Optymalizacja energetyczna funkcjonowania ściany hybrydowej
Energy-related optimisation of the work of hybrid walls
Optymalizacja energetyczna funkcjonowania ściany hybrydowej
Archiwum autorów
Obecnie duży nacisk kładzie się na zmniejszenie zapotrzebowania na energię do celów grzewczych obiektu. Dodatkowo dąży się do pozyskiwania energii z odnawialnych źródeł. Jednym ze sposobów wykorzystania tego typu rozwiązań w budownictwie niskoenergetycznym jest zastosowanie systemów pasywnych, zarówno w zakresie zysków bezpośrednich, jak i pośrednich.
Zobacz także
Fiberglass Fabrics sp. z o.o. Tynki i farby w dużych inwestycjach budowlanych
Przy projektowaniu i realizacji dużych inwestycji, takich jak osiedla mieszkaniowe, biurowce czy obiekty użyteczności publicznej, kluczowe znaczenie ma wybór odpowiednich materiałów wykończeniowych. Nie...
Przy projektowaniu i realizacji dużych inwestycji, takich jak osiedla mieszkaniowe, biurowce czy obiekty użyteczności publicznej, kluczowe znaczenie ma wybór odpowiednich materiałów wykończeniowych. Nie do przecenienia jest rola tynków i farb, które wpływają na wygląd budynków, a także na ich trwałość i komfort użytkowania.
Connector.pl Nowoczesne piany poliuretanowe – szczelne i trwałe ocieplenie budynku
Firma Connector.pl to największy polski dystrybutor materiałów do produkcji kompozytów, będący liderem na rynku od ponad 30 lat. W swojej ofercie posiadamy szeroką gamę produktów, a wśród nich znakomitej...
Firma Connector.pl to największy polski dystrybutor materiałów do produkcji kompozytów, będący liderem na rynku od ponad 30 lat. W swojej ofercie posiadamy szeroką gamę produktów, a wśród nich znakomitej jakości piany PUR otwarto- i zamkniętokomórkowe.
Czytaj całość »
M.B. Market Ltd. Sp. z o.o. Czy piana poliuretanowa jest palna?
W artykule chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej temu aspektowi i rozwiać wszelkie wątpliwości na temat palności pian poliuretanowych.
W artykule chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej temu aspektowi i rozwiać wszelkie wątpliwości na temat palności pian poliuretanowych.
Czytaj całość »
Abstrakt |
|---|
|
W artykule podjęto próbę określenia możliwości sterowania pracą ściany hybrydowej w sposób ograniczający straty ciepła strefy o regulowanej temperaturze. Przegrodę hybrydową stanowi układ ściany zewnętrznej z izolacją transparentną, wzbogacony o cieczowy wymiennik ciepła. Metoda badawcza przyjęta w pracy to badania numeryczne z wykorzystaniem programu ESP-r. Dane klimatyczne niezbędne do przeprowadzenia obliczeń przyjęto dla miasta Katowice. Prowadzone analizy obejmowały ocenę wpływu sposobu sterowania układem hydraulicznym na parametry termiczne przedmiotowej przegrody. Energy-related optimisation of the work of hybrid wallsThe article attempts to identify the possibility of controlling the work of hybrid walls so as to minimise heat loss of temperature-controlled zones. Hybrid partitions are external wall systems with transparent insulation, equipped with liquid heat exchangers. The research method assumed in the paper is based on numerical modelling using ESP-r software, and with the usage of climate data for the city of Katowice, Poland, as necessary for the calculations. The conducted analyses included the evaluation of the effect of the mode of controlling of the hydraulic system on the thermal parameters of the subject partition. |
System zysków bezpośrednich jest najprostszym pasywnym systemem grzewczym, wykorzystującym południową powierzchnię przeszkloną do wnikania promieniowania słonecznego do pomieszczenia oraz do ogrzewania powietrza. Wzrost temperatury pomieszczenia jest następstwem wzrostu wartości natężenia promieniowania słonecznego, a co się z tym wiąże, chwilowym przegrzewaniem pomieszczenia. System zysków bezpośrednich jest na ogół uzupełnieniem słonecznych lub konwencjonalnych systemów grzewczych. Najprostszym przykładem systemu zysków bezpośrednich jest szklarnia [1-4].
