Геометричне моделювання надходження сонячної радіації на поверхні просторових покриттів архітектурних об’єктів - Автореферат

Серед відомих нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії (енергія Сонця, вітру, тепла Землі, біомаси, приливівта відливів, гідроенергія тощо) найбільш вагомим та перспективним для використання в Україні, зважаючи на її природно - кліматичні умови, є сонячна енергія. Однак, характер розподілу сонячної радіації (СР) на більш складних поверхнях та у складній сцені, яка утворена комплексом архітектурних обєктів довільної форми, є складнішою задачею, що потребує окремого розгляду. Зважаючи на високу нелінійність процесу надходження сонячної радіації та нерівномірність її розподілу на складних поверхнях та у часі, актуальною є задача визначення зон, що максимально опромінюються на протязі певного часового інтервалу (сонячних радіаційних зон - СРЗ). розробити континуальні та дискретні геометричні моделі розподілу сонячної енергії на поверхнях оболонок і алгоритми розрахунку рівня надходження сонячної радіації для миттєвої, середньодобової, середньорічної (сезонної) сонячних радіаційних зон; Теоретичною базою для досліджень були роботи провідних вчених: в галузі геометричного моделювання обєктів і процесів на основі прикладної геометрії ліній і поверхонь: К.І.Валькова, В.В.Ваніна, І.С.Джапарідзе, Г.С.Іванова, С.М.Ковальова, І.І.Котова, Л.М.Куценка, В.Є.Михайленка, В.М.Найдиша, В.С.Обухової, В.А.Осипова, А.В.Павлова, О.Л.Підгорного, М.М.Рижова, К.О.Сазонова, І.А.Скидана, В.О.

За темою дисертації опубліковано 18 робіт, з них 10 - у наукових збірниках, затверджених в переліку фахових видань ВАК України, 9 - одноосібно.

Структура і обсяг дисертаційної роботи.

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури із 167 найменувань, додатків. Робота містить сторінок основного тексту, рисунків, таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається сутність і стан наукової проблеми та її значущість,обгрунтовується актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, відбиті наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, зазначено конкретний особистий внесок здобувача, подано перелік основних наукових результатів, що виносяться на захист. Підкреслено, що використання геліоенергетики як найперспективнішого для України напрямку в нетрадиційній енергетиці має першорядне економічне значення, а задачі, розвязання яких сприятиме підищенню ефективності геліосистем, є надвичайно важливими та своєчасними. Відзначено, що що зважаючи на геометричну сутність процесу надходження СР, в його дослідженні особлива роль належить методам геометричного моделювання.

Перший розділ має аналітичний характер. В ньому описано місце геліоенергетики в загальному енергетичному потенціалі України. Відзначено значний досвід, який існує в країні в розвитку даної галузі; коротко систематизовано основні технічні рішення геліосистем та окреслено клас пристроїв, що розглядаються в роботі - стаціонарно розташовані СПП (рідинного чи повітряного типу, фотоелементи) без систем концентрації енергетичного потоку. Підкреслено значення геометричних методів та описано зміст нових геометричних підходів у дослідженні процесу надходження СР на різні поверхні. Далі аналізуються основні фактори, які впливають на процес надходження сонячної радіації на поверхні архітектурних обєктів (рис. 1), тобто встановлюється звязок між енергетикою та геометрією Сонця, комплексом фізичних параметрів, формою та розташуванням будівлі та поверхні, на якій розміщується СПП. Для коректно формулювання вимог до моделі з позицій теорії систем досліджується геометрична картина надходження сонячної радіації на поверхні оболонок; наведено основні залежності, що визначають суть геометричної моделі.. В розділі подані також основні визначення, твердження, обмеження та припущення щодо геометричної моделі. В розрахунках основною змінною, що визначає рівень надходження сонячної радіації на поверхню є напрям сонячного променя в миттєвому положення Сонця відносно площини, дотичної до поверхні в заданій точці. Залежності, які визначають кут між напрямком сонячного променя та нормаллю в точці поверхні мають вигляд:

?- часовий кут, ? - схилення Сонця (період року), ? - широта місцевості.

Основні разрахунки в моделі запропоновано виконанувати для прямої сонячної радіації Ѕпр., оскільки рівні розсіяної та відбитої СР є похідними величинами від Ѕпр.

