Глава 2 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОДХОД, КАК ОСНОВА УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ПОМЕЩЕНИЙ С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ОТОПЛЕНИЯ
Как было показано в первой главе, для уточненного расчетного определения тепловых режимов, теплопотерь помещения, мощности отопительной или холодильной нагрузки необходимо применять моделирование.
Модель, описывающая объект, сама по себе и те величины, которые в нее входят, включают в себя неточного задания исходных данных и погрешностей вычислений. К таковым можно отнести:
1. неопределенность знания исходных данных (задание значений в табличном виде в литературе в некотором интервале, значения, определяемые в лабораторных определенных значениях на стенде);
2. изменение величин параметров модели во времени и при различных условиях эксплуатации;
3. отсутствие точных данных о структуре и характере ограждающих конструкций дома;
4. наличие дефектов ограждающих конструкций.
Экспериментальные исследования могут позволить выявить эти недостатки. Однако сами результаты экспериментальных исследований могут нести в себе и новые ошибки:
1. погрешности приборов;
2. ошибка эксперимента;
3. погрешности обработки данных;
4. человеческий фактор.
Одним из путей уменьшения погрешности расчетного анализа и экспериментальных исследований является использование расчетно-экспериментального подхода.
В данной главе представлены методические основы расчетно-экспериментального подхода в общем виде, который в дальнейшем используется для решения конкретных поставленных задач анализа теплового режима помещений с различными системами отопления.
2.1. Суть и схема расчетно-экспериментального подхода
Расчетно-экспериментальный подход к моделированию и прогнозированию исследуемых тепломассообменных процессов в помещениях можно разбить на следующие последовательные этапы (рис. 2.1.1.):
1. разработка геометрической, физической, математической моделей теплового состояния помещения или группы помещений, основанная на учете основных теплофизических процессов; методы расчета и программы, реализующие математическую модель;
2. идентификация параметров математической модели решением обратных задач по имеющимся данным краткосрочных экспериментальных измерений;
3. использование "настроенной" модели для детального анализа теплового состояния и теплопотерь исследуемых помещений;
4. выработка оптимальных рекомендаций по снижению теплопотерь.
Опишем схему, изображенную на рис. 2.1.1. Связь модели с объектом состоит в достаточно точном описании моделью физических процессов, происходящих на исследуемом объекте. В ходе расчетных и экспериментальных исследований определяются расчетные ТМ и экспериментальные ТЭ значения температур в одних и тех же временных и пространственных точках. Параметрический анализ чувствительности, знание физики протекающих процессов позволяют найти самые влиятельные характеристики в модели Р (искомые параметры). Решение обратных задач находим Р, путем минимизации отклонения между экспериментальными ТЭ и расчетными ТМ температурами, нахождением более точных значений параметров модели Р. По уточненным параметрам модели (найденным решением обратных задач) получают решение, наиболее соответствующее результатам проводимого эксперимента.
Рис. 2.1.1. Схема расчетно-экспериментального подхода
Полученное расчетное решение может быть использовано для различных целей. Как, например, в области строительной теплофизики, это:
1. анализ тепловых режимов в помещении (для помещений с особыми требованиями комфорта и (или) чистоты, для определения температурного распределения по горизонтали или вертикали помещения)
2. определение теплопотерь помещений или зданий с целью определения мер их снижению
3. для прогноза теплопотребления существующих зданий и необходимой мощности отопления для проектируемых зданий
Т.о., расчетно-экспериментальный подход это способ анализа, оптимизации и прогнозирования исследуемых процессов тепломассообмена на основе компьютерной (расчетной) модели, адекватность которой обеспечивается путем параметрической или структурной идентификации с помощью экспериментальной информации об исследуемом процессе и решении обратных задач. Параметрическая идентификация - это нахождение величин некоторых параметров модели, которые минимизируют разницу экспериментальных и расчетных значений температур, а структурная идентификация - нахождение неизвестных составляющих модели, также приводящее к минимизации отклонения расчетных и экспериментальных значений температур.
2.2. Анализ чувствительности параметров модели теплообмена в помещениях
Важным этапом, предшествующим непосредственному решению ОЗТ, является этап (процедура) параметрического анализа чувствительности исследуемой модели по совокупности входных параметров и выходных характеристик объекта.
Под термином "параметрический анализ чувствительности" подразумевается качественный и количественный анализ величин первых производных выходных переменных математической модели к входным параметрам этой модели. Величина чувствительности (влияния) обозначается через Z = дТ/дР.
Анализ чувствительности тесно связан с так называемыми вопросами управляемости и наблюдаемости, в частности для тепловых систем. Система считается управляемой, если выходные величины системы "чувствуют" влияние (изменение) входных параметров системы. Если такого влияния по ряду параметров нет или оно очень мало, то такие параметры невозможно определить (идентифицировать решением ОЗТ).
Параметрический анализ чувствительности является очень важным, а в ряде случаев обязательным этапом предварительного исследования математической модели. Поэтому анализ чувствительности предшествует идентификации, исследованию и оптимизации процессов ТМО.
Проведение параметрического анализа чувствительности позволяет дать ответы на следующие важные вопросы:
1. Определение оперативного количественного сравнительного анализа влияния всех и ча