Теплові режими приміщень при енергоощадному теплоакумуляційному підлоговому електроопаленні

Через те, що параметри теплового стану досліджуваного приміщення при акумуляційному опаленні неперервно змінюються в часі, важливим є забезпечення можливості одночасного вимірювання великої кількості параметрів (температур в 159 точках і теплових потоків в 41 точці). У кліматичному комплексі така можливість створена за рахунок комп'ютерної реєстрації сигналів від термопар і тепломірів, а також автоматичного керування записом їх показів з періодичністю в 15 хвилин.

При розробці методики експериментальних досліджень приміщення враховувались нормовані вимоги тепло- і повітрообміну його з навколишнім середовищем, три умови теплової комфортності та значення нормованої і комфортної температури приміщення. Повітряний режим забезпечувався подачею вентиляційного повітря з „холодного” відсіку кліматичного комплексу, при цьому вікно було загерметизоване. Проведено 2 цикли експериментальних випробувань.

І-й цикл експериментальних досліджень теплового стану приміщення з 90-мм теплоакумулюючим шаром електропідлоги з важкого бетону. Метою 1-го циклу було експериментальне підтвердження достовірності розробленої методики і програми розрахунку теплового режиму приміщення, опалювального підлоговою ЕКСО-ТА. Температура повітря зовні приміщення підтримувалась на рівні: 1) -5,9С - середньомісячна добова температура найбільш холодного зимового місяця (січня) в м. Києві; 2) -5,9С з врахуванням її добових коливань з середньою амплітудою ±2,65С стосовно до умов м. Києва; 3) -25С, що відповідає мінімальній для розрахунків систем опалення в Україні. Нагрівання підлоги здійснювалося 3-а нижніми кабелями, сумарна потужність яких відповідала тепловтратам при заданій температурі повітря зовні приміщення (табл. 1).

Приклади результатів досліджень при t_з = - 5,9…-25С наведені на рис. 8...13. Аналіз результатів експериментів показав:

1. Розроблена методика розрахунку теплового режиму приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА підтверджена експериментом - середнє розходження експериментальних і розрахункових даних по температурах (рис. 8...10) та теплових потоках складає, відповідно, 3,0 і 6,1%, що є цілком задовільним.

Таблиця 1

Таблиця потужностей нагрівачів системи опалення

Температура повітря зовні приміщення tз, С	Режим роботи системи опалення	Кількість включених електрокабелів, шт.	Сумарна потужність електрокабелів, Вт	Термін дії, год/добу
-5,9	Стаціонарний цілодобовий	1	651	24
	Теплоакумуляційний	3	1953	8
-5,92,65	Теплоакумуляційний	3	1953	8
-25	Стаціонарний цілодобовий	1	1276	24
	Теплоакумуляційний	3	3883	8

2. Експериментально підтверджено участь в акумулюванні тепла не тільки підлоги, але й усіх огороджень приміщення. Так, зовнішні стіни, крім теплозахисних функцій, виконують функції стабілізації теплового стану приміщення. Рівень температур їх внутрішніх поверхонь.(криві 1...3) нижче температури повітря в приміщенні (крива 4). Перепад температур між повітрям і поверхнею стін та, відповідно, теплові потоки до стін в процесі зарядки підлоги зростають. У той же час перепад температур між стінами і повітрям зовні них, і, відповідно, теплові втрати стін у навколишнє середовище залишаються практично постійними. З цього випливає, що всі внутрішні зміни теплового стану приміщення і його елементів при переході на переривчасте опалення практично не впливають на тепловтрати в навколишнє середовище. Щодо зміни температури зовнішніх стін, то вони відбуваються в шарі різких коливань, який розташований з боку приміщення. Причому в період зарядки електропідлоги має місце акумулювання тепла в цьому шарі, а в період розрядки - віддача його назад повітрю, що сприяє згладжуванню коливань температури повітря в приміщенні.

Внутрішні стіни і стеля в період зарядки підлоги протягом 11-ти годин одержують тепло від повітря, а останні 13 годин при розрядці віддають його назад повітрю, що забезпечує зниження амплітуди коливань температури останнього.

Сумарну кількість тепла при t_з=-25С, котра внутрішніми стінами і стелею то акумулюється, то, навпаки, віддається, можна оцінити в 545 Вт,. Якщо врахувати, що електропідлога віддає в приміщення в середньому 1168,9 Вт, то очевидно, що внутрішні конструкції вносять значний вклад в процес теплообміну в приміщенні.

3. Наявність сприятливого впливу нестаціонарності температури повітря зовні приміщення на його тепловий режим показано на прикладі коливання середньомісячної температури повітря січня -5,9С з середньодобовою амплітудою ±2,65С в м. Києві. Навіть для систем цілодобового електроопалення привабливим є те, що добові коливання температури повітря поза будинками зменшують втрати електроенергії вдень, коли вона дорога. Максимум споживання енергії зсувається на ніч, коли вона дешева. Для теплоакумуляційного опалення додаються такі переваги:

1) добові коливання температури повітря зовні будинків сприяють зниженню середньодобової амплітуди коливання температури повітря приміщення. Так, при незмінній температурі зовні приміщення амплітуда коливання температури повітря в приміщенні A_t,ср складає ±1,9С (крива 2), а при наявності добових коливань температури t_з величина A_t,ср =±1,5С (крива 1). Це пояснюється тим, що максимальна температура повітря приміщення приходиться на ніч, коли працює опалення, але зменшується при надходженні холодного вентиляційного повітря; мінімальна температура повітря приміщення приходиться на день при відключеному опаленні, але збільшується за рахунок підвищення температури припливного повітря зовні;

2) спостерігається також підвищення максимальної температури поверхні бетонного шару підлоги (крива 3) на 1,3С у порівнянні зі стаціонарним зовнішнім режимом (крива 4), що пояснюється припливом вночі охолодженого повітря і необхідним збільшенням витрат електроенергії на його підігрів;

3) зростає на 1,52С середньодобова температура повітря приміщення (крива 1) в порівнянні з зовнішнім стаціонарним режимом (крива 2) за рахунок припливу вдень теплого повітря зовні. Отже, середньодобову температуру повітря приміщення можна зменшити, для чого досить зменшити споживану електроенергію, одержавши її економію, одночасно знизивши температуру поверхні підлоги.

