CC BY
3
УДК 004: 519.81 https://doLorg/10.35546/kntu2078-4481.2022Л.7
КХСОКОЛ
Херсонський нацюнальний технiчний унiверситет
ORCID: 0000-0001-5155-7202
о.е.огневл
Херсонський нацiональний технiчний ушверситет
ORCID: 0000-0001-6206-0285 О.В. АНДРОНОВА
Херсонський нацюнальний техшчний унiверситет
ORCID: 0000-0001-9597-8068
ПРОЕКТУВАННЯ КОМП'ЮТЕРНО1 СИСТЕМИ ДЛЯ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМУ БУД1ВЛ1 З ПАСИВНОЮ СИСТЕМОЮ ОПАЛЕННЯ
ЗАКРИТОГО ТИПУ
В умовах постшного зростання цгн на енергоресурси, прагнення до зменшення штдливих викидгв до атмосфери, а також, дефщиту викопних вид1в палива, що можуть бути використанг для опалення, привертають до себе увагу методи пгдвищення енергоефективностг та енергозбереження. Одним 1з таких методгв е системи пасивного опалення, в яких процеси приймання, накопичення та використання сонячног енергИ для тдтримання теплового режиму будгвлг, здшснюються природним шляхом, в архгтектурно-будгвельних елементах будгвлг. Використання даних систем дозволяе значно зменшувати витрати енергоресурав на опалення та охолодження будгвлг. Для дослгдження та вгзуалгзацИ явищ I процесгв, що в1дбуваються всередит ф1зично'1 системи, якою е будгвля з пасивною системою опалення, використовуються ргзноматтнг сучаснг технологи, зокрема, метод комп'ютерного моделювання.
У роботI розглянуто тепловI процеси, необх1дш для розумтня формування тепловтрат I теплонадходжень в будгвлг, а також тепловI схеми будгвлг I и конструктивних елементгв, що е основою для розробки комп'ютерног системи для моделювання теплових режимгв будгвлг та визначення об 'емно-планувальних та теплотехнгчних параметргв. Метою даног роботи е створення теплових схем будгвлг з пасивною системою опалення та П огороджувальних конструкцш, визначення функцш та концептуальног модел1 роботи комп'ютерног системи для дослгдження теплового режиму буд1вл1. Основними результатами дослгдження е запропоноваш тепловI схеми будгвлг з пасивною системою опалення закритого типу та концептуальна модель запропонованог комп'ютерног системи. Розглянутг схеми дозволяють краще розумти процеси теплопередачг, що в1дбуваються в конструкцгях будгвлг та пасивних системах опалення закритого типу, а також можуть стати яюсним тдтрунтям для подальших дослгджень. Науковою новизною е побудован1 тепловI схеми та концептуальна схема запропонованог комп'ютерног системи.
КлючовI слова: теплова схема; пасивна система опалення; тепловий режим будгвлг; теплопередача; модель; стгна Тромбе; комп'ютерна система.
К.И.СОКОЛ
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0001-5155-7202 О.Е.ОГНЕВЛ
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0001-6206-0285 Е.В. АНДРОНОВА
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0001-9597-8068
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЯ С ПАССИВНОЙ СИСТЕМОЙ ОТОПЛЕНИЯ ЗАКРЫТОГО ТИПА
В условиях постоянного роста цен на энергоресурсы, стремления к уменьшению вредных выбросов в атмосферу, а также дефицита ископаемых видов топлива, которые могут быть использованы для отопления, привлекают к себе внимание методы повышения энергоэффективности и энергосбережения. Одним из таких методов являются системы пассивного отопления, в которых процессы приемки, накопления и использования солнечной энергии для поддержания теплового режима здания осуществляются естественным путем в архитектурно-строительных элементах здания. Использование данных систем позволяет значительно уменьшать расход энергоресурсов на отопление и
охлаждение здания. Для исследования и визуализации явлений и процессов, происходящих внутри физической системы, как здание с пассивной системой отопления, используются разнообразные современные технологии, в частности, метод компьютерного моделирования.
