Диссертация (Выбор теплозащиты офисных зданий с учетом энергетических и экономических показателей систем климатизации)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙУНИВЕРСИТЕТ»На правах рукописиФРОЛОВА Анастасия АнатольевнаВЫБОР ТЕПЛОЗАЩИТЫ ОФИСНЫХ ЗДАНИЙС УЧЕТОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙСИСТЕМ КЛИМАТИЗАЦИИ05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха,газоснабжение и освещениеДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:профессор, кандидат технических наукМАЛЯВИНА Елена ГеоргиевнаМосква -20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................

5ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКЕ НА СИСТЕМЫПОДДЕРЖАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ОФИСНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ..................... 111.1. Теплопоступления в офисных помещениях и способы поддержания в нихтеплового микроклимата .............................................................................................. 111.2. Климатические характеристики для расчета годового нестационарноготеплового режима .......................................................................................................... 141.3.

Методы расчета теплового нестационарного режима помещения ................... 161.3.1. Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности ............. 161.3.2. Метод теории теплопроводности ...................................................................... 161.3.3. Метод респонс-фактора ......................................................................................

161.3.4. Метод конечных разностей………… ………………………………………..161.4. Методы экономического сравнения вариантов теплозащиты здания .............. 221.4.1. Метод минимума приведенных затрат ............................................................. 221.4.2. Метод совокупных дисконтированных затрат (СДЗ)...................................... 241.5 Выводы по главе 1 ...................................................................................................

25ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ТЕПЛОВОМРЕЖИМЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ЕЕ РЕШЕНИЕ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХРАЗНОСТЕЙ .................................................................................................................. 262.1 Постановка задачи................................................................................................... 262.2 Математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции.

.... 272.3 Решение задачи теплопередачи через непрозрачное массивное ограждение... 312.3.1 Представление задачи в виде системы конечно-разностных алгебраическихуравнений ....................................................................................................................... 312.3.2 Прямая прогонка ……………………………………………………………….3232.3.3 Решение системы уравнений граничных условий на внутренней поверхностиограждающих конструкций. Обратная прогонка ....................................................... 332.4 Модернизация математической модели и программы ........................................

34ГЛАВА 3. ПРОВЕРКА КОРРЕКТНОСТИ МЕТОДА РАСЧЕТА ЗАТРАТТЕПЛОТЫ И ХОЛОДА НА ПОДДЕРЖАНИЕ МИКРОКЛИМАТАПОМЕЩЕНИЯ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ............................................................ 363.1 Описание объекта исследования ........................................................................... 363.2 Методика проведения натурного эксперимента .................................................. 413.3 Результаты замеров расходов теплоты и холода .................................................

503.4 Сравнение натурных и расчетных результатов ................................................... 533.5 Выводы по главе 3 ................................................................................................... 55ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ГОДОВОГО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ОФИСНЫМИЗДАНИЯМИ НА ОСНОВЕ МНОГОВАРИАНТНЫХ РАСЧЕТОВНЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОМЕЩЕНИЙ ........................ 564.1 Объект исследования и принятые варианты расчета .......................................... 564.2 Режимы поддержания заданных условий в помещениях .................... 594.3 Нагрузки на системы отопления и охлажд ения помещений .............. 604.4 Изменение температуры помещения в течение суток при различнойтемпературе наружного воздуха .........................................................................

644.5 Изменение суточного тепло - холодопотребления системамиотопления и охлаждения в течение года .......................................................... 684.6 Анализ годового энергопотребления на отопление и охлаждение зданий ....... 714.7 Выводы по главе 4 ...................................................................................................

76ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УРОВНЯ ТЕПЛОЗАЩИТЫОФИСНОГО ЗДАНИЯ С УЧЕТОМ ГОДОВОГО ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯСИСТЕМАМИ ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕПЛОВОГО МИКРОКЛИМАТА ВПОМЕЩЕНИЯХ…………………………………………………………………..….7745.1 Определение цены систем отопления и стоимости потребленнойэлектроэнергии циркуляционным насосом ................................................................ 785.2 Определение цены машинного и свободного охлаждения .................................

865.2.1 Выбор способа свободного охлаждения здания ............................................... 865.2.2 Энергетически целесообразная температура перехода от свободного намашинное охлаждение ..................................................................................................

885.2.3 Экономически целесообразная температура перехода от свободногоохлаждения на машинное. Цена оборудования и цена холода…………………..…975.3 Расчет совокупных дисконтируемых затрат (СДЗ) на поддержаниемикроклимата в помещениях здания ........................................................................ 1025.3.1 Капитальные затраты .........................................................................................

