Abstract and keywords
Abstract (English):
The method of determining the optimal thickness of thermal insulation from the condition of minimizing the unit annual costs is considered

Keywords:
optimization, thermal insulation, thermal resistance, heat loss
Text
Text (PDF): Read Download

Практический интерес представляет обоснование выбора толщины тепловой изоляции. Оптимальная толщина может быть рассчитана из условия минимальных приведенных затрат [1]. Представим приведенные годовые затраты на устройство 1 м2 тепловой изоляции З , руб/(м2∙год), в следующем виде:

З=ЕК+Э ,

(1)

где К  – капитальные затраты, руб/м2; Е  – коэффициент эффективности капиталовложений, год-1; Э  – эксплуатационные затраты, руб/(м2∙год).

Капитальные затраты на 1 м2 теплоизолированной поверхности в наибольшей степени определяются стоимостью материала, которая, в свою очередь, зависит от необходимого термического сопротивления слоя теплоизоляции, обеспечивающего допустимую величину потерь теплоты:

К=δтCт=RтλтCт ,

(2)

где δт  – толщина слоя теплоизоляции, м; Cт  – стоимость материала, руб/м3; Rт=δтλт  – термическое сопротивление слоя тепловой изоляции, м2К/Вт.

Эксплуатационные затраты определяются стоимостью тепловой энергии, теряемой через 1 м2 теплоизолированной поверхности в течение 1 года:

Э=tср-t0τCQ R,

(3)

где tср  и t0  – температуры горячей среды и окружающего воздуха, оC; τ  – продолжительность работы за год, ч/год; CQ  – удельная стоимость тепловой энергии, руб/(Вт∙ч); R  – полное термическое сопротивление многослойной теплоизолированной стенки, м2К/Вт:

R=Rср+i=1nRi+Rт+R0 ,

(4)

где Rср=1αср  – термическое сопротивление теплоотдачи от горячей среды к внутренней поверхности стенки; Ri  – термическое сопротивление теплопроводности i-го слоя стенки; R0=1α0  – термическое сопротивление теплоотдачи от наружной поверхности теплоизолированной стенки к окружающему воздуху.

Запишем выражение (4) в виде

R=j=1mRj+Rт ,

(5)

где j=1mRj  – сумма термических сопротивлений теплоотдачи и теплопроводности всех слоев стенки, кроме слоя теплоизоляции, м2∙К/Вт.

Тогда

Э=tср-t0τCQj=1mRj+Rт,

(6)

и приведенные затраты на тепловую изоляцию составят:

З=ЕRтλтCт+tср-t0τCQj=1mRj+Rт .

(7)

Определим первую производную функции (7) по Rт , приравняем ее к нулю и выразим оптимальное значение термического сопротивления теплоизоляции Rтопт , при котором затраты будут минимальными (при условии, что вторая производная функции положительная):

dЗdRтλтCт-tср-t0τCQj=1mRj+Rт2=0;

(8)

Rтопт=tср-t0τCQЕλтCт-j=1mRj .

(9)

Проверим условие минимума функции:

d2ЗdRт2>0;

(10)

d2ЗdRт2=2tср-t0τCQj=1mRj+Rт3>0,

(11)

условие выполняется.

Выразим оптимальную толщину слоя тепловой изоляции:

δтопт=Rтоптλт=tср-t0τCQЕλтCт-j=1mRjλт.

(12)

Использование полученного выражения позволяет обоснованно выбрать толщину слоя тепловой изоляции.

References

1. Scherbin, S.A. Optimal'naya tolschina teplovoy izolyacii / S.A. Scher-bin, V.A. Glotov, A.A. Glotov // Sovremennye tehnologii i nauchno-tehnicheskiy progress. – 2022. – T. 1. – № 9 – S. 85-86.

Login or Create
* Forgot password?