Sposobem zmniejszania tych wahań z jednoczesną możliwością uzyskania przesunięcia okresu dostarczania energii do pomieszczenia jest odizolowanie od promieniowania słonecznego wnętrza budynku za pomocą układu magazynującego w postaci masywnej ściany. Jednym z takich rozwiązań jest tzw. ściana Trombego, zaliczana do pasywnych pośrednich systemów pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego. Wadą tego rozwiązania jest najczęściej okresowe przegrzewanie pomieszczeń.
Jednakże można uzyskać odpowiednie przesunięcie fazowe okresu dostarczania energii przez optymalne dobranie grubości i pojemności cieplnej ściany, uwzględniające lokalne warunki klimatyczne. Podejmuje się także próby modyfikacji struktury takiej ściany poprzez zastosowanie np. izolacji transparentnej lub/oraz cieczowego wymiennika. Modyfikacje te umożliwiają oddanie pozyskanej energii z dłuższym przesunięciem czasowym lub wykorzystanie nadmiaru ciepła do ogrzania wody lub płaszczyznowego ogrzewania ściennego lub podłogowego. Tego typu rozwiązania zaliczane są do systemów hybrydowych [1-4].
W niniejszym artykule autorzy podjęli próbę określenia wpływu sposobu sterowania pracą ściany hybrydowej z izolacją transparentną i cieczowym wymiennikiem ciepła na parametry termiczne układu.
Opis procedury badawczej
Założenia analiz
W niniejszym artykule rozważano poniższe modele sterowania:
- włącz/wyłącz (ON/OFF) - obieg czynnika jest uzależniony od różnicy temperatur pomiędzy wylotem ze ściany a temperaturą w zbiorniku. Jeśli temperatura w zbiorniku jest niższa od temperatury na wylocie ze ściany pompa obiegowa pracuje. Jeśli układ temperatur ulega odwróceniu, aby chronić zbiornik przed wychładzaniem, pompa się wyłącza,
- praca ciągła pompy obiegowej,
- prędkość przepływu cieczy (woda) w wymienniku ciepła, wwater = 0,02 m/s.
Metoda badawcza przyjęta w pracy to badania numeryczne z wykorzystaniem programu ESP-r [5]. Obliczenia były prowadzone z godzinowym krokiem czasowym na bazie rzeczywistych danych klimatycznych (Katowice; uśrednione dla lat 1971-2000). Baza klimatyczna [6] została zaimplementowana do programu ESP-r. Analizy obejmowały określenie temperatury powietrza w pomieszczeniu, temperatury cieczy w zbiorniku oraz na wylocie ze ściany hybrydowej, przy założeniu braku ogrzewania w okresie zimowym.
Przedmiot analiz
Przyjęte w pracy rozwiązanie to hybrydowy system ściany zewnętrznej z izolacją transparentną, wyposażony w możliwość odprowadzania nadmiaru energii cieplnej. Konstrukcja systemu hybrydowego jest zbliżona do systemu pasywnego z warstwą akumulacyjną. Na zewnętrznej powierzchni warstwy nośnej jest zamontowany cieczowy wymiennik ciepła wraz z absorberem, na który nałożona zostaje izolacja transparentna. Ciepło pozyskane w układzie poprzez cieczowy wymiennik zostaje doprowadzone do zbiornika akumulującego. Zbiornik ten może zaopatrywać w ciepło instalację ogrzewania płaszczyznowego (ściennego lub podłogowego) bądź instalację ciepłej wody użytkowej.
FOT. 1. Widok izolacji transparentnej o strukturze kapilarnej; fot. archiwa autorów
FOT. 2. Izolacja transparentna o strukturze kapilarnej - przybliżenie; fot. archiwa autorów
Przedmiotem analiz jest pomieszczenie o wymiarach w osiach 5,0×3,0×3,0 m i kubaturze wewnętrznej 45,0 m3, z wbudowaną ścianą hybrydową, zorientowaną w kierunku południowym, o powierzchni 15,0 m2. Zamodelowana ściana hybrydowa składa się z warstwy konstrukcyjnej z cegły betonowej prasowanej o grubości 0,25 m, układu absorbera i wymiennika ciepła oraz izolacji transparentnej o strukturze kapilarnej o grubości 0,105 m ( FOT. 1 i FOT. 2 ).