В работе рассмотрены тепловые процессы, необходимые для понимания формирования теплопотерь и теплопоступлений в здании, а также тепловые схемы здания и его конструктивных элементов, являющихся основой для разработки компьютерной системы для моделирования тепловых режимов здания и определения объемно-планировочных и теплотехнических параметров. . Целью данной работы является создание тепловых схем здания с пассивной системой отопления и его ограждающих конструкций, определение функций и модели работы компьютерной системы для исследования теплового режима здания. Основными результатами исследования есть предложенные тепловые схемы здания с пассивной системой отопления закрытого типа и концептуальная модель предлагаемой компьютерной системы. Рассмотренные схемы позволяют лучше понимать процессы теплопередачи, происходящие в конструкциях здания и пассивных системах отопления закрытого типа, а также могут стать качественной основой для дальнейших исследований. Научной новизной построены тепловые схемы и концептуальная схема предлагаемой компьютерной системы.
Ключевые слова: тепловая схема; пассивная система отопления; тепловой режим строения; теплопередача; модель; стена Тромбе; компьютерная система.
K.SOKOL
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0001-5155-7202 O.OHNIEVA
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0001-6206-0285 O. ANDRONOVA
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0001-9597-8068
DESIGN OF A COMPUTER SYSTEM FOR INVESTIGATION OF THE THERMAL REGIME OF A BUILDING WITH A PASSIVE CLOSED HEATING SYSTEM
With the constant rise in energy prices, the desire to reduce harmful emissions into the atmosphere, as well as the shortage offossil fuels that can be used for heating, attract attention to methods of improving energy efficiency and energy conservation. One of such methods is passive heating systems, in which the processes of reception, accumulation and use of solar energy to maintain the thermal regime of the building are carried out naturally, in the architectural and building elements of the building. The use of these systems can significantly reduce energy costs for heating and cooling the building. Various modern technologies are used to study and visualize the phenomena and processes that take place inside the physical system, which is a building with a passive heating system, in particular, the method of computer modeling.
The paper considers the thermal processes necessary to understand the formation of heat loss and heat in the building, as well as thermal diagrams of the building and its structural elements, which is the basis for developing a computer system for modeling thermal modes of the building and determining spatial and thermal parameters. . The purpose of this work is to create thermal schemes of a building with a passive heating system and its enclosing structures, to determine the functions and conceptual model of a computer system for studying the thermal regime of the building. The main results of the research are the proposed thermal schemes of the building with a passive closed heating system and the conceptual model of the proposed computer system. The considered schemes allow to better understand the heat transfer processes occurring in building constructions and passive closed heating systems, and can also become a qualitative basis for further research. The scientific novelty is the constructed thermal schemes and the conceptual scheme of the proposed computer system.
Keywords: thermal scheme; passive heating system; thermal regime of the building; heat transfer; model; Trombe wall; computer system.
Постановка проблеми
Пасивш системи опалення е перспективною технолопею виршення проблеми HaAMipHOi залежносп тдприемств теплопостачання вщ викопних енергоресурав, адже так системи функцюнують за рахунок використання сонячно! енергп. Проектування енергоефективних будiвель з пасивною системою опалення потребуе дослщження теплотехшчних процеав з врахуванням низки фaктоpiв, таких як обемно-планувальш i теплотехшчш параметри будiвлi, режими експлуатацп та клматичш умови, що передбачае застосування методiв комп'ютерного моделювання, яш дозволяють бшьш детально дослщжувати системи та взаемодп основних ii компоненпв.
Передумовою створення комп'ютерно! системи для дослщження теплового режиму будiвлi з пасивною системою опалення е розробка теплових схем будiвлi та 11 огороджувальних конструкцiй, а також визначення функцш та концептуально! моделi роботи комп'ютерно! системи.
