Розробка моделі огороджувальної конструкції з теплоакумулюючим матеріалом фазового переходу з урахуванням процесу акумулювання сонячної енергії

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.268618

Ключові слова:

захищаюча конструкція, акумулювання сонячної енергії, теплоакумулюючий матеріал, моделювання теплових процесів, фазовий перехід

Анотація

Запропоновано математичну модель та методику розрахунку теплового стану огороджувальної конструкції будівлі, у складі якої є енергоактивна панель, що акумулює сонячне випромінювання за рахунок фазового переходу теплоакумулюючого матеріалу. В основі математичної моделі лежить двомірне нестаціонарне нелінійне рівняння теплопровідності, що описує процес теплопередачі в несучому шарі огороджувальної конструкції та енергоактивної панелі. У модель також входять рівняння, що описують променистий теплообмін між непрозорими та напівпрозорими тілами. Для коректного опису сонячної інсоляції застосована модель ASHRAE 2009 спільно з урахуванням добової зміни положення Сонця на небосхилі.

Для вирішення системи рівнянь, що становлять математичну модель, розроблено ітераційну процедуру, яка полягає в поперемінному рішенні на кожному тимчасовому кроці двовимірного рівняння теплопровідності та набору рівнянь алгебри конвективного та променистого теплообміну.

У результаті дослідження було встановлено, що кількість акумульованої енергії в теплоакумулюючому матеріалі фазового переходу за світлий час доби суттєво збільшується від 15 до 35 %. У темний час доби температура поверхні теплоакумулюючого елемента в конструкціях з використанням матеріалу з фазовим переходом більша, ніж у разі акумулювання тепла тільки в несучому шарі. В результаті цього вдається відібрати від 70 до 120 % більше накопиченого тепла, а наявність високотеплопровідних перегородок у теплоакумулюючому матеріалі з фазовим переходом сприяє збільшенню тепла акумульованого та корисного тепла

Біографії авторів

Ruslan Kudabayev, Mukhtar Auezov South Kazakhstan University

Doctoral Student

Department of Construction and Construction Materials

Nursultan Mizamov, South-Kazakhstan Mukhtar Auezov South Kazakhstan University

Doctoral Student

Department of Architecture

Nurlan Zhangabay, Shymkent University

PhD, Associate Professor

Department of Construction

Ulanbator Suleimenov, Shymkent University

Doctor of Technical Sciences, Professor

Department of Construction

Андрій Олегович Костіков, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України

Доктор технічних наук, профессор, член-корепондент Національної академії наук України

Відділ моделювання і ідентифікації теплових процесів в енерготехнологічному обладнанні

Анна Леонидівна Воронцова, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України

Провідний інженер

Відділ моделювання і ідентифікації теплових процесів в енерготехнологічному обладнанні

Svetlana Buganova, International Educational Corporation (KazGASA)

