Текст книги "Энергетика глазами молодых (сборник)"

BIM-проектирование как новый этап в развитии проектирования инженерных систем

Вакуленко С. В. – студент группы Э-31 РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Ничто не стоит на месте и проектирование инженерных систем – не исключение. Еще одним доказательством этого является появление такого процесса как BIM-проектирование. BIM – Building Information Model – идея создания компьютерной модели всего проектируемого здания, которая будет содержать полную и развернутую информацию о нем от начала проектирования и вплоть до его демонтажа. Данная мысль была впервые сформулирована еще в 1975 году профессором Технологического института Джорджии Чаком Истманом. Но только не так давно началось массовое обсуждение и попытки к реализации этого инноваторского, принципиально нового подхода.

На рисунке 1 представлена схема, визуализирующая BIM модель здания.

Данное моделирование – это комплексный подход к решению задач проектирования строительства, инженерных систем; сбор информации о состоянии объекта на протяжении всего его жизненного цикла. В основе лежит трёхмерное моделирование с полной межсистемной интеграцией систем за счет связи атрибутов проекта с единой базой данных, что является важным аспектом в случае внесений изменений в какую-либо систему.

На данный момент уже есть отечественный опыт BIM-проектирования. Одной из компаний, ведущих разработку методик работы в средах BIM-проектирования является проектная мастерская «Артпот». На основании пробных работ мастерской «Артпот», выполненных в среде Revit, которая, в свою очередь, является средой для BIM-проектирования, были сделаны следующие выводы:

Рисунок 1 – Схема жизненного цикла проектируемого здания

1. Существует как минимум 3 проблемы (сложности) при данном виде проектирования:

– единая проектная сущность: работа с одним файлом-проектом, единым для всех проектировщиков различных инженерных систем;

– постоянное взаимодействие всех участников процесса: слаженная связь всех работников, занятых единым проектом;

– единая структура хранения и передачи данных: создание единых правил использования и изменения общих файлов, а также настройка удаленного доступа для одновременной работы инженеров смежных систем.

2. В настоящих условиях быстрый переход на BIM-проектирование, отказавшись от привычного и надежного программного обеспечения, невозможен. Поэтому переход должен осуществляться плавно – сначала возможна работа в среде с частью проекта, потом с использованием так называемого связующего звена – программы, которая привычна инженерам, а лишь только потом возможен полный переход при условии постепенного обучения персонала.

3. Следующим этапом в проектировании, вероятно, будет переход к проектированию в четырех измерениях, что подразумевает под собой динамичное развитие проекта уже на этапе строительства, то есть представление проекта в виде динамичной виртуальной модели. Это позволит прийти к безбумажному проектированию, что является неизбежностью в связи с неуклонно возрастающим потоком мультимедии. Кроме того, это сохранит огромный объем материалов, необходимых для печати документации.

Что же касается практической пользы от данного вида проектирования: BIM-проектирование позволяет собрать единую виртуальную модель, в которой возможно совместить работу инженеров различных инженерных систем. Это, в свою очередь, является очень удобным инструментом для работы с заказчиком при проектировании, при внесении изменений в проект, а также при анализе эксплуатируемого здания. Также этот проект является объектно-ориентированной цифровой моделью не только объекта, но и процесса его строительства. Как и было уже сказано, BIM-модель является идеальным инструментом для непосредственной работы проектной компании с заказчиком, так как заказчик может видеть все инженерные решения проекта, как совмещенно по всем системам, так и развернуто (отдельно по каждой). Это минимизирует или даже исключает фактор недопонимания и оптимизирует дальнейшую работу.

В ходе разработки платформ для BIM-проектирования обсуждался вопрос о формах вывода информации о модели. На данный момент общепризнанными, обеспечивающими универсальность и эффективность, формами являются:

– 2D и 3D чертежи модели;

– 2D файлы и объемные 3D модели для использования в различных CAD-программах;

– таблицы, ведомости, спецификации;

– файлы для использования в Интернет;

– файлы с инженерными заданиями на изготовление входящих в модель изделий и конструкций;

– файлы-заказы на поставку оборудования и материалов;

– результаты тех или иных специальных расчетов;

– видеоматериалы, отражающие моделируемые процессы;

– файлы с данными для расчетов в других программах;

– файлы презентационной визуализации и анимации модели

– виды объемных разрезов и других полных или не полных фрагментов проектируемого здания

– файлы для трехмерной печати;

– данные для изготовления модели или ее частей на станках с ЧПУ, лазерных или механических резаках либо других подобных устройствах;

– любые другие виды предоставления информации, которые потребуются при проектировании, строительстве или эксплуатации здания.

