Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий

ПРЕДИСЛОВИЕ

ФОРМА ЗАКАЗА

СОДЕРЖАНИЕ

 

Проблема принятия решения при проектировании системы климатизации и теплозащиты здания, то есть выбор одной из возможных альтернатив, является сложной ввиду многообразия факторов, влияющих на этот выбор. Каждый вариант решения обладает какими-то преимуществами и какими-то недостатками, причем в силу многообразия факторов не сразу ясно, какой из вариантов лучше (предпочтительнее) других и почему.

Как правило, у специалистов возникают сомнения в том, что принятое решение является наилучшим. В этом случае возникает необходимость в наличии научного метода, позволяющего вести поиск "наилучшего решения".

Чем сложнее, дороже и масштабнее проектируемый объект, тем большую опасность представляют "волевые" решения и тем важнее становятся научные методы, позволяющие заранее оценить последствия каждого решения, заранее отбросить недопустимые варианты и рекомендовать наиболее удачные. Слишком опасно в таких случаях опираться на свою интуицию, на "опыт и здравый смысл" и даже на наиболее распространенный в наше время метод поиска наилучшего решения, так называемый "метод проб и ошибок". В наше время техника и технология меняются настолько быстро, что "опыт" просто не успевает накапливаться, а "здравый смысл" легко может обмануть, если не опирается на научный метод поиска наилучшего решения.

В современной науке методом поиска наилучшего решения является "системный анализ" - это дисциплина, занимающаяся проблемами принятия решения в условиях, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы /1,2/. Истоки системного анализа, его методических концепций лежат в тех дисциплинах, которые занимаются проблемами принятия решений - теории исследования операций и общей теории управления /3/.

Таким образом, в нашем случае системный анализ - это совокупность методов и принципов выбора технических параметров системы климатизации и теплозащиты здания, наилучшим образом отвечающих достижению цели, ради которой создается эта система. Методология системного анализа (методология "принятия решения") включает в себя следующие три этапа:

1. Системный подход к объекту как к части другой более обширной системы, установление связей между его элементами и описание этих связей на языке математики, то есть построение математической модели изучаемого явления или объекта.
2. Анализ ограничений и формулировка целевой функции. На этом этапе задача принятия решения трактуется как некоторая оптимизационная задача. Оптимальными здесь называют решения, которые по тем или иным признакам предпочтительнее других.
3. Решение полученной оптимизационной задачи.

Иногда (относительно редко) в результате решения удается указать одно единственное строго оптимальное решение, гораздо чаще - выделить области практически равноценных "наилучших решений", в пределах которых может быть сделан окончательный выбор.
Заметим, что "принятие решения" выходит за рамки исследований и относится к компетенции ответственного лица, чаще - группы лиц, которым дано право окончательного выбора и которые при выборе учитывают также другие обстоятельства и факторы.

Хотя системный подход уже проявил свои большие возможности, его нельзя рассматривать как совокупность строго установленных правил, применение которых позволяет автоматически получить решение сложной задачи.

Анализ каждой сложной системы - это уникальная проблема, требующая не только разносторонней культуры, но и изобретательности и таланта - это творческий процесс. Любое руководство - это всего лишь помощник.

 

В первой главе изложены принципы системного анализа здания как единой тепло-энергетической системы. Авторы предлагают методику построения математической модели здания, основанную на его декомпозиции тремя основными теплоэнергетически взаимосвязанными подсистемами: энергетическим воздействием наружного климата на оболочку здания; энергией, содержащейся в оболочке здания; энергией, содержащейся внутри объема здания. Математическая модель энергетического воздействия наружного климата на оболочку здания представлена в главе 5, параграф 5.3. Энергия, содержащаяся в оболочке здания, представлена в главе обобщенными уравнениями теплопередачи для наружных ограждений и для заполнений световых проемов. Уравнения теплового баланса энергии, содержащейся внутри объема здания, учитывают длинноволновую и коротковолновую радиацию в помещении, конвективный теплообмен, внутренние источники и теплоаккумуляционные характеристики оборудования. Расчет потерь тепла за счет фильтрации воздуха через ограждающие конструкции учитывает аэродинамические коэффициенты здания и изменение температуры и давления воздуха по высоте помещения.
Тепловой режим помещения, математические модели элементов которого рассмотрены, представляет собой элемент системы более высокого порядка - теплового режима здания. Связями между этими элементами является теплообмен между помещениями, происходящими, главным образом, за счет воздухообмена и теплопередачи через внутренние ограждения.

