Оценка теплоаккумулирующей способности греющей панели напольного отопления межэтажного перекрытия Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Электроэнергия от сети посредством ТЭНов преобразуется в тепловую и аккумулируется в хромомагнезитовых блоках. Теплоноситель системы теплоснабжения нагревается за счёт использования промежуточного воздухо-водяного теплообменника и накапливается в баке-аккумуляторе. При этом используется дополнительный теплоноситель - воздух. Схема предусматривает возможность использования возобновляемых источников энергии: ветра - для получения электрического тока и нагрева хромомагнезитовых блоков и солнца - для нагрева теплоносителя в баке-аккумуляторе. При применении ветроустановки в данном случае общая ее стоимость уменьшается вдвое, так как нет необходимость использовать инвертор и электрические аккумуляторы.

Как показывают расчеты применение данной схемы способно уменьшить потребление энергоресурсов на 50 % от потребности в тепловой энергии.

ВЫВОДЫ.

Предложенная схема теплоснабжения зданий с использованием хромомагнезитовых аккумуляторов тепла позволяет интегрироваться в существующую систему отопления и отчасти сглаживать график энргопотребления, что в свою очередь ведет к увеличению КПД электростанций. Эксплуатационные затраты на нужды теплоснабжения могут быть снижены на 50%.

Представленное схемное решение позволяет использовать энергию солнца и ветра для частичного замещения традиционных энергоносителей.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРЫ

1. Левенберг В.Д. Аккумулирование тепла/ В.Д.Левенберг, М.Р.Ткач, В.А.Гольстрем. -Киев: Техника, 1991. - 84 с.

2. Бекман Г. Тепловое аккумулирование энергии/ Г.Бекман, П.Гилли. - Москва: Мир, 1987.- 271 с.

УДК 697

Маркин А.В., доцент

Национальная академия природоохранного и курортного строительства

ОЦЕНКА ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРЕЮЩЕЙ ПАНЕЛИ НАПОЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ МЕЖЭТАЖНОГО ПЕРЕКРЫТИЯ

Приведены результаты теоретических исследований способности греющей панели напольного отопления расположенной в межэтажном перекрытии аккумулировать тепло в условиях квазистационарного теплового режима с учетом теплового потока в нижерасположенное помещение при различных конструктивных характеристиках системы напольного отопления. Тепловая инерция, греющая панель, напольное отопление, сопротивление теплопередаче, тепловой поток.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее совершенными в техническом и экологическом отношении являются системы панельного, в том числе напольного отопления. Оно обладает высокими гигиеническими показателями, обеспечивает чувство теплового комфорта благодаря равномерному распространению тепла по всем внутренним

поверхностям ограждений помещения и оптимальному вертикальному распределению температуры воздуха.

К существенным преимуществам напольного отопления можно отнести следующее: изменение температуры воздуха по высоте близко к оптимальному распределению, что влечет за собой повышение температурного комфорта; уменьшение скорости движения конвекционных потоков; понижение температуры теплоотдающих поверхностей; способность саморегуляции тепловой мощности в результате изменения внутренней температуры в помещении; невысокая температура теплоносителя в установках напольного отопления дает возможность эффективно использовать возобновляемые источники тепловой энергии, такие как геотермальные воды, энергия солнца и окружающей среды, а также газовые конденсационные котлы.

В то же время применение напольного отопления подвержено некоторым ограничениям: максимальная удельная теплопроизводительность поверхности пола составляет 100 Вт/м2; не все типы лицевого покрытия могут применяться при напольном отоплении; тепловая инерция значительно выше, чем в других системах отопления.

Два первых ограничения существенно не влияют на положительные качества напольного отопления, так как они легко устранимы применением лицевых покрытий, которые при нагревании до эксплуатационных температур выделяют допустимое количество веществ с нормируемой концентрацией и устройством достаточной теплоизоляции наружных ограждающих конструкций для снижения расчетной удельной теплопроизводительности поверхности греющей панели ниже 100 Вт/м2.

Высокая тепловая инерция греющих панелей значительно усложняет регулирование теплоотдачи отопительного прибора, для решения этой проблемы в настоящее время предлагаются комбинированные системы отопления. Комбинированная система состоит из основной, как правило, теплого пола обеспечивающего часть тепловой нагрузки на отопление и малоинерционной радиаторной или воздушной системы обеспечивающей пиковые теплопотребности помещения. Управление тепловой мощностью малоинерционных отопительных приборов осуществляется в основном регуляторами прямого действия по температуре воздуха помещения, что позволяет системе быстро реагировать на изменения теплового режима помещения, теплопоступления либо теплопотери. Комбинированные системы такого типа позволяют повысить энергоэффективность отопления и получить более комфортные условия в помещении, но увеличивают капитальные и эксплуатационные затраты.

ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью работы было получение зависимости количества тепла аккумулированного греющей панелью, которое при ее охлаждении передается в отапливаемое помещение от конструктивных характеристик системы напольного отопления в условиях квазистационарного теплового режима.

