Жылу энергиясын сақтау: ғимараттарды жобалауда температураны тұрақтандыру, энергия тиімділігін арттыру. Жылу аккумуляциясы, жылу инерциясы туралы біліңіз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ғимарат құрылысында жылу энергиясын сақтауты пайдалану
Use of thermal energy storage in building design
Ғимарат құрылысында жылу массасы – ғимараттың массасының жылуды сақтауға және температура өзгерістеріне қарсы инерцияны қамтамасыз етуге мүмкіндік беретін қасиеті. Оны кейде жылудық серпімділік эффектісі деп те атайды. Салмақты құрылымдық элементтердің жылу массасы энергия тиімді ғимараттар құру үшін құрылыстың жеңіл жылу кедергі компоненттерімен бірге жұмыс істеуі үшін жобаланып жасалуы мүмкін. Мысалы, сыртқы температура күні бойы ауытқу кезінде, үйдің жылу оқшауланған бөлігіндегі үлкен жылу массасы күнделікті температура өзгерістерін «тегістеуге» көмектеседі, себебі жылу массасы қоршаған орта температурасы массадан жоғары болғанда жылу энергиясын сіңіреді, ал қоршаған орта салқындағанда жылу энергиясын қайтарады, бірақ жылулық тепе-теңдікке жетпейді. Бұл материалдың жылу өткізгіштігін азайтатын, ғимаратты сыртқы ортадан салыстырмалы түрде жеке жылытуға немесе салқындатуға мүмкіндік беретін, тіпті тұрғындардың жылу энергиясын ұзақ уақыт сақтай алатын оқшаулағыш қасиетінен өзгеше. Ғылыми тұрғыдан алғанда, жылу массасы жылу сыйымдылығымен немесе жылу қабілетімен тең, яғни дененің жылу энергиясын сақтау қабілеті. Ол әдетте Cth символымен белгіленеді және оның SI бірлігі J/K немесе J/°C (эквивалентті). Жылу массасы су объектілеріне, машиналарға немесе машина бөліктеріне, тірі ағзаларға немесе инженерлік немесе биологиядағы кез келген басқа да құрылымдарға немесе денелерге де қолданылуы мүмкін. Мұндай жағдайларда көбінесе «жылу сыйымдылығы» термині қолданылады.
In building design, thermal mass is a property of the mass of a building that enables it to store heat and provide inertia against temperature fluctuations. It is sometimes known as the thermal flywheel effect. The thermal mass of heavy structural elements can be designed to work alongside a construction's lighter thermal resistance components to create energy efficient buildings. For example, when outside temperatures are fluctuating throughout the day, a large thermal mass within the insulated portion of a house can serve to "flatten out" the daily temperature fluctuations, since the thermal mass will absorb thermal energy when the surroundings are higher in temperature than the mass, and give thermal energy back when the surroundings are cooler, without reaching thermal equilibrium. This is distinct from a material's insulative value, which reduces a building's thermal conductivity, allowing it to be heated or cooled relatively separately from the outside, or even just retain the occupants' thermal energy longer. Scientifically, thermal mass is equivalent to thermal capacitance or heat capacity, the ability of a body to store thermal energy. It is typically referred to by the symbol Cth, and its SI unit is J/K or J/°C (which are equivalent). Thermal mass may also be used for bodies of water, machines or machine parts, living things, or any other structure or body in engineering or biology. In those contexts, the term "heat capacity" is typically used instead.
