Теплотехнические расчеты и их визуализация

Сообщение, сделанное на III международном семинаре “Автоматизированные технологии архитектурного и градостроительного проектирования” доктором физико-математических наук, профессором Александром Чичко (кафедра “Компьютерные системы и технологии” БНТУ) и заведующим отделом тепло- и массообменных процессов в инженерных системах УП НИПТИС Валерием Некрасовым

Александр Чичко сообщил, что представляемый им научный коллектив разрабатывает программные продукты, ориентированные на моделирование различных технологических и физических процессов.
Сегодня эти продукты выходят на рынок. Это первые белорусские продукты, которые разрабатываются с целью импортозамещения. Разработанное специалистами кафедры математическое ядро состоит из физических уравнений, в частности, уравнений Навье-Стокса, а также теплофизических уравнений. На основе этого ядра и генерируются выводимые на рынок продукты.
Одна из задач, над решением которых в настоящее время идет работа, — система ProVent, ориентированная на моделирование процессов вентиляции, а также на широкий круг аспектов строительной теплофизики.
Как выглядит тот или иной шаг в данном направлении? Например, в каком-либо из редакторов генерируется квартира, которая состоит из определенного числа помещений. Данный файл сохраняется в формате STL, после чего полученная объемная структура перекачивается в создаваемую систему.

После этого данная структура подвергается членению в соответствии с принятой расчетной методикой (метод конечных разностей, метод конечных элементов). Затем в зависимости от того, к какой из сред относится тот или иной элемент (часть это ограждения, оборудования или просто воздух), ему присваиваются теплофизические свойства — плотность, теплопроводность, теплоемкость.
Возможно моделирование протекания потоков воздуха через щели в ограждениях (в частности, в их стыках).
После этого полученная картина изучается в ее динамике.
Задается температура отопительных приборов. Исходными данными являются теплофизические свойства сред, скорости потоков воздуха в начальный момент времени, а также температуры наружного и внутреннего воздуха. Возможна загрузка помещений теми или иными предметами.
Затем включается режим задаваемых начальных условий. После того, как расчет выполнен, возможен просмотр на мониторе любого температурного либо скоростного поля в любой момент времени со всеми особенностями этих полей, касающимися турбулентности.
Возможна оценка эволюции в любой точке объекта, то есть существуют темперальные характеристики, с помощью которых можно оценивать ситуацию в исследуемой квартире. Это изоповерхности, образуемые величинами скоростей (которые можно оценивать по их пространственным декартовым составляющим Vx, Vy и Vz), а также температур (изотермы). То же касается давлений (изобары).

Можно сказать, что таким образом создается некое подобие известного программного комплекса ПРОКРУСТ, но такая его версия, которая не перегружена слишком специализированными деталями, и поэтому является дружественной для пользователя (учитывая, что компьютеризация пока не сильно коснулась теплотехнической отрасли).
Сегодня кафедра “Компьютерные системы и технологии” БНТУ начинает апробацию продукта ProVent в рамках Беларуси. Поэтому к сотрудничеству на бесфинансовой основе приглашаются все желающие — все те, кто может предложить те или иные нестандартные задачи, связанные с данным направлением.

Валерий Некрасов рассказал о четырех готовых программах, разработанных в УП НИПТИС. Первая программа в определенной степени подобна той, о которой рассказал Александр Чичко. Она позволяет рассчитывать температурный режим помещения с учетом работы инженерного оборудования, ориентации здания, количества и качества остекленных поверхностей и в зависимости от времени. Ограждающие конструкции моделируются многослойными структурами.
Как учитывается ориентация здания? Составлена специальная программа для Солнца, которое меняет свое положение на небосводе относительно Земли. Соответственно программой учитывается изменение нагрева фасадов и крыш при моделировании динамики.
Существует готовая программа расчета грунтового теплообменника. Грунтовый теплообменник — это труба, проложенная в грунте. Через эту трубу прокачивается воздух либо вода. Далее этот носитель может использоваться в вентиляционной системе для предварительного прогрева или охлаждения воздуха или в контуре теплонасоса. Программа позволяет просчитывать многолетние циклы температурного режима грунта, а значит, прогнозировать температурные колебания данной среды. Таким образом, всегда есть возможность не проморозить грунт, если речь идет о прокачивании воды, или найти оптимальные диаметры и скорости прокачивания воздуха при использовании воздушного теплообменника при сохранении параметров грунта.

Третья готовая программа — это программа расчета освещенности помещения. В отличие от методик, предписываемых СНиП, она позволяет полностью рассчитывать освещенность в зависимости от цвета внутренних поверхностей ограждающих конструкций, типа окна и еще целого ряда параметров. Все эти программы разработаны с использованием уравнений математической физики.
Кроме того, существует законченный пакет программ расчета двумерного уравнения теплопроводности применительно к ограждающим конструкциям. Программы описывают двумерное распределение температурных полей в местах, неудобных для расчетов с использованием проектировщиками нормативных документов-проектировщиков — например, в углах или возле окон.
В настоящее время сотрудники отдела выполняют тепловизионное обследование ограждающих конструкций в процессе приемки зданий в эксплуатацию и сплошь и рядом сталкиваются с фактами неграмотного принятия проектных решений, подчеркнул Валерий Некрасов.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