ІІ-й цикл контрольних досліджень приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА. Метою ІІ-го циклу є обгрунтування можливості забезпечення ЕКСО-ТА нормованих і комфортних умов в приміщенні. Дослідження проводились в діапазоні зміни температур повітря зовні будинків за весь період опалювального сезону в Україні +8...-25С при товщинах бетонного шару підлоги 0,09 і 0,16 м, без додаткового опалення та з ним. Відповідно до розроблених з використанням результатів даної дисертації ДБН 3.2.5-24-2003 „Електрична кабельна система опалення” перевірялись:

Чотири нормовані параметри приміщення при підлоговій ЕКСО-ТА:

- середньодобова температура повітря в приміщенні, що становить 17...20С;

- середньодобова амплітуда коливання температури повітря в приміщенні, яка не повинна перевищувати ±2,5С;

- середня за часом в період використання приміщення з 7 до 22 годин температура внутрішньої поверхні підлоги, що дорівнює 28С з постійним і 31С з тимчасовим перебуванням людей;

- максимальна в період використання приміщення температура внутрішньої поверхні підлоги, допустиме значення якої визначається нормованим параметром 4 Кгод, фактичне значення якого вираховується за рівнянням (36).

Три умови теплової комфортності приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА:

І-а умова для досліджуваного житлового приміщення характеризує температурний стан і встановлює співвідношення між радіаційною температурою і температурою повітря, при яких людина в центрі приміщення не відчуває перегріву або переохолодження, та виражається рівнянням

t_R = 29 - 0,57 t_ср ± 1,5, (37)

або з врахуванням температури приміщення t_п

t_R = 1,57 t_п - 0,57 t_ср ± 1,5, (38)

де ± 1,5С - допустимі відхилення комфортної радіаційної температури. З (38) температура приміщення визначиться

t_п = 0,64 t_R + 0,36 t_ср (39)

Виконання умови (37) перевіряється як для середньодобової радіаційної температури , так і для поточної t_R().

ІІ-а умова для досліджуваного приміщення обмежує інтенсивність теплообміну на нагрітій внутрішній поверхні підлоги та на відстані 1 м від холодної внутрішньої поверхні засклення вікна. При цьому перевіряється: а) максимальна температура поверхні бетонного шару підлоги, допустиме значення якої обмежується температурою голої стопи людини 33С;

б) мінімальна температура поверхні засклення, для якої встановлюється допустима величина питомого променистого теплового потоку в бік холодної поверхні засклення = 93 Вт/м² з елементарної площадки на поверхні тіла людини, яка стоїть на відстані 1 м від вікна. Ця температура вираховується із рівняння балансу променистого теплообміну людини з оточуючими її поверхнями конструкцій

, (40)

де - приведені коефіцієнти випромінювання тепла людиною на поверхню засклення та і-х огороджень; _л,вік, _л,і - коефіцієнти опромінення з поверхні тіла людини на поверхню засклення та і-х огороджень; Т_л, Т_вік(), Т_і() - абсолютні температури поверхонь тіла людини, засклення та і-х огороджень.

ІІІ-я умова стосується регулювання теплового режиму приміщення; при електроопаленні, що автоматично регулюється, ця умова завжди виконується - її виконання не перевіряється.

Результати експериментальних досліджень по виконанню перерахованих нормованих та комфортних параметрів досліджуваного приміщення представлені для 3-х ситуацій з:

А) товщиною бетонного шару підлоги 90 мм та

Б) 160 мм при відсутності додаткового опалення;

В) товщиною бетонного шару 90 мм та при наявності додаткового опалення.

А. Контрольні дослідження теплового стану приміщення при підлоговій ЕКСО-ТА з 90-мм бетонним шаром без додаткового опалення. В межах цього дослідження проведена перевірка виконання нормованих і комфортних умов при температурах: 1) t_з = [-5,9 + 2,65 cos2?/T(? - 3,8)] єС; 2) t_з = -5,9С; 3) t_з = -25С.

Дані перевірки виконання 4-х нормованих параметрів досліджуваного приміщення при t_з=[-5,9+2,65cos2?/T(?-3,8)]єС ілюструє рис. 8. З рисунку видно: 1) середньодобова температура повітря приміщення 18,96С (пряма 5) знаходиться в межах нормованої; 2) середньодобова амплітуда її коливання ±1,5°С (крива 3) менше нормованої; 3) середня за часом температура поверхні бетонного шару 22,96С (пряма 9) не перевищує нормовану; 4) максимальна температура поверхні підлоги 29С не перевищує допустиму, при якій параметр Т_Е=0,6Кгод менший нормованого.

При t_з = -5,9С значення вказаних параметрів знаходиться в тих же межах. Однак, при t_з = -25С, величина середньодобової амплітуди коливання температури повітря в приміщенні ±3,42С більша норми, а максимальна температура поверхні бетонного шару 34,9С перевищує нормовану протягом 3,8 години, так що параметр Т_Е = 13,1 Кгод більший за нормований в 3,28 рази; інші два нормовані параметри знаходяться в допустимих межах.

Перевірка виконання умов комфортності: а) І-а умова для середньодобових значень радіаційної температури виконується для всіх проведених досліджень. Як приклад, для t_з = [ -5,9 +2,65 cos 2/Т ( - 3,8)]С показано, що при температурі повітря в приміщенні 18,96С експериментальна радіаційна температура 19,36С знаходиться між допустимими значеннями 16,69°С і 19,69С комфортної радіаційної температури, розрахованої за рівнянням І-ої умови комфортності (37).

