Удосконалення систем опалення шляхом використання пасивного сонячного теплонадходження

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи. Системи теплопостачання будинків є найбільшими споживачами енергії. Джерела тепла централізованих систем теплопостачання споживають до 25-30% органічного палива, а з урахуванням місцевих опалювальних установок споживання зростає ще більше. Застосування децентралізованих систем теплопостачання дозволяє знизити зростання споживання енергії за рахунок використання різних енергозберігаючих заходів. Підвищення ефективності опалювально-вентиляційних систем можливе завдяки впровадженню нетрадиційних джерел енергії. Інженерні й архітектурно-планувальні рішення повинні сприяти підвищенню якості мікроклімату будинків. Одним з ефективних напрямків економії палива й одночасного захисту навколишнього середовища є використання низькопотенційних джерел теплоти за допомогою комбінованих сонячних установок. Однак висока вартість стримує їхнє широке застосування. Іншим напрямком є використання пасивних сонячних систем за допомогою архітектурно-планувальних рішень. Однак зараз нема досить чітко сформульованих інженерних і архітектурних принципів з проектування опалювально-вентиляційних систем енергоефективних будинків. Практично відсутні критерії оцінки застосування енергозберігаючих заходів. Актуальність цієї проблеми обумовила тему роботи, визначила мету і задачі дослідження.

Мета і задачі дослідження:

· Обґрунтувати і розробити архітектурні та інженерні принципи, заходи щодо підвищення ефективності опалювально-вентиляційних систем будинків:

· виконати експериментальні дослідження теплової ефективності сонячного колектора з склопакетом типу "теплове дзеркало";

· виконати моделювання полів температури і швидкості повітря в пасивній системі сонячного опалення з склопакетом типу "теплове дзеркало";

· виконати обчислювальний експеримент пасивної системи сонячного опалення з урахуванням архітектурно-планувальних рішень;

· розробити практичні рекомендації з розрахунку пасивних систем сонячного опалення зі штучною вентиляцією;

1. Огляд літературних джерел щодо вивчення використання сонячної енергії в системах опалення будинків

Показано, що інтенсивно розвиваються автономні альтернативні системи енергозабезпечення з використанням сонячної енергії, енергії вітру та ґрунту.

Зараз широко проводяться дослідження комплексних альтернативних установок із використанням різних видів енергії в одній установці. Виробництво сонячних колекторів в Україні поступається закордонним країнам і складає біля 6 см2 на одного мешканця. Як показують метеорологічні дані для географічних умов України опівдні при падінні сонячної радіації на поверхню колектора під кутом 45є рівень її складає 1200 кВт/м2. При цьому ККД геліоколектора складає 40-50%, і кількість корисного тепла на виході з колектора складає 400-600 кВт/м2. З урахуванням теплових втрат, зміни в часі потужності сонячного випромінювання, середньорічна кількість корисно спожитої теплоти нетто на виході з колектора може скласти до 200-300 кВт/м2.

Іншим напрямком у підвищенні енергозбереження є створення "енергоефективних будинків", що з'явилися в 1974 році. Основна концепція проектування енергоефективних будинків полягає в наступному: енергоресурси можуть бути використані більш ефективно шляхом застосування технічних заходів, обґрунтованих економічно, а також з екологічної і соціальної точок зору, тобто таких, що викликають мінімум змін звичного способу життя.

Проект першого енергоефективного будинку здійснили архітектори Nicholas Isaak і Andrew С. Isaak у Манчестері, штат Нью-Хемпшир, США. Аналогічний проект реалізовано у Фінляндії в м. Отаніємі при будівництві "EKONO-house". Найбільш раціональний проект енергоефективного будинку здійснив Sir Norman Foster при будівництві "Commerz bank" у Франкфурті-на-Майні, Німеччина.

