Моделирование и оптимизация систем теплоснабжения зданий с использованием возобновляемых источников энергии (тепловой насос и солнечный коллектор)
Кидрук М.И.
Вступ
Проблема эффективного использования энергосберегающих технологий давно актуальная не только для Украины, но и для всех без исключения стран мира. К сожалению, в нашей стране этому вопросу всё ёщё уделяют очень мало внимания. Однако использование энергии низкопотенциальных возобновляемых источников дает возможность значительно экономить органическое топливо, уменьшить губительное влияние на окружающую среду, удовлетворяя нужды потребителей тепла, которые размещены далеко от централизированных систем теплоснабжения (СТ) пр. Одним с реальных направлений использования таких источников энергии – обустройство теплонасосных станций, которые предназначены для одновременного отопления, горячего водоснабжения и вентиляции. Такие системы нашли широкое использование в Швеции, Японии, США, Германии, Австрии и других развитых странах, однако актуальным остается вопрос по поводу увеличения эффективности их работы [6]. Возможными направлениями решения этой проблемы есть совместное использование нескольких нетрадиционных энергетических источников, регенерации или переохлаждения конденсата в тепловых насосах (ТН), обустройства сезонных аккумуляторов тепла и т.п.
В этом номере мы начнем цикл из несколько статей, которые последовательно описывают этапы разработки и оптимизации комплексной модели альтернативной системы теплоснабжения. Рассмотренная авторами модель состоит из солнечного коллектора, системы сезонной аккумуляции тепла (грунтового массива и вертикальных грунтовых теплообменников) и тепловой насос, который соединяет грунтовый аккумулятор и систему разделения тепла в здании. Важным есть тот факт, что рассмотренная система включает в себя не просто математические модели отдельных элементов, но и модель самого объекта теплоснабжения (ОТ) – жилого дома или промышленного здания.
Именно о моделировании теплового режима ОТ будет идти речь в первой статье цикла, где показана разработка графического редактора, который предназначен для создания параметрических чертежей (планов) зданий и автоматического расчета теплопотерь. Другая статья будет посвящена моделированию совместной работы грунтового теплообменника и солнечного коллектора на протяжении соответственно зимнего (отопительного) и летнего (аккумуляционного) периодов. Последняя статья цикла расскажет о объединении моделей здания, климата и грунтового аккумулятора через математическую модель теплового насоса. В ней также будут решаться вопросы оптимизации всей системы в целом.
Результатом проведения опытной работы стало создание программы, которая объединила все перечисленные элементы СТ (математической модели) в единую компьютерную модель, и получила название NeoHeatingPro. Этот программный продукт делает возможным проведение проектирование и оптимизацию систем такого типа с учетом климатических условий региона, формы и структуры ограждающих конструкций здания, существующих цен на электроэнергию, горючих теплоносителей, буровых работ и пр.
Часть 1. Моделирование теплового режима здания
Особенностью смоделированной СТ есть объединение всех расчетов вокруг конкретного ОТ – жилого коттеджа, многоэтажного здания или промышленного помещения. Поэтому, первоочередным заданием формирования модели всей СТ, нами было избрано разработку модели теплового режима здания. Под тепловым режимом в этом случае нужно понимать изменения во времени теплопотерь или теплоприходов здания в зависимости от климатических условий избранного региона. Значение теплопотерь, как известно, используется для определения тепловой нагрузки СТ.
Задача расчета теплового баланса здания давно известно: на сегодня для ее решения существует много разных методик. В Украине, например, мощность систем отопления и тепловые сети проектируются с расчетом на длительную работу при температуре наиболее холодной пятидневки [1]. Однако это означает, что большинство времени такая система работает недогружена, что есть недопустимо для СТ на альтернативных источниках энергии. В работах [3, 4] оговорены более точные методики расчета та разработки на их основе компьютерных программ для динамического определения теплопотерь, которые созданы канадской компанией RETScreen и американской ассоциацией ASHRAE соответственно. Однако каждая с этих программ имеет недостатки. В них, например, не учитываются геометрические характеристики зданий и термоденамическими характеристиками ограждающих конструкций, приблизительно определяется площадь стен и окон, помещение рассматривается как “одно-зонное” с единственной усредненной внутренней температурой и пр. Кроме того, упомянутые программы нуждаются в ручном введении большого количества разных выходных данных, поиск которых для конкретного объекта и его региона занимает много времени.
