НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ

ІМ. А.М.ПІДГОРНОГО

Орлова Наталя Олександрівна

УДК536.24: 697.1

ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ ЗБУРЕНЬ НА ТЕПЛОВІ РЕЖИМИ БУДИНКІВ

05.14.06- технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України

Науковий керівник

Академік НАН України Мацевитий Юрій Михайлович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, директор, завідувач відділу моделювання та ідентифікації теплових процесів

Офіційні опоненти

доктор технічних наук, доцент Кошельник Вадим Михайлович, Національний технічний університет «ХПІ», завідувач кафедри теплотехніки

кандидат технічних наук, доцент Алексахин Олександр Олексійович, Харківська національна академія міського господарства, доцент кафедри теплохолодопостачання

Захист відбудеться 24 квітня 2008 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

Автореферат розісланий 20 березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук |

О.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зниження енергоспоживання для України є однією з найважливіших задач, тому що її забезпеченість власними енергоресурсами на цей час не перевищує 40-45Поряд з цим енергоємність одиниці валового продукту в 2,54 рази перевищує європейський рівень.

Житлово-комунальний комплекс України займає третє місце після металургійної і хімічної промисловості за обсягами споживання енергоносіїв і перше місце - по споживанню тепла. Щоб знизити енергоспоживання в цій сфері, насамперед, необхідно удосконалити методику визначення теплового навантаження і тепловтрат будинків і споруд, для чого потрібно проаналізувати вплив на їх теплові режими температури зовнішнього повітря, швидкості і напрямку вітру.

На цей час при розрахунках теплових режимів будівель не враховується зміна температури зовнішнього повітря, швидкість і напрямок вітру, теплова інерційність та теплоакумуляційна здатність їх зовнішніх огорож і, як наслідок, змінні у часі граничні умови. Це насамперед потребує удосконалення методів визначення теплового навантаження будинків.

Таким чином, тема дисертаційної роботи, що присвячена вивченню впливу зовнішніх збурень на теплові режими будинків, є дуже своєчасною й актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати отримано при виконанні бюджетних тем №10 «Моделювання та ідентифікація процесів тепломасообміну в об'єктах промислового призначення і енергетиці з метою енергозбереження, підвищення надійності та продовження ресурсу» (2000-2004 рр., № держреєстрації 0100U004810), №50 «Розробка наукових основ енергозберігаючих технологій в енергетиці, машинобудуванні та приладобудуванні на основі моделювання, ідентифікації та оптимізації теплових процесів» (2005-2009 рр., № держреєстрації 0105U002642), розробці програми «Розвиток і реформування житлово-комунального господарства м. Харкова на 2003-2010 рр.», прийнятої рішенням XIV сесії Харківської міської ради від 26.06.2003 р. №145/03. В цих роботах автор був виконавцем окремих розділів.

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є аналіз впливів зовнішніх збурень на теплові режими будинків для удосконалення методики визначення їх теплового навантаження і тепловтрат, а також забезпечення раціональних теплових режимів.

Досягнення цієї мети пов’язано з розв’язанням таких задач:

· аналіз зміни швидкості і напрямку вітру, температури зовнішнього повітря;

· експериментальне дослідження натікання повітряного потоку на зовнішню поверхню огороджувальної конструкції;

· визначення граничних умов на стінових і світопрозорих поверхнях будинків з урахуванням зміни швидкості повітряного потоку і кута його натікання;

· удосконалення методики визначення теплового навантаження будинків.

Об’єкт дослідження – теплові режими споруд та теплових систем при змінних параметрах навколишнього середовища.

Предмет дослідження – умови теплообміну при натіканні повітряного потоку на об’єкти та їх вплив на теплові режими будівельних конструкцій.

Методи дослідження – розрахунково-експериментальний метод дослідження теплових режимів будинків.

Наукова новизна одержаних результатів:

· удосконалено математичну модель теплових режимів приміщень, яка відрізняється тим, що враховується змінa зовнішніх збурень на визначеному часовому інтервалі;

· вперше отримано кореляційний зв'язок між аеродинамічним коефіцієнтом і коефіцієнтом тепловіддачі в області гальмування потоку на навітряній поверхні будинків;

· вперше визначено коефіцієнт тепловіддачі в області відриву повітряного потоку від зовнішніх поверхонь бокових стін будинку;

· вперше визначено коефіцієнт теплопередачі через світопрозорі огорожі з урахуванням зміни швидкості і напрямку вітру;

· удосконалена методика визначення теплового навантаження будинків і споруд, яка відрізняється тим, що враховуються нестаціонарні режими огороджувальних конструкцій;

· запропоновано конструктивний утеплювач оригінальної конструкції.