Несмотря на всю кажущуюся идеальность BIM-проектирования, есть особенности, о которых не стоит забывать. Например, нельзя считать, что прошел век классического проектирования, где необходим профессиональный подход опытных проектировщиков. Поэтому никогда не станет ненужной «старая гвардия», а лишь изменится инструмент проектирования. Ведь в BIM-проектировании нет никакого упоминания об искусственном интеллекте – его попросту там нет. Все решения при проектировании по-прежнему будет принимать человек. Комплексный подход при проектировании требует к себе еще большего внимания инженеров, так как необходимо в одной модели совместить проекты различных смежных систем, а соответственно, результаты работы различных специалистов. То есть, не стоит говорить, что BIM работает автоматически, скорее – помогает в сборе и систематизации информации. Кроме того, у BIM есть особенное свойство – модель не является статичной, а скорее наоборот – постоянно изменяющейся, а длительность ее существования полностью перекрывает «жизненный цикл» проектируемого объекта. В то же время, BIM не исключает появление ошибок в проекте. Это объясняется всё тем же – человеческий фактор. Конечно, имеет место и ошибки вследствие сбоя в работе программ, выхода из строя оборудования и других факторов.

Подводя итоги, хотелось бы отметить, что BIM-технология проектирования несомненно является новым витком в эволюции систем проектирования инженерных систем. Как и любая новая технология BIM на сегодняшний момент является "сырой" средой проектирования в виду многих проблем, таких как: сложность проектирования в программном обеспечении; кроме того, одновременная работа проектировщиков над одним проектом является проблемой как с точки зрения программных продуктов, так и обеспечения необходимым оборудованием, что является серьезным пунктом по затратам даже для серьезных проектных мастерских. BIM-проектирование – это новый стиль работы, основанный на новых правилах и принципах, позволяющих совмещать работу различных специалистов в одну модель. Этим принципам необходимо будет научиться инженерам, как только начинающим свою деятельность инженеров-проектировщиков, так и уже опытным работникам, проработавшим не один десяток лет с CAD-программами.

Список использованных источников:

1. Профессия. Переход на BIM-проектирование. Российский опыт [Электронный ресурс]: статья: интернет-издание archspeech. – Москва, 2017. – Режим доступа: http://archspeech.com/article/perehod-na-bim-proektirovanie-rossiyskiy-opyt

2. BIM: что под этим обычно понимают [Электронный ресурс]: статья: isicad. – Москва, 2010. – Режим доступа: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_ num=14078.

3. Что такое BIM [Электронный ресурс]: статья: Группа компаний Инфарс. – Москва, 2016. – Режим доступа: https://infars.ru/bim/

Система антиобледенения главного корпуса Алтайского государственного технического университета

Востриков Е. В. – аспирант, Сологубов А. В. – студент группы 8Э-63 РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Антиобледенительные системы зданий и сооружений, появившиеся сравнительно недавно, доказали свою эффективность и во всем мире используются в строительном производстве целесообразность применения в строительном производстве и жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) [1]. Использование таких систем позволяет исключить образование наледи в водосточных трубах, желобах, воронках и других местах ее наиболее вероятного появления, а также на подходах к зданиям и ступеней крылец.

Образование наледи приводит к уменьшению (вплоть до полного прекращения) оттока воды через водосточные желоба и трубы, что представляет серьезную опасность для жизни и здоровья людей и может привести к значительному материальному ущербу по нескольким причинам:

– отрыв значительных ледовых масс, иногда вместе с элементами водостока, представляет опасность для находящихся внизу людей и может стать причиной повреждения объектов, располагающихся вблизи водостока;

– повышается механическая нагрузка на элементы кровли, что сокращает срок ее службы (разрыв водостоков, появление зазоров в местах стыков кровли и т. д.);

– задержка воды на поверхности крыши приводит к протечкам, от чего страдают этажи, находящиеся непосредственно под крышей, и части фасадов зданий вблизи водостоков;

– необходимость механической уборки снега и льда с крыши, что требует дополнительного финансирования и резко сокращает срок службы крыши.

