Энергетический анализ теплового баланса энергоэффективного дома на озере Байкал Energy analysis of the heat balance of an energy efficient home on Lake Baikal

22 Apr 2021, 15:35
15m
1224 (Lomonosov st. 9)

1224

Lomonosov st. 9

ITMO University
oral Energy Saving and Energy Efficiency Energy Saving and Energy Efficiency

Speaker

Dr Игорь Огородников

Description

Институт теплофизики СО РАН

В работе произведен расчет энергоэффективности малоэтажного дома из бруса, утепленного минеральной ватой в условиях острова Ольхон на озере Байкал на основе анализа теплового баланса. В модели рассматриваются тепловые процессы, которые характеризуются масштабом времени равном одному месяцу. Предполагается, что конструкция дома находится в динамическом равновесии с окружающей средой, а протекающий теплообмен является квазистационарным. В расчетах используется среднемесячная температура окружающей среды и среднемесячные тепловые потоки через элементы конструкции. Модель построена для многослойных конструкций, предусматривающих переход к однослойным конструкциям.
Согласно требованиям к тепловой защите зданий тепловая оболочка дома должна обеспечивать санитарно-гигиенические требования и высокое сопротивление теплопередаче элементов. При этом необходимо, чтобы удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию не превышала нормированных значений. Сравнение этой характеристики с базовым значением позволило определить класс энергоэффективности дома. Для заданных климатических условий и характеристик конструкции дома значение удельной характеристики расхода тепловой энергии, используемой для нормирования, составляет 0,48 Вт/(м3∙К).
Дополнительно в модели предусмотрен учет тепловых поступлений в результате солнечного излучения и накопления тепловой энергии, полученной от закрепленного на южном фасаде воздушного солнечного коллектора с площадью поверхности 12 м2. Модель также учитывает, что в конструкции здания для повышения тепловой инерционности предусмотрен пространственно распределённый грунтовый тепловой аккумулятор с общим объемом 20,2 м3. Одна его часть входит в состав внутренней стены дома (2,2 м3), другая располагается в подполье (18 м3).
Рассмотрено два режима эксплуатации дома. В первом предполагалось, что дом эксплуатируется в качестве жилья семьи для пяти человек. Во втором в качестве туристической гостиницы на десять человек. Теплотехнические расчеты позволили получить оценку тепловых потерь через все элементы ограждающих конструкций здания. Определен расход тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха и ее доля в общем расходе теплопотреблении в режиме жилого дома и туристической гостиницы.
Показана возможность существенного сокращения мощности отопления здания при использовании рекуператоров тепла вентиляционного воздуха. Выполнен анализ расхода энергии на отопление здания за отдельные месяцы и за год в целом. Определена удельная характеристика расхода тепловой энергии и, согласно этой характеристики, определен класс энергоэффективности здания. Рассмотрена возможность сокращения энергопотребления здания за счет использования солнечных коллекторов и аккумуляции солнечной энергии элементами конструкции здания.
В результате проведенных расчетов установлено, что дом относится к объекту очень высокого класса энергоэффективности с удельными характеристиками расхода тепловой энергии. При работе в режиме гостиницы на 10 человек удельная характеристика расхода тепла составляет 0,059 Вт/(м3∙К), а в режиме жилого дома на 5 человек 0,05 Вт/(м3∙К). Показано, что дополнительный учет бытовых поступлений тепловой энергии, а также тепловых поступлений от солнечного воздушного коллектора приводит к существенному повышению роли тепловых потерь, обусловленных вентиляцией воздуха.
В среднем в январе на обогрев дома требуется мощность около 2,8 кВт. В наиболее холодную пятидневку – не более 4,5 кВт. Такая низкая потребность в тепловой энергии в среднем достигаются за счет использования рекуперативной системы вентиляции и солнечного воздушного коллектора. Использование регенеративной вентиляции с тепловой эффективностью 82% позволяет снизить затраты энергии на отопление почти в 2,5 раза для жилья на 5 человек и почти 4.5 раза для гостиницы на десять человек. Солнечный воздушный коллектор при эксплуатации дома в режиме жилья для пяти человек позволяет снизить потребление энергии в наиболее холодную пяти дневку на 16%, в январе на 24%, а в декабре более чем на 40% для климатических условий Байкала. Аккумуляторы тепловой энергии позволяют повысить тепловую инерционность дома. Так в наиболее холодную пятидневку в пасмурный день температура воздуха в доме без отопления может удерживаться в течение суток выше 16°С, а в солнечный – не ниже 18°С. Таким образом, выбранные конструктивные решения дома в климатических условиях острова Ольхон на Байкале позволяют обеспечить устойчивость теплового состояния дома в отопительный период и снизить в среднем материальные и финансовые затраты на его эксплуатацию.
На основе выполненных расчетов на острове Ольхон построено несколько натурных демонстрационных объектов, использующих для дополнительного обогрева воздушные солнечные коллекторы.