RYS. 1. Schemat analizowanej ściany hybrydowej. Oznaczenia: 1 - izolacja transparentna, 2 -cieczowy wymiennik ciepła, 3 - absorber, 4 -warstwa konstrukcyjna; rys. archiwa autorów
Powierzchnię izolacji transparentnej przyjęto jako 8,0 m2,
- wartość współczynnika przepuszczalności całkowitej promieniowania słonecznego dla izolacji transparentnej g = 0,6,
- opór cieplny R = 0,80 m2·K/W,
- współczynnik absorpcji promieniowania na powierzchni absorbera αa = 0,90.
Pozostała powierzchnia ściany została ocieplona styropianem o grubości d = 0,15 m, i charakteryzuje się współczynnikiem przenikania ciepła o wartości U = 0,23 W/(m2·K).
Pojemność wodna wymiennika ciepła wynosi 10,0 l.
Jako odbiornik pozyskanej energii cieplnej przyjęto zbiornik o pojemności 110,0 l. Obieg cieczy przebiega w systemie wymuszonym przez pompę. Dla pozostałych przegród ustalono warunki wymiany ciepła jako adiabatyczne.
Na RYS. 1 przedstawiono przedmiotową ścianę hybrydową, natomiast na RYS. 2 układ hydrauliczny całego rozwiązania.
RYS. 3 ilustruje model układu wykonany w programie ESP-r.
RYS. 2. Schemat układu hydraulicznego przedmiotowej ściany hybrydowej. Oznaczenia: 1 - pomieszczenie, 2 - ściana hybrydowa, 3 - zbiornik, 4 - pompa, 5 - cieczowy wymiennik ciepła; rys. archiwa autorów
RYS. 3. Model ściany hybrydowej wykonany w programie ESP-r; rys. archiwa autorów
Wyniki badań i ich analiza
Badania wstępne były prowadzone dla całego roku. Natomiast w artykule zaprezentowano wyniki dla miesięcy stycznia i lipca jako reprezentatywnych z punktu widzenia celu badań.
Na RYS. 4 przedstawiono przebieg temperatury powietrza w pomieszczeniu oraz cieczy w zbiorniku na tle temperatury powietrza zewnętrznego oraz bezpośredniego natężenia promieniowania słonecznego w styczniu, natomiast na RYS. 5 - w lipcu dla systemu sterowania - tryb praca ciągła. RYS. 6 i RYS. 7 ilustrują te same wielkości dla drugiego systemu - typ ON/OFF.
RYS. 4. Przebieg analizowanych wielkości dla pracy ciągłej układu - okres 1.01-31.01; rys. archiwa autorów
RYS. 5. Przebieg analizowanych wielkości dla pracy ciągłej układu - okres 1.07-31.07; rys. archiwa autorów
RYS. 6. Przebieg analizowanych wielkości dla pracy układu typu ON/OFF -okres 1.01-31.01; rys. archiwa autorów
RYS. 7. Przebieg analizowanych wielkości dla pracy układu typu ON/OFF -okres 1.07-31.07; rys. archiwa autorów
Na podstawie uzyskanych wyników analiz można stwierdzić, iż w przypadku ciągłej pracy pompy obiegowej, przy założonej prędkości przepływu cieczy wwater = 0,02 m/s, temperatura powietrza w pomieszczeniu (ti) w miesiącu najzimniejszym - styczniu waha się w graniach ti= 5-17°C, przy średniej 9,8°C ( RYS. 4 ). Należy zaznaczyć, iż pomieszczenie nie zostało wyposażone w system ogrzewania. Natomiast w lipcu ti= 24-33°C, przy średniej tiśr = 28°C ( RYS. 5 ). Temperatura powietrza zewnętrznego w lipcu wynosi te= 9,7-27,7°C, przy średniej 18°C, a w styczniu te= –6,4-12,7°C, przy średniej teśr= 2,1°C.