Ан&ш останнiх дослiджень i публiкацiй Дослiдженням та створенням методiв розрахунку та проектування пасивних систем опалення займалися так вченi як Ольгей, Андерсен, Марзiя, Лебенс, Балкомб, Байер, Дафф^ Бекмен, Мхiтарян, Чiрась, Бейнбрiдж та iншi.
Роботи Франаско Мансано-Агульяро, Г. Монтойя, Андрес Сабю-Ортега, Амос Гарсiя-Крус, Барбара Вiдера, Умар Алш Мохаммед, Халiл Зафер Алiбаба, Адекунле, Нiколопулу присвяченi питаниям бюктматично! архiтектури та дослiдженню термального комфорту будiвель в залежностi вiд ктматичних умов мiсцерозташування. Визначено область температурно-волопсних умов, для яких показано застосування пасивних систем опалення.
Вченi Самеп Мохаммад, Касаеян Алiбахш, Чарватова Хана, Прохазка Алеш, Залешак Мартiн займалися аналiзом пасивних систем опалення на основi комп'ютерних моделей.
Однак, уа вище зазначенi дослiдження не дають можливостi комплексно оцiнити можливостi використання пасивних систем опалення та !х ефективнiсть для економi! енергоресурсiв, що потребуе розробки концепцi! комп'ютерно! моделi з бiльш широкими функцiональними можливостями.
Формулювання мети дослiдження Метою дано! роботи е створення теплових схем будiвлi з пасивною системою опалення та !! огороджувальних конструкцш, визначення функцш та концептуально! моделi роботи комп'ютерно! системи для дослщження теплового режиму будiвлi.
Викладення основного матерiалу дослiдження Тепловий режим будiвлi з пасивною системою опалення моделюеться з урахуванням тепловтрат та теплонадходжень ^зь зовнiшнi огороджувальнi конструкцi!: стiни, дах, тдлогу, вiкна i пасивну систему опалення закритого типу (спну Тромбе), яш з'еднано у теплову схему будiвлi паралельно (рис. 1). У теплових схемах огороджувальних конструкцш враховано теплообмш випромiнюванням мiж зовнiшнiми огороджувальними конструкцiями та зовнiшнiм середовищем (ЗС) (на^вання за рахунок надходження сонячно! радiацi!' та радiацiйнi тепловтрати в оточуюче середовище), радiацiйний теплообмiн м1ж зовнiшнiми та внутрiшнiми огороджувальними конструкщями (термальною масою будiвлi), конвективнi тепловтрати та теплопровщшсть конструкцiйних матерiалiв огороджувальних конструкцш [1-5, 8].
Для створення теплових схем огороджувальних конструкцш використовуються блоки, що описують явища теплопередача
Блок теплопередачi теплопровщшстю (Т) описуе передачу тепла в мереж! шляхом кондуктивносп через шар матерiалу. Потужшсть теплового потоку описуеться законом Фур'е i пропорцiйна рiзницi температур, теплопровщносп матерiалу, площi, нормальнiй напрямку теплового потоку, i обернено пропорцiйна товщиш шару:
5
д =Л(11-12)-,Вт, (1)
де X - коефщент теплопровiдностi, Вт/(м-К);
5 - товщина, м;
S - площа, м2;
11,2 - температури поверхонь шару матерiалу, К.
Рис. 1. Теплова схема моделi будiвлi з пасивною системою опалення закритого типу
Блок теплопередачi випромiнюванням (В) описуе передачу тепла в тепловш мереж шляхом випромiнювання мiж двома поверхнями. Передача тепла описуеться законом Стефана-Больцмана. Коефщент випромiнювання залежить вiд геометрично! конфiгyрaцп та поверхневих випромiнювань взаемодiючих тш:
Q = £•cJ0•S•(T24-T?),Вт, (2)
де е - приведена стутнь чорноти в системi двох тiл;
Для опису конвективно! тепловiддачi використовуеться блок К, а шльшсть теплоти визначаеться за рiвнянням Ньютона-Рiхмана:
Q = a(t'1-t'2)S,Вт (3)
де а - коефщент теплопередaчi конвекцiею, (Вт/(м2-К)); Ь'1 - температура повiтря, К; Ь'2 - температура поверхнi, К.
