Энергосберегающий потенциал от использования теплоотражающих экранов с солнечными батареями в окнах для систем энергоснабжения зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергосберегающий потенциал от использования теплоотражающих экранов с солнечными батареями в окнах для систем энергоснабжения зданий

В.М. Захаров¹, В.В. Тютиков¹, Н.Н. Смирнов¹, Д.А. Лапатеев¹, Б.Фламан², М.Барба²

¹ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», г. Иваново, Российская Федерация

²Национальный институт прикладных наук, г. Страсбург, Франция

³Научно-технический комитет по промышленной климатологии, г. Сен Реми ле Шеврез, Франция

Авторское резюме

Состояние вопроса: Известны новые энергосберегающие конструкции окон с теплоотражающими экранами, однако для практического использования необходима их интеграция в системы автоматического управления теплоснабжением зданий и определение эффективности их использования с учетом существующих энергосберегающих мероприятий.

Материалы и методы: Использованы результаты натурных испытаний окон с теплоотражающими экранами в сертифицированной климатической камере. Результаты обработаны методами математической статистики. Многовариантные расчеты показателей использования энергосберегающих окон в системах теплоснабжения зданий осуществлены с использованием программного комплекса Mathcad.

Результаты: Разработана методика по определению минимальной температуры воздуха внутри помещения при дежурном режиме отопления в случае использования в окнах теплоотражающих экранов. Разработаны многофункциональный энергоэффективный ставень с солнечной батареей и автоматизированная система регулирования теплоснабжения зданий с применением теплоотражающих экранов.

Выводы: Применение окон с теплоотражающими экранами и солнечной батареей дает тройной энергетический эффект: в отопительный период уменьшаются теплопотери за счет увеличения сопротивления окна, снижаются затраты теплоты на нагрев помещения за счет понижения температуры воздуха внутри помещения, а также происходит выработка электрической энергии.

Ключевые слова: окна с теплоотражающими экранами, дежурный режим отопления, солнечные батареи, образование конденсата на окнах, температура точки росы, относительная влажность воздуха, экономия энергоресурсов, система регулирования теплоснабжения.

Abstract

Energy-saving potential of using heat-reflective screens with solar batteries in windows for power supply systems of buildings

V.M. Zakharov¹, V.V. Tyutikov¹, N.N. Smirnov¹, D.A. Lapateev¹, B. Flament², M. Barbat³

¹Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russian Federation

²Institut National des Sciences Appliquees de Strasbourg, France

³Comitй Scientifique et Technique des Industries Climatiques, Saint Rйmy lиs Chevreuse, France

Background: The new energy saving windows with heat-reflecting shields are well known, but for their practical use, they need to be integrated into the automated heat supply control systems of buildings and should be efficient according to the standard energy-saving procedures.

Materials and methods: The study was based on the results of field tests of windows with heat-reflective shields in a certified climate chamber. The results were processed by the methods of mathematical statistics. Multivariant calculations of energy efficient windows performance in the heating of buildings were carried out using the Mathcad software.

Results: We have developed a method to determine the minimum indoor air temperature under standby heating with heat-reflective shields in the windows as well as a multifunctional energy-efficient shutter with a solar battery and an automated heat supply control system using heat-reflecting screens.

Conclusions: Windows with heat-reflecting screens and a solar battery have a triple power-saving effect: reduced heat losses during the heating season due to increased window resistance, lower cost of heating buildings due to lowering of indoor ambient temperature, and electric power generation.

Key words: windows with heat-reflective shields, standby heating mode, solar cells, condensation on windows, dew point temperture, relative air humidity, energy saving, heating control system.

 Существующие Европейские и Российские нормы в области энергосбережения предъявляют высокие требования к годовому потреблению энергоресурсов и, в частности, к коэффициенту сопротивления теплопередаче светопрозрачных конструкций. Так, законодательные органы Европейского союза устанавливают коэффициент сопротивления теплопередаче окон к 2020 году на уровне 1,67ч2,0 м²°С/Вт, а Российские органы власти к 2016 году - на уровне 1,0 ч 1,05 м²°С/Вт. Согласно Российским законам, с 1 января 2020 года годовая удельная величина расхода энергетических ресурсов в зданиях, строениях и сооружениях должна уменьшиться на 40 % по отношению к базовому уровню.

