве за период 12,4 суток в январе 2011 года показаны на рис. 1 - 2. Из рис. 1 и 2 видно, что помещения перегреты и при этом суммарный перерасход тепловой энергии в двух офисах и коридоре за период 12,4 суток составляют 26896 Вт.

Рис. 3 Структурная схема, объединяющая тепломассообменные динамические режимы здания.

Моделирование воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания проводится на основе технологии, объединяющей на единой методической основе математические модели воздушного, теплового, газового и влажностного режимов. На рис. 3 показана структурная схема, объединяющая в единую технологическую систему обеспечения параметров микроклимата воздушный, тепловой, газовый и влажностный режимы здания, инженерные системы здания и управление инженерными системами здания.

Выявить, как будут работать будущие системы, какие будут параметры микроклимата, провести корректировку предполагаемых проектных решений, решить вопросы автоматизации работающего оборудования, свести к минимуму энергетические затраты. Знать, как поведет себя микроклимат в помещениях при резком похолодании или потеплении или других нестандартных, чрезвычайных обстоятельствах также имеет важное значение.

В здании все помещения объединяет воздух, перемещающийся по всему зданию в основном через лестничные клетки и лифтовые шахты, и через расположенные на всех этажах воздухопроницаемые двери и окна. Воздушная средаа в данной постановке задачи объединяет в единое целое: - помещение и человека, - здание и системы, -а приземный слой окружающего здание воздуха. Воздух, поступающий в здание, перемещающийся по зданию и уходящий из здания, переносит с собой вредные примеси, водяные пары, теплоту.

Архитектурно-планировочное решение здания, ориентация его по странам света, схемы систем кондиционирования микроклимата могут широко варьироваться, влияя на возможности обеспечивать заданные параметры микроклимата помещений. При прогнозировании производится выбор нужного варианта решения инженерных систем по обеспечению микроклимата в помещениях из ряда возможных вариантов, который удовлетворяет санитарно-гигиеническим или технологическим требованиям.

Разрабатываемая технология расчета динамических режимов здания требует критического отношения к исходной информации, используемой в настоящее время в проектной практике. Большинство из известных и применяемых методов теплотехнического расчета оболочки здания, мощности систем, обеспечивающих заданный микроклимат в помещениях, недостаточно согласованы между собой, имеют несовпадающую друг с другом методическую основу, не учитывают нестационарность процессов, протекающих в здании.

При прогнозировании применяются одно- и многозонная математические модели вентилируемого помещения. Математические модели для различных зданий и сооружений имеют разный требуемый уровень сложности и требуют различное количество времени для реализации. Модели теплового, воздушного, газового и влажностного режимов составляются для следующих элементов и частей зданий: ограждающие конструкции, элементы инженерных систем, инженерные системы, помещение, группа помещений, здание.

Преимущества предлагаемого подхода по анализу работы систем кондиционирования микроклимата помещений здания с применением технологии моделирования и прогнозирования параметров микроклимата: 1. комплексность - учет большого количества факторов, влияющих на микроклимат; 2. универсальность математических моделей - возможность усложнения или упрощения постановки решаемой задачи моделирования и прогнозирования; 3. наглядность - получение качественной и количественной картины динамики моделируемых и прогнозируемыха параметров микроклимата помещений зданий в различные периоды года.

Рассматривается взаимное влияние следующих динамических режимов здания: воздушного режима - на тепловой, теплового - на воздушный режим,а теплового режима - на влажностный режим, воздушного режима - на влажностный режим, воздушного режима - на газовый режим. Влияние влажностного и газового режимов на воздушный отсутствует.

В качестве допущения принято: 1. влияние влажностного режима на тепловой не рассматривается, 2. влагопередача через наружные и внутренние ограждения не рассматривается. Поскольку инерционность влажностных процессов в ограждающих конструкциях здания составляет период от 1 месяца и более (по данным Фокина К.Ф.), а инерционность теплового режима оценивается в 5 суток, то изменение параметров теплового режима происходит при неизменном влажностном режиме. Влагопередача через наружные ограждения и влагообмен по средством воздухообмена в помещении не сопоставимы по количеству перенесенной влаги за 1 час.

Рис. 4 Изменение кратности воздухообмена заветренной зоны аэродинамического следа.

Для расчетов ДРЗ должна быть получена следующая исходная информация: для здания: ориентация, геометрические размеры, поэтажные планировки, аэродинамические коэффициенты наружной поверхности здания; для помещения: режимные особенности (работа персонала и технологии), режимы работ отопительных и вентиляционных систем,а схемы организации воздухообмена, типоразмеры и характеристики приточных насадков; для ограждений (массивные ограждения, окна и двери): материал слоев, последовательность расположения, их теплотехнические и геометрические характеристики, воздухопроницаемость; для наружных условий: температура наружного воздуха, амплитуда ее изменения в течение суток (сезона), направление и скорость ветра, теплота от солнечной радиации за каждый час светового дня; для источника вредных примесей: мощность, продолжительность работы, расположение в помещении, в

Рис. 5 Порядок расчета ГРЗ, ВРЗ и ТРЗ.

здании, вне здания, характеристика вредного вещества (плотность, ПДК), время начала и время окончания работы источника вредных примесей. Газовый режим здания - это процессы проникновения и распространения вредных примесей в виде аэрозольных, пылевых, молекулярных частиц в воздухе помещений здания и вокруг здания в воздухе приземного слоя атмосферы. Общая постановка задачи рассматривает распределение вредных примесей в системе: 1. источник вредных примесей - помещение с источником вредных выделений - здание - вихревые зоны аэродинамического следа здания, 2. источник вредных примесей - вихревые зоны аэродинамического следа здания - здание - помещение. На рис. 4 показано как меняется кратность воздухообмена в заветренной вихревой зоне аэродинамического следа здания в зависимости от отношения длины к высоте здания. Вихревая зона аэродинамического следа здания задерживает (накапливает) вредную примесь, поставляя вредную примесь в здание. Проветривание вихревой зоны аэродинамического следа зависит от количества и длительности поступления вредной примеси в вихревую зону, от кратности воздухообмена вихревой зоны с окружающим воздухом приземного слоя атмосферы. Алгоритм расчета ГРЗ, ВРЗ и ТРЗ показан на рис. 5.

