alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.07-09.055-062alternative-1329Research ArticleВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКАRENEWABLE ENERGYТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ В ПАССИВНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИHEAT FLUX IN A PASSIVE MULTI-LAYERED SOLAR PANELШепсР. А.ShepsR. A.

ассистент кафедры жилищно-коммунального хозяйства

Assistant at the Department of Housing and Communal Services

romansheps@yandex.ruГоловинскийП. А.GolovinskyP. A.

д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры инноватики и строительной физики, Воронежский государственный технический университет; преподавал в университете им. Лаваля (Квебек, Канада), Лаборатории атомной и молекулярной физики им. Эмми Коттон (Орсэ, Франция) и др.

D.Sc. in Physics and Mathematics, Professor of the Department of Innovation and Building Physics, Voronezh State Technical University; worked as a Visiting Professor at the University Laval (Quebec, Canada), Laboratory of Atomic and Molecular Physics Emmy Cotton (Orsay, France) etc

ЩукинаТ. В.ShchukinaT. V.

канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой жилищно- коммунального хозяйства

Ph.D. in Engineering, Associate Professor, Head of the Department of Housing and Communal Services

ЯременкоС. А.YaremenkoS. A.

канд. техн. наук, профессор кафедры жилищно-коммунального хозяй- ства, Воронежский государственный технический университет

PhD. in Engineering, Professor of the Department of Housing and Communal Services

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (ВГТУ)РоссияVoronezh State Technical UniversityRussian Federation20181405201807-95562Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1329

Рассматривался вопрос о том, как при объективных финансовых ограничениях на этапах строительства и монтажа инженерных систем повысить энергоэффективность и экологическую безопасность зданий и сооружений за счёт малозатратного способа утилизации солнечной радиации, предполагающего пассивное преобразование в тепловую энергию в наружных ограждающих конструкциях. Несмотря на экономическую целесообразность таких систем отопления, ввиду низких показателей КПД по сравнению с активными гелиоустановками складывается мнение о возможности их использования только в тех климатических условиях, которые характеризуются мягким отопительным периодом. В этой связи анализировались известные и разрабатываемые строительные светопрозрачные, поглощающие, аккумулирующие и изолирующие материалы, наряду с возможностями по созданию многофункциональных наружных ограждений, которые могут расширить географию использования пассивных систем. Для решения вопросов эффективной утилизации солнечного излучения фасадно-интегрированными панелями изучались нестационарные тепловые процессы, возникающие в многослойных наружных ограждениях зданий. Как показал анализ математических методов, для описания суточных изменений температуры в толще строительных конструкций следует применять теорию тепловых волн. Принцип суперпозиции температурных возмущений позволил выполнить расчет переноса тепла в многослойных наружных ограждениях. Для сравнительной оценки влияния солнечной радиации в климатических условиях Воронежской области (52 º с.ш.) на двухслойную конструкцию и четырехслойную, состоящую из стеклопакета, воздушной прослойки, железобетона, воздушной прослойки, утеплителя и защищенную с внешней стороны стеклопакетом, выполнены расчеты. В январе при температуре наиболее холодной пятидневки –24 ºС среднесуточные потери теплоты через площадь поверхности 1 м2 двухслойной наружной стены составляют 6 Вт/м2 , а при тех же погодных условиях четырехслойная солнечная панель в среднем отдает в обогреваемое помещение 36,3 Вт/м2 , при этом максимальные значения теплового потока достигаются за 18 ча- сов. Расчетные данные подтвердили целесообразность применения пассивных солнечных панелей при низких температурах холодного периода года, а учитывая незначительные затраты на обустройство по сравнению с активными гелиосистемами и существующие тенденции фасадного остекления, был сделан вывод о необходимости использования этих панелей для повышения энергоэффективности зданий.

 

The paper deals with the question concerning the increase in buildings and structures energy efficiency and environmental safety at the construction and installation of engineering systems with financial constraints. We suggest solving this problem with low-cost method of solar radiation utilization which implies the passive thermal energy transformation into external fencing structures. In spite of the economic expedience of such heating systems, there is an opinion that they are suitable only for climatic conditions characterized by a mild heating period due to low efficiency indicators in comparison with the active solar power plant. As regards this, the paper analyzes the well-known and new building translucent, absorbing, accumulating and insulating materials along with the possibilities to create the multifunctional external fences that can expand the geography of the use of passive systems. We have studied the nonstationary thermal processes arising in multilayer external fences of buildings in order to solve the problems of effective solar radiation utilization by facade integrated panels. The analysis of mathematical methods has shown that theory of thermal waves should be used to describe the diurnal temperature changes inside building structures. The principle of temperature frequency superposition principle has made it possible to calculate the heat transfer in multilayer external panes. In Voronezh region climatic conditions (52º), we have evaluated the solar radiation effect on a two-layer and a four-layer structure consisting of a glass unit, an air layer, reinforced concrete and heater, protected from the outside by double-glass unit. In January at temperature -24 °C of the coldest fiveday period, the average daily heat losses through the surface area of 1 m2 of the two-layer outer wall are 6 W / m2 , and under the same weather conditions an average heat flux through the surface area of 1 m2 of the four-layer solar panel is of 36.3 W / m2 ; the maximum values of the heat flux are achieved in 18 hours. The presented data confirm the expedience of passive solar panels use in case of low temperatures during the cold period of a year. Moreover, considering the facade glazing trends and low cost of the passive solar panels in contrast with the active solar systems, we concluded that they should be used for increase in energy efficient of buildings.

