Учет солнечной энергии при проектировании тепловой защиты зданий

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Heat protection of buildings

УДК 699.86

Р.А. ШЕПС, инженер (romansheps@yandex.ru), С.А. ЯРЕМЕНКО, канд. техн. наук, М.В. АГАФОНОВ, бакалавр

Воронежский государственный технический университет

Учет солнечной энергии при проектировании тепловой защиты зданий

В настоящее время одним из важных направлений энергосбережения является снижение энергопотребления зданий. В связи с этим оценка интенсивности солнечной радиации для средней полосы России на примере г. Воронежа и возможности эффективного использования солнечной энергии для отопления объектов строительства является актуальной задачей. В работе определено количество теплоты, поступаемой на поверхность ограждающих конструкций в осенне-весенний отопительный период. Построены графики зависимостей интенсивности солнечного излучения от времени года. Проведен анализ зависимостей величины теплопоступлений от материала ограждающей конструкции. Определен экономический эффект учета солнечной радиации при проектировании тепловой защиты здания. Обоснована необходимость учета теплопоступлений от солнца при проектировании ограждающих конструкций зданий в средней полосе РФ. Показана необходимость использования теплоаккумулирующих материалов для повышения класса энергоэффективности объектов строительства и ЖКХ.

Ключевые слова: теплопоступления, солнечная энергия, ограждающие конструкции, энергосбережение.

Для цитирования: Шепс Р.А., Яременко С.А., Агафонов М.В. Учет солнечной энергии при проектировании тепловой защиты зданий // Жилищное строительство. 2017. № 1-2. С. 29-32.

R.A. SHEPS, Engineer

Mainstreaming Solar Energy in Design of Thermal Protection of Buildings

Currently one of the important directions of energy saving is to reduce the energy consumption of buildings. In this regard, the assessment of the intensity of solar radiation for the central part of Russia on the example of Voronezh and possibilities of the effective use of solar energy for heating of construction object is an urgent task. In this paper, we define the amount of heat delivered to the surface of enclosing structures in the autumn-spring heating period. The plots of dependencies of the intensity of solar radiation on the time of year are presented. The analysis of dependencies of the magnitude of heat gain on the material of the enclosing structure is made. Economic benefits of solar radiation are taken into account when designing thermal protection of buildings. The necessity for accounting the heat gain from the sun when designing enclosing structures of buildings in the central part of the Russian Federation is substantiated. The need for using heat-retaining materials to upgrade the energy efficiency of construction facilities and utilities is shown.

Keywords: heat gain, solar energy, enclosing structures, energy saving.

For citation: Sheps R.A., Jaremenko S.A., Agafonov M.V. Mainstreaming Solar Energy in Design of Thermal Protection of Buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 1-2, pp. 29-32. (In Russian).

На сегодняшний день проектные, строительные и эксплуатационные организации, подчиняясь общему стремлению к снижению энергопотребления, считают одной из наиболее актуальных задач уменьшение доли тепловой энергии для обеспечения нужд отопления [1-6]. Решение данной задачи требует тщательного подбора оптимального сочетания затрат на строительство и обслуживание здания, поскольку эти величины, очевидно, находятся в обратной пропорции. Таким образом, для решения такой задачи нужен перспективный, доступный и, согласно современным тенденциям, «экологически чистый» источник энергии. Именно таким источником является солнечное излучение [7-14]. Законы лучистого теплообмена на сегодняшний день достаточно хорошо изучены. Математически распределение падающего теплового потока выражается следующим образом:

Q = QÀ + Qr + Qn

где Q0 - поток, падающий на поверхность; ().А - поток, поглощенный поверхностью; QR - поток, отраженный поверх-

Обычно при расчете теплозащиты ограждающих конструкций влиянием солнечного излучения пренебрегают. Тем не менее тепловизионное обследование (рис. 1) на-

Рис. 1. Термограмма фасада здания типографии в Воронеже

ностью; Qn - поток, прошедшим через поверхность

Тепловая защита зданий

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Значение суммарной солнечной радиации

Таблица 1

X

Месяц Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВтч/м2 Суммарная солнечная радиация на вертикальную поверхность, кВт ч/м2 Сумма вертикальной и горизонтальной радиации, кВтч/м2

Октябрь 96 102,5 198,5

Ноябрь 54 102 156

Декабрь 35 103 138

Январь 46 93,3 139,3

Февраль 75 111 186

Март 147 123,5 270,5

Апрель 188 157,4 345,4

Рис. 2. Распределение температуры при интенсивном солнечном излучении в переходный климатический период

глядно подтверждает, что солнечный тепловой поток, особенно в осенне-весенний период года, создает значительный вклад в нагрев поверхностей ограждений.

