ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Энергетика

УДК 624.01

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

© 2018 Р.А. Шепс, Н.В. Портнова, Т.В. Щукина, И.И. Переславцева Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: наиболее распространенным и доступным возобновляемым источником на всей территории РФ является солнечная радиация, успешно утилизируемая для отопления, горячего водоснабжения и электроснабжения зданий на протяжении многих десятилетий в ведущих европейских странах. Но положительный европейский опыт часто не применим в суровых климатических условиях РФ. Учитывая сложные метеоусловия зимних сезонов на большей территории РФ, конструкции ограждений, утилизирующие солнечное излучение, должны иметь не только аккумулирующий слой, но и характеризоваться высокими теплозащитными свойствами. В работе рассматривается вопрос эффективного использования солнечной энергии посредством конструирования энергоэффективных ограждающих конструкций. Предлагается конструкция наружной стены, позволяющая эффективно утилизировать солнечную энергию для снижения нагрузок на отопление зданий. Особенностью технического решения является использование тепловой изоляции, отделенной от аккумулирующего слоя воздушной прослойкой. Данное конструктивное исполнение позволяет избежать переохлаждения помещений при неблагоприятных погодных условиях в холодный период года и перегрева в теплый. Полученные результаты позволяют сделать заключение о безусловной перспективе организации пассивных систем солнечного отопления при архитектурно-планировочных решениях, предполагающих пофасадное остекление. Предложенное конструктивное решение наружного ограждения позволит не только эффективно утилизировать солнечное излучение, но и сохранять достигнутый температурный режим в помещениях за счет применения тепловой изоляции

Ключевые слова: энергосбережение, солнечная энергия, строительные конструкции

Введение

Сложившаяся в результате внешнего политического влияния сложная экономическая ситуация в РФ негативно отразилась на темпах внедрения энергосберегающих технологий во всех сферах производственной деятельности. Между тем принятая ранее законодательная база была направлена на активизацию программ по сокращению потребления ресурсов, выполнение которых наряду с достижением экономии неизбежно приведет к модернизации и поиску приемлемых для конкретных условий эксплуатации нетрадиционных источников энергии.

Наиболее распространенным и доступным возобновляемым источником на всей территории РФ является солнечная радиация, успешно утилизируемая для отопления, горячего водоснабжения и электроснабжения зданий на протяжении многих десятилетий в ведущих европейских странах. Такое нетрадиционное восполнение ресурсов, прежде всего, связано со стремлением к энергетической независимости, достигаемой различными государственными программами стимулирования и льготного кредитования затрат на оборудование для возоб-

новляемых источников. Но положительный европейский опыт часто не применим в суровых климатических условиях РФ. Жаркие летние месяцы и экстремально низкие температуры наружного воздуха в зимний сезон диктуют особые требования к ограждающим конструкциям, тепловой защите и энергосбережению в системах жизнеобеспечения зданий. Несмотря на метеорологическую нестабильность, достигнутые результаты в массовой эксплуатации гелиоустановок в Северной Америке доказывают перспективность их использования и на территории России.

Постановка задачи

Значительная часть потребляемой тепловой энергии зданиями теряется в холодный период года через наружные ограждения [1]. Но их облучение при достаточном количестве часов солнечного сияния и технических решениях, направленных на эффективное поглощение длинноволнового излучения, сокращает потребление тепловой энергии системами отопления. Поэтому в климатических районах с ресурсной обеспеченностью солнечной радиацией следует ее пассивно использовать для энер-

госберегающего поддержания требуемых показателей температуры в помещениях [2]. Учитывая сложные метеоусловия зимних сезонов на большей территории РФ, конструкции ограждений, утилизирующие солнечное излучение, должны иметь не только аккумулирующий слой, но и характеризоваться высокими теплозащитными свойствами. Сочетание указанных требований достигается в техническом решении [3] с несущим аккумулирующим слоем, закрытым от внешнего воздействия светопро-зрачным ограждением и дополнительно имеющим эффективную тепловую изоляцию с организованной воздушной прослойкой. Воплощение такого принципа конструирования не вызовет затруднений при современных тенденциях архитектуры зданий (рис. 1). Проектируемые значительные площади остеклений следует использовать для организации энергоактивных наружных ограждений на южных фасадах сооружений.