Практичне значення отриманих результатів. Використання результатів дисертаційного дослідження дозволяє визначити теплове навантаження будинків з урахуванням зміни зовнішніх збурень, а також їх орієнтації по сторонах світу. Результати робот використані в учбовому процесі кафедр експлуатації газових і теплових систем та електропостачання міст Харківської національної академії міського господарства при підготовці інженерних кадрів по напрямкам: 0921 - Будівництво з спеціальності теплогазопостачання і вентиляція; 0906 - Електротехніка з спеціальності 6.09.0603 - електротехніка систем електроспоживання (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 23.11.2007).

Особистий внесок здобувача. Автор особисто у роботі [1] провела розрахунок теплового навантаження житлових будинків при модернізації огороджувальних конструкцій. У роботі [2] брала участь у розробці рекомендацій щодо розвитку ТЕЦ в залежності від стану житлового фонду. У роботі [3] дослідила потенціал енергозбереження для різних варіантів модернізації житлових будинків. У роботі [4] згідно з ISO 7730 розрахувала система вентиляції з рекуперацією і поверненням % тепла, а також переривчасте вентилювання житлових приміщень. У роботі [5] проаналізувала основні методики для оцінки енергоефективності житлових будинків та запропонувала критерій енергоефектиності. У роботі [6] проаналізувала способи забезпечення теплових режимів будинку, в результаті чого запропонувала методи забезпечення комфортних умов в приміщеннях житлових будинків. У роботі [7] дослідила зміни температури зовнішнього повітря на протязі чотирьох опалювальних сезонів і визначила тривалість часового інтервалу цієї зміни. Автор при підготовці роботи [8] брала участь у експериментальному дослідженні теплообміну на зовнішніх поверхнях огороджувальних конструкцій, в результаті чого визначено залежність коефіцієнтів тепловіддачі від аеродинамічних коефіцієнтів. У роботі [9] удосконалила математичну модель теплових режимів приміщень з урахуванням зміни зовнішніх збурень. Автор у роботі [10] брала участь у дослідженні коефіцієнтів тепловіддачі на боковій і завітряній сторонах будинку, а також на навітряній стороні в області гальмування потоку і градієнтної течії .

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідалися на: II  міжнародній науково-технічній конференції «Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання» (м. Харків, 2003 р.), V  Мінському міжнародному форумі «Тепло- і масообмін» (м. Мінськ, 2004 р.), І міжнародній науково-практичній конференції «Устойчивое развитие городов. Приорететы устойчивого развития крупных городов» (м. Харків, 2004 р.), III і IV міжнародних конференціях «Проблеми промислової теплотехніки» (м. Київ, 2003 р., 2005 р.), V Міжнародній науково-практичній конференції «Стійкий розвиток міст. Інновації житлово-комунального комплексу» (м. Москва,   р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 наукових праць у спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАКу.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літературних джерел, що включає 92 найменування. Загальний обсяг дисертації становить 155 сторінок, з них 132 сторінок основного тексту, 16 таблиць і 44 рисунки, 8 сторінок списку літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано сучасний стан проблеми, обґрунтовано актуальність, сформульовано мету й основні задачі дослідження, показано наукову новизну отриманих результатів, їхнє практичне значення і зв'язок з науковими програмами.

В першому розділі проаналізовано основні проблеми і перспективи енергозбереження в житлово-комунальному господарстві України.

Аналіз метеопараметрів, процесів теплопереносу в будинках і методів їх дослідження показав, що існуючі моделі мають похибки, котрі виникають в наслідок неточності задання граничних умов. В свою чергу експериментальні дослідження не повно описують натікання необмеженого повітряного потоку на будинок.

Для підвищення достовірності визначення теплофізичних характеристик стін будинків та теплового навантаження необхідно одержати на підставі розрахунково-експериментального підходу аналітичні залежності.

