Efektywność przegrody transparentnej

Ściany zewnętrzne - Efektywność  przegrody transparentnej

Rys. 1. Ściana kolektorowo-akumulacyjna z przezroczystą izolacją transparentną:

1 – zewnętrzna szyba osłonowa, 2 – płytowa izolacja komórkowa, 3 – absorber, 4 – warstwa akumulacyjna.

Najprostszą formą wykorzystania energii promieniowania słonecznego jest jej pozyskiwanie w systemach pasywnych, które absorbują i rozprowadzają ciepło w sposób naturalny, tj. dzięki przewodzeniu, konwekcji i promieniowaniu. Podstawową zaletą systemów biernego pozyskiwania energii słonecznej jest brak zużycia energii w jakiejkolwiek formie w okresie ich eksploatacji.

Ścienne kolektory słoneczne powinny zapewniać maksymalne pozyskiwanie energii cieplnej do wnętrza pomieszczenia i nie tracić jej do otoczenia. Podstawowymi elementami składowymi typowej przegrody kolektorowej są:

– kolektor słoneczny – przeszklenie od strony zewnętrznej, umocowane w ramie lub bezpośrednio na elewacji budynku;
– absorber – wykonana w kolorze ciemnym warstwa pochłaniająca promieniowanie słoneczne, usytuowana najczęściej za kolektorem na powierzchni warstwy akumulacyjnej, energia promieniowania słonecznego zostaje zamieniona na energię cieplną w wyniku czego wzrasta jego temperatura;
– warstwa akumulacyjna – przegroda o dużej pojemności cieplnej, składająca się z jednej lub kilku warstw materiałów, magazynująca i przekazująca ciepło do pomieszczenia.

Przeszklenie kolektora przegrody powinno charakteryzować się dużą przepuszczalnością promieniowania słonecznego oraz odpornością na zewnętrzne warunki atmosferyczne. Materiał absorbera jest elementem przegrody na którym energia promieniowania słonecznego zamieniana jest na ciepło. Wymaga się zatem, aby powierzchnia tego elementu miała wysoką absorbcyjność oraz niską emisyjność, tak aby zminimalizować straty ciepła do otoczenia.

Modyfikacją typowej przegrody z pośrednim pozyskiwaniem energii słonecznej jest ściana kolektorowo-akumulacyjna z izolacją transparentną (rys. 1). Izolacja transparentna jest przezroczystym materiałem izolacyjnym, zbudowanym z zestawu dwóch szyb między którymi umieszczona jest płyta komórkowa.

Z uwagi na funkcje jaką ma pełnić izolacja transparentna musi być wykonana z materiałów charakteryzujących się:

– wysoką przepuszczalnością promieniowania słonecznego, zapewniającą jak największą transmisję energii do powierzchni absorbera;
– dobrą izolacyjnością termiczną, która ma ograniczyć straty ciepła z powierzchni absorbera.

Ściany zewnętrzne - Efektywność  przegrody transparentnej

Rys. 2. Komórkowe płyty transparentne: a) kapilarna, b) ulowa o przekroju kwadratowym, c) ulowa o przekroju heksagonalnym

Efekt termoizolacyjny jest wynikiem ograniczenia konwekcji w komórkach płyty. Przepływ ciepła odbywa się w izolacji transparentnej na drodze przewodzenia i promieniowania. Promieniowanie słoneczne jest absorbowane przez materiał izolacji, jednakże znacząca jego część jest transmitowana poprzez materiał transparentny i pochłaniana na powierzchni ściany akumulacyjnej przez absorber. Dzięki dobrej izolacyjności płyty transparentnej większość ciepła przenika od absorbera w głąb przegrody do absorbera.

Najczęściej spotykane izolacje transparentne, które spełniają w/w funkcje, to tzw. płyty komórkowe. Są to elementy budowlane o układzie prostopadłym do powierzchni absorbera, ze szkła lub tworzyw sztucznych, zbudowane z prostokątnych lub okrągłych komórek prostopadłych do powierzchni elementu.

