CC BY
36ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЗМ1НИ ТЕМПЕРАТУРНИХ УМОВ В ПРИМ1ЩЕНН1 ПРИ ПЕРЕРИВЧАСТОМУ ОПАЛЕНН1 ЕЛЕКТРИЧНИМИ КОНВЕКТОРАМИ
Михалков Д. В., ст. викл.
Украгна, Кривий Pis, ДВНЗ «Кривор1зький нащональний университет», кафедра теплогазоводопостачання, водовiдведення i вентиляцп
DOI: https://doi.org/10.31435/rsglobal_ws/12072018/6039
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received: 18 May 2018 Accepted: 20 June 2018 Published: 12 July 2018
KEYWORDS
intermittent heating; heat up time; cooling time; warm air heating; convection heating; air temperature; surface temperature; heating system.
The article presents theoretical calculations and data of experimental studies of heat up time and cooling time of a building in the conditions of existing heating systems during the cold period of the year, using a mode of intermittent operation of the heating system, which is often adopted to reduce the energy consumption of buildings. With such a mode of operation of the heating system, the microclimate's settlement parameters are maintained by the system only for the time of operation of the building at the time of day and days of the week; during the off-hours the heating system does not work or maintains the minimum allowable temperature indices for a quick release to the normalized parameters or to prevent the freezing of the coolant in the hydravlic heating systems. The theoretical calculation is made for the six-story public building, provided that the heating principle is used. Experimental researches were carried out in the conditions of application of the system of electric radiator heating, which allowed to expand the measurement limits and determine the design temperatures in the premises at temperature indicators, during which the use of hydravlic heating system is an emergency dangerous. The calculation of the heat up time and cooling time of the building to the minimum set temperature with the complete disconnection of the heating system is considered, which is important in the periodic use of buildings. Based on the obtained experimental data, conclusions were made regarding the possibility and feasibility of using electric convectors for intermittent heating of buildings.
Citation: Михалшв Д. В. (2018) Eksperymentalne Doslidzhennia Zminy Temperaturnykh Umov v Prymishchenni pry Pereryvchastomu Opalenni Elektrychnymy Konvektoramy. World Science. 7(35), Vol.5. doi: 10.31435/rsglobal_ws/12072018/6039
Copyright: © 2018 Mnxa^KiB B. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
Постановка проблеми. Враховуючи фактичний режим непостшно! експлуатаци громадських та виробничих будiвель або окремих !х примщень для зменшення енергоспоживання в умовах юнуючих систем опалення в холодний перюд року часто э потреба та фактично застосовусться принцип переривчастого опалення, при якому розрахунков1 параметри мшроктмату тдтримуються системою тшьки на час експлуатаци будiвлi або окремих И примщень за часом доби i днями тижня, в неробочий час система опалення вщключаеться повшстю або переходить в режим перюдично! роботи задля шдтримання мшмально! встановлено! температури в примщеннях.
Зпдно рекомендацш [2] при проектуванш переривчастого опалення будiвель або окремих примщень економiя теплово! енерги може бути збшьшена при шдвищенш теплозахисту огороджуючи конструкцш (зовнiшнiх та внутрiшнiх за умовами режиму експлуатаци), при зменшенш теплово! стшкосп примiщень та за умови збшьшення
BcTaHoBneHoi TennoBoi noTy^Hocri CHCTeMH onaneHHa, ^o Ha cborogm b n0BH0My o6'eMi Bigo6pa^eHo TaKo^ y BHMorax giroHux HopMaTHBHux goKyMemiB [1].