Використання теплоти сонячної радіації в будинку "EKONO-house" забезпечується установкою на даху будівлі сонячних колекторів. Тепло сонячної радіації за допомогою проміжного рідкого теплоносія через теплообмінник передається до зовнішнього замкнутого контуру, що нагріває масивну основу, що служить акумулятором теплоти. Накопичене тепло використовується в системі вентиляції для підігріву припливного повітря. Особливістю кліматизації будинку "EKONO-house" є вікна спеціальної конструкції, так звані " вікна, що вентилюються".

Пасивна система сонячного опалення виконана так: південний фасад будинку покрито прозорими теплоізоляційними панелями, що утворюють конструкцію площею 178 м2. Зовнішнє повітря надходить у будинок через повітряний проміжок між огороджуючими конструкціями і прозорими панелями "сонячна стіна". У дванадцять квартир південної сторони будинку надходить підігріте повітря. Внесок сонячної радіації на підігрів припливного повітря складає 105 кВт-г на 1 м2 конструкції будинку. Конструкція "сонячна стіна" забезпечує теплоізоляцію будинку. Це дозволило відмовитися від додаткового утеплення зовнішніх стін.

При реконструкції багатоквартирного (167 квартир) житлового будинку у Фредеріксберзі (Данія) реалізовано проект "SUNVENT" із використанням низькопотенційного тепла сонячної радіації шляхом спорудження "Сонячних вентиляційних веж". "Сонячні вентиляційні вежі" - це шахти, прибудовані до зовнішньої стіни по обидва боки сходових кліток. Поверхня цих шахт виконана з перфорованих алюмінієвих пластин із темно-зеленим покриттям. Така конструкція забезпечує попередній нагрів припливного вентиляційного повітря. У деяких "Сонячних вентиляційних вежах" додатково застосовуються конструкції PV-VENT, у яких убудовані фотоелектричні модулі з PV-панелями, встановлені у верхній частині "Сонячної вежі" для електрозабезпечення вентиляторів системи вентиляції.

Концепція "Сонячних вентиляційних веж" має такі переваги:

· при конструюванні "Сонячних веж" можна поліпшити зовнішній архітектурний вигляд будинку;

· забезпечується підігрів припливного повітря;

· вентиляційні канали прокладаються поза будинком.

Застосування технології "SUNVENT" забезпечує зниження витрат на опалення до 40%.

Пасивні системи сонячного опалення (ПС) розподіляються на відкриті (вікна) і закриті (засклені веранди, лоджії, балкони, простір біля стіни Тромбу-Мішеля та інші). Завдяки збільшенню загального термічного опору огороджень (стіна будинку плюс огородження зі склом) тепловий потік може зменшуватися в 1.5+1.8 рази, що складає 30+40% економії енергії, однак для одноповерхових будівель та котеджів практично відсутні енергоефективні архітектурно-будівельні рішення.

2. Опис експериментальної установки і методики експериментальних досліджень

Складність процесів теплопереносу у огороджуючих світлопрозорих конструкціях обумовила необхідність проведення експериментальних досліджень. Метою досліджень було оцінити фактичні теплові потоки, що проникають через склопакети технології Heat Mirror і Heat Mirror+ у залежності від температури навколишнього повітря і щільності сонячного випромінювання в період опалювального сезону.

Установка містить оребрений сонячний колектор, через який у замкнутому контурі циркулює теплоносій (водяний розчин етиленгліколю). Циркуляцію теплоносія забезпечує насос Grundfos - 25/80. Витрата теплоносія вимірюється механічним витратоміром "Cosmos" класом точності ±1%. Температура теплоносія на вході і на виході з колектора, у теплоакумуляторі, а також температура навколишнього повітря вимірювалася термометром опору ТСП - 1.11, ЕДС - регулятором багатоканальним ТМР - 138 Р. Первинна обробка експериментальних даних забезпечувалася за допомогою персонального комп'ютера.