Ғимараттардағы жылу массасы
Жылу массасы қыста да, жазда да осындай күнделікті температура өзгерістері болатын кез келген жерде ғимараттың жайлылығын арттыруға тиімді. Дұрыс қолданылған және пассивті күн энергиясын пайдаланумен үйлестірілгенде, жылу массасы белсенді жылыту және салқындату жүйелерінде энергия тұтынуды айтарлықтай төмендетуде маңызды рөл атқара алады. Жылу массасы бар материалдарды пайдалану күндізгі және түнгі температура арасындағы үлкен айырмашылық болатын жерлерде (немесе түнгі температура термостаттың орнатылған температурасынан кем дегенде 10 градус төмен болатын жерлерде) ең пайдалы. "Ауыр салмақты" және "жеңіл салмақты" терминдері әртүрлі жылу массасы стратегияларын қолданатын ғимараттарды сипаттау үшін жиі қолданылады және олардың жылыту мен салқындатуға жауап беруін сипаттау үшін келесі есептеулерде қолданылатын сандық коэффициенттерді таңдауға әсер етеді. Құрылыс инженерлігінде динамикалық модельдеудің есептеулік бағдарламалық жасақтамасын қолдану, әртүрлі конструкциялармен салынған ғимараттардың және әртүрлі жылдық климаттық деректер жиынтықтарындағы экологиялық тиімділігін дәл есептеуге мүмкіндік берді. Бұл сәулетшіге немесе инженерге механикалық жылыту немесе салқындату жүйелерінің энергия тұтынуын азайту, тіпті мұндай жүйелерге қажеттілікті жою үшін ауыр және жеңіл салмақты конструкциялардың арақатынасын, сондай-ақ жылу оқшаулау деңгейлерін егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік береді.
Thermal mass is effective in improving building comfort in any place that experiences these types of daily temperature fluctuations—both in winter as well as in summer. When used well and combined with passive solar design, thermal mass can play an important role in major reductions to energy use in active heating and cooling systems. The use of materials with thermal mass is most advantageous where there is a big difference in outdoor temperatures from day to night (or, where nighttime temperatures are at least 10 degrees cooler than the thermostat set point). The terms heavy weight and light weight are often used to describe buildings with different thermal mass strategies, and affects the choice of numerical factors used in subsequent calculations to describe their thermal response to heating and cooling. In building services engineering, the use of dynamic simulation computational modelling software has allowed for the accurate calculation of the environmental performance within buildings with different constructions and for different annual climate data sets. This allows the architect or engineer to explore in detail the relationship between heavy weight and light weight constructions, as well as insulation levels, in reducing energy consumption for mechanical heating or cooling systems, or even removing the need for such systems altogether.
Әр түрлі климаттық жағдайдағы жылу массасын пайдалану
Термиялық массаны дұрыс қолдану мен пайдалану аймақтың басым климатына байланысты.
The correct use and application of thermal mass is dependent on the prevailing climate in a district.
Күн сәулесіне ұшыраған жылу массасы
Жылу массасы ғимараттың ішінде орналасуы тиіс және қысқы күн сәулесінің төмен бұрышымен (терезелер арқылы) әсер ете алатын, бірақ жылу шығынынан оқшауланған жерде болуы керек. Жазда осы жылу массасын жоғары бұрышты жазғы күн сәулесінен жасыру қажет, бұл құрылымның қызып кетуіне жол бермес үшін. Жылу массасы күндіз күн сәулесінің әсерінен немесе ішкі жылыту жүйелері арқылы қосымша жылытылады. Массада сақталған жылу энергиясы түнде интерьерге қайта таратылады. Оны пассивті күн энергиясын пайдалану принциптерімен бірге қолдану өте маңызды. Жылу массасының кез келген түрін пайдалануға болады. Мысалы, ашық қалдырылған немесе плитка сияқты өткізгіш материалдармен жабылған бетон плита негізі оңай шешім болып табылады. Тағы бір жаңа әдіс – ағаш каркасты үйдің қасқыр тасын ішкі жағына орналастыру («кері кірпіш қаптамасы»). Мұндай жағдайда жылу массасын үлкен көлемде немесе қалыңдықта емес, үлкен ауданда қолдану тиімді. 7,5–10 см (3–4 дюйм) көбінесе жеткілікті. Жылу энергиясының ең маңызды көзі – Күн болғандықтан, шынылаудың жылу массасына қатынасы маңызды фактор болып табылады. Бұл қатынасты анықтау үшін әртүрлі формулалар жасалған. Жалпы ереже бойынша, күнге қарайтын (Оңтүстік жарты шарда солтүстікке немесе Солтүстік жарты шарда оңтүстікке) шынылаудың жалпы еден ауданының 7%-дан астам бөлігін құраса, қосымша жылу массасы 6:1 және 8:1 арақатынасында қолданылуы керек. Мысалы, еден ауданы 200 м² үйдің күнге қарайтын шынылауы 20 м² болса, шынылау жалпы еден ауданының 10%-ын құрайды; осы шынылаудың 6 м²-іне қосымша жылу массасы қажет болады. Демек, жоғарыда аталған 6:1–8:1 арақатынасын пайдалансақ, қосымша 36–48 м² күнге ұшыраған жылу массасы қажет. Нақты талаптар климатқа байланысты өзгереді.
