CC BY
17
грунтовых сооружений может быть распространён для учёта последовательности возведения зданий и сооружений. В этом случае для определения касательных и секущих модулей упругостей конструкционных материалов может быть использован коэффициент линейной деформируемости, характеризующий уровень мобилизации прочности материалов сооружения
(9).
Выводы. Применение МКЭ открывает широкие возможности для численного моделирования
Библиографический список
работы зданий и сооружений на различных этапах строительства и эксплуатации, с учетом многообразия действующих факторов.
Предлагаемая идея о сочетании МППУ и МПН согласно предложенной методике и алгоритму моделирования последовательности возведения зданий и сооружений позволяет учитывать НДС в сооружении без чрезмерного деления его на слои, этапы.
1. Рудых О.Л., Соколов Г.П., Пахомов В.Л. Введение в нелинейную строительную механику: учеб. пособие / под ред. О.Л. Рудых. М.: Изд-во АСВ, 1999. 103 с.
2. Duncan J.M., Chang C.Y. Nonlinear Analysis of stress and strain in soils // J. Soil Mech. and Found. Div. - Proc. ASCE. vol. 96. 1970. № SM 5.
3. Clough G.W., Woodward R.J. Analysis of embankment stress and deformations // J. Soil Mech. and Found. Div. - Proc. ASCE. vol. 93. 1967. № SM 4.
4. Биргер И.А. Круглые пластинки и оболочки вращения. М.: Оборонгиз, 1961.
5. Ильюшин А.А., Ленский В.С. О соотношениях и методах современной теории пластичности // Успехи механики деформируемых сред. М.: Наука, 1975.
6. Рудых О.Л. Использование МКЭ для определения давления грунта засыпки на подпорные стены // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1981. № 2.
7. Яковлев П.И., Лубенов Р.В. Некоторые новые результаты экспериментальных исследований давления грунта на жёсткие стенки // Гидротехническое строительство. 1968. № 7.
УДК 692.833.697.27
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОКОН С УПРАВЛЯЕМЫМИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ПО ТЕХНОЛОГИИ УЭВС
А.В.Щегольков1
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, 656038, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.
Анализируются эффективность и экономическая целесообразность применения оконных блоков по технологии УЭВС. Получены фактические теплотехнические показатели оконных блоков с управляемыми характеристиками. Исследовано потребление энергии в помещении для различных режимов эксплуатации в условиях г. Барнаула. Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: оконные блоки с управляемыми теплотехническими свойствами; подвижные управляемые экраны в межстекольном пространстве, энергопотребление помещения.
HEATING AND ECONOMIC CHARACTERISTICS OF THE WINDOWS WITH CONTROLLED HEATING PROPERTIES
BY THE "INTERNAL SIBERIAN CONTROLLED SCREENS" TECHNOLOGY
A.V.Schegolkov
Altai State Technical University named after I.I.Polzunov, 46, Lenin Av., Barnaul, Altai region, 656038.
The author analyses the efficiency and economic appropriateness of the application of window units made on the technology "Internal Siberian controlled screens" (ISCS). Actual heat-engineering parameters of the window units with controllable characteristics have been obtained. Room energy consumption under the various exploitation regimes in Barnaul has been studied. 5 figures. 1 table. 6 sources.
Key words: window units with controlled heat properties; movable regulated screens in the interglass space; room power consumption .
В рамках программы «Энергосбережение Минобразования России» от 08.12.99г. в Алтайском государственном техническом университете доработаны и реализованы технические решения по снижению потерь тепловой энергии, в том числе через окна. Всё большую актуальность приобретают энергосберегающие технологии теплозащиты зданий, дающие максимальную эффективность при наименьшем расходе
энергии, материалов, трудозатрат. Сейчас действует два альтернативных подхода к выбору теплозащитных свойств здания: потребительский, когда теплозащитные свойства определяются по нормативному значению удельного энергопотребления здания; и предписывающий, когда нормативные требования предъявляются к отдельным элементам теплозащиты здания [1]. Потребительский подход обладает большей гибко-
1Щегольков Александр Валерьевич, аспирант, тел.: (3852)368542, e-mail: shegolkov_alex@mail.ru Schegolkov Alexander Valerjevich, a postgraduate student, tel.: (3852) 368542, e-mail: shegolkov_alex@mail.ru
стью, позволяя оценивать энергоэффективность здания не по степени его утепления, а по теплопотерям, что, в свою очередь, открывает новые возможности в технологиях энергосбережения и теплозащиты.