б) І-а умова для поточної радіаційної температури не виконується навіть при t_з = -5,9С, бо в кінці періоду використання приміщення спостерігається незначне недогрівання. Останнє відсутнє при врахуванні природних добових коливань температури повітря зовні будинків, що показано на прикладі кліматичних умов м. Києва t_з = [ -5,9 +2,65 cos 2/Т ( - 3,8)]С,. На цьому рисунку експериментальні значення поточної радіаційної температури (крива 3) зіставлені з її комфортними значеннями (крива 1), розрахованими за І-м рівнянням комфортності (37), з врахуванням їх допустимих відхилень на ±1,5°С (заштрихована область 2). З рисунку видно, що протягом 8 годин значення експериментальної радіаційної температури (крива 3) підтримується постійним на рівні 19°С, що пояснюється стабільністю підвищеної температури повітря зовні приміщення вдень при її добових коливаннях. Це призводить до того, що радіаційна температура до кінця періоду використання приміщення (10 годин) не виходить за межі заштрихованої області. Її перевищення з 7 до 12 годин в середньому на 1С можливе, бо максимальна температура поверхні підлоги 29С (рис. 8) менша допустимої 33С. Отже, І-а умова для поточних радіаційних температур виконується в реальній ситуації добових коливань температур повітря при t_з > -5,9С.

При t_з = -25С, очевидно, що ця умова не виконується, а в кінці зарядки підлоги температура поверхні бетонного шару досягає найбільшого значення 34,9°С. При цьому спостерігається значний перегрів, при якому радіаційна температура досягає максимального значення 23,4°С, а в кінці періоду використання приміщення знижується до 17,1°С, тобто відбуваються більш різкі коливання радіаційної температури в порівнянні з попередніми розглянутими режимами.

ІІ-а умова: а) щодо максимальної температури поверхні бетонного шару підлоги при t_з= -5,9С та t_з=[-5,9 +2,65 cos 2/Т(-3,8)]С виконується - тут відповідні експериментальні максимальні температури бетонного шару становлять 27,7°С і 29С, що менше 33С. Однак, дана умова не виконується при t_з= -25С; в цьому випадку значення максимальної температури підлоги згідно з результатами експерименту становить 34,9С;

б) щодо мінімальної температури поверхні засклення вікна. В приміщенні, опалюваному підлоговою променисто-конвекційною ЕКСО-ТА, температура внутрішніх поверхонь стін і стелі приблизно на 2С вища, ніж при традиційному конвекційному опаленні. Людина, яка знаходиться в оточенні „теплих” конструкцій, буде випромінювати на них меншу частку свого тепла, а більшу - на холодну поверхню засклення, яка може мати від'ємну допустиму температуру. З рис. 15 видно, що при t_з = -25С за розрахунками середньодобова допустима температура поверхні засклення дорівнює -2,18С (пряма 5); експериментальна ж температура становить 10,2С (пряма 3). Середньодобовий питомий тепловий потік в бік засклення з поверхні тіла людини, яка стоїть на відстані 1 м від вікна, розрахований за експериментальними даними по формулі (40) дорівнює 74,35 Вт/м² (пряма 8), що не перевищує допустиму величину 93 Вт/м². Отже, при мінімальній в Україні температурі повітря зовні будинків t_з = -25С для мінімальної товщини бетонного шару електропідлоги _б,ш= 90 мм ця умова виконується.

Як видно з результатів перевірки нормованих та комфортних умов для нестаціонарного теплового режиму приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА, слід перевіряти не тільки середньодобові, а й поточні значення набагато більшої кількості нормованих і комфортних параметрів, ніж для приміщення з традиційним опаленням. Це обумовлює необхідність розробки спеціалізованої методики, згідно з якою оцінку теплового режиму можна було б проводити, використовуючи незначну кількість узагальнюючих параметрів.

В роботі запропонована відповідна методика „Оцінка і порівняння теплового режиму приміщення при підлоговій променисто-конвекційній ЕКСО-ТА та традиційній конвекційній системі”, згідно з якою оцінка теплового режиму приміщення проводиться лише за двома узагальнюючими параметрами, а саме, за середньодобовими нормованою та комфортною температурами приміщення незалежно від виду системи опалення. Як приклад, для досліджуваної кутової кімнати з підлоговою ЕКСО-ТА значення цих температур були визначені за її відомими параметрами при опаленні традиційною водяною системою і розраховані за формулою температури приміщення (39), задаючись середньодобовими значеннями: а) нормованої температури повітря в приміщенні 20С (згідно ДБН В.2.2-15-2005 „Житлові будинки”) - для знаходження нормованої температури приміщення

=0,64 (20 -3,5) + 0,36 20 ? 17,5С; (41)

б) комфортної температури повітря в приміщенні 22С (за санітарно-гігієнічними дослідженнями) - для розрахунку комфортної температури приміщення

=0,64 (22 - 3,5) + 0,36 22 ? 20С (42)

Оскільки дані вказаних ДБН та гігієнічних досліджень стосуються типових (з однією зовнішньою стіною) приміщень, то для кутової кімнати (з двома зовнішніми стінами) при низьких від`ємних температурах повітря зовні будинків в приведених формулах (41), (42) значення радіаційної температури дорівнює t_R = t_ср - 3,5С.

