Оптимальное (энергоэффективное) теплоснабжение здания в системе центрального отопления

Abstract

Цель работы: найти условия достижения минимума потерь энергии при обогреве здания в системе центрального отопления. Актуальность исследования. Быстро растущее мировое энергопотребление уже вызывает беспокойство из-за трудностей, возникающих при поставке энергии, истощения энергетических ресурсов и тяжелого воздействия на окружающую среду (разрушение озонового слоя, глобальное потепление, изменение климата и др.). Для решения возникающих проблем необходимо точное физическое и математическое моделирование транспорта и потребления энергии. Анализ такой модели с применением методов теории оптимизации позволит найти наилучшие решения снабжения энергией. Методы исследований: анализ и обобщение ранее полученных теоретических результатов и формулировка новых подходов. Результаты. Представлен краткий обзор стратегии и методов эффективного обеспечения энергией общественных, коммерческих и жилых зданий. Основное внимание уделяется системе центрального теплоснабжения. Обеспечение энергоэффективного теплоснабжения рассматривается как математическая минимаксная задача. Сформулирована задача оптимизации теплоснабжения здания, подключенного к системе центрального отопления. Критерием оптимальности является поддержание внутри здания комфортной температуры и минимум потерь энергии. Найдены простейшие частные решения задачи, и предложены необходимые расчетные формулы для обеспечения оптимального теплоснабжения. Получено новое уравнение для идеального температурного графика зависимости температуры теплоносителя от температуры наружного воздуха. Существуют два наиболее важных параметра: 1) скорость теплообмена между отопительными приборами и помещениями здания; 2) скорость теплообмена между помещениями здания и наружным воздухом. В зависимой системе отопления (и без применения технологии подземного аккумулирования энергии) наилучшими решениями являются следующие: 1) снижение эффективного коэффициента теплоотдачи через наружные стены; 2) строгое соблюдение температурного графика, и он должен быть индивидуальным для каждого здания.

The aim of the research is to find the conditions for achieving minimum of energy loss when heating a building in central heating system. Relevance of research. Rapidly growing world energy consumption has already raised concerns over supply difficulties, exhaustion of energy resources and heavy environmental impacts (ozone layer depletion, global warming, climate change, etc.). The solution of the arising problems requires exact physical and mathematical modeling of energy transport and consumption. The analysis of this model using the methods of optimization theory will allow finding the best solutions of energy supply. Research methods: analysis and generalization of previously obtained theoretical results and formulation of new approaches. Results. The paper introduces a brief review of strategies and methods of effective energy supply for public, commercial and residential buildings use. The increasing attention is paid to the central heating system. Providing power effective heat supply is considered as a mathematical minimax problem. The authors have stated the problem of optimizing heat supply of the building connected to the central heating system. The criterion of optimality is maintenance of temperature comfortable for a person in the building and minimum of energy losses. The simplest private solutions of a task are found and necessary settlement formulas for providing an optimality of heat supply are offered. A new equation for the ideal temperature chart - the dependence of the coolant temperature on the outdoor temperature - is obtained. There are two most important parameters: 1) the rate of heat transfer between the heaters and the rooms of the building; 2) the rate of heat exchange between the building and the outside air. In the dependent heating system (without technology of underground energy storage) the best solution are the following: 1) the decrease of the effective coefficient of heat transfer through external walls; 2) strict respect to the temperature chart, and it must be individualized for each building.