CC BY
3УДК 728.6.697.87
АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ С ПАССИВНОЙ СИСТЕМОЙ СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Норов Нусиратжон Нуралиевич ТАСУ, доц., n.norov1971@mail.ru
Аннотация: В данной статье рассказывается конструктивные решения малоэтажных жилых зданий с пассивной системой солнечного отопления. Изучение влияния теплоустойчивости здания с пассивной системой солнечного отопления на температурный режим помещений и создание конструктивные решение энергоэкономичных малоэтажных жилых домов применительно для сельских условий Республики Узбекистан.
Аннотация: Ушбу маколада пассив куёш иситиш тизимига эга кам каватли турар -жой биноларининг лойихд ечимлари келтирилган. Пассив куёшли иситиш тизимига эга бинонинг иссиклик баркарорлигининг биноларнинг хдрорат режимига таъсирини урганиш ва Узбекистон Республикасининг кишлок шароитларига татбик этиладиган энергия тежайдиган кам каватли турар-жой биноларининг конструктив ечимини яратишга оид маълумотлар берилган.
Abstract: This article describes the design solutions of low-rise residential buildings with a passive solar heating system. The study of the influence of thermal stability of a building with a passive solar heating system on the temperature regime of premises and the creation of constructive solutions for energy-efficient low-rise residential buildings in relation to rural conditions of the Republic of Uzbekistan.
Калит сузлар: энергия тежамкор технологиялар, куёш энергияси, пассив иситиш тизими, гелиотехник талаб, куёшни кабул килувчи курилма, куёш радиацияси, куёш нурланишининг интенсивлиги, куёшнинг баландлиги, стационар х,олат, ориентация.
Ключевые слова: энергоэффективная технология, солнечная энергия, пассивная система отопления, гелиотехнические требования, солнечное приемное устройство, солнечное излучение, интенсивность солнечного излучения, солнечный баланс, стационарное состояние, ориентация.
Keywords: energy-efficient technology, solar energy, passive heating system, solar engineering requirements, solar receiving device, solar radiation, solar radiation intensity, solar balance, stationary state, orientation.
Введение. В этой статье описывается преимущества пассивного солнечного отопления, изучение влияния теплоустойчивости здания с пассивной системой солнечного отопления на температурный режим помещений, а также методика проектирования ограждающих конструкций, обеспечивающих необходимую теплоустойчивость здания.
Одним из перспективных и экономически выгодных направлений использования возобновляемых источников считается использование лучистой энергии солнца для отопления зданий без применения специальных дорогостоящих гелиотехнических оборудований. Их принято называть пассивными системами гелиоотопления. Благодаря особому архитектурно-планировочному решению, улавливание и аккумулирование солнечной энергии происходит в конструкциях самого обогреваемого здания. Во многих странах пассивные технологии солнечного отопления включены в национальные программы энергосбережения как один из главных энергосберегающих направлений в строительстве [1].
Как видно из анализа развития различных систем солнечного отопления, теоретических исследований, результатов многократного опытного строительства, были выявлены явные преимущества пассивных систем. Они, по отношению с активными системами, эффективны по экономии энергии на отопление, так как работают на более низком температурном режиме. В связи с чем, начиная, с 80-ых годов прошлого столетия предпочтение отдавались именно пассивным системам. Недостатки активных систем в особенности дороговизна специальных гелиотехнических оборудований, сложность их эксплуатации, особенно если гелиоустановки размещаются на крыше. Их бездействие в неотопительный период и проблема, связанная с удалением избытка тепла в летний период являются серьезным препятствием их широкого практического применения [2].
Результаты многолетних исследований, опытные строительства солнечных домов и главное коренное изменение подходов к архитектурному проектированию и конструктивным решениям здания показали явные преимущества пассивных систем солнечного отопления. Дешевизна, простота эксплуатации и самое главное отсутствие необходимости дорогостоящих импортных гелиотехнических оборудований являются их основными преимуществами [4].
Целью настоящих исследований является определение оптимального угла наклона гелиоприемника и сектора допустимой его ориентации применительно для пассивных систем солнечного отопления. Определить пределы возможного отклонения от этих гелиотехнических требований при конкретных ситуациях архитектурного проектирования. На вопрос ориентации гелиоустановок были посвящены много исследований.
Для решения поставленной цели определены следующие задачи исследований: -проведено анализ эффективности солнечного отопления и качеству создаваемого температурного режима;
-проведено натурных исследований температурного режима гелиодома с точки зрения обеспечения расчетной теплоустойчивости обеспечивающий необходимый температурный режим в помещении;
-разработано функциональные модели возможных вариантов объемно-пространственных и конструктивных решений гелио домов;
-выполнено технико-экономическое обоснование строительства малоэтажных жилых домов с пассивной системой солнечного отопления.