Рис. 1. Железобетонные несущие конструкции здания под светопрозрачным декоративным покрытием

Проектирование ограждающих конструкций

Представленная на рис. 2 схема наружной стены при ее южной ориентации позволяет посредством открытия воздушных клапанов организовать теплосъем с аккумулирующего материала, нагреваемого солнечной энергией в холодный период года. При этом температура воздуха, поступающего через нижние воздушные клапаны, повышается при контакте с облучаемой поверхностью, затем через верхние клапаны теплый воздух направляется в отапливаемое помещение. При закрытых воздушных клапанах слой тепловой изоляции создает термическое сопротивление, значительно сокращая теплопотери в холодный и теплопоступле-

ния в теплый периоды года. Для эффективной утилизации солнечного излучения следует предусмотреть автоматическое переключение клапанов, используя для этой цели электроэнергию, вырабатываемую малым количеством фотоэлементов, расположенных на гелиоактив-ном фасаде здания [4].

При конструировании наружного ограждения с функцией утилизации солнечного излучения толщина применяемой тепловой изоляции может быть определена посредством теплотехнического расчета при соблюдении условия энергосбережения [5]. Для ориентировочной оценки необходимого объема аккумулирующего материала воспользуемся уравнением теплового баланса, пренебрегая конвективным теплообменом в воздушной прослойке, что соответствует режиму закрытых клапанов. Данный режим на первоначальном этапе поглощения солнечного излучения южным фасадом позволяет прогреть аккумулирующий слой с превышением температуры внутреннего воздуха помещений [6]. Это условие обеспечит последующий режим пассивного солнечного отопления.

и \

_

н-

г

/ /

2/ г' 4

Рис. 2. Схема пассивной утилизации солнечной энергии при энергоэффективном наружном ограждении: а — при интенсивном облучении в холодный период года; б — в ночное время или при неблагоприятных погодных условиях в холодный период, или в летние месяцы; 1 — теплоаккумулирующий слой; 2 — светопрозрачное покрытие; 3 — теплоизоляционный материал; 4 — внутренняя отделка; 5 — клапаны;

6 — воздушная прослойка

Учитывая принятое допущение, количество тепла, в МДж/(м2сут), поглощаемого под светопрозрачным покрытием облучаемой поверхностью наружного ограждения при ее

площади 1 м2

[7]:

можно определить из выражения

дк = Е орфл,

(1)

где Е ор — среднее дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на вертикальную поверхность с учетом ее ориентации за рассматриваемый месяц, МДж/(м2сут); Ф — степень использования солнечной радиации, зависящая от конструктивных особенностей коллекторов [7] и стремящаяся к единице при простых устройствах прямого преобразования солнечной энергии; П0 — эффективный оптический кпд коллектора пассивной системы утилизации.

Поглощенное излучение будет способствовать прогреву аккумулирующего слоя в соответствии с зависимостью:

(2)

где с — удельная теплоемкость аккумулирующего материала, кДж/(кг°С); т — масса нагреваемого материала, кг; ^ — начальная и конечная температура аккумулирующего слоя, °С.

Задаваясь толщиной облучаемого слоя, при размере его воспринимающей поверхности 1000х1000 мм из уравнений (1, 2) можно найти конечную температуру при среднемесячных актинометрических показателях и температуре наружного воздуха:

Е орФП0

qк = с10 3 m(tк - tн ),

tK tH + "

5рс

(3)

где 5 — толщина аккумулирующего железобетонного слоя, м; р — плотность материала, кг/м3.

Одновременно при проектировании ограждающих конструкций необходимо учитывать распределение температуры в ограждающем слое теплопроводящей среды. Для решения стандартных задач используется уравнение теплопроводности [8]

дт = дт (4)

дt ср дх2

где Я - теплопроводность среды, с -удельная теплоемкость, р - объемная плотность. Уравнение (4) сопровождается начальными и граничными условиями, задающими условия теплообмена с окружающей средой или соседними слоями. На стыке слоев выполняется условие теплового контакта, т.е. равенства температур и равенства тепловых потоков

Я — дх

х=-0

т = т

1х=-0 1х=+0'

+ к (^) - т (-0, t)) = Я ^

дх

х=+0

(5)

+ Ч^)

(6)

где учтено, что на границе материалов внутри конструкции поглощается дополнительный тепловой поток с плотностью ), вызванный солнечным излучением, к - коэффициент теплообмена лучистой энергией, ТехХ (t) -

температура окружающей среды. Теплообмен на поверхности ограждения учитывается с помощью граничного условия

аТех^) - т (-0, t)) = ¿2 ^

дх

(7)

(t) может быть температурой наружного

воздуха для внешней границы конструкции или постоянной температурой внутри помещения

т 10 .

