ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ КАК ЭНЕРГОПОТРЕБЛЯЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
Горшенин В.П.
Россия, Орел, Государственный Аграрный Университет
В рамках термодинамического анализа уточнены некоторые понятия и определения, связанные с энергетикой зданий и сооружений. Кроме того, данный анализ позволил обосновать термодинамическую модель здания (сооружения)
Within the framework of the thermodynamic analysis some concepts and definitions, connected with power of buildings and structures are specified. Besides, the analysis allows to prove thermodynamic model of a building (structure).
Затраты энергии в зданиях и различных сооружениях связаны с созданием в них требуемого микроклимата.
Микроклимат помещения (сооружения) по нашему определению - это совокупность отдельных состояний его внутренней среды, формирующихся в результате непрерывного воздействия на неё теплоты и вещества. При этом внутренняя среда помещений зданий и сооружений включает в себя внутренний воздух и ограничивающие его поверхности.
Снижение затрат энергии на обеспечение микроклимата в зданиях и сооружениях является весьма актуальной проблемой. Её грамотное решение может быть выполнено лишь на основе всестороннего анализа теплоэнергетического процесса, реализуемого в здании (сооружении). При этом под теплоэнергетическим процессом понимается последовательная цепь взаимообусловленных энергетических превращений, связанных с переносом внутренней энергии (теплоты) от источника в окружающую среду. Отдельные энергетические превращения в зданиях и сооружениях обусловлены обменом внутренней энергией между их элементами и представляют собой отдельные акты обмена теплотой.
Наиболее эффективным подходом к анализу энергетических (тепловых) процессов в зданиях и сооружениях может оказаться термодинамический подход. Результативность данного подхода проявилась, как известно, при изучении теплоэнергетических процессов в различных энергетических и технологических объектах. При этом особенностью термодинамического подхода является то, что в его рамках изучаемый
объект рассматривается с позиций системного анализа.Термодинамический подход к изучению энергетического объекта предусматривает его термодинамический анализ и затем его термодинамический метод исследования. При этом термодинамический анализ здания (сооружения), как энергопотребляющего объекта, позволяет уточнить некоторые понятия и определения, а также теоретически обосновать его концептуальную модель в виде расширенной термодинамической системы.
Как известно, в рамках термодинамического подхода изучаемый объект называется термодинамической системой. Все остальные тела, не входящие в состав термодинамической системы, образуют наружную среду. Состояние, как термодинамической системы, так и отдельных элементов наружной среды характеризуется, соответственно, некоторой совокупностью физических величин, называемых параметрами их состояния.
Термодинамическая система совместно с наружной средой может рассматриваться как расширенная изолированная система.
Применительно к зданию (сооружению) в качестве термодинамической системы следует рассматривать его внутреннюю среду, которая через ограждающие конструкции обменивается с наружной средой теплотой и веществом. Соответственно, наружную среду образуют такие элементы как окружающая среда (атмосфера, поверхность грунта, Солнце), системы отопления (охлаждения), а также технологическое оборудование, люди и животные. При этом внутренняя среда приобретает такое состояние, которое является благоприятным для жизни людей, животных и растений или для реализации технологических процессов.
В рамках термодинамического подхода здание (сооружение), как сложная энергопотребляющая система, представляется в виде некоторой совокупности отдельных элементов, энергетически связанных между собой. К этим элементам относятся источники теплоты, оболочка, внутренняя среда, приёмники теплоты.
Термодинамическая модель здания (сооружения) приведена на рис. 1. Данная модель с учетом окружающей среды представляет здание (сооружение) в виде расширенной термодинамической системы. При этом термодинамическая модель может рассматриваться и как концептуальная модель здания (сооружения), разработанная, соответственно, для холодного и тёплого периодов года.
а) холодный период года
:
б) тёплый период года
:
Рис. 1. Термодинамическая модель здания (сооружения):
Q1 = Q1` + Qi``; QL- теплота, эквивалентная работе, затраченной на охлаждение теплоносителя в системе охлаждения
В холодный период года источниками теплоты в здании (сооружении) являются системы отопления, а также Солнце, люди (животные) и технологическое оборудование (нетрадиционные источники теплоты); приёмником теплоты, отдаваемой внутренней средой, служит окружающая среда.
В тёплый период года теплота в здание (сооружение) поступает от окружающей среды, а также Солнца, людей (животных), технологического оборудования. Отводится теплота от внутренней среды здания в окружающую среду системами охлаждения.
Динамическое равновесие между притоками и стоками теплоты, наблюдающееся в каждый момент времени в термодинамической (энергетической) системе (или в её отдельных элементах), представляет собой, как известно, мгновенный тепловой баланс этой системы (её отдельных элементов). Применительно к зданию
или сооружению тепловой баланс может быть рассмотрен для всего объекта, его внутреннего воздуха и отдельных поверхностей.Соответственно, мгновенный материальный баланс -
это динамическое равновесие между притоками и стоками вещества (влаги, воздуха), наблюдающееся в каждый момент времени в системе или в её отдельных элементах.Совокупность и последовательная смена всех возможных мгновенных значений теплового и материального балансов в здании (сооружении), определяющих во времени состояние его внутренней среды (микроклимат), представляется нами как тепловой, влажностный и воздушный режимы здания (сооружения).
При эксплуатации зданий и сооружений определяющим считается их тепловой режим, т.к. его результатом является тепловое состояние внутренней среды, характеризуемое температурами воздуха и ограничивающих его поверхностей.
Теоретическое обоснование закономерностей формирования теплового режима зданий и сооружений позволяет грамотно подходить к его моделированию, исследованию и оптимизации. При этом основной целью оптимизации данного режима является снижение затрат энергии на обеспечение микроклимата в зданиях и сооружениях.
Горшенин В.П., к.т.н., с.н.с., ОрелГАУ, доцент.
г. Орел, ул. Металлургов, 46, кв. 106.
тел. 3-88-02 (дом)