1025.3.2 Эксплуатационные затраты ............................................................................... 1045.4 Разработка рекомендаций по выбору теплозащиты с учетом экономическихфакторов поддержания микроклимата в офисных зданиях .................................... 1055.4.1Выявление влияния отдельных составляющих СДЗ на выгодностьопределенного варианта утепления здания ............................................................. 1055.4.2 Выявление полей сочетаний различных факторов, приводящих к выгодеопределенных вариантов утепления ........................................................................ 1105.4.3 Обобщение многовариантных результатов расчетов СДЗ ............................ 1125.5 Выводы по главе 5.................................................................................................

116ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 118СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 121ПРИЛОЖЕНИЯ ...........................................................................................................

1345ВВЕДЕНИЕАктуальность темы исследования. Энергосбережение в зданиях во всеммире считается проблемой государственного масштаба. В условиях дефицита ипостоянного увеличения цен на энергоносители задаче повышения эффективности использования энергетических ресурсов придается приоритетное значение.Рост цен на тепловую энергию, в последние годы происходящий наиболеебыстро, делает весьма актуальной задачу по определению экономически целесообразной толщины утеплителя в наружных ограждающих конструкциях здания[15, 16, 17].Эта задача важна потому, что от сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зависит количество потребленной на отопление и охлаждениездания энергии.

Задача неоднозначна, так как при усилении теплозащиты сокращается потребность в теплоте на отопление и возрастает потребность помещенийс теплоизбытками в холоде . Отопительный сезон в г. Москве, для которой решается задача, значительно длиннее охладительного, но на единицу выработанногохолода требуется значительно больше первичной энергии, чем на выработку единицы теплоты.Интерес к задаче выбора толщины утеплителя в ограждающих конструкциях зданий подогревается еще и тем, что часть специалистов считает необходимымусиление теплозащиты зданий [26, 52, 53], а другие специалисты настаивают наэкономическом обосновании выбора теплозащиты для конкретных групп зданий[1, 2, 19, 21, 29, 37, 40, 41, 71, 72, 76-78, 96, 103].В этой связи актуальным следует считать вопрос потребления энергии наотопление и охлаждение зданий офисного типа, в которых в течение рабочего дняпостоянны значительные технологические теплопоступления.Степень разработанности темы диссертации.

Исследования в областирасчета нестационарного теплового режима здания проводили многие российскиеученые. В последние годы эта задача решается методом конечных разностей понеявной схеме с помощью программ расчета на ПК. Авторами таких программ6являются Ю.А. Табунщиков [89, 91], Е.Г. Малявина [56], О.Д. Самарин [81, 82] идр. Вопросам выбора сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций в разные годы посвящены работы А.И. Ананьева [1, 2], Авдеева Г.К.,В.С.

Беляева [4], В.Г. Гагарина [14, 19-25], В.В. Козлова [18, 19, 21, 22, 38], Ю.Я.Кувшинова [48, 49, 50], В.Н. Куприянова [32-36], Е.Г. Малявиной [48, 49, 56-58,60, 63], Ю.А. Табунщикова [88-92], Ф.В.Ушкова [101], К.Ф.Фокина [97] и др. Однако применительно к административным зданиям системно с учетом тепловыделений и большого круга влияющих на процесс факторов эта задача не решалась.Цель и задачи. Цель диссертации – выявление энергетически и экономически целесообразного уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкцийофисных зданий на основе многовариантных расчетов суточного нестационарного теплового режима для определения потребности в теплоте и холоде при круглогодичном поддержании допустимого температурного режима.Задачи диссертации:- модернизировать программу расчета на ПК суточного нестационарноготеплового режима офисного помещения с теплоизбытками;- провести натурный эксперимент для проверки адекватности принятых математической модели и программы для ПК;- выполнить многовариантные расчеты суточного нестационарного теплового режима различно расположенных помещений в зданиях с различной теплозащитой и конфигурацией при различной температуре наружного воздуха, на основе которых определить годовое энергопотребление системами отопления иохлаждения;- путем энергетических и экономических расчетов найти цену 1 кВт.ч холода, а также стоимость оборудования охлаждения здания, системы отопления в зависимости от мощности соответствующей системы;- выявить наиболее значимые факторы, сочетания которых соответствуютопределенным экономически целесообразным сопротивлениям теплопередаченаружных ограждений.7Научная новизна работы заключается в следующем:1.