|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 20 21 22 23 24 25 VII.3. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЯ При проектировании систем, обеспечивающих заданные условия микроклимата, приходится рассматривать несколько вариантов решений и выполнять много расчетов теплового режима помещений. Это наиболее полно и быстро можно сделать с помощью ЭВМ. Для составления программы расчета на ЭВМ в качестве алгоритма может быть использована методика инженерного расчета переменного теплового режима помещения, рассмотренная в данной главе. Однако часто для повышения точности расчета (имея в виду возможности ЭВМ) в качестве алгоритма используют полную физико-математическую постановку задачи нестационарной теплопередачи. В настоящее время составлено несколько таких программ. Ниже рассмотрено построение алгоритма, принятого при составлении программы в МИСИ Е. Г. Малявиной [50], который полностью отвечает периодическому характеру изменения во времени воздействующих на помещение факторов и искомых температур и легко реализуем на ЭВМ. Рассмотрим помещение с многослойными ограждениями и окнами. Часть ограждений омывается наружным воздухом и облучается солнцем, остальные отделяют данное помещение от соседних. Температура помещения - искомая периодическая функция. В любой момент времени она определяется значениями /в и tn. Нестационарная теплопередача в ограждениях описывается системой уравнений и граничными условиями (см. гл. И). Граничным условием на тепловой оси симметрии внутренних ограждений является отсутствие потока тепла. Лучистое тепло проникающей в помещение солнечной радиации считается равномерно распределенным по всем поверхностям ограждений. Теплопередача в частично лучепрозрачных ограждениях (окнах) осложнена некоторым поглощением тепла в их толще. Распределение тепловых источников в сечении стекла подчинено экспоненциальному закону. Небольшая толщина стекла позволяет отнести поглощенное тепло к поверхности и учесть его в записи граничных условий. Уравнение теплового баланса для воздуха имеет вид выражения (1.92). Система уравнений замкнутая, так как число последних достаточно для получения решения и определения всех искомых величин. Для отдельной ступени расчета система уравнений является линейной и содержит время только в виде периодической функции. В связи с этим удобно решение выразить в виде ряда Фурье и ограничиваться при численном интегрировании конечным числом гармоник. Разделяя переменные для каждой заданной гармоники, вместо общей задачи получим ряд независимых частных. Искомые величины есть действительные функции, поэтому множители слагаемых ряда Фурье представлены комплексно сопряженными числами, благодаря чему достаточно решить систему относительно одного сопряженного ряда гармоник. Решение частных задач может быть получено в явном виде. Число постоянных интегрирования в этом решении соответствует числу уравнений граничных условий. Постоянные определяют последовательным исключением неизвестных просчетом от внешней поверхности ограждения к внутренней и обратно - процесс прямой и обратной прогонки. Ее проводят с помощью рекуррентных соотношений между постоянными интегрирования уравнений предшествующего и последующего слоев в ограждении. После проведения прогонки для всех ограждений получают уравнения теплового баланса внутренних поверхностей. Эту систему решают методом Гаусса. Искомые функции общей задачи находят как сумму ряда частных решений. Таким образом может быть поставлена задача о расчете теплового режима помещения при заданном изменении его температуры (при регулируемом кондиционировании) или когда ее изменение является искомой зависимостью, как это имеет место при естественном тепловом режиме помещения. ГЛАВА VIII ГОДОВОЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЯ И ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ СИСТЕМАМИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА При проектировании гражданских и промышленных зданий возникают многие инженерные задачи, для решения которых важно знать режим работы и регулирования систем кондиционирования воздуха в условиях годовой изменяемости процессов тепло- и массообмена между помещением, внешней средой и элементами систем кондиционирования. Для выбора оптимальных конструкций здания и элементов систем должны быть известны наряду с капитальными вложениями эксплуатационные расходы, основной составляющей которых являются затраты на тепло, холод и электроэнергию. При проектировании систем кондиционирования в настоящее время пользуются графическим и численным методом расчета годовых изменений параметров процесса кондиционирования. Ниже предлагается решение вопросов годового режима работы систем кондиционирования с помощью сравнительно простого аналитического метода определения всех составляющих годового теплового режима систем и