Calcolo dei campi di temperatura nel programma ELCUT. Calcolo dei campi di temperatura nel programma ELCUT Grafico del sistema Olma dei campi di temperatura

Per gli involucri edilizi, un campo termico piatto è tipico quando contengono elementi di telaio, architravi, ecc., quando la loro lunghezza supera notevolmente lo spessore della recinzione.

Il processo di trasferimento del calore nella struttura in esame è significativamente influenzato da inclusioni termoconduttrici, ad esempio profili di acciaio che formano i cosiddetti “ponti freddi”. Per rompere questi ponti freddi, i profili sono collegati alla struttura, ad esempio, tramite distanziatori in compensato. Una sezione simile della struttura può essere isolata per il calcolo del campo di temperatura. Il campo di temperatura della sezione considerata è bidimensionale, poiché la distribuzione della temperatura su tutti i piani paralleli al piano della sezione trasversale della struttura è la stessa. I profili nella parte principale si trovano ad una distanza di 1, 2, ..., x, m l'uno dall'altro (Figura 3).

Quando si determina la ridotta resistenza al trasferimento di calore, m 2.o C/W, secondo i dati di calcolo su un personal computer (PC) di un campo di temperatura bidimensionale stazionario, l'area in esame, assegnata per il calcolo del campo di temperatura, è un frammento della struttura che lo racchiude per il quale deve essere determinato il valore.

Quantità richiesta

dove ∑Q è la somma dei flussi di calore che attraversano l'area di studio, W/m2, determinati a seguito del calcolo del campo di temperatura;

t int, t ext – rispettivamente, la temperatura dell'aria interna ed esterna, o C;

L – lunghezza dell'area di studio, m.

Quando si calcola un campo di temperatura bidimensionale, l'area selezionata viene disegnata in scala e, sulla base del disegno, viene redatto uno schema di calcolo, semplificandolo per comodità di dividerlo in sezioni e blocchi.

In cui:

Sostituire configurazioni complesse di sezioni con altre più semplici se ciò ha un impatto minore in termini termotecnici;

Sul disegno vengono disegnati i confini dell'area di studio e gli assi delle coordinate (x, y o r, z). Vengono identificate le aree con diversa conduttività termica e vengono indicate le condizioni di scambio termico ai confini. Fornire tutte le dimensioni richieste;

L'area di studio è suddivisa in blocchi elementari, evidenziando separatamente aree a diverso coefficiente di conducibilità termica. Disegno-

redigere un diagramma in scala della divisione dell'area di studio e indicare le dimensioni di tutti i blocchi;

L'area di studio viene disegnata in un sistema di coordinate convenzionale x', y', quando tutti i blocchi vengono considerati della stessa dimensione. Sono indicate le coordinate dei vertici dei poligoni che delimitano aree della regione con diversa conducibilità termica (Figura 4).

Figura 3 – Disposizione dei nodi della griglia bidimensionale per i calcoli

campo di temperatura

L’equazione differenziale di un campo di temperatura piano ha la seguente forma:

Ð 2 t/Ðx 2 = Ð 2 t/Ðy 2 . (3.2)

Integrare questa equazione nella sua forma generale è un compito molto difficile. Il tutto è ulteriormente complicato dalla presenza in campo di materiali con diversi coefficienti di conducibilità termica. Il problema risulta notevolmente semplificato quando si risolve l’equazione alle differenze finite. In questo caso, l'equazione differenziale è sostituita da un sistema di equazioni lineari, le cui incognite saranno i valori della funzione desiderata nei punti del campo che giacciono ai nodi di una griglia composta da quadrati con un lato accettato dimensione Δ.

Nelle differenze finite l'equazione è:

τxx +τyy =0, (3.3)

dove τ xx ,τ yy sono le seconde differenze finite delle funzioni τ secondo X e da .

Scrivendoli in dettaglio, otteniamo (Fig. 4)

(τ x + Δ, y - 2 τ x, y + τ x - Δ, y)/ Δ 2 +(τ x, y + Δ - 2 τ x, y + τ x, y - Δ)/ Δ 2 = 0.