Использование в качестве нагревательного элемента кабельной продукции недостаточно энергоэффективно из-за небольшой площади теплоотдачи и ряду других причин. В связи с этим актуальным является исследование поверхностно-распределительного обогрева участков, подверженных образованию наледи с использованием многоэлектродных композиционных электрообогревателей (МКЭ) пластинчатой и объемной форм на основе бутилкаучука [2, 3].

Основным элементом антиобледенительной системы являются нагревательные секции, назначение которых преобразовывать протекающий по ним ток. Поэтому мощность на единицу длины (удельное тепловыделение), а также площадь нагревательного элемента – их важнейшие электро—, теплофизические параметры.

Существующие конструкции нагревательных элементов в основном базируются на различных греющих кабелях.

Резистивные кабели имеют постоянное неизменное сопротивление по всей длине и состоят из тепловыделяющей металлической жилы, изоляции, медной оплетки и внешней оболочки. Сегодня на российском рынке представлены резистивные кабели, производимые такими фирмами, как: «СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ», или ССТ (Россия), THERMO, KIMA Heating Cable (Швеция), CEILHIT (Испания), ENSTO TASH (Финляндия), NEXANS Norway AS (ALCATEL, Норвегия / Франция), DEVI (Дания) и др. [4–7].

Технические и стоимостные характеристики основных типов кабелей антиобледенительных систем приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Технические и стоимостные характеристики кабелей для антиобледенительных систем

Анализ кабельных систем обогрева выявил следующие их недостатки:

– одинаковая теплоотдача кабеля по всей длине, это приводит к тому, что на одних участках кабель перегревается, а на других выделяемого им тепла может быть недостаточно для обеспечения удовлетворительного функционирования системы;

– малая площадь теплоотдачи кабеля, что требует использования значительной мощности для успешной работы системы;

– потеря работоспособности кабеля на всей длине секции при выходе из строя нагревательной жилы или повреждении изоляции.

Целесообразность применения электрообогревателей МКЭ в антиобледенительных системах доказана теоретическими и практическими исследованиями [8–9]. Основными преимуществами этих систем являются:

– наличие энергоэффективного распределенного нагрева;

– возможность изготовления электрообогревателей МКЭ, работающих в режимах само– стабилизации и саморегулирования;

– высокая степень изоляции МКЭ, более 1 МОм;

– длительная эксплуатация электрообогревателя МКЭ в условиях солнечной радиации, а также в агрессивной и влажной среде, срок эксплуатации, не менее 50000 часов.

С учетом специфики условий и эксплуатации выбраны два типа электрообогревателей МКЭ: пластинчатые, имеющие габаритные размеры 900х600х10 мм и 200х135х10 мм; и объемные цилиндрического типа, имеющие конструктивные размеры: внутренний диаметр – 24 мм, внешний – 44 мм и длину 200 мм (рисунок 1) [10].

Рисунок 1 ‒Устройство МКЭ: а) пластинчатый; б) объемный

Для антиобледенительных систем разработаны МКЭ, имеющий специальные электрофизические характеристики, например, зависимость удельного объемного электрического сопротивления ρ_v от температуры электропроводного слоя МКЭ от температуры на его поверхности (рисунок 2).

Для приведенных зависимостей характерно, что в первое время идет увеличение удельного сопротивления, затем оно стабилизируется или незначительно меняется для первого вида многоэлектродных композиционных электрообогревателей, что характеризуется положительным температурным коэффициентом ТКρ. Для второго вида многоэлектродных композиционных электрообогревателей после достижения определенной температуры наблюдается снижение удельных сопротивлений, что характеризуется отрицательным ТКρ. Полученные характеристики подтверждают возможность работы МКЭ в режиме самостабилизации и саморегулирования температуры на поверхности.

Для организации антиобледенительной системы главного корпуса АлтГТУ необходимо, прежде всего, определить зоны установки электрообогревателей МКЭ.

