Исследование эффективных и энергосберегающых конструкции пассивных систем солнечного отопления степлоаккумулирующей стенкой для отопления и вентиляции сельскохозяйственных зданий и сооружений

Введение. Целью поставленной задачи является получения более эффективной конструкции пассивных систем с теплоаккумулирующей стенкой и разработка экспериментальной модели задания с перфорированной стенки для натурных испытаний. В здании применена особая система вентиляции, при которой воздух нагревается за счёт солнечной радиации

Наиболее часто встречающихся недостатков конструкции теплоаккумулирующей 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 [17].

Одним из вариантов повышения теплопередающей способности теплоаккумулирующей стенки является использование перфорированной теплоаккумулирующей стенки, которые позволяют повысить интенсивность теплосъёма с лучевоспринимающей поверхности теплоаккумулирующей стенки в период инсоляции и могут быть использованы как вентиляционные устройства, с естественной или принудительной подачей воздуха [4-5].

Основная часть. Рассмотрим передачу тепла через участок перфорированной теплоаккумулирующей стенки, разделяющей две воздушные среды с постоянными температурами и давлениями наружного и внутреннего воздуха.

В интервале характерного времени процесс является стационарным, плотность теплового потока на поверхности стенки и физические параметры воздуха, в интервале изменения температур в тепловых процессах теплоаккумулирующей стенки принимаются постоянными.

При измерениях температуры в двух точках модели теплоаккумулирующей стенки t1 и t2 в одном режиме получено распределение температуры по толщине перфорированной стенки

1 1 - t_r _ exp( Kx 1 ) - exp( K S ) _ exp[ K ( x 1 - S )] - 1

1 ₂ - t_r   exp( Kx ₂) - exp( K S ) exp[ K ( x ₂ - S )] - 1

GC где K =----P—;

A w (1 - P )

G -количество воздуха кг/(м²час);

С_р -удельная теплоёмкость воздуха;

Р - пористость стенки, отношение объема пор ко всему объему материала или площадь пор в сечении к общей площади сечения;

A W -теплопроводность стенки;

S -толщина стенки;

t _r -температура внутренней поверхности стенки.

Полученное уравнение (1) позволяет рассчитывать распределение температуры по толщине перфорированной стенки при различных расходах воздуха при постоянном тепловом потоке на поверхности стенки.

Для проверки достоверности полученное уравнение (1) была сконструирована экспериментальная установка. Измерений и записи температур на приборах используются от шести хромель - копелевых термопар, расположенных по толщине модели. Дифференциальным манометром определяется разности давления между внутренней и наружной поверхности модели (когда включен вентилятор). Температура в помещения (воздуха) и холодных спаев термопар в сосуде Дьюар измерялись ртутным термометром. Постоянным тепловым потоком нагревалась поверхность модели с помощью имитатора.

Для создания различных перепадов давления на поверхностях стенки и охлаждение внутренней части стенки воздухом нами была использована аэродинамическая установка (рис.1).

Рисунок 1 - Схема аэродинамической установки.

1-электродвигатель, 2-вентилятор, 3-рабочий канал, 4-экспериментальный участок.

Имитатор солнечного излучения представляет собой параболоидное зеркало диаметром 0,94 м и прожекторной лампой мощностью 2 кВт.

Экспериментальная модель теплоаккумулирующей стенки представляет собой глиняный прямоугольный параллелепипед с зачерненной стороной, размерами: 130 мм -сторона прямоугольной тепловоспринимающей поверхности, 46 мм -высота параллелепипеда или толщина стенки. Перпендикулярно к квадратной поверхности в шахматном порядке сквозь модели стенки проделены цилиндрические отверстия на расстояниях друг от друга 5 мм и диаметром 0,8 мм каждое. Окраинными изоляционными поверхностями для устранения боковых перетоков тепла в модели выделен экспериментальный участок с размерами 50х50 мм. Внутри стенки по ее толщине и в изотермических плоскостях размещены шесть хромель-копелевых термопар на различных расстояниях от поглощающей излучение поверхности. Эта поверхность остеклена. Вторая сторона находилась в потоке воздуха, что обеспечивало эжекцию сквозь стенку. Вся модель укреплялась в воздухонепроницаемом, металлическом, остекленном коробе.

Методика проведения эксперимента по исследованию на модели элемента перфорированного теплоаккумулирующей стенки предусматривает исследование процессов при изменении температуры по толщине стенки и расхода воздуха через неё во время фильтрацию.

При проведении экспериментальных исследований проводятся измерения температуры в модели из шести термопарами расположенных по толщине стенки и воздуха в помещение или окружающей среды. Кроме того, измеряется расход воздуха через стенки по показаниям дифференциального манометра.

Для анализа адекватности полученных зависимостей, проведен сравнительный анализ расчетных данных с экспериментальными данными, полученных в лабораторных условиях. Расчетные кривые хорошо совпадают с экспериментальными данными, за исключением точек, приближающихся к тепловоспринимающей поверхности. Температура тепловоспринимающей поверхности изменяется быстро по мере увеличения расхода воздуха, а внутренней поверхности - незначительно. На тепловоспринимающей ⁸² Агротехника и энергообеспечение. - 2023. - № 4 (41)

поверхности (наружной) наблюдаются дискретные колебания скорости потока воздуха и температуры, на внутренней поверхности эти колебания сглаживаются.