У другому розділі проаналізовано характеристики вітрового навантаження в районах різноповерхової забудови. В результаті на підставі аналізу зміни зовнішніх збурень протягом опалювальних сезонів м. Харкова 2001-2002, 2002-2003, 2003-2004 р р. визначена тривалість часового інтервалу цієї зміни, яка дорівнює 12 годинам.

При натіканні потоку повітря на поверхню структура його течії істотно змінюється залежно від швидкості вітру, його напрямку, розташування поверхні (навітряна, бокова чи завітряна). Умови обтікання будинку, який знаходиться серед висотних і низьких споруд значно відрізняються від умов обтікання одиночної споруди. Тому необхідно знайти параметри, що є визначальними при розрахунку граничних умов на поверхнях зовнішніх огорож.

У приземній області, тобто в стометровій зоні над поверхнею землі, розглянута двовимірна модель турбулентної течії в’язкої рідини у вертикальній площині при зміні швидкості вітру по висоті h, яка характеризується степеневим законом Daniels K. The Technology of Ecological Building. - Birkhauser. - 1997.- 89

, (1)

де U0 - швидкість вітру на висоті h0; h0 - висота флюгера метеостанції; n – показник степеня, що залежить від типу місцевості, для якої розраховується швидкість ; n0 – показник степеня, що залежить від типу місцевості, на якій розташований флюгер метеостанції; п.ш. – товщина прикордонного шару.

За результатами аналізу характеристик вітрового навантаження в районах різноповерхової забудови отримано рівняння, що характеризують зміну швидкості вітру в залежності від розташування будинків.

Використовуючи дослідження фізичних процесів теплообміну при натіканні імпактних струменів на поверхню, визначена пульсаційна складова швидкості U як

. (2)

Початок опалювального сезону зв'язаний з процесом остигання будинку, що відбувається в результаті впливу параметрів зовнішнього середовища (температура зовнішнього повітря, швидкість і напрямок вітру). Для відновлення теплової рівноваги необхідно виробити відповідний регулюючий імпульс з урахуванням зміни зовнішніх впливів. Відновивши теплову рівновагу в приміщенні, потрібно підтримувати температуру внутрішнього повітря на заданому рівні, змінюючи температуру нагрівального елементу. Таким чином, вихідними параметрами забезпечення теплових режимів приміщень повинні бути:

·

·

При розробці математичної моделі теплових режимів приміщень з урахуванням зовнішніх збурень прийняті такі припущення:

· нестаціонарний процес передачі тепла через зовнішні огорожі розглядався як процес, що складається з процесів остигання і нагрівання приміщення;

· теплові втрати через внутрішні стіни відсутні;

· температура зовнішнього повітря змінюється в часі;

· температурне поле зовнішньої стіни одновимірне;

· теплоємність зовнішніх стін значно більша, ніж теплоємність засклення;

· променистий теплообмін заміняється еквівалентним йому конвекційним.

Математична модель теплових режимів приміщень описується системою рівнянь, що включає:

·

(3)

де - відповідно теплоємність і маса j-го елемента внутрішнього огородження, Fн.е - площа поверхні нагрівального елемента; Fст - площа зовнішньої стіни, Fвік - площа вікон, н.е, в - коефіцієнт тепловіддачі на поверхні нагрівального елемента і на внутрішній поверхні зовнішньої стіни, tн.е - температура нагрівального елемента, tв(),- температура внутрішнього повітря, tз - температура зовнішнього повітря, t(0,)- температура на внутрішній поверхні зовнішньої стіни, kвік - коефіцієнт теплопередачі через вікна; Qп - тепловтрати через перекриття;

·

(4)

·

(5)

де з – коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні стіни; - товщина зовнішньої стіни, t(, ) - температура на зовнішній поверхні стіни;

·

. (6)

За результатами розв’язання системи рівнянь (3)-(6) для температури внутрішнього повітря, що змінюється в часі (tв(ф)=var), і температури нагрівального елемента, що є сталою на обраному інтервалі часу (tн.е=const) одержуємо:

·

(7),

ki визначається з характеристичного рівняння

(8)

де i=ki, ; ;

·

, (9)

де ср і - теплоємність і густина повітря відповідно.

При постійній температурі внутрішнього повітря (tв=const) у результаті спільного розв’язання рівнянь (3)-(6) отримаємо:

·

, (10)

де Qвент - тепловтрати з повітрям, що витікає через вентиляційні канали та в результаті інфільтрації; мi визначається з характеристичного рівняння

, (11)

·

,

де ; s=t(0,0) - t(0,); c=t(,)-t(,0); .