Авторами [1] разработаны и запатентованы [2, 3] конструкции окон с теплоотражающими экранами панельного, рулонного и жалюзийного типа, выполненные из металла, которые значительно снижают тепловые потери. Применение экранов целесообразно в темное время суток или в отсутствии людей. Экраны могут располагаться внутри помещения, снаружи или в межстекольном пространстве. Применение экранов не только снижает тепловые трансмиссионные потери, но и позволяет понизить температуру воздуха при «дежурном» режиме отопления. Возникла потребность в создании системы автоматизации управления экранов в окнах, а также в методике по определению температуры воздуха при «дежурном» режиме отопления.

Определение минимальной температуры воздуха при «дежурном» режиме отопления. В сертифицированной климатической камере АНО «Ивановостройиспытания» были проведены исследования [1] по изучению влияния применения теплоотражающих экранов в окнах на повышение сопротивления теплопередаче окон и снижение тепловых потерь. В качестве контроля использовался двухкамерный стеклопакет 4М1х10х4М1х10х4М1, а также стеклопакет 4М1х10х4М1х10х4И с нанесением на стекло низкоэмиссионного покрытия.

Исходя из полученных данных (см. таблицу) применение И-стекла (с низкоэмиссионным покрытием) дало увеличение сопротивления теплопередаче с 0,47 до 0,61 м²°С/Вт (на 29 %), а применение со стороны холодного отделения камеры дополнительно панели из двух металлических экранов, размещенных на расстоянии 10 мм друг от друга, повысило сопротивление до 1,76 м²°С/Вт (на 274 % к контролю 1 или на 189 % к контролю 2).

Действующие нормы СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» в холодный период года в помещениях отапливаемых зданий, когда они не используются и в нерабочее время, позволяют снижать температуру внутреннего воздуха ниже нормируемой, но не ниже 15 °C - в жилых помещениях; 12 °C - в помещениях общественных и административно-бытовых зданий; 5 °C - в «сухих» производственных помещениях.

В понижении температуры воздуха во время дежурного режима отопления заложен большой энергосберегающий потенциал. В большой степени минимальная температура воздуха при применении дежурного режима отопления определяется исходя из условий недопущения образования конденсата на ограждающих поверхностях. Мы говорим о большой вероятности выпадения конденсата на окнах, так как именно светопрозрачные конструкции являются «слабым местом» в теплозащите зданий.

Стоит отметить, что появление влаги на стеклах является не только эстетическим дефектом, - в дальнейшем постоянное выпадение конденсата может привести к увлажнению конструкций [4, 5], которое способно стать причиной образования грибка и плесени на подоконниках. Особое внимание следует уделить окнам с горизонтальным и наклонным расположением, а также зенитным фонарям, так как, согласно Своду правил СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», температура на внутренней поверхности должна быть не ниже температуры точки росы внутреннего воздуха при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период года.

Относительная влажность воздуха в помещении является нормируемой величиной (для общественно-административных и жилых - от 30 до 65 %), и именно от влажности воздуха, сопротивления теплопередаче окна, температуры наружного воздуха и зависит температура точки росы на внутреннем остеклении, а значит, и минимальная температура воздуха при дежурном режиме отопления (при известном коэффициенте теплоотдачи на внутренней поверхности окна).

Как показали расчеты и опытные данные (см. таблицу), при применении в окнах теплоотражающих экранов, установленных снаружи, увеличивается сопротивление теплопередаче до 1,76 м²°С/Вт и значительно повышается температура на внутреннем стекле. Следовательно, мы можем дополнительно понизить температуру воздуха внутри помещения (в зависимости от влажности внутри помещения) во время отсутствия людей.

Нам было интересно выяснить, каким образом можно определить значение температуры (рис. 1), до которой система автоматизации сможет понизить температуру воздуха при дежурном режиме отопления при условии недопущения выпадения конденсата на внутренней поверхности стекла окна с повышенными теплозащитными свойствами (с применением теплоотражающих экранов).

