Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
Чита: ДГУПС, 2001. — 329 с.
05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения
05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение. В основе всех существующих методов расчета тепловых процессов в зданиях лежат хорошо известные физические законы тепло-массообмена. Однако применение этих законов для расчета тепловых процессов в зданиях сталкивается с трудностями, носящими порой принципиальный характер. Здание является сложной геометрической и физической системой, в которой протекает одновременно множество процессов. При этом, с одной стороны, значительная часть исходных данных, необходимых для расчетов, с трудом поддается определению и в процессе эксплуатации здания подвержена изменениям, носящим мало предсказуемый характер. С другой стороны, приложения законов конвективного и лучистого теплопереноса встречаются с трудностями вычислительного характера (например, отсутствие общих решений задач аэродинамики, недостаточное быстродействие применяемой в расчетах вычислительной техники). Особые проблемы возникают, когда требуется применить в инженерной практике динамические методы расчета, по причине сложности последних. Основной целью работы является разработка научных основ расчета управляемых тепло-воздухообменных процессов в зданиях как единых энергетических системах, обеспечивающих решение важной народно-хозяйственной и социальной проблемы энергоресурсосбережения с учетом региональных условий строительства. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - разработка математической модели физико-климатических воздействий на здание; - разработка математической модели теплообмена на наружных поверхностях зданий; - разработка математической модели теплообмена на поверхностях элементов конструкций, обращенных внутрь здания; - разработка математической модели теплообмена в вертикальных воздушных прослойках; - разработка математической модели теплообмена в тонких теплопроводящих элементах зданий (стекла окон, дверные полотна, покрытия крыш и т.д.); - разработка математической модели нестационарных тепло- воздухообменных процессов в сплошных элементах зданий (стенах, перекрытиях, перегородках); - разработка математической модели нестационарных тепло- массообменных процессов в помещениях; - создание программно - вычислительного комплекса для решения прикладных задач расчета и управления тепло - воздухообменными процессами в зданиях; - установление на основе теоретических и экспериментальных исследований расчетных соотношений и параметров теплообменных процессов вблизи поверхностей ограждений при смешанной конвекции; - проведение сравнений расчетных теплотехнических параметров зданий с фактическими на основе натурных теплотехнических исследований и анализа систематических замеров теплозатрат зданий; - апробация методики проведения расчетов нестационарных тепловых и воздухообменных процессов в зданиях и разработка комплекса мероприятий по повышению энергоэффективности гражданских зданий применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья. Актуальность работы. Новые принципы нормирования теплозащиты по удельному энергопотреблению, приходящемуся на единицу отапливаемой площади или объема здания, требуют проведения расчетов тепловых и массообменных процессов с учетом множества различных факторов и позволяют проектировщикам использовать незадействованные резервы экономии тепла во вновь строящихся и реконструируемых зданиях. В то же время, современные программно-вычислительные средства, реализующие математические модели и рассчитывающие поведение сложных динамических объектов, позволяют автоматизировать управление тепловыми процессами в проектируемых и эксплуатируемых зданиях и существенно уменьшить потребление тепловой энергии при минимальных капитальных затратах. Оптимизация тепловых процессов в эксплуатируемых зданиях может стать основным резервом энергосбережения в регионах Восточной Сибири и Забайкалья, для которых характерны значительные резервы увеличения вклада солнечного излучения в тепловые балансы зданий и низкие темпы строительства нового жилья. Объектом исследования являются здания (включая системы поддержания микроклимата), как единые нестационарные, открытые теплофизические и энергетические системы. Научная новизна работы заключается в следующем: - обобщенная математическая модель нестационарных тепловоздухообменных процессов в зданиях; - новый метод расчета нестационарных тепло-воздухообменных процессов в зданиях за счет организации взаимодействий между объектами - математическими моделями элементов здания; - схема взаимодействий между объектами, включающая все основные тепловые и воздухообменные процессы в зданиях; - принципы осуществления выработки управляющих сигналов в системах поддержания микроклимата помещений в нестационарных тепломассообменных условиях; - экспериментально-аналитические зависимости изменения коэффициентов теплообмена на вертикальных поверхностях при смешанной конвекции; - исследования характера формирования пристенных пограничных слоев воздуха и конвективных потоков в ядре воздушной прослойки при свободно-вынужденной конвекции; - закономерности тепло-массообмена в воздушных прослойках и около вертикальных поверхностей при совместном действии лучистой и конвективной составляющей теплопередачи в условиях различно направленной фильтрации воздуха.