3rigHo BHMor [1] b xonogHHH nepiog poKy b onanroBaHux npuMi^eHHax ynpogoB^ nepiogy ix HeBHKopHCTaHHa y ^rnnoBux 6yguHKax gonycKaerbca, a y rpoMagcbKux, agMiHicipaTHBHo -no6yTOBHx Ta bhpo6hhhhx 6ygiBnax cnig npuHMaTH TeMnepaTypy noBiipa hh^how He 6inbme h™ Ha 4 °C Big HopMOBaHOi TeMnepaTypu, ane He HH^He h™ 12 °C y ^htoobhx, rpoMagcbKux Ta agMimcipaTHBHo-no6yToBHx 6ygiBnax i He HH^ne h™ 5 °C y bhpo6hhhhx npuMi^eHHax. Ane ^aKTHHHo gna 3MeHmeHHa eHeproBHTpaT b npuMi^eHHax, oco6nuBo thx, ge MaroTb мiсцe 3HaHHi Hagxog^eHHa TennoBoi noTy^Hocri Big nrogeö, ocBirneHHa, TexHonoriHHoro o6nagHaHHa Ta npoцeсiв 3acrocoByroTb npннцнn nepepuBHacroro (nepioguHHoro) onaneHHa, npu цboмy po3paxyHKoBe 3HH^eHHa TeMnepaTypu npHMi^eHHa 3HaHHo nepeBH^yro BH^emBegem HopMaTHBHi 3HaHeHHa, npoTe MimManbm 3HaHeHHa TeMnepaTypu BigHoBnroroTbca go noHaTKy po6oHoro pe^HMy npuMi^eHHa 3a ymobh gocTaTHboi noTy^Hocri TennoreHepaTopiB Ta KopeKTHo po3paxoBaHoi cucTeMH onaneHHa.
npu BHKoHaHHi TaKHx po3paxyHKiB Ta gocnig^eHHi po6oTH cucTeM onaneHHa nepioguHHoi gii oco6nuBHH iHTepec npegcraBnae BH3HaHeHHa Hacy HarpiBy Ta ocraraHHa npuMi^eHb b 3ane^Hocri Big BcTaHoBneHoi noTy^Hocri cucreMH onaneHHa, ii Bugy Ta po3nogin TeMnepaTyp noBiTpa Ta noBepxoHb b npuMi^eHm npu po6oTi cucTeMH b nepepuBHacroMy pe^HMi.
MeTa poöoTH - BH3HaHeHHa TeopeTHHHux 3ane^HocTeö Ta aHani3 gaHux HaTypHux eKcnepuMeHTiB ^ogo TeMnepaTypHux pe^HMiB npuMi^eHb, ^o BHKopucTOByroTb cucTeMH onaneHHa nepepuBHacToi gii', BH3HaneHHa Hacy HarpiBy Ta ocraraHHa npuMi^eHHa Big noHaTKoBux go BcTaHoBneHHx rpaHHHHux po3paxyHKoBux 3HaHeHb TeMnepaTypu, BH3HaHeHHa ochobhhx hhhhhMb BnnuBy Ha mBugKicTb oxonog^eHHa 6ygiBni, po3noginy TeMnepaTyp 3a bhcotow npuMi^eHHa. BH3HaHeHHa onTHManbHoro Tuny cucTeMH onaneHHa gna yMoB nepepuBHacToi po6oTH.
Pe3ynbTaTH gocnig^eHb. flna BH3HaHeHHa TeopeTHHHoro Hacy ocraraHHa 6ygiBni b xonogHHH nepiog poKy npu BigKnroHeHHi TennonocTaHaHHa npu perynapHoMy (nocriKHoMy) onaneHHi npuHMaeMo, ^o BcepeguHi 6ygiBni TeMnepaTypa npuHMaeTbca nocTiÖHoro i piBHoro t, oC. B aKocTi BHxigHoro 3HaHeHHa TaKoi TeMnepaTypu t, oC Bu6upaeTbca ii ocepegHeHa BenuHHHa.
flo eneMeHTiB, ^o aKyMynroroTb b co6i Tenno npu po6oTi cucTeMH onaneHHa, BigHocuMo:
- noBiTpa BcepeguHi 6ygiBni;
- BHyTpimHi oropog^eHHa;
- 3oBHimm oropog^eHHa;
- pagiaTopu cucTeMH onaneHHa;
- Tpy6u i apMaTypa cucTeMH onaneHHa;
- TennoHociM (Boga) b cucreMi onaneHHa.
