Расчета температурных полей. Расчет температурных полей в программе ELCUT Программа для расчета температурных полей ограждающих конструкций

С вводом в действие СП 50.13330.2013 в разделе Энергоэффективность потребуется определять приведенное сопротивление теплопередаче по результатам расчета температурных полей. Некоторые экспертизы эти расчеты уже требуют, хотя сами эксперты в этом ничего не соображают.

Расчет ТП вроде бы можно выполнять в разных програмах (на форуме это обсуждалось). Однако большинство из таких программ освоить обычным архитекторам и инженерам очень сложно. Можно сформулировать требования к такой программе:
1. Она должна делать то, что требуется для расчета приведенного сопротивления по СП 50 и, по возможности, не делать ничего лишнего.

2. Программа должна быть доступна для освоения обычным инженером или архитектором, у которого нет времени полжизни тратить на изучение какого-нибудь программного монстра наподобие ANSYS.

3. Программа должна иметь русскоязычный интерфейс.

4. Программ должна быть хорошо документирована и иметь справочную систему.

5. Программу можно скачать хотя бы для опробования перед покупкой.

Вроде бы ничего особенного в этих требованиях нет? Но выполнить их не так-то просто. Казалось бы таких программ должно быть много. И кажется, что их много, а выбрать не из чего. Можете сами поискать в Интернете и попробовать.

Однако пример одной такой программы мы приведем. Это ELCUT. Она удовлеворяет большинству (но не всем) нашим условиям.

1. ELCUT вполне может выполнять расчеты температурных полей, хотя делает ещё много чего полезного, но нам не нужного.

2. ELCUT легко освоить. Первый раз, при знакомстве, на расчет можно потратить полдня, па потом - максимум полчаса.

3. ELCUT имеет русскоязычный интерфейс.

4. ELCUT оснащена превосходной справочной системой и дополнительными обучающими видео-роликами.

5. ELCUT имеет бесплатную "студенческую" версию, которой вполне достаточно для решения наших задач. В "студенческой" версии ограничено количество узлов расчетной сетки, но для задач, подобных нашим этого вполне достаточно - надо только разумно задать шаг узлов.

Разобравшись с этой программой я написал по ней небольшую документацию с разборкой конкретного примера расчета. А также как использовать результаты этого расчета в пояснительной записке раздела 10.1, да так, чтобы никакой эксперт и не подумал "возникать".

Сообщение #2 от fylosov
Спасибо за Ваш труд!
Для себя, прорешав несколько простых примеров, понял что ELCUT завышает теплопотери в 2 раза. Баг это или фича - выяснять нет ни времени ни желания.
В Вашем примере расхождение тоже примерно двухкратное.

Я не оцениваю - больше или меньше. Величина теплового потока, показываемая любой программой расчета температурных полей зависит исключительно от того, какой граничный элемент (его размер) укажет пользователь. В ELCUT это делается указанием, в других программах - указанием "ребра". А тум можно как угодно сделать - и в 2 раза больше, и в 4 раза меньше задать.

По идее в СП (раз уж ввели обязательный расчет ТП) должны были четко расписать и требования. А там ничего нет - одна картинка, происхождение которой вообще неизвестно.
Страх и ужас...
Так скоро энергоэффективность по количеству страниц догонит (и обгонит) охрану окружающей среды (~300 листов табличек 7-8 шрифтом)
Если несколько зданий, так и побольше будет. И это заложено самим П87. Там везде требуется "обоснование". На основании этого чрезмерно ретивые и дотошные эксперты требуют "расписывать по цифрам" ход расчета по каждому показателю - откуда что взялось, как считали. Если бы, как положено, в записке приводились результаты, а "обоснования" были бы в архиве, объем был бы меньше. Но они бы все равно расчеты затребовали бы и их все равно надо оформлять.

А с введением изменений в П87 будет ещё хуже - это будет уже не один раздел, а "глава" почти в каждом разеле.

Расчет температурных полей участков ограждающих конструкций зданий и сооружений

Назначение программы

Программа предназначена для расчета (двумерных и трехмерных) температурных полей участков ограждающих конструкций зданий и сооружений.

В результате расчета будут получены:

тепловой поток, проходящий через рассчитываемый участок;
температуры в каждой расчетной точке температурного поля рассчитываемого участка ограждения;
температуры на внутренней поверхности рассчитываемого ограждения и точка с минимальной температурой на внутренней поверхности;
графическое изображение температурного поля рассчитываемого ограждения;
изотермы температурного поля рассчитываемого ограждения.