Для достижения поставленной цели в работе теоретически исследовалось влияние толщины панели, шага труб с теплоносителем с учетом теплового потока в нижерасположенное помещение на теплоаккумулирующую способность греющей панели напольного отопления.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ ГРЕЮЩЕЙ ПАНЕЛИ НАПОЛЬНОГО ОТОПЛЕНИЯ

На изменение температуры в помещении при регулировании тепловой мощности напольного отопления существенное влияние оказывает теплоемкость отопительной панели. Температура массива материала панели в момент начала процесса регулирования превышает температуру помещения, а ее охлаждение происходит в условиях небольшого снижения температуры внутреннего воздуха. Примерно в таких же условиях происходит процесс нагрева панели после возобновления подачи тепловой энергии. Чем больше теплоемкость панели, тем значительней разница между количеством тепла Qтн, отданного

теплоносителем массиву панели в каждый момент времени, и теплом Qnp, переданного

помещению теплоотдающей поверхностью греющей панели при нестационарном режиме теплопередачи в процессе регулирования тепловой мощности.

Теплоотдачу напольного нагревательного прибора Qnp в отапливаемое

помещение, определяют с помощью уравнения в виде

QnP = Чв Fn (1)

где qe - удельный тепловой поток от греющей панели, поверхностью которой является пол, по направлению в «верх», Вт / м2; Fn - площадь теплоотдающей поверхности, м2.

В основу аналитического метода расчета параметров отопительной панели заложена формула определения удельного теплового потока в отапливаемое помещение qe, Вт / м2,

как функция от температуры поверхности пола, основанная на частном решении задачи Форхгеймера (DIN 4725)[1]

Че = 8,92(tn - te )u (2)

где tn - температура поверхности полаС; te - температура воздуха в отапливаемом помещенииС;

Температура поверхности пола tn,° C :

q0'91

t„ = tB +—— (3)

n e 7,325 V 7

Охлаждение греющей панели напольного отопления происходит при условии двустороннего асимметричного теплообмена, вверх через поверхность пола в отапливаемое помещение и в нижерасположенное помещение через слой утеплителя, плиту перекрытия и потолок. Отношение тепловых потоков от плоскости расположения труб с теплоносителем «вниз/вверх» a, определяется по формуле.

a = = (V-^, (5)

Че (tmp - te ) • RH

где qH - удельный тепловой поток по направлению «вниз», Вт / м2; tmp - температура поверхности трубы,° С;

tH - температура воздуха в нижерасположенном помещении,° С;

Ren и RH- приведенное сопротивление теплопередачи с учетом теплообмена на поверхности слоев расположенных над трубой и под трубой соответственно, (м2 • К /Вт), определяются по методике, приведенной в нормативе [2];

Принимая температуру воздуха в нижерасположенном помещении равной расчетной, т. е. равной температуре отапливаемого помещения для определения коэффициента a с учетом зависимости (5) можно записать

Re

a = . (6)

RH

В соответствии с требованием норматива [3] соотношение между термическими сопротивлениями слоев пола над греющими элементами Re и под ними Rн для межэтажного перекрытия над отапливаемым помещением должно составлять Rе > 4,0Rн. Коэффициент теплоотдачи поверхности пола ае, (Вт / м2 • K)

а = 8,92(tn -1е )0,1 = 7,325qä0,09 (7)

Коэффициент теплоотдачи нижней поверхности конструкции межэтажного перекрытия берется по данным норматива [2] ан = 8,7Вт / м2 ■ К .

Средняя температура теплоносителя в трубах греющей панели.

аЯпр

г = г + а Я + Че тр (8)

те 1в п /ч ч V/

п(1 - а)

где п - число труб в поперечном сечении пола, приходящееся на один

погонный метр п = 1/ £ , ( £ - шаг труб греющей панели, м );

ЩРР - приведенное сопротивление теплопередаче стенок трубы (с учетом коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности трубы аен, принимаемого 400 Вт /(м2 ■ К) [1]) , м2 ■ К / Вт определится по формуле:

Япр =-1-+-^ (9)

^ Паен° вн 2пЛст

где Вен - внутренний диаметр трубы, м;

Бн - наружный диаметр трубы, м;

Лст - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, Вт /(м ■ К).

За среднюю температуру массива греющей панели гм С при установившемся тепловом режиме предшествующем началу регулирования тепловой мощности можно принять температуру в точке между трубами в плоскости их расположения, которую определим по формуле [4]

= г£ '2 = сф'/'г-Т+И)+К • (10)

^ Аг + вг где К = —н-- - температурный фактор;

А + В

ек - гиперболический косинус значения

£/2 ■у/ А + В );

А = 1/( Лп Бн Ян ) - вспомогательная величина;

В = 1/(ЛпБн ЯВ ) - вспомогательная величина;

Л - коэффициент теплопроводности материала панели, Вт / (м ■ К).