Проведення оцінки нормованих та комфортних температур приміщення. В якості прикладу застосування даної методики на рисунках 16, 17, 18 зображено поточні температури приміщення, температури повітря і радіаційної температури приміщення. З наведених графіків видно:

1) нормовані середньодобові температури приміщення при t_з = -5,9С та t_з=[-5,9+2,65cos2/Т(-3,8)]С забезпечуються; при цьому значення експериментальних температур приміщення становлять 17,87°С і 19,16С (прямі 6), що більше нормованої 17,5С, а незначні за величиною (±1,67°С і ±1,43С) амплітуди коливання їх поточних температур менші нормованої ±3С. Останню визначаємо за нормованою санітарно-гігієнічною амплітудою коливання температури повітря в приміщенні ±3С, бо з наведених графіків видно, що поточні температури повітря та температури приміщення здійснюють коливання з однаковими амплітудами;

2) нормована середньодобова температура приміщення при t_з = -25С становить 19,58°С, що більше нормованої, яка дорівнює 17,5°С, але її середньодобова амплітуда коливання ±3,42С більша нормованої ±3С, що призводить до різких коливань поточної температури приміщення від 23°С до 16,16°С (крива 5). При цьому відношення нормованої амплітуди коливань температури приміщення =±3С (при невідомій нормованій температурі повітря зовні будинків) до експериментальної такої ж амплітуди =±3,42С (одержаної при мінімальній розрахунковій опалювальній в Україні температурі повітря зовні будинків = -25°С) при однакових нормованих і експериментальних температурах всередині приміщення =18°С, з урахуванням коефіцієнту потужності опалення

, (43)

визначає невідому величину нормованої температури повітря зовні приміщення ?-20°С, до якої виконується нормована амплітуда = 3С

; =-19,72°С ? -20°С;

3) теплові умови щодо комфортної температури приміщення при t_з = 5,9С не виконуються, її середньодобове значення 17,87°С (пряма 6) нижче комфортної 20°С, а в кінці періоду використання приміщення вона зменшується до 16,16°С - спостерігається незначне недогрівання, яке відсутнє при врахуванні природних добових коливань температури повітря зовні будинків t_з = [-5,9 +2,65 cos 2/Т ( - 3,8)]С,. При такій ситуації середньодобова температура приміщення 19,16°С (пряма 6) при незначній амплітуді коливання ±1,43С наближається до комфортної 20,6...17,7°С (крива 5). Вказана середньодобова температура відповідатиме комфортній при підвищенні на 1,5...2°С максимальної температури поверхні бетонного шару підлоги 29°С, що менше допустимої, яка становить 33°С. Отже, температура t_з = -5,9С при її природних добових коливаннях є межею дотримання не тільки комфортної радіаційної температури, а й комфортної температури приміщення. При температурах повітря зовні будинків -6...-25С комфортна температура приміщення без додаткового опалення не забезпечується, наприклад, при t_з = -25С середньодобова температура приміщення становить 19,58°С (пряма 6), що менше комфортної 20°С.

Отже, на базі проведених досліджень встановлено, що при д_б,ш = 90 мм без додаткового опалення підлогова ЕКСО-ТА забезпечує: нормовані умови при температурах повітря зовні приміщення від +8 до -20С, а комфортні - від +8 до -5,9С. Нормовані умови в інтервалі температур -20...-25°С забезпечуються з додатковим денним опаленням з незначними затратами енергії, а для створення комфортних умов в діапазоні температур -6...-25°С запропоновано 2 способи:

Б. Базовий (без додаткового опалення) тепловий режим з _б,ш = 160 мм .

В. Додаткове денне опалення з _б,ш = 90 мм.

Б. Контрольні дослідження теплового стану приміщення при підлоговій ЕКСО-ТА з 160-мм бетонним шаром без додаткового опалення. Виконанню нормованих і комфортних теплових умов в приміщенні сприяє збільшення товщини теплоакумулюючого шару підлоги, що дозволяє обійтись без додаткового опалення. Так, при температурах t_з =-20°С без добових коливань та з ними нормовані температури приміщення з бетонним шаром підлоги 160 мм безумовно забезпечуються, бо, як показали попередні дослідження, вони забезпечуються до температури t_з = -20С при набагато меншій товщині цього шару, яка становить 90 мм. Це ілюструють дані, де показано, що для 2-х розглянутих режимів значення температур приміщення лежать в межах інтервалу нормованих і комфортних температур, тобто вище нормованого значення 17,5°С.

Комфортні температури приміщення теж дотримуються - хоча середньодобові температури приміщення дорівнюють 18,65°С і 18,68С (прямі 6) і є дещо меншими ніж 20°С, їх абсолютні значення можливо підвищити збільшенням максимальної температури поверхні підлоги на 1,5...2С (ці максимальні температури становлять 27,3 і 27,8С, що менше допустимої, яка дорівнює 33С) і наблизити до середньодобової комфортної 20С.

При найнижчих для України температурах t_з = -20...-25С нормовані і комфортні температури приміщення теж дотримуються. Отже, підлогова ЕКСО-ТА при товщині бетонного шару підлоги 160 мм забезпечує в приміщенні нормовані і комфортні теплові умови протягом всього опалювального сезону.

В. Контрольні дослідження теплового стану приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА з 90-мм бетонним шаром при застосуванні додаткового денного опалення. Аналіз результатів контрольних досліджень за п.п. А і Б дозволяє стверджувати, що відсутність можливості при t_з = -6...-25С створення комфортних умов в приміщенні з бетонним шаром підлоги 90 мм (на відміну від 160 мм) викликана недостатньою величиною теплоакумуляційної здатності відносно тонкого шару бетону для компенсації тепловтрат приміщення за 16 годин періоду його охолодження.

В кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП проведені експериментальні випробування теплового стану досліджуваного приміщення з бетонним шаром 90 мм при застосуванні додаткового денного опалення 3-а методами: 3-а нижніми кабелями, верхнім кабелем, електроконвектором. Як приклад, , що при t_з = -12С забезпечуються нормовані та комфортні температури приміщення з д_б,ш = 90 мм при вказаних методах опалення. Так, в усіх випадках експериментальні значення температур приміщення знаходяться в межах інтервалу між нормованою та комфортною температурами приміщення. При цьому встановлено, що найбільш ефективним є опалення електроконвектором, який безпосередньо формує тепловий стан приміщення.

Результати експериментальних досліджень показали також, що температури приміщення перевищують нормовану температуру 17,5С. Звідси випливає, що променисто-конвекційні системи ЕКСО-ТА створюють більш комфортні умови в приміщенні, ніж традиційні конвекційні системи при однакових потужностях.

