CC BY
81
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №7_
ТЕХНИКА
УДК 621.353.51.621.472
М.А.Салиев, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, Р.Р.Назаров*
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНЫХ ТЕПЛОВЫХ И РАДИАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПУТЁМ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА ВНУТРИ И СНАРУЖИ МОДЕЛИ «СОЛНЕЧНОГО ДОМА»
Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан, Худжандский государственный университет им. Б.Г.Гафурова
В работе путём мониторинга температуры воздуха внутри и снаружи модели «Солнечного дома» определена суммарная энергия пассивных тепловых и радиационных солнечных потоков, проникающих внутрь модели. Рассчитаны тепловые потери и оптимальные мощности системы отопления для модели «Солнечного дома» и дома оригинала с учётом пассивных тепловых потоков и солнечной радиации.
Ключевые слова: модель солнечного дома - солнечное излучение - температура - теплопотери -среднесуточная температура - приток тепловой энергии - отток тепловой энергии.
В настоящей работе исследуются тепловые потоки, проникающие через ограждающие конструкции модели (стены, кровля, пол, окна и двери) с помощью непрерывного мониторинга температуры внутреннего и наружного воздуха модели «Солнечного дома» с целью обеспечения оптимального температурного режима и эффективного энергосбережения. Строительство солнечного дома в полномасштабном формате для научных исследований нецелесообразно ввиду дороговизны. Значительную экономию средств и времени может обеспечить создание уменьшенных в размере строений, например в масштабе 1:10, а системы солнечных установок испытывать при наименьших мощностях, то есть путём моделирования. Моделирование широко применяется при изучении тепловых процессов [1,2] и разработке мощных агрегатов [3], в том числе в области солнечной теплоэнергетики [4]. Основываясь на положениях теории моделирования [1] и теории подобия [2], подбирая наиболее важные параметры строения, например геометрические характеристики, на уменьшенных макетах «Солнечного дома» можно исследовать эффективность каждого технического решения при различных уровнях инсоляции в течение дня в автоматическом режиме.
В качестве оригинала «Солнечного дома» нами выбран коттедж с мансардой и площадью первого этажа 100 м2. Действующая модель «Солнечного дома» изготовлена в масштабе 1:10 с использованием современных конструкционных материалов и инновационных технологий. Все элементы модели закреплены на рамах из алюминиевых профилей с помощью саморезов. Стены состоят из трёх слоёв (алюкобонд - пенопласт - гипсокартон). Крыша изготовлена из фанеры, покрытой сверху ондулином и снизу утеплённой пенопластом и ватином. Все окна изготовлены из пластиковых про-
Адрес для корреспонденции: Салиев Малик Абдулатипович. 735700, Республика Таджикистан, г. Худжанд, ул. Ходжи Садик, E-mail: [email protected].
филей и двухслойного стеклопакета. Модель установлена на специальные колесики для изменения её положения относительно солнца (рис.1).
Рис.1. Южная и западная сторона модели «Солнечного дома».
При масштабе модели 1:10 объёмы внутри дома уменьшаются в 1000 раз, следовательно, требуемые мощности для обогрева и охлаждения воздуха тоже уменьшаются в 1000 раз. Потери тепла пропорционально площади стен, крыши и пола и требуемые мощности для отопления модели уменьшаются в 100 раз. Таким образом, затраты для установки солнечных коллекторов и панелей, проведения экспериментальных исследований модели минимальны.
Для макетных исследований вполне достаточно одной солнечной панели мощностью 100 Вт и одного солнечного коллектора размером 1 м2, вырабатывающего за день 2000 ккал (или 30 л воды с температурой 65°С). Кроме этих установок, на крыше модели есть панель и коллектор размером по 0.2 м2. В системе отопления модели имеется дублер - электрический обогреватель. Система энергоснабжения дома имеет пульт дистанционного управления электрической схемы, нагрузок и освещения жилых помещений с автоматической системой выключения (таймером).
Непрерывный мониторинг температуры воздуха внутри и снаружи модели «Солнечного дома», температуры горячей воды на выходе коллектора и в баке-аккумуляторе осуществляется с помощью контроллера, подключенного к компьютеру.
