Rozwiązania materiałowe ścian kolektorowo – akumulacyjnych

Wstęp

Projektowanie zewnętrznych ścian energooszczędnych ogranicza się najczęściej do przyjęcia  obok materiałów konstrukcyjnych materiału termoizolacyjnego. Stosowanie materiałów, które charakteryzuje mała zdolność do przewodzenia ciepła może w znacznym stopniu ograniczyć straty ciepła z budynku do środowiska zewnętrznego. Oszczędność energii w tym przypadku jest wprost proporcjonalna do grubości zastosowanego materiału i odwrotnie proporcjonalna do jego współczynnika przewodzenia  ciepła l.

Rys.1. Szacowane zużycie energii cieplnej przenikającej przez 1m2 ściany wykonanej z materiałów o różnych współczynnikach przewodzenia ciepła l, przy stosowaniu różnych grubości termoizolacji.

Słuszność polityki ograniczania zużycia energii konwencjonalnej z uwagi na aspekt ekonomiczny i ekologiczny – jest bezdyskusyjna.  Jednak projektant powinien poszukiwać  rozwiązań materiałowych , które nie   tylko ograniczają zużycie  energii wyprodukowanej na cele ogrzewcze ale także wykorzystują  źródła odnawialne np. promieniowanie słoneczne, energię wiatru i wody.

Największą popularnością z uwagi na dużą dostępność, niskie koszty inwestycji i stosunkowo szybki zwrot poniesionych nakładów cieszą się kolektory słoneczne. Wykorzystywane są jednak przede wszystkim do ogrzewania wody użytkowej.
Stosunkowo mało popularne na terenie Polski mimo optymistycznych wyników badań efektywności prowadzonych przez ośrodki naukowe [min. Politechnika Rzeszowska, Politechnika Białostocka] pozostają  ściany kolektorowo-akumulacyjne.
Idea działania przegród kolektorowo-akumulacyjnych (PKA) jest prosta i znana od kilkudziesięciu  lat. Zastosowane w przegrodzie przeszklenie umożliwia konwersję promieniowania słonecznego docierającego do przegrody na ciepło, następnie jego pochłanianie przez absorber, nagrzewanie ściany i akumulowanie co w konsekwencji powoduje podniesienie temperatury ściany przylegającej do pomieszczenia. Typowa ściana kolektorowo-akumulacyjna składa się z następujących elementów:

• przeszklenia,
• absorbera,
• warstwy akumulacyjnej.

Rys.2. Budowa PKA: 1-przeszklenie, 2-absorber, 3-warstwa akumulacyjna.

* * *

Przeszklenie

Przeszklenie pełni podwójną rolę. Przepuszczając krótkofalowe promieniowanie słoneczne do absorbera umożliwia jego konwersję na ciepło. Równocześnie umożliwia jego akumulację w przestrzeni między przeszkleniem a ścianą ograniczając oddawanie wytworzonego ciepła do środowiska zewnętrznego. O ilości ciepła docierającego do absorbera  decyduje w głównej mierze zdolność przeszklenia do przepuszczania promieniowania słonecznego określona poprzez tzw. współczynnik przepuszczania promieniowania słonecznego TR (transmisyjność).  Jest ona uzależniona od ilości tafli, rodzaju zastosowanego szkła, a także od kąta nachylenia przeszklenia w stosunku do padającego promieniowania słonecznego. Istotną rolą przeszklenia jest również ograniczenie strat ciepła oddawanego przez ścianę podczas nocy lub małych wartości promieniowania słonecznego. Te dwie funkcje przeszklenia nie są niestety zbieżne. Największą przepuszczalność promieniowania słonecznego (0,80-0,90) a zarazem najmniejszy opór cieplny posiada pojedyncza szyba. W miarę  zwiększania ilości tafli szkła rośnie opór cieplny lecz  jednocześnie maleje transmisyjność.

W tym zakresie istnieje pole do optymalizacji efektywności zastosowanego przeszklenia dla warunków heliogrzewczych, klimatycznych właściwych dla danej lokalizacji projektowanej przegrody. Badania polowe oraz symulacje funkcjonowania PKA prowadzone w Zakład Budownictwa Ogólnego Politechniki Rzeszowskiej potwierdzają  przydatność w tym zakresie niektórych szyb zespolonych stosowanych  w budownictwie mieszkaniowym. Ściany kolektorowo–akumulacyjne o orientacji południowej nawet o współczynniku przenikania ciepła Uk większym od dopuszczalnego [1] wykazują mniejsze straty ciepła o przynajmniej  20 %, od ścian tradycyjnych spełniających kryteria  termoizolacyjności, w ciągu sezonu ogrzewczego [2].

