РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ (ТСМ) Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 667 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 667

УДК 691

РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПОРАЗМЕРНОГО РЯДА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ (ТСМ)

А.В. Фитингоф

ООО «ЭнерГео» 346518, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Маяковского, д. 224-В Тел./Факс: (8636) 221094, 237757, e-mail [email protected]

Заключение совета рецензентов: 24.01.10 Заключение совета экспертов: 30.01.10 Принято к публикации: 05.02.10

В рамках статьи рассмотрены проблемы внедрения комплексной системы экономии затрат на эксплуатацию жилых и гражданских зданий в отечественную практику возведения домов. Подобные системы основаны на разработанной в Германии в 1980-х гг. концепции «пассивного» дома, которая в настоящее время в Европе и США не только нашла массовое применение в практике строительства и эксплуатации, но и включена в государственные стандарты. В соответствии с принятыми критериями «пассивным» (энергопассивным) может считаться здание, потребление энергии которого не превышает 15 кВтч/м2 в год. Обычное здание, как правило, потребляет 130-300 кВтч/м2 в год. Экономия достигается комплексом различных мероприятий, объединенных понятием «активная энергетическая архитектура». Прежде всего это относится к повышенной термоизоляции ограждающих конструкций, узлов и деталей, устройству грунтовых воздухоза-борных коллекторов для вентиляции и воздушного отопления помещений, а также тепловой активации строительных конструкций (в частности, полов).

Ключевые слова: модель теплоаккумулирующего строительного модуля, пассивный дом, активная энергетическая архитектура, тепловая активация строительных элементов.

CREATING OF PHYSICAL AND MATHEMATICAL MODEL TO DEFINE STANDARD SERIES OF HEAT-ACCUMULATING CONSTRUCTION MODULE (HACM)

A.V. Fitingof

"EnerGeo" Ltd.

224^ Mayakovskogo str., Shakhty, Rostov region, 346518, Russia Tel./fax: (8636) 221094, 237757, e-mail [email protected]

Referred: 24.01.10 Expertise: 30.01.10 Accepted: 05.02.10

The article discusses the problem of implementing a comprehensive system of cost savings on maintenance of residential and civic buildings in the domestic practice of house building. Such systems are based on the developed in Germany in 1980 the concept of "passive" houses, which is currently in the Europe and U.S. not only has found widespread application in the practice of construction and operation, but included in state standards. In accordance with the criteria of "passive" (energypassive) can be considered as building energy consumption does not exceed 15 kWh/m2 year. Normal building usually consumes 130-300 kWh/m2 a year. Savings are achieved by a complex of different activities, combined with an "active energy architecture". First, it refers to the increased thermal insulation protecting structures, components and parts, air intake device groundwater reservoirs for ventilation and air-heating and heat activation of building structures (eg, floors).

Keywords: model of heat-accumulating construction module, "passive" house, active energy architecture, heat activation of building structures.

В результате теоретических исследований на первом этапе разработан общий алгоритм расчета температурного поля теплоаккумулирующего строительного модуля (ТСМ). На рис. 1 представлена принципиальная схема работы ТСМ. Воздух, нагреваемый внешним источником до температуры Тн,

подается в воздушные каналы и нагревает модуль. Далее тепло передается внутрь помещения или возвращается на дополнительный нагрев по замкнутому циклу. Расход воздуха в каждом канале известен. Температура подающегося воздуха Тн зависит от времени суток, т.е. Тн = _Р(/).

Координаты вершин определяются размерами

строительного модуля и имеют следующие значения:

О(0, 0); М(т, 0); N(n, 0); А(а, 0); В(а, b); С(0, b), где

A D AD

т =---, т = —I—, D - диаметр полости. Не-

2 2 2 2

стационарное температурное поле T(t, х, у) в области ОМЫЛВ описывается следующим дифференциальным уравнением в частных производных:

дТ

Ср— = div(X • gradT) + gv dt

(1)

Рис. 1. Принципиальная схема работы ТСМ Fig. 1. Schematic diagram of HACM

Требуется определить количество тепла, которое отдает нагретый воздух ТСМ, а также количество тепла, которое отдает ТСМ в окружающую среду. Разность этих величин является количеством тепла, аккумулируемым ТСМ. Для определения тепловых потоков необходимо рассчитать нестационарное температурное поле модуля. Использование ТСМ возможно в нескольких режимах:

- режим накопления тепловой энергии;

- режим естественного (статического) теплообмена;

- режим принудительного (динамического) теплообмена.

