Некоторые аспекты анализа нестационарных теплообменных процессов в здании
Анализ подходов к определению толщины активного слоя ограждения. Исследование эффективного слоя ограждения методом анализа нестационарного теплообмена в здании с одновременным использованием эффективной теплоемкости ограждения и закона сохранения энергии.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 27.02.2017 |
Размер файла | 137,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Некоторые аспекты анализа нестационарных теплообменных процессов в здании
Паулаускайте Сабина, доцент, канд. техн. наук,
Валанчюс Кястутис, ассистент, магистр,
Вильнюсский технический университет
им. Гедиминаса (ВТУ им. Гедиминаса), Литва
При решении задач нестационарной теплопередачи через ограждение одним из первоначальных и основных условий является определение толщины слоя, которую целесообразно учитывать в расчетах. В инженерной методике расчета теплоустойчивости ограждений этот слой называем слоем резких колебаний температуры в ограждении. В Европейских стандартах эта величина нормируется, как эффективный слой ограждения. В данной работе представлены некоторые результаты анализа упомянутых величин. Применен метод анализа нестационарного теплообмена в здании, используя эффективную теплоемкость ограждения и закон сохранения энергии. Теоретические расчеты сравнены с результатами экспериментальных исследований, проведенных в натурных условиях в Центре исследования солнечной энергии в Испании.
ограждение теплообмен здание энергия
Представляет интерес рассмотрение различных подходов к определению толщины активного слоя ограждения, которую надо учитывать при решении задач нестационарной теплопередачи.
Наиболее часто встречаем случай теплопередачи через ограждение, когда температура наружного воздуха tн периодически изменяется, а температура внутреннего воздуха остается постоянной. Для расчета периодических тепловых процессов, используя инженерный метод расчета теплоустойчивости, применяется коэффициент теплоусвоения поверхности Y Вт/(м2•К), который зависит от свойств материалов, из которых состоит ограждение и периода колебаний температуры. Инженерный метод расчета теплоустойчивости ограждения позволяет определять коэффициенты теплоусвоения поверхности ограждений при разной их тепловой инерции. При достаточно большой толщине однослойного ограждения, когда практически не сказывается влияние условий на поверхности, происходят регулярные колебания температуры. В этом случае коэффициент теплоусвоения поверхности ограждения Y равняется коэффициенту теплоусвоения материала S Вт/(м2•К), который с другими теплофизическими характеристиками материала связан зависимостью:
, ( 1 )
где: ? - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м•К); с - плотность материала, кг/м3; c - теплоемкость материала, Дж/(кг•K); T - период гармонических колебаний, ч.
Для оценки теплоустойчивости ограждающих конструкций в инженерном методе расчета применяется условный слой резких колебаний, в котором происходят ощутимые колебания температуры. Толщина этого слоя определяется при использовании характеристики тепловой инерции D. Как известно [1], слоем резких колебаний принято считать слой, для которого D=1 и толщина слоя д равна соотношению коэффициентов теплопроводности л и теплоусвоения материала S :
д=л/S. (2)
В Европейских стандартах [2, 3, 4] процедура определения тепловой нагрузки здания и энергетических расходов предусматривает применение традиционного баланса энергии, однако в расчетах учитывается тепловая нестационарность, динамика тепловых процессов в здании. Это явление учитывается фактором утилизации теплоты. Фактор утилизации определяет, насколько фактическая мощность системы отопления (учитывая приток теплоты от солнечной радиации, от внутренних источников и т. д.) меньше мощности, установленной в зависимости только от теплопотерь здания.
Фактор утилизации зависит от нескольких переменных величин: от коэффициента теплопотерь (соотношение между теплопоступлениями и теплопотерями) и от эффективной теплоемкости здания. Эффективная теплоемкость здания состоит из суммы всех теплоемкостей элементов здания, участвующих в процессах теплообмена. Под эффективной теплоемкостью понимаем часть общей теплоемкости элементов здания, которая участвует в нестационарном теплообмене между элементами и окружающей средой. Эффективная теплоемкость может быть рассчитана в зависимости от свойств материалов, составляющих ограждение. Эффективная теплоемкость элемента определяется только в зависимости от конкретного расчетного периода.
Для определения величины теплоемкости в Европейских стандартах применяется модель (представлена на рис. 1) теплоемкости поверхности. При изменяющимся тепловом потоке через элемент конструкции и при наличии температурных колебаний на поверхности элемента, элемент конструкции аккумулирует теплоту. Количество аккумулированной теплоты называем теплоемкостью чc, Дж/(м2 •K).