В сьомому розділі наведено „Методичні рекомендації з вибору типів підлогової ЕКСО-ТА і енергоощадних режимів її роботи в житлових і громадських будинках в усіх температурних зонах України”. Приводяться результати впровадження і техніко-економічні розрахунки ефективності підлогових ЕКСО-ТА у порівнянні з традиційними системами опалення та обґрунтування їх екологічних переваг. Наводяться дані щодо впровадження розроблених теплоакумуляційних систем базовим з електроопалення науково-виробничим підприємством „Елетер” Мінрегіонбуду України і ТОВ „Київпромелектропроект”. Загальна річна економія від впровадження підлогової ЕКСО-ТА, наприклад, в 9-ти загальноосвітніх школах Хмельницької області дорівнює 240 тис. 525 грн, з них внесок автора, підтверджений документами, складає 96 тис. 210 грн.

Домобудівним комбінатом №3 передбачається впровадження підлогової ЕКСО-ТА при будівництві в м. Києві житлових багатоповерхових будинків серії 111-161. У порівнянні навіть з пільговою вартістю на даний час для населення в м. Києві 1 Гкал традиційного централізованого теплопостачання, розрахункова ефективність при підлоговій ЕКСО-ТА з використанням двохзонного нічного тарифного коефіцієнту на електроенергію k=0,35 складає 12,4%.

Результати проведених досліджень включено в створені за участю автора ДБН В.2.5-24-2003 „Електрична кабельна система опалення”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблено теплофізичні основи енергоощадних теплоакумуляційних технологій підлогового електроопалення житлових і громадських будинків, запропоновано та розвинуто загальний підхід до вибору конструктивних і режимних характеристик даного виду опалення, які забезпечують нормовані і комфортні теплові умови приміщення.

2. Для приміщень, обладнаних підлоговими теплоакумуляційними системами електроопалення, розроблена уточнена фізична модель теплообмінних процесів, яка враховує сумісну дію нестаціонарного променистого і конвекційного теплообміну між підлогою, огороджуючими конструкціями і повітрям в приміщенні, процеси акумуляції тепла опалювальною підлогою та іншими огороджуючими конструкціями, залежність від температури коефіцієнтів променистої і конвекційної тепловіддачі на внутрішніх поверхнях огороджень, теплопередачу через зовнішні стіни з урахуванням нестаціонарних умов як усередині, так і зовні приміщень і таке інше.

3. На основі запропонованої уточненої фізичної моделі теплообміну в приміщенні сформульовані математичні моделі нестаціонарного теплопереносу в таких приміщеннях, та проведено широке комплексне математичне моделювання їх температурних режимів стосовно кліматичних умов різних регіонів України.

4. Розроблено аналітично-чисельний метод розв`язку задач визначення теплових режимів приміщень з одно- та багатошаровими зовнішніми огороджуючими конструкціями з підлоговою ЕКСО-ТА на основі застосування кінцевих інтегральних перетворень. Найважливішими особливостями цього методу є:

- застосування запропонованої спеціальної процедури поліпшення збіжності рядів, що визначають розв`язки задач теплового стану приміщень з одношаровими огороджуючими конструкціями;

- зведення вихідної задачі з багатошаровими конструкціями до системи інтегральних і інтегро-диференціальних рівнянь з використанням при їх розв`язуванні модифікованих квадратурних формул Ньютона-Котеса з експоненціальною ваговою функцією, котра покращує збіжність рядів інтегральних ядер.

Створено програмне забезпечення чисельної реалізації розробленого аналітично-чисельного методу.

5. На основі теорії теплостійкості конструкцій акад. Ликова А.В. і розробленого програмного забезпечення запропоновано підхід до вибору раціональних конструктивних і режимних характеристик підлогового теплоакумуляційного електроопалення приміщень:

- виду матеріалу теплоакумулюючого шару підлоги, яким на даний час є важкий бетон з коефіцієнтом теплозасвоєння 0,101 м, що дорівнює товщині шару різких коливань температури;

- вибору товщини теплоакумулюючого шару електропідлоги;

- принципів застосування систем додаткового опалення для підтримання нормованих і комфортних теплових режимів приміщення на протязі всієї доби.

6. Створено унікальний автоматизований кліматичний комплекс КиївЗНДІЕП, котрий дозволяє проводити експериментальні випробування теплових режимів приміщень при різному їх розташуванні відносно фасаду будинків та при різних видах систем опалення в умовах, близьких до натурних. З використанням вказаного комплексу розроблена методика експериментальних досліджень теплового режиму таких приміщень, на основі якої експериментально підтверджено участь в акумулюванні тепла не тільки підлоги, а й усіх огороджень, та показано позитивний вплив добових коливань температури повітря зовні будинків на нестаціонарний тепловий режим приміщення при підлоговій ЕКСО-ТА.

7. Експериментом підтверджено розроблену методику розрахунку теплового режиму приміщення при підлоговій ЕКСО-ТА - середнє розходження експериментальних і розрахункових даних по температурах та теплових потоках складає, відповідно, 3,0 і 6,1%, що є цілком задовільним.

8. Експериментально визначено шляхи забезпечення нормованих і комфортних теплових умов у приміщеннях, що обладнані підлоговою ЕКСО-ТА, для різних кліматичних зон України.

9. Розроблені „Методичні рекомендації з вибору типів підлогових ЕКСО-ТА й енергоощадних режимів їхньої роботи в житлових і громадських будинках у всіх температурних зонах України”.

10. „Методичні рекомендації з вибору типів підлогових ЕКСО-ТА й енергоощадних режимів їхньої роботи” передані і використовуються базовим з електроопалення будинків НВП „Елетер” Мінрегіонбуду України та ТОВ „Київпромелектропроект”. Економічний ефект від впровадження наукових розробок при проектуванні та монтажі теплоакумуляційних систем електроопалення в 9-ти загальноосвітніх школах Хмельницької області складає 96 тис. 210 грн/рік.