Сонячний коллектop виконаний із мідних труб діаметром 12 мм із вертикальними і горизонтальними ребрами. Висота горизонтальних ребер дорівнює hгр = Sтp - dтр =10 мм; вертикальних 10 і 15 мм. Товщина ребер 0,8 і 1,2 мм. Крок розміщення труб у колекторі Sтр = 2dтр.

Виконано математичне планування експерименту й оцінку точності вимірів.

У загальному виді ефективний термічний коефіцієнт залежить від багатьох параметрів конструктивних і режимних, а також параметрів навколишнього середовища: температури повітря, щільності сонячної радіації. Рівняння для має вид:

і ін.) (1)

де: - температура повітря, qp- щільність сонячної радіації, - відповідно діаметр труби і крок труб, ступінь чорнуватості труб, - ступінь чорнуватості склопакету. При цьому, такі параметри як і qp є функціями часу.

Для побудови експериментально-статистичної моделі для ефективного термічного коефіцієнта були проведені досліди, у яких варіювалися такі чинники: (табл. 1), де - коефіцієнт оребрення,

.

Таблиця 1. Рівні варіювання чинників у матриці планування експерименту

Досліди проводилися за планом Хартлі 2-го порядку. Ядро плану являло собою дробну репліку 2 повного факторного експерименту, що складалася з 8 дослідів. Були введені кодовані значення чинників xi, i=-1,0,1, зв'язок яких із їхніми натуральними значеннями визначається за формулою:

(2)

де: - натуральне значення i-гo чинника, - натуральне значення i-гo чинника в центрі плану, - відповідно максимальне і мінімальне значення i-гo чинника. При , при , якщо то . У матриці планування експерименту (табл.1) кожний чинник приймає лише три значення: . Генеруюче співвідношення плану:

х5 = х1х2х3, х6 = х1,х2х3х4 .Регресивна модель являє собою поліном другого порядку:

(3)

що з точністю ±10ч15% описує дані досліду.

3. Опис математичної моделі процесів тепломасообміну і рух повітря в пасивній системі опалення

Вважаємо, що найбільш універсальний теоретичний опис теплового режиму будинку може бути виконаний на основі безпосереднього застосування законів зберігання маси, кількості руху й енергії до неперервного, але неоднорідного за фазовим складом середовища, що включає газоподібні (повітря помешкань і атмосфери) і тверді (зовнішні і внутрішні огородження) області.

Математичною формою запису законів зберігання для в'язкого газу є повна система рівнянь Нав'є Стокса, для твердих тіл - рівняння теплопровідності, що для області довільної форми з заданими початковими і граничними умовами в принципі можуть бути вирішені числовими методами. Практичне використання такого підходу для турбулентних потоків вимагає введення ряду спрощуючих гіпотез і знання деяких характеристик потоку, обумовлених експериментально. Сучасні тривимірні числові моделі дозволяють визначити термогазодинамічні параметри осередненого турбулентного потоку в будь-якій точці простору і за отриманими значеннями одержати найбільш повне уявлення про тепловий режим помешкань, у тому числі, обладнаних пасивними системами сонячного опалення.

Геліоенергоактивна мансарда індивідуального житлового будинку, розташованого на відкритій місцевості в передмісті м. Харкова складається з двох помешкань: нежилого атріуму, який використовується в якості “сонячного басейна” (із південної сторони), і житлової кімнати, що має непрозору теплоізольовану покрівлю і суцільне світлопрозоре фасадне огородження (із північної сторони). Вісь х на рисунку 2 спрямована на північ. Протяжність мансарди в широтному напрямку (z) 8 м.

Житлова кімната обладнана системою примусової припливно-витяжної вентиляції, що суміщує функції повітряного опалення (на додаток до сонячного) і кондиціювання. Припливне повітря надходить від проточного кондиціонеру з боку скління у вигляді плоского струменю, що настилається на підлогу. Вентиляційна витяжка у вигляді плоскої щілини розміщена в районі гребня покрівлі.

Атріум і кімната розділені внутрішнім огородженням товщиною 120 мм, яке використовується як акумулятор тепла. Аналогічну функцію виконує бетонна стяжка товщиною 60 мм на підлозі мансарди. Досліджено дві конструкції внутрішнього огородження - бетонна і “водяна” стіна, - і два варіанти зовнішнього світлопрозорого огородження - однокамерний склопакет з опором теплопередачі 0,33 (м2 *°С)/Вт і двокамерний склопакет типу “теплове дзеркало” із спектрально-селективним покриттям з опором теплопередачі 1,0 (м2. оС)/Вт.

Для моделювання нестаціонарного турбулентного потоку і теплообміну повітря та нестаціонарної теплопередачі через огородження в об'єкті дослідження з врахуванням сонячного опромінення розроблена математична модель на основі повної системи осереднених за Рейнольдсом рівнянь Нав'є-Стокса виду

(4)

(5)

, (6)

де с - густина; u - швидкість; ф - час; р - статичний тиск; k - кінетична енергія турбулентних пульсацій; у - тензор в'язких напруг; g - прискорення
вільного падіння; I - внутрішня енергія; q - щільність теплового потоку; е - швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентних пульсацій; - вихідний член, обумовлений сонячним опроміненням. Рівняння - записані у векторній формі, для яких оператор:

, (7)

де i, j, k - одиничні вектори в напрямках х, у и z, а вектори швидкості і щільності теплового потоку:

u=ux(x, y, z, )i+ uy(x, y, z, )j+ uz(x, y, z, )k, (8)

q=qx(x, y, z, )i+ qx (x, y, z, )j+ qx (x, y, z, )k.

Зв'язок між густиною с, тиском р і температурою Т повітря встановлюється рівнянням стану ідеального газу:

, (9)

де R - газова постійна.

Система рівнянь замикається низькорейнольдсовою k - моделлю турбулентності Чена. У твердих огородженнях, де перенос тепла здійснюється за законом Фур'є q = , рівняння збереження енергії перетворюється на рівняння теплопровідності:

, (10)

де n - нормаль до ізотермічної поверхні; - коефіцієнт теплопровідності; Т - температура; с - питома теплоємність.

“Водяна” стіна моделювалася як тверде тіло з нескінченно великою теплопровідністю.

З урахуванням фізичної складності й складності обчислення, крайова задача, що описується рівняннями, вирішувалася в двомірному наближенні. Дане спрощення виправдане тим, що розмір помешкань мансарди в напрямку осі z (8 м) переважає над розмірами в двох інших напрямках (3 м). Розрахункова область (домен) покривалася регулярною нерівномірною сіткою, що включала 3612 гексаедральних осередків, що утворюють один шар у напрямку осі z. Розрахунок вихідних членів у рівняннях, обумовлених сонячним випромінюванням, виконувався методом побудови ходу сонячних променів усередині домена в залежності від положення Сонця на небі і параметрів освітленості для заданих часу доби, дати і географічного положення за таким алгоритмом. Промінь, що моделюється з урахуванням вектору положення сонця, додається до всіх граней розрахункових осередків типу “стінка”. Після цього обчислюються теплові потоки через грані, обумовлені вхідним випромінюванням. Результуючий тепловий потік включається в розрахунок крайової задачі через вихідний член у рівнянні збереження енергії. Джерела тепла додаються безпосередньо в розрахункові осередки, що граничать із кожною гранню. Алгоритм враховує вплив як прямого, так і розсіяного сонячного випромінювання. Для прямого сонячного випромінювання використовується двошарова спектральна модель, що враховує властивості матеріалів окремо у видимому й інфрачервоному діапазонах, для розсіяного - одношарова осереднена по півсфері спектральна модель. Оптичні властивості непрозорих матеріалів описуються двошаровим коефіцієнтом поглинання, напівпрозорі матеріали - коефіцієнтами поглинання і пропускання, обумовленими для нормально падаючих променів. Алгоритм враховує (інтерполює) ці значення для заданого кута падіння . При проектуванні ходу відбитої компоненти прямого випромінювання враховується внутрішнє розсіювання. Частка променистого теплового потоку, названа внутрішньо розсіяною енергією, додається до всіх граней, що беруть участь у розрахунку сонячного навантаження, із вагою, пропорційною їхній площі. Внутрішньо розсіяна енергія залежить від коефіцієнта розсіювання, що приймався рівним одиниці. Вона вміщує пропускну компоненту розсіяного сонячного випромінювання, що надходить у домен через напівпрозорі стінки. При цьому алгоритм не враховував власне теплове випромінювання поверхонь, а відбита компонента первинного падаючого випромінювання рівномірно розподілялася по усіх гранях. Положення Сонця для заданих часу доби, дати і географічного положення визначається зенітальним кутом і азимутальним кутом , що вираховується від напрямку на північ. Значення цих кутів розраховуються за астрономічними рівняннями:

,

(11)

де d - сонячне схилення (кут між площиною земної орбіти й екваторіальною площиною, що змінюється від 0 при рівноденнях до +23,5 21 червня і -23,5 21 грудня); Ш - географічна широта; t - годинний кут (150 на щогодини). Кут падіння на грань знаходиться з виразу:

, (12)

де - кут нахилу грані до напрямку на північ; - кут нахилу грані до обрію.

Щільність потоку прямого сонячного випромінювання на грань:

, (13)

Щільність потоку розсіяного сонячного випромінювання на грань:

. (14)

Осереднені протягом 1 години значення щільності потоку прямого і розсіяного сонячного випромінювання на горизонтальній поверхні, і температура зовнішнього повітря tн. в. бралися за даними метеорологічних вимірів 8 грудня 1999 року в географічній точці з координатами 49,2є північної широти і 16,6є східної довжини (табл. 2).

Використовувалися такі початкові і граничні умови. У початковий момент (8.00) повітря вважалося нерухомим, його температура і температура огороджень - рівною 23°С. На вході припливного повітря задавалися постійні температура 23°С, повний тиск, що забезпечує кратність повітрообміну 1 год-1, і характеристики турбулентності, на витяжній межі - постійний статичний тиск, рівний атмосферному. На твердих стінках ставилися умови прилипання і рівності нулю турбулентної в'язкості. Зовнішні поверхні світлопрозорих огороджень вважалися ізотермічними з перемінною в часі температурою, рівною температурі зовнішнього повітря відповідно до таблиці 2, покрівля, нижня поверхня бетонної стяжки і торцеві поверхні внутрішньої стіни - адіабатними. На граничних поверхнях домена, нормальних до осі z, використовувалися умови непротікання й адіабатності.

Числове інтегрування системи нестаціонарних рівнянь і рівнянь переносу k і з заданими початковими і граничними умовами передбачає їхню дискретизацію за простором і часом.

Метод рішення. Дискретизація рівнянь за простором виконується методом контрольних об'ємів на неструктурованій (неупорядкованій) розрахунковій сітці, складеній із шестигранних (гексаедральних) елементарних об'ємів-осередків. Виконання рівняння нерозривності в межах малих чисел Маха забезпечується за допомогою процедури корекції тиску SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations).

Таблиця 2. Параметри сонячного випромінювання і зовнішнього повітря

4. Результати числового дослідження системи пасивного опалення будинків

Розраховані варіанти мансарди, що розрізняються конструкцією світлопрозорих і теплоакумулюючих огороджень. Ці варіанти описані в таблиці 3.

Таблиця 3

В усіх варіантах має місце значна стратифікація температурних полів. Найбільші значення температури повітря в атріумі і житловій кімнаті досягаються біля 14.00. Зміна температури повітря в житловій кімнаті має дуже пологий локальний максимум тільки у варіантах Б і В.