Действующая модель «Солнечного дома» имеет программируемую дистанционно-управляемую информационную систему на основе контроллера фирмы АМшпо (Италия), которая имеет возможность для видеонаблюдения, охраны, пожаробезопасности, энергосбережения, контроля
электро-газооборудования, освещения, вентиляции, холодного и горячего водоснабжения, систем отопления и микроклимата дома.
На рис.2 показаны кривые температуры воздуха снаружи в тени (балкон) Т0 и температуры воздуха внутри модели Т1. Данные получены с 00.00 часов 15.10.2014 до 12.00 часов 16.10.2014 г.
На кривой Т1 видны точки перегиба после включения активных элементов. При температуре выше 24°С внутри модели срабатывает сигнализация контроллера Arduino и включается вентилятор для охлаждения комнат. Температура внутри модели поддерживается на уровне 23-24°С. Вечером при понижении температуры ниже 22°С внутри модели включается источник системы отопления -электрический нагреватель (дублёр) для проведения точных измерений. Температура внутри модели остаётся в пределах 22-24°С до утра, нагреватель выключается при Т1 выше 24оС.
Расчёт количества тепла, прошедшего внутрь модели и обратно наружу, проводится следующим образом. Температуры Т0 и Т1 численно заданы с интервалом 5 минут, база данных находится в формате Excel. Непрерывный мониторинг температур позволяет выбрать любой необходимый диапазон времени. С точки зрения анализа данных, наиболее удобен суточный интервал с 12.00 15.10.2014 г. по 12.00 16.10.2014 г. Для каждого измерения вычисляется разница температур внутри модели и снаружи AT = Т0 - Т1. Количество энергии AQ, прошедшее через ограждения за At = 5 мин, вычисляется с помощью формулы
AQ = (S /Re) *AT * At, (1)
где S - площадь ограждений, R - общее сопротивление к теплопередаче [5]. Здесь мы допускаем, что все ограждения модели имеют одинаковое общее сопротивление. Для этого добавляются дополнительные слои ватина к кровле и полу модели, чтобы выполнить это условие. В данном случае
Ro = Ro стены Roкрoвля Rпoл = Ro окна -^юдвери
S = S + S + S + S + S
стены кровля пол окна двери
Для модели общая площадь ограждений S = 4.1 м2.
Интенсивность теплопотерь для модели солнечного дома была экспериментально определена методом компенсации с помощью нагревателя, установленного внутри герметично закрытой модели, и оказалась равной AQ/At =40 Вт при Т1 = 23°С = const. Среднесуточная температура для 15 октября Тср= 14.7°С и AT = 23-14.7=8.3°С. Находим из (1)
Ro = S *AT/(AQ/At)= 4.1 м2*8.3°С /40 Вт =0.85м2град /Вт.
Суммируя все AQ для интервала между точками пересечения кривых Т0 и Т1, когда градиент температуры направлен наружу, находим приток тепла и, наоборот, в интервале, когда градиент температуры направлен вовнутрь, находим отток тепла.
Из рис. 2 видно, что в течение суток с 12.00 часов 15.10.2014 до 12.00 часов 16.10.2014 кривые зависимости T0(t) и T1(t) имеют две точки пересечения в точке 12.00 (24,69°С) и 14.55 (21.94°С), которые разделяют два интервала (12.00... 14.55), (15.00_12.00). На рис.3 показаны эти области повышения и понижения температуры воздуха внутри модели.
Область в интервале (7.00.. .14.55) имеет тёмную штриховку, в этом интервале времени градиент температуры направлен наружу модели, имеются отрицательные потери тепла, то есть имеет место отопление модели за счёт пассивного наружного тепла. В более светлой области в интервале времени (15.00.12.00) градиент температуры направлен вовнутрь модели и имеют место действительные положительные потери.
Рис.2. Кривые изменения температуры воздуха снаружи Т0 и внутри Т1 модели (°С).
Рис.3. Области повышения (Т0-Т1>0) и понижения (Т0-Т1<0) температуры воздуха внутри модели.
Для определения теплопотерь нами предложен следующий алгоритм:
1. Вычисляется разница температуры воздуха внутри и снаружи модели для каждого интервала измерения по формуле АТ = Т0 -Т1, которая считается средней разницей за весь интервал Аг.