Другий розділ присвячено створенню геометричних моделей надходження сонячної радіаціїї на поверхні складної форми.

Процес концептуально може бути інтерпретовано з двох точок зору. Перша полягає в інтегруванні миттєвих положень сонячного променя, що надходить в задану точку А, за часовими параметрами ? та ?. В результаті отримуємо значення Ѕ для досліджуваних точок поверхні, після чого будується картина прострового розподілу рівнів Ѕ та визначається ефективна СРЗ. Така концепція є основою для розробки дискретної моделі дослідження наперед заданих поверхонь обєктів та складних сцен у загальному випадку. Другий підхід базується на інтегруванні екстремальних значень СР (за умовою cos ? > min) у просторі. Таке уявлення є зручним для постановки та розвязку задач формоутворення обєктів з СРЗ, що відповідають певним енергетичним умовам (розділ 3).

Оскільки аналітичне визначення інтегральних характеристик опромінення можливе лише за відсутності затінення, сфера практичного застосування неперервних моделей є досить обмеженою. Виконано дослідження енергетичних параметрів відсіків найбільш вживаних аналітично заданих поверхонь. Приведений рівень надходження СР за деякий сезон експлуатації геліопристрою визначався залежністю.

де Sm - кількість прямої СР, що надходить на прощину, нормальну до сонячного променя; Sm є функцією сонячної постійної So = 1353 Вт/м2.

В загальному випадку більш коректною є дискретне уявлення і, відповідно, дискретна модель процесу. Аналогом виразу (2 ) в даному випадку є сума скінченної послідовності миттєвих значень Sk в точці Аі,j (при відповідних

N положеннях сонячного променя на денній траєкторії та M траєкторій на протязі сезону) за зміни параметрів ? та ?:

. ( 3 )

Принциповим моментом розрахунків є визначення кількісних характеристик N та M. Наведено спосіб визначення мінімальної достатньої кількості миттєвих положень Сонця на траєкторії та кількості траєкторій упродовж сезону експлуатації геліопристрою. Показано, що при N ? 20 та M ? 10 значення інтенсивності СР асимптотично наближаються до інтегрального значення, а відхилення ?S знаходяться в межах ступеня чутливості сучасних фотоелементів. Наведено залежності для кутових приростів на множинах траєкторій.

Оскільки дискретна модель призначена для дослідження процесу в складній сцені, для визначення видимості розрахункової точки з миттєвого положення Сонця та спрощення алгоритмів дискретного сумування миттєвих значень S розроблено комплекс допоміжних алгоритмів трасування променів у множині впроядкованих точковових двовимірних проекцій; ці алгоритми є модифікацією відомих алгоритмів компютерної графіки, зокрема, алгоритму Брезенхема, алгоритмів затінення та ін..

Третій розділ присвячено дослідженню "оберненої задачі" - формоутворення поверхонь оболонок за критеріями надходження сонячної радіації. Виконано аналіз можливих постановок та підходів до розвязання даної задачі. Деталізовано розглянуто два підходи: а) виділення поверхні з однопараметричної множини (пучка) поверхонь за критерієм максимуму розмірів ефективної СРЗ; б) - формоутворення поверхні з заданою формою твірної (зокрема, лінійчатої), коли параметри "рухомої" СРЗ аналітично звязані з траєкторією руху Сонця, а умовна швидкість руху найбільш прогрітої точки поверхні є функцією напрямної, яка утворює криволінійну "вісь" СРЗ.

Підхід до визначення раціональної поверхні з єдиним вільним параметром форми або положення зводиться до дослідження на екстремум інтегральних функціоналів, що визначають вид СРЗ. Розглянуто характерні, практично доцільні випадки, описано особливості розвязку, обмеження, наведено варіанти спрощення рішення.

Наведено відповідні аналітичні залежності та приклади формоутворення поверхонь, зокрема, описано лінійчату поверхню як огинаючу однопараметричної множини площин, нормальних до твірних конуса сонячних променів упродовж для в точках криволінійної напрямної заданої довжини.

В четвертому розділі розглянуто основи розробки методики проектування архітектурних обєктів з врахуванням параметрів СРЗ, наведено приклади розрахунків надходження СР на поверхні обєктів різного призначення, описано результати впровадження дисертації.

