Printer Friendly

The impact of the solar wall on the external envelope/ Saules sienos itakos pastato atitvaroms analize.

Ivadas

Visame pasaulyje pastaruoju metu daug demesio skiriama saules energijos vartojimui del didejanciu deginamo iskastinio kuro emisiju, kurios spartina klimato kaita (Sandhu et al. 2013). Saules energija--viena is seniausiu ir labiausiai paplitusiu atsinaujinanciu energijos naudojimo istekliu (Santos et al. 2013). Daugiausia saules energijos vartojama karstam vandeniui ruosti kolektoriuose ir elektros energijai pagaminti fotoelementuose. Pastaruoju metu populiareja pratakus perforuoti saules kolektoriai (toliau--saules siena), kurie tiesiogiai sildo i patalpas vedinimo sistemos tiekiama sviezia ora, taip taupydamos energija.

Paprastai pratakus saules kolektorius naudojamas ziema ir pereinamuoju laikotarpiu, kai reikalinga siluma patalpoms sildyti (Athienitis et al. 2010). Vasara sis kolektorius nenaudojams--oras i patalpas tiekiamas per apeigos voztuva. Kyla klausimas, kas ivyksta, jei saules kolektorius nenaudojamas, nes vasara vyrauja didele saules spinduliuote ir didele aplinkos temperatura. Neistiklinto pratakaus saules kolektoriu gamintojas (SolarWall[R] 2013) teigia, kad saules kolektorius apsaugo isorine atitvara nuo tiesiogines saules spinduliuotes--sumazina patalpos vesos poreiki. Taciau gamintojas nenurodo, kiek sumazinamas vesos poreikis. Aisku, kad saules siena veikia atitvaros silumos rezima ir ziema, nes saules sienoje yra siltas oras, sis poveikis turetu buti teigiamas. Velgi neaisku, kiek galima sumazinti pastato silumos nuostolius per isorine atitvara ziema, kai ant jos sumontuota saules siena. Mokslinese publikacijoje nagrineti klausimai nebuvo.

Leon, Kumar (2006) ir Badache et al. (2013) tyre, kaip saules sienos efektyvumas priklauso nuo ivairiu veiksniu. Miezenas (2013) atliko eksperimentini tyrima, kurio rezultatai parode, kad saules kolektorius sumazina vesos poreikius, bet tyrimai buvo atlikti skirtingose patalpose, kuriose vyravo skirtingos temperaturos.

Sio darbo tikslas--atliekant eksperimentus nustatyti, koki poveiki saules siena turi pastato isorinei sienai siltuoju ir saltuoju metu. Taip pat sukurti kompiuterini modeli ir isizuoti silumos pritekius per atitvara, keiciant saules sienos oro istraukimo greiti, kolektoriaus atstuma nuo isorines sienos ir atitvaros silumine varza.

Tyrimo objektas

Siame straipsnyje izuojamas tyrimo objektas--saules siena, kuri 2011 m. sumontuota ant Vilniaus Gedimino technikos universiteto (VGTU) Aplinkos inzinerijos fakulteto pietinio fasado (1 pav.). Kolektoriaus plotas--100 [m.sup.2], aukstis--16,6 m, plotis--6 m, gylis--0,1 m. VGTU ati-tvaros, kuria dengia saules kolektorius, storis yra 0,52 m, o silumine varza R = 1,0 ([m.sup.2]K)/W.

Saules sienos paskirtis--perduoti tiesioginiu saules spinduliu ikaitinta ora i vedinimo agregata, kur oras papildomai pasildomas iki reikiamos temperaturos ir tiekiamas i patalpas.

Tyrimo metodika

Saules sienos itaka isorinei atitvarai vertinama dviem etapais: atliekant eksperimentus ir naudojant skaitini modeliavima.

