Bariera termiczna. System pośredniego ogrzewania i chłodzenia budynku (1).

* ograniczenie zapotrzebowania na energię pierwotną ze źródeł nieodnawialnych,
* ograniczenie zapotrzebowania na energię końcową do ogrzewania, chłodzenia i wentylacji.
Oba podejścia różnią się od siebie zasadniczo. Pierwsze podejście stało się podstawą sformułowania rozporządzenia dotyczącego wymagań technicznych [1] w zakresie ochrony cieplnej oraz rozporządzenia dotyczącego świadectw energetycznych [2]. Podejście zakłada, że budynek może zużywać dowolnie dużą ilość energii, pod warunkiem, że pochodzi ona ze źródeł odnawialnych. W ujęciu ustawowym pojęcie „źródło energii odnawialnej” ma w znacznym stopniu charakter nietechniczny. Konsekwencją przyjęcia takiego podejścia do ograniczania zapotrzebowania budynków na energię jest gwałtowny rozwój rozwiązań, które skupiają się przede wszystkim na technologiach dostarczania energii ze źródeł odnawialnych. Podejście oparte na ograniczaniu zapotrzebowania na energię do ogrzewania, chłodzenia i wentylacji (drugie), w przeciwieństwie do podejścia pierwszego, prowadzi do bardzo znaczącego zmniejszenia zapotrzebowania budynku na ciepło. Takie podejście nazywane jest często budownictwem pasywnym. Jednak budownictwo pasywne jest określeniem bardzo ogólnym i definiuje raczej charakterystykę cieplną budynku o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię niż sposoby jej osiągania.

Wykorzystanie promieniowania

Obecnie dostępne są bardzo zaawansowane technologie oraz systemy ogrzewania i chłodzenia, charakteryzujące się bardzo dużą wydajnością. Wiele z nich umożliwia zasilanie z odnawialnych źródeł energii. Problemem nadal pozostaje samo źródło energii odnawialnej. Największym, łatwo dostępnym odnawialnym źródłem energii jest promieniowanie słoneczne. Wykorzystanie w praktyce promieniowania słonecznego jako źródła energii napotyka na kilka bardzo istotnych trudności:
* niska sprawność konwersji energii słonecznej na użyteczną energię, szczególnie elektryczną,
* przy konwersji energii słonecznej na użyteczne ciepło, nawet przy dużej całkowitej wydajności systemu pozyskiwania, energię trzeba przechować, ponieważ energia słoneczna dostępna jest zwykle wtedy, gdy jej nie potrzebujemy, szczególnie do celów ogrzewania,
* bardzo dużym problemem pozostaje przechowywanie energii i jej dalsze pozyskiwanie z systemów gromadzenia energii.
Przechowanie energii słonecznej, pozyskanej w okresie jej dostępności, jest krytyczne dla jej dalszego praktycznego wykorzystania do zasilania systemu ogrzewania. Przechowywanie energii (ciepła) wiąże się z koniecznością rozwiązania dwóch podstawowych problemów:
* doboru ośrodka o jak największej zdolności do akumulacji ciepła,
* opracowania systemu wymiany ciepła pomiędzy medium transportującym energię a ośrodkiem gromadzącym (przechowującym) energię, o jak największej wydajności (intensywności) procesu wymiany ciepła.

Dwa ośrodki akumulacyjne

W praktyce inżynierskiej dostępne są dwa ośrodki charakteryzujące się wysoką akumulacyjnością ciepła: woda i grunt otaczający budynek. Największą akumulacyjność cieplną ma woda, ale jej wykorzystanie wymaga budowy kosztownych zbiorników oraz miejsca na ich ulokowanie. Ośrodkiem najłatwiejszym do wykorzystania jako akumulator ciepła jest grunt otaczający budynek, a szczególnie jego część znajdująca się pod budynkiem. Grunt charakteryzuje się mniejszą zdolnością do akumulacji niż woda, ale jeszcze na tyle dużą, aby skutecznie zgromadzić potrzebną do ogrzewania budynku ilość energii. Akumulacyjność cieplna gruntu zależy od wielu czynników i może znacznie różnić się w zależności od rodzaju gruntu, stopnia nasycenia wilgocią, poziomu wody gruntowej, etc.