2. Вычисляется количество энергии АQ, прошедшее через ограждения за Аг = 5 мин. по формуле Ад = ^/ЯО *АТ * Аг, где ^/Я,) = 4.8 Вт/град.
3. Вычисляется приток или отток тепла путём суммирования Ад для каждого интервала см.табл.1-2.
Таблица 1
Результаты расчёта теплопотерь для модели 15-16.10.2014 г.
Интервал времени количество мин / количество измерений Теплопотери интервала, Вт*мин Среднее значение потерь за 5 мин, Вт*мин Средняя интенсивность потерь, Вт Суммарная энергия: приток (-) отток (+), Вт*час
12.00 - 15.00 180/36 -102.24 -2.84 -0.57 -1.70
15.00 - 12.00 1260/252 55314.72 218.64 43.72 921.9
за сутки 1440/288 55212.48 191.71 38.3 920.2
Таблица 2
Интервал включения нагревателя и его параметры
Интервал Теплоотдача нагревателя, Вт*мин Среднее зна- Средняя Суммарная
времени чение отдачи мощность энергия
за 5 мин, нагревателя, нагревателя,
количество мин / количество измерений Вт*мин Вт Вт*час
12.00 - 18.40, 0 0 0 0
400/80
18.40 - 10.10, 940/187 37600 200 40 626.67
10.10 -12.00, 0 0 0 0
110/21
Таким образом, приток тепловой энергии снаружи модели за сутки составляет всего 1.7 Вт*час, а отток 921.9 Вт*час. Энергия, выделенная нагревателем, составляет 626.7 Вт* час и разница
(921.9 - 1.7 - 626.7) Вт* час = 293.5 Вт* час
получена солнечной радиацией (световым излучением), прошедшей через окна. По полуширине кривой Т0 определяется половина продолжительности инсоляции из условия точек начала роста Т0 (7.00) до точки зенита 12.30.
Из графика ТО находим Деловит^ 5.5 час и получаем максимальную мощность пропущенной окнами суммарной радиации
Омах = 293.5Вт.час / 5.5 час = 53.5 Вт.
Средняя мощность прошедшей солнечной радиации за 11 часов
(^средняя ^293.5 Вт* час / 11 час = 26.75 Вт.
При 10-кратном увеличении масштаба (размеров модели) площадь окон дома оригинала увеличится в 100 раз, поток суммарной солнечной радиации увеличится 100 раз. Площади ограждений стен, кровли, пола также увеличатся в 100 раз, следуя формуле (1), потери также увеличатся в 100 раз.
Результаты пересчёта тепловых потоков для дома оригинала показаны в таблицах 3 и 4.
Таблица 3
Результаты пересчёта теплопотерь для дома-оригинала
Интервал времени количество мин / количество измерений Теплопотери интервала, Вт*мин Среднее значение потерь за 5 мин, Вт*мин Средняя интенсивность потерь, Вт Суммарная энергия приток (+) отток (-), кВт*час
12.00 - 15.00 180/36 -10224 -284 -57 -0.170
15.00 - 12.00 1260/252 5531472 21864 4372 92.190
за сутки 1440/288 5521248 19171 3830 92.020
Таблица 4 Интервал включения нагревателя и его параметры
Интервал времени, количество мин / количество измерений Теплоотдача нагревателя, Вт*мин Среднее значение отдачи за 5 мин, Вт*мин Средняя мощность нагревателя, Вт Суммарная энергия нагревателя, Вт*час
12.00 - 18.40, 400/80 0 0 0 0
18.40 - 10.10, 940/187 376000 20000 4000 62667
10.10 -12.00, 110/21 0 0 0 0
Приток тепловой энергии снаружи дома по расчёту составит около 0.170 кВт. час, а отток 92.2 кВт. час и 62.7 кВт. час выделяется нагревателем.
Проверим тепловой баланс дома оригинала
((92.2- 0.17) - 62.67)кВт. час = 29.36 кВт.час.
Дефицит (разница) является световым излучением, прошедшим через окна, его средняя мощность
дс = 29.36 кВт. час / 11 час = 2.67 кВт
Максимальная пиковая мощность ()мах 2(()с) = 5.34 кВт.
В середине октября за день дом-оригинал получает энергию в виде солнечной радиации через окна 29.36 кВт. час и тепловую энергию 0.17 кВт. час через стены, кровлю, пол, окна и двери.