Таблица 1. Данные испытаний теплоотражающих экранов в окнах с низкоэмисcионным покрытием

Рис. 1. К определению температуры воздуха при дежурном режиме отопления

Минимальную температуру внутреннего воздуха при дежурном режиме отопления можно определить следующим образом:

(1)

(2)

где - температура внутреннего воздуха, при которой на стекле начинает образовываться конденсат, т.е. когда , °С; - температура точки росы при параметрах воздуха в рабочее время, °С; - температура на внутренней поверхности остекления, °С; - температурный запас по недопущению конденсации (принимаем в 1 °С); t_н - температура наружного воздуха, °С; q - удельный тепловой поток, Вт/м²; R_окна - приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачной зоны окна, м²°С /Вт; _вн - коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к стеклу, принимаем 8,7 Вт /м²°С.

Следовательно,

(3)

Температуру точки росы воздуха, находящегося в помещении в рабочее время, можно определить по формуле Магнуса-Тетенса [6] с погрешностью ±0,2 °С (в диапазоне температур от 5 до 25 °С и в диапазоне относительных влажностей от 10 до 70 %):

(4)

где а = 17,27; b = 237,7;

(5)

(6)

Таким образом, зная приведенное сопротивление окна R_окна в нерабочее время суток, температуру наружного воздуха, температуру и относительную влажность воздуха в рабочее время, можно определить минимальное значение температуры воздуха при дежурном режиме отопления.

Согласно полученным формулам, в вычислительных средах Mathcad и Excel нами была составлена программа по вычислению минимальной температуры воздуха при дежурном режиме отопления и использовании окон с теплоотражающими экранами.

Моделировалось изменение приведенного сопротивления светопрозрачной части окна R от 0,5 до полученных в результате эксперимента 1,757 м²°С/Вт, температура наружного воздуха t_н задавалась от минус 10 до минус 30 °С, температура воздуха в рабочее время фиксировалась на уровне 20 °С. Расчет был произведен для относительной влажности , равной 35 и 50 %. Результаты расчетов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость изменения минимально-допустимой температуры воздуха T_в при дежурном режиме отопления от R и t_н: левая половина графика - при = 50 %; правая - при = 35 %

Как и следовало ожидать, будет значительно выше при более высокой влажности внутри помещения. Применение экранов также дает значительный эффект. Так, из расчетов следует, что при относительной влажности 35 %, наружной температуре в минус 30 °С и использовании окон с И-стеклом и двумя теплоотражающими экранами минимально-допустимая температура воздуха при дежурном отоплении уменьшится с 16,4 до 7,8 °С относительно контроля 1, т.е. более чем на 8 °С, а при относительной влажности 50 % разница в температурах составит более 10 °С.

Нами была разработана и запатентована конструкция панели из теплоотражающих экранов с применением с наружной стороны солнечной батареи [7]. Использование солнечной батареи позволяет вырабатывать электрическую энергию [8], обеспечивающую не только автономную работу окна с теплоотражающими экранами, но и частично (или полностью) покрывающую электрическую нагрузку потребителя, а также, при больших объемах генерации, подаваемую во внешнюю электрическую сеть, причем КПД преобразования солнечного света в электроэнергию достигает 20 %.

На рис. 3 приведен наружный ставень с четырьмя теплоотражающими экранами.

Рис. 3. Многофункциональный энергоэффективный ставень

Наружный ставень содержит раму 1, выполненную, например, из пластикового материала, и теплоотражающие экраны 2, выполненные, например, из алюминиевой фольги. Расстояние между соседними теплоотражающими экранами 2 может составлять от 5 до 10 мм. Наружные теплоотражающие экраны 2 выполнены из алюминиевого листа толщиной не менее 200 мк, для обеспечения надежности конструкции и целостности экранов, внутренние теплоотражающие экраны выполнены из алюминиевой фольги толщиной 7-15 мк. С наружной стороны ставень снабжен солнечной батареей 3, состоящей, например, из тонкопленочных фотоэлементов [8], которая подключается к контроллеру (или к модульному центру) при помощи токопроводов 4. По периметру рамы 1 со стороны закрываемого проема закреплен уплотняющий шнур 5. Наружный ставень устанавливают таким образом, чтобы в положении, когда проем закрыт, он плотно примыкал к наружной поверхности стены здания и обеспечивал исключение конвекции. Предусмотрено автоматическое (посредством электропривода) управление, обеспечивающее экономию времени на перемещение ставень при большом количестве окон, например, в производственных помещениях.

Получаем, что при применении окон с теплоотражающими экранами и солнечной батареей наблюдается тройной энергетический эффект: в отопительный период уменьшаются теплопотери за счет увеличения сопротивления окна, снижаются затраты теплоты на нагрев помещения за счет понижения температуры воздуха внутри помещения, а также происходит выработка электрической энергии.

Автоматизированная система регулирования теплоснабжения зданий с применением теплоотражающих экранов. Принимая во внимание последние инновации в области регулирования теплового режима здания с учетом быстрых и медленных тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции [9], также была разработана и запатентована автоматизированная система регулирования теплоснабжения зданий с применением теплоотражающих экранов (рис. 4), которая поддерживает оптимальную (заданную или рассчитываемую) температуру в жилых или производственных помещениях.

Рис. 4. Автоматизированная система регулирования теплоснабжением зданий с применением теплоотражающих экранов: 1 - регуляторы температуры воздуха в помещениях; 2 - регулирующие клапаны отопительных приборов; 3 - регулятор расхода топлива на котел; 4 - регулирующий орган подачи топлива на котел; 5 - объект управления; 6 - датчики температуры воздуха в помещениях; 7 - датчики влажности в помещениях; 8 - блоки расчета температуры воздуха дежурного отопления или блоки задатчиков; 9 - датчики наружной освещенности, расположенные пофасадно; 10 - регуляторы положения теплоотражающих экранов; 11 - электроприводы теплоотражающих экранов;1…i - номер помещения/комнаты; 1…j - номер здания; 1…n - номер регулятора положения теплоотражающих экранов; 1…k - номер электропривода теплоотражающих экранов; 1…m - номер регулирующего клапана отопительного прибора; N, S, W, E - северный, южный, западный и восточный фасады здания соответственно

Теплоотражающие экраны оконных блоков опускаются в темное время суток и во время отсутствия людей в помещениях по заданному графику или сигналу от датчиков наружной освещенности в зависимости от выбранного алгоритма управления. Сигнал по уровню освещенности снаружи здания поступает от датчиков наружной освещенности, расположенных пофасадно. При опускании теплоотражающих экранов уменьшаются тепловые потери через оконные проемы, увеличивается температура внутри помещения, что позволяет уменьшить расход топлива на отопление.

Разработанная система позволяет поддерживать различную температуру воздуха во всех помещениях здания за счет регулирования расхода теплоносителя в отопительный прибор. Изменение же расхода топлива в котел влияет на изменение температуры воздуха во всех помещениях. Расход топлива соответствует максимально заданной температуре воздуха в здании.

Система регулирования для промышленных зданий дополнительно реализует дежурный режим отопления, при котором задаваемая температура воздуха внутри помещения рассчитывается по формуле (6).

Система может быть реализована на основе оборудования домашней автоматизации, работающего по открытому протоколу KNX (например, Siemens Synco Living) или промышленных контроллерах.

В использовании в качестве энергосберегающих мероприятий не только теплоотражающих экранов с солнечными батареями, системы автоматизации теплоснабжения здания с применением дежурного режима отопления, утилизации теплоты вытяжного воздуха посредством теплообменников-рекуператоров [10, 11], но и новых разработок и результатов исследований научных сотрудников COSTIC и INSA в области «гибридной» вентиляции, в области повышения герметичности зданий и контролируемой подачи свежего воздуха в зависимости от концентрации углекислого газа в помещении заложен большой энергосберегающий потенциал для систем энергоснабжения зданий как в ЖКХ, так и в промышленном секторе.

Применение предложенных конструкций окон поможет добиться значений потребления энергоресурсов, устанавливаемых для зданий Российскими и Европейскими нормами [1].

солнечный теплоснабжение здание отопление

Список литературы

1. Разработка и испытание автоматизированных окон с теплоотражающими экранами, отвечающих Российским и Европейским требованиям в области энергосбережения / С. Бомон, Э. Хольтсвейлер, В.М. Захаров и др. // Вестник ИГЭУ. - 2013. - Вып. 5. - С. 13-24.

2. Свидетельство на полезную модель Российской Федерации 16011 от 07.03.2000 г. Оконный блок / В.М. Захаров, В.М. Яблоков, Н.М. Ладаев. - М., 2000.

3. Пат. на полезную модель №135696. Автоматизированный оконный блок / В.М. Захаров, Н.Н. Смирнов, А.А. Яблоков, Д.А. Лапатеев. Заявка №2013130095/12, приоритет от 01.07.2013 г. Зарегистр. 01.07.2013 г. Опубл. 20.12.2013 г. Бюл. № 35.

4. Merrill J.L., TenWolde A. Overview of moisture-related damage in one group of Wisconsin manufactured houses // ASHRAE Transactions. - 1989. - Vol. 95

5. Muneer T., Abodahab N. Frequency of condensation occurrence on double-glazing in the United Kingdom // Energy conversion and management, Elsevier. - 1998. - Vol. 39, issue 8. - Р. 717-726.

6. Barenburg A.W.T. Psychrometry and Psychrometric Charts, 3^rd Edition. - Cape Town, S.A.: Cape and Transvaal Printers Ltd., 1974.

7. Патент на полезную модель. Многофункциональный энергоэффективный ставень / В.М. Захаров, Н.Н. Смирнов, А.А. Яблоков, Д.А. Лапатеев, Ю.С. Колосова, Д.С. Трухин. Заявка №2014137231, приоритет от 15.09.2014 г.

8. Pagliaro M., Ciriminna R., Palmisano G. Flexible Solar Cells // ChemSusChem. - 2008. - Vol. 1, issue 11. - Р. 880-891.

9.Чистович С.А. Автоматическое регулирование теплового режима здания с учетом быстрых и медленных тепловых потерь через наружные ограждающие конструкции // Теплоэнергоэффективные технологии. - 2013. - № 3-4 (7-72). - С. 73-76.

10. Missenard M., Blandin C., Feldmann C. Climatique, COSTIC. - Paris, 2010.

11. Solutions de regulation dans les petits batiments, SEBTP, COSTIC. - Paris, 2000.

References

1. Beaumont, C., Holtzweiler, E., Zakharov, V.M., Smirnov, N.N., Yablokov, A.A., Lapateev, D.A. Razrabotka i ispytanie avtomatizirovannykh okon s teplootrazhayushchimi ekranami, otvechayushchikh Rossiyskim i Evropeyskim trebovaniyam v oblasti energosberezheniya [Designing and testing of automated windows with heat-reflective shields meeting the Russian and European requirements in the field of energy saving]. Vestnik IGEU, 2013, issue 5, pp. 13-24.

2. Zakharov, V.M., Yablokov, V.M., Ladaev, N.M. Okonnyy blok [Window unit]. Svidetel'stvo RF na poleznuyu model' 16011 [Utility model certificate of the Russian Federation 16011 of March 7, 2000. Window unit], 2000.

3. Zakharov, V.M., Smirnov, N.N., Lapateev, D.A., Yablokov, A.A. Avtomatizirovannyy okonnyy blok [Utility model patent No 135696. Automated window unit]. Patent RF, no. 135696, 2013.

4. Merrill, J.L., TenWolde, A. Overview of moisture-related damage in one group of Wisconsin manufactured houses. ASHRAE Transactions, 1989, vol. 95, issue 1.

5. Muneer, T., Abodahab, N. Frequency of condensation occurrence on double-glazing in the United Kingdom. Energy conversion and management, Elsevier, 1998, vol. 39, issue 8, pp. 717-726.

6. Barenburg, A.W.T., Psychrometry and Psychrometric Charts, third edition, Cape and Transvaal Printers Ltd., Cape Town, S.A., 1974.

7. Zakharov, V.M., Smirnov, N.N., Yablokov, A.A., Lapateev, D.A., Kolosova, Yu.S, Trukhin, D.S. Mnogofunktsional'nyy energoeffektivnyy staven' [Multifunctional energy efficient shutters]. Patent RF, no. 2014137231, 2014.

8. Pagliaro, M., Ciriminna, R., Palmisano, G. Flexible Solar Cells. ChemSusChem, 2008, vol. 1, issue 11, pp. 880-891.

9. Chistovich, S.A. Avtomaticheskoe regulirovanie teplovogo rezhima zdaniya s uchetom bystrykh i medlennykh teplovykh poter' cherez naruzhnye ograzhdayushchie konstruktsii [Automatic control of the thermal regime of the building, taking into account the fast and slow heat loss through the building envelope]. Teploenergoeffektivnye tekhnologii, 2013, issue 3-4, pp. 73-76.

10. Missenard, M., Blandin, C., Feldmann, C. Climatique, COSTIC. Paris, 2010.

Размещено на Allbest.ru