Разработка и верификация имитационной модели процесса теплопередачи через оконный блок с теплоотражающими экранами
Г.И. Парфенов, Н.Н. Смирнов, А.К. Соколов, В.В. Тютиков, С.Н. Ярунин, Н.Н. Ярунина
Вестник ИГЭУ, 2023 г. выпуск 5, сс. 28—39
Скачать PDF
Состояние вопроса. На оконные блоки приходятся самые большие удельные трансмиссионные тепловые потери в зданиях. Среди существующих технологий по повышению тепловой защиты окон особый интерес представляет применение перемещаемых теплоотражающих экранов и фотоэлектрических солнечных батарей. Несмотря на большое количество научных публикаций, рассматривающих экспериментальные лабораторные исследования и численное моделирование процессов теплопередачи через оконные блоки, отсутствуют данные о влиянии краевых зон стеклопакета, а также областей сопряжения оконного профиля и светового проема на тепловые процессы, протекающие в данных энергосберегающих конструкциях с экранами. Изменение по высоте удельных тепловых потоков и температуры на внутренней поверхности оконного блока значительно влияет на корректность определения значения минимально-допустимой температуры внутреннего воздуха. Таким образом, разработка и верификация моделей процесса теплопередачи через оконный блок с экранами является актуальной задачей при формировании микроклимата внутри помещений различного назначения.
Материалы и методы. Имитационное численное моделирование выполнено с помощью метода конечных элементов на основании фундаментальных законов теплообмена. Использованы результаты экспериментальных исследований окон с теплоотражающими экранами, проведенных в сертифицированной климатической камере.
Результаты. Разработана двухмерная имитационная модель теплопередачи через оконный блок с теплоотражающими экранами, расположенный в разделительной перегородке климатической камеры. Исследовано распределение температур, скоростей воздушных потоков и приведенного сопротивления теплопередаче по высоте светопрозрачной ограждающей конструкции. Адекватность предложенной имитационной модели подтверждена сравнением с результатами эксперимента в сертифицированной лаборатории, а также данными других авторов и нормативной документацией.
Выводы. Применение теплоотражающих экранов в оконном блоке позволило увеличить приведенное сопротивление теплопередаче в 1,6–3,7 раза в зависимости от их количества. Выявлено значительное снижение температуры в краевых зонах стеклопакета. Использование разработанной имитационной модели позволит более точно определить потенциал применения теплоотражающих экранов в окнах для систем прерывистого отопления зданий, в том числе в случае применения технологии предварительной осушки воздуха для влажного, мокрого или нормального режимов эксплуатации помещений промышленных предприятий.
1. Информационная база данных по оптическим и теплозащитным характеристикам строительных материалов / Л.В. Прима, М.В. Горелов, В.С. Глазов, Э.К. Фелькер // Энергосбережение – теория и практика: труды VIII Междунар. школы-семинара молодых ученых и специалистов. – М.: Изд. дом МЭИ, 2016. – С. 165–170.
2. Бухмиров В.В., Пророкова М.В. Оценка микроклимата в помещениях жилых, общественных и административных зданий // Вестник ИГЭУ. – 2015. – Вып. 4. – С. 5–10.
3. Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. – М.: Лазурь, 2005. – 432 с.
4. Ахмяров Т.А., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Новое поколение энергоэффективных вентилируемых светопрозрачных и фасадных конструкций с активной рекуперацией теплового потока // Жилищное строительство. – 2015. – № 1. – С. 18–23.
5. Подковырина К.А., Подковырин В.С. Светопрозрачные ограждающие конструкции (методы снижения тепловых потерь и мировой опыт применения) // Архитектура и дизайн. – 2018. – № 1. – С. 46–51.
6. Низовцев М.И., Терехов В.И. Светопрозрачные конструкции с регулируемыми тепловыми характеристиками // Проблемы региональной энергетики. – 2011. – № 1. – С. 60–76.
7. Смирнов Н.Н. Совершенствование систем по созданию динамического микроклимата для помещений с энергоэффективными светопрозрачными конструкциями: дис. … канд. техн. наук: 05.14.04. – Иваново, 2022. – 333 с.
8. Пат. 154163 Российская Федерация МПК Е 06 В 9/17. Многофункциональный энергоэффективный ставень / В.М. Захаров, Н.Н. Смирнов, Д.А. Лапатеев и др.; опубл. 20.08.2015, бюл. № 23.
9. Hashemi A., Gage S. Technical issues that affect the use of retrofit panel thermal shutters in commercial buildings // Building Services Engineering Research and Technology. – 2014. – No. 35. – Р. 6–22.
10. Performance of a window shutter with phase change material under summer Mediterranean climate conditions / T. Tiago Silva, R. Vicente, F. Rodrigues, et al. // Applied Thermal Engineering. – 2015. – No. 84. – P. 246–245.
11. Корепанов Е.В. Численное моделирование теплопередачи через окна с тройным остеклением // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2009. – № 7. – С. 44–52.
12. Корепанов Е.В. Выбор критериальных уравнений для эквивалентной теплопроводности светопрозрачной части окна // СОК. – 2016. – № 12. – С. 1–12.
13. Варапаев В.Н., Голубев С.С. Численное моделирование сопряженной задачи теплообмена в стеклопакетах оконных ограждений // Промышленное и гражданское строительство. – 2018. – № 11. – С. 72–75.
14. Голубев С.С. Численное моделирование сложного теплообмена в стеклопакете с учетом его деформирования // Вестник МГСУ. – 2012. – № 12. – С. 47–52.
15. Two-dimensional conduction and CFD simulations of heat transfer in window frame cavities / A. Gustavsen, Ch. Kohler, D. Arasteh, D. Curcija // ASHRAE transactions. – 2005. – Vol. 111, No. 1. – P. 587–598.
16. Gerlich V., Sulovská K., Zálešák M. COMSOL Multiphysics validation as simulation software for heat transfer calculation in buildings: Building simulation software validation // Measurement. – 2013. – Vol. 46, No. 6. – P. 2003–2012.
17. Experimental and Numerical Simulations of Climatic Loads in Insulating Glass Units by Controlled Change of Pressure in the Gap / M. Kozłowski, Z. Respondek, M. Wiśniowski, et al. // Applied Sciences. – 2023. – Vol. 13, No. 3. – P. 1269–1278.
18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2022682827 Российская Федерация. Программа для двухмерного моделирования процесса теплопередачи через оконный блок с экранами / Г.И. Парфенов, Н.Н. Смирнов, В.В. Тютиков, В.М. Захаров, И.С. Трухин, А.А. Яблоков; зарег. 28.11.2022 г.