помещения, разработанного Ю. Я. Кувшиновым в МИСИ [7]. Vm.l. ГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ КЛИМАТА Ход изменения параметров климата за год принято характеризовать распределением их среднемесячных  II ш IV у VI VII VIIIIX X XI хи Месяцы года Рис. VIII. 1. Ход изменения параметров климата для условий Москвы / - температура наружного воздуха; 2 -его энтальпия; 5 - интенсивность суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность значений, полученных по данным многолетних наблюдений. Кривые годовых изменений параметров (рис. VIII.1) имеют плавный характер и приближаются по своему очертанию к правильным гармоническим. Такой характер изменения наружного климата обусловлен постоянно действующими причинами: периодически изменяющимися радиационными факторами и совокупностью местных условий. Все случайные явления, действующие в ту или иную сторону, из процесса осреднения исключаются. Максимальные и минимальные значения интенсивности суммарной солнечной радиации в средних широтах падают на месяцы, на которые приходится максимальное или минимальное значение угла склонения солнца (июнь, декабрь). Однако в условиях облачности и запыленности воздуха, характерных для отдельных географических пунктов, возможно смещение экстремальных периодов в ту или иную сторону. Годовой ход изменения температуры наружного воздуха следует за годовым ходом солнечной радиации с некоторым запаздыванием, что связано с нестационарным характером теплообмена в поверхностном слое земли. Годовой максимум температуры наружного воздуха обычно падает на июль, а минимум - на январь. Годовой ход изменения энтальпии воздуха, а также и скорости ветра связан с температурой наружного воздуха, но часто они не имеют столь правильного характера. Гармонический характер изменения климатических параметров (температуры и энтальпии наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации) позволяет определить их функцией времени года в виде тригонометрического ряда. Достаточная точность при этом достигается простейшей аппроксимацией двумя первыми членами ряда, которой здесь и ограничено рассмотрение: y = yp + AyCosz, (VIII. 1) где 1/г ~ среднегодовое значение параметра; Лу -годовая амплитуда его изменения; z--относительное время годового изменения параметра 1=2я. (V1II.2) где 2=<г'-гмакс - текущее время, сут, от момента достижения параметром максимума; 2 - то же, отсчитанное от 1 января; макс - время достижения параметром максимального значения, отсчитанное от 1 января. 228 Значения величин г/г, Ау, z для различных климатических параметров и географических районов могут быть получены с помопдью обработки данных наблюдений. Таблица VIII.1. Характеристики годового хода изменения параметров климата для Москвы
 XI хи IV V VI VII УШ IX Месяцы года Рис. VIII.2. Обеспеченность среднемесячных температур наружного воздуха в Москве (годовой ход изменения температур различной обеспеченности, выше и ниже указанных) в табл. VIII.1 приведены среднегодовые значения амплитуды изменения и время достижения максимума температуры наружного воздуха /н, его энтальпии /н и интенсивности суммарной солнечной радиации q на горизонтальную и вертикальную поверхности разной ориентации.  I и Ш IV V VI УП УШ IX X ж XII Мвслцы года Рис. VIII.3. Обеспеченность среднемесячных значений интенсивности суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность для условий Москвы (годовой ход изменения интенсивности суммарной солнечной радиации различной обеспеченности выше и ниже указанных) Среднемесячные значения параметров климата, приведенные на рис. VIII.1 и в табл. VIII.1, являются средними из многолетних наблюдений и соответствуют коэффициенту обеспеченности Коб, равному 0,5. В отдельные годы отклонения от средних значений могут быть весьма значительны. Это обстоятельство хорошо иллюстрируется кривыми на рис. VIII.2 и VIII.3, которые по- казывают годовой ход изменения температуры наружного воздуха и интенсивности суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность в условиях Москвы (при различной их обеспеченности). Как видно из рис. VIII.2 и VIII.3, кривые годового изменения параметров 300 250 200 182,5 150 О