Одной из таких технологий, реализующих потребительский подход и представляющих особый интерес, является изменение теплопотерь через окна посредством управления потребителем или автоматикой различными конструктивными элементами оконного блока. Особенно эффективно управление каждым отдельным помещением, так как в этом случае будет задействован не только объект, но и субъект управления, то есть потребитель, заинтересованный в как можно меньших затратах на поддержание микроклимата. Теплопотери через оконные блоки могут составлять свыше 50 % от общих теплопотерь через оболочку здания [3], поэтому будет достигаться максимальная эффективность при управлении их теплотехническими свойствами. Современные нормативы позволяют учитывать и использовать нестационарность теплообмена и различные требования к комфорту и освещенности в связи с реальными условиями, в том числе с пребыванием людей в помещении или их отсутствием, с уровнем солнечной инсоляции и т.д.
Управляемые теплотехнические свойства разработанного оконного блока подразумевают повышение термического сопротивления окна за счёт подвижных экранов, расположенных в межстекольном пространстве, закрывающихся при отсутствии необходимости в естественном освещении (отсутствие людей, тёмное время суток). При этом организуется определенное соответствие с другими средствами обеспечения микроклимата, такими как вентиляция и отопление. Управление положением экранов осуществляется автоматически с помощью датчика движения и фотореле, кроме того предусмотрено ручное управление электроприводом. Оконный блок в деревянном исполнении с раздельным двойным остеклением по ГОСТ 11214-2003 «Блоки оконные деревянные с листовым остеклением» размером 2090*2180 мм. Экраны выполнены из полированной алюминиевой фольги по ГОСТ 618-73 «Фольга алюминиевая для технических целей» толщиной 0,05 мм. Движение экранов по вертикали по всей высоте блока осуществляется с помощью электропривода, установленного внутри вала из дюралевой трубы [4]. Фотография и конструкция оконного блока представлены на рис. 1.
Оконный блок установлен в климатическом полигоне аудитории 116 л.к. АлтГТУ, оборудованном приборами для сбора данных по температурам, тепловым потокам, энергопотреблению помещения, датчиками движения и освещенности (фотореле) [5].
В ходе эксперимента определялись в реальных условиях теплотехнические свойства оконного блока с различными положениями экранов. База данных составила более 100 000 замеров температур и плотностей тепловых потоков. Формирование базы данных проходило с декабря 2007 года по апрель 2009.
ВнцтренниО / переплет ',
--:
Электропривод
/ переплет
А-
. Упмтнитем,
Рис. 1. Конструкция оконного блока по технологии УЭВС: а - фотография с развернутым экраном; б -конструктивные элементы
Удельные плотности тепловых потоков через остекление оконного блока по технологии УЭВС при различных температурах наружного воздуха и положениях экранов приведены на рис. 2. Показательным является изменение удельных тепловых потоков через остекление около 12:00, связанное с изменением состояния экранов из закрытого в открытое. В закрытом состоянии (экран развернут, находится в нижнем положении и препятствует прохождению теплового потока из полигона) плотность теплового потока колеблется в пределах 1,1-1,3 Вт/(м2-оС). В открытом состоянии (экран свернут и не препятствует прохождению теплового потока из полигона) плотность теплового потока колеблется в пределах 1,7-2,2 Вт/(м2-оС). При закрытом состоянии экранов разность плотностей теплового потока при температурах наружной среды от -11,8 оС до -24,8 оС существенно меньше, чем эта же разность при открытом состоянии экранов. Также следует отметить малую инерционность изменения потоков (в пределах 4 минут) при изменении положения экранов.
