Aplikace výpočtového modelu v software Teruna pro tvorbu ...

THE APPLICATION OF MATHEMATICAL MODEL TO CALCULATE THE STABLECLIMATE BY TERUNA SOFTWAREOlga Navrátilová, Zdeněk Tesař, Aleš RubinaVysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budovVýpočtové modelování se stává aktuálním prostředkem pro řešení náročných matematickýchmodelů. Program Teruna je sestaven pro modelování tepelného chovánístájového objektu. Umožňuje analýzu teplotních poměrů ve stáji za různých okrajovýchpodmínek.Computational simulation is actual resources for solving complicated mathematicalmodel. Programme Teruna is make-up for simulation thermal environment inbuildings for animals. Model enable analyses thermal environment in stable in timebehind different boundary conditions.ÚvodVyužívání modelů a modelování je člověku vlastní od dávných dob av technické oblasti se začínaly tyto metody vědomě používat od poloviny 19. stol.Velkého rozmachu se dosáhlo na přelomu 19. a 20. stol. v modelování analogovém apodobnostním. V poslední době se rozvíjí výrazně modelování abstraktní ve forměvýpočtových modelů s počítačovou podporou. Výrazně počítačově orientované výpočtovémodelování se označuje jako simulační modelování, při kterém se na počítačiopakovaně realizuje algoritmus sestavený pro řešení chování objektu, a to pro předemzvolenou strategii vstupních údajů, s cílem simulací vyšetřovat potenciálněmožná chování objektu.Matematický model tepelného mikroklimatu stájeProgram je určený pro simulaci tepelně vlhkostního mikroklimatu stájových objektů.Výpočtový program byl sestaven na základě matematického modelu tepelné úlohy aexperimentálně byly doplněny okrajové podmínky typických pro tento druh staveb,jako je produkce tepla a vodní páry zvířat, odpar z volné vodní hladiny, větrání a adiabatickéchlazení vzduchu, vliv stájové technologie apod. Tyto faktory utvářející stájovéprostředí jsou znázorněny na obr.1.

teplota vzduchuvlhkost vzduchusluneční zářenívítrsložení vzduchuvýslednýstavprostředízvířataustájenítechnologievětránívytápěnístavebníkonstrukceObr. 1 Základní faktory tepelně vlhkostního mikroklimatu stájeModel je sestaven na základě metody tepelné rovnováhy. Výchozím bodem matematickéhomodelu je předpoklad teplotní homogenity řešeného prostoru. Tento předpokladumožňuje uvažovat vedení tepla stěnami jako jednorozměrné. Sluneční radiacepůsobící na neprůsvitné konstrukce se převádí na konvektivní účinek pomocí rovnocennésluneční teploty. Z vnitřních povrchů stěn se šíří teplo konvekcí do vzduchu adlouhovlnným sáláním se předává teplo mezi jednotlivými povrchy. Teplo produkujítaké ustájená zvířata, která jsou v neustálé interakci se stájovým prostředím a předávajíteplo pevným podílem sálání a konvekce. Na základě časové diskretizace vyústířešení do soustavy rovnic tepelné bilance vzduchu a jednotlivých povrchů. Tento mechanismusje znázorněn na obr. 2. Zkušenosti s požíváním programu a validačníúlohy prokázaly, že zjednodušující předpoklady nemají v běžných případech na řešenízásadní vliv a naopak umožní jednoduché zadání geometrie prostoru.Obr. 2 Mechanismus sdílenítepla v uzavřeném prostoru jednakkonvekcí ze stěn do vnitřníhovzduchu, jednak sálánímmezi jednotlivými povrchy