1 – с положительным температурным коэффициентом;

2 – с отрицательным температурным коэффициентом

Рисунок 2 ‒ Усредненные зависимости ρ_v электропроводного слоя МКЭ от температуры

В рассматриваемом районе преобладают юго-западные ветры. На рисунке 3 показано, как взаимно расположены вектора движения ветра относительно главного корпуса АлтГТУ.

Большая часть снежных наметов и наледи образуются за препятствием ветра в силу завихрений воздушных масс, следовательно, необходимо увеличение мощности обогрева на северо-восточной стороне корпуса из-за высокой вероятности образования больших наметов и наледи (рисунок 4).

Рисунок 3 ‒ Преобладающие направления движения ветра

Рисунок 4 – Турбулентность воздушных потоков

Периметр крыши главного корпуса равен 577 м. При этом, длина контура юго-западной части крыши равна 297 м (лицевая часть корпуса), а северо-западной части – 280 м.

Количество водостоков равно 33, а их высота с учетом обогрева воронок и места слива воды около 22 м, для обогрева выберем юго-западную часть крыши, и все водостоки. Для обогрева выбираем северо-западную часть крыши и все водостоки (рисунок 5).

Рисунок 5 – Места обогрева крыши Главного корпуса АлтГТУ с указанием длины участков и расположения водостоков

Выбираем принципиальную схему управления с использованием контроллера РТ-200 (рисунок 6).

Рисунок 6 – Принципиальная схема управления антиобледенительной системой на основе МКЭ

Принцип работы системы состоит в следующем. Если температура окружающего воздуха находится в рабочем диапазоне (устанавливается при изготовлении и может быть изменен пользователем), включается реле К1, снимая тем самым блокировку со всех цепей управления. Если предварительно был установлен таймер включения обогрева при входе в температурный диапазон (устанавливается при изготовлении и может быть изменен пользователем), прибор включит обогрев всей кровли (реле К2 и К3) на время установленное в таймере (режим подготовки). По окончании этого времени, обогрев выключится и РТ-200 контролирует состояние датчиков воды и осадков. При возникновении осадков РТ-200 включает обогрев кровли и лотков (реле К2 и К3 соответственно). При отсутствии осадков, прибор отключает обогрев кровли (реле К2). Водосточные лотки и трубы продолжают подогреваться до отсутствия сигнала с датчика талой воды. После этого обогрев лотков и труб будет продолжать работать по встроенному таймеру задержки (устанавливается при изготовлении и может быть изменен пользователем, поскольку зависит от длины водостоков). По окончании времени задержки обогрев отключится. Кроме того, возможно ручное управление прибором в виде принудительного включения обогрева, либо аварийного отключения обогрева.

Список использованных источников:

1. Антиобледенительные системы //Строительный сезон. – 2001. – № 5. С. 28–33. Способ удаления льда с водостоков крыш зданий и сооружений: пат. № 2209906 Рос. Федерация. № 2002118385/03; заявл. 08.07.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. № 22–5 с.

2. Пат. № 2209904 РФ, МПК Е 04 Д 13/00. Устройство для удаления льда с водостоков крыш зданий и сооружений / Т. М. Халина, М. В. Халин, Г. А. Пугачев [и др.] – № 2002102526/03; Заявл. 28.01.2002; Опубл. 10.08.2003, Бюл. № 22–5 с.

3. Пат. № 2209906 РФ, МПК Е 04 Д 13/076. Способ удаления льда с водостоков крыш зданий и сооружений / М. В. Халин, Т. М. Халина, Е. М. Рябикин [и др.], – № 2002118385/03; Заявл. 08.07.2002; Опубл. 10.08.2003, Бюл. № 22–5с.

4. Thermo: [Электронный ресурс] // Sweden.Professional. Режим доступа URL: http://thermoindustri.ru/ —Загл. с экрана.

5. Ceilhit: [Электронный ресурс] // Системы обогрева. Режим доступа URL: http://www.ceilhit.ru/ —Загл. с экрана.

6. Devi: [Электронный ресурс] // By danfoos. Режим доступа URL: https://devi.danfoss.com/ – Загл. с экрана.

7. Ensto tash: [Электронный ресурс] // Saves your energy. Режим доступа URL: http://www.ensto.com/ —Загл. с экрана.

8. Востриков, Е. И. Антиобледенительная система на основе композиционных электрообогревателей/ Е.И. Востриков, М.В. Халин // Энергетика: экология, надежность, безопасность: сборник статей 13-ой Всероссийской научно-технической конференции. – Томск: Изд – во ТГУ, 2007, 52–57 с.