Da dove, risolvendo l’equazione risultante per τ x, y, avremo:

τ x, y = (τ x + Δ, y + τ x - Δ, y +τ x, y + Δ + τ x, y - Δ)/4,

quelli. in un campo uniforme, la temperatura in ciascun nodo della rete deve essere uguale alla media aritmetica delle temperature di quattro nodi vicini.

Consideriamo un nodo con temperatura τ x, y. Il quadrato al centro del quale si trova questo nodo riceve (o cede) calore in direzione dei punti situati in quattro nodi della griglia adiacenti aventi temperature

τ X + Δ , y , τ X - Δ , y , τ X , y + Δ , τ X , y – Δ . La quantità di calore scambiata con il materiale circostante da un taglio quadrato attorno al punto x,y dipenderà non solo dalla temperatura dei nodi vicini, ma anche dall'entità dei coefficienti di trasferimento del calore nella direzione dei fili della maglia tra il punto x, y e questi punti. Indicando i coefficienti di scambio termico con le lettere k con gli indici corrispondenti, otteniamo:

2- quantità di calore trasferita nella direzione dal nodo x,y al nodo con temperatura τ x - Δ, y

Q 1 = (τ x, y - τ x - Δ, y)k x - Δ; (3.4)

2- la quantità di calore trasferita nella direzione dal nodo x,y al nodo con temperatura τ x, y + Δ

Q 2 = (τ x, y - τ x, y + Δ)k y + Δ; (3.5)

2- quantità di calore trasferita nella direzione dal nodo x,y al nodo con temperatura τ x + Δ, y

Q 3 = (τ x, y - τ x + Δ, y)k x + Δ; (3.6)

2 - la quantità di calore trasferita nella direzione dal nodo x,y ad un nodo con temperatura τ x, y - Δ

Q 4 = (τ x, y - τ x, y - Δ)k y - Δ. (3.7)

Dalla condizione di bilancio termico, la somma di queste quantità di calore deve essere uguale a zero, cioè

(τ x , y - τ x - Δ , y)k x - Δ = (τ x , y - τ x , y + Δ)k y + Δ= (τ x , y - τ x + Δ , y)k x + Δ =

=(τ x, y - τ x, y - Δ)k y - Δ =0.

Risolvendo questa equazione per τ x, y, otteniamo finalmente

τ X , y = (τ X - Δ , y k x - Δ + τ x , y + Δ k y + Δ + τ x + Δ , y k x + Δ + τ x , y – Δ k y - Δ) /(k x - Δ + k y + Δ + k y + Δ+ k y - Δ). (3.8)

Questa è la formula generale per calcolare la temperatura in tutti i nodi della rete.

La soluzione dovrebbe essere effettuata utilizzando un metodo numerico, calcolando sequenzialmente la temperatura in ciascun punto. Il calcolo viene eseguito fino a quando la differenza tra i valori in ciascun punto nella fase di calcolo corrente e precedente non supera la precisione specificata.

A causa dell'elevato numero di calcoli, è consigliabile calcolare un campo di temperatura bidimensionale utilizzando la tecnologia informatica. Il calcolo viene eseguito utilizzando un programma presso il dipartimento HVAC.

Esempio

È necessario determinare la distribuzione della temperatura e la ridotta resistenza al trasferimento di calore in una struttura non uniforme (Fig. 4).

Dati iniziali

La struttura è costituita da due materiali: la parete esterna dell'edificio è in muratura con coefficiente di conducibilità termica pari a 0,81 W/(m°C) e il soffitto è costituito da una soletta in cemento armato con coefficiente di conducibilità termica pari a 2,04 W/ (m°C). Nel calcolo sono state accettate le seguenti condizioni sui lati della recinzione:

esterno - t escl = -30°C; α esterno = 23 W/(m2°C), (5)

interno - t int = 20 °C; e intero = 8,7 W/(m2°C), (4).

Procedura di calcolo

Il campo di temperatura della sezione considerata è bidimensionale, poiché la distribuzione della temperatura su tutti i piani paralleli al piano della sezione trasversale della struttura è la stessa.

I calcoli del campo di temperatura vengono eseguiti utilizzando il metodo di iterazione, come segue.

