Т Е Х НИ Ч ЕС К И У Н И ВЕ Р СИ Т ЕТ - СОФ ИЯ

Е н е р г о м а ш и н о с т р о и т е л е н ф а к у л т е т

Катедра „Топлинна и хладилна техника”

маг. инж. Борислав Николов Станков

МОДЕЛИ НА ТОПЛОПРЕНОСНИТЕ ПРОЦЕСИ В

ПАСИВНИ СЛЪНЧЕВИ СИСТЕМИ

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертация за придобиване на образователна и научна степен

„ ДОКТОР”

Научна специалност:

„Енергопреобразуващи технологии и системи”

НАУЧЕН РЪКОВОДИТЕЛ

проф. д-р инж. Никола Георгиев Калоянов

РЕЦЕНЗЕНТИ

доц. д-р инж. Мерима Йорданова Златева

доц. д-р инж. Нина Янкова Пенкова

СОФИЯ 2016

2

Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита от катедра

„Топлинна и хладилна техника” при Технически университет – София на

заседaние на Kатедрен съвет, проведено на 15.12.2015 г.

Защитата на дисертационния труд ще се състои на 05.05.2016 г. от 13:00 ч.

в Конферентната зала на БИЦ на ТУ – София на открито заседание на научното

жури, определено със заповед № ОЖ-46 от 14.01.2016 г. на Ректора на

ТУ – София.

Материалите по защитата са на разположение в канцеларията на

Енергомашиностроителния факултет – стая 2344, блок 2 на ТУ – София.

Дисертацията е разделена в пет глави: „Увод”, „Дизайн и енергийно

моделиране на пасивни слънчеви системи”, „Експериментално изследване на

стена на Тромб”, „Резултати от научното изследване” и „Заключение”. Общият

обем на дисертацията е 242 страници, като в тях са включени 84 фигури и

9 таблици. Цитирани са 110 литературни източника, от които 8 на кирилица и

102 на латиница.

АВТОР: маг. инж. Борислав Николов Станков

ЗАГЛАВИЕ: „Модели на топлопреносните процеси в пасивни слънчеви системи”

3

ГЛАВА 1. УВОД

АКТУАЛНОСТ НА ПРОБЛЕМА

Енергийните характеристики на сградите могат да бъдат оптимизирани

чрез интелигентни архитектурни решения, които да ги адаптират по най-добрия

начин към местните климатични условия. Към тези решения спадат пасивните

слънчеви системи, които способстват за по-ефективно усвояване на слънчевата

енергия. Сред основните бариери, възпрепятстващи по-широкото и по-ефективно

приложение на пасивните слънчеви системи, са трудностите, които се срещат

при оценката на влиянието им върху енергийните характеристики на сградите.

Всеки отделен случай изисква качествен анализ, който може да бъде направен

единствено чрез енергийно моделиране и симулиране. За тази цел може да бъде

използван някой от мощните софтуери за динамично моделиране и симулиране,

каквито са EnergyPlus, ESP-r и TRNSYS. Те обаче изискват високо ниво на

подготовка от страна на потребителите и обикновено отделянето на много време

за осъществяване на процеса.

Много често изпълнителите не разполагат с ресурса за осъществяване на

динамично моделиране и симулиране. Това налага създаването на опростени

методи, които да позволяват по-бързо и лесно провеждане на енергийните

анализи. Квазистационарният месечен метод от БДС EN ISO 13790 е един от

алтернативните подходи, който е предназначен за по-широка база от

потребители, но до момента има ограничени възможности по отношение на

пасивните слънчеви системи. Същевременно липсват задълбочени и надеждни

анализи за енергийната и икономическата ефективност на различните видове

пасивни слънчеви системи в условията на България.

ЦЕЛ И ЗАДАЧИ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Научното изследване по дисертацията адресира този проблем, като е

фокусирано върху пасивната слънчева система „стена на Тромб” – в частност

към невентилираната ѝ конфигурация, която по-нататък е наричана „затворена

стена на Тромб”. Целта на дисертацията е да бъде направена генерална оценка

на потенциала за енергийно ефективно приложение на затворената стена на

Тромб в България и да бъде създаден опростен квазистационарен модел за

оценка на енергийните ѝ характеристики, съвместим с месечния метод от

БДС EN ISO 13790. Този модел може да бъде използван за надграждане на

националната методология за изчисляване на годишен разход на енергия в сградите.

В рамките на научното изследване са проведени числени експерименти с

два от най-мощните инструменти за енергийно моделиране и симулиране на

сгради. Проведен е и натурен експеримент – върху специално изградена за

целта експериментална система на територията на ТУ – София.

4

ГЛАВА 2. ДИЗАЙН И ЕНЕРГИЙНО МОДЕЛИРАНЕ НА

ПАСИВНИ СЛЪНЧЕВИ СИСТЕМИ

ПАСИВНИ СЛЪНЧЕВИ СИСТЕМИ

Когато в архитектурата на сградите се поставя особен акцент върху

пасивното усвояване на слънчевата енергия, се използва понятието „пасивен

слънчев дизайн”. Това обикновено включва в себе си както основни решения в

цялостната архитектурна концепция, като форма, ориентация и вътрешно

разпределение на сградата, така и специфични пасивни системи или елементи,

които изпълняват определени функции.

Основна цел при пасивния слънчев дизайн е да се контролират във

времето (по естествен път) достъпът, съхранението и разпространението в

сградата на енергията идваща от слънцето (топлина и дневна светлина), и

предизвиканите от това движения на въздуха (естествена вентилация), така че

да се постигне най-благоприятният баланс между енергийните характеристики на

сградата и комфорта на обитателите. Пасивните слънчеви системи обикновено

изпълняват една или повече от следните четири функции: (1) улавяне; (2)

съхранение; (3) разпределение; (4) регулиране на достъпа на слънчевата енергия.

Примери за архитектурни елементи, които освен другите си предназначения

изпълняват функциите и на пасивни слънчеви системи, са: вентилируемите двойни

фасади, зимните градини, различните конфигурации на стена на Тромб и други.

Стена на Тромб

Стената на Тромб представлява сграден ограждащ елемент, който

съвместява функциите на колектор и акумулатор на слънчева енергия.

Принципни схеми на някои конфигурации на стена на Тромб са показани на фиг. 2-1.

Основните елементи на системата могат да бъдат определени като:

Акумулиращ елемент, който поглъща и акумулира достигащата до

повърхността му слънчева радиация; обикновено най-външният му

слой е някакъв вид абсорберно покритие;

Прозрачен елемент, който се разполага пред акумулиращия елемент

(като между тях се формира въздушно пространство) и изпълнява

същата функция като при плоските слънчеви колектори;

Вентилационни отвори (или други вентилиационни елементи), чрез

които може да се регулира протичането на въздух в пространството

между акумулиращия и прозрачния елемент;

Засенчващи елементи, чрез които може да се регулира достъпът на

слънчева радиация до прозрачния елемент.