Учитывая перечисленные недостатки, нами была разработана специализированная расчетная система (в англоязычной литературе такие системы обозначают САЕ - Computer-aided engineering –, буквально – «полуавтоматические компьютерные расчеты») для моделирования теплового режима разных по форме и по назначению зданий. Эта система есть основой комплекса NeoHeatingPro и состоит с двух частей: графического редактора и генератора климатических условий.
Графический редактор программы NeoHeatingPro представляет собой систему автоматизированного проектирования (САПР), которая ориентированная на быстрое создание планов зданий. Этот редактор был разработан в среде Borland Delphi на основе стековых алгоритмов [2], и позволяет легко создавать сложные чертежи разнообразных зданий (рис. 1).
Редактор сделан за принципами объектно-ориентировочного подхода, суть которого состоит в том, что при выборе чертежей, пользователь оперирует не геометрическими примитивами (точками, дугами, отрезками), а конкретными объектами (стенами, окнами, комнатами и т.д.). При этом все объекты модели параметрически объедены между собой: строительный план разбит на отдельные здания, каждое здание – на этажи, этажи состоят с комнат, комнаты – со стен, а каждая отдельная стена имеет двери и окна. Каждый такой объект на плане наделен специфическими свойствами, которые есть необходимыми для программного расчета теплопотерь здания в целом. Для стен – это геометрические размеры и термодинамические характеристики оградительных конструкций: площадь поверхности стены, коэффициенты теплопроводности материалов, з которых состоит стена, коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней поверхности, общий коэффициент теплопередачи. Для окон – площадь окна, тип застекления, значение термического сопротивления. Для комнат – расчетная внутренняя температура, площадь комнаты, суммарная площадь наружных стен и т.д.
Преимущество объектного подхода заключается в том. Что большинство названых величин программа рассчитывает самостоятельно, или выбирает с базы данных, что дает пользователю не тратить время на поиск их вручную или поиск в справочниках. Например, площадь стен рассчитывается по найденному периметру здания (суммарной длине наружных стен) и известной высоте этажа. При этом с площади каждой стены автоматически вычитывается площадь размещенных на ней дверей и окон.
Коэффициент теплопередачи также рассчитывается автоматически по заданной структуре стены. Задать материалы, с которых сформированы наружные стены, и толщина каждого с слоев можно в специальном окне (рис. 2). В программу занесено большое количество материалов и их физических свойств [1, доп. 3], поэтому искать необходимые коэффициенты и вводить их вручную не нужно будет. Графический редактор NeoHeatingPro позволяет присваивать как одинаковую структуру для всех стен здания, так и разные для каждого здания или даже каждой отдельной стены (например, для моделирования комнат, стены которых из внутри утеплены специальными изоляционными материалами). Смена толщины или коэффициента теплопроводности одного с материалов сразу приводит к переращету общего коэффициента теплопроводности одного, а как следствие, общих теплопотерь ОТ.
Перед началом разработки модели теплового режима стоял вопрос по возможности более глубокого расчета коэффициента К. Имея развитый генератор климатических условий, можно было бы определить коэффициенты αзви αвнчерез критериальные уравнения для чисел Нусельта Nu, учитывая температуры наружного воздуха, температуры внутренних помещений, усредненную силу ветра и т.д. Однако, учитывая, что графический редактор имеет больше практичное, чем научное значение, было решено ограничить эмпирическими значениями коэффициентов теплоотдачи, приведенными в [1], которые программа просто выбирает с базы данных.