Запропонована математична модель теплових режимів приміщень відрізняється від запропонованої раніш А.Ф. Строєм Строй А.Ф. Управление тепловым режимом зданий и сооружений. – К.: Высш. шк.,1993.– 155с. тим, що урахована різниця між температурами внутрішньої та зовнішньої поверхні стіни.

В третьому розділі представлена методика визначення граничних умов на поверхнях будинків залежно від зміни зовнішніх збурень: температури зовнішнього повітря, швидкості повітряного потоку і кута його натікання.

Режим обтікання будинку вітровим потоком зв'язаний зі станом атмосфери і процесами переміщення повітря навколо його поверхонь з утворенням: на навітряній стороні - області загальмованого потоку, де швидкість його руху близька до швидкості градієнтної течії, викликаної поворотом повітряного потоку при обтіканні кутів будівлі; на боковій і завітряній сторонах - вихрових відривних зон і області аеродинамічного сліду (рис. 1).

Для встановлення критеріальних рівнянь, що визначають умови теплообміну, проведені модельні випробування, які дозволили знайти зв'язок коефіцієнта тепловіддачі зі швидкістю і напрямком вітрового потоку. Експериментальна модель являла собою плоску дреновану пластину, на котру натікав під різними кутами повітряний струмінь різної ширини.

За результатами проведеного експерименту встановлений зв'язок коефіцієнта тепловіддачі (КТВ) в області гальмування потоку з пульсаційною складовою швидкості вітру, котра визначалася в зоні незбуреної течії.

Товщина прикордонного шару (х*) на площині навітряної стіни в місці переходу від градієнтної течії до безградієнтної була визначена в результаті розв’язання рівняння збереження імпульсу для двовимірного прикордонного шару з урахуванням результатів експерименту, отриманих при натіканні рівномірного потоку на пластину

, (12)

Рис. 1. Схема натікання повітряного потоку на будинок (Uвідр - швидкість потоку на границі області відриву; хг - ширина області гальмування; х* - ширина області градієнтної течії).

де U* – швидкість повітря на границі прикордонного шару в області градієнтної течії, яка дорівнює швидкості на висоті h0, U*=U0; - кінематична в'язкість.

Таким чином, отримано розмір області градієнтної течії на поверхні

(13)

Аналіз зміни аеродинамічних коефіцієнтів на зовнішніх поверхнях будинків, отриманих С.Г. Кузнєцовим Кузнецов С.Г. Формирование территории застройки с учетом аэродинамических характеристик высотного здания. Дис.канд.техн. наук: .23.01. - ДГАСА, Макеевка, 1999.-199с. та результатів проведених нами модельних випробувань на поверхнях експериментальних пластин показав, що в дослідженнях теплообміну при обтіканні повітряним потоком стін будинків можна використовувати аеродинамічні коефіцієнти, отримані на поверхнях пластин.

Розподіл КТВ по довжині пластини, отриманий експериментально, дозволяє визначити його максимальне значення при натіканні течії на поверхню. На основі проведених досліджень отримано дві області зміни в залежності від

при 6,5 м/с =23,85 (14)

при 6,5 м/с =155+16,17( -6,5), (15)

де - коефіцієнт тепловіддачі в області гальмування.

Для визначення на поверхні стін будинків практичне значення має залежність (14).

Для області градієнтної течії середнє значення коефіцієнта тепловіддачі визначається залежністю

=0,708 . (16)

Для визначення розмірів області відриву, що формується на боковій поверхні будинку при натіканні імпактного повітряного потоку на його навітряну поверхню, отримане рівняння

, (17)

де hвідр - висота області відриву.

Швидкість повітря на границі переходу основного повітряного потоку до області відриву визначається за формулою

Uвідр=1,41·U0. (18)

З урахуванням форми відриву, знайдених висоти області відриву hвідр (17) та швидкості течії на границі переходу основного повітряного потоку до області відриву (18), а також на підставі досліджень Р.Б. Шляжаса Шляжас Р. Б. Турбулентный перенос импульса и тепла в пограничном слое за препятствием/автореф. к. к.т.н.:/ Ин-т ФТПЭ. - Каунас., 1982. – 17с., встановлено коефіцієнт тепловіддачі на боковій поверхні будинку

при , (19)

при , (20)

при , (21)

де ; y – координата вздовж бокової стіни.

