КОЛЛЕКТОРНО-АККУМУЛИРУЮЩАЯ СТЕНКА ДЛЯ ПАССИВНЫХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Эти источники энергии следует рассматривать как существенное средство энергосбережения в ряду других энергосберегающих мер.
Пассивные системы солнечного отопления основаны на сборе энергии солнечного излучения на зачерненных поверхностях, защищенных прозрачным покрытием, их нагреве с последующей передачей тепла теплопроводностью и свободной конвекцией в обогреваемое помещение. В хорошо изолированных зданиях до 50% потребности в теплоте могут удовлетворяться за счет солнечного излучения. При использовании дополнительной теплоты от окружающей среды этот показатель может в зависимости от местоположения здания увеличиться до 90% [9].
За последние годы выполнены многие разработки по созданию новых и улучшению применяемых в строительстве материалов, конструкций и изделий. Использование в строительстве полимерных, композиционных и пористых материалов обеспечивает экономию строительных материалов, снижение массы ограждающих конструкций и трудоемкости работ. Опыт развитых зарубежных стран показывает, что применение полимерных, композиционных и пористых материалов значительно повышает технический уровень строительства.
Одним из наиболее часто встречающихся недостатков конструкции коллекторно- аккумулирующей стенки в проектируемых сооружениях с солнечным теплоснабжением является использование стенки малой аккумулирующей способности при большом ее термическом сопротивлении. Следствием этого становится значительное повышение температуры наружной поверхности стенки, ведущее к увеличению тепловых потерь через остекление [1-3].
Методика расчета и теоретические исследования пассивных систем весьма сложны, что затрудняет обоснованное проектирование сооружений с такими системами. В ряде работ отечественных и зарубежных авторов предлагались математические модели с разной степенью приближения для определения текущих значений искомых параметров. Эти модели весьма сложны и громоздки, так как должны учитывать изменяющиеся внешние условия, теплоусвоение сооружения и условия его теплообмена с внешней средой, теплообмен внутри помещений, условия облучения коллекторно-аккумулирующей стенки и т.п.
В связи с этим практический интерес приобретает задача создания простых аппроксимационных методов расчета интегральных характеристик систем пассивного солнечного отопления сооружений за отопительный сезон в целом, например, такой характеристики, как коэффициент замещения отопительной нагрузки, который определяет как технические, так и экономические показатели таких систем. Коэффициент замещения отопительной нагрузки является сложной функцией как метеорологических условий в месте постройки здания, так и архитектурнопланировочных и конструктивных особенностей постройки пассивной системы солнечного отопления. Отсюда, в частности, следует, что термическое сопротивление ограждений и отопительная нагрузка сооружений должны рассчитываться особенно тщательно с учетом метеорологических особенностей места постройки.
В работе [4] авторами была установлена линейная зависимость среднего значения коэффициента замещения отопительной нагрузки за весь отопительный период от произведения, состоящего из:
1) комплекса относительной среднемесячной осредненной за этот период температуры окружающей среды и температуры внутри объекта;
2) среднемесячной средней за отопительный период суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность Н (данные многолетних наблюдений).
Использованная для расчетов программа основывалась на ряде разработок зарубежных авторов и наиболее полно представлена в [5]. Основные ее достоинства заключаются в том, что она рассчитана на использование осредненных среднемесячных значений метеорологических условий, публикуемых соответствующими службами для различных районов; является универсальной: может быть применена для расчета различных пассивных систем (например, прямой обогрев или сооружение с коллекторно-аккумулирующей стенкой); включает непосредственную или опосредованную связь как с конструктивными особенностями самой системы, так и с архитектурно-строительными изменениями всего сооружения.
Подробно будем рассматривать влияние на систему изменения толщины и теплопроводности коллекторно-аккумулирующей стенки. Следуя электротепловой аналогии (рис.1) и учитывая, что принятая методика относится к квазистационарному приближению с использованием величин, осредненных за месяц, количество тепла, прошедшее через коллекторно-аккумулирующую стенку, можно определить посредством простого уравнения теплового баланса.