BuxigHe 3HaHeHHa ocepegHeHoi TeMnepaTypu to, oC, po3paxoByCTbca 3a ^opMynoro:
to = t3 +7^, (1)
Cp Z
ge t3 -TeMnepaTypa 3oBHimHboro noBiTpa, ^o TaKo^ npuKMaerbca nocriKHoro, °C;
Qo - TennoTa, aKyMynboBaHa 6yguHKoM npu po6oTi cucTeMH onaneHHa, fl^;
CpZ - cyMapHa i3o6apHa TennoeMHicTb 6yguHKy, fl^/°C.
Qo i CpZ BH3HaHaroTbca 3a ^opMynaMu:
Qo =Z Cpi (toi -13), (2)
i
cpZ ~z Cpi, (3)
i
ge Cpi h toi - i3o6apHi TennoeMHocTi h BuxigHi TeMnepaTypu pi3Hux eneMeHTiB 6yguHKy,
fl^/°C Ta °C BignoBigHo.
noTpi6Ho MaTH Ha yBa3i, ^o TennoeMHicTb 3oBHimHix oropog^eHb BxoguTb y ^opMynu (2) i (3) 3 Koe^i^eHTOM /4. Цe noB'a3aHe 3 thm, ^o TeMnepaTypa no tob^hm ix po3nogineHa npu6nH3Ho nimÖHo Big cepegHboi TeMnepaTypu 6ygiBni go 3oBHimHboi.
BTpaTH TennoTH 3HaxoguMo aK:
Qmpam =Z (t -13 ) ^ (4)
i Ri
ge Si - nno^i pi3Hux eneMeHTiB 3oBHimHix oropog^eHb, m2;
Ri - вщповщш TepMi4Hi опори, м2^С/Вт;
Ax - деякий малий пр°мiж°к часу, протягом якого t не встигае пом^но змiнитися, с. До згаданих елеменпв з°внiшнiх огороджень можна вщнести:
1) стiни;
2) вiкна;
3) перекриття пiд горищем i над шдвалом. Далi:
Ср1 (^кшц ~ tпоч ) = ZS (t3 ~ t) Ат>
i Ri
С,
At
S
pz Ат
Переходимо до лiмiту при Дт^-0
I ^^ -t).
. Ri
Z Si
£=т^ (t3 -1).
dr С
(5)
(6)
(7)
pZ
Одержали звичайне дифeрeнцiальнe рiвняння першого порядку щодо температури за часом. Множник перед рiзницeю температур у правш частинi е деяким аналогом коефщента тeмпeратур°пр°вiдн°стi.
Рiшeння отриманого рiвняння [4]
t(т) = t3 +(t0 -13)exp
I—
i Ri
С
pZ
(8)
дае динамiку охолодження будинку за часом.
Остаточна формула для знаходження часу остигання т', с, до задано! температури t', оС. виходить iз (8) шляхом елементарних перетворень
С
т = -
pI
I R
i Ri
ln
10 -1,
(9)
з /
Для прикладу визначено процес остигання будiвлi на прикладi будiвeльн°г° факультету ДВНЗ «КНУ» пiсля вiдключeння системи опалення.
Розрахунковi та вихiднi данi навeдeнi в табл.1 та табл. 2.
