Влияние на тепловой режим помещения инерционности ограждающих конструкций и отопительных приборов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 697.11

ВЛИЯНИЕ НА ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ПОМЕЩЕНИЯ ИНЕРЦИОННОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Поднебесный С.В., Богатикова Н.П., Зайцев О.Н.

ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского»,

Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение),

Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181.

Аннотация. В выполненном исследовании доказано что наиболее эффективными приборами в системе отопления будут те, которые имеют наименьшую инерционность. Это позволяет максимально быстро менять температурный режим отопительного прибора при погодозависимой регулировке параметров теплоносителя. Также показано, что инерционность отопительных приборов также не является основополагающим фактором. Вид отопительных приборов обычно определяется исходя из экономических и дизайнерских соображений.

Ключевые слова: инерционность, теплопроводность, ограждающие конструкции.

Инерционность ограждающих конструкций и систем отопления характеризует скорость изменения их температурного режима под влиянием колебаний температуры окружающей среды. При этом высокая инерционность ограждающих конструкций позволяет свести к минимуму влияние колебаний наружной температуры на температурный режим помещения, а низкая инерционность отопительных приборов позволяет максимально быстро сменить их температурный режим при погодозависимом регулировании.

Введение

Тепловая инерция в строительстве - это свойство ограждения сохранять относительно постоянную температуру внутренней поверхности при периодических изменениях внешних тепловых воздействий (колебания температуры наружного воздуха и солнечной радиации) [1-2]. По другим источникам [3-4]: тепловая инерция (условная толщина, массивность) - способность ограждающей конструкции сопротивляться изменению температурного поля при перемененных тепловых воздействиях. Она определяет количество волн температурных колебаний, располагающихся (затухающих) в толще ограждения. При Б, приблизительно равной 8,5, в ограждении располагается одна температурная волна.

Анализ публикаций

Инерционность зданий сильно влияет на результат погодозависимого управления отоплением, которое в большей или меньшей степени присутствует во всех современных системах отопления.

На работу теплообменного прибора с терморегулятором влияет его тепловая инерция. От нее зависят показатели экономической эффективности системы и санитарной гигиеничности помещения. При регулировании расхода теплоносителя происходит задержка во времени выхода теплообменного прибора на новый уровень теплопередачи, так как процесс

теплообмена является инерционным. Чем больше масса теплообменного прибора и масса воды в нем, а также чем меньше коэффициент теплопроводности материала, из которого он изготовлен, тем меньше экономический и санитарно-гигиенический эффекты от автоматического управления тепловым потоком.

Цель и постановка задачи

Цель данной статьи состоит в определении влияния показателя инерционности на плоские ограждающие конструкции, отопительные приборы и погодозависимую автоматику отопительных систем.

Методика исследования

Методика исследования заключается в проектной проработке плоских ограждающих конструкций и анализе публикаций по отопительному оборудованию.

Результаты и их анализ

Характеристика тепловой инерции Б приближенно, без учета порядка слоев в конструкции, определяется по формуле:

п

Д = (1)

¿=1

где:

Я.! - термическое сопротивление 1-го слоя ограждающей конструкции, (м2К)/Вт;

- коэффициент теплоусвоения материалов 1-го слоя за период в 24 ч, Вт/(м2К).

Коэффициент теплоусвоения - величина, характеризующая теплоусвоение материала. Отражает способность материала воспринимать теплоту при колебании температуры на его поверхности [9-12]. Определяется отношением амплитуды колебания теплового потока к амплитуде колебания температуры на поверхности материала [5-8]. С увеличением частоты колебаний температуры коэффициент теплоусвоения

уменьшается. При больших частотах теплоусвоение мало.

5 =

N

2 пХСрСр

б = 0,0085

Ърср;

(4)

Для конструкции: безинерционной Б < 1,5 (1нар = 1т1п) малой инерционности 4 > Б > 1,5 (1нар = 1хо1 средней инерционности 4 < Б < 7 (1нар = (1х,

1т1п + 1х!

,су,)/3)

большой инерционности Б > 7 (1нар = 1хол5сут)

где:

воздуха, °С;

1т1п - абсолютно минимальная температура °С;

наружного воздуха,

, суг 1хол

(3) холодных суток,

- средняя °С;

где:

Хср - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м-К);

с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность материала, кг/м3; Т - период тепловых колебаний, с. При Т = 24 ч = 86400 с теплоусвоение:

- расчетная температура наружного

5сут

средняя °С;

температура наиболее температура наиболее

холодной пятидневки,

Зависимость расчетной зимней температуры наружного воздуха от тепловой инерции отменена еще в 1996 г. Сейчас для конструкции с любой тепловой инерцией принимается в качестве расчетной температуры наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 (СНиП 23-022003 Тепловая защита зданий).

Для сравнения тепловой инерции различных видов конструкций возьмем три варианта:

- ракушняк 1000 мм;

- ракушняк 330 мм + минвата 50 мм;

- газобетон 120 мм.