In this work, the calculation of the energy efficiency of a low-rise house made of timber insulated with mineral wool in the conditions of island Olkhon on Lake Baikal based on heat balance analysis. The model considers thermal processes, which are characterized by a time scale of one month. It is assumed that the structure of the house is in dynamic equilibrium with the environment, and the heat exchange is quasi-stationary. The calculations use the average monthly ambient temperature and the average monthly heat fluxes through the structural elements. The model is built for multi-layer structures, providing for the transition to single-layer structures.
According to the requirements for thermal protection of buildings, the thermal envelope of the house must provide sanitary and hygienic requirements and high resistance to heat transfer of elements. In this case, it is necessary that the specific characteristic of the consumption of heat energy for heating and ventilation does not exceed the standardized values. Comparing this characteristic with the baseline value made it possible to determine the energy efficiency class of the house. For the given climatic conditions and characteristics of the house structure, the value of the specific characteristic of the heat energy consumption used for normalization is 0.48 W / (m3 • K).
Additionally, the model provides for the accounting of heat inputs as a result of solar radiation and the accumulation of thermal energy received from an air solar collector with a surface area of 12 m2 fixed on the southern facade. The model also takes into account that to increase the thermal inertia, a spatially distributed heat accumulator is provided in the building structure, in which soil with a total volume of 20.2 m3 is used in the form of thermal mass. One part of it is part of the inner wall of the house (2.2 m3), the other is located underground (18 m3).
Two operating modes of the building are considered. The first mode of operation assumed that the house was used as a family home for five people. In the second version, the building was used as a tourist hotel for ten people. Thermal calculations made it possible to obtain an estimate of heat losses through all elements of the building envelope.
The heat consumption for heating the ventilation air and its share in the total heat consumption in the mode of a residential building and a tourist hotel have been determined. The possibility of a significant reduction in the heating power of a building when using heat recuperators for ventilation air is shown. The analysis of energy consumption for heating the building for individual months and for the year as a whole is carried out. The specific characteristic of heat energy consumption was determined and, according to this characteristic, the energy efficiency class of the building was determined. The possibility of reducing the energy consumption of the building through the use of solar collectors and accumulation of solar energy by the building structure elements is considered. As a result of the calculations, it was established that the house belongs to an object of a very high class of energy efficiency with specific characteristics of heat energy consumption. When working in the hotel mode for 10 people, the specific characteristic of the heat consumption is , and in the mode of a residential building for 5 people, this value is . It is shown that additional accounting for household heat inputs, as well as heat inputs from a solar air collector, leads to a significant increase in the role of heat losses due to air ventilation. On average, in January, about 2.8 kW of power is required to heat a house. In the coldest five-day period, no more than 4.5 kW is required. This low heat demand is on average achieved through the use of a recuperative ventilation system and a solar air collector. The use of regenerative ventilation with a thermal efficiency of 82% makes it possible to reduce energy consumption for heating by almost 2.5 times for housing for 5 people and almost 4.5 times for a hotel for ten people. The solar air collector, when operating a house in the mode of housing for five people, reduces energy consumption in the coldest five days by 16%, in January by 24%, and in December by more than 40%. Thermal energy accumulators can increase the thermal inertia of the house. So on the coldest five-day period on a cloudy day, the air temperature in a house without heating can be kept above 16 ° C for a day, and on a sunny day it does not drop below 18 ° C. Thus, the selected design solutions of the house in the climatic conditions of the Olkhon island on Lake Baikal allow ensuring the stability of the thermal state of the house during the heating season and reducing, on average, material and financial costs for its operation.
On the basis of the calculations performed, several full-scale demonstration objects were built on Olkhon island, using air solar collectors for additional heating.

Primary authors

Presentation Materials