Rezerw zwiększenia efektywności należy poszukiwać w takich rozwiązaniach przeszklenia, które przy zachowaniu właściwości przepuszczania promieniowania słonecznego będą posiadać opór cieplny porównywalny z oporem materiałów termoizolacyjnych.
Wymiana ciepła między przeszkleniem a środowiskiem  zewnętrznym  zachodzi głównie na drodze konwekcji i promieniowania. Promieniowanie można ograniczyć stosując tzw. powłoki refleksyjne – napylane na szyby warstwy tlenków metali.

Tab.1. Właściwości wybranych szyb

W zakresie ograniczenia wymiany ciepła przez konwekcję zastępuje się powietrze w komorze między szybami, gazem szlachetnym (Argon, Krypton, Ksenon), lub stosuje wkładki o strukturze komórkowej (rys.3). Komórki powinny mieć tak dobrany stosunek wymiaru wzdłuż gradientu temperatury do szerokości komórki przy, którym liczba Nusselta jest bliska jedności. W takiej sytuacji w komórkach występuje w zasadzie wyłącznie przewodzenie przy współczynniku przewodzenia ciepła l przez powietrze około 0,025 W/mK. Ten typ przeszklenia zyskuje dużą popularność w szeroko rozumianym budownictwie mieszkaniowym Europy Zachodniej.

Rys3. Przykłady izolacji komórkowej

Rosnącym zainteresowaniem mimo wysokich kosztów cieszą się termoizolacyjne materiały transparentne. Zastosowane w panelach elewacyjnych pełnią  podwójną rolę: z jednej strony  z uwagi na bardzo mały współczynnik przenikania ciepła (tab.2.)stanową termoizolację ograniczającą straty ciepła z budynku do środowiska zewnętrznego, z drugiej zaś umożliwiają fototermiczną konwersję promieniowania słonecznego i ocieplenie ściany, do której przylegają (rys.4.).

Rys.4. Schemat ideowy panelu z izolacją transparentną: 1-tynk z kuleczek szklanych (ok.1mm) sklejonych przezroczystym klejem, 2- struktura kapilarna poliwęglanowa (l=0,08 W/mK), 3-powłoka absorpcyjna, 4-mur.

Tab.2.Własciwości wybranych systemów izolacji transparentnej [3].

Bardzo obiecująco wśród izolacji monolitycznych transparentnych prezentują się aerożele – (żele kwasów krzemianowych SiO2n·H2O). Struktura aerożelu składa się ze sztywnego szkieletu i otwartych porów. Z uwagi na to iż wymiary porów są mniejsze od swobodnej drogi cząstek powietrza ich przewodność cieplna jest mniejsza od powietrza (0,013-0,03W/mK). Transmisyjność aerożelu uzależniona jest od grubości warstwy i waha się w przedziale 0,40 – 0,55 dla grubości od 1 do 2,5 cm.

Z uwagi na wysokie koszty nowoczesnych izolacji (800-2500 PLN/m2) celowe wydaje się poszukiwanie rozwiązań tańszych, łączących w sobie dobrą izolacyjność termiczną z możliwością wykorzystania ciepła promieniowania słonecznego. Interesującą próbą takiego rozwiązania mogą być panele wykorzystujące tzw. efekt termosyfonowy (rys.5.). Składają się one z przeszklenia przepuszczającego promieniowanie słoneczne do przestrzeni, z której w postaci ciepła jest konwekcyjnie w ogrzanym powietrzu  transportowane cylindrycznymi kanałami w materiale izolacyjnym grubości  kilkunastu centymetrów do  przestrzeni sąsiadującej z murem. Mur odbierając ciepło schładza powietrze, które dolnym kanałem dostaje się do przestrzeni nagrzewanej dając początek nowemu cyklowi transportu ciepła. Nachylenie kanałów „do góry” w kierunku muru ma podwójne znaczenie. Ułatwia konwekcyjny transport ciepła w sytuacji ogrzewania przez słońce zewnętrznej części panelu. Podczas nocy lub zachmurzenia stratyfikacja powietrza w  kanałach uniemożliwia wymianę ciepła w drodze konwekcji  [9].