Sono preimpostati da alcuni valori di temperatura arbitrari in tutti i nodi della rete. Quindi, utilizzando la formula, il valore della temperatura viene calcolato in sequenza su tutti i nodi, sostituendo il precedente con i valori di temperatura ottenuti finché la temperatura su ciascun nodo della griglia di campo non soddisfa le equazioni corrispondenti a determinate temperature dell'aria sull'uno e sull'altro lato della recinzione (Fig. 5).

Il processo può essere considerato completo solo quando, entro una certa precisione, le temperature rimangono costanti in tutti i nodi della rete. La durata del calcolo dipende da quanto correttamente sono state impostate le temperature iniziali.

Figura 4

-29,44 -13,684 1,981 18,467
-29,44 -13,697 1,969 18,466
-29,44 -13,626 2,248 18,487
-29,44 -13,659 2,2 18,483
-29,44 -13,758 1,958 18,376
-29,45 -13,978 1,839 18,363
-29,46 -14,8 0,491 17,378
-29,48 -15,16 0,183 17,334
-29,62 -16,252 -3,8 7,552 17,69 19,05 19,39 19,5 19,537 19,55 19,56 19,7
-29,66 -16,523 -4,11 7,4327 17,73 19,14 19,49 19,61 19,652 19,67 19,68 19,8
-28,93 -16,831 -5,47 4,463 12,48 16,05 17,51 18,08 18,291 18,38 18,43 18,8
-28,95 -16,942 -5,59 4,4726 12,61 16,3 17,81 18,4 18,634 18,73 18,78 19,1
-28,91 -17,117 -6,19 3,3321 12,24 16,15 17,71 18,31 18,544 18,64 18,69
-28,92 -17,167 -6,24 3,3472 12,32 16,28 17,87 18,5 18,737 18,83 18,89 19,2
-28,19 -16,737 -5,7 2,8765 17,32 19,13 19,53 19,66 19,708 19,73 19,74 19,8
-28,19 -16,758 -5,74 2,8603 17,33 19,13 19,54 19,67 19,719 19,74 19,75 19,8
-29,47 -15,179 -0,4 17,668
-29,47 -15,2 -0,42 17,664
-29,46 -14,192 1,522 18,402
-29,46 -14,211 1,502 18,399
-29,45 -13,724 2,199 18,485
-29,45 -13,742 2,181 18,482
-29,44 -13,531 2,44 18,507
-29,44 -13,546 2,424 18,504
-29,44 -13,461 2,52 18,513
-29,44 -13,473 2,507 18,511
-29,44 -13,446 2,537 18,514
-29,44 -13,453 2,53 18,513

Con l'entrata in vigore della SP 50.13330.2013 nella sezione Efficienza Energetica, sarà necessario determinare la ridotta resistenza al trasferimento di calore sulla base dei risultati del calcolo dei campi di temperatura. Alcuni esperti richiedono già questi calcoli, anche se gli esperti stessi non ne capiscono nulla.

Il calcolo del TP sembra essere possibile in diversi programmi (questo è stato discusso sul forum). Tuttavia, la maggior parte di questi programmi è molto difficile da padroneggiare per i normali architetti e ingegneri. I requisiti per un tale programma possono essere formulati:
1. Dovrebbe fare quanto necessario per calcolare la resistenza ridotta secondo SP 50 e, se possibile, non fare nulla di superfluo.

2. Il programma dovrebbe essere accessibile alla padronanza di un normale ingegnere o architetto che non ha tempo da dedicare metà della sua vita a studiare qualche mostro software come ANSYS.

3. Il programma deve avere un'interfaccia in lingua russa.

4. Il programma deve essere ben documentato e disporre di un sistema di aiuto.

5. Il programma può essere scaricato almeno per provarlo prima dell'acquisto.

Sembra che non ci sia nulla di speciale in questi requisiti? Ma soddisfarli non è così facile. Sembrerebbe che dovrebbero esserci molti di questi programmi. E sembra che ce ne siano molti, ma non c'è niente tra cui scegliere. Puoi cercare tu stesso in Internet e provarlo.

Tuttavia, forniremo un esempio di uno di questi programmi. Questo è ELCUT. Soddisfa la maggior parte (ma non tutte) delle nostre condizioni.

1. ELCUT è perfettamente in grado di calcolare i campi di temperatura, sebbene faccia molte altre cose utili di cui non abbiamo bisogno.

2. ELCUT è facile da imparare. La prima volta che ti incontri, puoi dedicare mezza giornata al calcolo e poi un massimo di mezz'ora.

3. ELCUT ha un'interfaccia in lingua russa.

4. ELCUT è dotato di un eccellente sistema di aiuto e di video di formazione aggiuntivi.

5. ELCUT ha una versione gratuita per "studenti", che è abbastanza per risolvere i nostri problemi. Nella versione "studente", il numero di nodi della griglia di calcolo è limitato, ma per problemi come il nostro questo è abbastanza: devi solo impostare saggiamente la spaziatura dei nodi.

Dopo aver trattato questo programma, ho scritto una breve documentazione al riguardo con la suddivisione di un esempio di calcolo specifico. E anche come utilizzare i risultati di questo calcolo nella nota esplicativa del paragrafo 10.1, in modo che nessun esperto pensi nemmeno a “sorgere”.

Commenti

Commenti 1-4 di 4

Calcolo per il gusto di un segno di spunta durante il controllo. Paura e orrore...

Grazie

Grazie per il tuo lavoro!

Citazione:

Messaggio n. 2 da filosov
Grazie per il tuo lavoro!
Per quanto mi riguarda, dopo aver risolto diversi semplici esempi, mi sono reso conto che ELCUT sovrastima la perdita di calore di 2 volte. È un bug o una funzionalità: non ho né il tempo né la voglia di scoprirlo.
Nel tuo esempio, anche la discrepanza è approssimativamente duplice.


Non faccio stime, più o meno. La quantità di flusso di calore mostrata da qualsiasi programma per il calcolo dei campi di temperatura dipende esclusivamente da quale elemento di confine (la sua dimensione) specifica l'utente. In ELCUT questo viene fatto indicando, in altri programmi indicando un "bordo". Ma qui puoi fare quello che vuoi: impostarlo 2 volte di più o impostarlo 4 volte di meno.

In teoria, la joint venture (da quando è stato introdotto il calcolo obbligatorio del TP) avrebbe dovuto delineare chiaramente i requisiti. E non c'è niente lì: solo un'immagine, la cui origine è generalmente sconosciuta.
Paura e orrore...
Presto l'efficienza energetica raggiungerà (e supererà) la tutela dell'ambiente in termini di numero di pagine (~300 fogli di tavole con caratteri 7-8)
Se ci sono più edifici, ce ne saranno di più. E questo è inerente al P87 stesso. La “giustificazione” è richiesta ovunque. Sulla base di ciò, esperti eccessivamente zelanti e meticolosi richiedono di "descrivere in numeri" lo stato di avanzamento del calcolo per ciascun indicatore - da dove proveniva tutto, come credevano. Se, come previsto, la nota presentasse i risultati e le “giustificazioni” fossero in archivio, il volume sarebbe più piccolo. Ma richiederebbero ancora i calcoli e andrebbero ancora redatti.

E con l'introduzione delle modifiche a P87 sarà anche peggio: non sarà più una sezione, ma un "capitolo" in quasi ogni sezione.

Calcolo dei campi di temperatura delle sezioni delle strutture di recinzione di edifici e strutture

Scopo del programma

Il programma è destinato al calcolo dei campi di temperatura (bidimensionali e tridimensionali) di sezioni delle strutture di recinzione di edifici e strutture.

Come risultato del calcolo si otterrà quanto segue:

  • flusso di calore che passa attraverso l'area calcolata;
  • temperatura in ciascun punto calcolato del campo di temperatura della sezione calcolata della recinzione;
  • temperatura sulla superficie interna della recinzione da calcolare e punto con la temperatura minima sulla superficie interna;
  • rappresentazione grafica del campo di temperatura della recinzione calcolata;
  • isoterme del campo di temperatura della recinzione calcolata.

Caratteristiche del programma

Il campo di temperatura viene calcolato utilizzando il metodo della griglia.

