Расчет остывания помещений здания в аварийных режимах при переменной температуре наружного воздуха

Введение. Дальнейшее развитие методов расчета теплового режима помещений при аварийных режимах работы систем теплоснабжения является актуальным. Цель исследования — поиск зависимости температуры воздуха
в помещениях здания от времени в начальный период после аварии. В качестве научной гипотезы выдвигается положение о возможности выражения данной зависимости через экспоненциальные функции, использующие в качестве аргумента корень квадратный из времени с момента начала остывания.

Материалы и методы. Используется основное дифференциальное уравнение баланса конвективной теплоты в помещении, включающее наиболее существенные составляющие теплового потока, в предположении линейного характера понижения наружной температуры с течением времени при учете особенностей распространения температурной волны в массивных ограждениях в начальный период времени. Применяется метод Бернулли для линейного дифференциального уравнения первого порядка с помощью представления решения в виде произведения двух функций.

Результаты. Найдено аналитическое выражение для приближенной зависимости изменения температуры в помещении при резком похолодании с продолжением дальнейшего убывания наружной температуры по линейному закону. Дана оценка полученного уточнения этой зависимости по сравнению с решением для случая постоянных наружных параметров на примере одного из помещений в жилом здании для климатических условий Москвы.

Выводы. Проанализирована структура полученного решения, показано, что продолжение внешнего похолодания приводит к ускорению остывания помещения, а решение для рассмотренного автором ранее режима остывания при постоянной температуре наружного воздуха является его частным случаем. Обнаружено, что продолжение наружного похолодания дополнительно приводит к выпрямлению графика внутренней температуры, потому что рост теплопотерь через безынерционные конструкции начинает в некоторой степени компенсировать замедление остывания, связанное с выделением аккумулированной теплоты из массивных ограждений.

1. Рафальская Т.А., Березка А.К., Савенков А.А. Теоретическое исследование теплозащиты ограждающих конструкций зданий при аварийном теплоснабжении // Актуальные вопросы архитектуры и строительства : мат. Х Всерос. науч.-техн. конф. 2017. С. 213–218. EDN ZVXSEN.

2. Mansurov R., Rafalskaya T., Efimov D. Mathematical modeling of thermal technical characteristics of external protections with air layers // E3S Web of Conferences. 2019. Vol. 97. P. 06007. DOI: 10.1051/e3sconf/20199706007

3. Rafalskaya T. Safety of engineering systems of buildings with limited heat supply // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1030. Vol. 1. P. 012049. DOI: 10.1088/1757-899X/1030/1/012049

4. Rafalskaya T.A. Simulation of thermal characteristics of heat supply systems in variable operating // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 138. Issue 1. P. 012140. DOI: 10.1088/1742-6596/1382/1/012140

5. Latif M., Nasir A. Decentralized stochastic control for building energy and comfort management // Journal of Building Engineering. 2019. Vol. 24. P. 100739. DOI: 10.1016/j.jobe.2019.100739

6. Serale G., Fiorentini M., Capozzoli A., Bernardini D., Bemporad A. Model predictive control (MPC) for enhancing building and HVAC system energy efficiency: problem formulation, applications and opportunities // Energies. 2018. Vol. 11. Issue 3. P. 631. DOI: 10.3390/en11030631

7. Ryzhov A., Ouerdane H., Gryazina E., Bischi A., Turitsyn K. Model predictive control of indoor microclimate: existing building stock comfort improvement // Energy Conversion and Management. 2019. Vol. 179. Pp. 219–228. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.10.046

8. Avsyukevich D., Shishkin E., Litvinova N., Mirgorodskiy A. Thermoeconomic model of a building’s thermal protection envelope and heating system // Magazine of Civil Engineering. 2022. № 5 (113). P. 11302. DOI: 10.34910/MCE.113.2. EDN TAVHNO.

9. Rulik S., Wróblewski W., Majkut M., Strozik M., Rusin K. Experimental and numerical analysis of heat transfer within cavity working under highly non-stationary flow conditions // Energy. 2020. Vol. 190. P. 116303. DOI: 10.1016/j.energy.2019.116303

10. Bilous I., Deshko V., Sukhodub I. Parametric analysis of external and internal factors influence on building energy performance using non-linear multivariate regression models // Journal of Building Engineering. 2018. Vol. 20. Pp. 327–336. DOI: 10.1016/j.jobe.2018.07.021

11. Millers R., Korjakins A., Lešinskis A., Borodinecs A. Cooling panel with integrated PCM layer: A verified simulation study // Energies. 2020. Vol. 13. Issue 21. P. 5715. DOI: 10.3390/en13215715

12. Petrichenko M.R, Nemova D.V., Kotov E.V., Tarasova D.S., Sergeev V.V. Ventilated façade integrated with the HVAC system for cold climate // Magazine of Civil Engineering. 2018. No. 1 (77). Pp. 47–58. DOI: 10.18720/MCE.77.5. EDN XPKZNB.

13. Li N., Chen Q. Experimental study on heat transfer characteristics of interior walls under partial-space heating mode in hot summer and cold winter zone in China // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 162. P. 114264. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114264

14. Belussi L., Barozzi B., Bellazzi A., Danza L., Devitofrancesco A., Ghellere M. et al. A review of performance of zero energy buildings and energy efficiency solutions // Journal of Building Engineering. 2019. Vol. 25. P. 100772. DOI: 10.1016/j.jobe.2019.100772

15. Sha H., Xu P., Yang Z., Chen Y., Tang J. Overview of computational intelligence for building energy system design // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 108. Pp. 76–90. DOI: 10.1016/j.rser.2019.03.018

16. Kharchenko V., Ponochovnyi Y., Boyarchuk A., Brezhnev E., Andrashov A. Monte-Carlo simulation and availability assessment of the smart building automation systems considering component failures and attacks on vulnerabilities // Contemporary Complex Systems and Their Dependability. 2019. Pp. 270–280. DOI: 10.1007/978-3-319-91446-6_26

17. Самарин О.Д. Расчет теплового режима помещения при использовании интегральных регуляторов для климатических систем // Известия вузов. Строительство. 2020. № 2 (734). С. 28–35. DOI: 10.32683/0536-1052-2020-734-2-28-35. EDN SSRGOX.

18. Самарин О.Д., Клочко А.К. Численные и приближенные методы в задачах строительной теплофизики и климатологии. М. : МГСУ, 2021. 96 с. EDN VAPFTA.

19. Самарин О.Д. Расчет остывания помещений здания в аварийных режимах для обеспечения надежности их теплоснабжения // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 4. С. 496–501. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.4.496-501

20. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. 3-е изд. СПб. : Изд-во АВОК СЕВЕРО-ЗАПАД, 2006. 400 с.