Элементы здания состоят из материалов с определенными свойствами, имеют разное сопротивление теплопередаче и определенное теплоусвоение, а эффективная теплоемкость является дискретной величиной, показывающей тепловые свойства всего элемента. Модель теплоемкости поверхности позволяет представить дискретность теплоемкости, т. е. свойство аккумулировать теплоту в конструкции. Аккумулирование теплоты возможно только в том случае, кода через конструкцию проходит тепловой поток q. Теплоемкость поверхности является функцией теплоусвоения.
Рис. 1. Модель теплоемкости поверхности
Теплоусвоение представляет собой соотношение колебаний теплового потока и температуры. Если примем, что на поверхности “0” колебание температуры , а на поверхности “n” температура постоянна , тогда показатель теплоусвоения нулевой поверхности Y0 определяется по соотношению колебаний плотности теплового потока и температуры:
( 3 )
По ранее представленной модели показатель теплоусвоения поверхности Yc определяем:
, ( 4 )
где: - угловое колебание, с -1; - эффективная теплоемкость материла, Дж/(м2•K).
Представим, что показатель теплоусвоения этой модели равен показателю теплоусвоения любой другой поверхности , тогда эффективная теплоемкость равна:
. ( 5 )
Общая теплоемкость всего ограждения определяется по формуле:
C = У чjAj = УjУi сij cij dij Aj , ( 6 )
где: чj - теплоемкость единицs площади элемента j, Дж/(м2•K); Aj - площадь элемента j, м2; сij - плотность, кг/м3; cij - массовая теплоемкость материала, Дж/(кг•K); dij - толщина i слоя элемента j (до эффективной - максимальной толщины элемента), м.
Эффективный слой элемента определяется с одной стороны элемента (например, с внутренней, если исследуется нестационарное отопление). Толщина эффективного слоя по разным источникам [3, 4] принимается:
· половина толщины всего элемента;
· толщина между исследуемой поверхности и первого утеплительного слоя;
· при периоде колебаний 1 ч толщина слоя 2 cм, 1 сут -10 cм, 1 нед -25см;
· при периодическом отоплении толщина 3 cм.
Встречаем несколько упрощенных методов расчета эффективной тепловой емкости [3, 4], в которых используется понятие - глубина проникновения тепловой волны. Эта переменная величина связана с константой времени, при определении которой применяются величины сопротивления теплопередаче и теплоусвоение.
По методике анализа нестационарного теплообмена шведского ученого Ю. Акандера [5] была рассчитана толщина эффективного (активного) слоя для наружных ограждений различной тепловой инерции (тепловая инерция D изменялась в пределах от 3 до 7) в зависимости от расчетного периода. Результаты представлены на рис. 2, а.
Для тех же ограждений по инженерной методике В. Н. Богословского был определен слой резких колебаний в зависимости от периода колебаний (рис. 2, б).
На рис. 2 верхняя и нижняя кривые ограничивают всю площадь возможных изменений эффективного слоя (см. рис. 2, а) или толщины слоя резких колебаний (см. рис. 2, б). Между этими кривыми проведены среднеарифметические линии, показывающие изменение активного слоя (; d = y) в зависимости от расчетного периода (T = x), также дано их математическое выражение.
Как видно из рис. 2, б, толщина слоя резких колебаний при изменении расчетного периода от 1 до 12 ч, может изменяеся от 0,5 до 6 см. В среднем, она изменяется от 1 до 4 см. Толщина эффективного слоя (рис. 2, а) в этом случае изменяется от 1 до 6 см, в среднем от 1,5 до 5 см. При расчетном периоде 24 ч толщина эффективного слоя достигает 12 см.
Рис. 2. Толщина эффективного (активного) слоя (а) и толщина слоя резких колебаний температуры (б) для наружных ограждений различной тепловой инерции при разных расчетных периодах
Некоторое подтверждение изложенного теоретического анализа было получено экспериментальными исследованиями, проведенными в Центре исследования солнечной энергии в Алмерии (Испания). Во время экспериментальных исследований с помощью термопар измерялась температура внутренней и наружной поверхности, а также в толще ограждения. Также измерялась температура внутреннего и наружного воздуха.
Для первого эксперимента было подобрано многослойное ограждение толщиной 25 см. Аналогичные наружные ограждения применяются и в Литве. Такое ограждение имеет эффективный слой теплоизоляции, сопротивление теплопередаче такого ограждения около 3 м2•K/Вт. Во время всего экспериментального исследования в помещении с помощью электрического нагревателя поддерживалась постоянная температура 39 0C. Температура наружного воздуха изменялась от 15 до 28 0C. На рис. 3 представлено изменение температуры в сечении ограждения для характерных суток в разное время. Как видно из рис., слой резких колебаний, в котором амплитуда колебаний температуры уменьшается в два раза и достигает 7,5 см.