Il calcolo può essere effettuato con il metodo esatto e con il metodo approssimativo. Il numero massimo di punti di calcolo con il metodo esatto è 100mila per un campo bidimensionale e 60mila per un campo tridimensionale. Il numero massimo di punti per il metodo di approssimazione non è stabilito ed è determinato dalle capacità del computer e del monitor.

L'immissione dei dati viene eseguita graficamente.

Le dimensioni della sezione della recinzione (nodo) e il passo della griglia sono specificate dall'utente.

Per un campo tridimensionale, l'utente specifica il numero di strati e la loro altezza. Le limitazioni al numero di punti di calcolo sono determinate dalle capacità del computer.

Le dimensioni di colonne, righe e livelli sono definite dall'utente (mm). Si consiglia di prendere celle di dimensioni comprese tra 5x100 mm, a seconda della natura del problema da risolvere.

La larghezza di ciascuna colonna e riga può essere impostata separatamente. Quando specifichiamo i dati iniziali, impostiamo prima le dimensioni e il passo della griglia uniforme. Puoi quindi ridimensionare singole colonne e righe per creare una griglia con spaziatura irregolare. Tuttavia, sullo schermo del monitor viene comunque riflessa una griglia uniforme. In questo caso le dimensioni delle colonne e delle colonne della griglia irregolare vengono visualizzate lungo il perimetro del campo di calcolo.

Il numero massimo di materiali in un nodo di calcolo è 8.

La temperatura dell'aria esterna ed interna viene impostata dall'utente nell'intervallo da −100 a +2000°C. È possibile impostare 2 temperature interne e una temperatura esterna.

Il valore del coefficiente di trasferimento del calore sulle superfici interna ed esterna è specificato dall'utente (nell'intervallo 150).

Le condizioni al contorno sono determinate dai parametri 2 temperatura dell'aria interna, temperatura dell'aria esterna e barriera al flusso di calore.

Non ci sono restrizioni sulla creazione di condizioni al contorno per i quattro parametri.

Per impostazione predefinita, il programma specifica le condizioni al contorno. La fila orizzontale superiore confina con l'aria esterna. Fila inferiore con aria interna. Le colonne sinistra e destra del campo della temperatura hanno rispettivamente una barriera al flusso di calore a sinistra e a destra.

Area di applicazione Costruzione di campi di temperatura volumetrica in geoingegneria, geotecnica, geotermia e estrazione mineraria utilizzando dati provenienti da reti termometriche nella zona del permafrost. La conoscenza dello stato di temperatura delle rocce e dei suoli delle fondamenta delle strutture ingegneristiche nella zona del permafrost - acquedotti, strutture di testata delle miniere sotterranee, edifici in funzione, centrali termiche costruite sul permafrost - è la chiave per il loro funzionamento sicuro. La portata del programma è determinata anche dal fatto che oltre il 60% del territorio della Federazione Russa si trova geograficamente nella zona del permafrost della Terra.

Descrizione dell'algoritmo L'algoritmo è un'implementazione numerica dello schema dell'autore (di seguito denominato "schema") nell'ambito di un classico sistema di controllo automatizzato con collegamenti diretti e di feedback. Progettato per l'elaborazione di dati di temperatura distribuiti spazialmente del tipo "sparso" nel metodo di cambiamento degli stati stazionari quando si risolvono problemi geotermofisici per processi lenti che si verificano ovunque nella geoingegneria (specialmente nelle aree sviluppate del Nord e della piattaforma artica).

Elementi generali dell'algoritmo e alcuni risultati del programma sono riportati nell'articolo.

V.V. Neklyudov, S.A. Velikin, A.V. Malyshev, Controllo dello stato di temperatura delle fondamenta delle miniere nella zona del permafrost mediante monitoraggio automatizzato, Cryosphere of the Earth, 2014, n. 4.

Per garantire la sicurezza geocriologica durante il funzionamento delle strutture ingegneristiche nella zona del permafrost, lo “schema” utilizza algoritmi collaudati e affidabili per l’interpolazione 2D o 3D di dati “sparsi”. I dati iniziali della temperatura sono divisi in due blocchi:

  • parametri di temperatura delle fonti di calore volumetriche quasi stazionarie dell'oggetto: un pozzo minerario, una serie di condotti di ventilazione volumetrica, un sistema di colonne di congelamento e termosifoni;
  • temperatura della rete di pozzi di misura: pozzi termometrici verticali e pozzi orizzontali, nonché singoli sensori di temperatura all'ingresso e all'uscita del sistema di congelamento.

