CC BY
4
УДК 620.92(477)
Б01: 10.15587/2312-8372.2019.170289
ВПЛИВ ВЕНТИЛЬОВАНИХ ОГОРОДЖУЮЧИХ КОНСТРУКЦ1Й НА РЕГУЛЮВАННЯ ЕНЕРГОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БУДИНКУ
Лимаренко О. М.
1. Вступ
В Украiнi середньостатистичний будинок споживае 260 кВтгод/м2. В Сврош аналогiчне значення коливаеться в дiапазонi вiд 90 до 120 кВтгод/м . Основними причинами, як призводять до невиправдано великих втрат тепла у житлово-комунальнш сферi е недосконашсть iснуючих будiвельних конструкцiй. Значна частина втрат тепла у будинках в опалювальний перюд вiдбуваеться через рiзницю температур внутрiшнього i зовшшнього повiтря (трансмiсiйнi втрати тепла через зовшшш огороджуючi конструкцii), а також в результат процесiв повiтрообмiну Отже, суттеве шдвищення енергоефективностi будинкiв i споруд е одним iз першочергових завдань для дослiдникiв [1, 2]. До^дження енергоефективного будiвництва вiдображенi в роботах [3-5]. Основна мета цих дослщниюв полягала у розробцi наукових та прикладних задач пiдвищення енергоефективност будинкiв шляхом iх реконструкцii або при проектуванш А також зниження втрат тепла та мiнiмiзацii витрат на обiгрiв житлових примiщень в будiвлях з нульовим рiвнем шюдливих викидiв; нульовим споживанням енергii та енергоактивних будiвель.
Тому актуальним е комплексний анаиз енергоефективностi будинку, i в першу чергу, огороджуючих конструкцш. Для додатково!' економii теплово!' енергп може бути використано регулювання центрального опалення. Можна виконувати регулювання в залежност вiд погодних умов, тобто теплова потужшсть котла або теплового пункту буде залежати вiд змши температури зовнiшнього повiтря. ^ей тапрямок дослiджень вимагае створення математичних моделей, за допомогою яких можна прогнозувати та оптимiзувати тепловi процеси в дослщжуваних об'ектах. Таким чином, об'ектом дослгдження е розрахунок значення ходу змш внутршньо1' температури в дослщжуваному будинку з вентильованою (ВОК) та невентильованою огороджуючими конструкцiями [6, 7], в якому застосовувалося двоступеневе регулювання часу експлуатацп теплового пункту. Отже, мета роботи полягае у визначенш найнижчо1' досяжно1' температури всерединi об'екта i швидкостi повернення температури до початкового значення з моменту етапу охолодження при використанш зазначених титв огороджуючих конструкцiй.
2. Методика проведення дослщжень
В першу чергу визначаемо тепловi втрати будiвлi [8]. Питам тепловi втрати будiвлi (як об'емну щщьшсть теплового потоку, що проникае через будiвельнi перегородки) д, Вт/(м °С), для 1 м зовшшнього об'ему визначали за формулою:
р
я = -¿{Ьст + й(Кш -Кш)} + (пвК + пнки)Н~\ (1)
де Р - зовнiшнiй периметр будiвлi, м;
- площа проекцп першого поверху буд1вл1, м ; Кт' Кт > К' К ~ коефпценти теплопередач1 для: зовнпышх стш з ВОК, вшон, ВОК над останшм поверхом i нижнього перекриття (над шдвалом); й - частка скляних поверхонь; Н - висота буд1вл1, м,
пв, пн - коефщенти, що враховують зменшення обчислювальних вiдмiнностей температури для верхнього i нижнього перекриттiв по вiдношенню до стш [9].