Следствием линейности уравнения теплопроводности и линейных граничных условий является принцип суперпозиции температурных возмущений [9]. Он позволяет представить исходную задачу в виде совокупности двух более простых задач. Первая задача является стационарной и учитывает все стационарные составляющие в граничных условиях. Вторая задача является квазистационарной и описывает установившиеся колебательные режимы с учетом периодически меняющейся со временем температуры наружного воздуха

тх ^) = тх + АГ COS(юt) и потока излучения, поглощаемого внутри конструкции на границе раздела сред

) = (1 + COS(юt)) . Квазистационарный

режим в слое толщиной I устанавливается спустя некоторое время t, определяемое коэффициентом Фурье Fo = Я /(ср1 ) ~ 1, за которое начальное температурное распределение переходит в стационарное. Стационарная часть расчета решается с учетом кусочной линейности решений. Полное решение ищется в виде совокупности линейных функций

т = а^х + Ьк . Итогом применения граничных условия является система линейных уравнений для определения постоянных коэффициентов ак,Ьк .

Для решения нестационарной части задачи перейдем к комплексному представлению, и ищем решение в виде комплексной функции

т (х, t) = и (х)е

imt

(8)

0

х

где и (х) - пространственная часть тепловой

волны, С - частота теплового возмущения. Для удобства описания температурных волн

введем коэффициент затухания ß =

\юср ~2Я

Пространственная часть решения в каждой области к = 1,2,... имеет вид

u

к(х) = Ак ехР(- Укх)+ вк ехР(Укх), (9)

где у к = Рк + . После подстановки граничных условий возникает линейная система уравнений, которая решается численно. В окончательном решении нужно перейти к действительной форме, взяв действительную часть полученной зависимости.

Результаты

Рассмотрим на примере климатических условий Московской области [9] достигаемые температурные показатели в железобетонном несущем слое наружного ограждения южной ориентации при пассивной утилизации солнечного излучения. Представленные на рис. 3 результаты расчетов показывают необходимость применения легкой железобетонной конструкции, толщина которой может быть не более 70 мм и не менее 50 мм при современных КПД для такого типа коллекторов, не превышающих значение 0,4. При использовании остекления с высоким коэффициентом пропускания и окрасочных покрытий для аккумулирующего слоя, максимально усиливающих поглощающий эффект, повысится кпд пассивной утилизации [10]. Тогда при прогнозируемом его увеличении до значения 0,5 несущая конструкция должна быть толщиной от 100 мм до 70 мм. Если проектными решениями предусмотрена незначительная толщина железобетона конструкции, то целесообразно на облучаемой поверхности разместить систему водяного охлаждения [3], теплоноситель которой при интенсивном облучении будет направляться от потребителей на горячее водоснабжение.

120

Рис. 3. Достигаемая под воздействием солнечного

излучения температура аккумулирующего железобетонного слоя при различной его толщине: а — при современных кпд пассивных систем, равных 0,4; б — с учетом дальнейшего повышения оптических показателей и достижения кпд значения 0,5; 1, 2, 3 — температура прогрева слоя при его толщине 50, 100, 150 мм, соответственно; 4 — среднемесячная температура наружного воздуха

Выводы

Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности применения пассивных систем солнечного отопления при реализации архитектурно-планировочных решений, предполагающих остекление по фасаду зданий. Предложенное конструктивное решение наружного ограждения позволит не только эффективно утилизировать солнечное излучение, но и сохранять достигнутый температурный режим в помещениях за счет применения тепловой изоляции.

Литература

1. Шепс Р.А., Яременко С.А., Переславцева И.И. Влияние солнечной энергии на тепловую защиту объектов строительства // Энергосбережение и энергоэффективность на промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы I Всерос. науч.-техн. конф., посвященной памяти д-ра техн. наук, профессора, А.А. Сандера, 2017. С. 199-209.

2. Турулов В.А. Гелиоактивные стены зданий. М.: Издательство АСВ, 2011. 168 с.

2

3

4

3. Заявка на получение патента № 2015106253 от 24.02.2015. Солнечный тепловой коллектор.

4. Шепс Р.А., Яременко С.А., Агафонов М.В. Учет солнечной энергии при проектировании тепловой защиты зданий // Жилищное строительство. 2017. № 1-2. С. 2932.

5. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. М.: ООО «Аналитик», 2012.

6. Жерлыкина М.Н., Яременко С.А. Системы обеспечения микроклимата зданий и сооружений. Воронеж, 2013.

7. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. М.: ООО «Аналитик», 2012.

8. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: МГУ, 1999. 798 с.

9. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. I. Отопление / В.Н. Богословский и др.; под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. М.: Стройиздат, 1990.

10. Shchukina, T.V., Sheps R.A., Kuznetsova N.V. Passive Solar Heating: How to Control the Heating Regime // International journal of environmental & science education. 2016, vol. 11, no. 18, 11361-11373.