Výpočtový model tepelného mikroklimatu stáje – program TerunaNa základě uvedených předpokladů byl sestaven výpočtový model úlohy, programTeruna. Program zahrnuje model makroklimatických podmínek, který je vstupem prořešení geometrického a fyzikálního modelu stájového prostoru. Struktura programu jeznázorněna na obr. 3.Výsledkem modelového řešení je pole povrchových teplot stěn a teploty vzduchu včase, z nichž lze vyhodnotit výslednou teplotu v prostoru v libovolném časovémokamžiku a posoudit vhodnost různých stavebních, technologických a provozníchřešení ve variantách. Program je uspořádán tak, aby svým prostředím a nároky napotřebné znalosti byl přístupný i uživatelům z řad širší odborné veřejnosti.Princip sekvenčního a simultánního modelování v programu Terunavstupní veličinymeteorologickáměřenígeometrie, fyzikálnívlastnosti stavby,technologie, provozdruh a hmotnostzvířatmodelovéřešenívýstupní veličinyklimatická datareferenční rokprůběh teplotyvzduchu a povrchův časeprůběh tepelnéhotoku do prostředíObr. 3 Struktura programu a sekvenční a simultánní řešení dílčích úlohPro vytvoření tepelného modelu v programu TeRuNa je třeba definovat:1. Zeměpisnou polohu stavby a její nadmořskou výšku;2. Rozměry a tepelně technické vlastnosti použitých prvků, které představují stavebníkonstrukce ohraničující místnost (stěny, podlaha , strop, okna apod.)3. Klimatické podmínky (globální sluneční radiace, teplota a vlhkost vzduchu) nazákladě referenčního roku, který je součástí programu, nebo z vlastních naměřenýchhodnot pro zvolené období roku.4. Vnitřní zdroje tepla a vlhkosti a jejich provoz, tedy umělé osvětlení, systém větrání,příp. vytápění/chlazení, vodní plochy, parametry biologické produkce tepla avodní páry, počet zvířat.

Pro rychlé zadávání požadovaných hodnot je k dispozici knihovna předdefinovanýchprvků stavebních konstrukcí i biologických produkcí zvířat. Prvky, které program zohledňujeve výpočtu jsou naznačeny na obr. 4.KlOkVeOsSvBiStAWAkVo Po Sp Dv VObr. 4 Prvky vstupující do matematického modelu,uvažované tepelné toky,legenda prvků je v tabulceTabulka označení prvků na obr. 4zkratka významzkratka významKl Klimatické veličiny W Venkovní stěnaOk Průsvitné konstrukce Ak Akumulační hmota v místnostiVe Větrání Vo Vodní hladinaOs Ostatní zdroje tepla a vlhkosti Po Podlaha na terénuSv Osvětlení Sp Sálavé plochyBi Biologické zdroje tepla Dv DveřeSt Asymetrická vnitřní stěna V Symetrická vnitřní stěnaA Vnitřní vzduch v místnostiTepelné úlohy jsou ve své obecné rovině komplikovanou problematikou a jistá zjednodušenía idealizace je pro numerické řešení nutná. Řešení úlohy je velmi citlivé navstupní údaje, které jsou často ještě provázeny určitou nejistotou (zejména tepelnětechnické vlastnosti stavebních materiálů) a v určitých případech mohou přímo způsobitšpatnou podmíněnost úlohy.

ZávěrPočítačová simulace je efektivním nástrojem pro porovnání různých variant technickéhořešení pro vytvoření kvalitního stájového prostředí. Úroveň stájového prostředíje jedním z určujících faktorů zdravotního stavu a užitkovosti zvířat. Výzkum interakcezvířete a stájového prostředí vyžaduje jako vstupní údaje znalost časového průběhuzákladních veličin vnitřního prostředí, zejména jeho teplotní a vlhkostní složky aprávě model tepelného mikroklimatu, jako je program Teruna, může být pro tyto úlohyužitečným nástrojem.Podrobné informace týkající se výpočtového modelu stájového prostředí včetně výsledkůověřování modelu a dalších aktivit v oblasti modelování vnitřního prostředíbudov jsou k dispozici k odborné diskusi na www.volny.cz/virtualworld.Literatura[1] Janíček P., Ondráček E.: Řešení problémů modelováním, VUT Brno, FS 2001[2] Halahyja M., Chmúrny I., Sternová Z.: Tepelná technika budov, Jaga group Bratislava1998, 224 s.[3] Chyský Jaroslav: Výpočet teplot vzduchu v místnostech bez klimatizace v letníchpodmínkách, VVI 1/95, str. 40-44[4] Kuneš Josef.: Modelování tepelných procesů, SNTL Praha 1989, 392 s.[5] Navrátilová.O: Experimentální modelování mikroklimatu budov, VII. vedecká konferencias medzinárodnou účasťou Stavebnej fakulty Technickej univerzityv Košiciach, Košice 2002