CC BY
29
УДК697.7(470.343)
К. В. Котлов - аспирант
Тел.: 89035249553, e-mail: kotlov24@mail.ru
Московский государственный строительный университет (МГСУ)
ПАССИВНЫЕ ГЕЛИОСИСТЕМЫ ТЕПЛООБЕСПЕЧЕНИЯ ЗДАНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ ЭЛ НА ПРИМЕРЕ “СТЕНЫ-КОЛЛЕКТОРА ТРОМБА”
АННОТАЦИЯ
Проблема рационального использования энергоресурсов в стране является одной из главных задач XXI века. В данной статье рассматривается вопрос о возможности внедрения пассивной гелиосистемы “стены-коллектора Тромба” в качестве альтернативного источника отопления для климатической зоны республики Марий Эл. Произведенные исследования радиационного (количества прямой и рассеянной солнечной радиации) и температурного режима, а также расчет стены позволили сделать вывод, что за счет исследуемой пассивной гелиосистемы можно компенсировать часть энергии, расходуемой на отопление зданий.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: энергоэффективные здания, солнечная радиация, пассивные гелиосистемы.
K.V. Kotlov - post-graduate
Tel.: 89035249553, e-mail: kotlov24@mail.ru
Moscow state construction university (MGSU)
PASSIVE HELIOSYSTEMS FOR HEATING BUILDINGS IN THE CLIMATIC CONDITIONS OF REPUBLIC MARI EL ON AN EXAMPLE «OF A WALL-COLLECTOR BY TROMB»
ABSTRACT
The problem of rational use of power resources in the country is one of the main tasks XXI of century. In given clause the question on an opportunity of introduction passive heliosystem "of a wall-collector by Tromb" is considered as an alternative source of heating for a climatic zone of republic Mari El. The made researches radiating (quantity of direct and absent-minded solar radiation) and temperature mode, and also account of a wall, have allowed to make a conclusion, that at the expense of researched passive heliosystem it is possible to compensate a part of energy spent on heating of buildings.
KEYWORDS: energyeffective buildings, solar radiation, passive heliosystems.
Актуальность данного исследования обусловлена, в первую очередь, проблемой рационального использования энергоресурсов в стране и республике Марий Эл, в частности. Социальная, экологическая, экономическая, а особенно энергетическая ситуация в республике в начале XXI века характеризуется острым дефицитом топлива, постоянным повышением тарифов на электроэнергию, высокими ценами на жилье и высокими эксплуатационными затратами на его содержание.
Основная задача исследования - рассмотреть возможность внедрения пассивной гелиосистемы “стена-коллектор Тромба” в качестве альтернативного источника отопления в условиях умеренноконтинентального климата республики Марий Эл. к = 3,0 м - высота стены; а = 3,3 м - ширина стены;
Ь = 0,1 м - ширина зазора между массивной стеной и наружным остеклением (ширина зазора воздушной прослойки).
Площадь наружной поверхности “стены-коллектора Тромба” определяется по формуле:
А = к • а = 3 • 3,3 »10 м2 - площадь поверхности стены;
а = от Вт
ав = 8,7 2 0^ - коэффициент теплоотдачи
м • С
внутренней поверхности ограждающих конструкций, принимаемых по табл. 4* [2];
Для решения системы балансовых уравнений необходимо ввести коэффициент теплообмена между
поверхностью и воздухом а , определяемый в
№
0
Стекло
Замкнутая воздушная прослойка
Черная поверхность
Выходной клапан
Ї =200С
1помещ.
Вентилятор 150ВК01
Входной клапан
Рис. 1. Расчетная схема “стены-коллектора Тромба”
зависимости от скорости движения воздуха V в воздушной прослойке [1] по формуле:
а в = 8,7 + 2,6 • V = 8,7 + 2,6 • 0,26 = 9,38
Вт
,.2 0Г м • С
. (1.1)
Скорость движения воздуха в замкнутой воздушной прослойке находится как отношение производительности
канального вентилятора Ь к площади зазора воздушной прослойки Ащели :
Ь
305
. м
V =
Л,
щели
= 0,26—. (1.2) 0,33 • 3600 с
Для определения скорости движения воздуха V необходимо определить площадь зазора воздушной
прослойки Лщели :
Ащели = а • Ь = 3,3 • 0,1 = 0,33м2 - площадь
зазора воздушной прослойки.
Теплотехнические характеристики для отдельных слоев конструкции берем из Приложения 3* [2].
Для решения системы балансовых уравнений
принимаем Іпомещ = Івх. = 200 С .
-1 п кг
Уеозд = 1,2 3 - плотность воздуха при 1=20 0 С ;
м
а = 23 Вт
ан = 23 2 0 „ - коэффициент теплоотдачи для
м • С
зимних условий;
р = 0,9 - коэффициент поглощения солнечной радиации;
Я = 0,76
/1И|Л V П/1 Т
Вт
- расчетный коэффициент
0
м^ С
теплопроводности при условии эксплуатации Б; дстекла = 0,04 м - толщина остекления [3];
Вт
2 - максимальное значение прямой
м
солнечной радиации на вертикальную поверхность, приходящееся на 15 апреля;
Б = 128
Вт
м
- среднее часовое значение
рассеянной солнечной радиации на вертикальную поверхность в апреле;
Т = 0,7 - коэффициент пропускания для
одинарного остекления прямой солнечной радиации;
Ь = 305
м
час
производительность канального
вентилятора марки 150ВК01 (мощность - 30 Вт, диаметр крыльчатки - 150 мм);
C . кДж
С = 1-----0------удельная теплоемкость.
кг • С
Определяем расчетный коэффициент остекления по формуле:
К
1
— + — +
а,, ав Яс.