Блок термально! маси описуе акумулювання енерги в тепловiй мереж1, а саме у огороджувальних конструкцiях. Вш враховуе внутрiшню теплоемнiсть будiвлi та визначае шерцшшсть теплово! мереж1 [15, 8].
Теплова схема стши (рис. 2) складаеться з паралельно включених блоков теплопередaчi конвекцiею та випромiнювaнням, до яких пiд'еднaно блоки температури зовнiшнього повiтря та сонячно! рaдiaцi! вiдповiдно. Процес теплопередaчi кондуктившстю крiзь стiну задаеться двома блоками теплопровщносп, що дiлять !! навтл, а мiж ними знаходиться термальна маса мaтерiaлу стiни. Внутрiшня поверхня стши змiнюе свою температуру також за рахунок теплообмiну iз внутршшм середовищем будiвлi за рахунок конвекцп та випромiнювaння [1-5, 8].
Теплова схема тдлоги (рис. 3) вiдрiзняеться вiд схеми стiни вiдсутнiстю блоков теплопередaчi конвекцiею та випромiнювaнням зi сторони зовнiшнього середовища, так як фундамент будiвлi знаходиться на грунп [1-5, 8].
Вiкнa, 70^80% площi яких складають прозорi для сонячного випромiнювaння елементи, частково пропускають сонячну рaдiaцiю, що призводить до на^ву не тiльки вiконних конструкцiй, а й внутршшх огороджувальних конструкцiй тд дiею сонячного випромiнювaння. Теплова схема (рис. 4) враховуе цей попк випромiнювaння на внутрiшнi огороджувaльнi конструкций що розраховуеться з урахуванням коефщента пропускания склопакету. Вiдповiдно, тепло до термально! маси внутршнього повггря бущвл1 передаеться вже вад внутршшх спи [1-5, 8].
Термальна маса стши
Рис. 2. Теплова схема стши
Тсрмал ьна маса тдлоги
Рис. 3. Теплова схема тдлоги
Рис. 4. Теплова схема вжон
Спна Тромбе являе собою засклену ззовш стiну з невентильованим повiтряним прошарком. Теплова схема стiни Тромбе (рис. 5) вiдрiзняеться вiд схеми вшна врахуванням трьох способiв теплопередачi ^зь повiтряний прошарок. Частина сонячно! радiащ! надходить на поверхню стiни, що мае високу поглинальну здатнiсть. Акумульоване стiною тепло передаеться до примщення шляхом конвекцп та випромiнювання [1-5, 8].
Рис. 5. Теплова схема стши Тромбе
Для моделювання характеристик вах наведених блоков теплових схем пропонуеться спроектувати комп'ютерну систему, функцюнальш можливостi яко! наведено на рис. 6, а концептуальна схема - на рис.7. Принцип роботи дано! схеми наступний:
1. Дослщник задае вхдт параметри для проектування, якими е опалювальна площа майбутньо! будiвлi, к1льк1сть та висота поверхiв, мюцерозташування будiвлi.
2. Виходячи з заданих користувачем параметрiв, система пропонуе оптимальну геометрiю та орiентацiю будiвлi, що е максимально ефективною з точки зору уловлювання сонячно! енергп та зменшення тепловтрат в опалювальний перюд.
3. Виходячи з обрано! геометрп, проводиться розрахунок об'емно-планувальних параметрiв будiвлi, основним з яких е несуча здатнiсть будинку та конструктивних !! елементiв, таких як стiни, фундамент тощо.