Втрати тепла через ВОК можна визначити iз запропонованих математичних моделей:
пвкв= 0,56-кст, (2)
^„=0,34.^. (3)
Наступним кроком у розрахунку е визначення коефщенту теплово! акумуляцii будiвлi з використанням ВОК. Цей коефщент характеризуе здатнiсть загально! конструкцii будiвлi акумулювати тепло i зменшувати коливання температури в опалюваних примiщеннях:
( )
2
де F - поверхня стш будiвлi або !х окремих частин (за винятком склшня), м : Р = Р-Н(\-(1)\ (5)
3
V- зовнппнш об'ем буд1вл1 або окремих и частин, м ;
2
с„т - еквiвалентна теплоемнiсть,
кДж/(м -°С).
1ншою проблемою було розроблення методу визначення температури повггря в опалюваних примщеннях.
Температура повiтря при !! охолодженш визначаеться за формулою:
К.вн - (С.'Г ^в.в ) Ли +0 Joxл ) еХР
р.
(6)
V ^уу
де Ь°вхдн - температура внутршнього повпря на початку стад и охолодження;
/ - вiдносна теплова потужнiсть теплового пункту на стадп
охолодження. При /ои = 0 маемо:
г =ин -Ь )1
в.вн \ в.вн в.в /
ехр
V V И уу
р.
де 2 - кшьюсть годин, що минули з початку етапу охолодження; Р - коефiцiент теплово1' акумуляцii будiвлi:
Р = а0ХТ,
(8)
де аох - коефпцент, що враховуе фактор часу, який визначаеться за формулою:
а = 0,6 + 0,8 • ехр
' и4 к г у
(9)
Температура повiтря протягом етапу на^вання визначаеться за формулою:
у ^
(10)
V гц у у
де - внутрппня температура повпря на початку стадп нагр1вання; Zн - кiлькiсть годин, що минули з початку етапу опалення; Рн - коефiцiент накопичення теплово1' енергп в стадп нагрiву:
(11)
де а - шефцценг, що враховуе фактор, який на еташ нагрву визначаеться за формулою:
ашг = 0,2 + 0,4^ехр
^06 л V ^наг у
(12)
х - вщносний тепловий потiк, що подаеться системою опалення, по вщношенню до теплового стану будiвлi, на початку етапу на^вання:
Х = 3п
г -г
р.вн вл
нагр ^н.нагр
(13)
в.вн в.в
де tp вн - розрахункова температура внутрппнього повггря в опалюваних примиценнях; !нагр - вiдносна теплова потужнiсть системи опалення на стадп на^вання (по
вщшшенню дo пpoектнoï пoтyжнoстi пpи данш темпеpaтypi зoвнiшньoгo пoвiтpя).
Для apxiтектypниx дaниx дoслiджyвaнoгo oб'eктa т" темпеpaтypи зoвнiшньoгo пoвiтpя -5 °C 6ули визнaченi нaстyпнi значення:
-у
1. Питома втpaтa тепла бyдiвлi: 0,099 Вт/(м °с) [10].
2. Шсттна Т=40,193 гoд.
3. x=l,936.
4. Темпеpaтypний стан 6удинку з двoетaдiйним pегyлювaнням на стaдiï нaгpiвaння ^и Jnag= 1,65 пpедстaвлений y табл. 1.
Таблиця 1
Рoзpaxyнки для пpедстaвленoï методики
Режим po6oto Завантаження системи Час pеaлiзaцiï z, годи-ни а b Темпеpaтypa в ^имщенш
oпaлення, % етап^ години Звичайна ~тша В <К Звичайна стша BOK
Foмiнaльний 100 20 0 - - - 22 22
0 21 1 0,78 31,3 33 21,5 22
0 22 2 0,98 39 41 21 22
0 23 3 1,1 44 47 20,6 21,7
Oxoлoдження 0 0 24 1 4 5 1,15 1,2 46 .8 48 50 20 19,6 21,4 21,1
0 2 6 1,22 49 51 19,1 21
0 3 7 1,25 50,1 53 18,6 20, 7
0 4 8 1,27 52 54 18 20,3
150 5 1 0,4 17 18 19 21 22 Нoмiнa-льний pежим
Faгpiвaння 150 150 150 6 7 8 2 3 4 0,5 0,53 0,55 20 21 22 20 22 23 20 21 22
У pеaльниx ушв"* вiднoснa теплoвa пoтyжmсть системи oпaлення пщ час нaгpiвaння oxoлoдженoгo off^ry вище нoмiнaльнoï [11]. Пщ час включення циpкyляцiйниx нaсoсiв спoстеpiгaeться значний 3piCT теплoвoï пoтyжнoстi внaслiдoк значто!' piзницi темпеpaтyp вoди на годач i на пoвеpненнi. Тэму в зaпpoпoнoвaнiй метoдицi бyлo скopигoвaне значення JKaí=3 для пеpшиx годин на^вання пpимiщень дo зaдaниx yмoв. У наст^т години пiдтpимyвaвся нopмaльний piвень вiднoснoï теплoвoï пoтyжнoстi системи JKaí=1 i x=l,l7. Oтpимaнi pезyльтaти наведет в табл. 1. Якщр пopiвнювaти oтpимaнi pезyльтaти для звичaйнoï yтепленoï стiни та BOK, то на^вання oropoдження з BOK тpивaтиме 2 години, тобто y двiчi кopoтше, "6o теплoвa готужнють мoже буи зменшена.
3. Результати досл1джень та обговорення
F" oснoвi ^^"КУН^В ствopенo дiaгpaмy (pис. 1) змiни внyтpiшньoï темпеpaтypи в дoслiджyвaнoмy oб'eктi.
-.Гн.ст = 1,6 -1н.ст=3 —1вок=1,6 -1вок=3
Рис. 1. Графш змiни температури у примщенш
У дослiдженому примiщеннi були встановлеш датчики температури -термопари, розмщеш на висотi 1,5 м вщ пiдлоги i на вщсташ 0,15 м вiд внутрiшнiх стшок. Також встановлена термопара посерединi юмнати i одна зовнi. Вимiрювання проводили мiж 20:00 i 7:00. В обох експериментах о 13/14.01.2017 та 16/17.01.2017 тепловий вузол був повшстю вимкнений (з 20:00 до 5:00), а попм включений у звичайному режимт У першому експеримент середня температура становила - 4 °С, у другому - 2 0С.
Результати вимiрювань температури представленi на рис. 2, 3, вщповщно для двох повторень експерименту (експерименту I i II). У другому експеримент температура внутршнього повiтря менше зменшувалася, оскiльки вищою була зовнiшня температура. На рис. 2, а, б показано повшьне падшня температур при вимкнеш живлення в тепловому вузл^ а потiм 11 швидке зростання пiсля запуску теплового пункту.
Темпеpaтypa в ^имщенш, °С
30
25
20
15
10
-5
-10
19.50 20.50 21.50 22.50 23.50 00.50 01.50 02.50 03.50 04.50 05.50 06.50
Час, годин
а
Темпеpaтypa в ^имщенш, °С
30
25
20
15
10
-5
-10
19.50 20.50 21.50 22.50 23.50 00.50 01.50 02.50 03.50 04.50 05.50 06.50
Час, годин
б
Р с. 2. Pезyльтaти вимipювaнь темпеpaтypи: а - ^и вимкненш живлення; б - пpи з"пуску теплoвoгo пункту; — - зoвнiшня темпеpaтypa;_- внyтpiшня темпеpaтypa
Poзpaxyнки, викoнaнi за нoвoю метoдикoю, пopiвнювaли (pис. 3) з
результатами двох серш наведеного вище експерименту.
Температура в примщенш, °С
Температура в примщенш, °С
б
Рис. 3. Порiвняння розрахункових та експериментальних даних а - при вимкненш живлення; б - при запуску теплового пункту;
-- експеримент; - розрахунок за новою методикою;
■ - збшыпення потужност1 при пуску теплового вузла
Представлена методика, що описуе змшу температури в примщенш дослiджyваного об'екта, спрямована на визначення найнижчого досяжного рiвня температур i швидкостi повернення до початкових теплових умов. Звичайно, методика враховуе змшу теплово! iнерцii будинку у разi використання ВОК та змшу зовшшшх клiматичних умов.