W przypadku temperatury cieczy w zbiorniku można zauważyć mniejsze wahania w lipcu, co jest związane zarówno z wyższymi wartościami temperatury powietrza zewnętrznego, jak i natężenia promieniowania słonecznego. Średnia temperatura cieczy w zbiorniku w lipcu wynosi tZBL = 37,2°C, a w styczniu tZBS = 16,0°C. Zakres temperatur cieczy w zbiorniku w lipcu wynosi tZBL = 28,6–46,9°C, natomiast w styczniu tZBS= 4,8–54,8°C. Nagły wzrost temperatury cieczy w zbiorniku w styczniu do 54,8°C jest spowodowany chwilowym i jednoczesnym wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego (+8,5°C) oraz natężenia promieniowania słonecznego ( RYS. 4 ).
Na podstawie uzyskanych wyników analiz można stwierdzić, iż w przypadku sterowania ON/OFF pracą pompy obiegowej, przy założeniach jak powyżej oraz prędkości przepływu cieczy wwater= 0,02 m/s, temperatura powietrza w pomieszczeniu (ti), w styczniu waha się w granicach ti= 5-17°C, przy średniej 9,5°C ( RYS. 6 ). Należy zaznaczyć, iż pomieszczenie nie zostało wyposażone w system ogrzewania. Natomiast w lipcu ti= 24-33°C, przy średniej tiśr= 28°C ( RYS. 7 ).
W przypadku temperatury cieczy w zbiorniku można zauważyć mniejsze wahania w lipcu, co jest związane z wyższymi wartościami zarówno temperatury powietrza zewnętrznego, jak i natężenia promieniowania słonecznego. Średnia temperatura cieczy w zbiorniku w lipcu wynosi tZL= 36,9°C, a w styczniu tZS= 34,7°C. Zakres temperatur cieczy w zbiorniku w lipcu wynosi tZL= 25,4-52,3°C, natomiast w styczniu tZS= 21,8-63,5°C. Chwilowy wzrost temperatury cieczy w styczniu do 63,5°C jest spowodowany chwilowym i jednoczesnym wzrostem temperatury powietrza zewnętrznego do wartości +8,5°C oraz natężenia promieniowania słonecznego ( RYS. 6 ).
RYS. 8. Porównanie wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu dla obu systemów sterowania - okres 1.01-31.01; rys. archiwa autorów
RYS. 9. Porównanie wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu dla obu systemów sterowania - okres 1.07-31.07; rys. archiwa autorów
Z uwagi na porównawczy cel pracy oraz czytelność wyników przedstawionych powyżej na RYS. 8, RYS. 9, RYS. 10, RYS. 11, RYS. 12 i RYS. 13 zilustrowano analizowane temperatury ti, tWŚ, tZ dla obu sposobów sterowania. Na ich podstawie można zauważyć, iż temperatura w pomieszczeniu ma podobny przebieg ( RYS. 8, RYS. 9 ) w obu rozpatrywanych sytuacjach sterowania pracą pompy obiegowej.
RYS. 10. Porównanie wartości temperatury cieczy w zbiorniku dla obu systemów sterowania - okres 1.01–31.01; rys. archiwa autorów
RYS. 11. Porównanie wartości temperatury cieczy w zbiorniku dla obu systemów sterowania - okres 1.07-31.07; rys. archiwa autorów
RYS. 12. Porównanie wartości temperatury na wylocie ze ściany hybrydowej dla obu systemów sterowania - okres 1.01-31.01; rys. archiwa autorów
RYS. 13. Porównanie wartości temperatury na wylocie ze ściany hybrydowej dla obu systemów sterowania - okres 1.07-31.07; rys. archiwa autorów
Analiza temperatury cieczy w zbiorniku wykazuje, że różnice wynikające z algorytmu sterowania są już widoczne.
- Dla stycznia fluktuacje temperatury cieczy dla sterowania ON/OFF są mniejsze, a przebieg ma charakter bardziej łagodny niż w przypadku pracy ciągłej (RYS. 10, RYS. 11).