энергосбережениесолнечная энергияэнергоэффективностьпассивные солнечные панелиэнергоактивные ограждающие конструкциитепловой потокenergy savingsolar energyenergy efficiencypassive solar panelsenergy-efficient enclosing structuresheat fluxReferencesДаффни, Дж. Основы солнечной теплоэнергетики [Текст] / Дж. Даффни, У. Бекман. – Долгопрудный, Изд. Дом. «Интеллект», 2013. – 888 с.Daffni Dzh., Bekman U. The basics of solar power system (Osnovy solnechnoi teploenergetiki). Dolgoprudnyi, Izd. Dom. “Intellekt”, 2013 (in Russ.).Петров, В.М. Оценка поступления солнечной энергии на поверхности активных фасадно-интегрированнных систем энергоснабжения [Текст] / В.М. Петров // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – Т. 11. – С. 85–91.Petrov V.M. Estimation of solar energy input on the surface of active facade integrated power supply systems (Otsenka postupleniya solnechnoi energii na poverkhnosti aktivnykh fasadno-integrirovannnykh sistem energosnabzheniya). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2014;11:8591 (in Russ.).Quesada, G. A comprehensive review of solar facades [Text] / G. Quesada [et al.] // Transparent and translucent solar facades. Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2012. – Vol. 16. – No 5. – P. 2643– 2651.Quesada G. Rousse D., Dutil Y., Balache M., Hallé S. A comprehensive review of solar facades. Transparent and translucent solar facades. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012;16(5): 2643–2651.Navarro, L. Thermal energy storage in building integrated thermal systems [Text] / L. Navarro [et al.] // A review. Part. 2. Integration as passive system. – Renewable Energy. – 2015. – Vol. 30. – P. 1–23.Navarro L., De Grasia A., Niall D., Castell A., Browne M., McCormack S.J., Griffiths P., Gabeza L.F. Thermal energy storage in building integrated thermal systems. A review: Part. 2. Integration as passive system. Renewable Energy, 2015;30:1–23.Zhou, Ao Thermal insulating concrete wall panel design for sustainable built environment [Text] / Ao Zhou [et al.] // The Scientific World Journal. – 2014. – Vol. 12. – ID 279592.Zhou Ao, Wong K.-W., Lau D. Thermal insulating concrete wall panel design for sustainable built environment. The Scientific World Journal, 2014; 12:ID 279592.Skujans, J. Measurement of heat transfer of multy-layered wall construction with foam gypsum Appl [Text] / J. Skujans [et al.] // Thermal Eng. – 2007. – Vol. 27. – 1219–1224.Skujans J., Vulans A., Iljins U., Aboltins A. Measurement of heat transfer of multy-layered wall construction with foam gypsum Appl. Thermal Eng., 2007;27:1219–1224.Shchukina, T.V. Passive solar heating: how to control heating regime [Text] / T.V. Shchukina [et al.] // Int. J. of Environmental and Science Education. – 2016. – Vol. 11. – No 18. – P. 11361–11373.Shchukina T.V., Sheps R.A., Kuznetsova N.V. Passive solar heating: how to control heating regime. Int. J. of Environmental and Science Education, 2016;11(18):11361–11373.Богословский, В.Н. Строительная теплофизика [Текст] / В.Н. Богословский. – М.: Высшая школа, 1982. – 415 с.Bogoslovskii V.N. Building thermal physics (Stroitel'naya teplofizika). Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1982 (in Russ.).Тихонов, А.Н. Уравнения математической физики [Текст] / А.Н. Тихонов, А.А. Самарский – М.: МГУ, 1999. – 798 с.Tikhonov A.N., Samarskii A.A. Equations of mathematical physics (Uravneniya matematicheskoi fiziki). Moscow, MGU, 1999 (in Russ.).Харкевич, А.А. Спектры и анализ [Текст] / А.А. Харкевич. – М.: Изд-во ЛКИ, 2007. – 240 с.Kharkevich A.A. Spectra and analysis (Spektry i analiz). Moscow, Izd-vo LKI, 2007 (in Russ.).СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий. Свод правил. – Введ 2013-07-01 - М.: Министерство регионального развития РФ, 2012. – 95 с.SP 50.13330.2012. Thermal protection of buildings (Teplovaya zashchita zdanii. Svod pravil. – Vved 2013-07-01). Moscow, Ministerstvo regional'nogo razvitiya RF, 2012 (in Russ.).Борискина, И. В. Проектирование современных оконных систем гражданских зданий / Борискина, И. В. [и др.] - М.: Издательство АСВ, 2003. – 320 с.Boriskina I.V., Plotnikov A.A., Zakharov A.V. Design of modern window systems of civil buildings Proektirovanie sovremennykh okonnykh sistem grazhdanskikh zdanii. Moscow, Izdatel'stvo ASV Publ., 2003 (in Russ.).Щукина, Т.В. Исследование эффективности энергоактивных ограждений для пассивного солнечного отопления [Текст] / Т.В. Щукина, Д.М. Чудинов // Промышленная энергетика. – 2007. – № 8 – С. 52–54.Shchukina T.V., Chudinov D.M. Research of efficiency of power active protections for passive solar heating (Issledovanie effektivnosti energoaktivnykh ograzhdenii dlya passivnogo solnechnogo otopleniya). Promyshlennaya energetika, 2007;8:52–54 (in Russ.).Акулова, И.И. Прогнозирование динамики и структуры жилищного строительства в регионе [Текст] / И.И. Акулова; Федеральное агентство по образованию, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. Воронеж, 2007 – 132 с.Akulova I.I. Forecasting the dynamics and structure of housing construction in the region (Prognozirovanie dinamiki i struktury zhilishchnogo stroitel'stva v regione) / I.I. Akulova; Federal'noe agentstvo po obrazovaniyu, Voronezhskii gosudarstvennyi arkhitekturno-stroitel'nyi universitet. Voronezh, 2007 (in Russ.).Щукина, Т.В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений [Текст] / Т.В. Щукина. – Воронеж: ВГАСУ – 2007. – 121 с.Shchukina T.V. Solar heat supply of buildings and structures (Solnechnoe teplosnabzhenie zdanii i sooruzhenii). Voronezh: VGASU – 2007 (in Russ.).Турулов, В.А. Гелиоактивные стены зданий [Текст] / В.А. Турулов. – М.: Издательство АСВ, 2011 – 168 с.Turulov V.A. Solar active walls of buildings (Gelioaktivnye steny zdanii). Moscow, Izdatel'stvo ASV, 2011 (in Russ.).Щукина, Т.В. Поглощающая способность наружных ограждений зданий для пассивного использования солнечного излучения [Текст] / Т.В. Щукина // Промышленное и гражданское строительство, 2012. – № 9. – С. 66–68.Shchukina T.V. Absorptive capacity of external building barriers for passive use of solar radiation (Pogloshchayushchaya sposobnost' naruzhnykh ograzhdenii zdanii dlya passivnogo ispol'zovaniya solnechnogo izlucheniya). Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo, 2012;(9):66–68 (in Russ.).Щукина, Т.В. Пассивное использование солнечной энергии для энергосберегающей эксплуатации зданий [Текст] / Т.В. Щукина, Алахмди Крар Кассим // Материали за VIII международна научна практична конференция «Ключови въпроси в съвременната наука» 17–25 април 2012 г. – Том 29: Математика. Здание и архитектура. – София.: «Бял ГРАД-БГ» ООД. 2012 – С. 53–59.Shchukina T.V. Passive use of solar energy for energy-saving operation of buildings (Passivnoe ispol'zovanie solnechnoi energii dlya energosberegayushchei ekspluatatsii zdanii). Materiali za VIII mezhdunarodna nauchna praktichna konferentsiya “Klyuchovi v"prosi v s"vremennata nauka”, 17–25 April 2012. Vol. 29: Matematika. Zdanie i arkhitektura. – Sofiya.: „Byal GRAD-BG“ OOD, 2012, pp. 53–59 (in Russ.).Пат. 2604119 РФ, МКИ F24J 2/24, F24J 2/34, F24J 2/14, F24J 2/16. Солнечный тепловой коллектор / Щукина Т.В., Полосин И.И., Шепс Р.А., Караваева Я.И.; заявитель и патентообладатеь ФГБОУ ВО «Воронежский государственный архитектурно-строи-тельный университет», № 2015106253; заявлено 24.02.2015; опубл. 10.09.2016.; Бюл. №25. – 8 с.Shchukina T.V., Polosin I.I., Sheps R.A., Karavaeva Ya.I. Solar heat collector (Solnechnyi teplovoi kollektor). Pat. 2604119 RF, MKI F24J 2/24, F24J 2/34, F24J 2/14, F24J 2/16. opubl. 