Характеристика программы

Расчет температурного поля выполняется методом сеток.

Расчет может быть произведен точным методом и методом приближений. Максимальное количество расчетных точек при точном методе 100 тысяч для двухмерного поля и 60 тысяч для трехмерного поля. Максимальное количество точек для метода приближений не установлено и определяется возможностью компьютера и монитора.

Ввод данных выполняется графическим методом.

Размеры участка ограждения (узла) и шаг сетки задается пользователем.

Для трехмерного поля пользователем задается количество слоев и их высота. Ограничения по количеству расчетных точек определяются возможностью компьютера.

Размеры столбцов, строк и слоев задаются пользователем (мм). Рекомендуется принимать размеры ячеек в диапазоне 5100 мм в зависимости от характера решаемой задачи.

Ширина для каждого столбца и строки может быть задана отдельно. При задании исходных данных сначала задаем габариты и шаг равномерной сетки. Затем можно переопределить размеры отдельных столбцов, строк и получить сетку с неравномерным шагом. Однако на экране монитора в любом случае отражается равномерная сетка. При этом размеры столбцов и колонок неравномерной сетки отображаются по периметру расчетного поля.

В расчетном узле максимальное количество материалов 8.

Значение температуры наружного и внутреннего воздуха устанавливается пользователем в диапазоне от −100 до +2000°C. Может быть установлено 2 внутренние температуры и одна наружная.

Значение коэффициента теплопередачи на внутренней и наружной поверхности задаются пользователем (в диапазоне 150).

Граничные условия определяются параметрами 2 температуры внутреннего воздуха, температура наружного воздуха и преграда тепловому потоку.

Ограничений на создание граничных условий по четырем параметрам нет.

По умолчанию в программе заданы граничные условия. Верхний горизонтальный ряд граничит с наружным воздухом. Нижний ряд с внутренним воздухом. Левый и правый столбец температурного поля имеют преграду тепловому потоку соответственно слева и справа.

Область применения Построение объемных температурных полей в геоинженерии, геотехнике, геотермике и горном деле по данным термометрических сетей в криолитозоне. Знание температурного состояния пород и грунтов оснований инженерных сооружений в крилитозоне - гидроузлов, надшахтных сооружений подземных рудников, эксплуатируемых зданий, ТЭЦ возведенных на вечной мерзлоте - залог их безопасной эксплуатации. Область применения программы также определяется тем, что более что 60% территории РФ географически расположено в криолитозоне Земли.

Описание алгоритма Алгоритм представляет собой численную реализацию авторской схемы (далее "схема") в рамках классической системы автоматизированного управления с прямыми и обратными связями. Предназначен для обработки пространственно распределенных температурных данных "рассеянного" типа в методе смены стационарных состояний при решении геотеплофизических задач для медленнопротекающих процессов, повсеместно возникающих в геоинженерии (особенно в осваиваемых районах Севера и Арктического шельфа).

Общие элементы алгоритма и некоторые результаты работы программы приведены в статье .

В.В. Неклюдов, С.А. Великин, А.В. Малышев, Контроль температурного состояния оснований рудников в криолитозоне средствами автоматизированного мониторинга, Криосфера Земли, 2014, №4.

Для обеспечения геокриологической безопасности при эксплуатации инженерных объектов в криолитозоне "схема" использует проверенные и надежные алгоритмы 2D или 3D интерполяции "рассеянных" данных. Исходные температурные данные разбиты на два блока:

температурные параметры объемных квазистационарных тепловых источников объекта: шахтный ствол, совокупность объемных вентиляционных каналов, система замораживающих колонок и термосифонов;
температуры измерительной скважинной сети: вертикальные термометрические скважины и горизонтальные скважины, а также единичные температурные датчики на входе и выходе замораживающей системы.

"Схема" обеспечивает чтение геометрии объекта и геометрии скважинных термометрических сетей, а также элементы строительных чертежей, в соответствии с которыми формируется объемная сетка с температурными данными. После 2D или 3D интерполяции (опционально), "схема" позволяет вывести полученный температурный параллелепипед в формате, пригодном для чтения другими (по желанию Заказчика) профессиональными графическими системами.

Исходная геометрия объекта для "схемы" формируется по строительным чертежам в известной программе "Surfer".

