Математическое моделирование теплогидравлических режимов работы водяных систем отопления зданий

Современное состояние коммунальной энергетики России находится в сложном положении. Это объясняется рядом объективных и субъективных причин, остро влияющих на жизнеустройство граждан и социальную атмосферу в обществе, без учета которых невозможно благополучие государства.

В принципе, данная проблема может быть разрешена совместными согласованными усилиями энергетиков, коммунальных служб, строителей и, в конечном счете, самих потребителей тепловой энергии.

Прямые проектные задачи систем отопления зданий на настоящее время практически разрешены, но в то же время постоянно совершенствуются ввиду изменяющихся требований к теплозащите зданий, внедрению нового энергоэффективного оборудования и др. При этом под прямыми задачами подразумевается техническая реализация систем, имеющая под собой идеальные проектные условия, например: температура теплоносителя соответствует температурному графику теплоисточника, располагаемый перепад давления на тепловом вводе зданий также строго обеспечен, теплозащитные характеристики зданий находятся в полном соответствии с нормативными показателями.

В реальной действительности, увы, этого зачастую нет. Причем, отклонения от проектных показателей бывают весьма существенными. Все это выводит идеально запроектированные системы теплопотребления в нерасчетные условия эксплуатации, приводящие, в первую очередь, к низкой температуре воздуха внутри отапливаемых помещений в периоды похолоданий, которые бывают весьма длительными.

При этом потребители тепловой энергии вынуждены идти на различные меры, включая несанкционированные: использование дополнительных электрических нагревательных приборов большой мощности, установку новых водяных нагревательных приборов с завышенной поверхностью нагрева, увеличение размеров сопел водоструйных элеваторов, «холостые» сбросы дефицитной сетевой воды в систему водоотведения и др. Все эти действия влекут за собой весьма отрицательные последствия, как в сфере энергетики, так и на бытовом уровне.

На кафедре теплогазоснабжения и вентиляции СФУ проводятся исследования представленной выше проблемы. Для ее решения предложен новый подход, основанный на комплексном анализе всех составляющих системы теплопотребления здания. При этом вся система разбивается на отдельные блоки:

• гидравлический контур индивидуального теплового пункта (ИТП) со всеми элементами, включая схему присоединения к наружной тепловой сети (зависимую или независимую), с учетом насосного или элеваторного смешение, наличия теплообменников и др.;
• система отопления с учетом ее схемного решения и установленных нагревательных приборов, оснащенных современной регулирующей арматурой;
• конструкция самого отапливаемого здания с учетом теплотехнических характеристик всех ограждений, позволяющих рассчитать трансмиссионные и инфильтрационные теплопотери.

Активными входными данными в рассматриваемой задаче являются:

• располагаемый перепад давления на тепловом вводе;
• гидравлические характеристики всех элементов ИТП;
• расчетные гидравлические потери в системе отопления;
• температура подающего теплоносителя на тепловом вводе;
• атмосферные характеристики наружного воздуха на период прогноза.

Выходными параметрами здесь выступают:

• фактический расход теплоносителя в системе отопления;
• температура обратного теплоносителя после системы;
• осредненная температура воздуха в здании;
• расход инфильтрующегося воздуха, поступающего в здание;
• фактические теплопотери помещений.

Поиск всех неизвестных параметров осуществляется из условия минимизации функционала, представляющего собой теплогидравлический баланс рассматриваемой системы.

Все вышеперечисленные составляющие функционала описываются достаточно сложными зависимостями, в которых присутствуют входные и выходные параметры теплового и гидравлического свойства. Поставленная задача нелинейного программирования решалась численным методом нулевого порядка Хука-Дживса.

Разработанные алгоритм и компьютерная программа позволяют моделировать различные нерасчетные ситуации и находить оптимальные решения для обеспечения комфортных условий в отапливаемых помещениях. Так, например, при низких показателях режимных параметров сетевой воды на тепловом вводе (температуры подачи и располагаемого напора) возможно несколько вариантов модернизации системы: перевод на независимое присоединение через теплообменник, использование смесительно-повысительных насосов вместо элеватора, изменение схемного решения системы отопления с установкой новых типов нагревательных приборов, усиление теплозащиты (ограждающих конструкций или оконных заполнений) здания, либо какая то их комбинация. При этом становится возможным детально оценить техническую и финансовую стороны реконструкции.

Все сказанное выше преследует цель — оценить возможность реконструкции тепловой защиты и отопительной системы здания в целом, осредняя по всем помещениям температуру внутреннего воздуха и инфильтрующийся воздушный поток. В то же время имеет место насущная проблема решения подобной задачи для индивидуального помещения (особенно жилого) здания. Так, здесь меняется цель анализа — оценка теплового режима индивидуального помещения при существующем состоянии системы отопления и теплозащитных качествах наружных ограждений. Решение поставленной задачи исключает влияние ИТП здания, а исходными данными здесь выступают: расход и температура теплоносителя на входе в этажестояк системы отопления комнаты, характеристики и схема обвязки установленного в ней нагревательного прибора, теплофи- зические характеристики ограждений, учитывая инфильтрационные свойства оконного заполнения и технические показатели конструкции форточного проветривания.

Математическая модель рассматриваемой задачи также представлена в виде функционала, включающего в себя теплогидравлический баланс отопительной системы комнаты и аэродинамический баланс приточно-вытяжной системы естественной вентиляции. Процедура решения данной задачи аналогична изложенной выше, для нее также разработаны алгоритм и компьютерная программа расчета. Программа позволяет не только подобрать оптимальный вариант нового нагревательного прибора, но и оценить влияние его установки на температуру теплоносителя, входящего в смежное помещение этажестояка. Еще одной особенностью данной программы является возможность моделирования процесса инфильтрации наружного воздуха и его влияния на температурный режим помещения.

Дата публикации: 26.02.2012

Похожие записи:

• Эксергетическии анализ систем комбинированного теплоснабжения с термотрансформаторами на низкокипящих веществах и новыми циклами
• Анализ эффективности инвестирования в теплоснабжение с учетом интересов участников инвестиционного процесса
• Анализ влияния отклонений параметров на перерасход топлива при работе теплофикационных энергоблоков
• Численныи анализ сопряженной задачи конвективного тепломассопереноса в замкнутом объеме
• Математическое моделирование четырехвихревой схемы сжигания в пылеугольном котле бкз 320 (270)-140 красноярской тэц-1
• Математическое моделирование процессов в топочных камерах пылеугольных котлов