Для упрощения расчетной схемы сделаем некоторые допущения. Выделим типовой плоский элемент ТСМ. Примем, что в остальных элементах ТСМ картина температурного поля будет идентична полю типового элемента. Далее примем, что температура нагретого воздуха Тн в каналах является постоянной величиной (определяемой, например, как среднее арифметическое температуры на входе и выходе из канала или из уравнения теплового баланса). После сделанных допущений рассмотрим температурное поле ТСМ в расчетной плоскости, ограниченной областью OMNABC (рис. 2).

где С - теплоемкость материала модуля, Дж/(кгК); р - плотность материала модуля, кг/м3; X - коэффициент теплопроводности материала модуля, Вт/(м К); t - время, с; (х, у) - декартовы координаты точки в модуле, м; gv - мощность внутренних источников теплоты в твердом массиве, Вт/м3.

Если внутри массива внутренних источников теплоты нет и теплопроводность постоянная, то уравнение (1) упрощается и принимает вид:

д2Т

дг_ = (<dT+_

dt =ö|vdx2 + dy2

(2)

где а = Х/ср - коэффициент температуропроводности.

Начальные и граничные условия для решения этого уравнения следующие. В начальный момент времени t = 0, температура во всех точках модуля постоянная и равна Т0, то есть:

Т(0, х, у) = Т0.

(3)

Граничные условия описывают теплообменные процессы на границах твердый массив - воздух. На ОС и АВ задаются граничные условия III рода, описывающие конвективный теплообмен:

Лт

+X— = dl (T - T01) при х= 0, 0 <у < b; (4) дх

дт

-X— =d2 (T-T02) при х = а, 0 < у < b, (5) ду

где Тм и Т02 - температуры воздуха в окружающем пространстве слева от ОС и справа от АВ соответственно. Коэффициенты теплоотдачи Xj и X2, Бт/(м2К), зависят от режима течения и являются функцией размеров, скорости течения и физических свойств воздуха. Они определяются из справочных данных на основе критериальных уравнений вида

или

Nu = f (Re, Pr) Nu = f (Gr, Pr)

(6) (7)

Рис. 2. Моделирование границ температурного поля Fig. 2. Simulation of the temperature field boundaries

в зависимости от режима течения (вынужденная конвекция или свободная) и характера течения (ламинарный или турбулентный).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Здесь Ми = ай/X - безразмерное число Нуссель-та; Яе = уй/X - безразмерное число Рейнольдса; Яг = у/а - безразмерное число Прандтля; Ог = gвATl/v2 - безразмерное число Грасгофа; у -

скорость воздуха в канале.

На границе М^ также задаются граничные условия третьего рода:

ан(т - т, )• (8)

где ан - коэффициент теплоотдачи от нагретого воздуха к твердому массиву; у - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с; g - ускорение свободного падения; в - коэффициент свободного расширения воздуха в = 1ТК0; I - высота.

дт = Т - Т

1 ст ■*■ возд*

Краевая задача не имеет аналитического решения, поэтому необходимо использовать численный алгоритм. В качестве численного алгоритма примем конечно-разностный алгоритм по времени и конечно-элементный алгоритм по пространственным координатам. Результатом решения поставленной задачи будет найденное нестационарное температурное поле в заданной области, то есть в строительном модуле. После определения температурного поля необходимо вычислить потоки тепла на границах, которые находятся как поверхностные интегралы II рода по следующим формулам:

0ОС = //{Хмгаат ) й а; 0АВ = Д^гаат)) й а;

Е Е

0МК = //{ХЕгааТ)п0йа,

Е

где Qoc• бдв, 0Мы - количество передаваемого тепла, Вт/м2, на поверхностях, соответствующих границам ОС, АВ и ММ в единицу времени.

На основании расчетов может проводиться оптимизация параметров ТСМ: геометрические размеры элементов и полостей, свойства материала и т. д. Реализация полученного алгоритма на ЭВМ позволит получить программный продукт, способный оперативно выполнять выбор конструкции ТСМ и оценить ее эффективность. В зависимости от массивности ограждений возможно использование вариантов расчета и выбора конструкций ТСМ.

При выборе материалов, из которых должны изготавливаться теплоаккумулирующие строительные модули, необходимо учесть, что, согласно требованиям технического задания на выполнение НИР, удельная теплоемкость материала ТСМ должна составлять не менее 0,85 кДж/(кгК). В соответствии с характеристиками строительных материалов, приведенными в табл. 1, для изготовления элементов ТСМ по рассматриваемому критерию наиболее приемлемыми являются гипс, силикат и древесина. Но ввиду того, что гипс является весьма дорогостоящим мате-

риалом, а древесина обладает низкой теплопроводностью и не может быть использована для целей аккумулирования тепла, предпочтение следует отдать силикатным блокам.