Rys.5. Schemat funkcjonowania panelu termosyfonowego

* * *

Materiał akumulacyjny

W przegrodach kolektorowo-akumulacyjnych istotnym elementem rzutującym na ich funkcjonowanie jest także dobór materiału akumulacyjnego. Decyduje on o dystrybucji pozyskanego ciepła od promieniowania słonecznego. Zdolność ściany do magazynowania ciepła od promieniowania słonecznego zależy od właściwości termofizycznych materiału ściany, od częstości wymuszenia termicznego i wahań temperatury zewnętrznej [4]. Właściwie zaprojektowana PKA powinna stanowić źródło ciepła o  fluktuacjach temperatury
w przylegającym pomieszczeniu, nie wykraczających poza poziom komfortu użytkowników, przy wymuszeniach temperaturowych charakterystycznych dla jej lokalizacji.
Ilość ciepła, które przegroda potencjalnie może zakumulować jest proporcjonalna do ciepła właściwego i gęstości materiału, z którego przegroda jest wykonana:

gdzie:

V – objętość materiału w przegrodzie, m3;
r – gęstość materiału przegrody, m3/kg;
c – ciepło właściwe materiału przegrody, J/kg×K;
∆T – gradient temperatury przegrody, °C;
Zdolność do pochłaniania lub oddawania  ciepła w ścianie wyraża tzw. współczynnik ciepłochłonności b.

gdzie:
l – współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK.
Szacunkową prędkość nagrzewania lub wychładzania ściany można określić przy pomocy współczynnika wyrównania temperatury a:

Im większa jest wartość a, tym szybciej będzie się nagrzewać lub ochładzać ściana do chwili osiągnięcia jednakowej temperatury w całej swojej objętości.
Rozkład  zmian temperatury T w kierunku prostopadłym do powierzchni ściany x opisuje równanie przewodnictwa Fouriera:

Rozwiązanie powyższego równania umożliwia optymalizację parametrów fizycznych materiału akumulacyjnego PKA dla zdefiniowanego przez projektanta kryterium
w określonych warunkach pracy ściany [5]. Dogodną metodą rozwiązania równania jest Metoda Różnic Skończonych opisana między innymi w [6,7]
O ile przeszklenie ściany zapewnia jej właściwą izolacyjność termiczną, efektywność PKA jest proporcjonalna do gęstości materiału akumulacyjnego oraz ciepła właściwego. Materiały o dużych gęstościach i cieple właściwym cechuje duża akumulacyjność ciepła, zaś materiały o dużej przewodności cieplnej posiadają  zdolność do szybkiego nagrzewania ale  i schładzania.  Z tych powodów do ścian kolektorowo-akumulacyjnych stosuje się przede wszystkim materiały ciężkie takie jak beton, silikat, klinkier, cegłę ceramiczną pełną.

Typowe materiały budowlane posiadają zbliżone ciepło właściwe. Znaczące zwiększenie akumulacyjności cieplnej można uzyskać np. przy pomocy ściany wodnej. Woda posiada ciepło właściwe czterokrotnie większe od materiałów budowlanych – wykorzystanie jej  w przegrodzie proporcjonalnie zwiększa jej zdolność do magazynowania ciepła. Ściany wodne wykonuje się najczęściej w postaci nierdzewnych zbiorników wypełnionych wodą, które umieszcza się za blaszanym absorberem. Z uwagi na małe właściwości izolacyjne wody przeszklenie przed ścianą wodną powinno zapewniać wymaganą izolacyjność termiczną lub powinno być wyposażone w rolety, okiennice, żaluzje itp. rozwiązanie zwiększające opór cieplny. Zastosowanie wymienionych urządzeń umożliwia wykorzystanie rozwiązania badanego na Politechnice Rzeszowskiej  ściany wodnej transparentnej [8]. Wypełnione wodą szklane zbiorniki grubości 0,05m umieszczone za szybą zespoloną  oddawały ciepło zaabsorbowanego promieniowania słonecznego przy temperaturze powietrza zewnętrznego –150C przez kilkanaście godzin. Jednocześnie w ciągu dnia dzięki właściwościom optycznym wody umożliwiały doświetlenie przyległego pomieszczenia.