Для проведения моделирования теплового режима в программу, сначала необходимо ввести выходные данные проекта (рис. 3), которые включают расположение ОТ, тип здания (жилое, промышленное и пр.), тип климата (сухой, нормальный или влажный), число жителей на 100 м2 площади здания и т.д.
После этого средствами графического редактора создается план здания. Начинается разработка плана с нанесением сетки вспомогательных линий (рис. 4, а), после чего формируется контур из наружных стен (рис. 4, б и в). При строении наружных стен задается лишь их контур, об изображении на плане программа позаботится сама. Следующий шаг – разбивка плана на комнаты (рис. 4, г). Для этого необходимо сформировать контуры внутренних стен: программа проанализирует построенную геометрию и самостоятельно разобьет здание на отдельные комнаты. Каждой комнате присвоится имя (по умолчанию это «Room» плюс номер этажа, через точку, номер комнаты) и расчетная внутренняя температура, которая по умолчанию равна 19ºC (рис. 4, д). Сформировав комнаты, можно переходить до размещения в плане окон и дверей (рис. 4, е та є). Для этого достаточно, после вызова команды, кликнуть в точке, где планируется разместить окно. При создании окна задается его форма и тип остекления (одинарное, двойное, в деревянной или металлической рамах и пр.), соответственно к чему программой и определяется площадь и выбирается коэффициент термического сопротивления. Завершительным этапом построения есть смена названий и внутренних температур комнат не нужны (рис. 6, ж). Аналогично создаются планы следующих этажей здания (рис. 6, з).
Обратите внимание, графический редактор системы NeoHeatingPro позволяет создавать в одном плане множество не связанных между собой и разных за количеством этажей зданий, что делает возможным расчет суммарной тепловой мощности не только для единичного здания, а и для целого жилого района или комплекса промышленных зданий.
Генератор климатических условий есть второй частью подпрограммы моделирования теплового режима системы NeoHeatingPro. Он предназначен для моделирования годовых изменений наружной температуры, уровня солнечной радиации и температуры грунта для региона расположения ОТ. Для конкретного региона (указанного в настройках проекта) программа генерирует график колебаний средней температуры отдельно для дневной и ночной поры, такой, как показано на рис. 5.
ЛИТЕРАТУРА
1. СНИП ІІ-3-79* «Строительная теплотехника», изменение №4 от 1 марта 1998 г.
2. Род Стивенс. Delphi. Готовые алгоритмы: 2-е изд., стер. – М.: ДМК Пресс; Спб.: Питер, 2004. – 384 с., ил.
3. RETScreen®International. Ground-source Heat Pump Project Analysis: Chapter // RETScreen®Engineering & Cases Textbook. – Ministry of Natural Sources of Canada, 2005. – 70 p.
4. Kavanaugh P.K. and Rafferty K. Ground-source Heat Pumps — Design of Geothermal Systems for Commercial and Institutional Buildings // Publishing of American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA, USA. — 1997. — 223 p.
5. Дональд Херн, М. Паулин Бейкер. Компьютерная графика и стандарт OpenGL, 3-е изд. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. – 1168 с., ил.
6. Eric Granryd. Refrigerating Engineering: Part II // Publishing of Department of Energy Technology, Division of Applied Thermodynamics and Refrigeration, Royal Institute of Technology, Stockholm. — 2005. — р. 17.1-17.38.
В этой статье речь идет о: тепловой режим здания, режима здания по теплу, моделирование теплового ружима, площадь стен, модели теплового ружима здания, модель теплового режима здания, расчет теплового режима, стены здания, система отопления, тепловой режима, моделирование теплового режима здания, модели теплового режима здания, тепловой насос, солнечный коллектор, тепловой насос+солнечный коллектор, гибридная система.
При использовании материалов
этого сайта, ссылка на www.progress21.com.ua
есть обязательной.