5

Фигура 2-1. Kонфигурации на стена на Тромб

Акумулиращият елемент обикновено е конструкция от плътен материал с

голям топлинен капацитет. Типични примери са бетон, тухла, кирпич и камък, но

са известни и примери с използването на контейнери пълни с вода или вещества,

при които се използва фазовият преход от течно към твърдо състояние и

обратно. Абсорберното покритие трябва да има голям коефициент на поглъщане

на слънчевата радиация. Често срещан вариант е боядисването с черна боя, но

по-добра алтернатива е използването на селективно покритие, което има ниска

излъчвателна способност в инфрачервения спектър. Прозрачният елемент най-

често е единично или двойно остъклен с обикновено бяло стъкло и е разположен

на разстояние 2 – 5 cm от акумулиращия елемент. При вентилираните

конфигурации разстоянието може да бъде и по-голямо, но горната граница може

да се определи като 15 cm.

Погълнатата слънчева топлина може да бъде оползотворена в две

направления. Едното е чрез топлопреминаване през акумулиращия елемент към

вътрешната среда. При затворената стена на Тромб се разчита изцяло на този

ефект. В резултат от бавното протичане на процеса на топлинна дифузия в

акумулиращия елемент, погълнатата слънчева топлина достига до вътрешността

със закъснение от няколко часа. Така топлината, акумулирана през най-топлата

част от деня, се отдава към вътрешността на сградата през по-студените части

от денонощието. Другото направление е чрез загряване на въздушния поток,

протичащ през свободното пространство между акумулиращия и прозрачния

елемент, когато системата е отворена – използва се ефектът на „слънчевия комин”.

МОДЕЛИРАНЕ И СИМУЛИРАНЕ

Динамично моделиране и симулиране

Софтуерните инструменти, които позволяват симулирането на топлинни

процеси и системи при нестационарни условия, формират най-високия клас сред

подходите за моделиране и симулиране на сгради. Тези инструменти могат да

бъдат групирани в две категории:

6

Инструменти с отворена архитектура, които дават достъп на

потребителите до изходния (сорс) код;

Инструменти със затворена архитектура (тип „черна кутия”), при които

е възможно използаването само на предварително заложените от

производителя възможности.

Сред първата група спадат най-мощните продукти, като TRNSYS, ESP-r и

EnergyPlus, които позволяват най-голяма гъвкавост при моделирането на

различни традиционни и нетрадиционни топлинни системи. Те изискват по-

голяма експертиза от страна на потребителите и съответно по-дълги периоди на

обучение. Обикновено софтуерите от този тип представляват платформа (т.е.

симулационна среда), която може да бъде използвана директно или с помощта

на различни външни интерфейси. Инструментите от втората група, като Energy10

и Revit (Green Building Studio), обикновено имат по-интуитивни и улеснени за

ползване интерфейси, но разполагат с по-ограничени възможности за

симулиране на нестандартни компоненти и конфигурации.

Квазистационарни методи

Алтернатива на динамичните модели са опростените квазистационарни

методи, които позволяват по-бързо и лесно провеждане на енергийните анализи.

Тези методи дават възможност на голяма база от потребители да осъществяват

на сравнително бързи оценки, без да е необходимо въвеждането на твърде

много входни данни. Ползите от последното могат да бъдат окачествени в три

направления:

В ранните етапи на проектиране, когато се вземат ключовите решения

за цялостно оптимизиране на сградата и когато потенциалният ефект

от взетите мерки е най-голям, обикновено има малко фиксирани

параметри и много неизвестни – това прави трудно детайлното

моделиране на всеки отделен елемент;

Събирането на подробни данни за всеки елемент от сградата е трудно,

а понякога и невъзможно, особено при търсенето на бързи резултати

от енергийния анализ;

Подаването на неточни или концептуално некоректни входни данни се

отразява върху достоверността на получените резултати.

В този смисъл трябва да се отбележи, че използването на по-изчерпателни

и комплексни модели не дава непременно най-надеждните резултати. Причината

за това не се крие в недостатъците на самите модели, а в грешките допускани от

потребителите им. Докато усложняването на моделите води до по-точни

изчисления при перфектно подадени входни данни, грешките допускани при

подаването на тези данни се увеличават и в много случаи могат да се окажат с

по-голяма тежест от подобрението в точността на модела. С други думи,

7

надеждността на изчислителните модели достъпни за широка аудитория е

ограничена предимно от нивото на грешките във входните данни и в по-

незначителна степен от точността на самия модел. Това е една от причините за

паралелното развитие на опростените модели, въпреки значителния напредък

при мощните динамични модели, които предлагат все по-големи възможности.

Месечен метод от БДС EN ISO 13790

Международната организация по стандартизация (ISO) публикува серия от

стандарти, предписващи изчислителни методи за оценка на енергийните

характеристики на сгради, които са възприети като Европейски стандарти (EN) и

на национално ниво в България (БДС). Към стандартите, приложими в тази

област, се включват: БДС EN ISO 6946, БДС EN ISO 7345, БДС EN ISO 10077,

БДС EN ISO 13370, БДС EN ISO 13786, БДС EN ISO 13789 и БДС EN ISO 13790,

както и БДС EN ISO 15927-4.

Методите за съставяне на енергиен баланс и изчисляване на годишен

разход на енергия в сградите са утвърдени в БДС EN ISO 13790. Неговият

месечен метод е основа на хармонизираните национални методологии за

изчисляване на енергийните характеристики на сградите в страните членки на ЕС.

За всяка топлинна зона и всяка времева стъпка на изчислението (т.е.

месец или сезон), потребната енергия за отопление ( ) или охлаждане ( )

се изчислява като:

(2-1)

(2-2)

където: – пълни топлинни загуби; – пълни топлинни притоци; –

фактор на оползотворяване на топлинните притоци; – фактор на

оползотворяване на топлинните загуби.

БДС EN ISO 13790 прави разграничение между топлинните загуби и

топлинните притоци в зависимост от това каква е движещата сила на

топлопреносния процес. По тази причина е възможно всеки от тези два

компонента да има отрицателен знак. Потребните енергии за отопление и

охлаждане обаче са винаги по-големи или равни на нула.

По дефиниция топлинните загуби включват всички топлинни потоци (с

положителен и отрицателен знак), които са силно зависими от вътрешната

температура и се определят като функция от нея. За разлика от тях, топлинните

притоци включват всички топлинни потоци (с положителен и отрицателен знак),

които не зависят (или са много слабо зависими) от вътрешната температура на

топлинната зона. Респективно вътрешната температура не участва като

параметър при определянето на топлинните притоци.

8

В отоплителния сезон не всички топлинни притоци могат да бъдат

оползотворени като топлинни печалби, допринасящи за намаляване на

потребната енергия за отопление. Някои топлинни притоци навлизат в сградата в

периоди, когато не е необходимо отопление, в резултат на което водят до

ненужно покачване на вътрешната температура – т.е. до прегряване. Така само

част от топлинните притоци се превръщат в оползотворени топлинни печалби.

Безразмерният фактор на оползотворяване на топлинните притоци ( ),

който се използва в уравнение 2-1, представлява дяла от топлинните притоци,

който спомага за намаляване на необходимостта от отопление. Определя се като

функция от съотношението на пълните топлинни притоци към пълните топлинни

загуби ( и параметъра , който зависи от топлинната инерция на сградата.

(2-3)

(2-4)

(2-5)

Уравнение 2-4 е линейна функция, при която се използват емпирично

изведени коефициенти и . Топлинната инерция на сградата (топлинната

зона) се изразява чрез нейната времеконстанта ( ), която зависи от топлинните

капацитети на ограждащите елементи. Вътрешният топлинен капацитет на всеки

отделен елемент може да се определи съгласно детайлния или някой от

опростените подходи, които са предписани в БДС EN ISO 13786. Факторът на

оползотворяване на топлинните загуби ( ), който се използва за изчисление на

потребната енергия за охлаждане, се дефинира по аналогичен на начин.