 

Во второй главе описаны методы реализации математической модели помещения и здания как единой теплоэнергетической системы. Предлагаемые модели имеют наглядную расчетную схему, обеспечивают необходимую надежность и точность результатов расчета, позволяют достаточно просто корректировать расчетные формулы при творческом развитии математических моделей и необходимости учета дополнительных факторов.

 

В третьей главе изложены примеры применения математического моделирования для исследования теплового режима помещений в теплый период года, получены аналитические зависимости для определения области оптимальных показателей тепло- и солнцезащиты помещения. Показано влияние теплозащитных характеристик материалов конструкций на снижение расхода энергии при кондиционировании воздуха помещений и на улучшение показателей комфортности теплового режима.

 

В четвертой главе изложены примеры применения математического моделирования для исследования теплового режима помещений в холодный период года. Дана сравнительная оценка конвективной и лучистой систем отопления по величине энергозатрат на создание одинакового теплового режима.

 

В пятой главе предложены принципы проектирования энергоэффективных зданий, которые основаны на применении оптимизационных математических методов системного анализа.

Мировой энергетический кризис 70-х годов привел, в частности, к появлению нового научно-экспериментального направления в строительстве, связанного с понятием "здание с эффективным использованием энергии". Первое такое здание было построено в 1974 году в г. Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США). Цель строительства этого здания, как впрочем и всех последовавших за ним в рамках нового направления, заключалась в выявлении суммарного эффекта энергосбережения от использования архитектурных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов. Широкое распространение в мировой практике проектирования систем климатизации зданий получила программа DOE-2, разработанная в лаборатории Беркли, Калифорния, США. Программа определяет почасовой расход энергии зданием, делает оценку здания в энергетическом отношении с учетом часовых показателей погоды (температура, скорость и направление ветра, солнечная радиация), системы климатизации, других факторов. Используя DOE-2 проектировщик определяет параметры здания, которые повышают теплоэнергетическую эффективность при сохранении теплового комфорта в помещениях.

В последние годы значительно увеличился объем строительства зданий различного технологического назначения с эффективным использованием энергии. С точки зрения современной науки задача проектирования энергоэффективных зданий относится к так называемым задачам "системного анализа" или задачам "исследования операций", поиск решения которых связан с выбором альтернативы и требует анализа сложной информации различной физической природы. Цель методов системного анализа или исследования операций - предварительное количественное обоснование оптимальных решений. Оптимальными здесь называются решения, которые по тем или иным признакам предпочтительнее всех других.

Занимаясь длительное время проблемой создания научных основ проектирования энергоэффективных зданий, авторы стремились ответить на следующие вопросы:

1. Энергоэффективные здания: нужны ли архитектору и инженеру специальные знания для их проектирования?
2. Что такое "энергоэффективное здание": система энергетически независимых инновационных решений или системный подход к зданию как единой энергетической системе и энергетически взаимосвязанные инновационные решения?
3. Как измерить успех (мастерство) архитектора и инженера при проектировании энергоэффективного здания?
4. Могут ли принципы проектирования энергоэффективного здания явиться новым подходом к проектированию любых зданий?
5. Почему до настоящего времени энергоэффективные здания не стали новым архитектурным стилем?

Материалы международной конференции CLIMA 2000, Неаполь, сентября 2001 года показывают, что в настоящее время энергоэффективные здания рассматриваются как совокупность энергетически независимых инновационных решений. Архитекторы поняли красоту, возможности и выразительность камня, дерева, стекла и построили много замечательных зданий с их применением. Энергоэффективные здания остаются для архитекторов набором сложных технических решений, которыми, как они считают, владеют только инженеры. Для инженеров проектирование энергоэффективных зданий не стало новой научной дисциплиной, опирающейся на систему строгих правил. В то же время очевидным для архитекторов и инженеров является тезис: принципы проектирования энергоэффективных зданий должны быть принципами проектирования любых зданий. По существу эти принципы содержатся в материале главы. Авторы также надеются, что материал главы дает ответы на первые четыре вопроса.

 

В шестой главе изложены методологические основы построения математической модели управления системой для управления тепловым режимом интеллектуального здания. Учитывая, что до настоящего времени отсутствует строгое определение понятия "интеллектуальное здание", авторы сочли целесообразным привести различные бытующие определения. Математическая модель может быть использована в любых системах управления и обеспечивает высокий эффект энергосбережения, что демонстрирует специальный пример, изложенный в главе.

Материал книги рассчитан на читателя, знакомого с современной прикладной математикой, и в любом случае применяемый в книге математический аппарат не выходит за пределы обычного втузовского курса математики. Что касается идейных, методологических моментов, то их понимание требует от читателя внимания и известного напряжения мысли.

Среди многих трудностей, которые авторы встретили, особое место занимает проблема терминологии. В нашей специальности есть много понятий, например, микроклимат помещений, тепловая эффективность здания, система климатизации, система кондиционирования воздуха и ряд других, которые не имеют достаточно строгих определений, но которые правильно понимаются и различаются специалистами. Книга рассчитана на специалистов, которых многочисленные оговорки, делаемые в угоду "безукоризненной строгости", могли бы только отвлекать от существа дела.

И еще: список литературных ссылок максимально ограничен. По оценке авторов удовлетворительный список содержал бы более двухсот наименований. Думаем, что для "введения в предмет" список литературных ссылок, представленный в книге, является достаточным.

Читателям, которые захотят развивать материал, изложенный в книге, авторы хотят дать следующий совет:

1. Для изучения сложных систем, к которым относится здание как единая энергетическая система, принципиально необходимо построение множества моделей и научно неправомерно пытаться искать какую-то одну всеобъемлющую. Например, в физике существует несколько квантовых теорий, объясняющих одни и те же явления, исходя из разных принципов и позиций.
2. Построение сложных моделей не должно быть самоцелью: решение, полученное с помощью приближенной модели, дает результаты несколько "размытые" по сравнению с результатами решений на основе сложных моделей, но при этом сохраняется "правильность" самих результатов.

Авторы считают принципиально важным отметить: теория теплового режима здания в ее сегодняшнем виде была создана трудами замечательных специалистов О.Е. Власова, В.Д. Мачинского, Г.А. Селиверстова, С.И. Муромова, Л.А. Семенова, А.М. Шкловера, К.Ф. Фокина, В.Н. Богословского, В.В. Константиновой, М.Я. Поза и многих, многих других, принесших нашей стране мировую известность и во многих направлениях закрепивших приоритет нашей специальности. Изучение работ этих специалистов всегда вызывает чувство глубокого восхищения их талантами ученых и исследователей, и часто - самоотверженностью в отстаивании своих принципиальных теорий и положений. И в науке, и в жизни авторы стремились быть достойными последователями своих учителей, памяти которых посвящается эта книга.

 

В заключение:

Чрезвычайно важно - может быть, это самая главная идея для строительства XXI века - природа - не пассивный фон нашей деятельности: при правильном подходе может быть создана новая природная среда, обладающая более высокими комфортными показателями для градостроительства и являющаяся в то же время энергетическим источником для климатизации зданий.

Логика развития современной архитектуры во многом есть результат стремления к гармонии окружающей здание природной среды и микроклимата в помещениях.

Sustainable Building (жизнеудерживающее здание), Energy-Efficient Building (энергоэффективное здание), Intelligent Building (интеллектуальное здание), Bioclimatic Architecture (биоклиматическая архитектура), Healthy Building (здоровое здание) - это отдельные направления в современной архитектуре и инженерии зданий, связанные с экономией энергетических ресурсов, защитой интересов последующих поколений и повышением качества среды обитания человека. Каждое из этих направлений содержит ряд серьезных незаконченностей и неопределенностей и требует долгой и масштабной корпоративной работы всех заинтересованных специалистов. В то же время изучения отдельных направлений недостаточно, чтобы понять принципы гармонии человека, здания и природы. "Исходным пунктом для понимания этого является некоторое интуитивное представление, интуитивная убежденность в существовании законов, единых для всей живой и неживой, "разумной" и "неразумной" материи, одухотворенности, осмысленности природы - представление, столь характерное для русской интеллектуальной традиции" (Н.Н. Моисеев).

 

 

Вы можете заказать книгу в нашем интернет-магазине в разделе "Книги" Интернет-магазин