(верхнее отверстие в массивной стене) равной
t = 300 С .
вых.
Переписываем систему уравнений с учетом известных величин:
Вт
і конв.стены
= 9,38(40 - (20 + 30) / 2) = 140,7——
м
1трансж ( 1 0,02 0,12 0,15 0,38 0,02Л
----+-------- +------- +------- +------- +-------
8,7 0,93 0,81 0,06 0,81 0,93
V у
Вт
• (40 - 20) = 6,10^
м
q = 4,76 •
1 потерь ?
/30 + 20 -5Ч
= 95,2
Вт
м
нв
1
1 1 0,04
------1-------1-------
23 8,7 0,76
20 м • С
Записываем систему балансовых уравнений:
q.
Яш
= ав(істены - (івх. + 0/2)
____________________1______________________
Л 8а 82 83 д4 д5,
(— + -^ + -^ + -^ + -^ + -^)
ав Я Я2 Я3 Я4 Я5
• (і - І )
V стены помещ. /
Я конв.стены + Я трансм. Я солн. Япотерь (1*4)
Яконе.стены Ь 'возд. С (Івьіх. Івх. )/Л
і„,,х + Ів
я = К • (-
^ потерь остекл. V
вых. вх.
2
^н )
=
0,23 + 4,98 + 9,72 =50
3 = -
среднемесячная
температура за апрель.
Определяем поток солнечной радиации, поглощенный 1 м2 массивной стены, по формуле:
Яс
5 •Т • р + Б •Т • р = 149 • 0,7 • 0,9 +
+128 • 0,7 • 0,9 = 174,5
Вт
м
(1.5)
Для решения системы уравнений принимаем температуру наружной поверхности стены
tсmены = 400С , а температуру на выходе из клапана
Я конв.стены Ясолн. Я потерь Я трансм.
= 174,5 - 95,2 - 6,10 = 73,20-
Вт
м
Выражаем Іеых из уравнения баланса замкнутой воздушной прослойки (1.4):
73,20 -10 +
20 • 305 • 1,2 •!
і =
вых.
3,6
305 • 1,2 1 3,6
= 27,20С
Получившаяся фактическая температура на выходе tеых = 27,2°С приближается к заданной температуре
1Ы1Х = 300С . Для более точного определения
фактической температуры зададим tеых = 27,60С и пересчитаем систему с учетом этой температуры:
Вт
і конв .стены
= 9,3 8(40 - (20 + 27,6) /2) = 152,0—-
м
1
1трансм' ^ 1 0,02 0,12 0,15 0,38 0,02
------1--------1--------1--------1--------1------
8,7 0,93 0,81 0,06 0,81 0,93,
V ’ ’ ’ ’ ’ у
• (40 - 20) = 6,10
Вт
Яп
= 4,76
27,6 + 20 2
м
\
= 89,5
Вт
м
конв.стены Я солн. Я потерь Я трансм.
1
2
5
№
Таблица
Количество теплоты, передаваемое стеной в течение отопительного периода
Месяцы Количество теплоты Q, Дж
Январь -206,84
Февраль 81,87
Март 572,95
Апрель 854,0
Первая половина мая 1078,13
Октябрь 50,83
Ноябрь -246,16
Декабрь -325,22
-----Ряді
Рис. 2. Диаграмма изменения работы “стены-коллектора Тромба” в течение отопительного периода
= 174,5 - 89,5 - 6,10 = 78,90
Вт
м
Выражаем tвых из уравнения баланса замкнутой воздушной прослойки:
20 • 305 -1,2 -1
78,90 10 +
t =
вых.
305 -1,2 -1
3,6 = 27,80С
3,6
Получившаяся фактическая температура на выходе tеых. = 27,80С приблизительно равна заданной температуре t = 27,60С . Следовательно, можно
определить количество тепла, переданного стеной-коллектором Тромба” в обслуживаемое помещение:
Q = q
трансм.
• A + L • C ' g д ' (t — t ) —
і возд. V вых. вх. /
305 1 1 2
= 6,10 10 +--------• (27,8 - 20) = 854,0Дж. (1.6)
3,6
Для эффективного определения периода продолжительности работы “стены-коллектора Тромба” нами была написана расчетная программа в Excel, основанная на решении системы балансовых уравнений. С помощью программы было определено количество теплоты Q, передаваемое стеной в обслуживаемое помещение (см. табл.).
По полученным значениям нами построена диаграмма зависимости количества теплоты Q от месяца отопительного периода (см. рис. 2).
Из анализа диаграммы можно сделать следующие выводы:
1. Эффективная работа стены наблюдается в трех месяцах: март, апрель и первая половина мая.
2. Максимальное количество теплоты, передаваемое стеной в обслуживаемое помещение, наблюдается в мае, а минимальное - в октябре.
3. Исследования показали, что стена не работает в ноябре, декабре и январе, то есть не передает тепло в обслуживаемое помещение.
Следовательно, стена позволит компенсировать часть энергии для отопления зданий в климатической зоне республики Марий Эл.
5.
Литература
Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. - М: Стройиздат, 2001. - 257 с.
СНиП 11-3-79*. Строительная теплотехника [Текст] / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1998.
- 32 с.
ГОСТ 111-90. Стекло листовое. Технические условия.
- М., 1992. - 13 с.
СНиП 23-01-99. Строительная климатология [Текст] / Госстрой России. - М.: Управление
технормирования Госстроя России, 2000. - 68 с. Расчет и проектирование ограждающих конструкций [Текст] / НИИ строит. физики. - М.: Стройиздат, 1990.
- 233 с.: ил. - (Справ. пособие к СНиП 11-3-79. Строительная теплотехника).
2.