Вт/(м С) 2,40
2,20 2,00
-При Тнаружн.ср.= -11,8 -При Тнаружн.ср.=-24,81
При Тнаружн.ср =-21,59
Время
0:00 2:00 4.00 6.00 8.00 10:00 12:00 14.00 16.00 18.00 20:00 22:00 0:00
Рис. 2. Удельная плотность тепловых потоков через остекление при различных температурах наружного воздуха
Среднесуточные значения удельных тепловых потоков в зависимости от перепада наружной и внутренней температур воздуха приведены на рис. 3. Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются двумя почти горизонтальными прямыми. Удельные тепловые потоки через остекление с закрытыми экранами в 1,59 раза ниже, чем с открытыми.
Приведенное сопротивление теплопередачи окон-
ного блока по технологии УЭВС, рассчитанное по методике, аналогичной рекомендованной ГОСТ 26602.199 [2], с учетом рамных конструкций, составило 0,95 м2-°С/Вт при закрытом экране и 0,49 м2-°С/Вт при открытом.
Проведены экспериментальные исследования по продолжительности работы экранов в открытом (верхнем) и закрытом (нижнем) положении, зависящем от присутствия в помещении людей и освещенности снаружи здания. В соответствии с показаниями приборов с помощью логических функций определялись состояния параметров оконного блока. С 5.03.07 по 5.05.07 г. собрано свыше 10 тысяч опросных данных. На рис. 4 приведены показатели эксплуатации оконного блока за неделю с 6.03 по 12.03.2007
Отмечается разница интервала времени от первого открытия на рассвете до окончательного закрытия экрана вечером от времени присутствия людей и времени с открытым экраном. Это обусловлено несовпадением продолжительности светлого времени с продолжительностью рабочего времени и тем, что люди присутствуют в аудитории не постоянно. За ука-
Вг'нС
2,40
г,го 2,00 1 ,80 1,60 1,40 1 ,20 1,00 0,80 0,60 а,40 0,20 0,00
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
Приведенный средесуточный тепловой поток на 1 С при открытом экране Приведенный средесуточный тепловой поток на 1 С при закрытом экране"
-Линия аппроксимации (при открытом экране)
-Линия аппроксимации (при закрытом экране)
50
Рис. 3. Удельные тепловые потоки через окно при различных температурах наружного воздуха вне полигона
□ Время с достаточной освещенностью
□ Время с открытым экраном
□ Время от открытия до закрытия
□ Время нахождения людей
14:24
12:00
вт ср чт пт сб вс пн день
недели
Рис. 4. Показатели режимов эксплуатации оконного блока в течение недели с 6.03 по 12.03.2007
занную неделю светлое время суток длилось 81,1 часов (48 % ); люди присутствовали в помещении аудитории в среднем 5,4 часов в сутки - 22,4 %; экран оставался открытым в среднем 5,2 часов в сутки - 21,7 %, сопротивление теплопередаче составило 0,84 м2-°С/Вт.
В течение месяца с 05.04 по 07.05.2007г. получены следующие показатели эксплуатации оконного блока:
- среднее время с достаточной освещенностью -56% в сутки;
- время присутствия людей с учетом выходных дней - 6ч.11 мин., 25,7 % за сутки;
- время нахождения экрана в открытом положении с учетом выходных дней - 6ч. 9мин., 25,7 % за сутки;
- среднее время эксплуатации оконного блока с открытым экраном в будни составило 8ч.11 мин.;
- время эксплуатации оконного блока с открытым экраном в среднем по субботам - 2ч. 11 мин.;
- время положения экрана в открытом состоянии в среднем по воскресеньям не превысило 10 мин. (вход в здание по воскресеньям запрещен).
Результаты экспериментов за период 05.03.07 -
07.05.07 представлены в таблице.
Эффективное сопротивление теплопередаче оконного блока за определенный период рассчитывалось по формуле
п
0 _ откр
—-
эф
■Т + Я ■ Т
откр закр закр
Т + Т
откр закр
, (1)
где - эффективное сопротивление теплопередаче, среднее (фактическое) за период времени яоткр, Язакр
сопротивление теплопередаче с открытым и закрытым экраном соответственно, м2-°С/Вт;
Тоткр,Тзакр - время, в течение которого экран открыт и закрыт, час. Определение времени осуществлялось по методике, описанной в [5].