Результати досліджень H.H. Соджина, П.Д. Буркхарда, А.А. Ричардсона Sogin H.H., Burkhard., Richardson P. D. Heat Transfer in Separated Flow, Part I: Preliminary Experiments on Heat Transfer from an Infinite. Blurt Plate to an Air Stream, ARL 4, Brown University, Jan 1961 -  p., зв'язаних з обтіканням в аеродинамічній трубі пластини, розташованої перпендикулярно до потоку, використовувались для визначення КТВ на завітряній стороні будинку. У цьому випадку

, (22)

де L - довжина будинку.

В четвертому розділі на підставі наведених вище моделі теплових режимів приміщень і методики визначення граничних умов на зовнішніх поверхнях будинків удосконалена методика визначення їх теплового навантаження з урахуванням зміни параметрів навколишнього середовища.

Удосконалена методика апробована на прикладі панельного житлового будинку, для якого коефіцієнт тепловіддачі на внутрішній поверхні зовнішньої стіни приймався в=7,3 Вт/(м2К), товщина стіни =0,35 м теплопровідність =0,37 Вт/(м2К), tв=21,5 0С. Коефіцієнти тепловіддачі на зовнішній поверхні стіни і сумарне теплове навантаження визначалися для будинку типової серії I-464А. Тривалість часового інтервалу зміни температури зовнішнього повітря 12 годин (2 інтервали протягом доби: у першому інтервалі tз=   0С, у другому tз=   0С), U0=5 м/с, кут натікання повітряного потоку 900.

Зміна температури нагрівального елемента розраховується згідно з рівнянням (10).

Для визначення коефіцієнта тепловіддачі на навітряній стороні будинку обчислювався розмір області градієнтної течії, яка, згідно з (13), дорівнює х*=7,6 м. Отже, при довжині будинку 52,5 м ширина області гальмування складе хг=37,3 м.

Оскільки, згідно з (2), <6,5 м/с, коефіцієнт тепловіддачі в області гальмування потоку визначається виразом (14)

Коефіцієнт тепловіддачі в області градієнтної течії обчислюється з урахуванням (16) і має вигляд

.

Коефіцієнт тепловіддачі на боковій поверхні будинку визначається з урахуванням висоти відривної області hвідр, яка, виходячи з рівняння (17), дорівнює hвідр =0,434Н0. Згідно з експериментальними даними С.Г. Кузнєцова Н0=10 м, тобто hвідр=4,34 м. При ширині будинку y=11,95 м, відношення , тобто коефіцієнт тепловіддачі на боковій поверхні будинку розраховується за виразом (19) з урахуванням формули (18), а саме

.

На завітряній стороні будинку коефіцієнт тепловіддачі визначається залежністю (22).

Знайдені значення коефіцієнтів тепловіддачі на зовнішній поверхні стін будинку дозволяють обчислити коефіцієнт теплопередачі для елементів будинку.

Передача тепла через вікна здійснюється теплопровідністю, випромінюванням і конвекцією. Коефіцієнт теплопередачі вікна

, (23)

де термічний опір: на внутрішній поверхні засклення, самого скла, повітряного прошарку і на зовнішній поверхні засклення відповідно.

Коефіцієнт конвекційної тепловіддачі в повітряному прошарку світлопрозорої огорожі має вигляд

,

де t1, t2, - температура на внутрішній і зовнішній поверхнях світлопрозорої огороджі, відповідно; lзаскл - ширина її повітряного прошарку.

Для радіаційного потоку, що проходить через віконний проріз, р визначається рівнянням

р=4,548+2,2510-2 t2, (24)

де t2 - температура зовнішнього скла.

Температура t2 у (24) приймається такою, що дорівнює температурі зовнішнього повітря, отже при tз=  0С р=4,098 Вт/(м2 С), при tз=  0С р=4,398 Вт/(м2 С),

Коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні світлопрозорої огорожі

(25)

чи з урахуванням (18)

Для навітряної сторони приймається з урахуванням зміни швидкості вітру по висоті ( = ); тобто

. (26)

Значення коефіцієнту тепловіддачі на зовнішніх стінах будинку наведено на рис. .

Рис.2. Розподіл коефіцієнта тепловіддачі на зовнішніх стінах будинку.

