Конференция школьников «Старт в науку»
Секция 2 – «Общая и теоретическая физика»
Исследование процессов теплопередачи в зданиях с использованием методов теплового неразрушающего контроля
Автор: Аль-Згуль Самир Хусейнович
МОУ гимназия №52 г. Ростова-на-Дону,
Научный руководитель:
МОУ СОШ «Эврика-развитие»
учитель физики
канд. физ.-мат. наук
Москва - 2012
Введение.
Значительная часть энергии, расходуемая всем народным хозяйством – это энергия, идущая на отопление зданий (примерно1/4 часть всей потребляемой энергии).
В процессе отопления здания часть энергии расходуется на «обогрев улицы», т. к. часть тепла теряется в основном через ограждающие конструкции.
Цель данной работы - выполнить исследование процессов теплопередачи через ограждающие конструкции здания, провести технологический расчет теплопотерь и рассчитать экономическую эффективность мероприятий, при которых может быть достигнута экономия энергии. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить причины потерь тепла в здании;
2. Исследовать процессы, приводящие к потерям тепла;
3. Проанализировать возможности уменьшения теплопотерь;
4. Выделить элементы - источники тепла в здании;
5. Исследовать процессы, увеличивающие и уменьшающие теплоотдачу этих элементов;
6. Разработать мероприятия, приводящие к увеличению теплоотдачи элементов отопления;
7. Проанализировать возможности уменьшения теплопотерь;
8. Оценить экономическую эффективность предложенных мероприятий;
В качестве объекта исследования выбрать здание МОУ гимназии № 52 г. Ростова-на-Дону, на примере которого реализовать поставленные задачи.
Исследование осуществлялось в три этапа:
1 этап – поисково-теоретический (анализ литературы, изучение проблемы)
2 этап - опытно-экспериментальный
3 этап – заключительно-обобщающий (систематизация материала исследования, обобщение результатов, формулирование выводов и рекомендаций прикладного характера);
Инструменты исследования: тепловизор «Иртис 2000с» для бесконтактных измерений при комплексном тепловом неразрушающем контроле строительных конструкций, измерители-регистраторы самопишущие ИС -201, измеритель плотности теплового потока ИПП – 2.
Результаты исследования:
1. Проведено тепловизионное обследование здания школы. Получены термограммы южного, северного, западного и восточного фасадов школы.
2. С помощью приборов измерения теплового потока и датчиков самописцев теплового потока и температуры были поведены многодневные измерения параметров среды и теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций школы.
3. Создана компьютерная модель здания школы в среде объектно-ориентированной САПР AllPlan по техническому паспорту БТИ. Рассчитаны площади ограждающих конструкций для определения теплопотерь всего здания.
4. Проведен расчет теплопотерь здания школы.
5. В результате анализа термограмм выявлены зоны с повышенной температурой (зарадиаторные участки, зоны дефектов конструкций, увлажненных участков стен, щелей и т. д.).
6. Предложен ряд качественных энергоэффективных мероприятий - устранение протечек в водопроводной систему здания, заделка стыков и устранение других конструктивных дефектов.
7. Предложена конструкция устройства зарадиаторного отражающего экрана. С помощью приборов измерения теплового потока и датчиков самописцев теплового потока и температуры были поведены измерения параметров среды и теплофизических характеристик наружных ограждающих конструкций после устройства зарадиаторного экрана.
8. Произведен расчет энергетической и экономической эффективности устройства зарадиаторных отражающих экранов из материала с высокой отражательной и низкой теплопроводной характеристикой.
9. Выполнен расчет теплотехнических характеристик радиаторов в зависимости от цвета окраски.
1.Актуальность и новизна исследования
Требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений включают в себя:
1) показатели, характеризующие удельную величину расхода энергетических ресурсов;
2) требования к влияющим, на энергетическую эффективность, архитектурным, функционально-технологическим, конструктивным и инженерно-техническим решениям;
3) требования к отдельным элементам, конструкциям и к их свойствам, к используемым устройствам и технологиям, а также требования к включаемым в проектную документацию и применяемым при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте технологиям и материалам, позволяющим исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, так и в процессе эксплуатации.
Требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений подлежат пересмотру не реже чем один раз в пять лет в целях повышения энергетической эффективности зданий, строений, сооружений.
Для определения соответствия требованиям энергетической эффективности зданий, строений, сооружений необходимо проведение энергетического обследования.
Целью энергетического обследования является:
1) получение объективных данных об объеме используемых энергетических ресурсов;
2) определение показателей энергетической эффективности;
3) определение потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
4) разработка перечня типовых, общедоступных мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности и проведение их стоимостной оценки.
На данный момент по результатам энергетического обследования составляется энергетический паспорт.
Проанализировав методы проведения подобного рода обследований и изучив отчеты, составляемые по результатам обследования, были поставлены и решены следующия задачи:
- выполнено тепловизионное обследование школы, с целью сбора и анализа данных, необходимых для расчета теплопотерь здания в отопительный период;
- выполнен технологический расчет по определению фактических теплопотерь здания;
- проведена техническая оценка эффективности мероприятий, повышающих класс энергоэффективности зданий, т. к. в изученных отчетах оценка зачастую приводилась лишь качественная;
- проведен эксперимент по устройству защитных отражающих экранов в зарадиальной зоне и, т. к. несмотря на то, что данное мероприятие предлагалось в изученных отчетах, но экспериментально подтвержденных данных о целесообразности подобного рода мероприятий не приводилось ;
- проведена экономическая оценка эффективности данного мероприятия;
- проведена оценка эффективности покраски радиатора краской с более высокой излучательной способностью, с целью увеличения теплоотдачи радиатора.
Также предполагается продолжить исследование с целью:
1. Моделирования оптимального сочетания следующих параметров:
· материала защитного экрана;
· расстояния между стеной и отопительным прибором;
· угла наклона защитного экрана;
· размера защитного экрана с возможностью захода экрана на пол и под подоконник.
2. Построение на базе этих параметров целевой функции минимизирующей теплопотери через наружные ограждения.
3. Разработка программы в среде Delphi, выбирающей для данного типа здания, наиболее эффективные энергосберегающие мероприятий
2. Теплофизические исследования с целью определения теплопотерь здания школы.
Тепловые потери в зданиях происходят по трем основным причинам (рис.1):
· вследствие теплопроводности через стены, окна, крыши и полы 1-го этажа;
· вследствие теплопроводности и меньшей степени путем излучения и конвекции через окна и иное остекление;
· путем конвекции и перетока воздуха через элементы наружного ограждения здания, который обычно происходит через открытые окна, двери и вентиляционные отверстия (принудительно или естественно) или путем инфильтрации, т. е. проникновения воздуха через щели в ограждающих конструкциях здания, например по периметру дверных и оконных рам.
Рис. 1 Тепловой баланс здания.
Для того чтобы решить проблему экономия энергии в здании путем уменьшения теплопотерь, необходимо разобраться в механизме сопровождающих теплопотери процессов. Как любое физическое явление, теплопроводность протекает во времени, пространстве и связано в большей степени с понятием поля температур. Совокупность значений температур в различных точках пространства в различные моменты времени называется температурным полем. Если температура конкретной точки тела зависит только от координат T = f (x, y, z) , то такое температурное поле называется стационарным, а если от координат и времени T = f (x, y, z, τ) – нестационарным.
Обычно при теплотехнических расчетах наружных ограждающих конструкций принимается, что теплопередача происходит в стационарных тепловых условиях, т. е. при постоянстве во времени всех характеристик процесса: теплового потока, температуры в каждой точке, теплофизических характеристик строительных материалов.
Математическое выражение закона теплопроводности Фурье:
q = −λ(∂T / ∂n) (1)
λ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·°С);
n - нормаль к поверхности.
Чем больше значение λ, тем интенсивнее в материале процесс теплопроводности и значительнее тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с коэффициентом теплопроводности менее 0,3 Вт/(м·°С).
Коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением влажности материала.
Повышение коэффициента теплопроводности с увеличением влажности материала происходит из-за того, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности около 0,58 Вт/(м·°С), что в 22 раза больше, чем у воздуха, находящегося в порах. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности, если влажный материал промерзает, т. к. лед имеет коэффициент теплопроводности 2,3 Вт/(м·°С), что в 80 раз больше, чем у воздуха. Коэффициент теплопроводности материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Усиление теплопроводных свойств объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