Суммарная энергия пассивных источников составляет 29.53 кВт. час в сутки, доля солнечной радиации составляет 29.36/29.53 = 99.42%.
Сумма энергии пассивных и активных источников 92.2 кВт. час (29.53+62.67=92.2). Суммарная энергия пассивных источников составляет 46.6% от энергии активных источников или 31.8% от суммы энергии пассивных и активных источников.
Средняя мощность источника системы отопления дома оригинала составляет 4 кВт для середины октября месяца.
Суточный расход энергии активного источника для поддержания комфортной температуры внутри дома 62.7 кВт. час в сутки.
Таким образом, разработана и изготовлена действующая модель «Солнечного дома» с непрерывным мониторингом температуры воздуха внутри и снаружи дома, горячей воды в баке-аккумуляторе и на выходе коллектора. Определены тепловые потери модели «Солнечного дома» на основе данных мониторинга температуры воздуха внутри и снаружи модели.
Разработана методика определения тепловых и радиационных солнечных потоков, проникающих внутрь модели солнечного дома. Методом моделирования на 10-кратно уменьшенной модели «Солнечного дома» рассчитаны параметры тепловых и солнечных радиационных потоков для модели «Солнечного дома» и дома-оригинала, а также рассчитаны его тепловые потери, мощности системы отопления и суточный расход энергии.
Полученные данные могут быть использованы при расчётах параметров «Солнечного дома», определении мощности солнечных станций, выборе и установке солнечного оборудования, а также при проектировании и строительстве современных энергосберегающих жилых, учебных, административных и промышленных зданий.
Поступило 24.05.2015 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973, 370 с.
2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Под общей ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. -М.: Энергоатомиздат, 1983, 552 с.
3. Каримов Х.С., Ахмедов Х.М. Солнечная теплоэнергетика. - Душанбе: Дониш, 2008, 156 с.
4. Богословский В.Н., Щеглов В.П., Разумов Н.Н. Отопление и вентиляция. - М.: Стройиздат, 1980, 296 с.
5. Крейт Ф., Блек У. Основы теплопередачи. - М.: Мир, 1983, 512 с.
М.А.Салиев, ^.М.Ахмедов, Р.Р.Назаров*
ТАДЦИЦИ СЕЛ^ОИ МАФЪУЛИ ГАРМЙ ВА АФКАНИШИ ОФТОБ БО УСУЛИ МОНИТОРИНГИ ХДРОРАТИ ^АВО ДАР ДОХИЛ ВА БЕРУНИ
МОДЕЛИ «ХОНАИ ОФТОБЙ»
Маркази рушди инноватсионии илм ва технологиями нави Академияи илм^ои Цум^урииТоцикистон, *Донишгох,и давлатии Хуцанд ба номи Б.Р.Рафуров
Дар макола бо усули мониторинги хдрорати хдво дар дохил ва беруни модели «Хонаи офтобй» энергияи чамъи селх,ои мафъули гармй ва афканиши офтоб андар модели мазкур муай-ян карда шудааст. Талафх,ои гармй ва тавоноии мутаъдили системаи гармидихд барои модел ва аслй «Хонаи офтобй» бо назардошти селх,ои мафъули гармй ва афканиши офтоб х,исоб карда шудааст.
Калима^ои калиди: модел - хонаи офтоби - афканиши офтоб - царорат - талафцои гарми -царорати миёнаи шабонарузи - сели энергияи гарми - харци энергияи гарми.
M.A.Saliev, Kh.M.Akhmedov, R.R.Nazarov* INVESTIGATION OF PASSIVE HEAT AND RADIATION FLOWS BY MONITORING OF AIR TEMPERATURE INSIDE AND OUTSIDE
«SUNNY HOUSE» MODEL
Center for innovative development of science and new technologies, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, Khujand University namedB.G.Gafurova In this paper by monitoring of air temperature inside and outside of the «Sunny house» model the summary energy of passive heatand radiation flows coming to the model were determined. The heat losses and optimal capacity of heating system of the «Sunny house» model and of the original house, by taking into account the passive heat flows and solar radiation were calculated.
Key words: model - sunny house - solar radiation - temperature - heat loss - average daily temperature -thermal energy inflow - outflow of heat.