PhD, Associate Professor

Faculty of Building Technologies, Infrastructure and Management

Altynsary Umbitaliyev, Shymkent University

Doctor in Economics, Professor

Department of Economics

Elmira Kalshabekovа, Mukhtar Auezov South Kazakhstan University

PhD, Associate Professor

Department og Construction and Construction Materials

Zhumadilla Aldiyarov, Mukhtar Auezov South Kazakhstan University

PhD, Associate Professor

Department of Construction and Construction Materials

Посилання

  1. Pacheco, R., Ordóñez, J., Martínez, G. (2012). Energy efficient design of building: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16 (6), 3559–3573. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.045
  2. Zhangabay, N., Abshenov, K., Bakhbergen, S., Zhakash, A., Moldagaliyev, A. (2022). Evaluating the Effectiveness of Energy-Saving Retrofit Strategies for Residential Buildings. International Review of Civil Engineering (IRECE), 13 (2), 118. doi: https://doi.org/10.15866/irece.v13i2.20933
  3. Du, K., Calautit, J., Wang, Z., Wu, Y., Liu, H. (2018). A review of the applications of phase change materials in cooling, heating and power generation in different temperature ranges. Applied Energy, 220, 242–273. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.005
  4. Shi, X., Tian, Z., Chen, W., Si, B., Jin, X. (2016). A review on building energy efficient design optimization rom the perspective of architects. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 65, 872–884. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.07.050
  5. Martín, M., Villalba, A., Inés Fernández, A., Barreneche, C. (2019). Development of new nano-enhanced phase change materials (NEPCM) to improve energy efficiency in buildings: Lab-scale characterization. Energy and Buildings, 192, 75–83. doi: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.03.029
  6. Kudabayev, R., Suleimenov, U., Ristavletov, R., Kasimov, I., Kambarov, M., Zhangabay, N., Abshenov, K. (2022). Modeling the Thermal Regime of a Room in a Building with a Thermal Energy Storage Envelope. Mathematical Modelling of Engineering Problems, 9 (2), 351–358. doi: https://doi.org/10.18280/mmep.090208
  7. Ren, M., Wen, X., Gao, X., Liu, Y. (2021). Thermal and mechanical properties of ultra-high performance concrete incorporated with microencapsulated phase change material. Construction and Building Materials, 273, 121714. doi: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121714
  8. Elias, C. N., Stathopoulos, V. N. (2019). A comprehensive review of recent advances in materials aspects of phase change materials in thermal energy storage. Energy Procedia, 161, 385–394. doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.101
  9. Geetha, N. B., Velraj, R. (2012). Passive cooling methods for energy efficient buildings with and without thermal energy storage - A review. Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research, 29 (2), 913–946.
  10. Buonomo, B., Capasso, L., Diana, A., Manca, O., Nardini, S. (2019). A numerical analysis on a solar chimney with an integrated latent heat thermal energy storage. AIP Conference Proceedings. doi: https://doi.org/10.1063/1.5138762
  11. Feng, P. H., Zhao, B. C., Wang, R. Z. (2020). Thermophysical heat storage for cooling, heating, and power generation: A review. Applied Thermal Engineering, 166, 114728. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114728
  12. Cuce, E., Cuce, P. M. (2016). Solar Pond Window Technology for Energy-Efficient Retrofitting of Buildings: An Experimental and Numerical Investigation. Arabian Journal for Science and Engineering, 42 (5), 1909–1916. doi: https://doi.org/10.1007/s13369-016-2375-0
  13. Irshad, K., Habib, K., Saidur, R., Kareem, M. W., Saha, B. B. (2019). Study of thermoelectric and photovoltaic facade system for energy efficient building development: A review. Journal of Cleaner Production, 209, 1376–1395. doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.09.245
  14. Shen, J., Zhang, X., Yang, T., Tang, L., Shinohara, H., Wu, Y. et al. (2016). Experimental Study of a Compact Unglazed Solar Thermal Facade (STF) for Energy-efficient Buildings. Energy Procedia, 104, 3–8. doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.12.002
  15. Zhu, L., Yang, Y., Chen, S., Sun, Y. (2018). Numerical study on the thermal performance of lightweight temporary building integrated with phase change materials. Applied Thermal Engineering, 138, 35–47. doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.03.103
