Wpływ konstrukcji ściany z przezroczystą izolacją cieplną na działanie systemu do pasywnego pozyskiwania promieniowania słonecznego

Wzmiankowane wyżej oddziaływanie jest jeszcze mało znane. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń najważniejszych parametrów działania wybranych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych ścian z przezroczystą izolacją cieplną, a w szczególności ? przesunięcia czasowego maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni, w stosunku do maksymalnego promieniowania słonecznego.

Ściany zewnętrzne - Wpływ konstrukcji ściany z przezroczystą izolacją cieplną na działanie systemu do pasywnego pozyskiwania promieniowania słonecznego

Rys. 1. Działanie ściany z przezroczystą izolacją cieplną: a ? w zimie, b ? lecie

W krajach rozwiniętych dzięki termomodernizacji już istniejących budynków, a także w następstwie wysokiej ciepłochronności obiektów projektowanych, bardzo poważnie ograniczono zużycie energii potrzebnej do ich ogrzania. Tymczasem w Polsce jest inaczej. Nadal zużywamy ogromnie dużo ?brudnej? energii, pochodzącej ze spalania węgla kamiennego i brunatnego [1].
Światowe zasoby paliw energetycznych zmniejszają się z każdym rokiem, a jednocześnie postępuje degradacja środowiska naturalnego. Na całym świecie prowadzi się intensywne prace badawcze i wdrożeniowe dotyczące wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii, w tym energii słonecznej. Wśród ważniejszych europejskich ośrodków naukowo-badawczych zajmujących się tą problematyką należy koniecznie uwzględnić (kierowany przez prof. dr hab. Karla Gertisa) Instytut Fizyki Budowli w Holzkirchen (Niemcy), z którym współpracuje Zakład Budownictwa Wiejskiego Akademii Rolniczej w Krakowie.
Jednym z najnowszych sposobów pasywnego pozyskiwania energii słonecznej do ogrzewania budynków jest ściana z przezroczystą izolacją cieplną (rys. nr 1) [1, 2, 3, 7]. Zastosowanie przezroczystej izolacji cieplnej umożliwia nie tylko pozyskanie energii słonecznej do ogrzewania budynków, ale również redukcję strat ciepła. Izolacja ta przynosi największy zysk energetyczny na ścianach południowych ? w ciągu roku około 120 kWh/m2, natomiast na elewacjach północnych jest on już znacznie mniejszy i wynosi 30?40 kWh/m2.
Zasada działania jest stosunkowo prosta: izolacja przezroczysta przekształca promieniowanie słoneczne w energię cieplną, która zostaje zakumulowana w masywnej warstwie konstrukcyjnej ściany, a następnie przepływa do wnętrza pomieszczeń z pewnym przesunięciem czasowym.

Budowa i działanie
Najważniejszym składnikiem systemu jest gotowa płyta elewacyjna, o grubości: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 lub 20 cm. Zbudowana jest z rurek poliwęglanowych o średnicy około 0,2 cm (rys. nr 2), ułożonych prostopadle do powierzchni płyty, tworzących porowatą strukturę podobną do plastra miodu, o stosunkowo małym współczynniku przewodności cieplnej ? = 0,08 W/(m?K) i dużym współczynniku przepuszczalności światła wynoszącym 0,56 [7].
Z jednej strony płyty (od zewnątrz) znajduje się warstwa ochronna ze szklanego tynku, a z drugiej ? czarny absorber, na którym zachodzi przemiana promieniowania słonecznego w energię cieplną. Większość tej energii przenika przez materiał ściany do pomieszczenia, natomiast reszta ? do powietrza zewnętrznego.
Taka budowa przezroczystej izolacji powoduje, że funkcjonuje ona ze zmienną w ciągu roku wydajnością energetyczną. Jej największa efektywność w pozyskiwaniu energii słonecznej jest w zimie, a najmniejsza w lecie, kiedy zapotrzebowanie budynku na energię cieplną jest minimalne lub zerowe. Przy prostopadłym padaniu promieni słonecznych na płytę, a więc w okresie zimowym (rys. nr 1a), pochłaniane jest prawie 95% promieniowania, natomiast w lecie, gdy promienie padają pod dużym kątem (rys. nr 1b) znaczna ich część zostaje odbita i nie dociera do absorbera, co w znacznym stopniu zapobiega przegrzewaniu budynku.
Przychód energii słonecznej w warunkach klimatycznych Polski południowo-wschodniej, cechuje się maksymalnym natężeniem promieniowania słonecznego około godziny 13.00 i na ogół pokrywa się z maksymalną temperaturą zewnętrzną. W tym czasie straty ciepła budynku są najmniejsze, a więc i zapotrzebowanie na energię do ogrzewania jest również najmniejsze.
Istotne jest więc zagadnienie kształtowania się w czasie przepływu strumienia cieplnego w ścianie z przezroczystą izolacją cieplną. Najkorzystniejszym ? z punktu widzenia gospodarki energetycznej i komfortu cieplnego pomieszczeń ogrzewanych ? byłoby osiągnięcie maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany z takim opóźnieniem, aby wystąpiło ono wtedy, gdy temperatura na zewnątrz jest najniższa, tj. około godziny 4.00 rano. Przesunięcie czasowe maksimum natężenia strumienia cieplnego zależy od grubości oraz właściwości fizycznych materiału, z którego ściana została zbudowana (gęstości objętościowej, ciepła właściwego i współczynnika przewodności cieplnej).
Nasuwa się zatem pytanie, przy jakiej grubości ściany, wykonanej z danego materiału, można uzyskać 15-godzinne opóźnienie wystąpienia maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany w stosunku do maksimum natężenia promieniowania słonecznego.
Aby odpowiedzieć na to pytanie wykonano obliczenia przebiegu natężenia strumienia cieplnego przez wybrane ściany. Wykorzystano własny program komputerowy, który umożliwia obliczenia niestacjonarnych przepływów ciepła oraz transportu wilgoci w przegrodach wielowarstwowych metodą bilansów elementarnych dla rzeczywistych danych klimatycznych [4]. Wykonanie obliczeń wymagało znajomości szeregu parametrów dotyczących: warunków klimatu zewnętrznego [6] i wewnętrznego [5], właściwości fizycznych materiałów [6] oraz konstrukcji ściany. Z uwagi na brak niezbędnych pomiarów meteorologicznych dotyczących długofalowego promieniowania atmosfery i powierzchni ziemi w Polsce, wykorzystano dane meteorologiczne z wielolecia ze stacji w Monachium (Niemcy) i dla roku 1995 ze stacji Zakopone.