Проведены измерения фактических теплопотерь помещения с системой местного импульсного отопления (электрокотел мощностью 1,98 кВт установлен на семисекционный чугунный радиатор). Нагрев радиатора контролировался с помощью измерителя УКТ38 в автоматическом режиме, температура воздуха поддерживалась в границах 19,5+20,5°С [4].
Анализ экспериментальных данных за период с
Результаты эксперимента в период 05.03.07 - 07.05.07
Период испытаний Средние показатели В период 07.04 - 07.05.07г. В период 05.03 - 26.03.07г. Неделя 16.04-22.04.07г.без учета воскресенья Неделя 06.03-12.03.07г.без учета воскресенья Период испытаний 05.03.07 -07.05.07г.
В будние дни По субботам В будние дни По субботам
Астрономический восход 6:36 6:53 6:50 6:50
Открытие по присутствию 9:06 9:24 9:51 10:05 9:01 10:01 9:27
Закрытие 18:43 13:11 17:31 12:34 18:19 17:18 18:43
Наступление темноты 20:03 18:28 20:01 18:25
Светлое время 13:27 11:36 13:10 11:35
От открытия до закрытия 9:36 4:02 7:39 2:29 8:03 7:16 8:08
Время нахождения людей 8:14 2:11 6:39 1:58 6:41 6:16 6:11
Время с открытым экраном 8:11 2:11 6:23 1:58 6:40 6:04 6:05
Эффективный коэффициент сопротивления теплопередачи, м -°С/Вт 0,77 0,9 0,81 0,91 0,81 0,83 0,83
] Экран закрыт/белый фон - открыт Расчетная мощность
'Фактическая мощность Разность температур Й, °С
Рис. 5. Расчетная и фактическая тепловая нагрузка помещения климатического полигона и разность ос-редненных температур внутреннего и наружного воздуха (правая шкала) с открытым и закрытым экранами в период с 21:00 до 9:00
21.12.2007 по 1.04.2008 показал, что температурный режим наиболее стабилен в период с 21:00 до 9:00, в это время на энергопотребление не влияет деятельность людей. Результаты измерений для данного времени суток представлены на рис. 5.
В отличие от расчетного фактическое теплопо-требление изменяется медленней из-за влияния тепловой инерции остальных ограждающих конструкций (толщина кирпичных стен здания - 640 мм). На участке 7- 8 февраля при одинаковых разностях температур внутреннего и наружного воздуха, при понижении сопротивления теплопередаче оконного блока фактическая мощность отопительной системы продолжает снижаться, хотя расчетная возрастает практически в 2 раза. В следующие трое суток фактическая мощность
постепенно приближается к расчетной. Это говорит о том, что значительное влияние на теплопотребление оказывает тепловая инерция всех ограждающих конструкций помещения.
Энергопотребление помещения климатического полигона за счет применения оконного блока по технологии УЭВС в сочетании с системой импульсного отопления и сокращения количества секций радиатора с 11 до 7 снизилось в три раза с 2,44 тыс. кВтч/год до 0,79 тыс. кВтч/год. Высокое энергопотребление до установки оконного блока также связано с «перетопами» из-за большой площади радиатора и отсутствия регулировки расходов теплоносителя. Расчетная же экономия энергозатрат составила около 16 % от общих - на отопление.
Библиографический список
1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. - СПС «Кодекс»
2. ГОСТ 26602.1-99 Блоки оконные и дверные. Методы определения сопротивления теплопередаче. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2000. 16 с.
3. Булгаков С.Н. Энергоэффективные строительные системы и технологии // АВОК. 1999. № 2. С. 6-12.
4. Логвиненко В.В., Щегольков А.В. Тепловые потоки окон с технологией управляемого экранирования // Ползуновский
вестник. 2007. №4. С. 71-78.
5. Логвиненко В.В., Щегольков А.В. Эффективность окон АлтГТУ с управляемыми теплотехническими свойствами в образовательных учреждениях // Инженерные системы. Реконструкция и эксплуатация. 2007. №2. С. 22-27.
6. Щегольков А.В. Анализ теплопотерь в помещении с окнами по технологии УЭВС// Вестник Алтайской науки. 2008. №2. С. 153-156.