Таблица 1

Значения удельной теплоемкости для строительных материалов

Table 1

Values of heat consumption for the building materials

Материал Агрегатное состояние Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К)

Асфальт твердое тело 0,92

Полнотелый кирпич -//- 0,84

Силикатный кирпич 1,00

Бетон 0,88

Кронглас (стекло) 0,67

Флинт (стекло) 0,50

Оконное стекло 0,84

Гранит 0,79

Гипс 1,09

Мрамор, слюда 0,88

Песок 0,84

Сталь 0,47

Древесина 1,70

В соответствии с этим, а также согласно результатам теоретических исследований, была разработана конструкция типового строительного стенового блока для теплоаккумулирующих модулей, показанная на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид стенового строительного теплоаккумулирующего блока Fig. 3. General view of wall construction heat-accumulating construction module

Основные объемно-габаритные параметры предлагаемого к серийному производству типоразмерно-го ряда строительных блоков, соответствующих такой конструкции, приведены в табл. 2.

Вертикальные отверстия в блоке и нижний распределительный канал служат для обеспечения протекания теплоносителя - воздуха в строительных теплоаккумулирующих модулях, собираемых из рассматриваемых стеновых блоков. Пазы и гребни на боковых поверхностях блоков служат для жесткой их фиксации при кладке теплоакку-мулирующих стен.

В соответствии с табл. 2 для экспериментальных исследований в качестве элемента ТСМ был выбран

пазогребневый силикатный блок типоразмера 1, производство которого в настоящее время освоено в ОАО «Глубокинский завод силикатного кирпича» в Ростовской области. Указанный блок получил сертификат соответствия Госстандарта России №РОСС Яи.АИ14.Н00941, гигиенический и санитарно-эпидемиологические сертификаты и выпускается по ТУ 5741-010-24160412-2007. Отличительной особенностью указанных блоков является наличие системы стыкования элементов типа «паз-гребень», обеспечивающей высокую точность подгонки изделий друг к другу при возведении стеновых теплоаккумули-рующих модулей и соосность каналов для движения теплоносителя - воздуха.

Таблица 2

Основные объемно-габаритные параметры типоразмерного ряда стеновых теплоаккумулирующих блоков

Table 2

Main body-size parameters of standard series wall heat-accumulating blocks

Типоразмер Габариты, мм Объем, дм3

Высота, а Глубина, b Ширина, с Диаметр отверстий, d Глубина нижнего канала, е Ширина стыковочных кромок, f Габаритный объем, V ■ у size Объем полостей, V у cave Чистый объем блока, Vnet

1 240 120 250 50 30 30 7,2 1,7 5,5

2 240 180 250 50 30 50 10,8 1,8 9,0

3 240 240 250 50 30 70 14,4 2,0 12,4

4 120 120 250 50 30 30 3,6 1,0 2,6

5 120 180 250 50 30 50 5,4 1,1 4,3

6 120 240 250 50 30 70 7,2 1,3 5,9

При сооружении зданий с применением теплоак-кумулирующих строительных модулей на основе стеновых блоков, параметры которых приведены в табл. 1, необходимо для обеспечения оптимальной эффективности соблюдать следующие правила распределения потоков воздуха в каналах этих модулей.

1. Подвод и отвод воздушного потока для тепло-аккумулирующего модуля следует осуществлять в противоположных по диагонали углах ТСМ, как показано на рис. 4. В этом случае обеспечивается равномерное распределение потоков воздуха, подаваемого вентилятором В через теплообменник ТО, в каналах теплоаккумулирующего модуля вследствие выравнивания аэродинамических сопротивлений по всему объему модуля: для каждого из вертикальных каналов при диагональном подключении воздуха длина пути его протекания одинакова независимо от положения канала в модуле.

тсм

Рис. 4. Схема оптимального распределения потоков воздуха в ТСМ Fig. 4. Scheme of the optimal distribution of air flow in HACM

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

2. При построении многомодульных систем теп-лоаккумулирования должен соблюдаться тот же принцип выравнивания аэродинамических сопротивлений в схемах распределения потоков, как показано, например, на рис. 5 и 6 для различных схем соединения модулей.

Рис. 5. Схема оптимального распределения потоков воздуха в многомодульной системе теплоаккумулирования

с параллельным соединением модулей Fig. 5. Scheme of the optimal distribution of air flows in a multi-module heat accumulating system with parallel connection of modules

Рис. 6. Схема оптимального распределения потоков воздуха в многомодульной системе теплоаккумулирования с параллельно-последовательным соединением модулей

Fig. 6. Scheme of the optimal distribution of air flow in a multi-module heat accumulating system with parallel-series connection of modules

Эти схемы строятся так, чтобы было обеспечено равенство путей протекания воздуха по любому из каналов любого теплоаккумулирующего модуля за счет соблюдения одинаковых длин общих каналов подвода и отвода воздуха.