Eksperimentiniai tyrimai buvo atliekami siltuoju ir saltuoju metu laiku. Siekiant ivertinti oro apejimo itaka isorinei sienai, siltuoju metu tyrimai buvo atlikti dviem etapais: 2013 m. rugpjucio 17-18 d., kai saules siena buvo be oro apeigos, ir rugsejo 8-9 d., kai saules siena buvo su oro apeiga. Saltuoju metu tyrimas buvo atliktas 2014 m. vasario 4-5 d., kai saules siena buvo naudojama pagal paskirti--orui pasildyti (be oro apeigos).

Eksperimentui atlikti buvo panaudota: silumos srauto ploksteles FQA0801H; meteorologine stotele HOBO U30; AHLBORN ALMEMO 2890-9 duomenu kaupiklis; pirometras HOBO S-LIB-M003; termoanemometras "Almemo FVA935TH5" bei VGTU Pastato energetiniu ir mikroklimato sistemu laboratorijos (PEMS) SCADA duomenu kaupimo programa.

Matuoti tokie parametrai (2 pav.):

1) patalpu vidines atitvaros pavirsiaus temperaturos [t.sub.pav1] (1) ir [t.sub.pav2] (2),[degrees]C;

2) silumos pritekiai [q.sub.1] (3) ir [q.sub.2] (4), W/[m.sup.2];

3) patalpu oro temperaturos [t.sub.vid1] (5), [t.sub.vid2] (6),[degrees]C;

4) oro temperatura tarp isorines sienos ir saules sienos to [t.sub.kol.oro] (7),[degrees]C;

5) aplinkos oro temperatura [t.sub.apl],[degrees]C (matuojama ant stogo meteorologines stoteles);

6) saules spinduliuotes intensyvumas I, W/[m.sup.2] (matuojama ant stogo meteorologines stoteles).

Atlikus eksperimentus, isizuota saules sienos itaka isorinei atitvarai, ant kurios ji sumontuota. Toliau atliekamas astuoniu skirtingu isorines sienos su pratakiu saules kolektoriumi variantu skaitinis modeliavimas (1 lentele), esant skirtingam oro atstumui tarp saules kolektoriaus ir isorines atitvaros, keiciantis oro istraukimo greiciui, didinant isorines sienos varza, naudojant skirtingo storio sil-tinimo medziagas. Taip siekiama nustatyti, kuris variantas labiausiai sumazina nepageidaujamus silumos pritekius i patalpas vasara.

Skaitiniam modeliavimui pasirinkta programine iranga "COMSOL Multiphysics" (2013). Si modeliavimo programa grindziama baigtiniu elementu metodu. Sukurtame isorines sienos modelyje buvo ivertintos pradines salygos--aplinkos ir patalpos temperaturos t ([degrees]C), atitvaros ir oro tarpo silumines varzos R W/([m.sup.2]K), atitvaros isorinio bei vidinio pavirsiaus silumos atidavimo koeficientai [alpha] W/([m.sup.2]K), saules spinduliuotes intensyvumas I (W/[m.sup.2]) (3 pav.).

Modeliavimui vasara pasirinktas karsciausias menuo liepa. Kadangi norminiuose dokumentuose nera paminetos auksciausios dienos temperaturos, buvo taikoma ASHRAE (1989) vesos poreikio skaiciavimo metodika, kur aplinkos temperatura apskaiciuojama pagal formule:

[t.sub.apl] = [t.sub.0,max] - [DELTA][t.sub.0,d]/2, (1)

cia [t.sub.0,max] - auksciausia dienos temperatura; [DELTA][t.sub.0,d] - vidutine paros temperatura (RSN 156-94).

Taigi aplinkos temperatura [t.sub.apl] = 26,45[degrees]C. Vidaus temperatura [t.sub.vid] = 24[degrees]C (HN 42:2009).

Atitvaru silumos atidavimo nuo pavirsiaus koeficientai ase [[alpha].sub.se] ir [[alpha].sub.si] buvo pasirinkti atsizvelgiant i STR 2.01.09:2012 reikalavimus. Siose normose pateikiamos [R.sub.si] ir [R.sub.se] vertes. si se Jos perskaiciuotos i [[alpha].sub.se] = 1/0, 04 = 25 W/([m.sup.2]K) ir [[alpha].sub.si] = 1/0, 13 = 7,69 W/([m.sup.2]K). Oro tarpo tarp saules kolektoriaus ir isorines atitvaros silumine varza [R.sub.g] = 0,18 ([m.sup.2]K)/W remiantis STR 2.01.09:2012.

Rezultatai

Tyrimo saules sienos be oro apeigos tikslas--istirti, koki poveiki turi saules siena siltuoju metu laiku pastato mikroklimatui, jei oras nejuda tarp saules sienos ir isorines sienos. 4 pav. matyti, kad saules siena daro neigiama itaka isorinei atitvarai. Isorine atitvara su saules siena (paveiksluose santrumpa SS reiskia saules siena, o punktyrine linija skiria silumos nuostoliu ir pritekiu sritis) gauna papildoma silumos kieki nuo kolektoriaus spinduliniu budu bei oro tarpo tarp kolektoriaus ir isorines atitvaros konvekciniu silumos perdavimo budu.

Papildomi silumos pritekiai per atitvaras rugpjucio 17 d. per para--17 Wh/[m.sup.2], o 18 d.--18,7 Wh/[m.sup.2], kai isorine atitvara dengta saules siena. Per atitvara be saules sienos silumos nuostoliai per para sudare atitinkamai 26,7 Wh/[m.sup.2] ir 7,6 Wh/[m.sup.2]. Didziausia dienos isorines sienos su saules kolektoriumi silumos pritekiu galia--1,6 W/[m.sup.2] buvo rugpjucio 18 d. 7:15 val. ryto, o atitvaros be saules sienos--0,4 W/[m.sup.2]. Padauginus galia is saules sienos ploto gaunamas 160 W vesos galios padidejimas.

Saules sienos matavimai su oro apeiga per apeigos voztuva atlikti rugsejo 8-9 d. Tyrimo tikslas--istirti, koki poveiki turi saules siena siltuoju metu laiku pastato mikroklimatui, jei oras laisvai juda konvekciniu budu tarp saules sienos ir isorines sienos. 5 pav. galima pastebeti, kad isorine atitvara su saules siena ir oro apeiga neturejo neigiamos itakos atitvarai, o isorine siena be saules sienos turejo neigiama itaka. Matome, kad nemaza dalis nepageidaujamu silumos pritekiu patenka darbo valandomis. Jei zmones dirba dienomis nuo 8 val. iki 17 val., galima teigti, kad nukencia ju darbo aplinkos komfortas. Taip pat is grafiko (5 pav.) matyti, kad silumos srauto kreives kyla aukstyn ne lygiagreciai, kaip kad buvo tuo atveju, kai nera oro apeigos. Silumos pritekiu pikai pasiekiami skirtingu metu. To priezastis--judantis oras saules sienoje, kuris apiplauna isorine atitvara ir suintensyvina silumos mainus. Oro judejimas vyksta ir nakti, todel isorine siena iki ryto vesta intensyviau.

Rugsejo 7 d. ir 8 d. atitvaros su saules siena paros silumos nuostoliai atitinkamai sudare 50,3 Wh/[m.sup.2] ir 56,3 Wh/[m.sup.2]. Atitvaros be saules sienos paros silumos nuostoliai rugsejo 7 d. buvo beveik 10 kartu mazesni -5,3 Wh/[m.sup.2], o rugsejo 8 d. bendras silumos srauto balansas buvo teigiamas ir silumos pritekiai sudare 17,0 Wh/[m.sup.2]. Gaunama, kad per para per atitvara be saules kolektoriaus i pastata pateko 1,7 kWh silumos.

Ziemos tyrimo tikslas--istirti atitvaru su saules siena ir be jos silumos rezima, nes kai is saules sienos traukiamas oras nuolat apiplauna atitvara, suintensyveja silumos mainai, ypac nakti. Saules sienos tyrimai atlikti 2014 m. vasario 4-5 d., kai lauko oro temperatura naktimis sieke -9,6[degrees]C, o dienomis -2,2 [degrees]C. Lauke visa laika buvo giedra ir vyravo intensyvi saules spinduliuote. Didziausia saules spinduliuote sieke 935,3 W/[m.sup.2]. Is saules sienos buvo siurbiama 850 [m.sup.3]/h oro.

Tyrimo metu is saules sienos traukiamo oro temperatura, esant dideliam saules intensyvumui, buvo pakilusi iki 28[degrees]C ir net naktimis buvo ~3[degrees]C didesne nei aplinkos oro temperatura. Taigi saules siena ne tik pasildo ora, bet ir atitvara, kuri susilusi veliau nakti atiduoda siluma i aplinka, siuo atveju tiekiamajam orui. Is 6 pav. matyti, kad saules siena saltuoju metu laiku turi teigiama itaka atitvarai ir lemia 25,5% mazesnius silumos nuostolius, lyginant su atitvara be saules sienos. Naktimis saules kolektorius taip pat atlieka papildoma silumos izoliacijos funkcija. Per dvi paras abieju sienu silumos nuostoliai mazejo nuolat, nes nuo sausio menesio pabaigos iki vasario pirmos savaites pabaigos buvo labai sauleta, aplinkos oro temperatura tomis dienomis kilo.

Atliktas skaitinis modeliavimas siltajam metu laikui parode, kad, lyginant su baziniu variantu (1 lentele), kai saules sienos nera, is visu nagrinejamu variantu didziausi silumos pritekiai yra 1-uoju variantu (esamu). Jie yra 8-12,2% (7 pav.) didesni, lyginant su baziniu variantu. Siuo atveju nera oro apeigos, todel oras saules sienoje nuo saules spinduliuotes smarkiai ikaista ir visa jo siluma perduodama atitvarai, kur vyrauja zemesne temperatura. Taigi sis variantas didina patalpu vesos poreikius.

Analizuojant 2-3 variantus (7 pav.), kai didinamas oro tarpas, pastebeta, kad silumos pritekiu sumazejimas, lyginant su pirmu variantu, yra nedidelis: 2-o varianto -0,12-0,18 W/[m.sup.2] ir 3-io varianto--0,17-0,27 W/[m.sup.2] (20 cm). Mazesnius pritekiu kiekius leme tai, kad didesnis oro tarpas turi didesne silumine varza, todel yra siek tiek mazesne temperatura prie isorines sienos is lauko puses.

Nagrinejant 4-5 variantus, kai didinama isorines atitvaros silumine varza, pastebeta, kad 4-o varianto silumos pritekiai, lyginant su baziniu variantu, yra didesni 1,7-9,3%, o 5-o-0,83,7 %. Silumos pritekiai sumazejo, lyginant su pirmuoju variantu, nes termoizoliacija apsaugo atitvara nuo tiesiogines saules spinduliuotes ikaitinto oro. Todel montuojant saules siena ant atitvaros paprastai naudojamos termoizoliacines medziagos.

6-7 variantus, kai istraukiamo oro judejimo greiciai yra 0,1 m/s ir 0,3 m/s, turi teigiama itaka atitvarai--apsaugo atitvara nuo tiesiogines saules spinduliuotes. Silumos srautas 6-o varianto sumazejo 6,6-7,5% ir 10-10,3%, lyginant su baziniu variantu. Norint padidinti oro istraukimo greiti, reikalingas ventiliatorius. Taciau kai yra oro apeiga, vyksta naturali oro trauka.

Atliktas skaitinis modeliavimas saltajam metu laikotarpiui (8 pav.) parode, kad didziausi silumos nuostoliai yra bazinio varianto--29,9-6,8 W/[m.sup.2], priklausomai nuo saules spinduliuotes intensyvumo. 1-o, 2-o ir 3-io variantu silumos nuostoliai yra mazesni. Siu silumos nuostoliu sumazejima lemia tai, kad didesnis oro tarpas turi didesne silumine varza. Didinant oro tarpa tarp saules sienos ir atitvaros, mazeja saules sienos oro isejimo temperatura, tiekiamas i vedinimo sistema oras yra vesesnis.

Mazesni silumos nuostoliai taip pat pastebimi ir 4-5 variantais, kai siena apsiltinta. 6-7 variantai, kai padideja traukiamo oro greitis, yra neefektyviausi mazinant sienos silumos nuostolius, t. y. ju itaka atitvarai su saules siena yra minimali, lyginant su atveju, kai saules sienos nera.

Kai oras traukiamas, sumazeja oro temperatura saules sienoje, todel siais variantais oro temperatura yra maziausia is visu variantu. Todel geriausia saltuoju metu laiku naktimis ora traukti per apeigos voztuva, o sauletomis dienomis--per saules kolektoriu.

Tuomet saules kolektorius ziemos metu sauletomis dienomis atlieka oro sildytuvo funkcija, o nesauletomis dienomis ir naktimis atlieka papildoma termoizoliacijos funkcija.

Isvados

1. Saules sienos be oro apejimo eksperimentinis tyrimas parode, kad siltuoju metu laiku saules siena daro neigiama itaka atitvarai. Priesingai, kai naudojama oro apeiga, saules sienos poveikis atitvarai yra teigiamas. Norint isvengti neigiamo poveikio saules sienai siltuoju metu, butina naudoti oro apeiga.

2. Saules sienos, naudojamos pagal paskirti (vedinimo sistemos orui sildymo sezono metu pasildyti) eksperimentinis tyrimas parode, kad saules siena saltuoju metu laiku turi teigiama itaka atitvarai ir lemia 25,5% mazesnius silumos nuostolius, lyginant su atitvara be saules sienos.

3. Skaitinis modeliavimas parode, kad siltuoju metu didziausia neigiama poveiki atitvarai daro neizoliuota saules siena be oro apeigos. Ji silumos pritekius gali padidinti 8-12,2%. Modeliavimas, kaip ir eksperimentas, parode, kad geriausia vasaros metu naudoti saules siena su oro apeiga.

4. Skaitinis modeliavimas parode, kad mazinant silumos nuostolius saltuoju metu ir silumos pritekius siltuoju, isorine atitvara su saules siena tikslinga papildomai izoliuoti.

Padeka

Autore dekoja uz pagalba VGTU Civilines inzinerijos mokslo centro PEMS laboratorijai ir ypac Mindaugui Juciui uz pagalba atliekant si tyrima.

Caption: Fig. 1. An unglazed transpired solar collector arranged at Vilnius Gediminas Technical University

1 pav. VGTU neistiklintas pratakus saules kolektorius

Caption: Fig. 2. The points of measured parameters

2 pav. Parametru matavimo vietos

Caption: Fig. 3. Sectional view of the external wall with solar wall

3 pav. Isorines atitvaros su saules siena pjuvis

Caption: Fig. 4. Solar radiation and heat flux measured on August 17-18 under no air bypass

4 pav. Rugpjucio 17-18 d. saules intensyvumo ir silumos srautu grafikas, kai nera oro srauto apeigos

Caption: Fig. 5. Solar radiation and heat flux measured on August 17-18 under air bypass

5 pav. Rugsejo 7-8 d. saules intensyvumo ir silumos srautu grafikas, kai yra oro srauto apeiga

Caption: Fig. 6. Solar radiation and heat flux measured on February 4-5 when the solar wall is used for heating air

6 pav. 2014 m. vasario 4-5 d. saules intensyvumo ir silumos srautu grafikas, kai saules siena naudojama orui pasildyti

Caption: Fig. 7. The dependency of heat gains of simulated cases on solar radiation in summer

7 pav. Modeliuotu variantu pritekiu per isorine siena priklausomybe nuo saules spinduliuotes vasara

Caption: Fig. 8. The dependency of heat losses on solar radiation in winter

8 pav. Silumos nuostoliu priklausomybe nuo saules spinduliuotes ziema

http://dx.doi.org/10.3846/mla.2014.61

Literatura

ASHRAE Fundementals Handbook (SI). 1989. AirConditioning Cooling Load. Atlanta, GA.

Athienitis, A. K.; Bambara, J.; O'Neill, B. 2010. A prototype photovoltaic/thermal system integrated with transpired collector, Solar Energy 85: 139-153. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2010.10.008

Badache, M.; Rousse, D.; Halle, S.; Quesada, G. 2013. Experimental and numerical simulation of a two-dimensional unglazed transpired solar air collector, Solar Energy 93: 209-219. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2013.02.036

COMSOL Multiphysics. 2013. Heat transfer module [interaktyvus], [ziureta 2013 lapkricio 21 d.]. Prieiga per interneta: https://www.comsol.com/heat-transfer-module

HN 42:2009 Higienos norma "Gyvenamuju patalpu ir lankytojams skirtu visuomeniniu patalpu mikroklimato parametru ribines reiksmes". Vilnius, 2009.

Leon, A.; Kumar, S. 2006. Mathematical modeling and thermal performance analysis of unglazed transpired solar collectors, Solar energy 81: 62-75. http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2006.06.017

Miezenas, A. 2013. Eksperimentinis aplinkos inzinierijos saules sienos efektyvumo tyrimas: magistro darbas. VGTU, Vilnius.

Sandhu, G.; Siddiqui, K.; Garcia, A. 2013. Experimental study on the combined effects of inclination angle and insert devices on the performance of a flat-plate solar collector, International Journal of Heat and Mass Transfer 71: 251263. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.12.004

Santos, A.; Vale, J.; Diez, D.; Perez, R. 2013. Solar thermal systems for high rise buildings with high consumption demand: case study for a 5 star hotel in Sao Paulo, Brazil, Energy and Building 69: 481-489. http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.11.036

SolarWall[R]. 2013. SolarWall Air Heating [interaktyvus], [ziureta 2013 liepos 24 d.]. Prieiga per interneta: http://solarwall.com/ en/products/solarwall-air-heating/how-solarwall-works.php

Statybine klimatologija RSN 156-94. 1995. Lietuvos Respublikos statybos ir urbanistikos ministerija, Vilnius.

STR 2.01.09:2012 Statybos techninis reglamentas "Pastatu energinis naudingumas. Energinio naudingumo sertifikavimas". Vilnius, 2012.

Violeta MOTUZIENE

Vilniaus Gedimino technikos universitetas

El. pastas violeta.motuziene@vgtu.lt

Table 1. Simulated alternatives

1 lentele. Modeliuojami variantai

Variantai   Modelio apibudinimas

Bazinis     Isorine atitvara be saules sienos

1           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas
            10 cm (esamas variantas)

2           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas 15 cm

3           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas 20 cm

4           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas
            10 cm + sienos termoizoliacija 5 cm ([lambda] =
            0,040 W/(m/K))

5           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas
            10 cm + sienos termoizoliacija 10 cm ([lambda] =
            0,040 W/(m/K))

6           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas
            10 cm, oro istraukimo greitis 0,1 m/s

7           Isorine atitvara su saules siena, oro tarpas
            10 cm, oro istraukimo greitis 0,3 m/s


----------

Please note: Illustration(s) are not available due to copyright restrictions.
COPYRIGHT 2014 Vilnius Gediminas Technical University
No portion of this article can be reproduced without the express written permission from the copyright holder.
Copyright 2014 Gale, Cengage Learning. All rights reserved.

Article Details
Printer friendly Cite/link Email Feedback
Author:Motuziene, Violeta
Publication:Science - Future of Lithuania
Article Type:Report
Geographic Code:4EXLT
Date:Aug 1, 2014
Words:2734
Previous Article:The impact of the supplied airflow rate on the effectiveness of the solar wall/Tiekiamo oro debito itaka saules sienos efektyvumui.
Next Article:Water loss in small settlements/Vandens nuostoliai mazose gyvenvietese.
Topics:

Terms of use | Privacy policy | Copyright © 2021 Farlex, Inc. | Feedback | For webmasters |