Płyty transparentne wykonuje się z materiałów o dobrej przepuszczalności promieniowania  widzialnego, przede wszystkim polietylenu, poliwęglanu lub polimetakrylanu metylu. Struktura geometryczna płyt występuje najczęściej w dwóch rodzajach, jako płyty kapilarne z elementów o przekroju kołowym oraz jako płyty typu plaster miodu, wykonane z elementów o przekroju kwadratowym, prostokątnym lub heksagonalnym. Ten drugi rodzaj płyty transparentnej nazywany jest także izolacją ulową (plaster miodu).

Grubość płyt komórkowych zależna jest od rodzaju materiału i wynosi najczęściej od kilku do kilkunastu centymetrów. Średnice kanalików wynoszą od 2 do 12 mm, zależnie od pożądanych właściwości. Większe średnice pozwalają na ograniczenie wymiany ciepła na drodze konwekcji. Lepsze właściwości ograniczenia strat ciepła, oprócz konwekcji także na drodze promieniowania, uzyskuje się w kapilarach o mniejszych średnicach i grubszych ściankach. Grubości ścianek mają najczęściej od 20 do 100 mm. Zwiększenie grubości ścianek ma jednak niekorzystny wpływ na zmniejszenie przepuszczalności promieniowania słonecznego oraz zwiększenia strat ciepła przez przewodzenie.

Efektywność energetyczna przegrody transparentnej została zaprezentowana na przykładzie obliczeń sezonowego zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzewania jednorodzinnego budynku mieszkalnego. Przykładowy budynek jest podpiwniczony, z poddaszem użytkowym pokrytym dachem dwuspadowym. Powierzchnia zabudowy budynku wynosi 100 m2, natomiast powierzchnia ogrzewana 197 m2. Kubatura ogrzewana budynku to 480 m3 przy założonych wysokościach (w świetle): parteru i poddasza 2.65 m, piwnicy 2.50 m, garażu 2.38 m. Podłoga piwnicy jest zagłębiona 1.50 m poniżej poziomu terenu. Przegrody budynku zaprojektowano zgodnie z obecnie obowiązującymi wymogami ochrony cieplnej zawartymi w rozporządzeniu dotyczącym warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1].

Analizy efektywności energetycznej wykonano dla pięciu różnych izolacji transparentnych, których podstawowe właściwości zestawiono w tab. 1.

Tabela 1. Współczynnik przepuszczania promieniowania słonecznego tt  i opór cieplny Rt analizowanych izolacji transparentnych.

nr tt [-] Rt [(m2.K)/W]
1 0,45 1.08
2 0,63 1,36
3 0,63 1,09
4 0,5 0,92
5 0,7 0,94

Opór cieplny Rt warstwy izolacji transparentnej jest wielkością zastępczą, uwzględniającą złożony mechanizm równoczesnej wymiany ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji i promieniowania.

Przegrody transparentne usytuowano na przegrodach o orientacji wschodniej, południowej i zachodniej. Na każdej z elewacji powierzchnia przegrody z izolacją transparentną wynosiła 15 m2 z 5% udziałem elementów konstrukcyjnych. Opór cieplny przegrody nieprzezroczystej (części akumulacyjnej) we wszystkich analizowanych wariantach jest równy 0,75 (m2.K)/W. W obliczeniach uwzględniono wykorzystanie dodatkowej izolacji dla warunków nocnych, która zmniejsza straty ciepła na zewnątrz przegrody transparentnej.

Założono, że obiekt jest zlokalizowany w Płocku. Średnią miesięczną temperaturę zewnętrzną oraz dane dotyczące sum promieniowania słonecznego na powierzchnie przegród różnie zorientowane i nachylone, przyjęto zgodnie z normą PN-B-02025 [2]. Sezon ogrzewczy dla tej lokalizacji rozpoczyna się w miesiącu wrześniu i trwa do maja. Przyjęto średnią temperaturę obliczeniową wewnątrz budynku równą 20oC oraz założono 0,8 wymiany powietrza na godzinę, zgodnie z bilansem strumieni powietrznych dla całego budynku.

Wyniki obliczeń sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynku przedstawiono w tab. 2. Uzyskane wyniki odniesiono do rozwiązania bazowego (STD) bez przegród z izolacją transparentną.

Obok wartości sezonowego zapotrzebowania na ciepło w kWh/rok, dla analizowanych rozwiązań podano w procentach jaką to stanowi część w odniesieniu do wariantu podstawowego, tj. bez przegród kolektorowo-akumulacyjnych z izolacją transparentną.