Кількість тепла, яка необхідна, щоб нагріти повітря в приміщенні для компенсації його остигання, обумовленого надходженням холодного повітря, зображається залежністю

(27)

у який перепад тиску визначається, як

, (28)

де hпов – висота розташування приміщення в будинку; - густина зовнішнього і внутрішнього повітря.

З урахуванням (28) залежність (27) для квартир, що знаходяться на навітряній стороні, перетвориться в

,

а для квартир, що знаходяться на боковій і завітряній сторонах, - в

,

де Wв.к - витрата повітря в каналі витяжної вентиляції.

У результаті проведеного розрахунку для будинку типової серії I-464-А виявлено, що на навітряній стороні будинку спостерігається недоотоплення приміщень у середньому на 3-6 0С с урахуванням зростання температури нагрівального елемента по висоті будинку по-поверхово, починаючи з другого поверху, приблизно на 2,5-3 0С, рис. 3. При цьому, на завітряній стороні будинку спостерігається переотоплення у середньому на 5-8 0С. Проведений розрахунок показав, що для забезпечення комфортних умов у житлових будинках необхідно керувати тепловим режимом у кожному приміщенні.

Рис.3. Розподіл температури нагрівального елементу в приміщеннях будинку I-464-А при tз=-15 0С.

Сумарне теплове навантаження системи опалення будинку типової серії I-464А розраховане за допомогою наведеної методики, відрізняється від теплового навантаження, отриманого згідно ДСТУ II-3.-79** на 234 кВтг за добу.

Практична реалізація запропонованої методики визначення теплового навантаження дозволяє більш точно розрахувати кількість тепла для потреб системи опалення і таким чином більш ефективно забезпечувати тепловий режим приміщень. При цьому забезпечуються комфортні умови для всіх приміщень будинку, тобто виключається можливість недоотоплення приміщень першого й останнього поверхів, приміщень, розташованих з навітряної сторони будинку, а також перетоотоплення приміщень, розташованих на завітряній стороні.

У процесі розробки енергозберігаючих заходів в будинках запропоновано конструкцію утеплювача (конструктивний утеплювач), у якому основний термічний опір забезпечує нерухоме повітря. Конструктивний утеплювач виконаний у вигляді набору комірок, сформованих перегородками (рис.4).

Розміри конструктивного утеплювача вибрані таким чином, щоб у них практично не виникала природна конвекція (зокрема в комірках). Довжина комірки b відноситься до її висоти Н, як 1:3. При цьому для числа Релея Ra=104 і =1,226 довжина комірки визначається з виразу

(29)

Рис.4. Конструктивний утеплювач

Підставивши в (31) g=9,81 м/с2, Pr=0,71, н=12,86·10-6 м2/c, для середньої температури повітря в комірці Т=263,15 К одержимо

.

Довжина конструктивного утеплювача В складає 0,6 м, а товщина перегородок може змінюватись від 0,2 до 0,5  мм.

Для порівняння потенціалу енергозбереження при модернізації будинків за допомогою традиційних технологій і конструктивного утеплювача виконувалось розрахункове дослідження для житлових будинків загальною житловою площею 278,810 тис. м2.

Енергоспоживання в розглянутому тепловому мікрорайоні у випадку модернізації зовнішніх огороджуючих конструкцій за традиційною технологією в цілому може знизитися на 19,32 ГВтг/рік, що відповідає зниженню споживання природного газу на 2,027 млн. м3 у рік, а при використанні конструктивного утеплювача потенціал енергозбереження складає 31,38  ГВтг/рік, що відповідає зниженню споживання природного газу на 3,29 млн.м3, тобто на 1,263 млн. м3 природного газу у рік менше, ніж при застосуванні традиційних технологій модернізації зовнішніх огороджуючих конструкцій.

Таким чином, у випадку проведення модернізації зовнішніх огороджуючих конструкцій із залученням конструктивного утеплювача енергоспоживання в житлових будинках м. Харкова загальною житловою площею 17 млн. м2 може знизитися приблизно на 883,85 ГВтг/рік, або на 92,8 млн. м3 природного газу. Якщо провести модернізацію зовнішніх огороджуючих конструкцій із залученням конструктивного утеплювача і системи вентиляції (пропонується система вентиляції з рекуперацією і поверненням % тепла, а також переривчасте вентилювання житлових приміщень згідно з ISO 7730), енергозбереження складе ГВт.г/рік, що відповідає зниженню споживання природного газу на 120,64 млн. м3 .