9. Халин, М. В. Многоэлектродный композиционный электрообогреватель для агрессивных и влажных сред / М. В. Халин, Е. И. Востриков // Вестник АГАУ, № 3. – Барнаул: АГАУ, 2015, 130–135 с.

10. ТУ 3468-007-02067824-2003. Многоэлектродные композиционные электрообогрева– тели (МКЭ). № Гос. рег. 004026 / Разработчик М.В. Халин. – Барнаул, 2003. – 24 с.

Разработка активной конструкции солнечного коллектора

Гизбрехт О. П. – студент группы Э-31, Брындин А. И. – студент группы 8Э-61, Белицын И. В. – к.п.н., доцент РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Солнечная энергетика – это один из самых быстро развивающихся альтернативных источников энергии в наше время. Данный источник имеет ряд преимуществ, которые в свою очередь позволяют говорить о перспективности в энергетике.

Основные преимущества:

− экологичность;

− возобновляемость;

− относительно не высокие вложения.

Солнечная энергия является бесплатной и повсеместной. При эксплуатации солнечных коллекторов не происходит вредных выбросов в живую природу. И сам солнечный коллектор полностью вторично перерабатывается.

В большей части России нет централизованного энергообеспечения, поэтому применение солнечных коллекторов и их систем является актуальным для населения.

Из-за постоянного роста цен на энергоресурсы в стране, непрерывное увеличение тарифов на электроэнергию, высокое экологическое воздействие на экологию традиционных источников энергии. Использование солнечных коллекторов становится все более актуальным. Из всех разработок, работающих на солнечной энергии имеющихся на сегодняшний день, солнечные коллекторы являются самыми эффективными устройствами. Назначение вакуумных солнечных коллекторов – это преобразование солнечной энергии в тепловую. На рисунке 1 представлены модели солнечных установок.

Рисунок 1 – Солнечные водонагревательные установки

Существует два основных типа солнечных коллекторов, это вакуумные трубчатые коллектора и плоские коллектора [1]. В нашей работе рассматривается установка-гибрид солнечного параболического концентратора и вакуумной трубки. В настоящее время, подобных конструкций в производстве для домашнего использования не существует, поэтому мы решили провести исследование в этом направлении.

На рисунке 2 представлено общее устройство модели:

− параболический концентратор – металлическая конструкция с отражающим слоем – 1 [2];

− опорная конструкция – жёсткая металлическая конструкция – 2;

− вакуумная тепловая трубка – тепловой приёмник – 3;

− солнечный трекер – система слежения за солнцем – 4;

− линейный актуатор – поворотный механизм – 5.

Рисунок 2 – Общее устройство модели

Управление конструкцией осуществляется посредством электронной платформы «Arduino».

Принятая к исполнению принципиальная схема представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Электрическая схема солнечного трекера.

На основе собранных данных была собрана демонстрационная модель системы слежения за солнцем, представленная на рисунке 4–5.

Рисунок 4 – Демонстрационная модель

Рисунок 5 – Демонстрационная модель

Основным достоинством нашей конструкции является большая эффективная рабочая площадь, которая поддерживается солнечным трекером, в отличии от классических солнечных коллекторов. При разработке солнечного трекера делается упор на снижение стоимости производства устройства, которое будет вполне пригодно для домашнего использования. Немаловажным фактором являлся подбор качественных и недорогих материалов для изготовления узлов и агрегатов данной установки.

Список использованных источников:

1. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс]: Перспективы энергетики. – Электронные данные. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Альтернативная энергетика (дата обращения 06.09.15).

2. Горячее водоснабжение на даче и в доме [Электронный ресурс]: Концентрирующий параболический солнечный коллектор. – Электронные данные. – Режим доступа: http://delaysam.ru/dachastroy/dachastroy56.html (дата обращения 22.09.15)