Tabela 2. Sezonowe zapotrzebowanie na ciepło Qa do ogrzewania budynku z przegrodami kolektorowo-akumulacyjnymi z izolacją transparentną

Nr Qa
[kWh/rok] [%]
STD 23 146.5 100
1 21 199.6 91.5
2 19 810.1 85.6
3 20 441.6 88.3
4 21 218.1 91.7
5 20 368.0 88.0

Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania w poszczególnych miesiącach przedstawiono także graficznie na rys. 3. Poszczególne rozwiązania nie dają znacząco różnych wyników, przynajmniej w ten sposób prezentowanych. W analizowanym budynku trzykondygnacyjnym, przegrody z izolacją transparentną usytuowano tylko na parterze, stąd ich efektywność energetyczna w odniesieniu do całego budynku jest mało widoczna.

Ściany zewnętrzne - Efektywność  przegrody transparentnej

Rys. 3. Zużycie energii cieplej Qm w miesiącach sezonu ogrzewczego w budynku jednorodzinnym z przegrodą transparentną.

Największe różnice wystepują w miesiącach okresu wiosennego i jesiennego, kiedy natężenie promieniowania słonecznego jest na tyle duże, że osiągane zyski pokrywają znaczącą część zapotrzebowania na ciepło. W okresie od listopada do stycznia, czyli miesiącach okresu zimowego o najniższych temperaturach i niskim natężeniu promieniowania słonecznego efekt energetyczny w postaci zysków ciepła od promieniowania słonecznego jest niewielki.

Wpływ przegród kolektorowo-akumulacyjnych z izolacją transparentną na zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło jest widoczny w przypadku analizowania konkretnej orientacji. W artykule przedstawiono to na przykładzie przegrody zorientowanej na południe (rys. 4). Porównanie zysków ciepła od promieniowania słonecznego, w konkretnych przypadkach przegród z izolacją transparentną, pozwala na określenie, które z tych rozwiązań  jest efektywniejsze energetycznie.

Zyski użyteczne od przegród transparentnych zorientowanych na kierunek południowy wykazują, które z tych przegród mają korzystniejsze właściwości. Różnice między skrajnymi rozwiązaniami (1 i 2) przekraczają nawet 30%.

Ściany zewnętrzne - Efektywność  przegrody transparentnej

Rys. 4. Zyski ciepła od przegród transparentnych zorientowanych na kierunek południowy

Porównując rozwiązania w wariantach 2 i 3, o tej samej przepuszczalności tt  i różnym oporze cieplnym Rt, różnica w zyskach ciepła wynosi ok. 7%. Przegrody z izolacją transparentną w wariantach 1 i 3 mają prawie identyczny opór cieplny i różne przepuszczalności promieniowania słonecznego. W efekcie uzyskane różnice w zyskach ciepła dochodzą do 29%. Podobne efekty otrzymuje się porównując rozwiązania przegród opisane jako 4 i 5, także o zbliżonych oporach cieplnych i różnej przepuszczalności tt.

Nie oznacza to jednak, że możliwe jest stosowanie przegród kolektorowo-akumulacyjnych na całej powierzchni elewacji. Wielkości zysków ciepła w miesiącach wiosennych i jesiennych mogą przekraczać zapotrzebowanie na ciepło, co może być źródłem dyskomfortu w tych pomieszczeniach. W obliczeniach uwzględniono wykorzystanie ekranów w postaci ruchomych rolet, które stanowią ochronę przed zbyt dużym nasłonecznieniem. Ruchome rolety umieszczone są pomiędzy zewnętrznym oszkleniem a płytą transparentną. Wspomniane rolety zapobiegają także nadmiernemu przyrostowi temperatury wewnątrz pomieszczeń w okresie letnim.

W przypadku rozważania budynku jednokondygnacyjnego, bez piwnicy i poddasza użytkowego, zyski ciepła od promieniowania słonecznego z przegród z izolacją transparentną w większym stopniu wpłynęłyby na obniżenie sezonowego zapotrzebowania na ciepło.

Literatura
[1]     Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz. U. Nr 75, poz. 690.
[2]     PN-B-02025:2001. Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego.

dr inż. Sławomir Grabarczyk
Politechnika Warszawska
Instytut Budownictwa

WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 2/2007

Udostępnij ten wpis

Post Comment