Для помещения бассейна размером 6,5?20?3,5h метра измерения проводились в 2007-2008 годах. Результаты измерений концентрации и результаты расчетов за июль 2008 года представлены на графиках рис. 6, где 1. результаты экспериментальных измерений, 2. результаты расчета при фоновой концентрации снаружи здания, равной средней величине 0,2 г/м3, 3. результаты расчета при фоновой концентрации снаружи здания, равной 0 г/м3.

Рис. 6 Изменение концентрации углекислого газа в помещении бассейна в июле 2008 года.

аИзмерения газового режима проводилось в квартире жилого 9-ти этажного здания на 4 этаже с деревянными двойными окнами в спаренных переплетах. Результаты измерений и расчетов представлены на рис 7, где показаны измеренные и расчетные значения концентрации углекислого газа. Отличие расчетной от измеренной концентраций связано с величиной концентрации углекислого газа в приточнома воздухе - эта величина имеет переменное значение в зависимости от наличия источников углекислого газа вблизи здания и в зависимости от состояния приземного слоя атмосферы, при котором происходит проветривание местности.

Рис. 7 Изменение концентрации углекислого газаа в комнате квартиры в феврале 2010 года.

Выявленные закономерности процессов функционирования динамических режимов здания, полученные и существующие аналитические зависимости, позволили сформировать совокупность математических моделей динамических тепломассообменных режимов здания, объединенных в единую модель. Создана последовательность моделирования воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания.

Постановка задачи позволяет при расчете учитывать каждое помещение здания, в котором прогнозируются параметры микроклимата и концентрация вредных примесей, с учетом различных технологических решений для обеспечения допустимого уровня температуры, относительной влажности воздуха и концентрации вредных веществ в воздухе.

В третьей главе рассмотрена физико-математическая модель по расчету теплового режима здания как совокупности тепловых режимов каждого помещения. Здание представлено массивом помещений, в каждом из которых формируется свой собственный тепловой режим, который взаимозависим с другими рассматриваемыми в настоящей работе динамическими режимами, что учитывается при построении математической модели. Отличия тепловых режимов в помещениях связаны с особенностями режимов эксплуатации и с различием ориентации по сторонам света. Солнечная радиация на разные стороны света учитывается в специальной подпрограмме значениями теплового потока на вертикальные и горизонтальные поверхности по часам и изменяется каждый час в течение суток в соответствии с широтой местности, а в ночное время солнечная радиация отсутствует. Тепловой режим помещений здания нестационарен, т.к. наружные климатические характеристики, теплоизбытки и теплопотери в помещении здания в разное время суток различны. Тепловой режим здания рассматривается для получения переменной во времени величины температуры воздуха в помещениях, которая оказывает влияние на другие режимы здания. Для совместного рассмотрения ТРЗ и ВРЗ важно знать как изменяются температура воздуха и температура ограждающих конструкций помещения, которые, изменяясь при расчете теплового режима, ведут к изменению воздушного режима, а изменившийся воздушный режим приводит к изменению теплового режима, что реализовано при построении математической модели. Прогнозирование изменения температуры внутреннего воздуха рассматривается как совокупность процессов теплопередачи с учетом особенностей работы источников теплоты в помещениях здания. Уравнения теплового баланса составляются для каждого помещения здания: для воздуха, поверхностных и внутренних слоев ограждающих конструкций с учетом конвективного и лучистого теплообмена и теплопроводности. Нестационарное изменение температуры воздуха и слоев ограждающих конструкций рассчитывается с учетом объема помещения и объема слоев ограждающих конструкций, с учетом теплотехнических характеристик материалов ограждений помещения, а также с учетом поступления конвективного и лучистого тепла.

Помещения, имеющие общие внутренние ограждающие конструкцииа связаны друг с другом через теплопередачу. Ранее таким расчетом пренебрегали, если разность температуры между помещениями менее 3 градусов, считая, что по центру внутренних ограждений имеет место тепловая симметрия и тепловой поток отсутствует, что объясняется допущением для упрощения расчетов.а Однако, в современных условиях жизни с повсеместным применением терморегуляторов в системах отопления, поквартирных систем отопления, сплит-систем для охлаждения воздуха в теплый период года, тепловой режим в различных помещениях стал значительно отличаться в холодный период на 10-60%, а в теплый до 70%, что не учитывается при проектировании и эксплуатации здания. Неучтенные теплопотери помещением через внутренние ограждающие конструкцииа могут достигать значительных величин. При разработке математической модели теплового режима помещений здания проведена работа по учету нестационарной теплопередачи через внутренние ограждения помещений.

Уравнения теплового баланса составляются для воздуха, поверхностных и внутренних слоев ограждающих конструкций с учетом конвективного и лучистого теплообмена.

Дифференциальные балансовые уравнения для помещения имеют вид:

1. для воздуха i-го помещения здания:,аа аа(1)

2. для j-го внутреннего поверхностного слоя ограждающей конструкции:

,аа а(2)

температура поверхности ограждения

3. для внутреннего слоя ограждающей конструкции:

,аа а(3)

4. для поверхностного слоя ограждающей конструкции:

,а а(4)

,аа (5)

Где Vв, Vijk - объем воздуха помещения, объем слоя ограждения, м3, tусл. - условная температура наружного воздуха вблизи наружной поверхности ограждения с учетом действия солнечной радиации.

Лучистый теплообмен между поверхностями в помещении учитывается с применением уравнения Стефана-Больцмана.

Толщина слоев, на которые разбивается стена по толщине, равна толщине слоя резких колебаний, что связано со способностью материала быстро откликаться на тепловое возмущение.