  16. Borodulin, V. Y., Nizovtsev, M. I. (2018). Heat-inertial properties of walls of lightweight thermal insulation with phase change materials. Journal of Physics: Conference Series, 1105, 012108. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1105/1/012108
  17. Vede, P., Kiselkin, E. (2018). Thermal Energy Storage in the Envelope of Buildings. Epoha nauki, 14, 165–173. Available at: http://eraofscience.com/EofS/Vypyski2018/14-iyun_2018/40.pdf
  18. Suleimenov, U., Zhangabay, N., Utelbayeva, A., Ibrahim, M. N. M., Moldagaliyev, A., Abshenov, K. et al. (2021). Determining the features of oscillations in prestressed pipelines. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (7 (114)), 85–92. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.246751
  19. Tursunkululy, T., Zhangabay, N., Avramov, K., Chernobryvko, M., Suleimenov, U., Utelbayeva, A. et al. (2022). Strength analysis of prestressed vertical cylindrical steel oil tanks under operational and dynamic loads. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (7 (116)), 14–21. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.254218
  20. Suleimenov, U., Zhangabay, N., Utelbayeva, A., Azmi Murad, M. A., Dosmakanbetova, A., Abshenov, K. et al. (2022). Estimation of the strength of vertical cylindrical liquid storage tanks with dents in the wall. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (7 (115)), 6–20. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.252599
  21. Suleimenov, U., Zhangabay, N., Abshenov, K., Utelbayeva, A., Imanaliyev, K., Mussayeva, S. et al. (2022). Estimating the stressed-strained state of the vertical mounting joint of the cylindrical tank wall taking into consideration imperfections. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (7 (117)), 14–21. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.258118
  22. Zhangabay, N., Sapargaliyeva, B., Utelbayeva, A., Kolesnikov, A., Aldiyarov, Z., Dossybekov, S. et al. (2022). Experimental Analysis of the Stress State of a Prestressed Cylindrical Shell with Various Structural Parameters. Materials, 15 (14), 4996. doi: https://doi.org/10.3390/ma15144996
  23. Zhangabay, N., Sapargaliyeva, B., Suleimenov, U., Abshenov, K., Utelbayeva, A., Kolesnikov, A. et al. (2022). Analysis of Stress-Strain State for a Cylindrical Tank Wall Defected Zone. Materials, 15 (16), 5732. doi: https://doi.org/10.3390/ma15165732
  24. Zhangabay, N., Suleimenov, U., Utelbayeva, A., Kolesnikov, A., Baibolov, K., Imanaliyev, K. et al. (2022). Analysis of a Stress-Strain State of a Cylindrical Tank Wall Vertical Field Joint Zone. Buildings, 12 (9), 1445. doi: https://doi.org/10.3390/buildings12091445
  25. Tursunkululy, T., Zhangabay, N., Avramov, K., Chernobryvko, M., Suleimenov, U., Utelbayeva, A. (2022). Influence of the parameters of the pre-stressed winding on the oscillations of vertical cylindrical steel oil tanks. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (7 (119)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.265107
  26. Pintaldi, S., Sethuvenkatraman, S., White, S., Rosengarten, G. (2017). Energetic evaluation of thermal energy storage options for high efficiency solar cooling systems. Applied Energy, 188, 160–177. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.123
  27. Ndiaye, K., Ginestet, S., Cyr, M. (2018). Thermal energy storage based on cementitious materials: A review. AIMS Energy, 6 (1), 97–120. doi: https://doi.org/10.3934/energy.2018.1.97
  28. Horn, R., Burr, M., Fröhlich, D., Gschwander, S., Held, M., Lindner, J. P., Munz, G. et al. (2018). Life Cycle Assessment of Innovative Materials for Thermal Energy Storage in Buildings. Procedia CIRP, 69, 206–211. doi: https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.11.095
  29. Frazzica, A., Freni, A. (2017). Adsorbent working pairs for solar thermal energy storage in buildings. Renewable Energy, 110, 87–94. doi: https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.09.047
  30. Koukou, M. K., Vrachopoulos, M. Gr., Tachos, N. S., Dogkas, G., Lymperis, K., Stathopoulos, V. (2018). Experimental and computational investigation of a latent heat energy storage system with a staggered heat exchanger for various phase change materials. Thermal Science and Engineering Progress, 7, 87–98. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2018.05.004
  31. Jeon, J., Park, J. H., Wi, S., Yang, S., Ok, Y. S., Kim, S. (2019). Latent heat storage biocomposites of phase change material-biochar as feasible eco-friendly building materials. Environmental Research, 172, 637–648. doi: https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.01.058