4. Обираеться розташування вiконних прорiзiв та розраховуеться !х к1льк1сть.
5. Виконуеться пiдбiр будiвельних матерiалiв, що забезпечують несучу здатнiсть будiвлi та задовольняють вимогам енергоефективностi.
6. Проводиться вибiр склопакетiв з оптимальним спiввiдношенням пропускно! здатностi та опору теплопередачi.
7. Розраховуються параметри теплоiзоляцiйно! оболонки будiвлi: густина та товщина шару утеплювача, матерiал якого задовольняе протипожежним вимогам.
8. Визначення режимiв використання iзоляцi! стiни Тромбе, що виступае в ролi або залнюючого елементу, запоб^аючи перегрiву будiвлi, або вiдбиваючого екрану, зменшуючи тепловтрати стiни Тромбе в оточуюче середовище.
Рис.6. Функщональш можливост запропонованот комп'ютернот системи
9. Розрахунок енергопотреби на опалення та кондицiонувaиия будiвлi.
10. П1сля отримання всiх даних система проводить ошгашзацш наявно! системи пасивного опалення шляхом, описаним в [9].
У результат^ дослщник мае повне уявлення про тепловий режим майбутньо! будiвлi, отримуючи всi необхiднi тaблицi значень та грaфiки у фiнaльному вiкнi.
Розрахунок об'емно-планувальних параметр! в буд1вт Виб1р розташування та кшькосп вшонних проршв
Розрахунок параметр ¡в тепжнзолящйноТ оболонки буд1вл!
Визначекня режилнв використання ¡золяцй стши Тромбе
Розрахунок енерго1готреби на опалення та кондишонування будшл: Оптишзащя пасивно'1 системи опалення закритого типу за ефектившстю
Рис.7. Концептуальна схема запропонованот комп'ютернот системи
Спроектована комп'ютерна система дозволить автоматизувати процес розрахунк1в, швидко та як1сно надати математично прораховаш рекомендaцi! щодо об'емно-планувальних та теплотехшчних пaрaметрiв будiвлi, дозволяе дослiдити тепловий режим будiвлi з пасивною системою опалення закритого типу.
Висновки
1. Дослщжено TeraoBi процеси, необхвдт для розумшня формування тепловтрат та теплонадходжень в бyдiвлi.
2. Створено теплову схему бyдiвлi з пасивною системою опалення та ii огороджувальних кoнстрyкцiй, зокрема, теплову схему стши Тромбе, як1 покладено в основу проекту комп'ютерно! системи для дослщження теплового режиму бyдiвлi з пасивною системою опалення закритого типу.
3. Запропоновано концептуальну схему роботи та означено функцп комп'ютерно! системи для визначення об'емно-планувальних та тeплoтeхнiчних парамeтрiв бyдiвлi, та дoслiджeння теплового режиму бyдiвлi з пасивною системою опалення закритого типу.
Список використаноТ л^ератури
1. Duffie, J.A., & Beckman, W.A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
2. Francisco Manzano-Agugliaro. Review of bioclimatic architecture strategies for achieving thermal comfort / Francisco Manzano-Agugliaro, Francisco G.Montoya, AndrésSabio-Ortega, Amós García-Cruz // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2015. - № 49. - с. 736-755. - Бiблioгр.: 196 назв.
3. Barbara Widera. Bioclimatic architecture / Barbara Widera // Journal ofCivil Engineering and Architecture Research. - 2015. - № 4. - с. 567-578. - Бiблioгр.: 20 назв.
4. Umar Aliyu Mohammed. Application of Bioclimatic Design Strategies to Solve Thermal Discomfort in Maiduguri Residences, Borno State Nigeria // Umar Aliyu Mohammed, Assoc. Prof. Dr. Halil Zafer Alibaba. -Imperial Journal of Interdisciplinary Research. - 2018. - № 1. - с. 227-233. - Бiблioгр.: 17 назв.
