CC BY
80Научно-технический и производственный журнал
-------жилищн
СТРОИТЕ!
УДК 692.23:697.7
В.В. БРЫЗГАЛИН, инженер (vlad.niisf@yandex.ru)
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Тепловой баланс стены Тромба в климате Центральной России
Рассмотрена одна из систем пассивного солнечного отопления - стена Тромба. Она относится к элементам солнечной архитектуры и применяется в качестве ограждающей конструкции здания для снижения тепловых затрат на его отопление и вентиляцию. Существующие эмпирические формулы для расчета стены Тромба имеют удовлетворительную точность только для стран Европы и США. Кроме того, они привязаны к определенным конструктивным решениям, которые непригодны в климате Центральной России. Проведен анализ протекающих в конструкции теплофизических процессов и влияния на них климатических факторов. Представлены результаты численного моделирования конструкции в климатических условиях Центральной России и результаты расчета экономии тепловой энергии при использовании конструкции в зданиях с различной энергоэффективностью.
Ключевые слова: стена Тромба, солнечная архитектура, солнечная энергия, энергоэффективность, теплофизические процессы, отопление.
Для цитирования: Брызгалин В.В. Тепловой баланс стены Тромба в климате центральной России // Жилищное строительство. 2018. № 6. С. 15-18.
V.V. BRYZGALIN, Engineer (vlad.niisf@yandex.ru) Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
Thermal Balance of the Trombe Wall in the Climate of Central Russia
One of the systems of passive solar heating - the Trombe wall - is considered. It belongs to the elements of the solar architecture and is used as a building envelope to reduce energy costs for its heating and ventilation. The existing empirical formulas for the calculation of the Trombe wall have satisfactory accuracy only for the countries of Europe and the USA. In addition, they are tied to certain constructive solutions that are not suitable in the climate of central Russia. The analysis of the thermophysical processes taking place in the construction and the influence of climatic factors on them was carried out. The results of numerical modeling of the design in the climatic conditions of central Russia and the results of calculating the savings in thermal energy when using the design in buildings of different energy efficiency are presented.
Keywords: Trombe wall; solar architecture; solar energy; energy efficiency; thermophysical processes; heating.
For citation: Bryzgalin V.V. Thermal balance of the Trombe wall in the climate of central Russia. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2018. No. 6, pp. 15-18. (In Russian).
Стена Тромба-Мишеля, или стена Тромба, - это система пассивного солнечного отопления, представляющая собой массивную темную стену, остекленную снаружи на некотором расстоянии. Она является одним из элементов солнечной архитектуры, основная идея которой состоит в минимизации затрат энергоресурсов на отопление за счет использования солнечной энергии. Конструкция была создана американским исследователем Эдвардом Морзе, получившим в 1881 г. на нее патент. В 1960-е гг. конструкция была доработана французским профессором Феликсом Тромбом и архитектором Жаком Мишелем и получила распространение в странах Европы и США.
Тепловой баланс конструкции включает комплекс теп-лофизических процессов и имеет циклический характер работы (рис. 1). После восхода солнца наружная поверхность стены, обращенной на юг, быстро нагревается. Часть тепла с поверхности стены нагревает воздух в прослойке, а часть проникает в толщу стены, аккумулируясь в ней. При нагреве воздуха в прослойке выше комнатной температуры открываются вентиляционные клапаны для воздухообмена между прослойкой и помещениями. К вечеру средняя температура стены становится максимальной, а ближе к
заходу наружная поверхность начинает быстро остывать. Тогда вентиляционные клапаны закрываются. К ночи, когда теплопотери здания максимальны, при правильном рас-
Рис. 1. Тепловые потоки в стене Тромба: 1 — падающее солнечное излучение;
2 — прошедшее сквозь остекление солнечное излучение; 3 — отраженное солнечное излучение; 4 — переотраженное на стену солнечное излучение; 5 — ИК-излучение наружной поверхности стены и внутренней поверхности остекления; 6 — конвективный теплообмен между стеной и остеклением; 7 — теплоотдача наружной поверхности остекления; 8 — теплопередача в массиве стены; 9 — теплоотдача внутренней поверхности стены; 10 — конвекционный теплообмен помещения и воздушной прослойки
Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
-го
чете толщины стены становится ио максимальной температура на ее вю внутренней поверхности. В теплый щ период года поверхность стены закрывается светоотражающими жалюзи и конструкция переводится в режим вытяжного элемента. Для этого открываются нижний клапан стены и клапан над остеклением [1].
