Расчет отопления – необходимый шаг для эффективности системы обогрева строения
(Примечание. Эти учебные пособия предназначены для предоставления наглядных примеров того, как использовать программный пакет AMBER для проведения моделирования, которое можно запустить на простой рабочей станции за разумный период времени. Они не обязательно обеспечивают оптимальный выбор параметров или методов. для конкретной области применения.)
Авторское право Росс Уокер, 2005 г.
РУКОВОДСТВО B3 – РАЗДЕЛ 4
Практический пример: прогнозирование структуры всех атомов и моделирование складывания
стабильного белка (пептида складывающейся Trp-клетки)
Этап 4: Прогрев системы.
Следующим этапом является выполнение некоторого MD в этой системе. Мы начнем с медленного нагрева системы в течение 50 пс всего за 7 стадий. Выполнение нагрева поэтапно снижает вероятность того, что система взорвется, позволяя ей уравновеситься при каждой температуре. Альтернативным вариантом может быть использование ограничителей веса для управления нагревом. Дополнительную информацию см. в руководстве AMBER. Обычно мы проводим моделирование МД при температуре 300 К (комнатная температура). Тем не менее, мы должны сослаться на комментарий, который они делают в статье:
МД-моделирование продолжительностью 100 нс было выполнено при 300 К, но все они были кинетически захвачены в этом временном масштабе, демонстрируя сильную зависимость от начальных условий и неспособные сходиться к аналогичным конформационным ансамблям. Поэтому мы увеличили температуру до 325 К.
Они обнаружили, что необходимо нагреть систему до 325 К, чтобы избежать кинетической ловушки в локальных минимумах. Поэтому мы поступим так же. При работе при повышенных температурах необходимо тщательно продумать временной шаг, поскольку колебания в системе будут более выраженными. Это означает, что если бы вы работали при 600 К с временным шагом 2 фс, этого обычно было бы достаточно для встряхивают системы на 300 К, время между обновлениями будет слишком большим и приведет к нестабильности. К счастью, 325 К достаточно близко к 300 К, поэтому мы можем уйти с временным шагом в 2 фс, пока мы ограничиваем связи, включающие водород. Однако, если мы позже нагреем систему до 400 К, нам, вероятно, потребуется уменьшить временной шаг до 1.5 фс или около того.
Поскольку наша исходная структура представляет собой построенную вручную структуру, а не экспериментальную кристаллическую структуру, она, вероятно, изначально будет намного менее стабильной, чем экспериментальная структура. Чтобы позволить нашей исходной системе релаксировать управляемым образом, мы будем использовать очень короткий временной шаг 0.5 фс для стадии нагрева, а затем переключимся на 2 фс для уравновешивания. Это, вероятно, излишне, но лучше перестраховаться, чем сожалеть. Здесь мы также установим частоту записи координат (nc) равной 50 (ntwx = 50). Это очень высокая частота записи, которая может привести к снижению производительности при больших параллельных симуляциях, но во время самого начального нагрева существует повышенная вероятность нестабильности системы, тем более что это структура, построенная на основе модели. Установка небольшого количества шагов для каждой записи координат означает, что если проблемы действительно возникнут, мы сможем увидеть, что происходит, и определить, откуда возникла проблема. Когда дело доходит до производства MD, более подходящие значения находятся в диапазоне от 500 до 1000 шагов. В этой системе всего 304 атома, поэтому каждая система координат будет довольно маленькой, поэтому мы можем безопасно записывать каждые 500 шагов или около того на этапе производства, не влияя на производительность. Однако, если это была большая явная симуляция растворителя, работающая параллельно на большом кластере, то, если по какой-то причине не требуется более частая выборка, мы должны стремиться записывать координаты каждые 2–5 пс или около того. Для временного шага 2fs это будет означать установку ntwx между 1000 и 2500.
Итак, наш протокол прогрева системы будет таким:
Шаг 1 — 10,000 0.5 шагов, временной шаг 5 фс (0.0 пс), начальная температура = 50.0 К, целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Шаг 2 — 10,000 0.5 шагов, временной шаг 5 фс (100.0 пс), целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Шаг 3 — 10,000 0.5 шагов, временной шаг 5 фс (150.0 пс), целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Шаг 4 — 10,000 0.5 шагов, временной шаг 5 фс (200.0 пс), целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Шаг 5 — 10,000 0.5 шагов, временной шаг 5 фс (250.0 пс), целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Шаг 6 — 10,000 0.5 шагов, временной шаг 5 фс (300.0 пс), целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Шаг 7 — 40,000 0.5 шагов, временной шаг 20 фс (325.0 пс), целевая температура = 1.0 К, константа температурной связи = XNUMX пс
Вот первый входной файл:
Остальные 6 входных файлов очень похожи, только изменены соответствующие параметры. Они доступны здесь: (heat2.in,heat3.in,heat4.in,heat5.in,heat6.in,heat7.in).
Вот сценарий PBS, который я использовал для запуска симуляций, вы можете изменить его для своей системы:
Эти 7 симуляций занимают в общей сложности около 7 минут на 16 процессорах SGI Altix с тактовой частотой 1.3 ГГц. Вот выходные файлы, вы можете скачать их по отдельности или как один файл tar.gz:
Вы должны загрузить файлы nc в VMD, чтобы вы могли наблюдать, что происходит во время нагрева. Вы должны увидеть, как система начинает складываться. Мы не слишком беспокоимся о структурах, которые сэмплируются на этом этапе, нам просто нужно убедиться, что все выглядит нормально и ничего странного не происходит.