Значения толщины слоев приняты условно и подобраны так, чтобы общее термическое сопротивление всех конструкций было примерно равным.

со

1С

18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

5, мм

+

Ракушняк Ракушняк + минвата 50 мм Газобетон

Рис. 1. График зависимости термического сопротивления от толщины ограждающей конструкции

На рис. 1 представлена зависимость термического сопротивления от толщины ограждающей конструкции. Как видно, скорость нарастания термического сопротивления (отношение dR/d5) плоской конструкции подчиняется линейному закону и зависит от тангенса угла наклона линии к оси абсцисс, численно равного коэффициенту теплопроводности материала X, Вт/(м-К), в степени -1.

Физические характеристики материалов примем согласно справочным данным.

Результаты расчетов представим в виде таблицы.

Как видно из табл. 1, инерционность ограждающей конструкции отличается в каждом из случаев, хотя удельные потери тепла через 1 м2 каждой из конструкций будут одинаковы, что определяется, во-первых - изначальным условием равенства термических сопротивлений, во-вторых -тем, что с 1996 года расчет теплопотерь при любых значениях Б ведется по температуре наиболее холодной пятидневки.

Но в каждом из трех случаев различны показатели Б, что означает разное время остывания помещений, выполненных из разных видов материалов. В нашем случае после резкого скачка наружной температуры или отключения системы

отопления дольше всего меняться будет температура в помещении, ограждающие конструкции которого выполнены из ракушечника толщиной 1000 мм, а быстрее всего - где конструкции из газобетона толщиной 120 мм.

Таблица. 1.

Тепловая инерция ограждающей конструкции различного состава

Материал Лср1 с1 р1 61 М Лср2 с2 р2 52 К2 О Ракушняк 1000 мм 0.6 836 1200 6.59 1 1.67 ...... 10.99

г

Ракушняк 330 мм 0.6 836 1200 6.59 0.33 0.55 0.045 840 125 0.58 0.05 1.11 4.28 + минвата 50 мм

Газобетон 120 мм 0.072 840 300 1.14 0.12 1.67 ...... 1.91

25,00

20,00

15,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

5, мм

Ракушняк Ракушняк + минвата 50 мм Газобетон

Рис. 2. График зависимости инерционности от толщины ограждающей конструкции.

На рис. 2 представлена зависимость инерционности от толщины ограждающей конструкции. Как видно, скорость нарастания инерционности (отношение ®М5) плоской конструкции подчиняется линейному закону и зависит от тангенса угла наклона линии к оси абсцисс, численно равного отношению теплоусвоения материала к его коэффициенту теплопроводности (яЛ).

Что это значит и на что это влияет? Инерционность зданий сильно влияет на результат погодозависимого управления отоплением, которое в большей или меньшей степени присутствует во всех современных системах отопления: чем выше инерционность здания, тем меньше влияние колебаний наружной температуры на температурный режим внутри помещений, а, следовательно, тем менее «чуткое» регулирование температурного режима теплоносителя в системе отопления необходимо, что ведет к снижению затрат на автоматизацию.

Как видно из расчета, помещение с ограждающими конструкциями, выполненными из газобетона, при прочих равных условиях значительно сильнее подвержены влиянию колебаний температур. Поэтому они с точки зрения поддержания температурного режима менее приемлемы для использования.

На практике вопрос применения того или иного материала полностью зависит от экономических возможностей, а также от конструктивного расчета и расчета теплопотерь с последующим сравнением их с нормативными значениями. То есть вопрос инерционности не является одним из основополагающих.

Теперь перейдем к вопросу инерционности системы отопления.

Вот что по этому вопросу написано в книге «Гидравлическое регулирование систем отопления и охлаждения. Теория и практика» фирмы Бапйояя:

«Теплообменные приборы бывают с малой тепловой инерцией - имеющие малую массу

металла, малую водоемкость, высокий коэффициент теплопроводности (конвекторы,

конвекторы-радиаторы, панельные радиаторы, фанкойлы, охлаждающие панели) и большой тепловой инерцией: соответственно с большой массой металла или бетона, большой водоемкостью, низким коэффициентом теплопроводности (чугунные радиаторы, отопительные панели в полу и т. п.).

Сравнение инерционности теплообменных приборов показывает, что наиболее управляемыми являются фанкойлы и вентилируемые потолочные панели (балки) охлаждения. Они через несколько минут выходят на заданный тепловой режим.

Около пяти минут необходимо конвекторам и конвекторам-радиаторам с медными трубками и алюминиевым оребрением, чтобы адекватно отреагировать на действия терморегулятора. Для панельных радиаторов на это требуется примерно пятнадцать минут.