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ
ДИСЕРТАЦІЇ

1. Маляренко В.А., Орлова Н.А. Модернизация ограждающих конструкций зданий с учетом современных требований к энергосбережению//Коммунальное хозяйство городов.-2003. - №49 - С.300-307.

2. Голощапов В.Н., Орлова Н.А. Развитие ТЭЦ в зависимости от состояния жилого фонда//Энергетика и электрификация. - 2003 - № 3- С.19-22

3. Маляренко В.А., Орлова Н.А. Энергосберегающий потенциал в жилом фонде города Харькова// Інтегровані технології та енергозбереження. - 2003. - №4 - С.36-41.

4. Маляренко В.А., Орлова Н.А. Анализ критерия энергоэффективности зданий и сооружений.//Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004 - №2 - С.43-47.

5. Маляренко В.А., Орлова Н.А. Организация воздухообмена в жилых зданиях и энергосбережение//Інтегровані технології та енергозбереження.- 2004 - №3 - С.13-21.

6. Голощапов В.Н., Орлова Н.А. Рациональная система управления тепловым режимом здания (как один из факторов энергосбережения)//Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. –2005. - №8. – С.18-26.

7. Голощапов В.Н., Орлова Н.А. Выбор временного интервала изменения температуры наружного воздуха для системы управления отпуском тепла на ТЭЦ.//Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. –2005. - №4. – С.58-62.

8. Маляренко В.А., Голощапов В.Н., Орлова Н.А. Условия однозначности в задачах управления тепловым режимом зданий //Коммунальное хозяйство городов. 2006. - №74. - С.344-349.

9. Маляренко В.А., Голощапов В.Н., Орлова Н.А. Моделирование теплообмена на наружных поверхностях ограждающих конструкций зданий.//Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. - 2006. - №10. - С.8-17.

10. Маляренко В.А., Голощапов В.Н., Орлова Н.А. Тепловые режимы зданий основа эффективного управления системой теплоснабжения//Энергосбережение Энергетика Энергоаудит. - 2006. - №11. - С.10-15.

АНОТАЦІЯ

Орлова Н.О. Вплив зовнішніх збурень на теплові режими будинків.  – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. – Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, м. Харків, 2008.

Дисертація присвячена удосконалюванню методів визначення теплового навантаження будинків з урахуванням зміни зовнішніх збурень.

Аналіз основних проблем і перспектив розвитку житлово-комунального господарства показав необхідність удосконалення методики визначення теплового навантаження будинків.

Удосконалено математичну модель теплових режимів приміщень, яка описується системою рівнянь, що включає: рівняння нестаціонарного теплового балансу, рівняння нестаціонарної теплопровідності зовнішньої стіни, граничні умови на її внутрішній і зовнішній поверхнях, початкові умови.

Виконано експериментальне дослідження і встановлено основні закономірності формування аеродинамічних коефіцієнтів і коефіцієнтів тепловіддачі. Визначено ширину області градієнтної течії. Встановлено взаємозв'язок аеродинамічних коефіцієнтів і коефіцієнтів тепловіддачі на навітряній стороні будинку. У результаті спільного розв’язання рівнянь збереження імпульсу, маси й енергії визначена висота області відривної течії та коефіцієнт тепловіддачі на боковій і завітряній стороні будинку.

На основі аналізу променистої і конвекційної складових теплообміну у світлопрозорих огородженнях визначено коефіцієнт теплопередачі в залежності від поверховості, швидкості і напрямку вітру.

В результаті удосконалено методику визначення теплового навантаження будинків.

Ключові слова: будинок, теплопостачання, граничні умови, коефіцієнт тепловіддачі, швидкість вітру, аеродинамічний коефіцієнт, підвищення енергоефективності.

АННОТАЦИЯ

Орлова Н.А. Влияние внешних возмущений на тепловые режимы зданий.  – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. – Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, г. Харьков, 2008.

Диссертация посвящена совершенствованию методов определения тепловой нагрузки зданий с учетом изменения внешних воздействий.

Анализ основных проблем и перспектив развития жилищно-коммунального хозяйства показал необходимость усовершенствования методики определения тепловой нагрузки зданий, которая позволяла бы более эффективно обеспечивать тепловые режимы зданий.