Главной особенностью систем пассивного солнечного отопления, в том числе и стены Тромба, является их зависимость от климатических условий региона строительства. Поэтому большинство исследований в этой области, проведенных во время энергетического кризиса в странах Европы и США, и выведенные эмпирическим путем формулы для их расчета имеют удовлетворительную точность только для регионов, где проводились исследования. На территории России экспериментов в области солнечной архитектуры проводилось очень мало в связи с более суровым климатом и большими запасами топливно-энергетических ресурсов. Однако проведенные эксперименты показали перспективность систем и в климате Центральной России. Так, в отдельных домах в Московской области устройство стены Тромба снижало энергопотребление на отопление примерно на 10%, а пристройка солнечной теплицы - на 15-20% [2, 3].
Для детального исследования эффективности стены Тромба требуется проведение расчетов, учитывающих все теплофизические процессы системы, а также температурный и облачный режимы региона строительства. В связи с динамичностью и взаимосвязанностью теплофизических процессов и потребностью в учете всех климатических особенностей региона для расчетов было использовано численное моделирование. Для моделирования реальной динамики климата использованы архивные климатические данные метеостанций, содержащих данные о температуре, облачности и скорости ветра, записанные с интервалом в несколько часов [4-10].
Целью расчетов являлась оценка применимости и эффективности стены Тромба в климате Центральной России. Для расчетов было выбрано несколько городов с разными климатическими условиями: Воронеж (52° с. ш.), Тула (54° с. ш.), Смоленск (55° с. ш.), Москва (56° с. ш.) и Кострома (58° с. ш.).
Рассмотрено использование конструкции в зданиях с пониженным энергопотреблением, для которых в расчетах принято значение удельного расхода тепловой энергии на отопление q = 100 кВтч/м2, и с ультранизким энергопотреблением со значением q = 30 кВтч/м2. В первом случае рас-
■ Облачность, баллов □ Температура нар. воздуха, □ Тепловой поток, В: м а
1
У
' Т "Г*
10кг 15 окг 29окг 12 ноя 26 ноя 10 дек 24 дек ■ яне 21 дна 4 фев 1£ фен 5 мар 17 мир 31ыар 14 од
1 окт 15окт 29 «7 12]юя 26 ноя Юдек 24дек "яис 1 мне 4 фес 18 | ея 4 нар 18иар . 1 1 вор
□ Обдоч кость, баллов ОТеиперлтура нар. водцузд °С
□ ТеттловОЙ ПОТОК, Вт/н]
I АКТ 15 окт окт 12 ноя 26 ноя 10 дек 24 дек 7янч 21 янп 4 феп 1Вфев 4 мар I Е нц 1 апр 13 апр
Рис. 2. Графики среднесуточных значений облачности, температуры наружного воздуха и теплового потока на внутренней поверхности стены Тромба:
а — Москва. Период 01.10.15—30.04.16. tнср = 0,4°С; ср. обл.= 7,9балла; qT = 81,3кВтч/м2; б — Москва. Период 01.10.16—30.04.17. ^ ср = -1,0°С; ср. обл. = 8,2балла; дТр = 58,5кВтч/м2; в — Воронеж. Период 01.10.16—30.04.17. tнср= 0,0°С; ср. обл.= 7,2балла; qтp = 111,4кВтч/м2; г — Кострома. Период 01.10.16—30.04.17. tнср = -3,1°С; ср. обл. = 8,5балла; qTp = 25,6кВтч/м2
четный период работы конструкции соответствует отопительному сезону и был принят 1 октября - 30 апреля. Во втором случае вследствие малых теплопотерь здания расчетный период в среднем равен периоду с отрицательной среднемесячной температурой и был принят 15 ноября - 15 марта.
В качестве исходной принята конструкция высотой 3 м, имеющая следующие элементы: однокамерный стеклопакет СПО 63-18-4М1, воздушная прослойка толщиной 100 мм, кладка из полнотелого глиняного кирпича толщиной 380 мм с селективным покрытием с наружной стороны и клапанами в верхней и нижней частях с автоматическим регулированием.
Также проведена оценка нескольких модификаций этого конструктивного решения:
- однокамерный стеклопакет без покрытия и с К-покрытием;
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the IX Academic reading RAACS «Actual issues of building physics»
Таблица 1
Средние значения удельных теплопоступлений стены Тромба
Город qTp, кВт-ч/м2, за период
01.10 - 30.04 15.11 - 15.03
Воронеж 153,3 97,7
Тула 109,7 61,5
Москва 108,7 54,4
Смоленск 108,2 53,9
Кострома 67,6 18,2
Таблица 2
Экономия тепловой энергии в здании с исходным значением q = 100 кВтч/м2
Рис. 3. Удельные теплопоступления от стены Тромба за отопительные периоды 2013-2014, 2014-2015, 2015-2016, 2016-2017гг.: а - расчетный период 01.10-30.04; б - расчетный период 15.11-15.03
- нанесение на стену черной матовой краски и селективного покрытия;
- полнотелый кирпич и пустотные керамические блоки.