Innym sposobem zwiększenia akumulacyjności cieplnej jest wykorzystanie ciepła utajonego materiału, np. niezbędnego do zmiany fazy. Przy tej samej pojemności niektóre materiały ulegające przemianie fazowej w temperaturze z zakresu ich pracy mogą akumulować znacznie więcej ciepła z uwagi na ciepło utajone, potrzebne do  zmiany stanu skupienia. W zakresie niskiej temperatury przemiany fazowej do tych materiałów zalicza się min.: wosk, parafina, gliceryna, roztwory soli łatwo krystalizujących, jak np. hy­draty
Na2SO4 10 H2O (sól glauberska), itp. :

Tab.3. Fizyczne właściwości niektórych związków chemicznych

Wymienione związki cechuje dodatkowo jeszcze jedna właściwość. Jeśli temperatura ich pracy jest niższa od temperatury przemiany fazowej – pozostając w stanie stałym –posiadają niższy współczynnik przewodzenia ciepła. Natomiast po przejściu w stan płynny w związku
z włączeniem się konwekcji do transferu  ciepła, ich zdolność do przewodności rośnie. Ta właściwość dodatkowo predysponuje je do zastosowania w „inteligentnych” interaktywnych rozwiązaniach.
* * *

Rozwiązania zwiększające efektywność i funkcjonalność  PKA

Ściany kolektorowo-akumulacyjne zaprojektowane w celu pozyskiwania energii cieplnej w okresie sezonu ogrzewczego nie powinny  pogarszać komfortu użytkowania przylegających do nich pomieszczeń w okresie letnim. Podstawowym i najprostszym rozwiązaniem ograniczającym ich nagrzewanie w tym okresie są daszki o  wysięgu zapewniającym iż pozostają w cieniu w godzinach dużej aktywności słonecznej przy charakterystycznym dla lata kącie padania promieniowania słonecznego. Wśród najpopularniejszych rozwiązań należy także wymienić żaluzje, rolety i okiennice.

Rys.6. Rozwiązania poprawiające funkcjonalność PKA

Zapobiegają one przegrzewaniu przegrody w okresie letnim zwiększając jednocześnie izolacyjność termiczną podczas nocy w okresie ogrzewczym. Zastosowanie powłok refleksyjnych (luster) na okiennicach ma podwójne znaczenie. W czasie nocy ograniczają straty ciepła na skutek promieniowania, zaś w ciągu dnia  odbite od  ich powierzchni promieniowanie  słoneczne może podnieść temperaturę absorbera nawet o 20%, przy powierzchni  lustra porównywalnej z powierzchnią absorbera.
* * *

Podsumowanie:

Rosnące koszty ogrzewania budynków wymuszają stosowanie rozwiązań ograniczających zużycie energii konwencjonalnej oraz wykorzystujących energię źródeł odnawialnych.  Ściany kolektorowo-akumulacyjne należą do rozwiązań, w których tkwią rezerwy z zakresu oszczędzania energii potrzebnej do ogrzewania budynków. Na efektywność PKA mają  wpływ warunki klimatyczne, w których funkcjonują oraz zastosowane rozwiązania  materiałowe.  W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące podstawowego typu ściany słonecznej, nie wymagającego stosowania kontrolerów bądź sterowania. Z tego powodu pominięto ścianę wentylowaną (Trombe’a) szeroko opisaną także w języku polskim  [4,10]
* * *
Piśmiennictwo:

• Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. z późniejszymi poprawkami w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
• A. Starakiewicz, Funkcjonowanie przegród kolektorowo-akumulacyjnych w polskich warunkach klimatycznych. Praca doktorska, IPPT PAN, Warszawa 1993,
• Voss K., Braun P., Russ Ch., Transparent Insulation In Building Renovation, EurSun’1998.
• Z.Pluta, Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003
• L.Lichołai, Analiza funkcjonowania pasywnych systemów ogrzewania słonecznego i prognozowanie ich efektywności energetycznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2000,
• Pogorzelski J.A. Fizyka cieplna budowli. PWN Warszawa 1981,
•  J.Cisło, D.Jasiska, A.Ujma –Fizyka budowli cz.1. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1988,
• L.Lichołai, A.Starakiwicz, J.Szyszka, Badania transparenntnej przegrody kolektorowo-akumulacyjnej. Zeszyty Naukow Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów –Solina 2006,
• www.masatherm.pl – broszura informacyjna RymSol^®
• Wł. Smolec, Fototermiczna konwersja energii słonecznej, wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000

Jerzy Szyszka
Lech I. Lichołai
Aleksander Starakiewicz

WARSTWY – DACHY i ŚCIANY 1/2008