Численное исследование микроклимата помещения с использованием СПО

Работа посвящена численному исследованию микроклимата жилого помещения, оборудованного системой управления микроклиматом, обозначаемой термином «умный дом». Численное моделирование микроклимата помещений является актуальной задачей, поскольку эффективное проектирование систем «умный дом» предполагает необходимость прогнозирования теплофизических параметров помещения с целью обеспечения возможности своевременного изменения этих параметров. Математическое моделирование было произведено на базе уравнения сохранения массы (уравнение неразрывности), уравнения сохранения количества движения (уравнение Навье-Стокса) и уравнения энергии. Замыкание системы уравнений осуществлено на основе использования k-ω sst модели турбулентности. Численное решение было получено методом конечных объемов с помощью программного кода Code_Saturne, относящегося к свободному программному обеспечению (СПО). Построение сетки выполнено в программном комплексе Salome, также имеющем свободную лицензию. В работе проведена проверка адекватности получаемого численного решения. Для разрешения поля скорости применена схема второго порядка (SOLU), для поля давления – схема (Multigrid), для кинетической энергии турбулентности, ее диссипации и для поля температур использованы автоматические настройки, максимальное количество итераций по каждому циклу задано равным 10000, точность решателя (Solver Precision) принята 10^-8. Для получения связанного решения уравнений баланса импульса и неразрывности использован алгоритм SIMPLEC. Верификация математической модели показала, что относительное отклонение температур от значений, полученных другими авторами, составило не более 0,8-1,2%. Таким образом, представленную математическую модель можно признать адекватной. На базе выполненного математического моделирования была получена оценка теплофизических параметров микроклимата в жилом помещении, которое оборудовано системой управления «умный дом». Математическое моделирование поля температур жилого помещения показало, что при использовании систем управления микроклимата значения температур в помещениях, имеющих различное назначение, не выходят за рамки требований комфортности. Математическое моделирование скоростей движения воздуха в различных жилых помещениях не нарушают требований комфортности для таких типов помещений и принимают значения от 0,12 до 0,15 м/с.

1. Z. Zhang, H.-S. Dou et al. Mathematical Modeling of Heat and Mass Transfer in Energy Science and Engineering. Mathematical Problems in Engineering, vol. 2013, Article ID 241646, 3 p.

2. Ю. Табунщиков, М. Бродач. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. Москва, АВОК-ПРЕСС, 2002 г., 194 стр. / Yu. Tabunshchikov, M. Brodach. Mathematical modeling and optimization of the thermal efficiency of buildings. Moscow, AVOK-PRESS, 2002, 194 p. (in Russian).

3. Code-Saturne. Available at: http://code-saturne.org, accessed 05.09.2021.

4. Open Foam. Available at: http://www.openfoam.com/, accessed 05.09.2021.

5. I. Sultanguzin, H. Toepfer et al. Mathematical modeling and control system of nearly zero energy building. Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, vol. 8, no. 2, 2018, pp. 21-24.

6. Д.М. Денисихина. Оценка теплового комфорта в помещениях на основе анализа результатов математического моделирования. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета, no. 3, 2015 г., стр. 183-193 / D.M. Denisikhina. Mathematical simulation of room climate parameters. Vestnik of Tomsk state university of architecture and building, no. 3, 2015, pp. 183-193 (In Russian).

7. N. Fumo, P. Mago, and R. Luck, Methodology to estimate building energy consumption using EnergyPlus Benchmark Models. Energy and Buildings, vol. 42, issue 12, 2010. pp. 2331-2337.

8. X. Jiang, Z. Jing et al. Modelling and operation optimization of an integrated energy based direct district water-heating system. Energy, vol. 64, 2014. pp. 375-388.

9. S. Cho, M. Zaheer-uddin. Predictive control of intermittently operated radiant floor heating systems, Energy Conversion and Management, vol. 44, issue 8, 2003. pp. 1333-1342.

10. M. Nikitin. Modeling of natural convection. In Proc. of the 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, 2016, pp. 1-4.

11. А. Цынаева, С. Разоренов, В. Белая. Численное исследование теплоотдачи в каналах с неглубокими подковообразными лунками. Труды ИСП РАН, том 29, вып. 5, 2017 г., стр. 329-344 / A. Tsynaeva, S. Razorenov, V. Belaya. Numerical modeling of heat transfer of channel with shallow curly dimples. Trudy ISP RAN/Proc. ISP RAS, vol. 29, issue 5, 2017. pp. 329-344 (in Russian). DOI: 10.15514/ISPRAS-2017-29(5)-16.

12. Н. Ковальногов. Прикладная механика жидкости и газа. Ульяновск, Изд. УлГТУ, 2010 г., 219 стр. / N. Kovalnogov. Applied Mechanics of Liquid and Gas. Ulyanovsk, Ed. UlSTU, 2010, 219 p. (in Russian).

13. F. Menter. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, vol. 32, № 8, 1994, pp. 1598-1605.

14. Д.М. Денисихина. Модель человека в задачах расчета распределенных параметров микроклимата в помещении. Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, no. 2, 2015 г., стр. 192-199 / D.M. Denisikhina. Human shapes for CFD simulation of thermal environment in rooms. News of the Kazan State University of Architecture and Engineering, no. 2, 2015, pp. 192-199 (in Russian).

15. D.Craft. Local energy management through mathematical modeling and optimization. PhD Thesis. Massachusetts Institute of Technology, 2004, 223 p.

16. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях / GOST 30494-2011. Residential and public buildings. Microclimate parameters for indoor enclosures (in Russian).

17. Н. Ковальногов, А. Цынаева, Е. Цынаева. Способ выбора места установки регулирующего устройства в автоматизированных системах управления отоплением. Патент на изобретение RU 2340834 C1, 2008 г. / N. Koval'nogov, A. Tsynaeva, E. Tsynaeva. Method of control system placing in automated heat control systems. Patent for invention RU 2340834 C1, 2008 (in Russian).