Методика расчета. Математическое моделирование температурного режима зданий обогреваемый, меняющийся в течение дня, энергией солнечного излучения рассматривается как процесс обогревания и охлаждения замкнутого пространства при прерывистом отоплении.
Как известно в домах с обычными системами водяного отопления тепловой баланс здания составляются для стационарных условий, с силу применения отопительных систем непрерывного действия способные постоянно поддерживать необходимую температуру в помещении. Суточные колебания температуры наружного воздуха из -за массивности ограждающих конструкций практически не влияли на температурный режим помещения [5].
При моделировании тепловых процессов гелиодомов необходимо учитывать прерывистость солнечного обогрева в суточном цикле и учитывать вероятностные показатели ясной солнечной погоды в чередовании с полуясными и пасмурными днями. Так при ясной погоде максимальная интенсивность солнечной радиации наблюдается в полдень (12-00 часов по солнечному времени) и околополуденные часы. Минимальные значения энергии солнца наблюдаются при восходе и заходе солнца. В географических
КУРИЛИШ
условиях Республики Узбекистан продолжительность солнечного сияния в зимний период составляет 8-10 часов. Теплопотерии помещения или здания в целом за dz период времени должны ровняется тепловыделению за этот же период всех ограждений вместе с воздухом на dt значения температуры.
Я(г^ - ¿н = -¿Ж + ¿Из+ Wldz, (1)
где tв и tн - температуры внутреннего и наружного воздуха;
q - тепловая характеристика помещения; ^из - избыточная температура отопительной системы;
/1 и к - поверхность нагрева, и коэффициент теплоотдачи отопительной системы; Ж - тепловыделение ограждений и обстановки при понижении их
" 1 о
поверхностной температуры на 1 ;
Ж1 - постоянное тепловыделение в 1 час других источников тепла; и - коэффициент, учитывающий отставание в изменении температуры
поверхностей ограждений от температуры воздуха помещения.
Решение дифференциального уравнения как уравнение первого порядка дает нам следующую формулу:
t = -(го - А - Б)еиЖ + Ве с + А , ( 2)
Ж1 о *о + где, А = ?н ч--, В =-и tо - начальная температура помещения.
Я я -иЖ^
с
Полученная формула описывает ход остывания температуры в помещении без учета потерь энергии на обогрев вентиляционного воздуха.
Я - тепловая характеристика помещения, то есть количество тепла, теряемое
1 о
помещением через наружные ограждения в течение часа при 1 разности температур ккал/час град;
о
Я тепло затрачиваемое в течение часа на подогрев вентиляционного воздуха на 1 ккал/час град;
V
т = ___кратность смены воздуха за час;
V
Т - продолжительность вентиляции в часах;
Ж' - тепло, аккумулируемое или отдаваемое строительными конструкциями при изменении их поверхностной температуры на 10, ккал/град;
Ж" - тепло аккумулированное или отдаваемое мебелью и бытовыми
приборами при изменении их температуры на 10, в ккал/град;
Ф - теплопоступление от непосредственного солнечного обогрева ккал/час;
Q" - тепло от галечного аккумулятора в ккал/час;
Q'" - тепло от дублирующей системы отопления в ккал/час.
Предположим, что вентиляция осуществляется, не подогретым наружным воздухом, тогда уравнение теплового баланса для элементарного периода напишется в виде
д1(? — ?н)(т + д2(^ — tн)dт + дз(? — ?н) • е—тт (т + ¡и\¥'(г + Ж"(г = (3) = (2"(т + С (т.
В состав третьего слагаемого уравнения включена экспоненциальная функция, учитывающая сокращение инфильтрации с увеличением кратности смены воздуха за час от организованной вентиляции.
Так как в жилых зданиях с пассивной системой солнечного отопления в силу незначительной кратности воздухообмена, по сравнению с промышленными объектами, можно пренебречь третьим слагаемым, и уравнение теплового баланса при действующей вентиляции принимает более простой вид:
д(1 — Гн )(т + = ((т , (4)
где
д = д1 + д2, ж = ж' + ж" и д = д' + д".
Интегрируя уравнение теплового баланса (4), получим
г = г0е * + (гн + О)(1 — е * )
или
-т --т
г = г0е * + Т(1 — е * ) (5)
где Т = +
Я
Это-основное уравнение для определения текущей температуры в помещениях с солнечным отоплением, простое по форме является сложным, по существу. В его состав входят переменные величины: поступление тепла от солнца, аккумулированное тепло в массивных конструкциях здания и тепло аккумулированное в галечном насадке [3].