"Schema" fornisce la lettura della geometria dell'oggetto e della geometria delle reti termometriche dei pozzi, nonché elementi dei disegni costruttivi, in base ai quali viene formata una griglia volumetrica con i dati di temperatura. Previa interpolazione 2D o 3D (opzionale), lo “schema” consente di visualizzare il parallelepipedo di temperatura risultante in un formato adatto alla lettura da parte di altri sistemi grafici professionali (su richiesta del Cliente).

La geometria iniziale dell'oggetto per lo "schema" è formata secondo i disegni costruttivi del noto programma "Surfer".

"Schema" ti consente di:

  • lavorare con un database di osservazioni (automatizzate) a lungo termine e costruire sia sezioni geocriologiche di temperatura che sezioni geocriologiche di tassi di congelamento-scongelamento, sia in forma 2D che 3D;
  • valutare numericamente alcune caratteristiche termofisiche (coefficiente di diffusività termica, ecc.) di terreni e rocce di fondazione di un oggetto direttamente sul campo come soluzione al problema dei coefficienti della più semplice equazione del trasferimento di calore;
  • costruire superfici isotermiche volumetriche all'interno del volume della fondazione (miniera sotterranea), incl. e in dinamica, che permette di valutare la distribuzione spaziale delle aree di transizione di fase e di costruire le caratteristiche termodinamiche dei terreni di fondazione.

"Schema" offre la possibilità di interagire in modo interattivo con il cubo del campo di temperatura costruito:

  • spostati tra le sezioni profonde e verticali con un clic.
  • con un clic, specificare punti aggiuntivi su una fetta di profondità, indicando la nuova temperatura in essa e ricalcolando l'interpolazione su questa fetta di profondità.
  • effettuare la correzione dei pozzi corti nell'intervallo di estrapolazione.

L'uso dell'opzione dell'autore di "estrapolazione" di pozzi corti alla profondità di pozzi lunghi espande significativamente le possibilità delle costruzioni volumetriche nel settore geotecnico. È possibile utilizzare altre opzioni su richiesta del Cliente

Lo “schema” prevede la possibilità di “monitoraggio online” sul display del computer di produzione (basato sulla cronologia esistente delle misurazioni della temperatura a lungo termine) della dinamica della temperatura per tutti i pozzi termometrici delle fondamenta del grattacielo sopra la miniera strutture della miniera sotterranea. Questa funzionalità consente all'operatore della stazione di congelamento di registrare direttamente visivamente l'emergere di andamenti anomali della temperatura nelle dinamiche attuali e di rispondere a situazioni non standard impostando parametri aggiuntivi nel circuito di feedback nel "sistema termometrico - programma residente - sistema di congelamento" dell'ACS.

Lo "schema" è implementato per la versione "calcolo CPU", ma può essere trasferito al caso "calcolo GPU".

Funzionalità Il volume tipico dei dati elaborati arriva fino a 8 GB di RAM per le più grandi miniere sotterranee nella zona di permafrost della Federazione Russa per una tipica fondazione mineraria sotterranea.

Dettaglio Le costruzioni della temperatura mediante l'algoritmo del programma Thermik vengono fornite in dettaglio fino ad ottenere gradienti di temperatura sulla sezione trasversale del palo, fedeli alla sua forma: rotonda o quadrata. Precisione In realtà La costruzione della temperatura è garantita dalla precisione dei sensori di temperatura utilizzati, di norma fino a centesimi di grado Celsius. Erroreè determinato anche dal componente hardware. Tali capacità fornite dall'algoritmo del programma Thermik, attualmente assenti in altri sistemi geotecnici noti, consentono agli operatori di valutare il cosiddetto. sollecitazioni di deformazione termica su pali ed altri elementi (tubazioni, ecc.) al fine di controllarne la distruzione.

Utensili l'implementazione dell'algoritmo è la famiglia C++, nella versione descritta a 64 bit - ambienti di programmazione software. Viene fornito all'utente sotto forma di file eseguibile.