Из уравнений (4) следует, что эффективность стенки будет возрастать при увеличении аЕ , уменьшении ах и T3. аЕ будет с повышением при увеличении а2 и уменьшении 5 /Я . На основе этого провели анализ эффективности отопления сооружений с коллекторно- аккумулирующей стенкой из материала с различной теплопроводностью, но с одинаковой плотностью и теплоемкостью. В этом случае для соблюдения подобия или условия одинакового запаздывания тепловой волны, чтобы максимум повышения температуры внутренней поверхности коллекторно-аккумулирующей стенке приходился на определенное время суток, необходимо соблюдать равенство безразмерного времени или критерий Фурье. Это требование относится к долгосрочным осредненным значениям при изменении температуры в стенке в течение суток.
Так как уравнение теплопроводности в безразмерной форме можно записать
Такие приближенные зависимости могут быть получены в случае определения эффективности применения пассивного солнечного отопления в различных климатических условиях и относительной оценки влияния архитектурно-строительных изменений в системе.
Для выполнения условия постоянства произведения плотности на теплоемкость материала стенки, т.е. для анализируемых условий, могут быть рассмотрены различные варианты конструкции коллекторно-аккумулирующей стенки. Например, добавка в основной материал материала с хорошей проводимостью. Вариантом материала для такой стенки с увеличенной теплопроводностью и аккумулирующей способностью (6) является композиция основного вещества бетона с металлическим волокном, проволокой или стружкой. В этом случае расчет эффективной теплопроводности может быть выполнен на основе использования принципа обобщенной проводимости [7,8] в предположении о параллельном соединении проводников тепла через термические сопротивления основного материала и проводников из металла. Как показывают расчеты, выполненные на основе [7,8], незначительная добавка к плохому проводнику тепла металлических волокон сильно увеличивает его теплопроводность и практически не изменяет его объемную теплоемкость. Если принять, что расположение проводников тепла (например, металлическая стружка) в основном материале хаотично и увеличение эффективной теплопроводности происходит одинаково по всем координатам (композиционное вещество как бы изотропно), то для расчетной модели можно представить элемент композиционного материала с расположением всей массы металла по трем координатным осям. В соответствии с этим вдоль одной из координатных осей количество кубических элементов теплопроводного компонента со стороной х в объеме v равняется (/и %f. Если его объем составляет у -ую часть объема композиционного материала, то и можно подсчитать по уравнению: цг -3и/Y + 2/Y = 0 (9).
Откуда эффективная теплопроводность композиционного материала 2,6... 15,62 Вт/м К, что в 3.18 раз превышает теплопроводность основного материала коллекторно- аккумулирующей стенки. Эти цифры соответствуют хаотичному распределению в бетоне материала с высокой теплопроводностью. Для бетона и металла добавка 10% по объему металла увеличивает теплопроводность композиционного материала по крайней мере на порядок. При этом произведение теплоемкости на плотность композиционного материала практически не меняется по сравнению с их произведением для основного материала коллекторно-аккумулирующей стенки.
В заключение можно сделать следующие выводы: эффективным является применение систем отражения и экранирования, которые в летнее время снижают поступление солнечной радиации в сооружение; зимой - в дневное время увеличивают поступление солнечной радиации, а в ночное время снижают теплопотери; наиболее целесообразно использование косвенных или изолированных методов обогрева, с массивными аккумуляторами тепла. При увеличении толщины коллекторно- аккумулирующей стенки снизится температура внутренней поверхности стенки. В этом случае, возможно, имеет смысл интенсифицировать теплоотдачу с внутренней стороны коллекторно-аккумулирующей стенки каким-либо способом(например, увеличением поверхности теплоотдачи - оребрением);
В результате расчетов по осредненным долгосрочным значениям всего потребляемого теплообъекта оказывается выгодным использовать для коллекторно-аккумулирующей стенки более теплопроводный материал. В этом случае уменьшается внешний коэффициент теплопередачи и средняя температура наружной поверхности стенки, что снижает потери в окружающую среду.