05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения
05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение. В основе всех существующих методов расчета тепловых процессов в зданиях лежат хорошо известные физические законы тепло-массообмена. Однако применение этих законов для расчета тепловых процессов в зданиях сталкивается с трудностями, носящими порой принципиальный характер. Здание является сложной геометрической и физической системой, в которой протекает одновременно множество процессов. При этом, с одной стороны, значительная часть исходных данных, необходимых для расчетов, с трудом поддается определению и в процессе эксплуатации здания подвержена изменениям, носящим мало предсказуемый характер. С другой стороны, приложения законов конвективного и лучистого теплопереноса встречаются с трудностями вычислительного характера (например, отсутствие общих решений задач аэродинамики, недостаточное быстродействие применяемой в расчетах вычислительной техники). Особые проблемы возникают, когда требуется применить в инженерной практике динамические методы расчета, по причине сложности последних. Основной целью работы является разработка научных основ расчета управляемых тепло-воздухообменных процессов в зданиях как единых энергетических системах, обеспечивающих решение важной народно-хозяйственной и социальной проблемы энергоресурсосбережения с учетом региональных условий строительства. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: - разработка математической модели физико-климатических воздействий на здание; - разработка математической модели теплообмена на наружных поверхностях зданий; - разработка математической модели теплообмена на поверхностях элементов конструкций, обращенных внутрь здания; - разработка математической модели теплообмена в вертикальных воздушных прослойках; - разработка математической модели теплообмена в тонких теплопроводящих элементах зданий (стекла окон, дверные полотна, покрытия крыш и т.д.); - разработка математической модели нестационарных тепло- воздухообменных процессов в сплошных элементах зданий (стенах, перекрытиях, перегородках); - разработка математической модели нестационарных тепло- массообменных процессов в помещениях; - создание программно - вычислительного комплекса для решения прикладных задач расчета и управления тепло - воздухообменными процессами в зданиях; - установление на основе теоретических и экспериментальных исследований расчетных соотношений и параметров теплообменных процессов вблизи поверхностей ограждений при смешанной конвекции; - проведение сравнений расчетных теплотехнических параметров зданий с фактическими на основе натурных теплотехнических исследований и анализа систематических замеров теплозатрат зданий; - апробация методики проведения расчетов нестационарных тепловых и воздухообменных процессов в зданиях и разработка комплекса мероприятий по повышению энергоэффективности гражданских зданий применительно к условиям Восточной Сибири и Забайкалья. Актуальность работы. Новые принципы нормирования теплозащиты по удельному энергопотреблению, приходящемуся на единицу отапливаемой площади или объема здания, требуют проведения расчетов тепловых и массообменных процессов с учетом множества различных факторов и позволяют проектировщикам использовать незадействованные резервы экономии тепла во вновь строящихся и реконструируемых зданиях. В то же время, современные программно-вычислительные средства, реализующие математические модели и рассчитывающие поведение сложных динамических объектов, позволяют автоматизировать управление тепловыми процессами в проектируемых и эксплуатируемых зданиях и существенно уменьшить потребление тепловой энергии при минимальных капитальных затратах. Оптимизация тепловых процессов в эксплуатируемых зданиях может стать основным резервом энергосбережения в регионах Восточной Сибири и Забайкалья, для которых характерны значительные резервы увеличения вклада солнечного излучения в тепловые балансы зданий и низкие темпы строительства нового жилья. Объектом исследования являются здания (включая системы поддержания микроклимата), как единые нестационарные, открытые теплофизические и энергетические системы. Научная новизна работы заключается в следующем: - обобщенная математическая модель нестационарных тепловоздухообменных процессов в зданиях; - новый метод расчета нестационарных тепло-воздухообменных процессов в зданиях за счет организации взаимодействий между объектами - математическими моделями элементов здания; - схема взаимодействий между объектами, включающая все основные тепловые и воздухообменные процессы в зданиях; - принципы осуществления выработки управляющих сигналов в системах поддержания микроклимата помещений в нестационарных тепломассообменных условиях; - экспериментально-аналитические зависимости изменения коэффициентов теплообмена на вертикальных поверхностях при смешанной конвекции; - исследования характера формирования пристенных пограничных слоев воздуха и конвективных потоков в ядре воздушной прослойки при свободно-вынужденной конвекции; - закономерности тепло-массообмена в воздушных прослойках и около вертикальных поверхностей при совместном действии лучистой и конвективной составляющей теплопередачи в условиях различно направленной фильтрации воздуха.