Рис. 3. Изменение температуры в сечении ограждения в разное время суток
Для второго эксперимента была принята стена из кирпича толщиной 12 см с внутренним и наружным слоем штукатурки. Температура наружного воздуха изменялась в пределах от 10 до 28 0C. Температура внутреннего воздуха изменялась в зависимости от наружных условий. На рис. 4 представлено изменение температуры наружного и внутреннего воздуха и наружной и внутренней поверхностей в течении трех характерных суток.
Рис. 4. Изменение температуры наружного и внутреннего воздуха, наружной и внутренней поверхностей в течении трех характерных суток
Можно наблюдать, что в течение исследуемых суток максимальная температура наружного воздуха в пределах 24-28 0С была около 13 ч дня, а минимальная - около 10-13 0С - в 2-4 ч ночи. В солнечный день виден равномерный сдвиг от наружной поверхности к внутренней. Температурная волна - время сдвига температурных кривых, соответственно, от наружной поверхности к внутренней - составляет около 7 ч, от наружного воздуха до внутреннего воздуха - около 12 ч.
Вывод
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Наибольшая часть тепловой энергии здания, участвующей в динамическом теплообмене, аккумулируется в массивных наружных ограждениях. Поэтому первоначальной задачей является оценка аккумулированной тепловой энергии в этих конструкциях. А основной переменной величиной в данном случае является толщина массивного ограждения, в которой проявляются нестационарные тепловые процессы, влияющие на тепловой микроклимат здания и энергопотребление.
2. Теоретические исследования, применяя разные методики, показали, что толщина активного слоя (слоя резких колебаний или эффективного) зависит от принятого расчетного периода и в сутках может изменяться от 0,5 до 12 см, а при расчетном периоде 12 ч в среднем колеблется от 1 до 5 см.
3. Результаты экспериментальных исследований показывают, что толщина слоя, в котором амплитуда колебания температуры уменьшается в два раза, приблизительно 7,5 см, а влияние нестационарных тепловых воздействий в натурных условиях наблюдается в среднем от 11 до 13 ч.
4. При решении практических задач нестационарного теплообмена рекомендуется расчетный период принять 12 ч, а толщину эффективного слоя 5 см. При другом расчетном периоде T, толщину эффективного слоя рекомендуется определять по упрощенной формуле:
def = -0,0001T2 + 0,0047T + 0,0087.
5. Используя понятие эффективной теплоемкости и применяя толщину эффекивного слоя постоянной величиной, для решения задач нестационарного теплообмена целесообразно пользоваться законом сохранения энергии для закрытого обьема. Численные результаты можно получить методом конечных разностей выбирая шаг времени из условия:
Fo < 1/2.
Литература
1. В. Н. Богословский. Строительная теплофизика / Теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха / Учебник для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1982. - с. 194-229.
2. prEN ISO 13790. Thermal performance of buildings - Calculation of energy use for space heating. Sweden: 2002. - р. 10-31.
3. EN 832. Thermal performance of buildings - Calculation of energy use for space heating. Brussels. Belgium: 1998. - р. 33-39.
4. EN ISO 13786. Thermal Performance of Building Components - Dynamic thermal characteristics - Calculation methods. Brussels. Belgium: 1997. - р. 10-20.
5. Akander J., The ORC Method - Effective Modelling of Thermal Performance of Multilayer Building Components. Doctoral dissertation. Stockholm. 2000. - р. 24-34.
6. Valancius K., Skrinska A. Transient heat conduction process in the multilayer wall under the influence of solar radiation // Improving human potential program / Proceedings, 2002, Almeria, Spain: PSA. - р. 179-185.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение толщины теплоизоляционного слоя. Теплоприток от окружающей среды, при открывании дверей, от аккумулируемого продукта. Теплопотери через ограждения при обогреве, вследствие инфильтрации воздуха. Подбор холодильно-нагревательного оборудования.
курсовая работа [30,4 K], добавлен 23.07.2014Изучение основных свойств термического сопротивления воздушной прослойки. Расчет линии снижения температуры в толще многослойного ограждения с координатами "температура-термическое сопротивление". Сопротивление разности давления со сторон ограждения.
контрольная работа [139,0 K], добавлен 24.01.2012Физическое содержание закона сохранения энергии в механических и тепловых процессах. Необратимость процессов теплопередачи. Формулировка закона сохранения энергии для механических процессов. Передача тепла от тела с низкой температурой к телу с высокой.
