Исследование оптимального положения изоляции стены с точки зрения максимального запаздывание во времени и минимального коэффициента затухание температурных колебаний в пассивных системах солнечного отопления

Введение. Увеличение объемов строительства жилых домов приведет к соответствующему увеличению количества энергии, необходимой для их обогрева и охлаждения [1].

Используя принципы пассивной системы солнечного отопления, можно значительно снизить количество необходимого тепла [2]. Пассивные системы солнечные отопления отличаются простотой использования и относительно коротким сроком окупаемости с экономической точки зрения [3].

Пассивные системы солнечного отопления построятся в южной ориентации и работают по принципу горячего ящика, то есть солнечное излучение, прошедшей через светопрозрачное ограждение поглощается элементами помещения и следовательно играет важную роль в формировании температурного поля. В среднем 30% теплопотерь в этой системе происходит через внешние стены [2]. Чтобы уменьшить этот вклад, обычно используются теплоизоляционные материалы. В зависимости этого определение оптимальное место размещения изоляционного слоя в наружной стене в пассивных системах солнечного отопление является важной задачей [4-9].

В данной работе исследование проводилось с учетом монтажа изоляционного материала в разных частях стены, с учетом максимального значения запаздывания во времени и минимального значения коэффициента затухания температурных колебаний [8]. Рассмотрены следующие варианты приведенные на рис.1.

Теплотехнические параметры элементов наружных стен, использованных в расчетах, приведены в Табл.1.

Методика. Следующие выражения используются для выполнения вычислений [10]:

, д2Т я - кТЧ, от oxz

где, ρ,с,k- соответственно плотность, удельная теплоемкость и коэффицциент теплопроводности элементов стены; Т- температура; τ- время; х- толщина.

Граничные условия для уравнения (1):

к EU = №-"* - 7-i                (2)

к ©_x=t = ^fto[T„(t) - T^tO]                  (3)

где, hi, ho- соответственно коэффициенты конвективного теплообмена наружной и внутренней части стены; Тsa- температура, возникающая на наружной поверхности стены в результате воздействия солнечного излучения и температуры окружающей среды.

c)                                                  d)

Рис.1. Варианты наружной стены для расчета запаздывания во времени и коэффициента затухания температурных колебаний (ш- штукатурка; из-изоляционный слой)

Таб. 1. Тепловые характеристики элементов наружной стены [11]

Название материала	О о о ™ СО 2 с m 2 л ч Ен н	у л о о Н О ч Е	« о о ■° S ч S ' X =- S >> с Ч н
Теплоизоляционный слой (пеноплекс)	0.34	29	1650
Штукатурка известковая	0.7	1600	950
Кладка из глиняного обыкновенного кирпича (ГОСТ 530-80) на цементно-песчаном растворе	0.56	1800	880

Запаздывание во времени и коэффициент затухания колебаний определяются следующим образом [10] Φ= ,     -    ,                                   (4)

,                                           ,

,                                           , температурных

где, Ф - запаздывание во времени; f- коэффициент затухания температурных колебаний; _, - время когда внутренняя поверхность стены достигает максимальной температуры; _, - время когда внешняя поверхность стены достигает максимальной температуры; _, , _, - максимальная и минимальная температура внутренней поверхности стены; _, , _, -максимальная и минимальная температура наружной поверхности стены.

Результаты. Моделирование и расчеты выполнены в программном пакете Comsol MultiPhysics5.2 с учетом данных, приведенных на Рис.1 и в Таб.1. Количество конечных элементов - 17, время расчета - 35 секунд. Результаты расчетов представлены на рисунке 2.

варианты

Рис.2. Результаты расчета определения запаздывания во времени и коэффициента затухания температурных колебаний по вариантам

Результаты расчетов показывают, что в варианте d запаздывание во времени максимальное и равно 8.4 часа, а коэффициент затухания температурных колебаний достигает минимального значения 0.003. В варианте d запаздывание во времени на 5% больше, чем в обычной стене (вариант а ), а коэффициент затухания температурных колебаний в 11.3 раз ниже. Это означает, что вариант d может быть выбран как оптимальный вариант среди предложенных. Вариант с дал лучший результат, чем варианты a и b соответственно.

Выводы. По результатам расчетов можно отметить, что нанесение изоляционного слоя в целом малоэффективно, за исключением случая его размещения с внешней стороны стены. Среди рассматриваемых вариантов можно порекомендовать вариант d для размещения слоя утеплителя с целью уменьшения тепловых потерь. А также данный вариант наиболее оптимален, так как слой утеплителя устанавливается как внутри, так и снаружи стены сразу. Если невозможно нанести изоляционный слой на внутреннюю и внешнюю поверхность стены, безусловно, предпочтительно использовать вариант с.