Дифференциальное балансовое уравнение для воздуха помещения, обтекающего теплопровод системы отопления, имеет следующий вид:

,аа аа(6)

где j - аограждающая конструкция, ? - коэффициент подсоса воздуха в струю, Vстр. - объем струи, м3. Воздух поступает в струю с температурой помещения, нагревается и поступает в объем помещения, изменяя его температуру.

Для прогнозирования температурного режима теплопровода проведены расчеты нестационарного температурного режима теплопровода, с учетом фактического температурного режима помещения. Для моделирования разбиваем теплопровод на участки и слои. Если теплопровод теплоизолирован, то необходимо разбить тепловую изоляцию на слои в направлении, перпендикулярном теплопроводу.

Дифференциальные балансовые уравнения для нетеплоизолированного теплопровода имеют вид:

1. Для воды i-го участка теплопровода:

,а а(7)

2. Для металлической стенки трубы:

,аа а(8)

3. Уравнение для воздуха помещения, обтекающего теплопровод (6).

Дифференциальные балансовые уравнения для теплоизолированного теплопровода имеют вид:

1. для воды i-го участка теплопровода формула аналогичная (7):

2. для металлической стенки трубы:

,аа а(9)

3. для слоев утеплителя:

,а (10)

Записывается столько уравнений, на сколько слоев разбивается утеплитель по толщине.

4. для поверхностного слоя утеплителя:

,а аа(11)

5.а Уравнение для воздуха помещения, обтекающего теплопровод (6).

Длина участка рассчитывается исходя из того, чтобы на участке температура теплопровода была постоянной. Участки теплопровода могут располагаться горизонтально или вертикально. Если участок горизонтальный, то образуется плоская конвективная струя воздуха. Разбивая такой теплопровод на N участков, мы получаем такое же количество конвективных струй, каждая из которых вносит свой вклад в тепловой режим помещения. При вертикальном расположении теплопровода образуется струя, поднимающаяся вдоль нагретой поверхности теплопровода. Разбив вертикальный теплопровод на N участков, на каждом из которых определена средняя температура поверхности теплопровода, образуется равное количество конвективных струй. Скорости струй складываются на основе принципа суперпозиции, что позволяет более детально определить изменение температуры с высотой в струе как функцию процессов тепломассообмена между воздухом в струе и поверхностью теплопровода.

Рис. 8. Схема разбивки теплопровода на участки.

На рис.8. показано деление на участки нетеплоизолированного теплопровода. Теплопровод разбивается на N-е количество участков длиной dуч (м) каждый, d1, d2 - внутренний и наружный диаметры теплопровода. Для стального нетеплоизолированного теплопровода длиной 10 м проведены расчеты изменения температуры воды на участках, длина каждого участка 1 метр. На рис.9 показаны графики изменения во времени температуры воды в теплопроводе на каждом из участков. Из рисунка видно, что колебания температуры воды в 1-м слое почти отсутствует, а в 10-м - более выражены.

На единой методической основе создана модель расчета теплового режима здания с учетом действия воздушного режима, учитывающая переменные во времени параметры наружного климата, и переменные во времени мощности источников тепла и холода в помещениях здания.

Рис. 9 Изменение температуры воды в теплопроводе системы отопления

Четвертая глава посвящена физико-математической модели воздушного режима здания. Расчет ВРЗ проводится на основе определения давления воздуха в каждом помещении здания, на которое оказывают воздействие гравитационное и ветровое давления снаружи здания и давления воздуха в смежных помещениях внутри здания, с учетом сопротивления воздухопроницанию наружных и внутренних окон и дверей и действия системы вентиляции.

В результате расчета воздушного режима здания получаем расходы воздуха, поступающего в здание, уходящего из здания и перетекающего по зданию. Методика этого расчета основана на работах Титова В.П. Для расчета составляется система уравнений (12), где для каждого помещения ведется поиск давлений воздуха. Расчет ведется методом последовательного приближения, при котором задаются начальные значения давлений в каждом помещении и затем вычисляются расходы воздуха, после чего идет корректировка давлений и так продолжается до тех пор, пока сумма входящих и уходящих потоков из каждого помещения здания не будет равна нулю. Затем изменяется тепловой режим помещения, температура наружного воздуха и скорость ветра, проводится перерасчет гравитационного давления и ветрового давления и на следующем шаге ВРЗ рассчитывается заново, и далее расчеты повторяются, что позволяет сформировать нестационарность ВРЗ. Открывание окон в различное время суток в летний период года учитывается изменением сопротивления воздухопроницанию.

, аа(12)

Воздушный режим здания рассматривается состоящим из трех частей: внутренней, краевой и внешней.

Внутренняя часть воздушного режима здания рассматривает движение воздуха в помещении, с учетом инфильтрационного, эксфильтрационного, перетекающего воздуха, работы систем механической вентиляции, с учетом формирующихся конвективных струй от нагретых и охлажденных поверхностей, что важно для расчета газового режима помещения. Для моделирования внутренней части воздушного режима здания объем помещения разбивается на элементарные блоки, в каждом из которых есть приток и удаление воздуха. Конвективные и приточные струи рассчитываются на основе данных Шепелева И.А.

Краевая часть воздушного режима здания связана с расчетом движения воздуха через неплотности наружных и внутренних ограждающих конструкций, при этом получаем расходы инфильтрующегося, эксфильтрующегося и перетекающего воздуха в здании.

Внешняя часть воздушного режима здания определяется градиентом давлений на поверхности здания, создаваемого ветром в вихревых зонах аэродинамического следа при обтекании здания, что изучено в работе Полякова В.В. Внешняя часть воздушного режима здания так же связана с климатом местности, что определяется температурным режимом в течение года и формированием переменного в суточном, сезонном и годовом периодах гравитационного давления.

