Демонстрационно-измерительная система ДОМ

Белорусский государственный университет
Физический факультет
Кафедра энергофизики
Демонстрационно-измерительная система «ДОМ»
Минск
2005 г.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Отсутствие в Республике Беларусь в достаточном количестве собственных
энергоресурсов, жесткие экологические требования, а также наличие
большого потенциала энерго- и ресурсосбережения
ставят проблему
эффективного использования энергии, в том числе тепловой.
В настоящее время в нашей стране уделяется значительное внимание
решению проблем, связанных с энергосбережением в промышленности и
быту. Крупным потребителем тепловой энергии являются системы отопления
зданий и сооружений различного назначения. На отопление и вентиляцию
жилых и общественных зданий расходуется до 55% генерируемой энергии,
причем этот расход связан с большими и неоправданными потерями,
вызванными различными причинами.
Основными процессами, влияющими на величину тепловых потерь в
ограждающих конструкциях, являются процессы теплообмена, переноса влаги
и фильтрации воздуха.
Тепловая обстановка в помещении определяется конструкцией помещения,
видом и расположением нагревательных приборов, подвижностью и
влажностью воздуха внутри и снаружи сооружения, типом и толщиной
ограждающих конструкций, поглощательной и излучательной способностью
различных поверхностей помещения.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Цикл лабораторных работ
Исследование процессов теплообмена в замкнутых объемах и
процессов теплопередачи через ограждающие конструкции


Целью цикла работ является исследование влияния различных объектов и
процессов на температурные режимы внутри ограниченных объемов и
возможные пути их оптимизации; изучение способов минимизации
энергопотребления в жилых зданиях и сооружениях с разным типом
ограждающих конструкций; экспериментальное определение и численный
расчет локальных и интегральных значений тепловых потоков, проходящих
через ограждающие конструкции.
Объектом
исследования
является
модель
одноэтажного
дома,
изготовленного из древесины. Конструкция обеспечивает изменение
термических сопротивлений теплопроводности ограждающих конструкций и
термических сопротивлений теплоотдачи на внутренней и наружной
поверхностях. Внутри модели имеются источники тепла переменной
мощности и различных конфигураций поверхности. Измерение температуры
осуществляется с помощью термопар. Задание тепловых режимов, опрос
датчиков температуры и расчет теплофизических характеристик выполняется
с помощью ЭВМ.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Виды выполняемых работ:
1)
Демонстрационный
лабораторный
практикум.
Предназначен
для
студентов
3
курса
специализаций
«энергофизика», «теплофизика», а также студентов других
специальностей в рамках общего курса «Основы энергосбережения».
2)
Экспериментальный
лабораторный
практикум.
Предназначен
для
студентов
4
курса
специализаций
«энергофизика», «теплофизика», а также студентов архитектурностроительных специальностей.
3)
Расчетный лабораторный практикум. Предназначен для
студентов 5 курса и магистрантов специализаций «энергофизика»,
«теплофизика».
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Демонстрационный лабораторный практикум
Практические задания к работе:
I.
Исследование способов создания комфортных тепловых
условий. Исследуется поле температур внутри дома при включении одного
нагревателя, двух одинаковых нагревателей, подогреваемого пола,
нагревателей с различной площадью поверхности.
II.
Исследование
влияния
фильтрации
воздуха
на
температурный режим внутри замкнутого объема (при
наличии неплотно закрытых окон, трубы, отсутствии
потолка).
III. Исследование способов уменьшения тепловых потерь в
помещениях. Исследуется распределение температур внутри дома при
установке съемных стен различной толщины, изготовленных из различных
материалов и многослойных стен.