Месечният метод от БДС EN ISO 13790 е най-всеобхватният сред

квазистационарните методи за енергийно моделиране на сгради. Един от

недостатъците му е ограничената възможност за анализ на пасивни слънчеви

елементи. Сред съществуващия инвентар от модели например няма такъв, който

да е приложим за затворена стена на Тромб. От друга страна, двата най-

популярни опростени метода, които са приложими за стена на Тромб (SLR

методът и методът на неоползотворяемостта), не могат да бъдат директно

интегрирани или лесно адаптирани към общата рамка на методиката от

стандарта. Освен това всеки от тях има свои присъщи недостатъци.

Основна цел на научното изследване по дисертацията е разработването

на опростен модел за оценка на енергийните характеристики на затворена стена

на Тромб, който да е напълно съвместим с месечния метод от

БДС EN ISO 13790.

9

ГЛАВА 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ИЗСЛЕДВАНЕ НА СТЕНА НА ТРОМБ

Експерименталното изследване на енергийните характеристики на

затворена стена на Тромб е осъществено в две направления:

Провеждане на многофакторен симулационен експеримент – върху

общ модел на стена на Тромб – за изследване на поведението на

различни конструкции при различни външни условия;

Провеждане на натурен експеримент – върху специално изграден за

целта експериментален модул на стена на Тромб – за изследване на

поведението на действителна система, поставена в реални условия.

Планът на експерименталното изследване е показан схематично на фиг. 3-1.

Фигура 3-1. План на експерименталното изследване

10

МНОГОФАКТОРЕН СИМУЛАЦИОНЕН ЕКСПЕРИМЕНТ

Многофакторният експеримент, който е проведен с помощта на TRNSYS, е

основата за създаването на опростения квазистационарен модел на затворена

стена на Тромб, който е заложен като основна цел на дисертацията. Резултатите

са използвани и за оценка на енергийната ефективност на стената на Тромб при

различни факторни стойности, която е базирана на сравнение с добре изолирана

външна стена, с референтна стойност на коефициента на топлопреминаване,

определена съгласно нормативните изисквания. Изследвани са общо 11 340

конфигурации (7 фактора с 2 до 7 нива):

Дебелина (10 – 50 cm) и материал (бетон, кирпич, два вида тухла и два

вида камък) на акумулиращия елемент;

Вид на абсорберното покритие – без покритие, черна акрилна боя и

селективно покритие;

Брой на стъклата (обикновено бяло стъкло) на прозрачния елемент –

едно или две;

Разстояние между акумулиращия и прозрачния елемент (2.5 – 10 cm);

Ориентация на стената на Тромб – юг, югоизток и югозапад;

Часови климатични данни за представителна година (TMY2 формат) за

София, Плевен, Варна, Пловдив и Сандански.

Останалите геометрични размери и други характеристики са фиксирани.

Системата винаги е невентилирана (затворена), а температура на вътрешната

среда постоянно се поддържа със стойност 19°C.

В допълнение към симулациите с TRNSYS, са проведени и симулации чрез

софтуера DesignBuilder (т.е. с EnergyPlus). Изследвани са енергийните

характеристики на сграда, която има интегрирана стена на Тромб, за

климатичните условия на град София при различни типове конструкции (лека,

средна и тежка) и режими на обитаване (жилищна и нежилищна). Тези симулации

са използвани за анализ на точността на изчислителната процедура от БДС EN

ISO 13790, чрез която се определя факторът на оползотворяване на топлинните

печалби. Този допълващ анализ е свързан с интегрирането на новия модел в

общата рамка на методиката от стандарта.

НАТУРЕН ЕКСПЕРИМЕНТ

. Натурният експеримент е осъществен върху специално изградена за

целта експериментална система, която се намира на територията на ТУ-София.

Изградена е едноетажна сглобяема къща, в чиято южна фасада е интегриран

експериментален модул на стена на Тромб. Експерименталният модул е с

височина 2.68 m и широчина 1.84 m. Прозрачният елемент е с PVC профили и

двоен стъклопакет, и е разположен на 0.1 m пред акумулиращия елемент.

11

Акумулиращият елемент е с дебелина 0.12 m и е разделен на две части.

Долната половина е изградена от зидария от плътни бетонни тухли, а горната

половина е изградена от зидария от плътни глинени тухли. Абсорберното

покритие от външната страна на акумулиращия елемент е черна алкидна боя.

В средата на всяка от двете половини на акумулиращия елемент има

малък технологичен отвор. Във всеки от двата отвора са поставени

температурни сензори, които са използвани за измерване на температурния

профил по дебелина на стената. През тези отвори са прекарани и кабелите на

всички сензори разположени от външната страна.

На експерименталния модул са монтирани общо 28 контактни

температурни сензора (термодвойки тип Т):

По 7 броя (2 + 3 + 2) на външните повърхности на всяка от двете

половини на акумулиращия елемент;

По пет броя, които са разположени през 2 cm – на 2, 4, 6, 8 и 10 cm от

външната повърхност на акумулиращия елемент – във всеки от двата

технологични отвора, за измерване на температурния профил по

дебелина на конструкцията;

По 2 броя (разположени симетрично) на вътрешните повърхности на

всяка от двете половини на акумулиращия елемент.

Монтирани са и 4 сензора UAS1000 за измерване на температура и скорост

на въздуха, които са разположени по два пред средата на всяка от двете

половини на акумулиращия елемент – на 2.5 cm и 7.5 cm.

В непосредствена близост до експерименталната система – наричана по-

нататък „пасивна къща” – е разположена метеорологична станция, която включва

и система за измерване на пълната и дифузната слънчева радиация. Данните от

метеорологичната станция, от измервателните уреди на експерименталния

модул и от измерената вътрешна температура в къщата се записват в обща база

данни на всеки пет минути и на всеки час. Обща схема и снимка отвън на

експерименталната система са показани съответно на фиг. 3-2 и 3-3.

Измерванията са направени в рамките на отоплителния сезон на

2014/2015 г. (22 октомври – 22 април). В допълнение към основната част на

експеримента е направен и термовизионен анализ на температурното поле на

вътрешната повърхност на акумулиращия елемент. Заснемането с

термовизионна камера е направено на 18.02.2015 г. от 09:45 до 18:05 ч.

Използвана е инфрачервена камера FLIR ThermaCAM P45.

На ескперименталната система е направен и компютърен модел в

DesignBuilder, който е калибриран чрез резултатите от натурните измервания.

Този модел е използван за получаване на топлинните потоци, за които няма

12

преки измервания. Резултатите от тази част от експерименталното изследване

са използвани за първоначална валидация на създадения квазистационарен модел.