Создана динамическая модель ВРЗ во взаимодействии с ТРЗ, с учетом изменения параметров наружного климата и режима эксплуатации помещений здания.

В пятой главе представлена физико-математическая модель по расчету газового режима здания. При расчете газового режима здания рассматривается распространение вредных примесей в воздухе помещений здания, перенос которых осуществляется потоками воздуха и диффузией.

Внутренняя часть газового режима здания - это процессы распространения вредных примесей в помещении с учетом размеров помещений, расположения и мощности источников вредных примесей, величины воздухообмена, с учетом аструйных течений, с учетом инфильтрующегося, эксфильтрующегося и перетекающего воздуха из других помещений здания. Помещение может рассматриваться на основе однозонной или многозонной модели вентилируемого помещения. Однозонная модель предполагает осреднение по объему помещения концентрации вредной примеси, при многозонной модели помещение разбивается на элементарные блоки, в каждом из которых находим концентрацию вредной примеси осредненную по объему блока. На рис. 10 показана схема разбиения объема помещения на элементарные блоки.

Рис. 10 - Схема разбиения воздушного пространства помещения на элементарные блоки.

Для каждого элементарного блока составляется дифференциальное балансовое уравнение, которое имеет вид:

, аа(13)

Где М - мощность источника i-го вредных примесей, г/ч, G - расход воздуха через границы блоков кг/ч, V - объем блока, м3, А - коэффициент турбулентной диффузии вредной примеси м2/с, с - концентрация вредной примеси, г/м3, ? - время, ч, f - площадь поверхности блока, м2.

Для однозонной модели подходят помещения в жилых, гражданских и производственных зданиях, где нет избыточно нагретых или охлажденных поверхностей, где имеется хорошее перемешивание воздуха, что вызывает незначительное расслоение воздуха по температуре по высоте.

Необходимость расчета газового режима помещения на основе многозонной модели вентилируемого помещения обусловлена внезапностью и относительно небольшой продолжительностью действия, а так же локальностью расположения по объему помещения источника вредных примесей. Количество зон, на которое разбивается помещение произвольно и определяется необходимостью выделить объемы с работающим источником вредных примесей и объемы, где находятся рабочие места, расположением и траекторией развития струйных течений в помещении. Приточные и конвективные струи выделяются в самостоятельные объемы, что связано с необходимостью учета физически обоснованных закономерностей формирования струйных течений в помещениях.

Расчет изменения концентрации вредных примесей в здании на каждом шаге расчета корректируется с учетом изменения потоков инфильтрующегося, эксфильтрующегося и перетекающего воздуха, с учетом работы источников вредной примеси, с учетом изменений в действии конвективных и приточных струй.

На момент начала работы источника вредных примесей известны значения находящихся в динамике параметров воздушно-теплового режима помещения, как элемента воздушно-теплового режима здания, которые изменятся в следующий момент времени. Изменение во времени концентрации вредной примеси происходит вслед за находящимся в динамике воздушно-тепловым режимом помещения, с учетом действия источника и системы вентиляции.

Для однозонногоа помещенияа с источником вредных примесей дифференциальное балансовое уравнение имеет следующий вид:

,аа аа(14)

При расчете ГРЗ учитывается, что помещение проветривается за счет естественных процессов в рабочее и в нерабочее время (инфильтрация, эксфильтрация, перетекание воздуха). В помещении к началу следующего рабочего дня имеется остаточная концентрация вредной примеси. Результаты расчета нестационарного газового режима помещения на основе многозонной и однозонной моделей являются значения концентрации вредной примеси в элементарных объемах и в помещении.

Краевая часть газового режима здания связана с перемещением вредной примеси с инфильтрующимся, эксфильтрующимся и перетекающим воздухом по зданию между помещениями и наружным воздухом и между смежными помещениями, с учетом поступления вредной примеси с вентиляционным воздухом. Здание в каждый момент времени находится в одном из промежуточных воздушно-тепловых режимов, который определяется предыдущим изменением климатических характеристик и режимом эксплуатации за период 5 суток и более. После определения потоков перетекающего, поступающего и уходящего воздуха в помещениях здания на следующем шаге расчета определяется изменение концентрацииа вредных примесей в помещениях в здания. Для каждого i-го помещения здания записываем дифференциальное балансовое уравнение:

,а (15)

где в помещение воздух поступает со значением концентрации вредной примеси Ск и уходит со значением Сi.а Система уравнений, описывающая газовый режим жилого здания с помещением, имеющим источник вредных примесей, может быть записана в следующем виде (16). В систему уравнений для расчета газового режима здания входят следующие балансовые уравнения: - для помещения с источником вредных примесей, - для остальных помещений, - для общих помещений здания (лестничные клетки, лифтовые шахты, коридоры и др.).

,а аа(16)

где i, i+1, i+2 - рассматриваемые помещения, j - смежные помещения.

Внешняя часть газового режима здания связана с расчетом изменения концентрации вредной примеси снаружи здания в вихревых зонах аэродинамического следа. Вихревая зона аэродинамического следа аккумулирует в себе вредные вещества, вызывая загрязнение помещений с заветренной и наветренной сторон здания. Процесс проветриванияа вихревой зоны аэродинамического следа зависит от кратности ее воздухообмена с окружающим воздухом. Изучение работ Полякова В.В. позволило получить величину кратности воздухообмена заветренной вихревой зоны, что позволило рассчитать изменение концентрации вредной примеси в вихревой зоне. Допущение: вредная примесь равномерно распределяется по объему вихревой зоны (однозонная модель). Получены зависимости по расчету изменения концентрации вредных примесей в заветренной зоне аэродинамического следа в зависимости от длины и высоты здания для не широких зданий:

априа Lзд/Hзд=0,25,аа (17)

априа Lзд/Hзд=0,5, аа(18)

приLзд/Hзд=0,75, аа(19)

Влажностный режим здания рассматривается как процесс распространения водяного пара вместе с воздухом для каждого помещения и здания, его рассмотрение аналогично газовому режиму, с учетом изменения влажностной термодинамики в воздухе помещений. Находим изменение концентрации водяных паров в воздухе, пересчитывается это значение в величину влагосодержания водяных паров, а затем в парциальное давление водяных паров в воздухе при текущей температуре, получается текущая величина относительной влажности в воздухе.

Для определения соответствия относительной влажности внутреннего воздуха, количеству испаряющейся воды с поверхности бассейна и количеству водяного пара в приточном воздухе предложена методика многошагового решения на компьютере. Задается расход воздуха и относительная влажность воздуха, производится расчет всех составляющих тепловлажностного режима помещения, получается относительная влажность внутреннего воздуха. Если она не равна заданной, то задается новое значение относительной влажности равное среднему арифметическому между заданной и полученной в результате расчета, и далее расчет и последовательность действий повторяется до совпадения заданной и расчетной относительной влажности. Равенство расчетной и заданной величин относительной влажности воздуха в помещении означает равенство всех балансов в помещении: теплового, воздушного и влажностного.

Сформулированы теоретические основы моделирования газового режима здания. Поставлена и решена задача по расчету распределения концентрации вредной примеси в помещении, здании и окружающей здание вихревой зоне аэродинамического следа на основе решения систем балансовых дифференциальных уравнений. Разработанная математическая модель газового режима здания с учетом ВРЗ и ТРЗ основана на совместном решении составленных трех систем дифференциальных балансовых уравнений, в которых есть параметры, изменяющиеся во времени и которые входят в разные системы, одновременно объединяя указанные динамические режимы в единое целое. Таким образом, формируется взаимосвязанность и взаимозависимость нестационарных параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в помещениях здания.

В шестой главе разработан план эксперимента и проведен анализ экспериментальных и расчетных результатов. Проведена серия однофакторных пассивных экспериментов по измерению параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в режиме мониторинга. Измерения проводились в помещениях зданий: крытый бассейн, жилое здание - квартиры, офис. Измерения были связаны с изучением колебания температуры воздуха, относительной влажности и концентрации вредной примеси во времени. Эксперимент проводится с учетом известных условий эксплуатации помещений здания по формированию параметров микроклимата и концентраций вредных примесей. Эксперимент проводился в течение холодного, переходного и теплого периодов года, что связано с необходимостью выявления перегрева или недогрева воздуха в помещениях, а так же для анализа изменения концентрации вредной примеси. Рассматриваемые помещения не имели локализованных источников вредных поступлений, а так же мощных струйных течений, что позволило рассматривать данные помещения по однозонной модели изменения параметров микроклимата. Измерения проводились в одной точке помещения, которая была расположена в рабочей зоне помещения вне активных конвективных и струйных потоков.

Для натурных измерений температуры внутреннего воздуха, относительной влажности внутреннего воздуха, температуры наружного воздуха, относительной влажности наружного воздуха и концентрации углекислого газа в наружном и внутреннем воздухе в режиме мониторинга применялись следующие измерительные приборы: 1. регистратор данных для долгосрочных измерений testo 175-H1, который позволяет измерять температуру и влажность воздуха через заданный интервал времени, точность прибора 0,5 оС по температуре и 3 % апо относительной влажности; 2. Проведено сравнение результатов численного эксперимента и измерений в натуре значений концентраций углекислого газа в помещении бассейна. В результате сравнения результатов измерений и расчетов получены отклонения, результаты средних отклонений в % за каждый месяц измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Месяц, год

Июнь 2007

Июль 2007

Август 2007

Сентябрь 2007

Октябрь 2007

среднее отклонение %

-1,49

-0,93

-2,33

-1,53

-0,78

продолжение таблицы 1

Месяц, год

Ноябрь 2007

Апрель 2008

Июнь 2008

Июль 2008

среднее отклонение %

-2,20

-2,10

-0,46

-1,27

Среднее отклонение измеряемых значений от расчетных на основе разработанной математической модели не превышает 2,5 %. Проведен анализ случайных погрешностей эксперимента при измерении концентрации углекислого газа в помещении бассейна в июле 2007 года. Погрешность измерений не превышает 3 %.

Анализ измерений и результатов расчетов показывает адекватность предложенной математической модели, так как при качественном и количественном сопоставлении результатов расчетов и экспериментальных исследований выявлена ахорошая сходимость и соответствие разработанной математической модели физическим процессам изменения параметров микроклимата и концентрации углекислого газа в помещениях здания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Установлено, что применение технологии прогнозирования параметров микроклимата на основе комплексного моделирования динамических режимов здания по формированию параметров микроклимата и качества воздуха позволяет выявить потенциал энергосбережения,а обусловленный перегревом помещений в холодный период года.
Анализ современного состояния теории и практики расчетов воздушного, теплового, влажностного и газового режимов здания показал, что эти режимы рассматриваются без учета влияния одного на другой, что сказывается на точности расчетов и не позволяет углубленно изучать физическую сущность тепломассообменных процессов, имеющих место в указанных динамических режимах помещений здания.
На основе анализа мониторинга температурного режима в холодный период года помещений двух офисов и коридора административного здания в январе 2011 года в г. Москве,а помещения спортивного зала в здании спортивного комплекса в г. Москве в январе 2011 года,а помещения бассейна в г. Москве в октябре - марте 2007-2008 г.г., двух квартир в январе 2011 года выявлен потенциал энергосбережения, который оказался равным соответственно 96,84 МДж за 12,4 суток,а 4,6 МДж за 12 суток, 90,96 МДж за 6 месяцев, 81,13 МДж и 14,33 МДж за 14,5 суток.
На основе анализа работ отечественных и зарубежных авторов, изучения физических закономерностей действия воздушного, теплового, газового и влажностного режимов здания разработаны научно-методические основы расчета динамических взаимозависимых тепломассообменных режимов здания.
Впервые создан единый методический подход к прогнозированию параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в помещениях здания на основе разработанных научно-методических основ расчета динамических тепломассообменных режимов здания с учетом динамики действия внутренних и наружных возмущающих воздействий.
Получена технология более углубленного изучения физической сущности тепломассообменных процессов, протекающих в помещениях здания на основе взаимозависимого расчета динамических режимов здания.
Впервые получены способы взаимозависимого расчета динамических режимов здания, что позволило объединить математические модели динамических тепломассообменных режимов здания в единую математическую модель.
Разработаны алгоритм и программа моделирования воздушного, теплового, влажностного и газового режимов здания, способствующие проведению численного эксперимента по прогнозированию параметров динамических режимов помещений здания.
Установлены адекватность предложенной математической модели физическим процессам изменения параметров микроклимата и концентрации диоксида углерода в помещениях здания на основе анализа результатов натурных исследований и численного эксперимента.
Полученаа полуэмпирическая зависимость по расчету воздухообмена в заветренной вихревой зоне аэродинамического следа здания, что позволяет учесть задержку проветривания заветренной вихревой зоны аэродинамического следа при расчете газового режима здания.
Разработан метод расчета газового режима здания с учетом газового режима заветренной вихревой зоны аэродинамического следа, позволяющий выявить влияние загрязнения приземного слоя атмосферы окружающего здание на изменение концентраций вредных примесей в помещениях здания.
Разработана математическая модель расчета теплового режима элементов системы отопления, дополняющая математическую модель теплового режима помещений здания, что позволило получить более надежную математическую модель тепломассообменных динамических режимов здания.
Получен метод расчета изменений концентраций вредной примеси в помещении на основе многозонной модели вентилируемого помещения позволяющий формировать требуемый газовый режим в помещениях большого объема с развитыми струйными течениями от нагретых и охлажденных поверхностей.
Результаты работы диссертационной работы внедрены в практику для предпроектных работ, проектных решений и проведения энергоаудита зданий проектными фирмами г.Москвы (в т.ч. ОАО Курортпроект,ООО ПСО Инжиниринг)

Условные обозначения

А - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; с - концентрация вредных примесей, г/м3; G - массовый расход воздуха, кг/с; h - шаг итерации; M - мощность источника вредных веществ, мг/с; Q - тепловой поток, Вт; t - температура, 0С; V - объем, м3; v - скорость, м/с;а x, y, z - координаты, м; a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2?0С); d - толщина слоя м; r - плотность воздуха,а кг/м3;а l - коэффициент теплопроводности,а Вт/(м?0С); t - время, с; F - площадь, м2; L - объемный расход воздуха, м3/с; Кр - кратность воздухообмена, ч-1; с - удельная теплоемкость кДж/(кг?0С).

Индексы

i - № рассматриваемого этажа, помещения и пр.; вз - верхняя зона; нз - нижняя зона; в - воздух, внутренний; м - материал; y - уходящий воздух; к - конвективный; с.р. - солнечная радиация; л - лучистый; з - зоны, на которые разбивается объем помещения; н - наружный, R - результирующая, радиационная.

Сокращения

ВРЗ - воздушный режим здания,а ТРЗ - тепловой режим здания, ВРЗ - влажностный режим здания, ГРЗ - газовый режим здания, ДРЗ - динамические режимы здания, ЭО - элементарный объем, ЭБ - элементарный блок, инф.- инфильтрация, эксф. - эксфильтрация, пер. - перетекание, у - удаляемый, исп. - испарение, погл. - поглощение, мех. - механическая вентиляция, стр. - струя.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах

(публикации в ведущих рецензируемых журналах рекомендованных ВАК РФ выделены жирным шрифтом)