Thermal mass is ideally placed within the building and situated where it still can be exposed to low angle winter sunlight (via windows) but insulated from heat loss. In summer the same thermal mass should be obscured from higher angle summer sunlight in order to prevent overheating of the structure. The thermal mass is warmed passively by the sun or additionally by internal heating systems during the day. Thermal energy stored in the mass is then released back into the interior during the night. It is essential that it be used in conjunction with the standard principles of passive solar design. Any form of thermal mass can be used. A concrete slab foundation either left exposed or covered with conductive materials, e. g. tiles, is one easy solution. Another novel method is to place the masonry facade of a timber framed house on the inside ('reverse brick veneer'). Thermal mass in this situation is best applied over a large area rather than in large volumes or thicknesses. 7.5–10 cm (3″–4″) is often adequate. Since the most important source of thermal energy is the Sun, the ratio of glazing to thermal mass is an important factor to consider. Various formulas have been devised to determine this. As a general rule, additional solar exposed thermal mass needs to be applied in a ratio from 6:1 to 8:1 for any area of sun facing (north facing in Southern Hemisphere or south facing in Northern Hemisphere) glazing above 7% of the total floor area. For example, a 200 m2 house with 20 m2 of sun facing glazing has 10% of glazing by total floor area; 6 m2 of that glazing will require additional thermal mass. Therefore, using the 6:1 to 8:1 ratio above, an additional 36–48 m2 of solar exposed thermal mass is required. The exact requirements vary from climate to climate.
Жазғы ыстықтануды шектеу үшін жылу массасы
Термиялық масса ғимараттың ішінде тікелей күн сәулесінен қорғалған, бірақ ғимараттағы адамдарға көрінетіндей етіп орналастырылады. Сондықтан, бұл көбінесе табиғи желдетілетін немесе төмен энергиялы механикалық желдетілетін ғимараттардағы бетон еден плиталарымен байланысты, онда бетон төбесі тұрғындарға ашық қалдырылады. Күндіз күннен, ғимараттағы адамдардан және электр жарығы мен жабдықтардан жылу түседі, бұл кеңістіктегі ауа температурасын көтереді, бірақ бұл жылу ашық бетон плитасымен сіңіріледі, соның арқасында кеңістіктегі температураның өсуі адамның жылулық жайлылығы үшін қалыпты деңгейде ұсталады. Сонымен қатар, бетон плитасының төменгі беткі температурасы адамдардан келетін сәулелі жылуды сіңіріп, олардың жылулық жайлылығын арттырады. Күннің соңына қарай плита жылынады, содан кейін сыртқы температура төмендегенде жылу шығарылып, плита келесі күнге дайын болу үшін суытылады. Дегенмен, бұл "қайта жаңарту" процесі ғимараттың желдету жүйесі түнде жұмыс істеп, плитадан жылуды шығарып алғанда ғана тиімді болады. Табиғи желдетілетін ғимараттарда бұл процесті автоматтандыру үшін автоматты терезе ашылу жүйесі қарастырылады.
Thermal mass is ideally placed within a building where it is shielded from direct solar gain but exposed to the building occupants. It is therefore most commonly associated with solid concrete floor slabs in naturally ventilated or low energy mechanically ventilated buildings where the concrete soffit is left exposed to the occupied space. During the day heat is gained from the sun, the occupants of the building, and any electrical lighting and equipment, causing the air temperatures within the space to increase, but this heat is absorbed by the exposed concrete slab above, thus limiting the temperature rise within the space to be within acceptable levels for human thermal comfort. In addition the lower surface temperature of the concrete slab also absorbs radiant heat directly from the occupants, also benefiting their thermal comfort. By the end of the day the slab has in turn warmed up, and now, as external temperatures decrease, the heat can be released and the slab cooled down, ready for the start of the next day. However this "regeneration" process is only effective if the building ventilation system is operated at night to carry away the heat from the slab. In naturally ventilated buildings it is normal to provide automated window openings to facilitate this process automatically.