Поступила 21.03.2018; принята к публикации 16.05.2018 Информация об авторах

Шепс Роман Александрович - старший преподаватель кафедры жилищно-коммунального хозяйства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: romansheps@yandex.ru

Портнова Надежда Валериевна - аспирант кафедры жилищно-коммунального хозяйства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: nportnova@vgasu.vrn.ru Щукина Татьяна Васильевна - канд. техн. наук, профессор кафедры жилищно-коммунального хозяйства, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: Schukina.niki@yandex.ru

Переславцева Инна Игоревна - старший преподаватель кафедры техносферной и пожарной безопасности, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: innapb@mail.ru

USE OF SOLAR RADIATION AT APPLICATION ENERGY EFFICIENT FENCING

CONSTRUCTIONS

R.A. Sheps, N.V. Portnova, T.V. Shchukina, I.I. Pereslavtseva

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the most common and renewable source available on the entire territory of the Russian Federation is the solar radiation successfully utilized for heating, hot water and electricity supply of buildings for many decades in the leading European countries. However, the positive European experience is often not applicable in the harsh climate of the Russian Federation. Given the difficult weather conditions of winter seasons, most of the territory of the Russian Federation, construction of fencing, utilizing the solar radiation should have not only the storage layer, but also high heat-shielding properties. This paper examines the issue of effective use of solar energy by designing energy efficient fencing structures. It is proposed to design the exterior walls to effectively utilize solar energy to reduce heating loads on the buildings. The feature of the technical solution is using heat isolation, separated from the storage layer by an air gap. This design allows to avoid overcooling of the premises in adverse weather conditions in cold seasons and overheating in warm ones. The obtained results show the unconditional prospect of the organization of passive solar heating systems with architectural and designing solutions, involving facade glazing. The proposed design solution will not only efficiently utilize the solar radiation, but also maintain the temperature in the premises through the use of thermal insulation

Key words: energy saving, solar energy, building structures

References

1. Sheps R.A., Yaremenko S.A., Pereslavtceva I.I. "Influence of solar energy on thermal protection of constructions", Energy saving and energy efficiency at the industrial enterprises housing and communal services. Proc. of 1st Russian scientific and technical conference devoted to memory of the Dr.Sci.Tech., Professor A.A. Sander (Energosberezhenie i energoeffektivnost' na promyshlennykh predpriyatiyakh zhilishchno-kommunal'nom khozyaystve. Materialy I Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konfer-entsii, posvyashchennoypamyati d-ra tekhn. nauk, professora A.A. Sandera.), 2017, pp. 199-209.

2. Turulov, V.A. "Helioactive walls of buildings" ("Gelioaktivnye steny zdaniy"), Moscow, ASV, 2011, 168 p.

3. Application for the patent no. 2015106253, 2/24/2015, "Solar thermal collector" ("Solnechnyy teplovoy kollektor").

4. Sheps R.A., Yaremenko S.A., Agafonov M.V. "Accounting of solar energy at designing thermal protection of buildings", Housing construction (Zhilishchnoe stroitel'stvo), 2017, no. 1-2, pp. 29-32.

5. Set of rules 50.13330.2012. "Thermal performance of the buildings", the actual edition of Construction Norms and Regulations 23-02-2003, Moscow, LLC «Analitik», 2012.

6. Zherlykina M.N., Yaremenko S.A. "Systems of providing microclimate of buildings and cconstructions" ("Sistemy obespecheniya mikroklimata zdaniy i sooruzheniy"), Voronezh, 2013.

7. Set of rules 131.13330.2012. "Building climatology", the actual edition of Construction Norms and Regulations 23-01-99*, Moscow, LLC «Analitik», 2012.

8. Tikhonov A.N., Samarsky A.A. "Equations of mathematical physics" ("Uravneniya matematicheskoy fiziki"), Moscow, MSU, 1999, 798 p.

9. Bogoslovskiy V.N. "Internal sanitary devices. Part 1. Heating" ("Vnutrenniye sanitarno-tekhnicheskiye ustroystva. V 3 ch. Ch. I. Otoplenie"), Moscow, Stroyizdat, 1990.

10. Shchukina T.V., Sheps R.A., Kuznetsova N.V. "Passive solar heating: how to control the heating regime", International journal of environmental & science education, 2016, vol. 11, no. 18, pp. 11361-11373.

Submitted 21.03.2018; revised 16.05.2018 Information about the authors

Roman A. Sheps, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: romansheps@yandex.ru

NadezhdaV. Portnova, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: nportnova@vgasu.vrn.ru.

Tat'yana V. Shchukin, Cand. Sci. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: Schuki-na.niki@yandex.ru

Inna I. Pereslavtseva, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: innapb@mail.ru