УДК 662.447536.24 К.А. САМИЕВ ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЛОЖНОГО СВЕТОПРОЗРАЧНОГО ОГРАЖДЕНИЯ С ЧАСТИЧНО ЛУЧЕПОГЛОЩАЮЩИМ СЛОеМ
И ПРОДУХОМ В ИНСОЛЯЦИОННЫХ ПАССИВНЫХ СИСТЕМАХ СОЛНЕЧНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований по определению тепловой эффективности сложного светопрозрачного ограждения с частично лучепоглощающим слоем и продухом в инсоляционных пассивных системах солнечного отопления.
Тепловая эффективность сложного светопрозрачного ограждения с частично лучепоглощающим слоем (ЧЛС) и продухом (рис. 1, а) определяется из отношения [1]
, (1)
где – полезный поток тепла, получаемый отапливаемым помещением; – поверхностная плотность суммарного солнечного излучения, падающего на плоскость поверхности светопрозрачного ограждения, имеющего площадь поверхности Fспо. Получаемый Qпол отапливаемым помещением, в данном варианте конструкции сложного светопрозрачного ограждения определяется как
, (2)
где
(3)
– поток суммарного солнечного излучения, прошедшего сквозь светопрозрачное ограждение и входящего в отапливаемое помещение; – эффективный интегральный коэффициент пропускания суммарного солнечного излучения сложного светопрозрачного ограждения [2];
(4)
– поток тепла, передаваемый путем конвекции и излучения от внутренней поверхности ЧЛС в отапливаемое помещение; – коэффициент теплообмена между внутренней поверхностью ЧЛС и помещением; – температура внутренней поверхности ЧЛС; Тк – температура воздушной среды отапливаемого помещения;
(5)
– поток тепла, передаваемого путем конвекции от продуха в отапливаемое помещение; Твх, Твых – температуры воздуха на входе и выходе из продуха; ср – удельная теплоемкость воздуха; – массовой расход воздушного потока в продухе.
Рис. 1. Принципиальная схема сложного трехслойного светопрозрачного ограждения с ЧЛС
и продухом (а): 1 – двухслойное, относительно высокопрозрачное ограждение (ОВС); 2 – ЧЛС; 3 – падающее солнечное излучение; 4 – стены; 5 и 6 – входное и выходное отверстия продуха (7) и расположение термопар на поверхности ЧЛС и отверстиях продуха (б).
Подставляя (3)-(5) в (2), а затем полученное в (1), имеем
. (6)
Из отношения (6) следует, что тепловая эффективность сложного светопрозрачного ограждения с ЧЛС и продухом в инсоляционных пассивных системах солнечного отопления () в течение светового дня будет меняться в зависимости от дневного изменения , , температуры наружного воздуха (То) и, соответственно, Твн и Тк.
Для расчета дневного хода тепловой эффективности рассматриваемого светопрозрачного ограждения предложена математическая модель тепловых процессов, происходящих в системе «сложное светопрозрачное ограждение с ЧЛС и продухом – воздушная среда отапливаемого помещения» на основе балансовых уравнений его отдельных элементов и воздушной среды отапливаемого помещения.
Балансовые уравнения данной системы имеют вид:
– для внутреннего ОВС с температурой Т1
; (7)
– для наружного ОВС с температурой Т2
; (8)
– для ЧЛС с температурой Т4
; (9)
– для воздушного потока
; (10)
– для воздушной среды отапливаемого помещения
, (11)
где mc и сс – соответственно, масса и удельная теплоемкость ОВС; Т1, Т2 – температуры ОВС; – время; , – эффективные коэффициенты поглощения суммарного солнечного излучения внутреннего и наружного ОВС; – коэффициент теплообмена излучением между внутренним ОВС и ЧЛС; – коэффициент конвективного теплообмена поверхности внутреннего ОВС и воздушным потоком в продухе; – средняя температура воздушного потока в продухе; , – коэффициенты конвективного и лучистого теплообмена между ОВС; , – коэффициенты конвективного и лучистого теплообмена излучением между наружным ОВС и окружающей средой; То – температура окружающей среды; mч, сч – масса и удельная теплоемкость ЧЛС; – эффективный коэффициент поглощения ЧЛС; – коэффициент конвективного теплообмена между ЧЛС и воздушным потоком; Т – температура воздуха в продухе; – плотность воздуха в продухе; – расстояние между ЧЛС и ОВС (т.е. толщина продуха 1.5 см); L – ширина продуха; V – объем внутрикомнатного воздуха; i – коэффициент теплообмена между внутрикомнатным воздухом и соответственным элементом (пол, потолок или стены); Fi – площадь поверхности соответственного элемента; Ti – температура соответственного элемента; n – количество элементов, непосредственно граничащих c внутренним воздухом.
Система уравнений (7)(11) решена численно, с использованием итерационного метода Гаусса-Зейделя [3] и применением неявной конечно-разностной схемы. Температуры отдельных элементов системы «сложное светопрозрачное ограждение с ЧЛС и продухом – воздушная среда отапливаемого помещения» определены с помощью метода контрольного объема [4].
Значения коэффициентов , , , , в (7)-(11) определены по общеизвестными выражениям, приведенным в [5].
Значение коэффициента конвективного теплообмена в продухе определено по формулам [6]
, (12) Nu = 0.7362 Ra0.2579 (13)
– критерий Нуссельта;
(14)
– критерий Рэлея; , , и – соответственно, теплопроводность, кинематическая вязкость, термический коэффициент объемного расширения и коэффициент температуропроводности воздуха в продухе;
, (15)
где Fвх – площадь поперечного сечения входного отверстия продуха; , – соответственно, аэродинамические сопротивления на входе и выходе из продуха; f – сопротивление трения продуха; H – высота ЧЛС; g – ускорение свободного падения;
– определяющий размер продуха.
В целях проверки адекватности предложенной модели проведены соответствующие экспериментальные исследования.
Теплотехнические и геометрические параметры экспериментального объекта, на примере которого решена данная система, приведены в [7].
Дневные ходы исходных данных – температуры окружающей среды (То) и поверхностной плотности потока суммарного солнечного излучения ( ), падающего на плоскость фронтальной поверхности сложного светопрозрачного ограждения приведены на рис. 2.
Часы
Рис. 2. Дневные ходы температуры окружающей среды (То) и падающего
суммарного солнечного излучения ( ) на фронтальную поверхность ориентированной на юг вертикальной плоскости (14.12.2007, г. Карши).
На рис. 3 приведены результаты расчетных и экспериментальных исследований дневных ходов температур воздушной среды отапливаемого помещения с помощью инсоляционной пассивной солнечной системы рассматриваемого типа, воздушного потока на выходе из продуха светопрозрачного ограждения, а также массового расхода воздуха на выходе из продуха. Как следует из сопоставления графиков, результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность предложенной модели и результатов ее численной реализации.
Часы
1
2
3
4
5
Рис. 3. Дневные ходы температур воздушной среды отапливаемого помещения (Tк – расчетные
(1) и опытные (2) данные), температуры воздуха на выходе из продуха (Твых– сплошная –
расчетные (3) и опытные (4) данные), а также массового расхода воздуха в продухе ( – (5))
сложного светопрозрачного ограждения с площадью поверхности (Fспо) 2.17 м2.
Часы
Рис. 4. Дневные ходы тепловой эффективности сложного трехслойного светопрозрачного
ограждения с ЧЛС и продухом () и удельная теплопроизводительность продуха (q).
На рис. 4 приведены результаты исследований дневных ходов тепловой эффективности сложного трехслойного светопрозрачного ограждения с частично лучепоглощающим слоем и продухом в инсоляционной пассивной системе реального объекта [6], а также удельной теплопроизводительности рассматриваемого продуха.
Как следует из графиков, вентилирование комнатного воздуха через продух сложного трехслойного светопрозрачного ограждения приводит к существенному повышению (на 2530%) их тепловой эффективности (рис. 4).
Температура окружающей среды и воздуха внутри помещения измерялась ртутными термометрами и медь-константановыми термопарами с погрешностью 0.1°С. Интенсивность суммарного солнечного излучения измерялась с помощью термоэлектрического пиранометра М-80 с гальванометром ГСА-I.
Температура в разных местах в ЧЛС и потока воздуха на входе и выходе из продуха измерялась с помощью медь-константановых термопар.
Литература
[1] Авезов Р.Р., Самиев К.А. // Гелиотехника. 2006. №2. С. 60-66. [2] Авезов Р.Р., Самиев К.А. // Гелиотехника. 2006. №3. С. 73-80. [3] Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. Пер. с англ. М.: Мир. 1983. 512 с. [4] Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамика жидкости. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат. 1984. 152 с. [5] Даффи Д.А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Пер. с англ. М.: Мир. 1977. 409 с. [6] Hatami N., Bahadorinejad M. Experimental determination of natural convection heat transfer coefficient in a vertical flat-plate solar air heater// Solar Energy. V. 82. P. 903-910. [7] Дусяров А.С., Авезов Р.Р. // Гелиотехника. 2000. №4. С. 50-54.
Физико-технический институт Дата поступления
НПО «Физика-Солнце» АН РУз 19.09.2008
Do'stlaringiz bilan baham: |