11. Результати, одержані в дисертації для житлових і громадських будинків, справедливі для значно більшого кола споруд. Особливо перспективним уявляється застосування підлогового теплоакумуляційного електроопалення для висотного будівництва.

12. Результати проведених досліджень включені в розроблені за участю автора ДБН В.2.5-24-2003 „Електрична кабельна система опалення”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Черных Л.Ф. Методика расчета теплового режима наружных ограждающих конструкций сельскохозяйственных зданий / Драганов Б.Х., Черных Л.Ф., Ферт А.Р. - К.: УСХА, 1991. -126 с.

Особистий внесок Черних Л.Ф. полягає в розробці методу розрахунку нестаціонарної теплопередачі через зовнішні огороджуючі конструкції будинків.

Черных Л.Ф. Сочетание метода малого параметра и конечных интегральных преобразований для задач теплопроводности // Известия АН СССР. - 1991. - Т. 37, №1. - С. 146-162.

Черних Л.Ф. Фізико-математична модель теплового режиму приміщення з електротеплоакумуляційною системою опалення підлогою, що гріє // Будівницво України. - 2002. - №5. - С. 36-39.

Черных Л.Ф. “Теплый” пол электрической кабельной системы отопления жилых зданий // Строительные материалы и изделия. - 2002. - №5. - С. 17-21.

Черних Л.Ф. Вибір товщини електропідлоги приміщення з ЕКСО-ТА // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - К.: КНУБА, 2002. - Вип. 5. - С. 52-58.

Черних Л.Ф. Електротеплоакумуляційний напрямок розвитку систем опалення в Україні / Шульга Ю.І., Розинський Д.Й., Шевельов В.Б., Черних Л.Ф., Круковський П.Г., Тимченко М.П., Громадський Ю.С.// Будівництво України. - К., 2002. - №1. - С. 44-47.

Особистий внесок Черних Л.Ф. полягає в обґрунтуванні наявності необхідних умов забезпечення теплової ізоляції будівель в Україні для впровадження теплоакумуляційного підлогового електроопалення.

Черных Л.Ф. Выбор материала электропола помещений с ЭКСО-ТА // Енергетика: економіка, технології, екологія. - К.: НТУУ „КПІ”, 2002. - № 4 (12). - С. 67-71.

Черных Л.Ф. Теплопотери через наружные однослойные стены в помещении с ЭКСО-ТА // Современные проблемы строительства. - Донецк: ПромстройНИИпроект, 2002. - Т. ІІ. - С. 131-138.

Черных Л.Ф. Оптимальный тепловой режим помещений с ЭКСО-ТА греющим полом // Строительное производство. - К.: НИИСП, 2002. - Вып. 43. - С. 57-62.

Черных Л.Ф. Расчет тепловых потоков в трехслойных наружных стенах помещения с ЭКСО-ТА // Вісник Донбаської Державної Академії будівництва та архітектури. Інженерні системи та техногенна безпека у будівництві. - Макіївка: ДДАБА, 2002. - №4 (35). - С. 63-72.

Черних Л.Ф. Метод розрахунку теплового режиму приміщення із тришаровими зовнішніми стінами і з електротеплоакумуляційною системою опалення підлогою, що гріє // Будівництво України. - 2003. - №3. - С. 40-43.

Черних Л.Ф. Розвязання нестаціонарної нелінійної одномірної задачі тепловіддачі електропідлоги, що гріє та працює в теплоакумуляційному режимі в житловому приміщенні // Будівництво України. - 2003. - №4. - С. 33-36.

Черних Л.Ф. Результати досліджень теплового режиму приміщень з ЕКСО-ТА при мінімальній в Україні температурі зовнішнього повітря // Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - К.: КНУБА, 2003. - Вип. 6. - С. 47-53.

Черных Л.Ф. Дневная подтопка помещений с ЭКСО-ТА греющим полом // Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. - Полтава: ПНТУ, 2003. - Вип. 11. - С. 43-50.

Черных Л.Ф. Разработка численного метода решения уравнения теплового баланса воздуха помещения с напольной ЭКСО-ТА//Коммунальное хозяйство городов. Технические науки и архитектура. - К.: “Техника”, 2003. - Вып. 53. - С. 118-123.

Черных Л.Ф. Система 8-ми алгебраических уравнений теплового режима помещения с ЭКСО-ТА //Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, 2003. - С. 61-67.

Черных Л.Ф. Методы снижения тепловой нагрузки электропола помещения с ЭКСО-ТА//Електрифікація та автоматизація сільського господарства.-2003.-№1.-С. 86-92.

Черних Л.Ф. Теплотехнічні випробування приміщень житлових будинків з ЕКСО-ТА в кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП / Шевельов В.Б., Розинський Д.Й., Черних Л.Ф. // Будівництво України. - 2003. - №5. - С. 29-33.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - розробка методики досліджень теплового режиму приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА в кліматичному комплексі.

Черных Л.Ф. Тепловой баланс помещения с электрической кабельной системой отопления //Вісник СумДУ. Фізика, математика, механіка. - 2004. - №8 (67). - С. 101-107.

Черных Л.Ф. Расчет теплового режима помещения с электрической кабельной системой//Вісник СумДУ. Фізика, математика, механіка.-2004.- №10 (69) - С. 124-130.

Черных Л.Ф. Уравнение теплового баланса воздуха помещения с напольной ЭКСО-ТА//Науковий вісник будівництва. -Харків: ХДТУБА, 2004. - №28. - С. 124-129.

Черних Л.Ф. Економічна денна підтопка електроконвектором приміщень з ЕКСО-ТА // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. - К.: - 2004. - №1(6). - С. 91-97.

Черных Л.Ф. Тепловое состояние трехслойных наружных стен помещения при напольном электротеплоаккумуляционном отоплении / Фиалко Н.М., Черных Л.Ф. // Промышленная теплотехника. - 2004. - Т. 26, №5. - С. 48-56.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - визначення теплового стану тришарових зовнішніх стін приміщення з підлоговою ЕКСО-ТА.