5. Adekunle, T.; Nikolopoulou, M. Thermal comfort, summertime temperatures and overheating in prefabricated timber housing. Build. Environ. 2016, 103, 21-35
6. Charvátová, Hana & Procházka, Ales & Zálesák, Martin. (2020). Computer Simulation of Passive Cooling of Wooden House Covered by Phase Change Material. Energies. 13. 10.3390/en13226065.
7. Sameti, Mohammad & Kasaeian, Alibakhsh. (2015). Numerical simulation of combined solar passive heating and radiative cooling for a building. Building Simulation. 8. 10.1007/s12273-015-0215-x.
8. Андронова О.В., Курак В.В., Сокол K.I. Тепловий режим бyдiвлi з пасивною системою опалення.О.В. Андронова, В.В. Курак, K.I. Сокол // Вюник Херсонського нацюнального техшчного ушверситету. 1нженерш науки. - № 1(72), Ч. 1. - ХНТУ, березень 2020. - с. 9-17. (D0I:https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2020.1.1.1).
9. Сокол K.I., Огнева О.£. Розробка системи комп'ютерного моделювання для ошташзацп парамeтрiв пасивно! системи опалення закритого типу / K.I. Сокол, О.£. Огнева // Проблеми шформацшних технологш.- № 27. - ХНТУ, лютий 2020. - с. 69-77. (DOI: https://doi.org/10.35546/2313-0687.2020.27.69-77).
References
1. Duffie, J.A., & Beckman, W.A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
2. Francisco Manzano-Agugliaro. Review of bioclimatic architecture strategies for achieving thermal comfort / Francisco Manzano-Agugliaro, Francisco G.Montoya, AndrésSabio-Ortega, Amós García-Cruz // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2015. - № 49. - p. 736-755. - Bibliography: 196 titles.
3. Barbara Widera. Bioclimatic architecture / Barbara Widera // Journal of Civil Engineering and Architecture Research. - 2015. - № 4. - p. 567-578. - Bibliography: 20 titles.
4. Umar Aliyu Mohammed. Application of Bioclimatic Design Strategies to Solve Thermal Discomfort in Maiduguri Residences, Borno State Nigeria // Umar Aliyu Mohammed, Assoc. Prof. Dr. Halil Zafer Alibaba. -Imperial Journal of Interdisciplinary Research. - 2018. - № 1. - p. 227-233. - Bibliography: 17 titles.
5. Adekunle, T.; Nikolopoulou, M. Thermal comfort, summertime temperatures and overheating in prefabricated timber housing. Build. Environ. 2016, 103, 21-35
6. Charvátová, Hana & Procházka, Ales & Zálesák, Martin. (2020). Computer Simulation of Passive Cooling of Wooden House Covered by Phase Change Material. Energies. 13. 10.3390 / en13226065.
7. Sameti, Mohammad & Kasaeian, Alibakhsh. (2015). Numerical simulation of combined solar passive heating and radiative cooling for a building. Building Simulation. 8. 10.1007 / s12273-015-0215-x.
8. Andronova O., Kurak V., Sokol K. Teplovyy rezhym budivli z pasyvnoyu systemoyu opalennya [Thermal regime of a building with a passive heating system]. Visnyk Khersonskoho natsionalnoho tekhnichnoho universytetu. Inzhenerni nauky. [Bulletin of Kherson National Technical University. Engineering sciences], 2020, № 1(72), pp. 9-17.
9. Sokol K., Ohnyeva O. Rozrobka systemy komp"yuternoho modelyuvannya dlya optymizatsiyi parametriv pasyvnoyi systemy opalennya zakrytoho typu [Development of computer modeling system for optimization of parameters of closed type passive heating system]. Problemy informatsiynykh tekhnolohiy [Problems of information technologies], 2020, № 27, pp. 69-77.