"Схема" позволяет:

работать с БД многолетних (автоматизированных) наблюдений и строить как геокриологические температурные разрезы, так и геокриологические разрезы скоростей промерзания-оттаивания, причем как в 2D, так и 3D виде;
численно оценивать некоторые теплофизические характеристики (коэффициент температуропроводности и др.) грунтов и пород фундамента объекта непосредственно в полевых условиях как решение коэффициентной задачи простейшего уравнения теплопереноса;
строить объемные изотермические поверхности в объеме фундамента (подземного рудника), в т.ч. и в динамике, что позволяет оценить пространственное распределение областей фазовых переходов и выйти на построение термодинамических характеристик грунтов фундамента.

"Схема" предоставляет возможность интерактивной работы с построенным кубом температурного поля:

одним кликом перемещаться между глубинными и вертикальными срезами.
одним кликом задавать дополнительные точки на глубинном срезе с указанием новой температуры в ней и проведением перерасчета интерполяции на этом глубинном срезе.
осуществлять коррекцию коротких скважин в интервале экстраполяции.

Применение авторской опции "экстраполяции" коротких скважин до глубин длинных скважин существенно расширяет возможности объемных построений в геотехнической индустрии. Возможно использование других возможностей по желанию Заказчика

"Схема" предоставляет опцию "online - мониторинга" на дисплее производственного компьютера (по имеющейся истории многолетних температурных измерений) динамики температур по всем термометрическим скважинам фундамента надшахтных высотных сооружений подземного рудника. Такая возможность позволяет оператору замораживающей станции напрямую визуально фиксировать появление трендов аномальных температур в текущей динамике и реагировать на нестандартные ситуации путем задания дополнительных параметров в контуре обратной связи в САУ «термометрическая система -резидентная программа - замораживающая система».

"Схема" реализована для версии «CPU-расчетов», однако может быть перенесена на случай «GPU-расчетов».

Функциональные возможности Типичный объем обрабатываемых данных составляет до 8 Гб ОП для крупнейших подземных рудников в криолитозоне РФ на один типовой фундамент подземного рудника.

Детальность температурных построений алгоритмом программы "Термик" обеспечивается с детальностью до получения температурных градиентов на поперечном сечении сваи, с точностью до ее формы - круглая или квадратная. Точность собственно температурных построений обеспечивается точностью используемых температурных датчиков - как правило, до сотых градуса Цельсия. Погрешность также определяется аппаратурной составляющей. Такие возможности, предоставляемые алгоритмом программы «Термик», которые в настоящее время отсутствуют в других известных геотехнических системах, позволяют эксплуатационникам оценивать т.н. температурные деформационные напряжения на сваях и других элементах (тюбинги и проч.) в целях контроля их разрушения.

Инструментальные средства реализации алгоритма - семейство C++, в описываемой версии 64bit - программных сред программирования. Для пользователя поставляется в виде исполняемого файла.

Общие элементы алгоритма и некоторые результаты работы программы приведены в статье .

температурные параметры объемных квазистационарных тепловых источников объекта: шахтный ствол, совокупность объемных вентиляционных каналов, система замораживающих колонок и термосифонов;
температуры измерительной скважинной сети: вертикальные термометрические скважины и горизонтальные скважины, а также единичные температурные датчики на входе и выходе замораживающей системы.

Исходная геометрия объекта для "схемы" формируется по строительным чертежам в известной программе "Surfer".

"Схема" позволяет:

работать с БД многолетних (автоматизированных) наблюдений и строить как геокриологические температурные разрезы, так и геокриологические разрезы скоростей промерзания-оттаивания, причем как в 2D, так и 3D виде;
численно оценивать некоторые теплофизические характеристики (коэффициент температуропроводности и др.) грунтов и пород фундамента объекта непосредственно в полевых условиях как решение коэффициентной задачи простейшего уравнения теплопереноса;
строить объемные изотермические поверхности в объеме фундамента (подземного рудника), в т.ч. и в динамике, что позволяет оценить пространственное распределение областей фазовых переходов и выйти на построение термодинамических характеристик грунтов фундамента.

"Схема" предоставляет возможность интерактивной работы с построенным кубом температурного поля:

одним кликом перемещаться между глубинными и вертикальными срезами.
одним кликом задавать дополнительные точки на глубинном срезе с указанием новой температуры в ней и проведением перерасчета интерполяции на этом глубинном срезе.
осуществлять коррекцию коротких скважин в интервале экстраполяции.

"Схема" реализована для версии «CPU-расчетов», однако может быть перенесена на случай «GPU-расчетов».