Черних Л.Ф. Підлогова електротеплоакумуляційна система опалення будинків // Нові технології в будівництві. - К.: НДІБВ, 2005. - №2(10). - С. 57-64.

Черних Л.Ф. Підлогове електротеплоакумуляційне опалення культових будинків і споруд // Будівництво України. - 2005. - №1. - С. 14-16.

Черних Л.Ф. Кліматичний комплекс КиївЗНДІЕП - устаткування для лабораторних теплотехнічних досліджень приміщень / Шевельов В.Б., Черних Л.Ф. // Будівництво України. - 2005. - №4. - С. 17-20.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - оцінка результатів теплотехнічних випробувань кімнати, обладнаної підлоговою ЕКСО-ТА, в кліматичному комплексі КиївЗНДІЕП.

Черных Л.Ф. Метод конечных интегральных преобразований для расчета теплового режима помещений с электротеплоаккумуляционным отоплением греющим полом / Черных Л.Ф., Розинский Д.И., Полевой П.П. // Электротеплоаккумуляционное отопление греющим полом. - К.: ИТТФ НАН Украины, НПП „Элетер”, 2001. - С.85-91.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - розробка методу розрахунку теплового режиму приміщення з одношаровими стінами, опалюваному підлоговою ЕКСО-ТА.

Черных Л.Ф. Климатический комплекс для исследований конструкций / Черных Л.Ф., Ферт А.Р., Паламарчук Л.К., Санников И.В. // Архитектура и строительство России. - 1989. - №4. - С. 26-27.

Особистий внесок Черних Л.Ф. полягає в розробці технологічної лінії експериментального дослідження теплового режиму приміщень і їх елементів.

Черных Л.Ф. Система отопления жилых зданий электрополом, работающим в аккумуляционно-прерывистом режиме / Шевелев В.Б., Черных Л.Ф., Розинский Д.И. // Конструкции гражданских зданий. Сб. выпущен к 40-летию ин-та-К.: КиевЗНИИЭП, 2003.-С.44-56.

Особистий внесок Черних Л.Ф. полягає в обґрунтуванні створення підлоговою ЕКСО-ТА нормованих і комфортних теплових умов в приміщенні.

Черных Л.Ф. Вопросы применения „электрополов” в культовых сооружениях / Черных Л.Ф., Розинский Д.И. // Сб. науч. трудов межд. науч.-практ. конф. „Современное храмостроительство”. Перспективні напрямки проектування будівель. Спеціальний випуск. Сучасне храмобудування. -К.-Чернигов: КиевЗНИИЭП, 2003.-С. 87-90.

Особистий внесок Черних Л.Ф. полягає в обґрунтуванні ефективності застосування підлогового електроопалення в культових спорудах.

Черных Л.Ф. Теплофизические основы напольного электротеплоаккумуляционного отопления жилых и общественных зданий / Фиалко Н.М., Шевелев В.Б., Черных Л.Ф. // Сб. науч. трудов ІІІ-ей межд. конф. „Проблемы промышленной теплотехники”. Промышленная теплотехника. Приложение к журналу. - К.: ИТТФ, 2003. - Т. 25, №4. - С. 77-78.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - розробка теплоакумуляційних технологій підлогового електроопалення житлових будинків.

Черних Л.Ф. Вплив добової температури зовнішнього повітря на тепловий режим приміщення з ЕКСО-ТА: Сб. наук. праць ІV Всеукраїнської наук.-техн. конф. „Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві” 22-25 жовтня 2003 року. - Вінниця, 2004. - С. 262-273.

Черных Л.Ф. Электротеплоаккумуляционное отопление греющим полом жилых и общественных зданий / Шевелев В.Б., Черных Л.Ф. // Сб. науч. трудов межд. науч.-техн. конф. „Энергоэффективность 2005”. - Одесса, 2005. - С. 97-103.

Особистий внесок Черних Л.Ф. -математична постановка задачі, розробка аналітично-чисельного методу її рішення та експериментальна перевірка.

А.с. 1501005 СССР, МКИ G 05 D 22/00. Устройство для климатических испытаний / Черных Л.Ф., Волга В.С., Дизик В.М., Паламарчук Л.К., Санников И.В. - № 4164579/24-24; заявл. 22.12.1986; опубл. 15.08.1989, Бюл. №30.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - розробка принципової схеми кліматичного комплексу для теплотехнічних досліджень приміщень і їх конструкцій.

А.с. 966215 СССР, М. МКИ Е 06 В 5/20. Оконный блок / Левич А.П., Хованский В.М., Черных Л.Ф. - №3253062; заявл. 03.03.1981; опубл. 15.10.1982, Бюл. №38.

Особистий внесок Черних Л.Ф. - підвищення теплозахисних властивостей віконного блоку за рахунок встановлення прозорої штори в повітряному прошарку.

АНОТАЦІЯ

Черних Л.Ф. Теплові режими приміщень при енергоощадному теплоакумуляційному підлоговому електроопаленні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення і теплогазопостачання. Київський національний університет будівництва і архітектури, м. Київ, 2009.

У дисертації розроблено теплофізичні основи енергоощадних теплоакумуляційних технологій підлогової електричної кабельної системи опалення приміщень (ЕКСО-ТА) з подачею електроенергії за пільговими нічними тарифами. Здійснено вибір конструктивних і режимних параметрів даного типу опалення, які забезпечують нормовані та комфортні теплові умови приміщення. Для ситуації, що розглядається, сформульовано уточнену математичну модель процесів теплопереносу, яка враховує ряд ускладнюючих факторів, а саме: одночасну дію променистого і конвекційного теплообміну між опалювальною підлогою, огороджуючими конструкціями і повітрям приміщення, акумуляцію тепла огородженнями і опалювальною підлогою, залежність від температури коефіцієнтів променистої і конвекційної тепловіддачі на поверхнях огороджень, теплопередачу через зовнішні стіни зі змінними температурами повітря усередині і зовні приміщення та ін. Розроблено аналітично-чисельний метод розв`язку нестаціонарних нелінійних задач визначення теплового режиму приміщення при застосуванні кінцевих інтегральних перетворень та відповідне програмне забезпечення. Створено спеціалізований кліматичний комплекс КиївЗНДІЕП для проведення досліджень теплового режиму приміщень з підлоговою ЕКСО-ТА. На базі комплексу виконано параметричні дослідження теплового стану приміщень. Розроблено рекомендації з вибору типів та енергоощадних режимів роботи підлогової ЕКСО-ТА.