Typy i parametry analizowanych ścian z przezroczystą izolacją cieplną
Obliczenia przeprowadzono dla szesnastu ścian wykonanych w pięciu najczęściej występujących w praktyce wariantach rozwiązań materiałowych. I tak są to:
? trzy warianty ściany ceglanej (grubości: 28, 41 i 54 cm wraz z obustronnym tynkiem cementowo-wapiennym),
? trzy warianty ściany z cegły wapienno-piaskowej (grubości: 28, 41 i 54 cm wraz z obustronnym tynkiem cementowo-wapiennym),
? cztery warianty ściany betonowej (grubości: 15, 20, 25 i 30 cm),
? dwa warianty ściany z bloczków z betonu komórkowego M600 (grubości: 27 i 40 cm z obustronnym tynkiem cementowo-wapiennym),
? trzy warianty ściany kamiennej (grubości: 44, 54 i 64 cm z obustronnym tynkiem cementowo-wapiennym).
Właściwości fizyczne materiałów analizowanych ścian zestawiono w tabeli 1.

Ściany zewnętrzne - Wpływ konstrukcji ściany z przezroczystą izolacją cieplną na działanie systemu do pasywnego pozyskiwania promieniowania słonecznego

Rys. 2. Budowa przezroczystej izolacji cieplnej: 1 ? tynk ze szklanych kulek, 2 ? folia przezroczysta, 3 ? przezroczyste rurki poliwęglanowe, 4 ? siatka z włókna szklanego