Рассматривая теплоемкую греющую панель напольного отопления как отдельный элемент конструкции межэтажного перекрытия, примем следующие допущения. Греющая панель пола относительно тонкая пластина, на поверхности которой расположены дополнительные материальные слои конструкции (лицевой слой на верхней поверхности и слой утеплителя с плитой перекрытия на нижней). При расчетах учтем эти слои как дополнительные термические сопротивления теплообмену с поверхности пластины без учета их теплоемкости. Влияние теплоемкости слоев расположенных ниже греющей панели на общий тепловой режим межэтажного перекрытия учитывается коэффициентом отношения тепловых потоков а, который определен по формуле (6).

Количество теплоты, аккумулированной массивом греющей панели теплого пола в общем случае можно определить по формуле [5]:

См =£ 5гре& /з,. (11)

г=1

где 5{, pi, сI, - соответственно толщина, м, плотность материала, кг / м3, массовая теплоемкость, Дж /(кг • К) и избыточная температура, °С I - того слоя конструкции отопительной панели; $б - избыточная средняя температура массива панели

$ = г - г , С.

6 м 6 >

С учетом допущений, принятых выше и формулы (6), количество теплоты

" т-.2

аккумулированной отопительной панелью теплого пола площадью ¥п, м , которое при

охлаждении передается через поверхность в отапливаемое помещение можно записать в виде

С. =•

5 р с ¥ $

п/ п п п 6

(1 + а)

(12)

Или удельное количество теплоты см, кДж / м2, аккумулированное одним квадратным метром массива греющей панели напольного отопления

5пРпСп $6

(1 + а)

(13)

Рассмотрим теплоотдачу и аккумуляцию тепла в греющей панели как квазистационарный процесс, т.е. всякое изменение теплового состояния панели начинается с установившегося, стационарного режима. Приняв за расчетные, значения конструктивных характеристик эталонного теплого пола [1] представленные в таблице определим теплоаккумулирующую способность греющей панели системы напольного отопления. Зависимость удельного количества теплоты, которое передается отапливаемому помещению, аккумулированной одним квадратным метром массива греющей панели см, Дж / м2 от шага труб с теплоносителем £, м и толщины панели 5п, м при стационарном режиме в начале процесса охлаждения при расчетных температурных условиях помещения. График зависимости представлен на Рис. 1.

Конструктивные характеристики эталонного теплого пола

№ п/п Характеристика Обозна -чение Ед. измерения Значение

1 Приведенный коэффициент теплопередачи трубы кпр тр Вт /(м2 • К) 6,7

2 Коэффициент теплопроводности стенки трубы Ат Вт /(м • К) 0,35

3 Толщина стенки трубы 5ст м 0,002

4 Наружный диаметр трубы А м 0,016

5 Плотность материала греющей панели Рп кг / м 2400

6 Удельная теплоемкость материала панели Сп кДж / (кг • К ) 0,84

7 Коэффициент теплопроводности материала панели А Вт /(м • К) 1,74

8 Толщина лицевого слоя пола (керамическая плитка) 5Л м 0,08

9 Коэффициент теплопроводности лицевого слоя Вт /(м • К) 0,96

10 Температура воздуха помещения К 0 С 18

11 Температура поверхности пола г 0 С 28

см

Шаг труб греющей панели

— Толщ ина панели равна

30мм

—□- - Толщина панели равна

50мм

...д.. - Толщина панели равна

70мм

-х- -Толщина панели равна

90мм

- - ж- -■Толщина панели равна

110мм

—в— Толщина панели равна

130мм

1— - Толщина панели равна

150мм

Рис.1 Удельное количество теплоты см, Дж / м2, аккумулированное греющей панелью напольного отопления в зависимости от шага труб с теплоносителем S, м и толщины панели 5п, м в условиях квазистационарного режима.

ВЫВОДЫ

В результате выполненных теоретических исследований получена зависимость удельной теплоаккумуляционной способности греющей панели от конструктивных характеристик системы напольного отопления с учетом теплового потока в нижерасположенное помещение при квазистационарном тепловом режиме. Тепловая инерция панели может вносить значительные возмущения в процесс регулирования тепловой мощности систем напольного отопления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афонин А.Н., Сушицкий О.И., Горбунов В.И. Руководство по проектированию монтажу и эксплуатации холодного, горячего водоснабжения и отопления с использованием металлополимерных труб VALTEC. М.: ОАО «Научно -исследовательский институт санитарной техники», 2009.- 200с.

2. ДБН В.2.6-31:2006 . Конструкцп будинюв i споруд. Теплова iзоляцiя будiвель. - К.: Укрархбудшформ, 2006.- 70 с.

3. ДБН В.2.5.24-2003 Електрична кабельна система опалення. - К.: Укрархбудшформ, 2004. - 31 с.

4. Шаповалов И.С. Проектирование панельно-лучистого отопления. - М.: Стройиздат, 1966. - 240 с.

5. Кононович Ю. В. Тепловой режим зданий массовой застройки. - М.: Стройиздат, 1986. - 157с.