книги / Решение частных задач оптимизации для инженерных систем зданий

УДК 697.38+681.5.015.23 М47

Рецензент

д-р техн. наук, профессор М.Н. Чекардовский (Тюменский государственный архитектурно-строительный университет)

Мелехин, А.А.

М47 Решение частных задач оптимизации для инженерных систем зданий : монография / А.А. Мелехин. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 87 с.

ISBN 978-5-398-01456-3

Рассмотрен метод совершенствования инженерных систем зданий на базе построения математических моделей с решением многопараметрических многокритериальных задач оптимизации с целью энергоресурсосбережения.

Предназначено для специалистов, занимающихся эксплуатацией инженерных систем зданий, разработкой конструкторской документации для теплообменных аппаратов, также предполагается использовать в учебном процессе технических учебных заведений.

УДК 697.38+681.5.015.23

Работа выполнена в рамках задания № 2014/152 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки РФ по НИР № 1624 «Совершенствование инженерных систем зданий и сооружений на базе построения математических моделей с решением многопараметрических многокритериальных задач оптимизации с целью энергоресурсосбережения».

2

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Повышение энергетической эффективности работы инженерных систем зданий и сооружений, снижение потребления энергоресурсов за счет оптимизации их работы, внедрение энергосберегающих технологий и оптимизация конструктивных элементов инженерных систем актуальны, что подтверждено Федеральным законом «Об энергосбережении и повышении энергетический эффективности» от 23.11.2009 № ФЗ-261.

В ходе проведения многочисленных энергетических обследований зданий, анализа российского и международного опыта в области проведения энергетических обследований, аналитического обзора современной научно-технической и нормативной документации, методической литературы определены критерии, управляемые и неуправляемые параметры, граничные условия, влияющие на энергоресурсоэффективность инженерных систем.

Нахождение оптимальных управляемых параметров инженерных систем зданий возможно с помощью разработанного автором комплексного метода исследований, основанного на решении задач многокритериальной многопараметрической оптимизации с введением эмпирически полученных данных.

При разработке математических моделей инженерных систем зданий (системы отопления, теплообменного аппарата, системы воздушного отопления, ребра теплоотдающего элемента) применены основные уравнения тепломассообмена.

Решение задач оптимизации проведено с помощью метода нелинейной оптимизации [1] в расчетно-программных комплексах

IOZO, Generalized Reduced Gradient (GRG2).

6

Глава 1

ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ ЗДАНИЙ

С ЦЕЛЬЮ РЕСУРСОЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ НА БАЗЕ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

С РЕШЕНИЕМ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ

1.1. Анализ текущего состояния потребления энергоресурсов инженерными системами зданий и сооружений в течение года, включая объем информации, необходимой для выявления энергетического потенциала зданий, повышения энергетической эффективности зданий, снижения потребления энергоресурсов

Автором проведены работы по энергетическим обследованиям зданий, строений и сооружений более 500 зданий, находящихся в РФ, с учетом различного уровня их энергетической эффективности.

Проведенные поисковые исследования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности инженерных систем зданий позволили сформулировать научно обоснованные решения обнаруженных проблем.

Работа по энергетическим обследованиям зданий, строений и сооружений проводилась в соответствии с требованиями, изложенными в следующих нормативных правовых актах (документах):

–Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23 ноября

2009 г. № 261-ФЗ;

–подпрограмма «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики», утвер-

7

жденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от

3 апреля 2013 г. № 512-р;

–Федеральный закон «О техническом регулировании» от

27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ;

–Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» от 27 апреля 1993 г. № 4871-1.