Як зазначалось вище, основою розробки геометричних моделей, алгоритмів та методики, головним чинником визначення їх структур та особливостей є уявлення про досліджуваний процес як певну складну систему. Розроблено структуру цієї системи, досліджено її взаємозвязки, на основі чого визначено ієрархію задач, які слід розвязувати методами континуального чи дискретного моделювання - в результаті за ступенем складності обєкту визначаються його ознаки щодо процесу надходження СР та конкретизуються необхідні особливості геометричних алгоритмів, що відповідають даномуступеню складності.

Інтегрування задач раціонального розміщення геліосистем в методики архітектурного проектування розглядається на містобудівельному, обємно-планувальному та конструктивному рівнях. Описано формальні вимоги та особливості, які виникають на кожному рівні у звязку з різноманітністю постановок задач щодо дослідження як існуючих обєктів так і можливостей впливу факторів СРЗ на процес архітектурного та геометричного формоутворення.

Програмний комплекс для розрахунку та побудови картини розподілу рівнів надходження СР у складній сцені, утвореній архітектурними обєктами, розроблено в середовищі DELPHI мовою Object PASCAL. Описано структуру програмного комплексу, виконанойого тестування на конкретних прикладах. На рисунку 4 зображено картину розподілу рівнів СР (денна зона для 22.06) на поверхнях вантового покриття обєкту "Електроніка" (впроваджено в інституті КИЇВЗНДІЕП). Вантові покриття мають складну форму і частково перкривають одне одного в просторі. Візуалізацію виконано за допомогою графічного пакету SURFER (Golden Soft Inc.).

ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена розробці геометричних моделей та алгоритмів процесу надходження сонячної радіації на поверхні просторових покриттів архітектурних обєктів з метою оптимізації розташування на них геліоприймальних систем.

В результаті проведених в дисертації досліджень отримані такі результати: 1. На основі комплексного аналізу досвіду використання геліосистем в архітектурі обгрунтовано актуальність задачі оптимізації розміщення геліоприймальних пристроїв на складних поверхнях архітектурних обєктів. Встановлено взаємозвязок фізичних, геометричних, кліматичних та інших факторів, що визначають структуру моделі процесу, на основі чого сформульвано відповідні вимоги до геометричних моделей надходження та дослідження розподілу СР.

2. Створено, узагальнено на випадок складних форм і складної сцени та чисельно досліджено неперервну та дискретну геометричні моделі надходження сонячної радіації на поверхні архітектурних обєктів; на основі методів системного аналізу визначено раціональні межі використання даних моделей.

3. Розроблено геометричні алгоритми розрахунку миттєвої, добової, річної (сезонної) сонячних радіаційних зон; запропоновано алгоритм дискретного сумування миттєвих значень радіації, досліджено його точність; з метою підвищення ефективності дискретного підходу запропоновано ряд допоміжних алгоритмів сканування обєктів, трасування, визначення видимості тощо.

4. Розроблені та досліджені на конкретних прикладах геометричні моделі управління формою поверхні для забезпечення наперед заданих параметрів сонячної радіаційної зони та формоутворення поверхні з наперед заданими властивостями сонячної радіаційної зони.

5. Сформульвано умови узгодження методики автоматизованого ескізного проектування архітектурних обєктів щодо врахування характеру розподілу сонячної радіації на поверхнях обєктів, побудовано їєрархію задач моделювання, досліджено особливості реалізації моделей на містобідівному, архітектурно-планувальному та конструктивному рівнях проектного процесу. Створено демо-версію відповідного програмного забезпечення.

6. Виконано впровадження роботи: в інституті КИЇВЗНДІЕП при проектуванні торгово-розважального комплексу “Електроніка” в м.Ялта; в Спеціальному конструкторському бюро математичних машин і систем Інституту кібернетики ім. В.М.Глушкова НАН України при виконанні наукової теми “Розробка перспективних моделей обєктів будівництва”; в навчальний процес на кафедрі архітектурних конструкцій в Київському національному університеті будівництва і архітектури при викладанні будівельної фізики та у відповідних розділах дипломного проектування.

7. Отримані в роботі результати дозволяють робити висновки та рекомендації щодо раціонального розміщення геліоприймальних пристроїв, що сприяє підвищенню ефективності їх експлуатації. Розроблені методи формоутворення сприяють розширенню класу поверхонь, які можна фикористовувати при проектуванні просторових конструкцій з урахуванням параметрів СРЗ.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Запривода В.И. Метод нахождения зон, получающих максимальное количество солнечной радиации на поверхностях сложной формы. // Прикл. геометрия и инж. графика. - 1986. - Вып.41. - С. 55-56.