10.09.2016.; Bul. 25 (in Russ.).Turchin, N. Nonstationary axisymmetric temperature field in a two-layer slab under mixed heating conditions [Text] / N. Turchin // J. of Eng. Phys. and Thermophysics. – 2015. – Vol. 88. – No 5. – P. 1135–1144.Turchin N. Nonstationary axisymmetric temperature field in a two-layer slab under mixed heating conditions. J. of Eng. Phys. and Thermophysics, 2015;88(5): 1135–1144.Морс, Ф.М. Методы теоретической физики [Текст] / Ф.М. Морс, Г. Фешбах. – М.: ИИЛ, 1960. – Т. 2.Mors F.M., Feshbakh G. Methods of theoretical physics (Metody teoreticheskoi fiziki). Moscow, IIL, 1960. Vol. 2 (in Russ.).Мэтьюз, Дж. Численные методы. Использование MATLAB [Текст] / Дж. Мэтьюз, К.Д. Финк. – М.: Изд. Дом «Вильямс», 2001. – 720 с.Met'yuz Dzh., Fink K.D. Numerical method. The use of MATLAB (Chislennye metody. Ispol'zovanie MATLAB). Moscow, Izd. Dom “Vil'yams”, 2001 (in Russ.).Takhar, H.S. Effects of non-uniform wall temperature and mass transfer infinite section of an inclined plate on the MDH natural convection flow in a temperature stratified high-porosity medium [Text] / H.S. Takhar [et al.] // Int. J. Therm. Sc. – 2003. – Vol. 42. – P. 829–836.Takhar H.S., Chamkha A.J., Nath G. Effects of non-uniform wall temperature and mass transfer infinite section of an inclined plate on the MDH natural convection flow in a temperature stratified high-porosity medium. Int. J. Therm. Sc., 2003;42:829–836.Aksenov, B. Mathematical modeling of temperature field of multilayer enclosure structures [Text] / B. Aksenov [et al.] // MATEC Web of Conference. – 2016. – Vol. 73. – P. 02023.Aksenov B., Karyakina S., Stepanov O., Shapoval A., Bodrov M. Mathematical modeling of temperature field of multilayer enclosure structures. MATEC Web of Conference, 2016;73:02023.Aliawdin, P. Theoretical and experimental analysis of heat transfer in the layers of road pavement [Text] / P. Aliawdin [et al.] // Civil and Environmental Engineering Reports. – 2005. – Vol. 1. – P. 7–18.Aliawdin P., Marcinovski J., Wilk P. Theoretical and experimental analysis of heat transfer in the layers of road pavement. Civil and Environmental Engineering Reports, 2005;1:7–18.Nguyen, C.H. Multifunctional thermal barrier coating in aerospace sandwich panels [Text] / C.H. Ngu-yen [et al.] // Mechanics Research Communications. – 2012. – Vol. 32. – P. 35043.Nguyen C.H., Chandrashekharra K., Birman V. Multifunctional thermal barrier coating in aerospace sandwich panels. Mechanics Research Communications, 2012;32:35043.Кошляков, Н.С. Основные дифференциальные уравнения математической физики [Текст] / Н.С. Кошляков [и др.]. – М.: ГИФМЛ, 1962. – 767 с.Koshlyakov N.S., Gliner E.B., Smirnov M.M. Basic differential equations of mathematical physics (Osnovnye differentsial'nye uravneniya matematicheskoi fiziki). Moscow, GIFML, 1962. (in Russ.).Деч, Г. Руководство к практическому преобразованию Лапласа [Текст] / Г. Деч. – М.: Наука, 1965. – 287 с.Dech G. Rukovodstvo k prakticheskomu preobrazovaniyu Laplasa. Moscow, Nauka Publ., 1965 (in Russ.).Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел [Текст] / Г. Карслоу, Д. Эгер. - М.: Наука, 1964. – 488 с.Karslou G., Eger D. (Teploprovodnost' tverdykh tel). Moscow, NaukaPubl., 1964 (in Russ.).Fu, J.W. Non-Fourier heat conduction in sandwich panel with a cracked foam [Text] / J.W. Fu [et al.] // Int. J. Therm. Sciences. – 2016. – Vol. 102. – P. 263–273.Fu J.W., Akbarzadeh A.H., Chen Z.T., Qian L.F., Pasini D. Non-Fourier heat conduction in sandwich panel with a cracked foam. Int. J. Therm. Sciences, 2016;102:263–273.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.