Таблиця 1. Характеристики елеменпв будинку
Найменування Cpi, Дж/(кг°С) mi, кг t0i, °С
1) пов^ря усeрeдинi будинку 1000 46300 18
2) внутрiшнi огородження 1100 5312000 18
3) з°внiшнi огородження 1100 5177000 18
4) радiатори системи опалення 540 15700 70
5) труби системи опалення 720 4700 70
6) вода в ^CT^i опалення 4190 4880 70
Таблиця 2. Характеристики eлeмeнтiв зовшшшх огороджень
Найменування Si, м2 Ri, м2^С/Вт
1) стши й по^вля 5601 1,38
2) вшна 987 0,35
3) перекриття над шдвалом 1596 1,76
Визначимо час зниження розрахунково! температури будiвлi при TeMnepaTypi зовнiшнього повиря 0°С, - 10°С, -20°С, -23°С при визначеному значент Ср^ = 8,77 • 109 Дж/°С. Розрахунок по (2) i (1) дае для середньо! вихщно! температури to=18,19°C.
20 и-------
0 -I-------
0 1 2 3 4 5 6 7
Час, Д1б
- Ъ= -23 °С --—20°С
- - - Ь= -Ю °С — ■ — Ь- 0°С
Рис. 1. Графы теоретичного розрахунку динам1ки остигання досл1дног буд1вл1 в час1
Теоретично обчислимо час, за який будинок охолоне, наприклад, до +5°С. Розрахунок за формулою (9) з використанням табл.2 дае т'=434802 с«5,03 дiб.
Розглянемо динамiку процесу остиганш будинку в часi. Графiки змши температури будiвлi побудованi за розрахунковими значенням формули (9) для чотирьох значень температури зовнiшнього повiтря представлеш на рис.1.
Зважаючи на отримаш згiдно теоретичного розрахунку значення часу остигання бущвл1 необхiдно вiдзначити, що наведенi розрахунки виконанi за осередненою температурою бущвль при цьому не врахована рiзниця в швидкостi охолодження повiтря всерединi будiвлi 1 огороджувальних конструкцiй внаслiдок вiдмiнностi в процесах теплообмшу i теплотехнiчних властивостях, зокрема вплив залежност швидкостi зниження температури примщення вiд площi склiння, що не вщображае сутi процесу охолодження будiвлi або примiщення без врахування зазначених умов. Також не враховано рiзниця в швидкостi охолодження рiзних поверхiв будiвлi в залежностi вщ !х висотного положення, орiентащ! по сторонах св^у, частки свiтлопрозорих огороджувальних конструкцш, що е значущими факторами при визначенш розрахунково! температури примщення (зокрема - повиря).
Вiдповiдно до [6] при припиненш подачi тепла примщення починае поступово охолоджуватися, спочатку рiзко знижуеться температура повiтря, досягаючи рiвня осереднено! температури поверхонь, поим температура у вах точках починае знижуватися одночасно, основш втрати тепла вщбуваються через вiкна. Наведенi даш та припущення дозволяють стверджувати про недоцшьтсть застосування наведеного вище теоретичного розрахунку часу остигання будавш насамперед через домiнуюче значення впливу саме швидкого зниження температури повiтря в примщент як причини зниження також i температури поверхонь - насамперед шдлоги.
Для перевiрки вiдповiдностi та отримання експериментальних даних було поставлено натурний експеримент щодо динамши змши температур примщення при переривчастш робот системи опалення в реальних умовах.
Як дослiджуване примiщення було використано поточну аудиторiю №220 корпусу №6 ДВНЗ «Криворiзький нацiональний ушверситет».
Розмiри примiщення складають: довжина 9,05м, ширина 5,6м, висота 2,97м. Примщення призначено для проведення поточних занять, максимальна кшьюсть посадочних мiсць 33. Примщення мае одну зовшшню стiну з вшнами розмiром 1,3х1,8м в кшькосп 6 шт, що складае близько 52% площi зовнiшнього огородження, що характерно для начальних закладiв.
Для реестрацл значень температури повiтря використано цифровий 20-канальний логер даних, значення температур визначалися на вiдстанi вiд шдлоги 0,15м (Т1), 0,5м (Т2), 1м (Т3), 1,5м (Т4), 2,0м (Т5), 2,5м (Т6), 2,85м (Т7). Значення температури шдлоги, стш та стелi вимiрювалися за допомогою цифрового шрометра. Датчики температури повiтря було змонтовано в середнiй зош примiщення на вертикальному профш в зонi вщсутносп впливу дихання людини та можливо! прямо! дii сонячно! радiацii. Вплив втрат теплоти на пiдiгрiв вентиляцшного повiтря було мiнiмiзовано суцiльною герметизащею примiщення з закриттям вентиляцiйних каналiв та задуття вiконних прорiзiв монтажною пiною на час проведення дослщжень.
Температура зовнiшнього повiтря вимiрювалася датчиком Т8 розташованим на вiдстанi 1,5м вщ стiни будiвлi для зменшення впливу конвективних потокiв вiд зовшшшх стiн будiвлi. для виключення дп сонячно! радiацii датчик температури зовшшнього повiтря було змонтовано пiд захисним покриттям з екструдованого пiнополiстиролу завтовшки 20мм, розмiром 0,2х0,2м. Результати вимiрiв автоматично рееструвалися логером даних кожш 20секунд по кожному каналу в пам'ять комп'ютера.
Система опалення являла собою тепло конвектори з вентиляторами. Для визначення необхщно! встановлено! потужносп прийнята була розрахункова температура пов^ря, що дорiвнювала 18°С на висот 1м вiд пiдлоги примiщення.
Вимiрювання проводилися 20.01.2018р. за вiдсутностi опалення сумiжних примiщень в будiвлi учбового корпусу, початкова температура пов^ря складала +7..+7,5°С, температура пiдлоги +6,2..+6,8°С, температура стелi та стiн знаходилася в межах +6,5..+7,1°С. Температура в сумiжних примiщеннях +2,6...+4°С. Графiк наведено на рис.2.
24,7 23,4 У
//
\Т4
15,6 /
11,7 10,4
9,1
5,2 Т2 /
2,6 1,3 Т8
—CZ
-3,9 - f X
-5,2 -6,5 / Л
2018.01,20 11.03.20 2018.01.20 19.06.40 018.01.21 03.10.00 018.01.21 11.13.20 018.01.21 19.16.40 018.01.22 03.20.00 018.01.22 11.23.20 018.01.22 19.26.40 2018.01.23 03.30.00 ¿018.01.23 11.3320 2018.01.23 19.36.40 2018.01.24
Рис. 2. Графiк фактичног динамiки нагрiву i остигання дослiдного примщення в час
Початок роботи системи опалення вщбувся 20.10.2018р. о 11.01, досягнення температури повггря +18°С на висотi 1м вщ пiдлоги (датчик Т3) вiдбулося о 11.43, вiдключення системи вiдбулося о 13.26 того ж дня. Впродовж перюду роботи системи опалення температура зовшшнього пов^ря складала близько 0°С. Пiсля вiдключення опалювальних приладiв температура поверхонь складала: шдлога +7,6°С, стеля +10,2°С
Остигання примiщення спостерiгалося з 20.01.2018р. по 10.30 24.01.2018р. За цей перюд можна спостерiгати с^мке зниження температури до значення близько +9°С близько 18.00 20.01.2018р, що мае вщповщати осередненiй температурi примщення та наступне поступове практично лшшне зниження температури до значення близько +1,9°С о 10.30 24.01.2018р, тобто зазначення остигання будiвлi вiдбулося впродовж 3,7 доби. Враховуючи температури зовшшнього пов^ря (близько 0°С) та початкову осереднену температуру примщення близько +9°С на початок процесу спостериаемо вщмшшсть фактичних даних вiд теоретичних розрахунюв згiдно формули (9).
Рис. 3. Граф1к динамики нагр1ву i остигання дослгдного примщення в naci за висотою примщення
Анатзуючи процес остигання повиря в примщенш зпдно рис.3 можна зробити висновок про шдтвердження вщповщшсть процесу даним [6]. Необхщно звернути увагу на факт значно! динамши зниження температури повiтpя в примщенш до осереднено! температури за яко! час зниження з +20.. +22°С до +9°С вiдбyвaеться приблизно за 4,5 години, а зниження з +20.. +22°С до +15°С вiдбyлося за 20 хвилин.
Рис. 4. Графы динaмiки нaгрiву i початкового перiоду остигання до^дного примщення в час за висотою примщення
3a pe3ynbTaTaMH goCnig^eHb BH3HaneHO TaKO^ 3HanHy Ta HenimÖHy TeMnepaTypHy CTpaTH^iKa^ro 3a bhcotom npHMi^eHHa, ^o HaBegeHO Ha pnC.4. TaK, no 3aKrnneHHro процесy HarpiBy Ha BHCOTi Big nignorn go 1m BOHa CKnagae 6nH3bKO 5,6°C/m, Ha BHCOTi Big 1m go CTeni BignoBigHO 6nH3bKO 1,45°c/m, xona KpaTHicTb peцнpкynaцiннoгo noBiTpoo6MiHy eneKTpHHHHx KOHBeKTOpiB 3acTOCOBaHHx b aKOCTi onanroBanbHHx npnnagiB CKnagana He MeHme 6,1 o6/rog.
Bhchobkh. 3a pe3ynbTaTaMH eKCnepHMeHTanbHHx goCnig^eHb OTpHMaHO gaHi, 3 aKHx BHnnHBae 3HanHa HeBignoBigHicTb npHHHaTOi b eKCnepHMemi CHCTeMH eneKTpHHHoro onaneHHa Ha 6a3i KOHBeKTOpiB 3 npHMyCOBoro KOHBe^iero BHMoraM eKCnnyaTa^i b pe^HMi nepepHBHaCToro onaneHHa nepe3 ^aKTHHHy HeMO^nHBiCTb CTBopeHHa Heo6xigHHx HopMaTHBHHx yMOB MiKpoKniMaTy caMe b 3OHi ^o o6cnyroByeTbca, HacaMnepeg nepe3 3HanHy TeMnepaTypHy CTpaTH^iKa^ro b Me^ax 1m Big nignorn, ^o CKnagae 6nH3bKO 5,6°C/m b npHÖHarax yMOBax Ta HeBignoBigHOCTi ^aKTHHHol HH3bKOi TeMnepaTypn nignorn (6nH3bKO +7,6°C nicna 4,5 rogHH po6oTH CHCTeMH onaneHHa Big nonaTKOBOi +6,2..+6,8°C) i HH^Hboi 3OHH npHMi^eHHa b пpoцeci po6oTH CHCTeMH onaneHHa caHiTapHHM HopMaM nepe6yBaHHa nrogHHH gna npHMi^eHb rpoMagCbKHx 6ygiBenb.
^ITEPÄTyPÄ
1. OnaneHHa, Bemuna^a Ta KOHgn^OHyBaHHa: flBH B.2.5-67:2013. -[^hhhhh Big 2014-01-01]- K.: MiH6ygperioH yKpai'HH, 2013. - 141 C. - (Ha^OHanbHHH CTaHgapT yKpai'HH).
2. CnpaBOHHHK npoeKrapoB^HKa. BHyTpeHHne CaHHTapHO-TexHuneCKHe yCTpoHCTBa. H.1. OTonneHne. nog peg. H.r. CTapoBepoBa h ro.H.fflnnnepa. - M.: CipoHH3gaT, 1990. - 344 C.
3. BynaHgpa O. TexmnHa TepMogHHaMiKa. - K.: TexHiKa, 2001. - 320c.
4. MnxeeB M. A., MnxeeBa H. M. Ochobm Tennonepegann. - M.: Энepгнa, 1977. - 344c.
5. noHTparHH .H. C. O6biKHOBeHHbie gн$$epeнцнanbннe ypaBHeHHa. - M.: HayKa, 1970. - 332c.
6. BoroCnoBCKHH B. H., CKaHaBH A. H. OTonneHne.- M.: CTponrogaT, 1991.- 735 C.