Большую тепловую инерцию имеют секционные чугунные радиаторы: им необходимо несколько часов для остывания после перекрытия терморегулятором потока теплоносителя. При этом терморегулятор создает условия для экономии энергоресурсов, но радиатор не дает возможности их реализовать. Радиатор на такой же промежуток времени запаздывает с реагированием на открывание терморегулятора. В это время терморегулятор создает условия для обеспечения теплового комфорта в помещении, но радиатор для этого еще не готов.

Самую большую тепловую инерцию имеют отопительные и охлаждающие панели, выполненные в виде замоноличенных в строительные конструкции трубопроводов (в полу, стенах или потолке). Время реагирования на действия терморегулятора для них исчисляется десятками часов. Они не способны в полной мере (не учитывая незначительного саморегулирования теплообмена, возникающего при изменении разницы температур воздуха и панели) отреагировать на дополнительные

теплопоступления в помещение. Поэтому используют теплые полы, предназначенные лишь для обеспечения теплового комфорта на уровне ног, а остаток теплопотерь помещения компенсируют дополнительными малоинерционными тепло-обменными приборами с терморегуляторами».

Из вышесказанного следует сделать вывод, что наиболее эффективными приборами в системе отопления будут те, которые имеют наименьшую инерционность. Это позволяет максимально быстро менять температурный режим отопительного прибора при погодозависимой регулировке параметров теплоносителя.

Но, как и в случае с инерционностью ограждающих конструкций, инерционность отопительных приборов также не является основополагающим фактором. Вид отопительных

приборов обычно определяется исходя из экономических и дизайнерских соображений.

Выводы

1. Скорость нарастания термического сопротивления (отношение dR/d5) плоской конструкции подчиняется линейному закону и зависит от тангенса угла наклона линии к оси абсцисс, численно равного коэффициенту теплопроводности материала X, Вт/(м-К), в степени -1.

2. Скорость нарастания инерционности (отношение dD/d5) плоской конструкции подчиняется линейному закону и зависит от тангенса угла наклона линии к оси абсцисс, численно равного отношению теплоусвоения материала к его коэффициенту теплопроводности (s/X).

3. Тепловая инерционность ограждающих конструкций должна быть как можно большей во избежание значительного влияния колебаний наружной температуры на тепловой режим помещений.

4. Тепловая инерционность отопительных приборов должна быть как можно меньшей для наиболее быстрого реагирования теплового режима прибора на погодозависимое регулирование.

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_инер-

ция

2. http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/D372DC 0F-60D4-4FD5-88C6-A641411C65E1/0/Chpater6_ HE.pdf

3. http://refrigeration.openmechanics.com/ articles/ 70.pdf

4. http ://www.prof2. ru/professii/avtomatizacij a_ zdanii/materiali_slesar/sistem_teplosnabzhen/

5. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. / СПб.: Судостроение, 2005.-392 с.

6. Денисихина Д.М., Бассина И.А., Никулин Д.А., Стрелец М.Х. Численное моделирование автоколебаний турбулентной струи, истекающей в прямоугольную плоскость // ТВТ. - 2005. - Том 43. - №4 - С. 568-579.

7. Гримитлин А.М., Дацюк Т.А., Денисихина Д.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования: монография / А.М.Гримитлин, Т.А. Дацюк, Д.М. Денисихина.- СПб : АВОК Северо-Запад, 2013. - 192 с.

8. Борисенко К.А., Зайцев О.Н. Современные системы обеспечения теплового режима зданий // Труды Междунар. научно-технической конф. «11-ый Европейский форум энергетиков». - Opole (Poland). - 2008.- С. 247-252.

9. Lubarec A.P., Zaitsev O.N. Power saving technologies in modern systems of water heating //

Motrolyzacja I energetyka rolnictwa. Lublin: Motrol, 2009, .№11, P.214-219

10. Довмир Н.М. Низкотемпературные режимы систем отопления как предпосылка эффективного применения конденсационных котлов и тепловых насосов // Пром. теплотехника. — 2008. - № 5.- С. 62-68;

11. Накорчевский А.И. Система теплоснабжения теплоавтономного дома // Пром. теплотехника. — 2009. -№ 1. - С. 67-73.

12. Юрченко О., Любарец А., Дихтярь Т., Зайцев О. Экспериментальные исследования колебаний скорости в сильнозакрученной газовой струе с прецессирующем вихревым ядром // Труды международной конференции «Энергия -2010», Lublin: Motrol, 2010. - сб. № 12С. - С.266-272.

Podnebesny S. V., Bogatikova N. P., Zaitsev O. N.

INFLUENCE ON THE THERMAL CONDITIONS OF A LOCATION OF THE INERTIA OF THE BUILDING ENVELOPE AND HEATING DEVICES

Annotation. The performed studies have proven that the most effective instruments in the system of general relativity, the captives will be those that have the least inertia. This allows you to quickly change the mode-temperature-heater with modulating adjustment parameters of the coolant. It also shows that the inertia of the heating devices is also not a key factor. Type of heating devices is usually determined on the basis of economic and design considerations.

Keywords: inertia, thermal conductivity, the building envelope.