Фигура 3-2. Обща схема на експерименталната система

Фигура 3-3. Пасивна къща и метеорологична станция

13

ГЛАВА 4. РЕЗУЛТАТИ ОТ НАУЧНОТО ИЗСЛЕДВАНЕ

МОДЕЛ НА ТОПЛОПРЕНОСНИТЕ ПРОЦЕСИ В СТЕНА НА ТРОМБ

В резултат от многофакторния експеримент с TRNSYS е създаден нов

квазистационарен модел на стена на Тромб, който е напълно съвместим с

месечния метод от БДС EN ISO 13790. Предложеният нов модел дава уравнения

за определяне на пълните топлинни загуби и пълните топлинни притоци през

стената на Тромб (СТ):

(4-1)

(4-2)

(4-3)

където: – нетен топлообмен между СТ и топлинната зона в сградата; – топлинни загуби през СТ; – топлинни притоци през СТ; – пълен

коефициент на топлопреминаване на СТ; – пълна площ на СТ; –

задание за вътрешната температура на топлинната зона; – средна външна

температура; – продължителност на изчислителния период в часове; – среден интензитет на слънчевата радиация за единица повърхност със

съответния наклон и азимут; – фактор на засенчване от външни причини;

– ефективна площ на приемащата слънчева енергия повърхност.

Съвместимостта с месечния метод от БДС EN ISO 13790 е причината за

изричното разграничаване на топлинните загуби от топлинните притоци. По

същата причина изчисляването на оползотворявания дял от топлинните притоци

остава изцяло прерогатив на съществуващия метод от стандарта.

Изчисляване на топлинните загуби

В новия модел е използван класическият подход за изчисляване на

топлинните загуби от топлопреминаване, като по-специално внимание е

обърнато на определянето на еквивалентното топлинно съпротивление от

външната повърхност на акумулиращия елемент към външната среда. Пълният

коефициент на топлопреминаване на стената на Тромб е дефиниран като:

(4-4)

където: – топлинно съпротивление на вътрешната повърхност;

– дебелина на акумулиращия елемент; – коефициент на топлопроводност

на акумулиращия елемент; – обобщен коефициент на топлопреминаване от

външната повърхност на акумулиращия елемент към външната среда.

14

Резултатите от динамичните симулации с TRNSYS показват, че за може

да бъде използвана стандартната стойност за вертикални вътрешни повърхности

от 0.13 m2K/W. При наличие на допълнителни конструктивни слоеве от

вътрешната страна (например замазка или шпакловка), тяхното топлинно

съпротивление също следва да бъде отчетено.

В табл. 4-1 са представени предложените стойности на , базирани на

статистическия анализ на резултатите от симулациите, в зависимост от вида на

абсорберното покритие и броя на стъклата. Предложените стойности са

определени от средната стойност на извадката от всички симулации, които

попадат в съответната група. Освен средната стойност, за всяка от четирите

извадки е представена медианата, както и медианата на абсолютното отклонение

от медианата (МАОМ).

Таблица 4-1. Стойности на коефициента Ue в новия модел

Изчисляване на топлинните притоци

От първоначалния анализ на данните е установено, че топлинните притоци

през стената на Тромб могат да бъдат представени като произведение на

погълнатата от повърхността на акумулиращия елемент слънчева радиация

( ) и един коефициент на пропорционалност, който зависи от конструкцията на

стената на Тромб:

(4-5)

Абсорбираната слънчева топлина може да се определи като

произведението на коефициента на поглъщане на слънчева радиация на

абсорберното покритие и преминалата през прозрачния елемент слънчева

радиация. Като се вземат предвид геометричните характеристики на стената на

Тромб, може да се приеме, че цялото количество преминала през прозрачния

елемент слънчева радиация достига до повърхността на акумулиращия елемент,

без това да доведе до значителна грешка в изчисленията.

Коефициентът на пропорционалност от уравнение 4-5 е безразмерен

фактор, който изразява дяла от погълнатата слънчева радиация, достигащ до

топлинната зона. Физически той зависи най-вече от скоростта на

Вид на абсорберното покритие

Брой на стъклата

Средна стойност

Медиана МАОМ

Обикновено ( ) Едно 3.2 3.3 0.30

Обикновено ( ) Две 2.1 2.1 0.16

Селективно ( ) Едно 1.1 1.1 0.08

Селективно ( ) Две 0.9 0.9 0.06

15

разпоространение на топлината в акумулиращия елемент и способността на

външната конструкция на стената на Тромб да предотвратява загубите на

акумулираната топлина обратно към външната среда. Теоретично може да

варира между 0 и 1, а получените стойности от симулациите са в диапазона от

0.21 до 0.87, с медиана 0.54. Факторът може да се разглежда като ефективна

пропускливост на слънчева енергия на акумулиращия елемент и по тази причина за

използвания метод е прието наименованието „метод на ефективната слънчева

пропускливост” (МЕСП) или “effective solar transmittance method” (ESTM).

В съответствие с изложеното по-горе, ефективната площ на приемащата

слънчева енергия повърхност, която е заложена като параметър в уравнение 4-3,

може да се дефинира като:

(4-6)

където: – фактор на засенчването от подвижни засенчващи

устройства; – фактор на рамката, определящ частта от пълната площ на

прозрачния елемент заемана от непрозрачната част на елемента; –

коефициент на енергопреминаване на прозрачния елемент; – коефициент на

поглъщане на слънчевата радиация на абсорберната повърхност; – пълна

площ на стената на Тромб; – ефективна пропускливост на слънчева енергия

на акумулиращия елемент (аналогично на уравнение 4-5).

Най-специфичното в новия модел е определянето на ефективната

пропускливост на слънчева енергия на акумулиращия елемент. От

статистическия анализ на резултатите от симулациите е изведена следната

емпирична формула:

(4-7)

Параметърът е времеконстанта на акумулиращия елемент, която е

показател за скоростта на разсейване на топлината в него. Времеконстантата

изразява съотношението на топлинния капацитет към реципрочната стойност на

съпротивлението на топлопроводност на стената и се дефинира като:

(4-8)

където: – коефициент на топлопроводност на акумулиращия елемент;

– специфичен обемен топлинен капацитет на акумулиращия елемент;

– дебелина на акумулиращия елемент.

В табл. 4-2 е представен статистически анализ на регресионната

зависимост за определяне на . Дадени са стойностите, доверителните

интервали, стандартните грешки и равнищата на значимост на регресионните

коефициенти.

16

Таблица 4-2. Регресионни коефициенти за определяне на ηsw

Анализ на точността на модела

Опростеният модел е създаден въз основа на резултатите от всички

месечни симулации за петте климатични района в България (обучителна

извадка). За анализ на точността на модела в рамките на обучителната извадка е

направено сравнение на месечните топлинни загуби ( ), топлинни притоци

( ) и нетна обменена топлина между стената на Тромб и топлинната зона

( ), изчислени чрез опростения модел, с тези получени от симулациите. За

всяка от тези топлини са взети специфичните стойности съотнесени към единица

повърхност на стената на Тромб:

(4-9)

Абсолютната грешка ( ) и относителната грешка ( ) на изчисленията,

направени с опростения модел (с индекс mod), спрямо резултатите от

симулациите (с индекс sim), са изчислени като:

(4-10)

(4-11)

Анализът показва голяма степен на съвпадение между резултатите,

получени от изчисленията с опростения модел и тези, получени от симулациите.

По отношение на нетната топлина, в 97% от случаите абсолютната грешка е под

±2 kWh/m2, докато в 81% от случаите относителната грешка е под 10%. Двете

условия са изпълнени едновременно в 80% от всички случаи.

Същевременно в 53% от всички случаи абсолютната грешка е по-малка от

±1 kWh/m2, а относителната – по-малка от 5%. Средноквадратичните грешки за

цялата обучителна извадка са както следва: 0.28 за топлинните загуби, 0.82 за

топлинните притоци и 0.92 за нетната топлина.

Стойност Доверителен

интервал

Стандартна

грешка

t-критерий Равнище на

значимост

2.5% 97.5% Pr(>|t|)

0.9150 0.91472 0.91532 0.00015 5996 < 2 10-16

0.2274 0.22716 0.22758 0.00011 2127 < 2 10-16

0.1046 0.10442 0.10469 0.00007 1519 < 2 10-16

0.0265 0.02644 0.02663 0.00005 558.4 < 2 10-16

17

На фиг. 4-1 са показани хистограми на абсолютната и относителната

грешка при определяне на нетната топлина ( ), както и 2D хистограма на

взаимното им разпределение.

Фигура 4-1. 2D хистограма на грешката при определяне на qsw

С подхода, който е използван за обучителната извадка, е направен анализ

на точността на опростения модел и спрямо тестваща извадка. Тя е формирана

от допълнително осъществени симулации за 15 климатични района извън

България (с вариране на по-малък брой фактори, с по-малко на брой нива),

резултатите от които не са използвани при разработването на модела.

Резултатите от анализа на точността спрямо тестващата извадка са близки

до тези, получени за обучителната извадка. Условието абсолютната грешка да е

под ±1 kWh/m2, а относителната да е под 5%, е изпълнено в 54% от всички

случаи (в сравнение с 53% за обучителната извадка). Едновременно

абсолютната и относителната грешка са съответно под ±2 kWh/m2 и под 10% в

79% от случаите (в сравнение с 80% за обучителната извадка). Самостоятелно

относителната грешка е под 10% в 84% от случаите (в сравнение с 81% за

обучителната извадка).

18

Грешката, както за обучителната, така и за тестващата извадка, е в

приемливи граници и опростеният модел може да се смята за достатъчно точен

за целите, за които е предвиден. Също така резултатите от тестващата извадка

показват, че моделът е приложим не само в рамките на климатичните условия на

България, но и в по-широк план.

OПОЛЗОТВОРЯВАНЕ НА ТОПЛИННИТЕ ПРИТОЦИ

Създаденият квазистационарен модел е приложим и извън рамките на БДС

EN ISO 13790, стига да бъде прикрепен към друга методика, която коректно да

оценява оползотворяемостта на топлинните притоци. Все пак моделът е

изграден така, че стриктно да спазва изискванията и условностите на стандарта и

да може лесно да бъде интегриран в структурата на неговия месечен метод. За

използване на модела в рамките на месечния метод от стандарта, топлинните

загуби и топлинните притоци през стената на Тромб трябва да бъдат добавени

към съответните компоненти за цялата топлинната зона ( ), а топлинният

капацитет на акумулиращия елемент да бъде отчетен при определянето на

съответния фактор на оползотворяване на топлинните притоци или загуби

( ).

Резултати от симулациите с EnergyPlus

Симулациите с EnergyPlus са проведени, за да се тества точността на

изчислителната процедура от БДС EN ISO 13790 за определяне на нетните

топлинни печалби, при следните обстоятелства:

Сградата е поставена в климатичните условия на град София;

Един от външните ограждащи елементи на сградата е стена на Тромб;

Топлинният капацитет на сградата е определен съгласно опростения

подход от Анекс А на БДС EN ISO 13786, но за стената на Тромб е взет

целият топлинен капацитет на акумулиращия елемент (не само на най-

вътрешните 10 cm).

Изследвана е една и съща сграда, но при различни режими на обитаване и

различни по масивност ограждащи елементи.

Резултатите показват, че практически за всички изследвани случаи, при

които съотношението на топлинните притоци към топлинните загуби ( ) е по-

голямо от 2.5, потребната енергия за отопление е равна на или клони към нула –

т.е. топлинните притоци изцяло компенсират топлинните загуби. При това

положение се получава, че .

За случаите, при които и потребната енергия за отопление е по-

голяма от нула, са изведени стойностите на параметъра , като функция от

времеконстантата на сградата ( ). Резултатите са показани на фиг. 4-2.

19

Фигура 4-2. Резултати за параметъра aH от симулациите с EnergyPlus

За двата режима на обитаване (жилищна и нежилищна сграда) са изведени

две отделни линейни регресионни зависимости – т.е. получени са различни

стойности за коефициентите . На фигурата е показана и правата, която

се получава с използване на стандартните стойности на двата коефициента,

както са дадени в БДС EN ISO 13790.

Наклонът на правата, получена за жилищна сграда ( ), е по-

полегат от този за нежилищната сграда, чиято стойност е същата като в

стандарта ( ). Това показва по-малко влияние на времеконстантата в

първия случай и би могло да се обясни с по-равномерното разпределение на

топлинните потоци в рамките на денонощието. Също така правата за

нежилищната сграда е отместена нагоре ( ) спрямо стандартната

( ), което означава цялостно по-голяма степен на оползотворяване на

топлинните притоци.

Анализът на резултатите показва, че адаптираният модел (с различните

стойности на коефициентите за жилищна и нежилищна сграда) дава по-точни

резултати, но въпреки това и резултатите при използване на стандартните

стойности могат да се окачествят като приемливи, като се има предвид голямата

степен на опростяване на сложната динамика на топлопреносните процеси в

простата рамка на уравнения 2-3 – 2-5. Все пак може да се направи извода, че

има поле за подобрение на метода в това направление, като се отчетат

специфичните условия и характеристики на сградния фонд в България.

20

ЕНЕРГИЙНА ЕФЕКТИВНОСТ НА СТЕНАТА НА ТРОМБ

Подход за оценка и база за сравнение

Въз основа на резултатите от симулациите с TRNSYS е направена обобщена оценка на факторите, които влияят върху енергийната ефективност на стената на Тромб. Като база за сравнение е взета добре изолирана външна стена, която има референтна стойност на коефициента на топлопреминаване –

– със същата площ и поставена при същите условия.

Сравнението се отнася за зимния период, като са използвани резултатите за месеците от ноември до март.

За да бъде постигнат по-голям нетен положителен ефект, оползотворените

топлинни печалби от стената на Тромб трябва да надвишават увеличените

топлинни загуби спрямо референтната стена. Затова сравнението на

енергийните показатели на стената на Тромб и референтната стена е направено

по следния критерий:

(4-12)

Топлинните загуби и топлинните притоци през стената на Тромб са

получени от симулациите, а топлинните загуби от топлопреминаване през

референтната стена са определени като:

(4-13)

Факторът на оползотворяване на топлинните притоци ( ) зависи от

цялостния топлинен баланс на съответната топлинна зона, а не само от

характеристиките на стената на Тромб. По тази причина той е приет като неизвестна

величина, а съпоставката е направена за различни възможни негови стойности.

Дефинирани са два безразмерни фактора, които обобщават енергийните

показатели на стената на Тромб:

(4-14)

(4-15)

Факторът показва ефективността на улавяне и пропускане на

слънчевата топлина. Той обобщава всички последователни редукции на

слънчевите топлинни притоци, преди те да достигнат до топлинната зона, без да

се отчита факторът на оползотворяването им в нея. Факторът показва нетните

загуби спрямо референтната стена, съотнесени към падналата слънчева

радиация. При заместване на уравнения 4-14 и 4-15 в уравнение 4-12 се

получава следният израз:

21

(4-16)

Съотношението показва степента на повишаване на ефективността

спрямо референтната стена, преди да се отчете факторът на оползотворяване

на топлинните притоци в сградата. Колкото по-голяма е стойността на ,

толкова по-добри показатели има стената на Тромб и съответно ще превъзхожда

референтната стена при по-неблагоприятни условия (по-ниски стойности на ).

Анализ на резултатите

На фиг. 4-2 са показани всички резултати, според получените стойности за

и . Показани са и граничните стойности на – всички случаи попадащи

над съответната права отговарят на условието от уравнение 4-16 при

съответната стойност на . Колкото по-голямо е разстоянието от правата в

посока наляво и нагоре, толкова по-голямо предимство има стената на Тромб

пред референтната. Резултатите са групирани йерархично в 4 клъстера, според

разстоянието между отделните точки по стойностите на критерия .

Разпределението на резултатите (точките от факторното пространство) по

клъстери е обобщено на фиг. 4-3. Посочените проценти отговарят на дяла от

точките в съответната група, които попадат в даден клъстер.

Направеният анализ показва, че в много случаи стената на Тромб дава по-

добри резултати от добре топлинно изолирана стена, поставена при същите

условия. Стената на Тромб дава по-добри резултати при климатите с по-мека

зима, но при по-ефективните конфигурации резултатите са много добри и за по-

студените климатични райони (като София). Стената на Тромб превъзхожда

референтната във всички случаи извън Клъстер 1, когато оползотворяемостта на

топлинните притоци е висока ( ).

Получените стойности на възприетия показател за ефективността на

стената на Тромб са сравнени по климатични райони. Приемайки резултатите за

София като база за сравнение, средно за всички конфигурации ефективността се

повишава както следва: София – 100% (база), Плевен – 116%, Варна – 137%,

Пловдив – 153%, Сандански – 169%. Очаквано ефективността е по-висока в

градовете, където зимата е като цяло по-мека.

Оптималните резултати се получават, когато стената на Тромб е

ориентирана в посока на идеалния юг. При орентиране на югоизток или югозапад

ефективността се редуцира с около 20%. От гледна точка както на увеличаване

на топлинните притоци през зимата, така и на намаляване на притока на

слънчева радиация през лятото, оптималната ориентация е идеалният юг – стига

това да е възможно. Това важи при положение, че няма други съображения,

които да са свързани с локалния достъп до слънчева радиация или ползи от

изместването на максимума на топлинните притоци по-рано или по-късно през деня.

22

Фигура 4-2. Резултати от сравнението според получените стойности за F1 и F2

Фигура 4-3. Разпределение на резултатите по клъстери

23

Основните фактори, които определят енергийните характеристики на

стената на Тромб, са видът на абсорберното покритие и видът на прозрачния

елемент. Най-силен положителен ефект има поставянето на селективно

покритие с ниска излъчвателна способност в инфрачервения спектър. В тези

случаи стената на Тромб има значително по-добър ефект от референтната,

освен при изключително ниска оползотворяемост на топлинните притоци. В

допълнение, при наличието на селективно абсорберно покритие няма голямо

значение дали прозрачният елемент е единично или двойно остъклен.

Когато покритието не е селективно, е необходимо да се осигури поне

такова с висока поглъщателна способност (например черна боя), в комбинация с

двойно остъкление. Конфигурациите, при които абсорберната повърхност е без

покритие, са подходящи само при висок фактор на оползотворяване на

топлинните притоци и в по-топлите климати (Пловдив и Сандански).

Конфигурациите с единично остъкление и неселективно покритие не са

ефективни спрямо референтната стена, но все пак биха имали значителен

ефект, ако съпостяват с неизолирана външна стена – например за

производствени и други сгради, които попадат извън обхвата на нормативните

изисквания.

Дебелината и топлофизичните свойства на акумулиращия елемент оказват

сходни влияния по отношение на топлинните загуби и топлинните притоци, които

до голяма степен взаимно се компенсират. При еднакви други условия, с

увеличаване на съпротивлението на топлопроводност, както топлинните загуби,

така и топлинните притоци, намаляват логаритмично. Тези характеристики обаче

имат влияние върху оползотворяването на топлинните притоци. За получаването

на по-голям цялостен положителен ефект, в общия случай трябва да се търси по-

голяма стойност на времеконстантата и по-голям топлинен капацитет.

Оптималните характеристики зависят от топлинния баланс на сградата и от

климатичните условия.

РЕЗУЛТАТИ ОТ НАТУРНИТЕ ИЗМЕРВАНИЯ

Температурни полета в стената на Тромб

Натурните измервания са проведени през отоплителния сезон на 2014/2015 г.

(22 октомври 2014 – 22 април 2015). Измерената външна температура ( ) за

целия период варира от −14.6°C до 24.5°C, а средната ѝ стойност е 3.7°C. Най-

големи количества слънчева радиация са достигали стената на Тромб през

януари, февруари и март, а най-малки – в периода октомври-декември. През

февруари количеството на достигналата до стената на Тромб слънчева

радиация е над два пъти по-голямо от това през ноември и на дневна база е над

40% по-високо от средното за сезона.

Температурата на въздуха в отопляемото помещение на „пасивната къща”

( ) не е поддържана постоянна, заради неспособността на експерименталната

24

термопомпена система, която е използвана за отопление на къщата, да покрива

топлинните товари през цялото време. Тъй като тази система разчита на приноса

на слънчевата енергия за да функционира ефективно, тя работи с ниски

мощности през нощта, както и през облачните дни, когато има ниски количества

на падащата слънчева радиация. В повечето денонощия това се отразява като

амплитуда във вътрешната температура в рамките на 3 до 5 K. В най-тежките

случаи обаче (в няколко дни от края на декември и началото на януари, както и

няколко дни в средата на февруари) температурата през нощта пада под 10°C.

Най-ниската измерена вътрешна температура за целия период е 3.4°C, а най-

високата – измерена към края на периода (средата на април) – е 28.8°C.

Средната вътрешна температура за целия период е 17.6°C (медиана 18.3°C).

От измерванията на температурните сензори, които са разположени по

експерименталния модул, са определени следните стойности за всеки час от

периода на експеримента (общо 4 392 часа):

Средна температура на вътрешната повърхност ( ) – за всяка

от двете половини на акумулиращия елемент поотделно и общо за

цялата повърхност;

Средна температура на външната повърхност ( ) – за всяка от

двете половини на акумулиращия елемент поотделно и общо за

цялата повърхност (без отчитане на измерванията на сензорите

разположени по периферията);

Средна температура измерена от сензорите, които са разположени по

периферните зони на външната повърхност на акумулиращия елемент

(т.е. намиращи се зад рамките на прозрачния елемент) – ;

Температури по дебелина – на 2, 4, 6, 8 и 10 cm от външната

повърхност ( ) – на всяка от двете половини на

акумулиращия елемент (измерени от сензорите, които са разположени

в двата технологични отвора);

За получаването на по-пълна и ясна картина за температурните полета в

стената на Тромб, са направени осреднени денонощни профили на температурите

по месеци и за целия отоплителен сезон. Профилите са построени, като са

изчислени средните стойности на температурите по часове от всички дни за

определения период (стойността, получена при измерванията за всеки час,

отговаря в действителност на средната стойност на измервания параметър за

целия предходен час).

На фиг. 4-4 и 4-5 са показани съответно осреднените денонощни профили

(за целия сезон) на температурата по дебелина на всяка от двете половини на

акумулиращия елемент. По отношение на температурите на външните повърхности

са дадени отделно средните стойности от измерванията на сензорите, които са

разположени в средата, и на тези, които разположени по периферията.

25

Фигура 4-4. Осреднени денонощни профили на температурите по дебелина

на акумулиращия елемент (бетонна тухла)

Фигура 4-5. Осреднени денонощни профили на температурите по дебелина

на акумулиращия елемент (глинена тухла)

26

В средностатистическо денонощие от сезона вътрешната температура на

частта от глинена тухла се изменя от 15 до 25°C, докато за частта от бетонна

тухла амплитудата е с до един градус повече и в двете посоки. Температурите в

акумулиращия елемент се изравняват сутрин около 9 ч. и вечер около 20 ч.

Средните температурни градиенти достигат най-високите си стойности между 13

и 14 ч. При бетонните тухли най-високите стойности са от порядъка на 0.55 K/cm,

докато при глинените тухли очаквано тези стойности са по-големи – около

1.2 K/cm. Тези градиенти, които заради нестационарността на процесите не са

линейни функции, са по-големи близо до повърхностите, отколкото в средата на

акумулиращия елемент.

На фигурите могат да се забележат по-малките диапазони на изменение на

температурата на външната повърхност и по-големите диапазони на изменение

на температурата на вътрешната повърхност, що се отнася за долната половина

от акумулиращия елемент (изградена от зидария от бетонни тухли), сравнени с

тези за горната половина (от глинени тухли). Разликите в диапазоните за целия

сезон като цяло съответстват и на респективните разлики в амплитудите на тези

температури за отделните денонощия. Това се дължи на по-бързата дифузия на

топлината в бетона (по-голяма температуропроводност). Средните стойности и

медианите на тези температури обаче са почти еднакви.

Голямата разлика в горните граници на външните температури на двете

половини от акумулиращия елемент е допълнително разтегната от по-голямата

несиметричност в граничните условия, която се появява при по-високите

температури. Тази несиметричност се дължи частично на температурната

стратификация на въздуха в пространството между акумулиращия и прозрачния

елемент. Тази стратификация в повечето време се изразява в малка

температурна разлика – около 1 K/m (средно за целия измервателен период

стойността ѝ е 1.8 K/m), но при най-високите температури достига около 10 K/m.

От фиг. 4-4 и 4-5 може да се види голямата разлика между температурите,

които са измерени по периферията и тези, които са измерени в средата на

външната повърхност на акумулиращия елемент. Когато има интензивно

огряване на повърхността, температурите в средата (незасенчената част от

абсорберното покритие) са значително по-високи от тези в периферните зони.

През нощта температурите в периферията са малко по-високи, което може да се

обясни с по-малки топлинни загуби от излъчване.

Температурно поле на вътрешната повърхност

Неравномерността на температурното поле на вътрешната повърхност е

изследвана с помощта на термовизионен анализ. Заснемането с инфрачервена

камера е направено в рамките на 18.02.2015 г. от 09:45 до 18:05 ч., като снимките

са правени през 10 минути. Направени са общо 51 термовизионни снимки, които

са анализирани със софтуера ThermaCAM Researcher.

27

На фиг. 4-6 са показани визуална снимка и една от инфрачервените снимки

на вътрешната повърхност на стената на Тромб.

На инфрачервената снимка могат ясно да се разграничат:

Двете части от акумулиращия елемент, които са изградени от

различни материали – в долната половина измененията на

температурите са по-бързи и достигат по-големи амплитуди;

Разположението на контактните температурни сензори, които са

покрити с алумуниева лепенка;

Отпечатъкът на рамката на прозрачния елемент – този отпечатък е

резултат от частичното засенчване на външната повърхност на

акумулиращия елемент и променя позицията си в посока отдясно-

наляво, заради промяната в проекцията на рамката върху

абсорберната повърхност (външната повърхност на акумулиращия

елемент), която следва движението на слънцето от изток на запад.

Фигура 4-6. Визуална и инфрачервена снимка на вътрешната повърхност на

стената на Тромб

Термовизионният анализ демонстрира голямото значение на засенчването

от рамката на прозрачния елемент върху ефективността на стената на Тромб

като пасивен слънчев колектор. Този ефект допълнително се усилва от

сравнително голямото разстояние между акумулиращия елемент и прозрачния

елемент, което в случая е 10 cm. Препоръчително е това разстояние да бъде

ограничено в диапазона 2 – 5 cm, а рамката да заема колкото се може по-малка

площ от прозрачния елемент, като е особено важно максимално да се редуцира

броят на разделителите. Също така е много важно да се ограничи максимално

разположението на мебели и други обекти, които могат да възпрепятстват

ефективния обмен на топлина между вътрешната повърхност на стената и

обитаемото помещение.

28

За деня на термовизионния анализ, температурата на вътрешната

повърхност на стената достига най-високата си стойност около 16:45 в долната

половина (бетонна тухла) и 15 минути по-късно в горната половина (глинена

тухла). Закъснението спрямо максимума на интензитета на слънчевата радиация

е съответно 245 и 265 минути. Това закъснение може да се изчисли

приблизително като 20 min/cm или 3 cm/h. Тези стойности могат да се използват

за първоначална оценка при оразмеряването на стени на Тромб.

На фиг. 4-7 е показана хистограма на разпределението по часове на

температурите на вътрешните повърхности на двете половини от акумулиращия

елемент, отнасяща се за целия период на измерванията – общо 4 392 часа.

Фигура 4-7. Хистограма на разпределението по часове на температурите на

вътрешните повърхности на двете половини от акумулиращия елемент

От фигурата се вижда, че в голямото си мнозинство температурите и в

двете части са съсредоточени в диапазона 10 – 35°C (93.6%), като 79.7% са в

диапазона 10 – 25°C. Заради по-голямото температуропроводно число на бетона,

температурите на долната част от повърхността попадат в малко по-голяма

степен извън диапазона 10 – 35°C, като 3.6% са под 10°C, а 4% са над 35°C (в

сравнение и в двата случая с по 2.6% за горната половина).

Като се вземе предвид, че съгласно изискванията на ASHRAE Standard 55

допустимата радиационна асиметрия не трябва да надвишава 10 K, ако е

предизвикана от студена стена, и 23 K, ако е предизвикана от топла стена, то

диапазонът на вътрешни температури от 10 – 35°C може да се приеме за

напълно допустим. В този смисъл стената на Тромб би могла да предизвика

топлинен дискомфорт в много малка част от времето. По-рискови биха били

случаите, при които дебелината на акумулиращия елемент е много малка.

29

Първоначална валидация на опростения модел

Симулациите на модела на експерименталната система в EnergyPlus са

направени с цел получаването на липсващите от натурните измервания данни за:

Слънчевата радиация преминала през прозрачния елемент;

Топлинния поток от вътрешната повърхност на акумулиращия елемент

към отопляемото помещение.

Моделът е калибриран, чрез промяна на характеристиките на прозрачния

елемент, до достигане на достатъчна степен на съответствие между получените

от натурните измервания и от симулациите стойности за средната часова

температура на вътрешната повърхност на акумулиращия елемент.

На фиг. 4-8 са показани резултатите от сравнението на получените от

симулациите и от изчисленията с опростения модел стойности по месеци за

нетния топлообмен между стената на Тромб и отопляваното помещение.

Фигура 4-8. Сравнение на резултатите от опростения модел и от симулациите

за нетния топлообмен между стената на Тромб и отопляваното помещение

Най-големите относителни грешки са получени за месеците декември

(11.1%) и януари (16.0%). За януари е най-голяма и абсолютната грешка

(13.6 kWh). От симулациите е получен нетен топлообмен за целия отоплителен

сезон от 425.9 kWh, а от изчисленията с опростения модел е получена стойност

404.7 kWh. Относителната грешка за целия сезон е 5.0%.

Сравнението като цяло показва добро съвпадение на изчисленията от

опростения модел и резултатите от динамичните симулации.

30

ГЛАВА 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дисертацията е адресиран проблемът с недостига на експериментални

данни, задълбочени анализи и надеждна информация, по отношение на

енергийната ефективност на пасивните слънчеви системи в условията на

България. Приносите в дисертационния труд условно могат да бъдат

класифицирани като научно-приложни и инженерно-приложни.

НАУЧНО-ПРИЛОЖНИ ПРИНОСИ

Създаден е нов математичен квазистационарен модел за оценка на

енергийните характеристики на пасивен елемент – стена на Тромб. Моделът е

съвместим с месечния балансов метод от БДС EN ISO 13790, върху който е

съставена национална методика за изследване на енергийните характеристики и

сертифициране на сгради. Моделът може да бъде използван успешно за

доразвитие на националната методика, която до сега не включва техники за

оценка на пасивни елементи.

На основата на съвременни изчислителни процедури и среди за

моделиране и симулиране, както и на извършен реален натурен експеримент, са

доказани нови факти и са получени потвърдителни резултати, както следва:

На основата на натурен експеримент е извършена първоначална

валидация на квазистационарния модел, при която е установено, че за

цял отоплителен сезон резултатите от изчисленията с модела дават

приемливо отклонение от 5% спрямо резултатите от валидационния

експеримент;

На основата на моделни изследвания е извършен анализ на точността

на новия модел и е доказана приемлива точност за предсказване на

енергийните характеристики на затворена стена на Тромб;

Получени са нови резултати от анализ на точността на изчислителната

процедура по БДС EN ISO 13790 за определяне на фактора на

оползотворяване на топлинните притоци по отношение на сграда с

интегриран пасивен елемент – стена на Тромб. Получените резултати

показват, че в общия случай изчислителната процедура има

приемливо ниво на точност, но също така, че точността може да бъде

подобрена чувствително при използване на различни стойности на

емпиричните коефициенти за по-специфични обхвати от случаи;

На основата на анализ на чувствителността са получени количествени

резултати за влияещите фактори върху енергийните характеристики на

стена на Тромб.

31

ИНЖЕНЕРНО-ПРИЛОЖНИ РЕЗУЛТАТИ

Установени са количествени характеристики на енергийната ефективност

на пасивния елемент стена на Тромб, показващи предимство пред

характеристиките на обикновена топлинно изолирана стена, съответстваща на

референтните стойности на коефициента на топлопреминаване. Установено е,

че основните фактори определящи енергийните характеристики на стената на

Тромб са видът на абсорберното покритие и видът на прозрачния елемент, като

при висока оползотворяемост на топлинните притоци в сградата, стената на

Тромб значително превъзхожда референтната, когато за абсорберната

повърхност се използва селективно покритие с ниска излъчвателна способност.

Получени са количествени характеристики на експериментално изследвана

стена на Тромб в климатичните условия на гр. София и са идентифицирани

характерни особености, които дават полезна база знания за етапа на

проектиране на такива елементи.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

1. Станков, Б., Калоянов, Н. и Томов, Г. (2015) ‘Енергийна ефективност на

затворенaта стенa на Тромб’. Сборник с доклади от XX Научна

конференция с международно участие ‘ЕМФ – 2015’, Том I, стр.301-309,

Созопол, 13-16 септември.

2. Stankov, B (2013) ‘Initial development and evaluation of a refined quasi-steady-

state model for assessment of Trombe wall energy performance’. Proceedings

of the CIBSE Technical Symposium 2013, Liverpool John Moores University,

United Kingdom, 11-12 April.

3. Станков, Б. (2013) ‘Обзор и обобщенный анализ необходимости

повышения энергетического анализа моделей пассивных солнечных

систем’. Научный журнал НИУ ИТМО, Серия: Холодильная техника и

кондиционирование, 1 (7). ISSN: 2072-2400.

4. Станков, Б. и Калоянов, Н. (2013) ‘Модели на топлопреносните процеси

във вентилируеми фасади’. Топлотехника, 4 (1), стр.38-44. ISSN: 1314-2550.

5. Stankov B., & Kaloyanov N. (2012) ‘Experimental study for modeling energy

performance of passive solar systems’. Poster presented at the CIBSE ASHRAE

Technical Symposium 2012, Imperial College London, United Kingdom, 18-19 April.

6. Станков, Б. и Калоянов, Н. (2011) ‘Модели на топлопреносните процеси в

невентилируема стена на Тромб’. Сборник с доклади от XVI Научна

конференция с международно участие ‘ЕМФ – 2011’, Том I, стр.187-197,

Созопол, 17-20 септември.

32

MODELS OF THE HEAT TRANSFER PROCESSES IN

PASSIVE SOLAR SYSTEMS

Borislav Nikolov Stankov

ABSTRACT

Passive solar systems can be applied in the design of buildings to provide

considerable thermal comfort and energy performance benefits. The problem, which is

addressed in the dissertation, concerns the scarcity of experimental data and reliable

information on the energy efficiency of passive solar systems in the climatic conditions

of Bulgaria.

The basic elements of passive solar design and the available tools for energy

analysis of passive solar systems have been reviewed. A detailed study has been

further carried out regarding the Trombe wall structure. A factorial experiment,

involving a large number of dynamic simulations, has provided considerable amount of

data on the energy performance of various structural configurations in diverse climatic

conditions. Physical measurements have been obtained from a Trombe wall

experimental module, which has been designed specifically for the study. The heat

transfer processes in the experimental module have been investigated over a period of

one heating season.

A new simplified quasi-steady-state model has been developed. It provides the

capability to evaluate the thermal performance of a Trombe wall as part of a

whole-building energy analysis. The model is fully compatible with the monthly method

of EN ISO 13790 and can be used as its supplement.

The accuracy assessment and the preliminary validation of the simplified model

indicate that it has good predictive capability, as long as the input data is within

acceptable margins of error. In addition, new results have been obtained on the

accuracy of the calculation procedure of EN ISO 13790, which is used to estimate the

monthly heat gain utilization factor. The new results concern situations where a

Trombe wall is integrated in the building envelope.

Analysis of the acquired quantitative data shows that in many instances the

Trombe wall can provide better energy performance than a well-insulated external wall,

which adhers to the U-values specified in building regulations. The results of the study

have been used to extract general guidelines and recommendations for effective

application of this type of passive solar system.