4. Висновки
В ходi дослiдження встановлено суть оптимального регулювання температури, яка полягае в тому, щоб контролювати подачу теплово! енергii в примщення, в такий спосiб, щоб вщповщна внyтрiшня температура повiтря була досягнута протягом певного часу Розроблено методику для опалювальних примiщень, яка дозволяе визначити послiдовнy змiнy температури повггря в примiщеннях. Для розроблено! у данш роботi математично! моделi визначено коефщент теплово! акyмyляцii бyдiвлi з використанням ВОК, який характеризуе здатшсть загально! констрyкцii бyдiвлi акумулювати тепло i зменшувати коливання температури в опалюваних примщеннях. Використання запропонованих науково обгрунтованих пропозицiй суттево пщвишуе теплову iнерцiю огороджуючих констрyкцiй, завдяки чому при вимкненш системи опалення будинок повтьно охолоджуеться i нагрiваеться вщносно швидко. Таким чином, можливо отримати заощадження, осктьки констрyктивнi елементи бyдiвлi накопичують тепло.
Лiтература
1. Долшський А. А., Басок Б. I. Створення експериментального енергоефективного будинку пасивного типу // Пращ Восьмо! науково-практично! конференцii «Енергетична безпека на транспорта пщвищення енергоефективностi, зниження залежностi вщ природного газу», 9-10 жовтня 2014 р., м. Кшв. С. 26-30.
2. Пассивные дома в Украине и странах СНГ / Божко И. К., Лысенко О. Н., Гончарук С. М., Калинина М Ф. // Промышленная теплотехника. 2015. Т. 37, №2 1. С. 69-81.
3. Dynamic Thermal Performance Simulation of an Improved Passive Solar House with Trombe Wall / Zhao J., Chen B., Liu J., Wang Y. // Proceedings of ISES World Congress 2007 (Vol. I - Vol. V). Beijing, 2008. P. 2234-2239. doi: http://doi.org/10.1007/978-3-540-75997-3_451
4. Heat Transfer in Buildings: Application to Solar Air Collector and Trombe Wall Design / Boyer H., Miranville F., Bigot D., Guichard S., Ingar I. et. al. // Evaporation, Condensation and Heat Transfer. 2011. P. 227-244. doi: http://doi.org/10.5772/23025
5. Lobna M., Dehmani L. A numerical study of heating and cooling by a Trombe wall in Tunisia // The fifth International Renewable energy congress. Tunisia: Hammamet, 2014. doi: http://doi.org/10.1109/irec.2014.6826940
6. Басок Б. I. Експериментальний будинок пасивного типу // Енергоефектившсть в бyдiвництвi та архггектург 2014. № 6. С. 3-8.
7. Басок Б. И., Накорчевский А. И. Моделирование теплопередачи через наружное ограждение зданий с учетом непрерывного действия климатических факторов // Строительные конструкции. Межведомственный научно-технический сборник. 2014. Вып. 80. С. 113-120.
8. Dolyin A. A. Creation of an experimental energy-efficient passive type Building: proceedings // Energy Security in Transport: Enhancing Energy Efficiency, Decreasing Dependence on Natural Gas. Kyiv, 2014. P. 26-30.
9. Створення експериментального енергоефективного будинку пасивного типу «нуль енергл» / Гончарук С. М., Калшша М. Ф., Божко I. К., Кужель Л. М., Лисенко О. М. // Промислова теплотехшка. 2014. Т. 36, № 3. С. 88-95.
10. Ратушняк Г. С., Анохша К. В. Аналiз методiв математичного моделювання для визначення теплопередачi через багатошаровi захиснi конструкцii. Сучаснi технологii, матерiали i конструкцii в будiвництвi. Вшниця: УНIВЕРСУМ-Вiнниця, 2007. С. 137-141.
11. Протасевич А. С., Калина Л. М., Крутилин А. Б. Вопросы теплотехнического расчета наружных теплоизолированных стен зданий с экраном и вентилируемой прослойкой // Строительный рынок. 2003. № 20. С. 1-5.