- W lipcu obserwować możemy natomiast mniejsze dobowe wahania temperatury cieczy dla pracy ciągłej niż dla systemu ON/OFF. Wynika to z faktu wychładzania się cieczy w ciągu nocy w systemie ON/OFF, gdy pompa nie pracuje na skutek osiągnięcia zadanej różnicy temperatur między wylotem ze ściany a zbiornikiem. Podobne zależności obserwujemy dla temperatury cieczy na wylocie ze ściany.
Możemy zaobserwować także chwilowe wyższe wartości temperatury cieczy w zbiorniku w okresie zimowym niż letnim. Fakt ten jest efektem niższego położenia Słońca nad horyzontem i mniejszego kąta padania promieniowania słonecznego na przegrodę pionową w zimie niż w lecie. Zatem liczba godzin nasłonecznienia przegrody pionowej w zimie jest wyższa niż w lecie. W lecie natomiast dobowa różnica temperatury cieczy w zbiorniku jest mniejsza niż w zimie.
Dla ciągłej pracy pompy obiegowej średnia temperatura cieczy na wylocie ze ściany w lipcu wynosi tWŚL= 37,2°C, a w styczniu tWŚS= 16,0°C. Zakres temperatur w lipcu wynosi tWŚL= 28,3-47,9°C, natomiast w styczniu tWŚS= 4,7-57,6°C.
W przypadku algorytmu sterowania ON/OFF średnia temperatura cieczy na wylocie ze ściany w lipcu wynosi tWŚL= 42,1°C, a w styczniu tWŚS= 14,9°C. Zakres temperatur w lipcu wynosi tWŚL= 32,7-50,5°C, natomiast w styczniu tWŚS= 3,2–66,3°C ( RYS. 12 i RYS. 13 ).
Podsumowanie
Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że w zakresie temperatury powietrza w pomieszczeniu (ti) zaobserwowano zbliżone wartości dla obu systemów sterowania, zarówno w okresie letnim, jak i zimowym. Natomiast podczas analizy wartości temperatury cieczy w zbiorniku uzyskano wyższe wartości w okresie zimowym dla sterowania typu ON/OFF niż dla pracy ciągłej pompy obiegowej.
Średnia temperatura w cieczy w zbiorniku dla systemu ON/OFF w styczniu wynosi tZŚRSO/O = 34,7°C, natomiast dla pracy ciągłej tZŚRSC = 16,7°C. Zatem dzięki zmianie sposobu sterowania uzyskano wyższe temperatury cieczy w zbiorniku, dzięki czemu istnieje możliwość wykorzystania nadmiaru ciepła do ogrzania wody lub płaszczyznowego ogrzewania. W okresie letnim, w lipcu, wartości średnie cieczy w zbiorniku uzyskały wartość zbliżoną (tZŚRL ~37,0°C).
Jeśli przyjmiemy za temperaturę komfortu cieplnego w lecie temperaturę w zakresie 24-28°C [3], to oba sposoby sterowania pracą przedmiotowej ściany hybrydowej spełniają te wymagania. Zaznaczyć należy, iż wyniki zostały uzyskane dla konkretnej sytuacji eksploatacyjnej.
W dalszych analizach dotyczących optymalizacji opisanej ściany hybrydowej zostanie podjęta próba zmiany prędkości przepływu cieczy w wymienniku oraz różnicy temperatur cieczy między wylotem ze ściany a temperaturą w zbiorniku.
Literatura
- D. Chwieduk, "Energetyka słoneczna budynku", Arkady, Warszawa 2011.
- L. Laskowski, "Leksykon podstaw budownictwa niskoenergetycznego", Polcen, Warszawa 2009.
- Z. Pluta, "Słoneczne instalacje energetyczne", OWPW, Warszawa 2007.
- H. Recknagel i in., "Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo", Omni Scala, Wrocław 2008.
- https://www.esru.strath.ac.uk/programs, dostęp 05.09.2017.
- https://bigladdersoftware.com/epx/docs/8-0/input-output-reference, dostęp 05.09.2017.