презентация [347,1 K], добавлен 27.05.2014Определение температуры в зоне контакта плиты, слоя. Напряженно–деформированное состояние слоя. Условие термосиловой устойчивости покрытия. Вычисление контактного давления. Нахождение закона изменения толщины покрытия вследствие износа, численные расчеты.
дипломная работа [526,7 K], добавлен 09.10.2013Рассмотрение правил получения серии однослойных образцов металлов и их сплавов, напылённых на подложки с варьируемой толщиной слоя. Изучение влияние толщины напылённого слоя на соотношение характеристических полос испускания в рентгеновских спектрах.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 20.07.2015Законы сохранения в механике. Проверка закона сохранения механической энергии с помощью машины Атвуда. Применение закона сохранения энергии для определения коэффициента трения. Законы сохранения импульса и энергии.
творческая работа [74,1 K], добавлен 25.07.2007Анализ механической работы силы над точкой, телом или системой. Характеристика кинетической и потенциальной энергии. Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой. Исследование закона сохранения и превращения энергии в механических процессах.
презентация [136,8 K], добавлен 25.11.2015Характеристика методов анализа нестационарных режимов работы цепи. Особенности изучения переходных процессов в линейных электрических цепях. Расчет переходных процессов, закона изменения напряжения с применением классического и операторного метода.
контрольная работа [538,0 K], добавлен 07.08.2013Упрощение системы уравнений движения и сплошности двухмерного пограничного слоя. Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена двухмерного потока. Тепловой и гидродинамический пограничные слои при свободной конвекции у вертикальной стенки.
презентация [339,9 K], добавлен 15.03.2014Получение экспериментальных зависимостей гидравлического сопротивления и степени расширения слоя от фиктивной скорости газа; определение первой критической скорости. Гидродинамические характеристики псевдоожиженного слоя, сравнение с опытными значениями.
лабораторная работа [182,7 K], добавлен 29.08.2015Технология получения экспериментальной и расчетной зависимостей гидравлического сопротивления слоя, его высоты и порозности от скорости газа в данной установке, проверка основного уравнения взвешенного слоя. Определение фиктивной скорости воздуха.
лабораторная работа [224,1 K], добавлен 27.05.2010Виды механической энергии. Кинетическая и потенциальная энергии, их превращение друг в друга. Сущность закона сохранения механической энергии. Переход механической энергии от одного тела к другому. Примеры действия законов сохранения, превращения энергии.
презентация [712,0 K], добавлен 04.05.2014Строение полной электрической цепи прибора для электрохимического анализа. Подразделение по признаку применения электролиза. Ионный механизм образования двойного электрического слоя. Назначение гальванического элемента и его электродвижущая сила.
реферат [55,1 K], добавлен 24.01.2009Построение системы дифференциальных уравнений Максвелла классической электродинамики на основе первичных соотношений электромагнетизма - закона Кулона и закона сохранения электрического заряда цепочкой последовательных физико-математических рассуждений.
статья [167,7 K], добавлен 01.01.2011Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций. Пол над неотапливаемым подвалом. Безчердачное перекрытие. Общие потери теплоты помещением через наружные ограждения. Составление тепловых балансов помещений. Выбор системы отопления.
курсовая работа [130,6 K], добавлен 28.10.2013Величина коэффициента и единица измерения теплопроводности. Расчет теплоотдачи у наружной поверхности ограждения. Сущность теплового излучения. Удельная теплоёмкость материала, её зависимость от влажности. Связь теплопроводности и плотности материала.
контрольная работа [35,3 K], добавлен 22.01.2012Расчет теплопотерь через наружные ограждения, теплопоступлений в помещение свинарника, содержащего 300 свиней, влаговыдлений и газовыделений в данном помещении. Расходы вентиляционного воздуха в различные периоды года, выбор калориферов и вентиляторов.
курсовая работа [352,1 K], добавлен 19.09.2010Передача тепла через воздушную прослойку. Малый коэффициент теплопроводности воздуха в порах строительных материалов. Основные принципы проектирования замкнутых воздушных прослоек. Меры по повышению температуры внутренней поверхности ограждения.
реферат [196,7 K], добавлен 23.01.2012Изучение возможных мер по повышению температуры внутренней поверхности ограждения. Определение формулы по расчету сопротивления теплопередаче. Расчетная температура наружного воздуха и теплопередача через ограждение. Координаты "температура-толщина".
контрольная работа [193,1 K], добавлен 24.01.2012Расчет теплопотерь через наружные ограждения, теплопоступлений в свинарнике, влаговыделений и газовыделений. Расходы вентиляционного воздуха в разные периоды года, тепловая мощность отопительно-вентиляционной системы, воздуховоды системы вентиляции.
курсовая работа [334,9 K], добавлен 18.09.2010