Рис. 1
Рис. 2
Температура воздуха в помещениях зданий оборудованных индивидуальными системами теплоснабжения может колебаться в пределах 3–5 °C как из-за тепловой инерционности здания и системы отопления, так и настройки системы автоматики источника теплоты, также обладающей определенной инерционностью. Максимальное потребление энергии происходит в дневное время, когда устанавливается температура, комфортная для жильцов — как правило, в пределах 22–23 °C. В ночное время рекомендуется снижать температуру в помещении до санитарно-гигиенической нормы в 18 °C. В этих случаях для экономии потребление энергии на отопление целесообразно использовать аккумуляторы теплоты с фазовым переходом [1–3]. Наибольшее распространение для аккумулирования теплоты получили теплоаккумулирующие материалы на основе парафинов с температурой фазового перехода 18–23 °C [2]. Теплоаккумулирующие материалы могут быть использованы в виде чистого вещества и в микрокапсулах, входящих в состав строительных материалов.
Температура воздуха в помещении Tв определялась в результате решения уравнение теплового баланса:
где cв, ρв — теплоемкость и плотность воздуха; Vп — объем помещения; Fок, Fi — площадь окон и ограждений; TFi, TR — температура внутренней поверхности ограждения и радиационная температура помещения; αвi — коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности ограждений; αлуч — эквивалентный коэффициент лучистого теплообмена; kок — коэффициент теплопередачи окна.
Температура ограждений (в которые входят такие элементы конструкции, как наружная стена, перекрытия, межквартирные и межкомнатные перегородки) вычислялась решением задачи теплопроводности, включающей следующее уравнение теплопроводности:
и также граничные условия для наружной стены:
а также включающей граничные условия для перегородок:
здесь Tн — температура наружного воздуха; αн — коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности стены. Перенос теплоты в слое теплоаккумулирующего материала решается как задача Стефана:
где λтв, λж, (cρ)тв, (cρ)ж — коэффициенты теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность теплоаккумулирующего материала в твердом и жидком состоянии; Tф, qф — температура и теплота фазового перехода; δ — толщина ограждения; δас — толщина теплоаккумулирующего слоя.
Коэффициент теплоотдачи αн определялся по рекомендациям Свода Правил 23-101–2000, а коэффициенты теплоотдачи αвi и αлуч, в соответствие с материалом [4], по температуре поверхности ограждения. В качестве начальных условий принято распределение температуры в ограждениях, соответствующее стационарному тепловому режиму.
Аккумулирующий материал принят на основе парафина со следующими характеристиками: температура плавления Tф = 20,12 °С; плотность жидкой фазы ρж = 770 кг/м3; плотность твердой фазы ρтв = 900 кг/м3; теплоемкость жидкой фазы cж = 3,04 кДж/(кг⋅°С); теплоемкость твердой фазы cтв = 2,91 кДж/ (кг⋅°С); теплопроводность жидкой фазы λж = 0,21 Вт/(м⋅°С); теплопроводность твердой фазы λтв = 0,3 Вт/(м⋅°С). В зоне фазового перехода теплофизические характеристики вычисляются с учетом доли жидкой и твердой фазы [3].
Наружная стена — трехслойная [первый слой (внутренний) из теплоаккумулирующего материала; второй слой — утеплитель толщиной 250 мм теплопроводностью 0,06 Вт/(м⋅°С); третий слой из кирпича толщиной 510 мм]. Объем помещения 37,5 м3, размерами высота 2,5 м, ширина 3 м, длина 5 м. Толщина слоя с теплоаккумулирующим материалом принималась 100 мм.
На рис. 1 приведены графики изменения температуры внутренней поверхности и температуры воздуха в помещении с источником теплоты мощностью 500 Вт/м2. При начальной температуре внутреннего воздуха 22,7 °C был отключен источник теплоты в помещении. В течение 0,4 часа температура поверхности снизилась до температуры фазового перехода и в течении 1,6 часа оставалась постоянной до полного перехода жидкой фазы в твердое состояние. Температура воздуха при этом снижалась. Затем наступали фаза остывания помещения в режиме регулярного теплообмена. Температура поверхности была снижена до 16 °C. После включения системы отопления с мощностью q = 500 Вт/м2, температура поверхности стены начала увеличиваться до температуры фазового перехода. С этого момента началось плавление теплоаккумулирующего материала. После завершения перехода твердой фазы в жидкую система отопления была отключена, и температура в помещении поддерживалась за счет теплоты фазового перехода в теплоаккумулирующем материале и теплоаккумулирующей способности перекрытий и внутриквартирных перегородок помещения. Общий период цикла «нагрев–охлаждение» со стабильной температурой внутренней поверхности стены составил 6,8 часа. При этом изменение температуры воздуха в помещении не превысило 1 °C. На данном графике видно, что температура воздуха повторяет изменение температуры поверхности.
На рис. 2 показано снижение температуры воздуха в помещении при различной толщине теплоаккумулирующего материала. Время фазового перехода для теплоаккумулирующего слоя толщиной 10 мм составляет восемь минут, для слоя толщиной 50 мм — 41 минуту, для слоя толщиной 100 мм — 1,15 часа. По результатам вычислений видно, что время процесса фазового перехода не пропорционально толщине слоя. Соответственно, и время сохранения комфортной температуры воздуха в помещении также будет не пропорционально толщине теплоаккумулирующего слоя (рис. 2). Объясняется это тем, что теплота фазового перехода частично идет на поддержание постоянного значения температуры поверхности стены на уровне Tф, а частично отводится через внешние слои ограждения наружу. Термическое сопротивление участка стены от границы фазового перехода до наружной поверхности изменяется во времени из-за движения границы фазового перехода, что сказывается на величине теплового потока, отводимого из стены наружному воздуху, а, следовательно, и на величине временного интервала с постоянной температурой внутренней поверхности стены.
Таким образом, применение теплоаккумулирующих материалов в конструкции ограждений при периодической работе системы отопления сохраняет более продолжительное время температуру внутреннего воздуха помещения в допустимых пределах, увеличивая время комфортного пребывания человека в данных условиях. Применение теплоаккумулирующих материалов также дает возможность уменьшить потребление энергии для нагрева (охлаждения), а также эффективно использовании низкотемпературных источников энергии (солнечная энергия, тепловые насосы).
- Серов С.Ф., Дегтярев Н.С. Системы аккумуляции теплоты в системах теплоснабжения индивидуальных домов // Промышленное и гражданское строительство, №10/2010.
- Gluck Bernd. Dynamisches Raummodell zur warmetechnischen und warmephysiologischen Bewertung / Bernd Gluck. Bericht der Rud. Otto Meyer-UmwelStiftung. Hamburg, 2004/05. Интернет-ресурс: http:// rom-umwelt-stiftung.de.
- Дюпин А.В., Корепанов Е.В. Моделирование теплового режима помещения с учетом применения теплоаккумулирующих материалов // Вестник МГСУ, №7/2011.
- Богословский В.Н. Строительная теплофизика. — СПб.: АВОК Северо-Запад, 2006.