 30 и^,кдж/кг Рис. VIII.4. Продолжительность стояния температуры (а) и энтальпии (б) наружного воздуха (по данным многолетних наблюдений) в условиях Москвы / - аппроксимирующая кривая; 2-значения температуры и энтальпии наружного воздуха, соответствующие различной продолжительности их стояния. Цифры показывают среднегодовые значения и экстремальные отклонения температуры и энтальпии наружного воздуха климата при разных Коб также приближаются к гармоническим и могут быть описаны формулой (VIII.1). С помощью этой формулы можно найти аналогично формуле (VI 1.3) продолжительность Аг стояния в году параметров климата выше заданного значения как обратную тригонометрическую функцию этого значения: Аг = - arccos {у - у^) /Ау. (VIII. 3) Однако в ряде случаев возникает необходимость определения продолжительности стояния параметра у, когда его значения выходят за пределы среднемесячных. Так, ряд переходных процессов регулирования систем кондиционирования воздуха помещений протекает в периоды, соответствующие параметрам, близким к максимальным и минимальным. В этом случае приходится отказываться от описания годовой изменяемости с помощью среднемесячных значений и переходить к расшифровке параметров климата в периоды их максимальных и минимальных значений. Изменяемость всей совокупности значений параметра можно определить с помощью статистических функций распределения этих значений в году. На рис. Vni.4 показаны температура и энтальпия воздуха, соответствующие различной продолжительности их стояния в Москве. Образованные кривые распределения параметров климата по форме близки к синусоиде. В пределах, где такая аппроксимация справедлива, синусоида имеет амплитуду, равную 365/2 сут, а четверть ее периода Аг/н равна изменению параметра от среднегодового г/н,г ДО экстремального (максимального) Ауэкст минимального АУн^кст значения. Следует особо обратить внимание, что по закону синуса в данном случае меняется время z по мере изменения параметра Уи с периодом, равным 4Аун' 365 365 2я где Аг/н= (i/н.экст-z/н.г)-четверть периода; i/н.г - среднегодовое значение параметра; f/н.экст -то же, экстремальное (с одним штрихом для максимального и с двумя штрихами для минимальных значений). Обозначив И выразив Аг в ч, получим приблизительную аналитическую функцию продолжительности стояния значений параметра наружного климата выше заданного {ун): Аг = 4.38.103 (-sin-н) , (VIII.6) Для определения продолжительности стояния значений параметров наружного воздуха ниже заданного надо изменить в формуле (VIIL6) знак минус на плюс. Как видно из рис. (VIII.4), кривые, построенные по формуле {VIII.6), в основном хорошо согласуются с фактическими значениями параметров. Область значений, где экспериментальные точки практически совпадают с горизонтальными осями, при Z около нуля, при определении про- Li, и/год 0,7- 5009 6000 --------3000 - 1000 8000  2000 1000 о -0.8 -0.6 0,Ц -0,2 О ОЛ 0, 0,6 0,в 1 -0,3 -0,1 Рис. VI 11.5. Номограмма для определения продолжительности стояния параметра (температура, энтальпия) наружного воздуха выше или ниже заданного значения должительности стояния параметра климата практического приложения не имеет. Следует заметить, что отклонения от среднегодовых значений максимальных и минимальных значений ун.экст могут быть различными, поэтому в уравнении (VIII.5) А(/н следует определять отдельно для значений больших (летняя полугодовая разность Ду) и меньших (зимняя полугодовая разность А^д) среднегодового значения ун.г. При наличии данных о вероятной продолжительности стояния Агразличных значений параметров наружного климата значения Аун могут быть определены по формуле 2 (н-г/н.г) гу 66,5 (VIII. 7) Учитывая логическую связь между годовым ходом изменения среднемесячных значений (VIII. 1) и функцией годового распределения параметра климата (VIII.4), можно рекомендовать приближенную зависимость для определения величин Аун^ АуяЩ^, (VIII. 8) где Лу- амплитуда годового хода изменения среднемесячных значений параметра Уп- Значения Az и Az (в Дг величина Az, ч/год, отнесена к 365-24=8760 ч/год) можно определить с помощью номограммы (рис. VIII.5). Vm.2. ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОМЕЩЕНИЯ В ТЕЧЕНИЕ ГОДА Изменение параметров климата в течение года происходит медленно, поэтому тепловой режим помещений, у которых тепловая инерционность ограждений относительно годовых изменений невелика, в каждый момент времени может рассматриваться как стационарный. В общем виде тепловое состояние помещения в какой-то момент года может быть представлено уравнением его теплового баланса. Принимая во внимание гармонический характер годового изменения факторов, влияющих на теплообмен в помещении, тепловой режим помещения можно представить в виде зависимости Qn = Qn.r + Q cosi, (VIII.9) где Qn.r - среднее значение (в течение года) гармонически изменяющегося теплового состояния помещения (избытка или недостатка тепла); Л - амплитуда годового отклонения теплового состояния помещения от среднего. Для упрощения будем считать, что годовое изменение температуры внутреннего воздуха приближается к гармоническому колебанию. В соответствии с этим tB = tB.r + Aicosz. (VIII. 10) Среднегодовое значение температуры внутреннего воздуха /в.г определяют как среднее между зимним /в.з и летним в.л расчетными значениями, а амплитуда At равна половине их разности. Время наступления максимума температуры внутреннего воздуха совпадает с временем достижения максимума теплопоступлений. 1 ... 20 21 22 23 24 25 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||