Ыстық, құрғақ климат (мысалы, шөл)
Бұл жылу массасының классикалық қолданылуы. Мысалдарға саздан жасалған, қабырғасы тығыздалған жер үйлер немесе әктас блоктарынан салынған үйлер жатады. Оның тиімділігі күндізгі температураның айқын өзгеруіне тікелей байланысты. Қабырғаның негізгі қызметі – күндіз сыртқы жылудың ішке өтуін баяулату. Жоғары көлемдік жылу сыйымдылығы және қалыңдығы жылу энергиясының ішкі бетке жетіп, жылытуына кедергі келтіреді. Түнде температура төмендеген кезде, қабырғалар жинаған жылу энергиясын қайтадан сыртқа, түн аспанына сәулелендіреді. Осы мақсатта қолданылған қабырғалардың массивті болуы, жылудың ішкі кеңістікке өтуін болдырмау үшін маңызды.
This is a classical use of thermal mass. Examples include adobe, rammed earth, or limestone block houses. Its function is highly dependent on marked diurnal temperature variations. The wall predominantly acts to retard heat transfer from the exterior to the interior during the day. The high volumetric heat capacity and thickness prevents thermal energy from reaching the inner surface. When temperatures fall at night, the walls re radiate the thermal energy back into the night sky. In this application it is important for such walls to be massive to prevent heat transfer into the interior.
Ыстық ылғалды климат (мысалы, субтропикалық және тропикалық)
Түнгі температураның жоғары болуы осы ортада жылу массасын қолдануды ең қиын міндет етеді. Оның негізгі мақсаты – уақытша жылу жинағыш ретінде жұмыс істеу. Дегенмен, оны стратегиялық тұрғыдан дұрыс орналастыру қажет, әйтпесе қызып кетуі мүмкін. Ол тікелей күн сәулесі түспейтін және түнде жиналған энергияны сыртқа шығарып, ішкі температураны одан әрі көтермейтіндей жеткілікті желдетуі бар жерге орналастырылуы керек. Егер қолданылатын болса, оны сақтықпен, шамалы мөлшерде және қалыңдығы үлкен болмайынша пайдалану керек.
The use of thermal mass is the most challenging in this environment where night temperatures remain elevated. Its use is primarily as a temporary heat sink. However, it needs to be strategically located to prevent overheating. It should be placed in an area that is not directly exposed to solar gain and also allows adequate ventilation at night to carry away stored energy without increasing internal temperatures any further. If to be used at all it should be used in judicious amounts and again not in large thicknesses.
Энергияны маусымдық сақтау
Егер жеткілікті масса қолданылса, ол маусымдық артықшылық тудыруы мүмкін. Яғни, қыста жылытуға, ал жазда салқындатуға болады. Бұл кейде пассивті жылдық жылу сақтау (ПАЖЖС) немесе PAHS деп аталады. PAHS жүйесі Колорадода 7000 фут биіктікте және Монтана штатындағы бірнеше үйлерде сәтті қолданылған. Жаңа Мексиканың Earthships пассивті жылыту және салқындатуды пайдаланады, сондай-ақ негіз қабырғалары үшін қайта өңделген шиналарды қолданады, нәтижесінде максималды PAHS/STES қамтамасыз етіледі. Бұл технология Ұлыбританиядағы Хокертон тұрғын үй жобасында да сәтті қолданылды.
If enough mass is used it can create a seasonal advantage. That is, it can heat in the winter and cool in the summer. This is sometimes called passive annual heat storage or PAHS. The PAHS system has been successfully used at 7000 ft. in Colorado and in a number of homes in Montana. The Earthships of New Mexico utilize passive heating and cooling as well as using recycled tires for foundation wall yielding a maximum PAHS/STES. It has also been used successfully in the UK at Hockerton Housing Project.