Ключові слова: енергозбереження, електричне опалення, акумуляція тепла, аналітично-чисельний метод, математичне моделювання, кліматичний комплекс.

АННОТАЦИЯ

Черных Л.Ф. Тепловые режимы помещений при энергосберегающем теплоаккумуляционном напольном электроотоплении. - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени доктора технических наук по специальности: 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, г. Киев, 2009 г.

В диссертации разработаны теплофизические основы энергоресурсосберегающих теплоаккумуляционных технологий напольной электрической кабельной системы отопления помещений (ЭКСО-ТА) с подачей электроэнергии по льготным ночным тарифам. Проведены исследования по выбору значений конструктивных и режимных параметров данного типа отопления, обеспечивающих поддержание нормированных и комфортных тепловых условий в жилых и общественных зданиях.

На базе усовершенствованной физической модели нестационарных процессов теплопереноса в помещении при напольной ЭКСО-ТА сформулирована уточненная математическая модель этих процессов, в которой учитывается целый ряд усложняющих факторов таких как: одновременное действие лучистого теплообмена между отопительной панелью и ограждающими конструкциями, а также конвективного теплообмена между их поверхностями и воздухом помещения, аккумуляция тепла ограждающими конструкциями и конструкцией напольной отопительной панели, зависимость от температуры коэффициентов лучистой и конвективной теплоотдачи на внутренних поверхностях ограждений, теплопередача через наружные ограждения при переменных температурах воздуха внутри и снаружи зданий и т.д.

На основе применения конечных интегральных преобразований разработан аналитически-численный метод решения нестационарных нелинейных задач по определению теплового режима помещений, отапливаемых напольной ЭКСО-ТА. При этом применен предложенный специальный подход к улучшению сходимости рядов, представляющих решения задач о тепловом состоянии помещений с однослойными ограждающими конструкциями. Предложена процедура редукции исходной задачи о тепловом режиме помещения с трехслойными наружными ограждающими конструкциями к системе интегральных и интегро-дифференциальных уравнений, а также использования модифицированных квадратурных формул Ньютона-Котеса с экспоненциальной весовой функцией, улучшающей сходимость рядов интегральных ядер. Создано сопровождающее программное обеспечение для численной реализации разработанного метода.

Создан специализированный климатический комплекс (А.С. 1501005) на базе термобарокамер KTBV-8000/2 и KTBV-8000/4 для изучения тепловых режимов помещений объемных трехэтажных фрагментов многоэтажных зданий в натуральную величину. На базе этого комплекса проведены широкие исследования энергоэффективных режимов работы напольной ЭКСО-ТА. Полученные данные положены в основу разработанных технических условий по применению новых теплоаккумуляционных технологий отопления.

В результате проведенных исследований с использованием положений теории теплоустойчивости конструкций показано, что в качестве материала теплоаккумулирующего слоя целесообразно применять тяжелый бетон с наполнителем из базальтового или гранитного гравия и щебня с коэффициентом теплоусвоения 0,101 м. Предложены эффективные теплоаккумуляционные режимы работы следующих видов напольной ЭКСО-ТА: 1) типового электропола, оборудованного 3-я нижними кабелями; 2) типового электропола с верхним кабелем; 3) типового электропола с электроконвектором; 4) электропола с увеличенной толщиной бетонного слоя и улучшенной тепловой изоляцией по периметру стен для І-ых этажей производственных цехов, спортзалов и др. Установлено, что при необходимости использования дополнительного дневного отопления для создания комфортных тепловых условий наиболее рациональным является применение электроконвекторов.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований теплового состояния рассматриваемого помещения положены в основу разработанных рекомендаций по выбору типов и энергоэкономичных режимов работы напольной ЭКСО-ТА жилых и общественных зданий для всех температурных зон Украины.

Ключевые слова: энергосбережение, электрическое отопление, аккумуляция тепла, аналитически-численный метод, математическое моделирование, климатический комплекс.

RESUME

Chernyh L.F. Thermal mode of premises by floor energy electro-thermo-accumulation saving heating. - The manuscript.

The dissertation on obtaining of a scientific degree of Dr. Sci. Tech. according to a speciality: 05.23.03 - Ventilation, illumination and thermo-gas supply. The Kyiv national university of Construction and Architecture, Kyiv, 2009.

The purpose of the given dissertation is an improved thermo-physical substantiation of creation of a comfortable microclimate in premises, equipped with floor electro-thermo-accumulation heating, on the basis of which effective floor energy saving electric cable heating systems of thermo-accumulation action (EKSO-TA) were developed. On the basis of the developed advanced physical model of heat exchange process in a premise considering joint action of non-stationary processes of radial heat exchange between a heating panel and protecting structures, convection heat exchange between their surfaces and air of a premise and a heat transfer through external protections at variable temperatures of internal and external air, models of there non-stationary complicated processes are formulated and analytical-settlement method of the solution of non-stationary nonlinear problems of thermal condition of a premise with floor EKSO-TA that take place in the formulated mathematical models.

Experimental investigations were carried out in conditions close to natural. A climatic complex for experimental investigations of thermal state of a premise on any floor of multistory building with floor heating EKSO-TA was created. Recommendations as for the choice of types of energy saving modes of floor EKSO-TA work for residential and public buildings for all temperature zones of Ukraine were worked out.

Key words: energy savings, electroheating, thermo-accumulation, analytical numeral method, mathematical modeling, climatic complex.

Размещено на Allbest.ru