Весьма важной величиной, определяющий темп и характер хода изменения температуры, является коэффициент в показателе экспоненциальной функции q/W. Именно этот коэффициент является определяющим в архитектурно-конструктивном решении солнечных домов. Значением этого коэффициента солнечный дом отличаются от зданий с обычными системами отопления.
КУРИЛИШ
30 25 20 15 10 5 0
й
стена
окна
двери
пол
потолок
Рис-1. Структура теплопотерь по ограждающим конструкциям
Расчетные формулы текущей температуры имеют следующий вид:
t = t0e
-0,162Т
+ Т (1
—0,162т
е
),
t = tlдe
-0,151Т
+ Т (1
-0,151т
е
) .
Ниже выполняем расчет текущего изменения температуры в помещении с момента отключения отопления. Расчет выполняется для условий г. Ташкента для января- самого
неблагоприятного месяца отопительного периода, со средней температурой tн = -1,00 С . Окончательные расчетные формулы имеют вид:
, . —0,162Т ,
t = ^е +
Q
л
527,8
1
(1 - е
0,162т
) при 1 кратном воздухообмене и
У
t = t е-о,151т + | _Q__1 |(1 - е-о,151т ) при 0,5 кратном воздухообмене.
0 ^ 491,8 )
Тепловой расчет энергоэкономичного здания с солнечным отоплением построенного
в поселке Бурчмулла Ташкентской области
Архитектурно-планировочное решение здания. Здание двухэтажное сблокированное с мансардой. Архитектурно-планировочное решение выполнено в соответствии с современными требованиями энергоэкономичного строительства и использования солнечной энергии для теплоснабжения зданий [7].
Выполнено зонирование планировочной структуры. Для организации пассивного солнечного обогрева жилые помещения размещены на южной стороне. Что бы минимизировать теплопотери.
Размеры здания: площадь застройки-184м2; строительный объем одного номера-91м3; площадь жилых номеров-27,6м2;
Тепловая характеристика энергоэкономичного жилого дома с солнечным отоплением построенного в Бурчмулле Ташкентской области_
№ п/п Теплопотери через конструкции Площадь 2 м Сопротивление теплопередачи м2 0С/Вт Теплопотери Вт ч/ 0С
1 Стена 3,75 8,5
2 Зимний сад - Вариант 1. 23,7
КУРИЛИШ
- Вариант 2. 15,7
- Вариант 3. 8,1
3 Двери - -
3 Пол*) - -
4 Потолок**-* 2,73 8,1
5 Всего по трансмиссионным потерям Вариант 1. 40,3/80,8 *
Вариант 2. 32,3/64,7*
Вариант 3. 24,7/49,2*
5 Расход тепла на вент. 3 88,3м в час 1х88,3х0,24 21,2
0,5х88,3х0,24 10,6
6 Тепловая характеристика - д 1 кратный воздухообмен Вариант 2. 53,5/107,9*
Вариант 3. 45,9/91,9*
0,5 кратный воздухообмен Вариант 2. 42,9/85,8*
Вариант 3. 35,3/70,8*
кВт ч/м год.
Общая теплоаккумулирующая поверхность строительных конструкций
Бо =Ест+Рпол=18х3,2+27,6=85,5м2. Ниже в виде диаграммы дается сравнение удельных тепловых потерь на 1 м отапливаемой площади зданий.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1 0,5
кратность воздухообмена
Рис-2. Сравнительные показатели удельных тепловых потерь
В обычном одноэтажном доме уменьшение кратности воздухообмена с 1 кратного на 0,5- кратный воздухообмен уменьшает потери тепла на 7%. В солнечных домах уменьшение кратности воздухообмена существенно сокращает теплопотери. Максимальная разница между удельными расходами тепа составляет 2,5 раза [9].
По сколку, стены снаружи эффективно теплоизолированы температура их внутренней поверхности близка температуре воздуха в помещении. Активная толщина стены от внутренней поверхности участвующей в аккумуляции тепла согласно расчетам и экспериментальным данным составляет 0,15м.
Величина Ж' = 85.5• 0,15-0.2-1700 = 4360ВтЧас/0С , следовательно, значение показателя экспоненциальной функции равен:
= 45 9 = 0 0105при однократном воздухообмене;
Ж 4360
и = 35 3 = 0 0081при 0,5 кратном воздухообмене.
Ж 4360
Выведенные нами расчетные формулы текущей температуры имеют вид:
г = г0е~0'01057 + Т(1 - е~°'0105т) , г = Г0е~0т*1т + Т(1 -е"000817) .