Wyniki obliczeń i analiza
Największą rolę w systemie do pasywnego pozyskiwania promieniowania słonecznego, odgrywa wysokotemperaturowe promieniowanie bezpośrednie, występujące tylko w ciągu dnia. O cykliczności dobowej możemy też mówić w przypadku przebiegów temperatury zewnętrznej. Dzieje się tak dlatego, że temperatura powietrza zależna jest od aktualnego bilansu promieniowania cieplnego Ziemi. Teoretycznie temperatura osiąga minimum w godzinach rannych, tuż przed wschodem Słońca, a maksimum ? wczesnym popołudniem. Jednak zachmurzenie oraz opady zmieniają bilans cieplny, a co za tym idzie zmieniają rozkład maksimów i minimów temperatury zewnętrznej w ciągu doby.
Przebieg temperatury zewnętrznej, sumarycznego promieniowania słonecznego i obliczonego natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni niektórych ścian dla rzeczywistych parametrów meteorologicznych, które wystąpiły w Monachium podczas 2 tygodni zimy (24 stycznia ? 6 lutego 1995), obrazują wykresy na rysunkach 3 i 4. Zarówno przebieg temperatury zewnętrznej, jak i wartości promieniowania sumarycznego w tym okresie był dość typowy dla naszej strefy klimatycznej. Wystąpiły w nim maksymalne (do 700 W/m2) i minimalne wartości promieniowania sumarycznego na ścianę z przezroczystą izolacją cieplną, a temperatury zewnętrzne wahały się od około ?17 do +8°C. Przez kilka pierwszych dni analizowanego okresu wszystkie parametry osiągały wartości maksymalne i minimalne mniej więcej w tym samym czasie. Natomiast od 1 lutego przebieg temperatury zewnętrznej przestał korespondować z przebiegiem promieniowania sumarycznego i natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany.
Stwierdzono zróżnicowanie wartości natężenia strumienia cieplnego oraz temperatury na wewnętrznej powierzchni ściany z przezroczystą izolacją cieplną i ściany o takiej samej konstrukcji, lecz bez izolacji.
Różnica ta była tym większa im mniejszym oporem przenikania ciepła cechowało się rozwiązanie materiałowo-konstrukcyjne danej ściany. Dla przykładowych przegród z betonu zwykłego grubości 15 cm z przezroczystą izolacją cieplną i bez tej izolacji, różnica ta wynosiła średnio 80 W/m2 i 6,5?12,8 K. Charakterystyczne dla nich były również gwałtowne zmiany wartości natężenia strumienia cieplnego i temperatury na wewnętrznej powierzchni ściany. Zupełnie inaczej przedstawiało się działanie ściany zbudowanej z cegły wapienno-piaskowej grubości 41 cm z przezroczystą izolacją cieplną i bez tej izolacji. Znacznie większy opór cieplny tej ściany, w porównaniu z betonową, powodował zmniejszenie różnicy w natężeniu strumienia cieplnego i temperatury na wewnętrznej powierzchni ściany do 35 W/m2 i 2,5?6,0 K, a także dużą stabilizację przebiegu tych parametrów.
Wyniki obliczeń przesunięcia czasowego wystąpienia maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni analizowanych ścian z przezroczystą izolacją cieplną przedstawiono na rysunku 5. Z wykresu wynika, że najbliższe uzyskania optymalnego 15-godzinnego przesunięcia czasowego są: ściana z cegły wapienno-piaskowej grubości 41 cm i ściana kamienna grubości 54 cm. Wyniki uzyskane dla pozostałych analizowanych ścian wskazują na brak możliwości uzyskania optymalnego przesunięcia czasowego przy grubościach ścian wynikających ze standardowych gabarytów elementów ściennych. Możliwe jest również uzyskanie optymalnego przesunięcia czasowego dla wielomateriałowych ścian z przezroczystą izolacją cieplną. Na przykład ściana warstwowa, zbudowana z 15-centymetrowej warstwy betonu zwykłego i 12-centymetrowej warstwy betonu komórkowego M600 oraz przezroczystej izolacji cieplnej grubości 8 cm osiągnęła 14-godzinne przesunięcie maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany. Zróżnicowanie w ciągu 1995 roku liczby wystąpień wielkości przesunięcia czasowego natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ścian z przezroczystą izolacją cieplną grubości 8 cm, wykonanych z betonu zwykłego i betonu komórkowego przedstawiono na rysunku 6.
Zróżnicowanie właściwości fizycznych betonu zwykłego i betonu komórkowego powoduje, że w przypadku betonu komórkowego wystarczającą do osiągnięcia optymalnego przesunięcia czasowego natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany jest warstwa grubości 28 cm, natomiast przy betonie zwykłym potrzebna jest ściana o grubości aż 52 cm.
Na rysunku 7 przedstawiono zimowy (dla stycznia ?95) i letni (dla czerwca ?95) rozkład temperatury w 40 cm ścianie z betonu komórkowego M600 z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną.
Amplituda miesięcznych wahań temperatury na absorberze (pod przezroczystą izolacją cieplną) była najmniejsza latem (67 K), a największa zimą (103 K), przy czym maksymalna temperatura absorbera w tych miesiącach wynosiła odpowiednio: 74 i 82°C. Zróżnicowanie to jest spowodowane różnym kątem padania promieniowania słonecznego. Latem promienie słoneczne padające na powierzchnię przezroczystej izolacji cieplnej pod dużym kątem w większości odbijają się od powierzchni izolacji przezroczystej, natomiast zimą padają prawie prostopadle i w większości przenikają do absorbera, gdzie są zamieniane na energię cieplną.
Na wewnętrznej powierzchni tej ściany miesięczne wahania temperatury były niewielkie i wynosiły około 3 K, tak zimą, jak i latem. Jeśli weźmie się pod uwagę jedno z wymagań dotyczących jakości mikroklimatu pomieszczeń, aby różnica między temperaturą powietrza w pomieszczeniu a temperaturą powierzchni ściany nie przekraczała 5,5 K ? z uwagi na możliwość wystąpienia kondensacji pary wodnej na wewnętrznej powierzchni ściany ? zastosowanie przezroczystej izolacji cieplnej na ścianie z betonu komórkowego grubości 40 cm całkowicie zabezpiecza pomieszczenie przed tym niekorzystnym zjawiskiem. Zupełnie inaczej będzie w przypadku zastosowania przezroczystej izolacji cieplnej na ścianie betonowej. Na rysunku 8 przedstawiono amplitudę wahań temperatur w ścianie wykonanej z 40-centymetrowej warstwy betonu zwykłego z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną. Wprawdzie amplituda miesięcznych wahań temperatur na powłoce absorbera, wynosząca 28 K w styczniu i 18 K w czerwcu, była znacznie mniejsza niż w przypadku ściany z betonu komórkowego, jednakże na wewnętrznej powierzchni ściany betonowej amplituda wahań temperatur w styczniu wynosiła 7,5 K i była ona ponad 2-krotnie większa niż w przypadku ściany z betonu komórkowego.

