Optymalizacja energetyczna funkcjonowania ściany hybrydowej

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, w_water = 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.

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).

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 α_a = 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.

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.

Na podstawie uzyskanych wyników analiz można stwierdzić, iż w przypadku ciągłej pracy pompy obiegowej, przy założonej prędkości przepływu cieczy w_water = 0,02 m/s, temperatura powietrza w pomieszczeniu (t_i) w miesiącu najzimniejszym - styczniu waha się w graniach t_i= 5-17°C, przy średniej 9,8°C (RYS. 4). Należy zaznaczyć, iż pomieszczenie nie zostało wyposażone w system ogrzewania. Natomiast w lipcu t_i= 24-33°C, przy średniej t_iśr = 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 t_eśr= 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 t_ZBL = 37,2°C, a w styczniu t_ZBS = 16,0°C. Zakres temperatur cieczy w zbiorniku w lipcu wynosi t_ZBL = 28,6–46,9°C, natomiast w styczniu t_ZBS= 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 w_water= 0,02 m/s, temperatura powietrza w pomieszczeniu (t_i), w styczniu waha się w granicach t_i= 5-17°C, przy średniej 9,5°C (RYS. 6). Należy zaznaczyć, iż pomieszczenie nie zostało wyposażone w system ogrzewania. Natomiast w lipcu t_i= 24-33°C, przy średniej t_iśr= 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 t_ZL= 36,9°C, a w styczniu t_ZS= 34,7°C. Zakres temperatur cieczy w zbiorniku w lipcu wynosi t_ZL= 25,4-52,3°C, natomiast w styczniu t_ZS= 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).

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 t_i, t_WŚ, t_Z 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.

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 t_WŚL= 37,2°C, a w styczniu t_WŚS= 16,0°C. Zakres temperatur w lipcu wynosi t_WŚL= 28,3-47,9°C, natomiast w styczniu t_WŚS= 4,7-57,6°C.

W przypadku algorytmu sterowania ON/OFF średnia temperatura cieczy na wylocie ze ściany w lipcu wynosi t_WŚL= 42,1°C, a w styczniu t_WŚS= 14,9°C. Zakres temperatur w lipcu wynosi t_WŚL= 32,7-50,5°C, natomiast w styczniu t_WŚS= 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 t_ZŚRSO/O = 34,7°C, natomiast dla pracy ciągłej t_ZŚRSC = 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 (t_ZŚRL ~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

1. D. Chwieduk, "Energetyka słoneczna budynku", Arkady, Warszawa 2011.
2. L. Laskowski, "Leksykon podstaw budownictwa niskoenergetycznego", Polcen, Warszawa 2009.
3. Z. Pluta, "Słoneczne instalacje energetyczne", OWPW, Warszawa 2007.
4. H. Recknagel i in., "Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo", Omni Scala, Wrocław 2008.
5. https://www.esru.strath.ac.uk/programs, dostęp 05.09.2017.
6. https://bigladdersoftware.com/epx/docs/8-0/input-output-reference, dostęp 05.09.2017.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!