У варіанті А в зазначений час має місце зниження темпу охолодження помешкання, що обумовлено підвищеними тепловтратами через огородження. Характер плину повітря в усіх варіантах практично однаковий, але він змінюється за часом доби в міру прогріву (вдень) і наступного охолодження (після заходу сонця) огороджуючих конструкцій. Розрахунок підтверджує наявність зон турбулізованого потоку як у житловій кімнаті, що вентилюється, так і в невентильованому атріумі. З порівняння результатів моделювання видно, що найкращі показники з використання сонячного випромінювання у варіанті Б (рисунки 5 і 6). В цілому результати моделювання задовільно співвідносяться з наявними фізичними уявленнями і якісно співпадають з результатами розрахунків і вимірів параметрів плину і теплообміну в атріумних конструкціях, що виконувалися іншими авторами.

У роботі приводиться опис вдосконаленої методики енергетичної оцінки ефективності конструкцій будівель, що відображають, і визначення питомих тепловтрат системи опалювання будівлі.

Розроблені практичні рекомендації по проектуванню пасивних систем сонячного опалювання будівель.

Висновки

опалювальний склопакет вентиляційний колектор

1. Експериментально встановлена ефективність застосування склопакетів типу “теплове дзеркало” у конструкціях сонячного колектора і пасивних систем опалення будинків, при цьому ефективність використання сонячної енергії підвищується на 25-30%.

2. Експериментально встановлена залежність ефективності сонячного колектора від впливу таких параметрів: щільності променистого потоку, температури повітря, діаметра і кроку розміщення труб колектора, висоти подовжнього ребра, тощо.

3. Розроблено удосконалену фізико-математичну модель процесів руху повітря, тепло- і масопереносу в пасивній системі променистого опалення будинків.

4. Виконано моделювання полів температури і швидкості повітря в пасивній системі сонячного опалення із склопакетом типу “теплове дзеркало”. У результаті числових досліджень установлені теплотехнічні й архітектурно-будівельні параметри конструкцій огороджуючих будинків із застосуванням пасивної системи променистого опалення.

5. У результаті числових досліджень встановлені основні впливові теплотехнічні й архітектурно-будівельні параметри огороджуючих конструкцій із пасивною системою променистого опалення.

6. Встановлені архітектурно-будівельні параметри “сонячного басейну” житлового мансардного будинку.

7. Удосконалено методику ексергетичної оцінки ефективності огороджень будинків, що дозволяє визначити питомі теплові витрати системи опалення будинків.

8. Розроблено практичні рекомендації з розрахунку пасивних систем сонячного опалення будинків.

Література

1. Ноздрачев А.П., Tolulope Odunlami, Поволочко В.Б. Определение целесообразности развития гелиотехнических возможностей территории Нигерии. - Науковий вісник будівництва. - Харків . ХДТУБА. - 2003. - № 24. - с.132-139.

2. Ноздрачев А.П. Толулопе Одулами Анализ эффективности полимерного солнечного коллектора в осенний период.- вісник сумського державного університету.Серія технічні науки України. - 2006. - №5(89). -с.66-68.

3. Редько А.А., Гвоздецкий А.В., Tolulope Odunlami. Эффективность солнечного коллектора с остеклением типа “Тепловое зеркало”. - Вісник ДНАБіА. - Макеевка. - випуск 2006 - 2(58). - с.74-76.

4. Редько А.Ф., Tolulope Odunlami, Костюк Н.В. и др. Численное исследование теплового режима гелиоэнергоактивной мансарды индивидуального жилого дома. - Науковий вісник будівництва. - Харків . ХДТУБА. - 2006. - №37. - с.240-252.

5. Редько А.А., Tolulope Odunlami. Методика оценки термодинамической эффективности отопительно-вентиляционных систем зданий. - Материалы IX Международной научно-практической конференции “Наука та освіта”. - Днепропетровск - 2006. -том 10. - с. 99-102.

Размещено на Allbest.ru