Рымаров А.Г., Самарин О.Д., Плотников А.А. Моделирование тепломассообменных процессов во внутридворовом пространстве атриума Старого гостиного двора в г. Москве //Журнал УЭнергосбережение и водоподготовкаФ, Москва, №2, 1999, сс.25-29. (0,25 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Самарин О.Д., Плотников А.А. Разработка научных основ управления параметрами внутреннего микроклимата на Большой Спортивной Арене стадиона Лужники //Журнал УЭнергосбережение и водоподготовкаФ, Москва, №2, 2000, сс.32-36. (0,25 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Применение теории источников и стоков и комплексного потенциала течения в методе расчета поля скоростей воздуха в помещении //Известия вузов, УСтроительство, № 11 , 2000, с.66-69. (0,2 п.л.)
Рымаров А.Г. Прогнозирование температурного режима теплоизолированного трубопровода // Известия вузов, Строительство, № 12 , 2001, с.72-75. (0,2 п.л.)
Рымаров А.Г., Маркевич А.С. Особенностиа учета факторов, влияющих на воздушно-тепловой режим помещения при применении ночного проветривания в теплый период года // Вестник МГСУ, спецвыпуск 1/2009, с. 307-312. (0,3 п.л. из них 0,15 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Савичев В.В. "Особенности формирования газового режима помещения при работе источника газового выделения в зависимости от воздухопроницаемости наружных ограждений" // Вестник МГСУ, спецвыпуск 1/2009, с. 482-485. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Прогнозирование параметров воздушного, теплового, газового и влажностного режимов помещений здания //Журнал Academia. Архитектура и строительство, №5, 2009, сс. 362-364. (0,15 п.л.)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Прогнозирование долговечности несущих ограждающих конструкций помещения бассейна под влиянием тепло-влажностно-газового режима //Журнал Academia. Архитектура и строительство, №5, 2009, сс. 525-526. (0,1 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Савичев В.В. Особенностиа изменения концентрации углекислого газа в помещении кухни при различных системах вентиляции // Вестник МГСУ, спецвыпуск 2/2009, с. 312-315. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Особенностиа формирования конвективной струи около холодной вертикальной поверхности //Вестник МГСУ, спецвыпуск 2/2009, с. 436-439. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Исследование снижения долговечности несущих ограждающих конструкций под действием воздушно-теплового и влажностно-газового режимов в помещении бассейна //Вестник МГСУ, спецвыпуск 2/2009, с. 414-418. (0,25 п.л. из них 0,15 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Маркевич Ю.Г. Особенности формирования теплового режима в помещении с применением системы ночного проветривания // Вестник МГСУ, спецвыпуск 2/2009, с. 464-469. (0,3 п.л. из них 0,15 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Сырых П.Ю. Исследование изменения концентрации углекислого газа в помещении // Вестник МГСУ, спецвыпуск 2/2009, с. 460-463. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. К вопросу о влиянии выбросов на изменение концентрации примесей в помещениях производственного здания // Журнал "Водоснабжение и санитарная техника", №3, 1994, сс.20-21. (0,1 п.л.)
Титов В.П., Рымаров А.Г. Научные чтения в российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) // Журнал "Водоснабжение и санитарная техника", №3, 1996, сс.29-30. (0,1 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Самарин О.Д., Плотников А.А. К расчету параметров микроклимата Большой спортивной арены в Лужниках //Журнал УМонтажные и специальные работы в строительствеФ, Москва, №1, 2000, сс.14 -17. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Самарин О.Д., Плотников А.А. Создание комфортных условий в атриуме Старого Гостиного двора // Журнал УМонтажные и специальные работы в строительствеФ, Москва, №4, 2000, сс. 2-6. (0,25 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Петров Н.А. Исследование тепло-влажностного режима пластинчатых рекуператоров в холодный период //Журнал УМонтажные и специальные работы в строительствеФ, Москва, №2, 2002, сс. 17-19. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Исследование переменной толщины тепловой изоляции // Журнал УМонтажные и специальные работы в строительствеФ, Москва, №5, 2002, сс.11-13. (0,15 п.л.)
Рымаров А.Г., Титов В.П. Научно-методические основы защиты людей, находящихся в здании, при воздействии на них токсичныха аварийных выбросов // Известия вузов, Строительство, №12, 1994, сс.104-107. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Титов В.П. Методы единой технологической системы для оптимизации энергопотребления и повышения экологической безопасности здания // Известия вузов, Строительство, № 9 , 1997, сс.75-80. (0,3 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Титов В.П. Новый способ расчета изменения концентрации вредных примесей в воздухеа вентилируемого помещения // Межвузовский сборник трудов. Оптимизация систем очистки воздуха и вентиляции промышленных зданий. Пермь, ППИ,1993, сс.97-102. (0,3 п.л. из них 0,2 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. К расчету газового режима жилого здания // Сборник докладов научно-практической конференции "Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях", НИИСФ РААСН, том 1, Москва, 1997, сс.62-66. (0,25 п.л.)
Рымаров А.Г., Титов В.П. К расчету тепловых потерь зданиями с массивными ограждающими конструкциями //Сборник докладов третьей научно-практической конференции "Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях", НИИСФ РААСН, Москва, 1998, с. 44-51. (0,4 п.л. из них 0,2 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. К расчету воздушно-теплового режима атриума Старого гостиного двора в г. Москве //Сборник докладов международной научно-практической конференции УПроблемы экологии и энергосбережения в условиях западной СибириФ, Москва, 1999, с. 322-326. (0,25 п.л.)
Рымаров А.Г., Титов В.П. К расчету теплового режима проветриваемого подполья здания холодильника в г. Одинцово Московской области //Сборник докладов четвертой научно-практической конференции "Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях", НИИСФ РААСН, Москва, 1999, сс. 107-114. (0,4 п.л. из них 0,3 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Самарин О.Д., Плотников А.А. Моделирование тепломассообменных процессов на уникальных объектах // Сборник докладов пятой научно-практической конференцииа (академические чтения, НИИСФ РААСН) "Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях", Москва, 2000, сс. 163-167. (0,25 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Исследование теплового режима подполья здания холодильника //Межвузовский сб. трудов Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения, Воронеж, 2000, с.40-44. (0,25 п.л.)
Рымаров А.Г., Плотников А.А. К расчету годового энергопотребления атриумом старого гостиного двора в г. Москва //Межвузовский сб. трудов Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения, Воронеж, 2000, с.44-48. (0,25 п.л. из них 0,15 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Стационарная и нестационарная теплопередача теплоизолированного трубопроводаа // Сборник докладов шестой научно-практической конференции 26-28 апреля 2001г.а Академические чтения, посвященные памяти В.Н.Богословского "Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях", Москва, НИИСФ РААСН, 2001, сс. 125-130. (0,3 п.л.)
Рымаров А.Г., Кувшинов Ю.Я., Ву Ван Дай Исследование теплового режима подземных тепловых аккумуляторов //Сборник докладов седьмой научно-практической конференции 18-20 апреля 2002 г. Академические чтения "Актуальные проблемы строительной теплофизики", Москва, НИИСФ РААСН, 2002, сс. 46-49. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Температурный режим теплоизоляции трубопровода // Сб. трудов Международной научно-практической конференции Рациональные энергосберегающие конструкции, здания и сооружения в строительстве и коммунальном хозяйстве, Белгород, БГТАСМ, 2002, сс.151-153. (0,15 п.л.)