В более сложных случаях, например, при использовании теплоаккумулирующих стеновых модулей для сооружения типового коттеджа (рис. 7), когда в составе модулей для несущих стен и перегородок используются стеновые блоки различных типоразмеров, равномерность распределения потоков воздуха по каналам стен и эффективность использования теплоаккумулирующей способности ТСМ достигаются подводом и отводом воздуха по диагонали объема всего строения.

Рис. 7. Типовой коттедж площадью 100 м

с использованием тСм Fig. 7. Typical cottage (100 m2) with HACM

3. Для поддержания температуры воздуха в помещениях, оснащенных ТСМ, в комфортном диапазоне предлагается использование системы автоматического регулирования температуры с учетом параметров наружного воздуха, как показано на рис. 8.

В этой схеме возможно в качестве генераторов тепла использовать солнечные коллекторы, а для генерации холода - абсорбционные чиллеры, преобразующие в летний период тепловую энергию солнечных коллекторов в холод для кондиционирования воздуха. Такая система реализована летом 2009 г. в учебно-экспериментальной лаборатории энергосбережения Ростовского электротехнического колледжа (РЭТК).

Разработка и сооружение системы выполнены (с использованием оборудования, предоставленного по гранту Немецкого Энергетического Агентства Б.Б.МА.) совместно российскими и немецкими специалистами с активным участием ООО «ЭнерГео». В указанной лаборатории были произведены первые натурные испытания теплоаккумулирующего строительного модуля.

Подводя итоги, необходимо отметить, что вопрос тепловой активации стен (ограждающих конструкций) с использованием естественных источников энергии (ВИЭ), существенно влияющей на температурный

режим помещений, практически не исследовался вследствие высоких затрат на преобразователи ВИЭ и отсутствия коммерческого спроса на рынке. Известные конструкции теплоаккумуляторов (теплонакопи-телей) предназначены для использования более дешевого тарифа на электроэнергию в ночное время. По сути это электрические обогреватели помещений, активно работающие ночью в режиме накопления (аккумулирования) тепла и отдающие тепло в дневное время естественным (статическим) или принудительным (динамическим) способом. Отличие подобных

конструкций состоит в форме и размерах, мощности, материале теплоаккумулирующего сердечника (ядра) и наличии или отсутствии вентилятора для активации воздухообмена системы теплонакопитель - помещение. В качестве теплоаккумулирующего материала используются, как правило, магнезитовые (периклазо-вые) кирпичи (блоки) или талькохлоритовый камень. Подача тепла (разогрев сердечника) осуществляется с помощью электрических ТЭНов, установленных внутри сердечника (ядра).

— Сеть 0,4 «В 50 Гц

Стена из теплоаккумулирующих блоков

{ Температура наружного воздуха

Примечание: 1. Схема изображена в режиме генерации тегла, ^ задатчик переключатели воздушных потоков П1 и П2- в положении „Зима"

2.8 режиме генерации холода переключатели П1 и П2 -в положении „Пето"

Рис. 8. Схема автоматического поддержания комфортной температуры воздуха в помещениях с ТСМ Fig. 8. How to automatically maintain a comfortable temperature in rooms with HaCm

При этом экономия электроэнергии достигается за счет более низкого ночного тарифа (при неизменном потреблении), что требует раздельного учета расхода в дневное и ночное время. Кроме того, известны более сложные конструкции теплоаккумуля-торов для различных сфер использования [1, 2], в том числе на основе полимерных материалов, отличающиеся более высокой эффективностью, но и значительно более высокой стоимостью. Эти обстоятельства затрудняют их использование в практике строительства и реконструкции зданий. Практика строительства и эксплуатации зданий, с нашей точки зрения, диктует следующие критерии для выбора конструкций теплоаккумулирующих элементов (модулей) в этой сфере:

- низкая стоимость;

- максимальное использование стандартных конструктивных элементов, допускаемых действующими строительными нормами;

- возможность использования в новом строительстве и реконструкции;

- максимальная эксплуатационная безопасность;

- надежность;

- минимальное техническое обслуживание в период эксплуатации;

- использование для нагрева наиболее дешевых источников энергии (ВИЭ), в идеале - автономных.

Список литературы

1. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. Пер. с англ. М: Мир, 1987.

2. Мхитарян Н.М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Киев: Наукова думка, 1999.

run

— TATA — LXJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010