  32. Utelbaeva, A. B., Ermakhanov, M. N., Zhanabai, N. Zh., Utelbaev, B. T., Mel’deshov, A. A. (2013). Hydrogenation of benzene in the presence of ruthenium on a modified montmorillonite support. Russian Journal of Physical Chemistry A, 87 (9), 1478–1481. doi: https://doi.org/10.1134/s0036024413090276
  33. Borodin, K., Zhangabayuly Zhangabay, N. (2019). Mechanical characteristics, as well as physical-and-chemical properties of the slag-filled concretes, and investigation of the predictive power of the metaheuristic approach. Curved and Layered Structures, 6 (1), 236–244. doi: https://doi.org/10.1515/cls-2019-0020
  34. Qiu, F., Song, S., Li, D., Liu, Y., Wang, Y., Dong, L. (2020). Experimental investigation on improvement of latent heat and thermal conductivity of shape-stable phase-change materials using modified fly ash. Journal of Cleaner Production, 246, 118952. doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118952
  35. Sarsenbaev, A. A. et al. (2019). Pat. No. 4426 RK. Konstrukciya ograzhdeniya s energoaktivnoy panel'yu. No. 2019/0614.2; declareted: 02.07.2019; published: 08.11.2019. Available at: https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/Details?docNumber=315556
  36. Shandilya, A., Hauer, M., Streicher, W. (2020). Optimization of Thermal Behavior and Energy Efficiency of a Residential House Using Energy Retrofitting in Different Climates. Civil Engineering and Architecture, 8 (3), 335–349. doi: https://doi.org/10.13189/cea.2020.080318
  37. Saparov, S. A. et al. (2019). Pat. No. 34970 RK. Teploakkumuliruyushchiy material. No. 2019/0897.1; declareted: 10.12.2019; published: 11.06.2021. Available at: https://gosreestr.kazpatent.kz/Invention/Details?docNumber=321931
  38. Ikutegbe, C. A., Farid, M. M. (2020). Application of phase change material foam composites in the built environment: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 131, 110008. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110008
  39. Duissenbekov, B., Tokmuratov, A., Zhangabay, N., Orazbayev, Z., Yerimbetov, B., Aldiyarov, Z. (2020). Finite-difference equations of quasistatic motion of the shallow concrete shells in nonlinear setting. Curved and Layered Structures, 7 (1), 48–55. doi: https://doi.org/10.1515/cls-2020-0005
  40. Yao, C., Kong, X., Li, Y., Du, Y., Qi, C. (2018). Numerical and experimental research of cold storage for a novel expanded perlite-based shape-stabilized phase change material wallboard used in building. Energy Conversion and Management, 155, 20–31. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.10.052
  41. James, C., Yuen-Yick, K. (2009). A brief review of several numerical methods for one-dimensional Stefan problems. Thermal Science, 13 (2), 61–72. doi: https://doi.org/10.2298/tsci0902061c
  42. Samarskij, A. A., Vabishchevich, P. N. (2003). Vychislitel'naya teploperedacha. Moscow: Editorial URSS, 784. Available at: http://samarskii.ru/books/book2003.pdf
  43. ASHRAE Handbook - Fundamentals (SI Edition). Available at: https://www.pdfdrive.com/2009-ashrae-handbook-fundamentals-si-edition-e169690158.html
  44. Kutateladze, S. S. (1990). Teploperedacha i gidrodinamicheskoe soprotivlenie. Moscow: Energoatomizdat, 367.
  45. Aymbetova, I. O., Suleymenov, U. S., Kambarov, M. A., Kalshаbekova, E. N., Ristavletov, R. A. (2018). Thermophysical properties of phase transparent heat-storing materials used in construction. Advances in Current Natural Sciences, 1 (12), 9–13. doi: https://doi.org/10.17513/use.36966
Розробка моделі огороджувальної конструкції з теплоакумулюючим матеріалом фазового переходу з урахуванням процесу акумулювання сонячної енергії

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-12-30

Як цитувати

Kudabayev, R., Mizamov, N., Zhangabay, N., Suleimenov, U., Костіков, А. О., Воронцова, А. Л., Buganova, S., Umbitaliyev, A., Kalshabekovа E., & Aldiyarov, Z. (2022). Розробка моделі огороджувальної конструкції з теплоакумулюючим матеріалом фазового переходу з урахуванням процесу акумулювання сонячної енергії. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(8 (120), 26–37. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.268618

Номер

Том 6 № 8 (120) (2022): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Ruslan Kudabayev, Nursultan Mizamov, Nurlan Zhangabay, Ulanbator Suleimenov, Andrii Kostikov, Anna Vorontsova, Svetlana Buganova, Altynsary Umbitaliyev, Elmira Kalshabekovа, Zhumadilla Aldiyarov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.