Были получены следующие научные и практические результаты:

–проанализирован российский и международный опыт в области проведения энергетических обследований зданий на основе лучших практик отечественных и зарубежных разработок, включая аналитический обзор современной научно-технической и нормативной документации, методической литературы [47];

–получены статистические материалы о потреблении энергоресурсов (тепловой энергии и др.) инженерными системами зданий (систем воздушного отопления) в РФ;

–получены данные энергетических обследований более 500 зданий в РФ;

–проведен анализ объема информации, отраженной в энергетических паспортах, для выявления энергетического потенциала зданий и сооружений;

–выявлены недостатки при реализации энергосберегающих мероприятий;

–сформированы предложения по внесению дополнительных теплотехнических критериев для выявления энергетического потенциала зданий.

Проведенный анализ показал, что на сегодняшний день во многих странах Европы процедура энергетического обследования является обязательной для получения энергетического паспорта здания – документа, который содержит проектные данные по теплозащите здания, сведения о его фактическом энергопотреблении

ислужит подтверждением соответствия энергоэффективности объекта действующим нормам. Необходимость паспортизации преду-

сматривает директива 2009/91/EC (EPBD) [13].

8

В России существуют различные методики, нормативная документация для проведения энергетических обследований и оценки энергетических потенциалов зданий, однако отсутствует единый регламентирующий документ (методические рекомендации) для проведения энергетических обследований и оценки энергетического потенциала промышленных предприятий, организаций бюджетной сферы.

Подготовлены предложения по разработке рекомендаций по оценке необходимых капитальных затрат для приведения здания в соответствие с необходимым классом энергоэффективности.

Капитальные затраты для приведения здания в соответствие с необходимым классом энергоэффективности предлагается рассчитывать из срока окупаемости 5 лет. Например, если для перевода здания из класса энергоэффективности D в класс E требуется затратить 100 % капитальных затрат, ежегодная экономия энергоресурсов должна составить 20 %, чтобы окупить данные капитальные затраты.

В ходе проведения многочисленных энергетических обследований зданий и сооружений, анализа российского и международного опыта в области проведения энергетических обследований, аналитического обзора современной научно-технической и нормативной документации, методической литературы определены критерии, управляемые и неуправляемые параметры, граничные условия, влияющие на энергоресурсоэффективность инженерных систем зданий и их элементов [2, 8, 10, 27, 40–45, 51–54, 59].

Для оценки энергоэффективности здания рассмотрен ГОСТ Р 54862–2011 «Энергоэффективность зданий», а также директивы Европейского сообщества 2009/91/ЕС по общей энергетической эффективности зданий (далее – EPBD). Данные нормативные документы применены для оценки потенциала энергосбережения, в них разработаны модели комплексного оценивания частных показателей. Данные модели позволяют учитывать различные конструктивные и эксплуатационные особенности обследуемых объек-

тов [8].

9

Применение математического аппарата для решения задач многокритериальной оптимизации позволяет оценить показатели энергоэффективности зданий и сооружений с учетом капитальных

иэксплуатационных затрат.

1.2.Разработка метода математического моделирования инженерных систем зданий и сооружений, основанного на решении задач многокритериальной оптимизации

сцелью ресурсоэнергосбережения

Использование системы автоматизированного проектирования для этих целей связано с решением ряда задач, среди которых разработка новых математических моделей, адекватных реальным процессам, и информационное обеспечение математических моделей эмпирическими данными параметров инженерных систем зданий и сооружений.

Решение задач усложняется тем, что в большинстве случаев имеются недостаточные по объему экспериментальные данные, т.е. в корректно поставленную модель подставляются не очень корректные начальные данные, исключающие возможность создания точных математических моделей.

Сложность разработки достоверных методик обусловливает значительные затраты средств и времени для оптимизации основных параметров инженерных систем зданий и сооружений. Поэтому разработан метод, позволяющий на начальном этапе их проектирования выполнить анализ расчетов с целью уточнения области оптимальных решений параметров и конструктивных элементов инженерных систем зданий и сооружений [3].

Для исследования инженерных систем зданий как сложной технической системы использованы новые методы математического моделирования с оптимизацией их параметров. Разработанный комплексный метод исследований позволяет решать данные задачи оптимизации параметров инженерных систем зданий и сооруже-

ний [7, 9].

10