Вот окончательная структура файлаheat7.nc:
Мы начинаем видеть некоторое формирование альфа-спирали, но нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы начнем видеть стабильные складчатые структуры.
(Примечание. Эти учебные пособия предназначены для предоставления наглядных примеров того, как использовать программный пакет AMBER для проведения моделирования, которое можно запустить на простой рабочей станции за разумный период времени. Они не обязательно обеспечивают оптимальный выбор параметров или методов. для конкретной области применения.)
Авторское право Росс Уокер, 2005 г.
Расчет отопления – необходимый шаг для эффективности системы обогрева строения
Когда зимняя расчетная температура ниже 60ºF, Международный жилищный кодекс требует, чтобы жилое помещение имело отопительные устройства, способные поддерживать минимальную комнатную температуру 68ºF в жилых помещениях. Переносные обогреватели помещений не могут использоваться для удовлетворения этого требования. Должна быть установлена стационарная система отопления.
В зданиях мы относимся к тепловому потоку по-разному. Наиболее распространенной ссылкой является значение R или сопротивление тепловому потоку. Чем выше значение R материала, тем больше он будет ограничивать потерю или приток тепла. U-фактор (иногда называемый U-значением) — это мера потока тепла (коэффициент теплопередачи) через материал с учетом разницы температур с обеих сторон. В системе дюйм-фунт (IP) U-фактор представляет собой количество БТЕ (британских тепловых единиц) энергии, проходящей через квадратный фут материала в час на каждый градус Фаренгейта разности температур материала (БТЕ/ ft 2 hr°F или BtuH). В метрической системе коэффициент U обычно выражается в ваттах на квадратный метр на градус Цельсия (Вт/м 2 °C).
Расчеты потерь тепла выполняются для определения того, подходит ли предлагаемая система отопления (или охлаждения) для подачи и поддержания желаемой температуры внутри конструкции, как указано в нормах. Эти расчеты также используются для оценки годовых затрат на отопление или охлаждение системы.
· Используйте расчетную температуру 97.5% (зима) из одного из следующих вариантов:
o Приложение D к Международному сантехническому кодексу (http://publicecodes.cyberregs.com/icod/ipc/2012/icod_ipc_2012_appd.htm) или
o Публикация проектных данных NOAA.
o Местные климатические данные или местные погодные условия, определяемые должностным лицом здания.
· Важная информация о конверсии:
Вт x 3.21 = БТЕ/час
БТЕ/час x 2931 = Вт
· A1 – Пример чертежа хозяйственного сарая
· Передача нагрузки Worksheet.xls
· Файл диаграммы значений R
· Компьютер с доступом в Интернет
Потери тепла из подсобного помещения
В этом упражнении вы рассчитаете общую нагрузку по передаче тепла, измеренную в БТЕ/ч, для примера хозяйственного сарая, показанного на чертеже A1.
· В этом упражнении пол игнорируется
· Одна двойная дверь, 72 дюйма. х 7 футов
· Два окна с одинарным остеклением, 2 фута х 4 фута
· Желаемая внутренняя температура 70°F
· Расположение сарая: Бостон, Массачусетс
1. R-значение — Западная стена — это пример того, как завершить каждую стену, дверь, окно и потолок. Заполните таблицу на странице 4.
Рассчитайте общее значение R для каждой поверхности, включая четыре стены, дверь, окна и конструкцию потолка/крыши.
Используйте диаграмму R-значения, чтобы найти R-значение для отдельных слоев внутри стены. На чертеже A1 показаны различные слои, из которых состоит стена и потолок/крыша. Включите внутренний слой воздушной пленки.
Вычисление R-значений сборки
Значения R, которые являются стандартными в строительной отрасли, определяют термическое сопротивление материала. Чем выше значение R, тем лучше изоляция от теплопередачи. Более высокое значение R означает, что через материал проходит меньше тепловой энергии. Используйте раздаточный материал R-Value and Densities Charts, чтобы определить R-значения для отдельных компонентов.
Значение R для сборок компонентов, таких как система стены или крыши, может быть определено путем сложения значений R всех компонентов сборки. Значение R для стены примера подсобного сарая будет рассчитываться следующим образом:
Деревянный сайдинг со скосом (3/4 дюйма x 10 дюймов)
Деревянная обшивка (OSB – низкая плотность = 1.41 x 5 дюйма толщины)
Р-11 Бат Изоляция 1
Деревянная обшивка (OSB – низкая плотность = толщина 1.41 x 5 дюйма)
Внутренняя воздушная пленка
R-значение для примера стены хозяйственного сарая
1 Обратите внимание, что изоляция R-11 не допускается в качестве изоляции стен деревянного каркаса в жилых помещениях в соответствии с Международным кодексом энергосбережения (IECC) 2012 года. Минимальное предписанное значение R изоляции (включая только изоляционные материалы, а не другие компоненты) в соответствии с IECC 2012 г. составляет R-13 для климатических зон с 1 по 3 (и выше для других климатических зон). Однако, поскольку это не бытовое применение, мы будем использовать менее дорогую изоляцию R-11.