В результате анализа характеристик воздушного потока принят степенной закон изменения скорости ветра и определена пульсационная составляющая скорости ветра в результате решения уравнения сохранения импульса при описании распределения скорости ветра по высоте степенной зависимостью.

Усовершенствованная математическая модель тепловых режимов помещений представляет собой систему уравнений, которая включает: уравнение нестационарного теплового баланса, уравнение нестационарной теплопроводности наружной стены, граничные условия на ее внутренней и наружной поверхности, начальные условия.

Выполнено экспериментальное исследование и установлены основные закономерности формирования аэродинамических коэффициентов и коэффициентов теплоотдачи. Определена ширина области градиентного течения. Установлена взаимосвязь аэродинамических коэффициентов и коэффициентов теплоотдачи на наветренной стороне здания. В результате анализа изменения коэффициентов теплоотдачи на поверхностях стен здания получена их корреляционная связь со средней скоростью воздушного потока, перпендикулярно натекающего на стену здания. Рассмотрено условие формирования течения воздушного потока на боковой поверхности здания. Получено выражение для расчета высоты области отрывного течения на боковой стороне здания. Исследованы условия теплообмена на поверхностях с отрывным течением, в результате чего определены коэффициенты теплоотдачи на боковой и заветренной стороне здания.

На основе анализа лучистой и конвективной составляющих сложного теплообмена в воздушных прослойках светопрозрачных ограждений определен приведенный коэффициент теплопередачи. Получены корреляционные зависимости коэффициента теплопередачи светопрозрачных ограждений от этажности, скорости и направления ветра, а также области натекания потока.

Предложен конструктивный утеплитель с вентилируемой воздушной прослойкой для снижения влияния коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности ограждения, применение которого позволяет снизить тепловые потери в зданиях на 35-40.

Рассмотрены пути корректировки тепловых режимов зданий.

Ключевые слова: здание, теплоснабжение, граничные условия, коэффициент теплоотдачи, скорость ветра, аэродинамический коэффициент, повышение энергоэффективности.

ANNotation

Orlova N.A. The impact of external influences on the heating rates of buildings. -- Manuscript.

The thesis for degree of candidate of technical sciences in specialty 05.14.06 – technical and thermal physics and industrial heat power engineering. – A.M.’s Institute for the Problems in Machinery of NAS of Ukraine. Kharkiv, 2008.

The thesis deals with improving the methods for determining the thermal load of buildings, taking into account changes occurred in external influences.

The analysis of main problems and outlooks of the development in housing and communal services has shown the necessity to improve the methodology for calculation of the thermal load of building that would provide the better heating rates of buildings.

The analysis of wind flow characteristics is resulted in statement of power-behaved dependence of airspeed change on building height as well as in definition of pulse velocity component.

The improved mathematical model of housing heating rate is the system of equations included non-stationary thermal balance equation, the non-stationary thermal conductivity equation for exterior wall, the boundary conditions on its interior and exterior surfaces, the initial conditions.

The experimental investigation is carried out, and the basic dependences for forming the aerodynamic coefficients and the heat-transfer coefficients are stated. The width of gradient current area is defined. The interdependence of aerodynamic coefficients and heat-transfer coefficients on the windward side of the building is stated. As the result of analysis of the heat-transfer coefficients changes on the surfaces of building walls, their correlative connection with the average speed of air current accumulating athwart on a building wall is taken. The condition for forming the flow of air current on the lateral surface of building is considered. Expression for the calculation of the area height of separation flow on the lateral side of building is taken. The conditions of heat exchange on the surfaces with separation flow are investigated. As a result, the heat-transfer coefficients on the lateral and leeward sides of buildings are determined.

On the basis of analysis of radiant and convective constituents of heat-transfer in windows, the heat-transfer coefficients are determined with dependence on the superficiality, speed and direction of wind. Thus, the method for determination of the thermal load of building is improved.

Keywords: building, heat supply, boundary conditions, the heat coefficient, wind speed, aerodynamic coefficient, increase of energy efficiency.

Формат видання 145215. Формат паперу 6090/16.

Папір ксерокс ний 80 г/м2. Друк різографія.

Обсяг 0.9 авт. арк.

Тираж 100 примірників. Замовлення № 03/08

__________________________________________________________________

Комп’ютерно-копіювальний центр «МіФ». 61022, м. Харків, пр. Правди, 10, к. 40.