Первая серия расчетов проведена для одного конструктивного решения для климатических условий выбранных городов за четыре отопительных периода. Ниже приводятся некоторые результаты моделирования (рис. 2, 3).
Вторая серия расчетов имела цель определения вклада каждого элемента конструктивного решения в общий тепловой баланс стены Тромба (рис. 4, 5).
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1. Стена Тромба имеет большие перепады как почасовых теплопоступлений, так и среднесуточных. Это связано с периодичностью солнечного излучения и частыми изменениями облачности.
2. Анализ результатов расчетов (рис. 2, 3) показал высокую эффективность стены Тромба в южной части Центральной России (Воронеж), среднюю в центральных областях (Москва, Тула, Смоленск) и низкую в северной части (Кострома). В Костроме в период с ноября по февраль конструкция имеет большие теплопотери, а температура в воздушной прослойке часто опускается ниже точки росы, что делает конструкцию неприменимой [11].
3. Наибольшую эффективность конструкция показывает в весенний период, наименьшую - в период с начала ноября по конец
F^, м2/ ^ м2 Aq, кВт-ч/м2
Воронеж Тула Москва Смоленск Кострома
150/20 23,2 17,7 17,4 17,4 12,4
200/25 21,7 16,6 16,3 16,3 11,6
250/28 19,5 14,8 14,6 14,6 10,4
Таблица 3 Экономия тепловой энергии в здании с исходным значением q = 30 кВтч/м2
F«, , м2/ FT", м2 Тр' Aq, кВт-ч/м2
Воронеж Тула Москва Смоленск Кострома
150/20 14,4 9,7 8,7 8,7 4,1
200/25 13,5 9,1 8,2 8,1 3,9
250/28 12,1 8,2 7,3 7,3 3,5
Рис. 4. Графики средненедельных значений облачности, температуры наружного воздуха и теплового потока на внутренней поверхности стены Тромба с различными конструктивными решениями. г. Воронеж. Период 01.10.16-30.04.17
320
200 160 120 HD 40 О
□ Utwjanj* конструкции q. Вт/м1 Нвселективкое покрытие, q Вт и" □ СПОс к-покрытием. : Вт/м; □ Ю|«ЕКЭ 25см + СПО с К-]юкрлшем. I,
1 h / \ / \
J \\ П1
0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 16:00 0:00 6:00 12:00 15:00 0:00 6:00 12:00 1Е:00 0:00
Рис. 5. Графики почасовых значений: а - теплового потока на внутренней поверхности стены Тромба; б - облачности и температуры наружного воздуха. Воронеж. Период 6-10 февраля 2017 г.
Доклады IX Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»
цн .1
Научно-технический и производственный журнал
января вследствие высокой облачности (рис. 2, 4). Однако при сильном понижении температуры, когда наблюдается, как правило, ясная погода (рис. 5), тепловой баланс стены Тромба оказывается положительным.
4. Положительный эффект оказывает использование селективного покрытия для поверхности стены. Это покрытие имеет высокий коэффициент эмиссии в диапазоне длин волн солнечного излучения и низкий в диапазоне собственного излучения стены, что сильно снижает лучистый теплообмен между стеной и остеклением и перепады теп-лопоступлений. Также положительное влияние оказало и нанесение твердого селективного покрытия на остекление. Уменьшение толщины кладки до 25 см также улучшило тепловой баланс, так как тогда большая доля солнечной энергии проникает через массив стены в помещение (рис. 4).
Рассмотрим конструктивное решение стены Тромба с наилучшими показателями. Ее строение следующее: массив из полнотелого кирпича толщиной 250 мм; селективное покрытие на поверхности массива, воздушная прослойка толщиной 100 мм; двойное остекление с К-покрытием. Для этой конструкции были получены следующие усредненные за четыре расчетных периода расчетные показатели (табл. 1).
Для большинства зданий широтной ориентации возможна без существенной перепланировки замена около 25% поверхности южных стен. Были определены примерные площади стены Тромба FТр для двухэтажных зданий с разной общей площадью Fоeщ и для этих показателей рассчитано снижение удельного расхода тепловой энергии Дq при использовании стены Тромба (табл. 2).