Podsumowanie
Wyniki badań nad działaniem ściany z przezroczystą izolacją cieplną wskazują na możliwość doskonalenia tego systemu do ogrzewania budynków nie tylko w kierunku dodatniego bilansu pozyskania energii słonecznej, ale również kształtowania odpowiedniej stateczności cieplnej pomieszczeń. Rozwiązanie materiałowo-konstrukcyjne ściany z przezroczystą izolacją cieplną powinno uwzględniać:
? około 15-godzinne opóźnienie wystąpienia maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany względem maksimum promieniowania słonecznego,
? stabilną temperaturę na wewnętrznej powierzchni ściany,
? niedopuszczenie do kondensacji pary wodnej na wewnętrznej powierzchni ściany.
Spośród ścian jednomateriałowych z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną, wymagane 15-godzinne opóźnienie można osiągnąć przy następujących ścianach:
? z cegły wapienno-piaskowej o grubości 41 cm (z obustronnym tynkiem),
? z kamienia o grubości 54 cm (z obustronnym tynkiem).

Dr hab. inż. Wacław Bieda
Dr inż. Jan Radoń
Mgr inż. Bogusław Mielec
Akademia Rolnicza w Krakowie

Literatura
[1] Mikoś J. Budownictwo ekologiczne. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996.
[2] Latacz J. Ściany aktywne słonecznie. ?Warstwy?, nr 2 (7), str. 78?79. 1997.
[3] Bieda W. Radoń J. Koncepcja kurnika?brojlerni ogrzewanego energią słoneczną. ?Magazyn Drobiarstwo?, nr 15, str. 14?16. 1998.
[4] Schmidt T. Pomoc programu WUFI, IBP Holzkirchen 1997.
[5] PN-82/B-02402. Temperatury ogrzewanych pomieszczeń w budynkach.
[6] PN-91/B-02020. Ochrona cieplna budynków.
[7] Wärmedämm?Verbund?system Sto Therm Solar. Materiały reklamowe firmy Sto AG. Rev.-Nr 02/04.96. 1996.

WARSTWY ? DACHY i ŚCIANY numer 4?98

Spis rysunków do art nie zamieszczone w powyższym tekście, a dostępne drukowanym materiale źródłowym.:
Rys. 3. Przebieg sumarycznego promieniowania słonecznego (1), temperatury zewnętrznej (2), natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany: z betonu zwykłego grubości 15 cm z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną (3), z betonu zwykłego grubości 15 cm bez przezroczystej izolacji (4) oraz temperatury na wewnętrznej powierzchni ściany z przezroczystą izolacją cieplną (5) i bez izolacji (6)
Rys. 4. Przebieg sumarycznego promieniowania słonecznego (1), temperatury zewnętrznej (2), natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany: z cegły wapienno-piaskowej grubości 41 cm z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną (3), z cegły wapienno-piaskowej grubości 41 cm bez przezroczystej izolacji (4) oraz temperatury na wewnętrznej powierzchni ściany z przezroczystą izolacją cieplną (5) i bez izolacji (6)
Rys. 5. Przesunięcie czasowe maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną: a ? w ścianach z betonu zwykłego, b ? w ścianach z betonu komórkowego
Rys. 6. Zależność przesunięcia czasowego maksimum natężenia strumienia cieplnego na wewnętrznej powierzchni ściany od grubości warstwy konstrukcyjnej ściany z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną
Rys. 7. Amplituda wahań temperatury w ścianie z betonu komórkowego M600 grubości 40 cm z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną, przy ti = 20°C: a ? styczeń ?95, b ? czerwiec ?95, 1 ? przezroczysta izolacja cieplna, 2 ? absorber, 3 ? tynk, 4 ? beton komórkowy
Rys. 8. Amplituda wahań temperatury w ścianie z betonu zwykłego grubości 40 cm z 10-centymetrową przezroczystą izolacją cieplną, przy ti = 20°C: a ? styczeń ?95, b ? czerwiec ?95, 1 ? przezroczysta izolacja cieplna, 2 ? absorber, 3 ? beton

Udostępnij ten wpis

Post Comment