Wystarczająca wymiana

Jednak największym problemem jest zapewnienie wystarczająco dużej wydajności wymiany ciepła pomiędzy medium transportującym energię a gruntem, w którym gromadzona jest energia. Mechanizmy transportu ciepła w gruncie są bardzo skomplikowane i związane z niejednorodnością i wielofazowością ośrodka. Sprowadzając proces wymiany ciepła w gruncie wyłącznie do przewodzenia ciepła, można posłużyć się dobrze znanymi w praktyce inżynierskiej wielkościami, takimi jak ekwiwalentne wartości współczynnika przewodzenia ciepła, gęstości i ciepła właściwego. O wydajności procesu wymiany ciepła w gruncie, w dużym uproszczeniu, decydują ekwiwalentna wartość współczynnika przewodzenia ciepła oraz różnica temperatur pomiędzy temperaturą medium dostarczającego energię a temperaturą gruntu. Ponieważ ekwiwalentna wartość współczynnika przewodzenia ciepła gruntu jest stosunkowo mała (około 0,4-1,1 W/m * K), decydującym czynnikiem jest różnica temperatur.
Z drugiej strony, nawet przy dużej wydajności procesu wymiany ciepła, aby zaspokoić potrzeby systemu ogrzewania, medium przenoszące energię musi dostarczyć do gruntu lub odebrać z gruntu wystarczająco dużą ilość energii. Jeżeli medium przenoszącym energię jest płyn, to o ilości przenoszonej energii decyduje przede wszystkim akumulacyjność cieplna płynu i prędkość przepływu. Ponieważ przekazaniu energii z płynu do gruntu towarzyszy spadek temperatury, to o całkowitej wydajności procesu przekazania energii do gruntu i jej zakumulowania, przy założonych stałych parametrach cieplnych gruntu i płynu (zakładając, że płyn płynie w rurkach) decydują: ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła w gruncie, różnica temperatur pomiędzy płynem a gruntem, prędkość przepływu płynu i długość rurek (wymiennika).

Minimalna temperatura w gruncie

Przyjmując określony rodzaj gruntu, rodzaj systemu grzewczego oraz zakładając optymalne wartości prędkości przepływu płynu i długości rurek wymiennika ciepła w gruncie, można oszacować minimalną temperaturę w gruncie, która musi być utrzymana przez cały okres trwania sezonu grzewczego, tak aby system ogrzewania zapewnił wymagany poziom komfortu cieplnego w pomieszczeniach. W zależności od rodzaju systemu grzewczego można przyjąć, że minimalna temperatura w gruncie, w strefie wymiennika zasilającego system gromadzenia energii, powinna być nie mniejsza niż:
* 30°C dla systemów ogrzewania powietrznego,
* 40°C dla systemów ogrzewania powierzchniowego (np. podłogowego),
* 55°C dla systemów ogrzewania radiatorowego.
Biorąc pod uwagę powyższe założenia upraszczające, podane wartości minimalne są szacunkowe i w rzeczywistych rozwiązaniach mogą się różnić.
Utrzymanie w gruntowym systemie gromadzenia energii temperatury powyżej 30°C przez cały sezon grzewczy jest praktycznie bardzo trudne. Wyniki badań rozkładu temperatury w gruncie, w obrysie budynku i dla stref klimatu zimnego (np. Finlandia), pokazują, że w warunkach naturalnych temperatura gruntu waha się w zakresie od 12 do 16°C przez cały rok. Zasilając grunt ciepłem pozyskiwanym przez kolektory słoneczne, można utrzymać minimalną temperaturę w gruncie w strefie centralnej obrysu budynku na poziomie 23-25°C. Jednak dla dostępnych obecnie systemów ogrzewania jest to nadal zbyt niska temperatura, aby pozyskać energię, utrzymując wymaganą temperaturę operacyjną medium zasilającego system.
W artykule zostanie zaprezentowana nowa koncepcja systemu pośredniego chłodzenia i ogrzewania budynków mieszkalnych – tzw. Bariera Termiczna (BT) [3], która wykorzystuje bardzo nisko-temperaturowe źródło ciepła (23-25°C). Koncepcja Bariery Termicznej została zainspirowana rozwiązaniami zastosowanymi w systemie Isomax [4, 5]. BT łączy w sobie zalety istniejących technologii pasywnego i aktywnego ogrzewania i chłodzenia budynków mieszkalnych. Do zasilania BT zastosowano gruntowy system gromadzenia energii, który przechowuje energię pozyskaną przez kolektor słoneczny dowolnego typu.
dr. inż. Marek Krzaczek

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij