Журнал "Научное Образование" в eLIBRARY.RU

  • na-obr@mail.ru
  • Статьи в следующий номер журнала принимаются по 30.04.2024г.

   Регистрационный номер СМИ: ЭЛ № ФС 77 - 74050 от 19.10.2018г. Смотреть

   Свидетельство регистрации периодического издания: ISSN 2658-3429 Смотреть

   Договор с ООО "НЭБ" (eLIBRARY.RU): № 460-11/2018 от 21.11.2018г.

     
kn1    kn2
     
     
kn3    kn4
     

Применение технологий пассивного охлаждение при возведении здания

Дата публикации: 2021-01-10 17:16:48
Статью разместил(а):
Польшин Александр Владимирович

Применение технологий пассивного охлаждение при возведении здания по принципам устойчивого строительства на примере латинских стран

The application of passive cooling technologies in the construction of a building based on the principles of sustainable construction, using Latin countries as an example

Авторы: 

Польшин Александр Владимирович 

БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия.

e-mail: relexar@yandex.ru

Polshin Alexandr Vladimirovich

BSTU named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia.

Штанько Вадим Викторович

БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия.

e-mail: vadik.shtanko@mail.ru

Shtanko Vadim Viktorovich

BSTU named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia.

Мельников Алексей Михайлович

БГТУ им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия.

e-mail: Tyz1k2013@gmail.com

Melnikov Alexey Mikhaylovich

BSTU named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia.

Аннотация: Множество стран из тропиков зависят от энергоресурсов. Жилой и коммерческий секторы отвечают более чем за 40% от общего спроса на электроэнергию, в основном за счет массового использования кондиционеров воздуха. Технологии пассивного охлаждения представляют собой устойчивую, экологически безопасную и экономическую альтернативу для удовлетворения потребности в снижении спроса на электроэнергию в регионе и, следовательно, текущего дефицита. Тем не менее, Латинская Америка не демонстрирует достаточно опыта использования преимуществ технологий пассивного охлаждения. В данной исследовательской работе представлено современное состояние пассивного охлаждения и намечен обзор его применения в Латинской Америке.

Abstract: Many countries from the tropics depend on energy resources. The residential and commercial sectors are responsible for more than 40% of total energy demand, mainly through the massive use of air conditioners. Passive cooling technologies represent a sustainable, environmentally friendly and economical alternative to meet the region's demand for less electricity and therefore the current shortage. Nevertheless, Latin America has not shown enough experience with the benefits of passive cooling technologies. This research paper presents the current state of passive cooling and outlines an overview of its application in Latin America.

Ключевые слова: Методы пассивного охлаждения, устойчивое строительство, тепловой контроль, энергосбережение.

Keywords: Passive cooling methods, sustainable construction, thermal control, energy conservation.

Тематическая рубрика: Архитектура и строительство.

 

ВВЕДЕНИЕ.

59% латиноамериканского валового внутреннего продукта (ВВП) ориентировано на сектор услуг в экономике страны, что связано с сильной зависимостью от производства энергии и трудового фактора, в пользу гипотезы о том, что латиноамериканские страны являются энергозависимыми. Хотя цифры в разных странах разные, на строительный сектор, включая жилищный, коммерческий, сектор общественных услуг, сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыболовство и т.д., приходится около 30-40% общего спроса на энергию.

В 2012 году потребление электроэнергии в Колумбии составило 50865 ГВт-ч, при этом самыми большими секторами потребления были жилищный - 40,9%, промышленный - 30,5%, коммерческий и общественный - 23,9%, а также сельскохозяйственный и горнодобывающий - 4,2%. Рост производства электроэнергии и спроса на нее в Колумбии значительно превышает прогнозируемый рост населения в период 2010-2020 гг. По расчетам, сделанным на 2005-2013 годы, средний прирост населения и темпы производства электроэнергии составили 1,1% и 2,7%, соответственно. При таком сценарии, если стратегии энергосбережения не будут рассматриваться, то в краткосрочной перспективе в Колумбии, скорее всего, возникнет дефицит производства и распределения электроэнергии.

Кондиционеры воздуха для домов или зданий в основном используются во всем мире в качестве устройств воздушного охлаждения. Поэтому существует необходимость разработки методов пассивного охлаждения для снижения потребления энергии, поддержки окружающей среды и экосистем, а также обеспечения удовлетворительной степени комфорта. Тем не менее, для решения проблемы энергетического и экологического воздействия, связанного со строительством, выбор подходящего метода пассивного охлаждения играет ключевую роль.

Цель данной статьи - показать различные аспекты, связанные с пассивным охлаждением в зданиях, их физические принципы, а также различные типы и области применения, чтобы внести свой вклад в знание этой технологии как экологически устойчивой, эффективной и недорогой альтернативы для поддержания комфорта в здании.

Устойчивые конструкции и пассивное охлаждение как альтернатива тепловому управлению.

Строительство экологически чистых зданий, или "зеленых" зданий, подразумевает эффективность потребления энергии и воды, совместимых с окружающей средой, сокращение расхода строительных материалов и улучшение качества жизни людей, проживающих в них. Среди стратегий устойчивого строительства - снижение энергопотребления, что предполагает развитие полезных практик проектирования и строительства, развитие пассивных систем и альтернативной энергетики. Проектирование пассивных систем в основном зависит от архитектурного проектирования, отвечающего климатическим условиям с места, где будет возводиться конструкция, и в значительной степени от тепловых свойств используемых материалов. В теплом климате следует стремиться к защите от солнечного излучения и вентиляции, которые, помимо способствования снижению температуры, необходимы также для обновления воздуха в помещении. В холодном климате необходимо использовать преимущества солнечной радиации для повышения температуры помещений и управления вентиляцией, что имеет решающее значение, поскольку обновление воздуха должно достигаться без значительных потерь температуры.

Одним из важнейших физических принципов пассивного охлаждения является правильное управление теплом внутри здания. Для оценки применимости любого пассивного решения необходим тщательный анализ потребности в отоплении и охлаждении. Это требует углубленного изучения окружающего климата, а также наличия подробной информации о целевом здании и ожиданиях в отношении внутреннего комфорта. Оценка этих трех вопросов: климатических, строительных и внутренних условий - требует тщательного изучения для определения того, возможно ли применение какой-либо технологии пассивного охлаждения или нет в том или ином месте в соответствии с их конкретными условиями.

Виды пассивного охлаждения.

В целом, можно классифицировать различные типы пассивного охлаждения, главным образом, по трем методам: тепловая защита, тепловая модуляция и рассеивание тепла.

Тепловая защита.

В этой технике здание защищено от прямого воздействия солнечной радиации. Защита от солнечного излучения может включать в себя ландшафтный дизайн, активную растительность, водные поверхности, затенение крыши, стены здания и другие. Метод защиты от тепла также классифицируется на методы, основанные на управлении микроклиматом и солнечном контроле.

Техника защиты от солнца со стратегическим озеленением и активной растительностью полезна для снижения использования кондиционеров в сухом и влажном климате. Принцип этого метода пассивного охлаждения основан на поглощающем тепловом воздействии испарения деревьев и растительности на микроклимат окружающих зданий. Кроме того, сообщается об улучшении теплового комфорта зданий за счет внутреннего озеленения, т.е. с установкой зеленых насаждений внутри помещений здания, за счет использования зеленых крыш, зеленых стен, озелененных балконов и внутренних садов. В таких тропических странах, как Колумбия, зеленые крыши показали очень хорошее снижение температуры внутри тестируемых домов, особенно в самое жаркое время суток, кроме того, они предотвратили чрезмерные потери температуры ночью, избегая испарительного охлаждения потолка в сторону небесного свода.

Использование водных поверхностей в качестве пассивной техники охлаждения включает в себя установку прудов, спринклеров или источников воды как снаружи, так и внутри зданий, и на их крышах. Метод использования прудов на крышах является дешевым, нетоксичным и популярным методом пассивного охлаждения, так как вода представляет собой тепловую массу с высокой объемной теплоаккумулирующей способностью. Крыша выполняет функцию теплообменного элемента, который поверхностно охлаждается испарением, излучением длинноволнового излучения на небо или. работает как теплоотвод, поглощающий внутреннее тепло и тепло, поступающее в здание. В засушливых и умеренных условиях затененные кровельные пруды, вентилируемые кровельные пруды и мобильные теплоизолированные кровельные пруды обеспечивают лучшие эксплуатационные характеристики, чем другие типы кровельных прудов. Тем не менее, такие факторы, как местные погодные условия, глубина воды в пруду, тип материала, излучательная способность и толщина кровельного покрытия, могут в значительной степени влиять на эффективность этого метода пассивного охлаждения.

Наконец, метод управления солнечной энергией заключается в снижении солнечного излучения, передаваемого на компоненты здания. Для достижения этой цели управление передаваемым солнечным излучением может осуществляться с помощью управляющих устройств для открытия или закрытия помещений, предназначенных для освещения и циркуляции воздуха, т.е. окон, мансардных окон и т.д. [17]; адекватного остекления окон в соответствии с оптимальным дневным освещением и затенения здания такими строительными элементами, как консольные конструкции, горизонтальные жалюзи, световые полки, решетки, карнизы, беседки, экраны и т.д.

Тепловая модуляция.

Технология тепловой модуляции является одной из техник пассивного охлаждения, при которой за счет оптимизации и улучшения свойств строительных материалов уменьшается или сводится к минимуму теплопоступление в здании. Этот метод зависит от тепловой массы здания или естественного теплоотвода в конструкции, используемого для накопления или уменьшения прироста тепла в течение дня. Термин тепловая масса относится к типу конструкционного материала, используемого в здании, который способен накапливать избыточное тепло и уменьшать пики нагрузки, таким образом модулируя его внутреннюю температуру. Изменение фазы или термальные материалы предлагают способность накапливать пассивное солнечное тепло и другие приросты тепла в виде скрытого тепла в определенном температурном диапазоне, что приводит к уменьшению использования энергии, увеличению теплового комфорта за счет смягчения колебаний температуры в течение дня и уменьшению и/или изменению максимальных температурных нагрузок.

Материалы для тепловой модуляции можно разделить на три типа: органический, неорганический и эвтектический. Органические могут быть парафинированными или непарафинированными материалами. Такие материалы не подвергаются фазовой сегрегации и кристаллизуются при незначительном или нулевом избыточном охлаждении. Неорганические состоят из гидратированных солей и солей металлов, однако для применения в строительстве металлические материалы не находятся в желаемом температурном диапазоне и, кроме того, имеют жесткие весовые пропорции, что делает их непригодными. Эвтектические — это материалы, возникающие в результате слияния двух и более компонентов, которые застывают и образуют единую смесь кристаллов, плавящихся одновременно без разделения. Эвтектические материалы могут быть изготовлены в виде смесей органических, неорганических или органо-неорганических соединений. Это позволяет использовать самые разнообразные комбинации, которые могут быть адаптированы для конкретных применений.

Еще одним распространенным методом достижения тепловой модуляции является естественное охлаждение, которое заключается в накоплении холодной энергии ночью в специальном энергохранилище и ее использовании днем, когда это необходимо. В процессе ночного охлаждения тепловая масса зданий используется для накопления ночной прохлады. Тем не менее, этот метод во многом зависит от места и местного климата, являясь более рекомендуемым в пустынных местах.

Рассеивание тепла.

В этом методе устранение избыточного тепла зависит от двух основных факторов: наличия радиатора окружающей среды и тепловой связи между зданием и радиатором. Доступными радиаторами являются окружающий воздух, вода и небо. Технология может обеспечить мгновенный эффект охлаждения, или же она может вытягивать холод ночью и выпускать его в течение дня. Такое поведение зависит от режима передачи тепла от источника к отстойнику и типа теплоносителя. Рассеивание тепла в здании может происходить за счет охлаждения конвекцией, испарением или излучением.

Конвекционное охлаждение заключается в рассеивании теплого воздуха изнутри здания наружу с помощью различных режимов естественной вентиляции.

Испарительное охлаждение происходит, когда ненасыщенный воздух сталкивается с водой и поглощает тепло окружающего воздуха, что приводит к снижению температуры и повышению влажности внутри здания. Испарительное охлаждение может происходить как при прямом, так и при косвенном контакте между каплями воздуха и воды.

Наконец, радиационное охлаждение является обычным явлением на поверхности земли, вызванным естественными потерями тепла, которые организм испытывает в результате теплопередачи в окружающую среду, так что он охлаждается без необходимости использования механической энергии. Этот естественный процесс отвечает за образование росы на растениях.

Применение пассивного охлаждения в конструкциях.

На примере рассмотрим латиноамериканские страны, которые находятся в тропиках, где преобладает жаркая погода, применение пассивных систем охлаждения в зданиях в регионе ограничено. Аналогичным образом, также мало исследований и публикаций, проведенных с целью использования преимуществ методов пассивного охлаждения в строительстве жилых, промышленных или коммерческих зданий.

В Колумбии предложили солнечные дымоход для управления воздушными потоками в периоды спокойного ветра в общественно-бытовом жилье в городе Кали. Результаты показали улучшение теплового комфорта в жилых помещениях и системы вентиляции. Исследовано поведения "зеленой крыши" в специфических климатических и метеорологических условиях города Кали продемонстрировало преимущества использования зеленых крыш в качестве пассивных охлаждающих устройств. После экономического и экологического анализа для туристической зоны города Санта-Марта предлагается использовать зеленые крыши в качестве очень эффективного инструмента экологического менеджмента, если они внедряются в больших масштабах.

В Мексике для жарких и влажных климатических условий в г. Кундуакане (Табаско) было предложено моделирование гидросолнечной дымоходной системы, использующей в качестве теплосборных элементов медные и водопроводные трубы. Данные этого исследования подтвердили правильность предложенной системы, предоставляя пассивные альтернативы кондиционирования для жаркого влажного климата. В работе представлена комбинированная система полунаправленного испарительного охлаждения из полых керамических кирпичей и батареи тепловых труб для рекуперации энергии и получения охлаждающего и увлажняющего наружного воздуха (горячего и сухого) при введении в помещение или климатическую камеру. Результаты показали, что предлагаемая система является эффективным вариантом достижения комфорта во внутренних помещениях зданий.

Экспериментально разработанные модели тепло- и массообмена для характеристики испарительного охлаждения горизонтальных крыш, нагреваемых тепловым излучением, в сухих и влажных условиях. В предложенных ими имитационных моделях авторы достигли точности 2% и 13% для температур на исследуемых поверхностях и для скорости испарения, соответственно , оценивалась эффективность охлаждения 6 различных типов крыш прудов в теплую и сухую погоду. В смонтированных экспериментальных модулях использовались методы пассивного косвенного испарения, защиты от солнца и ночного радиационного охлаждения.

Результаты показали, что все применяемые методы пассивного охлаждения имеют охлаждающую способность, причем наибольшим потенциалом обладает метод косвенного испарения с теплоизоляцией и ночное излучательное охлаждение. Сравнительные результаты для экстремально сухого жаркого климата. Было проведено  тестирование  крыши с открытыми и закрытыми прудами, где методы излучательного и испарительного охлаждения показали лучшие результаты для открытых прудов. Имеются также сообщения о тестировании пассивного охлаждения с зелеными крышами в сельских домах в штате Веракрус, с теплой и сухой погодой. Проведена оценка прототипа зеленой крыши на основе использования пергол и лозы Cissus verticillata (Vitaceae), что позволило достичь большего теплового комфорта за счет снижения температуры внутри помещений до 4,5 °C.

В Венесуэле, для города Маракайбо, с теплым - влажным климатом, сообщили о новом типе металлического пруда на крыше, основанном на косвенном испарительном охлаждении, включая замкнутую тепловую массу. С помощью этого экспериментального устройства были изучены пять систем пассивного охлаждения. Наибольшую эффективность пассивного охлаждения показало сочетание тепловой массы с косвенным испарительным охлаждением, которое стало более эффективным по мере того, как климатические условия становились более экстремальными.

В Гватемале, в муниципалитете Гуастатойя, с теплым сухим климатом, вертикальные сады были протестированы на залах зданий Университета Сан-Карлоса, как пассивная система охлаждения с местной растительностью. Максимальное снижение температуры составило 2,3 °С, но при увеличении относительной влажности воздуха на 4,4%. Достигнутый тепловой комфорт был незаметен для большинства опрошенных студентов, возможно, потому что измерения проводились, когда сад находился в начальной стадии роста.

В Аргентине сообщили об использовании пассивных систем охлаждения при расширении городского жилья в городе Мендоса с сезонным климатом для обогрева и освещения помещений. Авторы продемонстрировали, что применяемые биоклиматические методы и стратегии требуют инкорпорации тепловой массы для балансирования колебаний внутренней температуры в доме. Использовались земно-воздушные теплообменники с заглубленными трубами, по которым воздух циркулировал вокруг окружающей среды, нагревался или охлаждался в зависимости от сезона, а также служил для обогрева здания Национального университета La Pampa, демонстрируя эффективность системы как альтернативы охлаждению или пассивному нагреванию, экспериментировал с двумя системами испарительного охлаждения в окнах здания в городе Сан-Хуан, как элементы, включенные в архитектурный проект. Результаты показали улучшения в тепловом комфорте и качестве воздуха, который циркулировал внутри здания.

ВЫВОДЫ.

Пассивные технологии охлаждения в строительстве представляют собой эффективную, экономичную и экологически устойчивую альтернативу в достижении теплового комфорта здания. Тем не менее, применение уникальной технологии в основном обусловлено местными экологическими характеристиками с места расположения строительного объекта. Например, для жаркого и сухого климата настоятельно рекомендуются пруды на крышах, зеленые крыши, испарительное охлаждение и экранирование, в то время как для жаркого и влажного или умеренного климата предпочтительнее использовать конвекционные технологии охлаждения, такие как свободная или плавучая вентиляция, солнечные дымоход, ландшафтное затенение и тромбообразные стены.

Несмотря на то, что большинство латиноамериканских стран находятся в тропическом регионе и характеризуются теплой погодой, в технической литературе мало исследований по применению пассивного охлаждения в строительстве и проектировании зданий. Тем не менее, эта технология дает возможность повысить тепловой комфорт внутри зданий и вносит вклад в устойчивое строительство в регионе.

 

Библиографический список:

1. Ильина Т.Н. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение: учеб. пособие для студентов специальности.: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2006. - 200 с.

2. Богословский В.Н. Отопление и вентиляция. ч.II. М.: Стройиздат, 1976. 536с.

3. Щекин Р.В. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Киев, 1976, 305 с.

4. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2 ч. Ч.2. Вентиляция и кондиционирование воздуха.- М.: Стройиздат, 1978 - 509с.

5. Пеклов А.А., Степанова Т.А. Кондиционирование воздуха. - Киев.: Вища школа, 1978. - 326 с.

6. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. - М.: Высшая школа, 1971. - 460 с.

7. Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданий. 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1982. - 312 с.

8. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. - М.: Машиностроение, 1978. - 264 с.

9. Богословский В.Н., Кокорин О.Я., Петров Л.В. Кондиционирование воздуха и холодоснабжение. - М.: Стройиздат, 1985. - 367 с.

10. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть II. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Под ред. И.Г. Староверова. - М.: Стройиздат, 1978, 509 с.

 

. . . . . . .