Рымаров А.Г., Кувшинов Ю.Я. Исследование влажностного режима зоны бассейнов аквапаркаа // Сборник докладов восьмой научно-практической конференции УСтены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизикиФ (Академические чтения) 24-25 апреля 2003 г., Москва, НИИСФ РААСН, 2003, сс. 225-227. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г.,а Кувшинов Ю.Я. Влажностный режим зоны бассейнов аквапарка //Вестник БГТУ, научно-технический журнал: Материалы Международного конгресса Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии посвященного 150-летию со дня рождения академика В.Г. Шухова, Белгород, №6, 2003г., часть 3, сс.53-54. (0,1 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Кувшинов Ю.Я. Исследование теплового режима тоннеля // Сборник трудов УСовременные системы теплогазоснабжения и вентиляцииФ, МГСУ, 2003, сс. 22-25. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Особенности определения требуемого воздухообмена в помещении бассейна //Материалы международного форума по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT 2004 MOSCOW 7-8 апреля 2004, сс.44-47. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Шевченко А.А. Особенности кондиционирования микроклимата в помещениях с высокой концентрацией углекислоты (на примере помещения зимнего сада) //Материалы международного форума по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT 2004 MOSCOW 7-8 апреля 2004, сс.62-65. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Шевченко А.А. Исследование изменения концентрации углекислого газа в здании с зимним садом //Сб. докладов научно-практической конференции 25.05.2004 Строительная теплофизика. Вопросы энергосбережения и обеспечения микроклимата в зданиях. Информационно-издательский центр Современные Строительные Конструкции, М., 2004, сс. 82-83. (0,1 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Исследование процесса испарения воды с поверхности бассейна при различных воздухообменах и параметрах микроклимата //Сб. докладов научно-практической конференции 25.05.2004 Строительная теплофизика. Вопросы энергосбережения и обеспечения микроклимата в зданиях. Информационно-издательский центр Современные Строительные Конструкции, М., 2004, сс. 61-62. (0,1 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В., Шевченко А.А. Особенности влияния ветрового и гравитационного давлений на воздушный режим высотного здания в холодный период года //Материалы семинара Актуальные проблемы строительства высотных зданий 24 июня 2004, девятая международная специализированная выставка Инвестиции. Строительство. Недвижимость. REALTEX-2004, МГСУ, 2004, сс. 26-29. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Кувшинов Ю.Я., Малявина Е.Г. Особенности обеспечения микроклиматаа в высотных зданиях //Сборник докладов II международного симпозиума по строительным материалам КНАУФ для СНГ Современное высотное строительство. Эффективные технологии и материалы. Октябрь 2005, Москва, сс.62-69. (0,4 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В., Шевченко А.А. Особенности учета увеличения скорости ветра на высоте 70-200м при расчете тепловой мощности системы отопления высотного здания //Материалы международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, МГСУ, Москва, 23-25 ноября 2005, сс. 98-100. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Латушкин А.П. Особенности формирования полей концентраций в приземном слое атмосферы при расчете внешней части воздушного и газового режимов здания //Материалы международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, МГСУ, Москва, 23-25 ноября 2005, сс. 169-171. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г. Особенности влияния воздухопроницаемости строительных материалов стен на концентрацию диоксида углерода в помещении //Материалы международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, МГСУ, Москва, 23-25 ноября 2005, сс. 85-88. (0,2 п.л.)
Рымаров А.Г., Саркисян С.В. Закономерности изменения температуры воздуха по высоте помещения при перетекании между смежными помещениями //Материалы международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, МГСУ, Москва, 23-25 ноября 2005, сс. 147-149. (0,15 п.л. из них 0,07 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г, Лушин К.И. Алгоритм модели динамических режимов систем отопления и вентиляции здания в холодный период года // Материалы международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, МГСУ, Москва, 23-25 ноября 2005, сс. 115-118. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Маркевич А.С. Особенности формирования теплового режима в помещении с применением системы ночного проветривания //Материалы Второй Международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции. 21-23 ноября 2007 , МГСУ Москва, сс.192-195. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Казнин Е.В., Лушин К.И. Особенности формирования воздушно-теплового режима коллектора для подземных коммуникаций //Материалы Второй Международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции. 21-23 ноября 2007 , МГСУ Москва, сс.203-205. (0,15 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В., Зинченко Д.Н.а Исследование работы воздушных клапанов в окнах в квартире жилого здания в холодный период года // Материалы IV Международной научной конференции Качество внутреннего воздуха и окружающей среды, Волгоград 14-18 мая 2008 года, ВолгГАСУ, 2008, сс.267-270. (0,2 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Савичев В.В. Особенности формирования газового режима здания с зимним садом //Материалы IV Международной научной конференции Качество внутреннего воздуха и окружающей среды, Волгоград 14-18 мая 2008 года, ВолгГАСУ, 2008, сс.84 - 88. (0,25 п.л. из них 0,15 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Особенности прогнозировании состояния микроклимата в помещениях и зданиях // Материалы VII международной научной конференции Качество внутреннего воздуха и окружающей среды, Волгоград 13-17 мая 2009 года, ВолгГАСУ, 2009, сс.322-326. (0,25 п.л. из них 0,15 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Особенности мониторинга параметров микроклимата в помещении крытого бассейна //Материалы VII международной научной конференции Качество внутреннего воздуха и окружающей среды, Волгоград 13-17 мая 2009 года, ВолгГАСУ, 2009, сс.348-350. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Маркевич А.С.Особенности моделирования процессов протекающих в помещении при применении ночного проветривания в теплый период года //Материалы третьей Международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции. 21-23 ноября 2009, МГСУ Москва, сс. 223-225. (0,15 п.л. из них 0,05 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Смирнов В.В. Особенности снижения долговечности несущих ограждающих конструкций под действием воздушно-теплового и влажностно-газового режимов в помещении бассейна //Материалы третьей Международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции. 21-23 ноября 2009, МГСУ Москва, сс. 105-107. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)
Рымаров А.Г., Савичев В.В. Особенностиа изменения концентрации углекислого газа в помещении кухни жилого здания при сжигании природного газа //Материалы третьей Международной научно-практической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции. 21-23 ноября 2009, МГСУ Москва, сс. 215-217. (0,15 п.л. из них 0,1 п.л. лично автором)

Подписано в печатьаа аа. Формат 60?90 1/16

Бумага писчая. Объём 2 усл. печ. л. Тираж 120 экз.

Заказ № ______________________________

Все авторефераты докторских диссертаций

Blog

Обобщение и развитие научно-методических основ прогнозирования микроклимата гражданских зданий