Задача студентов – нахождение оптимального теплотехнического решения на
основании массива полученных распределений температур
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Демонстрационный лабораторный практикум
Примеры полученных распределений температуры
60
Датчики установлены:
55
на полу
3 см выше пола
о
Температура, C
50
9 см выше пола
45
14 см выше пола
40
35
30
25
20
15
0:41:34.98
1:23:15.01
2:04:55.01
2:46:35.01
Время
Рис. 1. Распределение температуры в
случае подогреваемого пола
Рис. 2. Распределение температуры в
случае одного работающего нагревателя
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Экспериментальный лабораторный практикум
Практические задания к работе:
I.
Исследование конвективного теплообмена в
замкнутом объеме (способов создания комфортных
тепловых условий; интенсификации процессов
теплообмена).
II.
Исследование влияния фильтрации воздуха на
температурный режим внутри замкнутого объема
(при наличии неплотно закрытых окон, трубы,
отсутствии потолка).
III.
Исследование процессов теплопередачи через
ограждающие конструкции (способов уменьшения
тепловых потерь).
При выполнении данного лабораторного практикума студенты на основании
экспериментально полученных температурных распределений определяют
параметры процессов конвективного теплообмена, рассчитывают тепловые
потоки и теплофизические характеристики материалов стен.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Экспериментальный лабораторный практикум
Положение датчиков в измерительном блоке
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Экспериментальный лабораторный практикум
Примеры полученных распределений температуры
120
о
80
60
о
Температура, С
100
Датчики
3
4
5
6
7
100
Температура, С
Датчики
3
4
5
6
7
120
80
60
40
40
20
20
0:24:54.96
0:49:54.96
1:14:54.96
1:39:54.96
Время
Рис. 1. Используются 2
нагревателя. Стены без окон.
0:16:34.98
0:33:14.98
0:49:54.98
1:06:34.98
Время
Рис. 2. Используются 2 нагревателя.
Фронтальная стена с окнами и дверью
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Экспериментальный лабораторный практикум
Примеры полученных распределений температуры
140
о
100
80
60
о
Температура, С
120
Датчики
0
1
2
7
120
Температура, С
Датчики
0
1
2
7
140
100
80
60
40
40
20
20
0:20:44.98
0:41:34.98
1:02:24.98
1:23:14.98
Время
Рис. 1. Используется 1 нагреватель.
Крыша сплошная, фронтальная
стена с окнами и дверью.
0:20:44.98
0:41:34.98
1:02:24.98
Время
Рис. 2. Используется 1
нагреватель. Крыша с трубой,
фронтальная стена с окнами и
дверью.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Расчетный лабораторный практикум
Практические задания к работе:
I.
Расчет температурных полей и тепловых потоков в случае
двумерной стационарной задачи теплопроводности.
II.
Расчет температурных полей в случае одномерной
нестационарной задачи теплопроводности с различными
граничными условиями.
III. Расчет теплоустойчивости ограждающих конструкций при
периодическом изменении температуры среды.
IV. Расчет температурных полей в вертикальной герметичной
воздушной прослойке.
При расчетах студенты используют граничные условия, соответствующие
модели дома, и проводят сравнения расчетных результатов с
экспериментальными, полученными при выполнении экспериментального
лабораторного практикума. Расчеты могут проводиться как при помощи
известных математических пакетов, так и при помощи разработанных самими
студентами программ.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Расчетный лабораторный практикум
Температура
T (К)
Температура
T (К)
46.40
22.80
43.76
22.52
41.12
22.24
38.48
35.84
33.20
21.96
21.68
21.40
30.56
21.12
27.92
20.84
25.28
20.56
22.64
20.28
20.00
20.00
Примеры расчетов двумерных задач, выполненных в программе ELCUT. В
первом случае нагрев осуществляется одним плоским нагревателем, во
втором – двумя.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Практические применения результатов:
Выработка рекомендаций по оптимальному
размещению нагревателей и выбору их типа в
реальных зданиях.
Выработка рекомендаций по применению в
ограждающих конструкциях зданий различных
теплоизоляционных материалов (с учетом их толщины
и теплофизических характеристик), а также возможной
комбинации нескольких слоев различных материалов.
Анализ влияния процессов конвекции на потери тепла
в реальных зданиях.
Демонстрационно-измерительная система «Дом»
Перспективы дальнейшего развития
демонстрационно-измерительной системы «Дом»
Исследование потерь тепла за счет излучения. Применение
бесконтактных методов измерения температуры (с помощью тепловизора, пирометра,
интерференционных методов) позволяет оценить потери тепла в виде излучения через
внешние ограждающие конструкции.
Анализ 3-х мерной картины теплообмена в модели дома.
Установка большого количества температурных датчиков внутри объема позволит
получать детальное распределение температуры внутри здания. Это открывает
возможности для рассмотрения большого количества задач как теоретической, так и
прикладной теплофизики.
Упрощенный вариант демонстрационно-измерительной
системы. Установка с 4 температурными датчиками внутри объема и упрощенной
системой сбора и обработки информации может применяться для качественного
анализа эффективности работы различных систем отопления в домах. Такая модель
может применяться в школах и при проведении различных образовательных
мероприятий, посвященных энергосбережению. Она может использоваться также в
средних учебных заведениях с углубленным изучением физики (гимназии, лицеи,
колледжи) при изучении законов теплообмена.