Как видно, показатель экспоненциальной функции энергоэкономичного дома с солнечным отоплением в 7 раз ниже, чем обычное сельское жилье при однократном воздухообмене и в 8,4 раза ниже при 0,5 кратном воздухообмене.
Ниже выполняем расчет теплоустойчивости помещения через текущего изменения температуры в помещении с момента отключения отопления.
Расчет выполняется для условий г. Ташкента для января- самого неблагоприятного
месяца отопительного периода со средней температурой наружого воздуха гн = —1,00 С . Окончательные расчетные формулы принимают вид:
-0,01057 +| 11г & — 1 |(1 — е—0,01057 ) при 1 кратном воздухообмене и 1 45,9 1
(1 эОэ — 1}
— 1 1(1 — е —000817 ) 3 5,3 1
при 0,5 кратном воздухообмене,
где т - коэффициент определяющий соотношение между прямым обогревом солнечной энергией помещения, и аккумулируемым теплом [10].
Теплоустойчивость обычного дома на примере типового проекта сельского дома серии 184-32с-10 и солнечного дома рассчитываем моделированием хода изменения внутренней температуры воздуха. Чтобы исключить другие воздействия на тепловые процессы в расчетах значения поступающей солнечной радиации принимается р=0. То есть расчет выполняется для пасмурной погоды. Период измерения принимаем 72 часа -3 суток. Этот период выбран с учетом того что чередование типов погоды ясной, полуяснй и пасмурной из анализа климата с большой вероятности происходит каждые 2-3 дня. Полученные расчетные формулы позволяют варьировать и другими возможными сочетаниями погодных условий для других месяцев отопительного периода [6].
В солнечном доме, благодаря применению эффективной внешней теплоизоляции показатель экспоненциальной функции по сравнению с обычным зданием 15 раз меньше при 1 кратном воздухообмене и 18,6 раза меньше при 0,5 кратном воздухообмене. В связи с повышением теплоустойчивости, падение температуры происходит значительно медленнее. Не смотря на то, что изменение температуры в солнечном доме описываются экспоненциальной зависимостью, из-за минимального значения показателя д/^ практически получается линейная зависимость.
0.00817
г = г0е
КУРИЛИШ
Заключение. В заключение следует отметить, что для разработки энергоэкономичных зданий с солнечным отоплением определяющие значение имеет более глубокое изучение вопроса влияния объемно-планировочных и архитектурно-конструктивных решений на энергопотребление с умелым использованием теплозащитных свойств элементов пассивной системы солнечного отопления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Haggard, Ken, David A. Bainbridge, and Rachel Aljilani. Passive solar architecture pocket reference. Routledge, 2016.
2. Gorshkov, A. S. "Energy efficiency in construction: problems of standardizing and measures to decrease energy consumption of buildings."Inzhenerno-stroitel'ny zhurnal (2010)9-13.
3. Kazantsev, P. "Passive Solar Systems in Low-Rise Housing Architecture in Southern Primorye." IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1079. No. 2. IOP Publishing, 2021.
4. Cherier, Mohamed Kamal, et al. "Energy efficiency and supplement interior comfort with passive solar heating in Saharan climate." Advances in Building Energy Research 14.1 (2020): 94-114.
5. Норов, Нусиратжон, and Юлдуз Худайназарова. "ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ УЗБЕКИСТАНА. " International Bulletin of Applied Science and Technology 3.9 (2023): 217-222.
6. Norov, Nusiratjon Nuraliyevich, and Yulduz Xudoynazarova. "TURAR-JOY BINOLARIDA ENERGIYA ISTE'MOLI HOLATI VA ENERGIYA TEJAMKORLIKNI TA'MINLASH MASALALARI." GOLDEN BRAIN 1.1 (2023): 157-159.
7. Nuralievich, Norov Nusratjon, et al. "DESIGN OF RESIDENTIAL BUILDINGS TAKING INTO ACCOUNT THE CONSEQUENCES OF CLIMATE CHANGE IN UZBEKISTAN." Spectrum Journal of Innovation, Reforms and Development 3 (2022): 204-208.
8. Зохидов, М. М., and Н. Н. Норов. "Энергоэкономичное здание." Жилищное строительство 5 (2003): 29-29.
9. Норов, Н. Н., and У. Р. Абдуллаев. "ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ С СОЛНЕЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В СЕЛЬСКОМ КОМПЛЕКСЕ." Ta'lim fidoyilari 3.2 (2023): 48-50.
10. Norov, Nusiratjon, Yulduz Khudainazarova, and Akmal Bobakulov. "TECHNOLOGIES USED IN THE PROTECTION OF LOAD-BEARING STRUCTURES TO IMPROVE THE ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS." International Bulletin of Applied Science and Technology 3.10 (2023): 616-620.