Анализ термограммы ограждающей конструкции показывает, что полученная картина несколько противоречит классическому подходу: поверхность фасада нельзя назвать изотермической, поскольку ее температура имеет несколько значений, различающихся в пределах 7оС. Следовательно, можно допустить, что температурное поле на границе первого и второго слоев тоже не будет однородным. Если принять предположение, что в третьем слое ограждающей конструкции температура станет постоянной, то графически это будет выглядеть следующим образом (рис. 2).

Оценка величины теплопоступлений от солнечной энергии. Строительные организации в соответствии с требованиями федерального законодательства и нормативной документации обязаны составлять на каждый возведенный объект энергетический паспорт, данные которого подтверждают энергоэффективность сооружения и его принадлежность к определенному классу энергопотребления. При определении класса энергетической эффективности необходимо произвести расчет удельных тепловых величин, что требует знания годового расхода тепловой энергии на отопление. Суммарные годовые затраты на отопление главным образом зависят от конструкции наружных ограждений зданий. Ранее величину суммарных теплопотерь О, по СНиП 23-02-2003

следовало определять следующим образом:

Qyh = Ш„ - ( + О») • и  у • р,

где Qh - потери теплоты через наружные ограждающие конструкции, МДж; Qs - теплопоступления от солнечного излучения через светопропускающие конструкции, МДж; Ом - теплопоступления бытовые, МДж; ^ 1 - коэффициент эффективности автоматического регулирования подачи тепла системой отопления; и (при расчетах рекомендуется брать и=0,8) - коэффициент уменьшения теплопоступле-ний, образующегося за счет тепловой защиты ограждающих конструкций; р, - коэффициент, который учитывает избыточное потребление тепла системой (этот избыток объясняется бесполезными потерями тепла в заприборных участках ограждений, в трубопроводах, которые проходят по неотапливаемым помещениям, а также прерывистостью

теплового потока ряда приборов и повышением температуры воздуха в помещениях, расположенных в угловых частях здания).

Стоит обратить внимание, что величина учитывает только то тепло, которое поступило в помещение через све-топропускающие конструкции: окна, остекленные двери и пр. Соответственно количество теплоты солнечного излучения, которое передано на сами ограждающие конструкции, О5 не учитывает.

Все величины в формуле (2) приведены в расчете за отопительный период. Для городов средней полосы России, с некоторыми поправками на географию и климатические нюансы той или иной местности, его длительность можно принять за 6-7 мес: с середины октября по апрель. Особый интерес представляет межсезонье (весенние и осенние месяцы), когда системы отопления функционируют в переходном режиме. В этом случае, внеся в формулу соответствующие поправки на теплопоступления от солнца на ограждающие конструкции, а также используя аккумулирование солнечной энергии, можно вести более полный учет суммарных теплопотерь, тем самым снизив затраты на теплопотребление в межсезонье.

Для наглядности используем данные табл. 1, отражающие количество суммарного солнечного излучения на горизонтальные (крыши, чердачные покрытия) и вертикальные (ограждающие конструкции) поверхности в Воронеже.

Интенсивность солнечной энергии в отопительный период делится на два участка. С октября по январь наблюдается равномерный незначительный спад, а с января по апрель происходит значительный рост. Стоит отметить, что величина солнечной активности в апреле в три раза больше, чем в точке минимума января, а в октябре меньше в 1,5 раза. Таким образом, наибольшее количество теплопоступлений от солнца в отопительный период приходится с февраля по апрель.

Для определения совокупного солнечного излучения на горизонтальную поверхность О*"', МДж/м2, за отопительный период для климатического района строительства необходимо использовать следующую расчетную формулу [2]:

О,о>

К

где О," - совокупные поступления теплоты от солнечного излучения на горизонтальные поверхности для г'-го месяца отопительного периода, МДж/м2; т - количество месяцев периода, которое определяется по данным [1].

Для того чтобы рассчитать влияние совокупного излучения (суммы прямого, отраженного и рассеянного) на верти-

30

1-22017

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Heat protection of buildings

Таблица 2

Потребление тепловой энергии зданием корпуса Воронежского ГАСУ

Месяц Фактическое потребление за 2015 г., Гкал Возможное потребление тепловой энергии в 2015 г., Гкал

Октябрь 13,05 11,91

Ноябрь 31,11 28,39

Декабрь 31,11 29,39

Январь 38,78 37,39

Февраль 44,15 40,29

Март 35,12 32,05

Апрель 28,1 25,64

Сумма за год 221,42 205,06

кальные поверхности за отопительный период, необходимо использовать следующую формулу [2]:

QT=ZUQY=I!ï(Svf+DYr+R7)= ^„(S^k+Pf'+RT) , ä!orAf

-Zu л----1

1 2 2000

где ¡^ - прямое излучение солнца на вертикальную поверхность в г-м месяце отопительного периода для j-й ориентации, МДж/м2; Б^, - рассеянное и отраженное излучение солнца на вертикальную поверхность в г-м месяце отопительного периода, МДж/м2; ^ огк, Д ог, Щег - прямое и рассеянное излучение солнца на горизонтальную поверхность в г-м месяце отопительного периода, МДж/м2; Л/а - альбедо деятельной поверхности в г-м месяце отопительного периода, %; к - коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной поверхности на вертикальную г-го месяца отопительного периода для j-й ориентации. Все данные по солнечному излучению следует брать при действительных условиях облачности.

Разумеется, при проектировании необходимо не только рассчитать количество поступающей солнечной радиации, но и учесть особенности конструкции ограждающих сооружений, а также материал. Во многих случаях экономически целесообразным является использование теплоаккумули-рующих материалов, так как такая тепловая защита может значительным способом снизить теплопотери, удешевив тем самым эксплуатацию здания.

Для расчета теплопоступлений на ограждающую конструкцию необходимо использовать следующую формулу [2]:

е^мс+^О^Йм,

где Я - коэффициент теплосопротивления, м2оС/Вт; ¿нар, - средние температуры наружного воздуха и воздуха помещения соответственно, оС; р - коэффициент поглощения солнечного излучения поверхностью ограждающей конструкции; уСр - суммарное среднесуточное значение поверхностной плотности теплового солнечного потока, Вт/м2; а„ар - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м2 оС); Рк - коэффициент, равный единице при наличии вентилируемой воздушной прослойки в ограждении, 0,6 - при ее отсутствии; а^ - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2-°С); п - величина затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей конструкции; 0!, 02 - коэффициенты, характеризующие гармонические изменения температуры наружного воздуха; А/ - амплитуда колебаний совокупного излучения

ßk-Овн,

Рис. 3. График сравнения потребления тепловой энергии за 2015г., Гкал: 1 — фактическое; 2 — возможное

в пределах суток; Ам - площадь ограждающей конструкции, м2.

Оценка эффективности применения теплоаккумули-рующего материала на примере здания Воронежского

ГАСУ. Авторами проведен сравнительный анализ потребления тепловой энергии при использовании материалов наружных стен с различной аккумулирующей способностью. Рассматривалось здание корпуса Воронежского ГАСУ, стены которого выполнены в двухслойном варианте: основной материал - кирпич, снаружи - штукатурка. В целях уменьшения теплопотерь подбор материала был осуществлен исходя из необходимых условий тепловой защиты и санитарно-гигиенических норм. Применяемый материал должен обладать высокой способностью к теплоусвоению, которая находится в прямой пропорции к физическим свойствам материала - плотности и удельной теплоемкости. В табл. 2 представлены результаты расчетов по зависимостям 4,5 при использовании материала с большей плотностью.

Расчеты показали, что один из способов существенной экономии тепловой энергии заключается в том, чтобы, не изменяя теплопроводности материала, увеличить его плотность. Суммарный экономический эффект применения такого способа составляет 10-12% за отопительный период (рис. 3).

В заключение стоит отметить, что действующая нормативная документация в сфере проектирования тепловой защиты зданий не позволяет сделать качественной и точной оценки вклада солнечного излучения в общее количество теплопо-ступлений, тем самым не отвечая современным требованиям энергоэффективности. Способами, позволяющими создать баланс между выполнением высокого уровня теплозащиты и проектированием теплоусвоения ограждающей конструкции, являются: применение инновационных материалов с высокой

S 25

0

Тепловая защита зданий

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

способностью к теплоусвоению, применение в ограждающих конструкциях воздушных прослоек с заданными параметрами, а также грамотное использование светопропускающих ограждений. При использовании более точных расчетных методов определения теплового баланса, учитывающих все теплопоступления от солнца при проектировании ограждающих конструкций, в переходные периоды возможна значительная экономия средств на отопление зданий.

Выводы. Проведенные авторами исследования доказывают целесообразность и эффективность использования возобновляемых источников энергии в центральной поло-

Список литературы

1. Щукина Т.В. Поглощающая способность наружных ограждений зданий для пассивного использования солнечного излучения // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 9. С. 66-68.

2. Щукина Т.В. Энергосберегающие наружные ограждения для зданий с регулируемым микроклиматом // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 4. С. 48-49.

3. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О нормировании теплозащиты и требованиях расхода энергии на отопление и вентиляцию в проекте актуализированной редакции СНиП «Тепловая защита зданий» // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2013. № 31-2 (50). С. 468-474.

4. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических не-однородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.

5. Самарин О.Д. Энергетический баланс гражданских зданий и возможные направления энергосбережения // Жилищное строительство. 2012. № 8. С. 2-4.

6. Dylewski R. Adamczyk J. Economic and ecological indicators for thermal insulating building investments // Energy and Buildings. 2012. No. 54, рр. 88-95.

7. Allan Hani, Teet-Andrus Koiv. Energy Consumption Monitoring Analysis for Residential, Educational and Public Buildings // Smart GridandRenewable Energy. Vol. 3. No. 3. 2012, рр. 231-238.

8. Ливчак В.И. Длительность отопительного периода для многоквартирных домов и общественных зданий. Режим работы систем отопления и вентиляции (с учетом ISO 13790:2008 и актуализированной редакции ГОСТ Р 13790) // Энергосбережение. 2013. № 6. С. 22-27.

9. Наумов А.Л., Смага Г.А., Шилькрот Е.О. Определение годовых расходов энергии на эксплуатацию зданий // АВОК. 2010. № 4. С. 16-23.

10. Щукина Т.В. Тенденции возрастающей энергообеспеченности гелиоактивных зданий // Энергосбережение. 2009. № 2. С. 66-70.

11. Турулов В.А. Гелиоактивные стены зданий. М.: АСВ, 2011. 168 с.

12. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. М: ГНУ ВИЭСХ, 2005. 264 с.

13. Щукина Т.В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений. Воронеж: ВГАСУ, 2007. 121 с.

14. Щукина Т.В., Чудинов Д.М. Исследование эффективности энергоактивных ограждений для пассивного солнечного отопления // Промышленная энергетика. 2007. № 8. С. 52-54.

се России. Выполнен анализ и представлены графические зависимости количества солнечной радиации в осенне-весенний отопительный период, показывающие целесообразность использования энергии солнца. Определено, что аккумулирующая способность строительного материала в большей степени зависит от плотности и удельной теплоемкости. Определен экономический эффект учета солнечной радиации при проектировании тепловой защиты здания. Таким образом, очевидна необходимость комплексного учета теплопоступлений от солнца при проектировании ограждающих конструкций зданий в средней полосе РФ.

References

1. Shchukina T.V. The absorption capacity of external protections of buildings for the passive use of solar radiation. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2012. No. 9, pp. 66-68. (In Russian).

2. Shchukina T.V. Energy-saving exterior fences for buildings with controlled climate. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2009. No. 4, pp. 48-49. (In Russian).

3. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Theoretical reasons for calculation of reduced thermal resistance of building enclosures. Stroitefnye materialy [Construction materials]. 2010. No. 12, рр. 4-12. (In Russian).

4. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Account of thermal nonuniformities during estimation of thermal performance of building enclosures in Russia and European countries. Stroitefnye materialy [Construction materials]. 2013. No. 6, рр. 14-16. (In Russian).

5. Samarin O.D. The energy balance of public buildings and possible ways of energy saving. Zhilishchnoye stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 8, рр. 2-4. (In Russian).

6. Dylewski Robert, Adamczyk J. Economic and ecological indicators for thermal insulating building investments. Energy and Buildings. 2012. No. 54, рр. 88-95.

7. Allan Hani, Teet-Andrus Koiv. Energy Consumption Monitoring Analysis for Residential, Educational and Public Buildings. Smart Grid and Renewable Energy. Vol. 3. No. 3. 2012, рр. 231-238.

8. Livchak V.I. Duration of the heating season for multystorey dwellings and public buildings. The regime of operation of heating and ventilation systems (considering ISO 13790:2008 and actualized edition of GOST R 13790. Energosberezheniye. 2013. No. 6, рр. 22-27. (In Russian).

9. Naumov A.L.,Smaga G.A., Shilkrot Ye.O. Determination of annual energy consumption for building operation. AVOK.

2010. No. 4, рр. 16-23.

10. Shchukina T.V. Trends of increasing energy supply geoactive buildings. Energosberezhenie. 2009. № 2, pp. 66-70. (In Russian).

11. Turulov V.A. Gelioaktivnye walls of buildings. Moscow: ASV,

2011. 168 p.

12. Bezrukikh P.P., Strebkov D.S. Vozobnovlyaemaya energetika: strategiya, resursy, tekhnologii [Renewable energy: strategy, resources and technologies]. Moscow: GNU VIESH, 2005. 264 p.

13. Shchukina T.V. Solnechnoe teplosnabzhenie zdanii i sooruzhenii [Solar heating of buildings]. Voronezh: VGASU, 2007. 121 p.

14. Shchukina T.V., Chudinov D.M. Research of efficiency of energy active enclosures for passive solar heating. Promyshlennaya energetika. 2007. No. 8, pp. 52-54. (In Russian).

|l-2'2017