Проведение экспериментальных исследований будет заключаться в сравнении энергопотребления двух отсеков из которых один имеет аккумулирующую стенку из воздухопроницаемого материала, другой из сплошного.

Рисунок 2 - Схема экспериментальной модели зданий

Модель состоит из постройки с размерами 4х(1,25+1,25)х2,8м и с общим ограждением с северной, восточной и западной сторон 2. Теплоизоляционная перегородка 3 делит внутреннее пространство помещения на две разных части. Подача воздуха осуществляется с южной стороны модели отдельно в каждую из частей помещения. В первую часть-секция, через перфорированную теплоаккумулирующую стенку 1 (через распределенные по ней каналы). Во вторую -через расположенные в верхней части стенки вентиляционные отверстия 6. Вытяжка осуществляется с помощью регулируемого вентиляционного устройства 4. Обе половины модели снабжены самостоятельными системами, состоящими из нагревателя контактного термометра и реле, служащими для поддержания одинаковой заданной температуры в секциях 5. Количество энергии, пошедшее на обогрев каждой из частей помещения фиксируется самостоятельными счетчиками 7.

Рисунок 3 - Электрическая и термометрическая схема для одного отсека модели

На рис.3 изображена одна схема для одного отсека модели. Во втором отсеке располагаются такие же приборы по такой же схеме. Схема обеспечивает работу, включение и выключение нагревателя-дублера и измерение дополнительного количества тепла, идущего на поддержание в отсеках одинаковой заданной температуры.

Одинаковая температура в отсеках задается с помощью контактных термометров 1, устанавливаемых на одинаковую температуру. Электрические нагреватели 3 включаются и выключаются с помощью реле.

Количество дополнительного тепла подсчитывается по показаниям электрических счетчиков 4 в обоих отсеках. Сравнение показаний и расчетов дает возможность сопоставить эффективность различных пассивных систем солнечного отопления.

Рисунок 4 - Гидравлическая схема экспериментальной модели

Гидравлическая система предназначена для того, чтобы обеспечить одинаковый воздухообмен в отсеках помещения. На рис.4 показан воздушный насос 1 для откачки воздуха из обоих отсеков модели. Количество отбираемого воздуха фиксируется ротаметром 2. С помощью задвижки 3 устанавливается надлежащее (одинаковое) количество отсасываемого из отсеков воздуха, что контролируется дифференциальным манометром 4. Электропитание мотора насоса может осуществляться от той же подводки, но подключение к цепи должно быть до подключения к счетчикам.

Проведение экспериментальных исследований в натурных условиях должно проводиться в продолжении всего отопительного периода с ежедневным фиксированием результатов измерений. После суммирования и осреднения полученных значений определяются среднемесячные и за весь отопительный период значения коэффициента замещения отопительной нагрузки. Определив коэффициент замещения и отопительную нагрузку помещения можно произвести подсчет экономической эффективности от применения пассивной системы солнечного отопления для данной конструкции постройки.

Отопительная нагрузка помещения может быть подсчитана по методу градусо -дней по зависимости [1-2].

LS = UAD где LS -месячная нагрузка отопления;

D - число градусо - дней в месяце;

A - площадь поверхности здания или отдельного помещения;

U - полный коэффициент тепловых потерь.

Более надежный способ определить ее из эксперимента. Для этого в модели здания рис. 2 теплоаккумулирующая стенка 6 заменяется ограждением, аналогичным 2, снабженным вентиляционным устройством. Возможно со стенки 6 снять остекление и увеличить (уменьшить) ее термическое сопротивление и аккумулирующую способность до значений, присущих ограждению 2. В этом случае 7 даст значения количества энергии, пошедшей на отопление. Показания счетчика во второй половине модели даст значения, которые могут сравниваться со значениями первого. В результате может быть определен коэффициент замещения отопительной нагрузки в течение любого времени суток, месяца, отопительного периода:

f = L - K

L где L -отопительная нагрузка по показаниям счетчика в половине модели без пассивной системы отопления;

K - значение по показаниям счетчика в половине помещения с теплоаккумулирующей стенкой.

Испытания проводятся в следующем порядке:

• -    устанавливается одинаковый воздухообмен в обеих частях модели с помощью регулировки задвижками 3 (рис.4), количество подаваемого воздуха определяется по показаниям ротаметра 2;

• - устанавливается требуемая в помещении температура с помощью контактных термометров 1 (рис.2) и включается дублер 3, связанный с контактным термометром реле 2;

• - после прогрева модели ориентировочно в течение суток (время выхода на режим зависит от состояния постройки) фиксируют показания счетчика.

Заключение. Полученная теоретическая модель с достаточной степенью точности согласуется с результатами эксперимента, выполненного на модели перфорированной теплоаккумулирующей стенки.

В перспективе обогрев сельскохозяйственных сооружений органическое топливо может быть заменено нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии.