Моделі та методи комп’ютерного моделювання процесів теплопередачі в пасивних системах опалення

Abstract

У роботі досліджено теоретичні основи процесів теплопередачі: теплопровідності, конвекції, випромінювання, теплоємності. Для кожного з процесів, у ході роботи, створюється математично обґрунтований програмний блок. Із сукупності таких блоків утворюється система, дослідження якої є метою виконання роботи. Житлова будівля, а також, пасивна система опалення в ній, розглядається в роботі як об’єкт моделювання та дослідження з точки зору теплових процесів, що відбуваються всередині. Представлені структурні схеми окремих складових досліджуваної системи, що складаються з блоків, кожен із яких представляє окремий процес теплопередачі. Розглянуто методи дослідження процесів теплопередачі, що активно використовують комп’ютерні системи: метод кінцевих елементів, кінцевих різниць, кінцевих об’ємів, а також, інженерні методи, зокрема, мережу термічних опорів. Проаналізувавши переваги та недоліки всіх методів, вирішено частково інтегрувати переваги числових методів у мережі теплових опорів у новому розробленому методі для розрахунку теплових характеристик будівлі. Продемонстровано створення нового методу для розрахунку теплових та енергетичних характеристик будівлі з пасивною системою опалення. Даний метод є поєднанням числових та інженерних методів розрахунку, що дозволяє йому мати високу швидкість та точність виконання обчислень, а також, отримати можливість дослідження системи на певному, короткому відрізку часу і побачити переваги й недоліки системи при заданих вхідних умовах. Усередині методу показана схема оптимізації параметрів пасивної системи опалення за показниками енергетичних потреб будівлі. Показано реалізацію комп’ютерної моделі за допомогою мови програмування «Python». Пояснено використання та порядок виклику всіх необхідних функцій. Доказано точність створеного методу. Виконане порівняння результатів розрахунку за створеним методом і за методом, представленим у ДСТУ Б А.2.2-12 2015. У результаті, подібність за енергетичною потребою кондиціонування склала, в середньому, 86 відсотків, за енергетичною потребою опалення – 87 відсотків, за загальною енергетичною потребою – 89 відсотків, що дозволяє вважати його ефективність достатньою для використання при розрахунках теплових та енергетичних характеристик будівлі. Продемонстровано результати роботи програми. За результатами оптимізації, товщина скління зовнішнього шару стіни Тромбе обрана максимальною абсолютно для всіх будівель, що означає, що теплова ізоляція важливіша для мінімізації енергетичних потреб, ніж прозорість і максимізація нагріву внутрішньої маси будівлі від сонячного випромінювання. Товщина повітряного прошарку обрана мінімальною для всіх будівель, що пояснюється тим, що менший об’єм повітря існує між стіною та склінням – тим більше він прогріється під дією сонячного випромінювання. Товщина масивної стіни обрана з середини масиву для всіх будівель, крім однієї, що демонструє прагнення системи знайти баланс між витратами на кондиціонування та опалення, адже, чим тонша масивна стіна – тим менша енергетична потреба кондиціонування, чим вона товща – тим менша енергетична потреба опалення. За результатами дослідження, отримано досить високу середню економію енергоресурсів за використання пасивної системи опалення типу стіна Тромбе, більше 1500 кВт×год на рік, в основному, за рахунок зниження енергетичних потреб кондиціонування, більше, ніж на 1000 кВт×год на рік, що відповідає 36 відсоткам. Витрати на опалення, у свою чергу, скорочуються більше, ніж на 450 кВт×год на рік, проте, у відсотковому еквіваленті це значення досягає всього 6 відсотків. Це означає, що в кліматі обраної місцевості, пасивна система опалення типу стіна Тромбе проявляє свою ефективність, в основному, не нагріваючи внутрішню масу будівлі, а попереджаючи перегрів будівлі в теплий період року. The paper examines the theoretical foundations of heat transfer processes: thermal conductivity, convection, radiation, heat capacity. For each of the processes, during the work, a mathematically justified program block is created. A system is formed from the set of such blocks, the study of which is the goal of the work. The residential building, as well as the passive heating system in it, is considered in the work as an object of modeling and research from the point of view of thermal processes occurring inside. Structural diagrams of individual components of the studied system consisting of blocks, each of which represents a separate heat transfer process, are presented. The methods of research of heat transfer processes that are actively used by computer systems are considered: the method of finite elements, finite differences, finite volumes, as well as engineering methods, in particular, a network of thermal resistances. Having analyzed the advantages and disadvantages of all methods, it was decided to partially integrate the advantages of numerical methods in the network of thermal resistances in the newly developed method for calculating the thermal characteristics of the building. The creation of a new method for calculating the thermal and energy characteristics of a building with a passive heating system is demonstrated. This method is a combination of numerical and engineering methods of calculation, which allows it to have high speed and accuracy of calculations, as well as to get the opportunity to study the system in a certain, short period of time and see the advantages and disadvantages of the system under the given input conditions. Inside the method, a scheme for optimizing the parameters of the passive heating system according to the indicators of the energy needs of the building is shown. The implementation of the computer model using the "Python" programming language is shown. The use and order of calling all necessary functions is explained. The accuracy of the created method has been proven. A comparison of the results of the calculation based on the created method and the method presented in DSTU B A.2.2-12 2015 was performed. As a result, the similarity for the energy demand of air conditioning was, on average, 86 percent, for the energy demand for heating - 87 percent, for the total energy demand - 89 percent, which allows us to consider its efficiency sufficient for use in calculating the thermal and energy characteristics of the building. The results of the program are demonstrated. According to the optimization results, the glazing thickness of the outer layer of the Trombe wall is chosen to be the maximum for absolutely all buildings, which means that thermal insulation is more important for minimizing energy needs than transparency and maximizing heating of the building's internal mass from solar radiation. The thickness of the air layer is chosen to be the minimum for all buildings, which is explained by the fact that the smaller volume of air exists between the wall and the glazing - the more it will heat up under the influence of solar radiation. The thickness of the solid wall is chosen from the middle of the massif for all buildings except one, which demonstrates the system's desire to find a balance between air conditioning and heating costs, because the thinner the solid wall, the lower the energy demand for air conditioning, and the thicker it is, the lower the energy demand for heating. According to the results of the study, a rather high average saving of energy resources was obtained for the use of a passive heating system of the Trombe wall type, more than 1500 kWh per year, mainly due to a reduction in the energy needs of air conditioning, more than 1000 kWh per year, which corresponds to 36 percent. Heating costs, in turn, are reduced by more than 450 kWh per year, however, in percentage equivalent, this value reaches only 6 percent. This means that in the climate of the selected area, the passive heating system of the Trombe wall type shows its effectiveness, mainly not by heating the internal mass of the building, but by preventing overheating of the building in the warm period of the year.