2. Запривода В.И. Алгоритм дискретного получения зон солнечной радиации на сложных поверхностях. // Прикл. геометрия и инж. графика. - 1987. - Вып. 43. - С. 64-65.

3. Подгорный А.Л., Запривода В.И. К вопросу создания геометрической модели процесса поступления солнечной радиации на поверхности оболочек. // Прикл. геометрия и инж. графика, -1987.- Вып. 44. - С. 11-15.

4. Запривода В.И. Автоматизация определения зон рационального размещения сонцеприемных устройств на поверхности оболочек. // Прикл. геометрия и инж. графика. - 1988.- Вып. 45. - С. 42-44.

5. Запривода В.И. Получение поверхностей, содержащих солнечные радиационные зоны заданых параметров. // Прикл. геометрия и инж. графика. - 1988. - Вып. 46. - С. 66-67.

6. Запривода В.И., Козачок А.Л. Формообразование поверхностей рациональных для восприятия солнечной энергии. // Геометрическое моделирование в строительстве и архитектуре. Сб. науч. тр. - К.: УМК ВО, 1990. - С. 97-101.

7. Гурак В.Н., Запривода В.И., Плоский В.А., Подгорный И.А. Геометрические вопросы проектирования многомодульного вантового покрытия// Прикл. геометрия и инж. графика. - 1990. - Вып. 49. - с. 71-74.

8. Запривода В.И. Методика и программный комплекс определения уровня поступления солнечной энергии на поверхности форм // Киев. инж.-строит, ин-т. - К., 1989. - 15 с. Дел. в УКРНИИНТИ, 14.06.89, № 1674 - Ук 89.

9. Запривода В.И. Определение оптимального поступления солнечной радиации на поверхности сложных форм. // Тезисы докл. Х всесоюзного научно-технического семинара "Инженерная и машинная графика". Полтава, 1991. - 28 с.

10. Запривода В.И. Дискретизация множеств солнечных траекторий в задачах размещения гелиоприемных устройств. // Прикл. геометрия и инж. графика. - 1996. - Вып. 59. - с. 160-162.

11. Запривода В.И., Плоский В.А. Дискретные геометрические модели в задачах размещения гелиоприемных устройств на поверхности покрытий. // Тез. докл. Первой Всеукр. научно-практической конференции "Экономия теплоты и энергии в проектировании и строительстве". Полтава, 1996. - 168 с.

12. Запривода В.И. Геометрические модели размещения гелиосистем на поверхностях покрытий. - М-лы III Междунар.конф. " Совр. проблемы геом. моделирования ". - Мелитополь, 1996.

13. Запривода В.И. О формообразовании поверхностей покрытий в задачах солнечной энергетики. - .М-лы междунар. научного симпозиума " Начертательная геометрия, инженерная и компьютерная графика ". - Львов, 1996. с. 41.

14. Запривода В.И., Козлов А.П., Плоский В.А., Цой Н.П. Последовательность анализа системы объектов в задачах геометрического моделирования процессов и явлений. // Прикл. геометрия и инж. графика. - 1997. - Вып. 61. - с. 121-124.

15. Запривода В.І., Цой М.П. Системний аналіз обєктів як етап розробки їх геометричних моделей//М-ли Науково-практ.конференції "Інженерна графіка та геометричне моделювання із застосуванням компютерної технології", Рівне, 1997.- С. 47.

16. Запривода В.І., Плоский В.О. Геометричне моделювання в задачах оптимального розташування геліосистем//Proc. 1st Intern. Conference "Technical Meteorology of Carpathians", Lviv, 1998, pp. 170-173.

17. Єлізаров О.А., Запривода В.І. Реалізація задачі розрахунку надходження сонячної радіації на обєкти складної сцени в середовищі DELPHI//Прикл. геометрія та інж. графіка, -1999.- Вып. 66. - С. 223-225.

18. Подгорный А.Л., Плоский В.А., Пугачев Е.В., Запривода В.И., Козак Ю.В. Оболочки: форма и среда// Докл. Международного конгресса по пространственным конструкциям МКПК-98, Москва, 1998. - С. 342 - 349.

Размещено на .ru