Таким образом, рассмотренное конструктивное решение стены Тромба показывает свою эффективность при применении в энергоэффективных зданиях в климате большинства регионов Центральной России. Для здания с пониженным энергопотреблением возможна экономия на отоплении 15-20% и выше при увеличении площади, занимаемой стеной Тромба. А при использовании в зданиях с ультранизким энергопотреблением экономия может составлять 25-50% (табл. 3). При этом в конструкции стены не использован утеплитель. Однако стена Тромба имеет высокую неравномерность теплопоступлений, что требует автоматической регулировки основной системы отопления и обеспечения хорошего воздухообмена между помещениями.
Для проверки точности расчетной модели в 2018 г. в НИИСФ РААСН построена экспериментальная модель помещения со стеной Тромба и в настоящий момент проводятся ее испытания.
Список литературы
References
1. Брызгалин В.В., Соловьев А.К. Использование пассивных систем солнечного отопления как элемента пассивного дома // Вестник МГСУ. 2018. Т. 13. № 4 (115). С. 472-481.
2. Соловьев А.К. Пассивные дома и энергетическая эффективность их отдельных элементов // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 4. С. 46-53.
3. Казанцев П.А., Княжев В.В., Лощенков В.В., Кирик Н.С. Исследование традиционной архитектурной модели пассивного солнечного отопления на примере экспериментального индивидуального жилого дома Solar-Sb // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2016. № 2 (27). С. 116-127.
4. Верховский А.А., Зимин А.Н., Потапов С.С. Применимость современных светопрозрачных ограждающих конструкций для климатических регионов России // Жилищное строительство. 2015. № 6. С. 16-19.
5. Верховский А.А., Шеховцов А.В. Теплотехнические исследования двойного фасада в российских климатических условиях // Вестник МГСУ. 2011. Т. 1. № 3. С. 215-220.
6. Шакиров В.А., Артемьев А.Ю. Учет данных метеостанций при анализе эффективности применения солнечных энергетических установок // Вестник ИрГТУ. 2015. № 3 (98). С. 227-232.
7. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. М.: Лазурь, 2005. 432 с.
8. Малявина Е.Г. Теплопотери здания: Справочное пособие. М.: АВОК-ПРЕСС. 2007. 144 с.
9. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Лушин К.И. Скорость движения воздуха в прослойке навесной фасадной системы при естественной вентиляции //Жилищное строительство. 2013. № 10. С. 14-17.
10. Умнякова Н.П. Теплообмен в вентилируемой воздушной прослойке вентфасадов с учетом коэффициента излучения поверхностей // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2016. № 5 (365). С. 199-205.
11. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-23.
1. Bryzgalin V.V., Soloviev A.K. The use of passive solar heating systems as part of the passive house. Vestnik MGSU. 2018, Vol. 13. No. 4 (115), pp. 472-481. (In Russian).
2. Soloviev A.K. «Passive houses» and energy efficiency of their architectural and structural elements. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 4, pp. 46-53. (In Russian).
3. Kazancev P.A., Knyajev V.V., Loschenkov V.V., Kirik N.S. The study of the traditional architectural model of passive solar heating on the example of an experimental individual house Solar-Sb. Vestnik injenernoi shkoliDVFU. 2016. No. 2 (27), pp. 116-127. (In Russian).
4. Verkhovsky A.A., Zimin A.N., Potapov S.S. The applicability of modern translucent walling for climatic regions of Russia. Zhilishchnoe Stroitel'stvo. 2015. No. 6, pp. 16-19. (In Russian).
5. Verkhovsky A.A., Shekhovtsov A.V. A doube skin facade thermal study in the Russian climatic conditions. Vestnik MGSU. 2011. Vol. 1. No. 3, pp. 215-220. (In Russian).
6. Shakirov V.A., Artemiev A.Yu. Accounting weather station data in the analysis of solar power systems application. Vestnik IrGTU. 2015. No. 3 (98), pp. 227-232. (In Russian).
7. Savin V.K. Stroitelnaya fizika: energoperenos, energoeffektivnost, energosberejenie [Building physics: energy transfer, energy efficiency, energy saving]. Moscow: Lazur'. 2005. 432 p.
8. Malyavina E.G. Teplopoteri zdaniya: spravochnoe posobie [Heat losses of the building: reference book]. Moskow. AVOK-PRESS. 2007. 144 p.
9. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Lushin K.I. Air Velocity in Air Cavity of Curtain Wall System at Free Ventilation. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 10, pp. 14-17. (In Russian).
10. Umnyakova N.P. Heat transfer in a ventilated air gap of ventra-gardens and taking account of the emissivity of surfaces. Izvestya vuzov. Tehnologija tekstiinoj promyshlennosti. 2016. No. 5 (365), pp. 199-205. (In Russian).
11. Umnyakova N.P., Butovskiy I.N., Chebotarev A.G. Development of the regulation methods of heat shield of energy efficient buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 7, pp. 19-23. (In Russian).
