System pośredniego ogrzewania i chłodzenia budynku (4). Stabilna temperatura

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Badanie wydajności Bariery Termicznej wykonano za pomocą symulacji numerycznej MES dla modelu bardzo bliskiego rzeczywistości. Symulację zachowania się BT wykonano za pomocą programu komputerowego Abaqus. Symulacja procesu wymiany ciepła, w modelu prefabrykowanego elementu ściennego z BT, kontrolowana była za pomocą opracowanego zbioru procedur i funkcji napisanych w języku programowania Fortran: generujących warunki brzegowe procesu wymiany ciepła w analizowanym układzie (w oparciu o bazę klimatyczną typowego roku meteorologicznego dla stacji meteorologicznej w Elblągu), implementujących system sterowania ogrzewaniem i chłodzeniem BT, FMGS, zarządzających przebiegiem analizy, przetwarzających wyniki obliczeń na potrzeby FMGS, generujących warunki brzegowe przepływu płynu w rurkach BT.

Symulacja Wyniki symulacji wykazały bardzo dużą stabilność temperatury BT zarówno w okresie zimowym, jak i w okresie letnim (rys. 1). W analizowanym dniu (15 sierpnia) w Elblągu wektor gęstości strumienia cieplnego na powierzchni wewnętrznej zewnętrznej ściany budynku skierowany był do powietrza zewnętrznego, a jego wartość wahała się w zakresie od 0,94 W/m2 do 1,04 W/m2, przy zmianie temperatury słonecznej od około 16 do około 62°C (rys. 2).

Powyższe wyniki pokazują, że osiągnięto efekt intensywnego chłodzenia, które utrzymywało warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu w założonym zakresie. Przez większość analizowanego czasu system sterowania utrzymywał masową prędkość przepływu płynu w optymalnym zakresie. Wartość średnia masowej prędkości wyniosła 0,636 kg/s. Przez niemal 75% czasu pracy prędkość przepływu nie przekraczała 0,599 kg/s. Przez około 25% analizowanego czasu pompy wymuszające ruch płynu pozostawały wyłączone i nie pobierały energii elektrycznej.

Porównując ścianę zewnętrzną z BT i bez BT, można zauważyć ogromną różnicę w zachowaniu się tych konstrukcji. Można to prześledzić na przykładzie gęstości strumienia ciepła przepływającego przez powierzchnię wewnętrzną ściany w okresie letnim (15 sierpnia, Elbląg).

Przez ścianę zewnętrzną budynku bez BT przepływa strumień cieplny, skierowany do wnętrza pomieszczenia, którego gęstość sięga 5,30 W/m2. Oznacza to, że pomieszczenia budynku ze ścianami zewnętrznymi bez BT są przegrzewane. W tym samym czasie Bariera Termiczna utrzymuje strumień cieplny skierowany z pomieszczenia wewnętrznego do powietrza zewnętrznego. W okresie letnim Bariera Termiczna pełni przede wszystkim funkcję systemu chłodzenia, ale w pewnych okresach dnia może zmienić funkcję na grzewczą.

W okresie zimowym podstawowym zadaniem BT jest pośrednie ogrzewanie pomieszczeń w budynku. Wydajność BT w okresie zimowym zostanie zaprezentowana dla pierwszych 50 dni roku, dla danych Typowego Roku Meteorologicznego odpowiadających stacji meteorologicznej w Elblągu. W analizowanym okresie system sterowania SVC utrzymywał temperaturę na poziomie 19°C, z dokładnością ±0,13°C, przy okresowych zmianach temperatury słonecznej sięgających około 130°C (rys. 3).

Gęstość strumienia cieplnego przepływającego przez powierzchnię wewnętrzną ściany zewnętrznej zmieniała się w zakresie od 0,53 W/m2 do 0,93 W/m2. Średnia gęstość strumienia cieplnego wyniosła 0,63 W/m2. Jednocześnie średnia prędkość masowa przepływu płynu w rurkach systemu BT wyniosła 0,495 kg/s i utrzymywała się w zakresie wartości optymalnych. Wartość strat ciepła w analizowanym okresie pierwszych 50 dni roku, dla elementu ściany zewnętrznej z BT, wyniosła 2735,15 kJ. W tym samym okresie wartość strat ciepła przez element ściany zewnętrznej bez BT wyniosła 33280,1 kJ, czyli około 12 razy więcej niż w przypadku ściany z BT. Bardzo duża różnica wartości strat ciepła została zrekompensowana w budynku ze ścianami zewnętrznymi z BT energią słoneczną pozyskaną przez kolektory słoneczne i zgromadzoną w geotermalnym magazynie ciepła oraz energią zakumulowaną w warstwie betonu ściany zewnętrznej.

WnioskiW pracy zaprezentowano koncepcję pośredniego systemu ogrzewania i chłodzenia, nazwanego Barierą Termiczną. Przedstawione rozwiązanie ma kilka bardzo istotnych zalet:

  • korzysta z magazynu energii o bardzo niskiej temperaturze (wymagana wartość maksymalna temperatury gruntu wynosi 25°C), eliminując konieczność korzystania z urządzeń służących do podnoszenia temperatury, takich jak np. pompy ciepła, które są drogie na etapie inwestycji oraz eksploatacji,
  • eliminuje konieczność korzystania z tradycyjnych systemów rozprowadzania energii w budynkach, które wymagają medium o wysokiej temperaturze (minimum 40°C lub około 30°C w przypadku systemów ogrzewania podłogowego),
  • utrzymuje stałą gęstość strumienia cieplnego przepływającego przez powierzchnię wewnętrzną ścian zewnętrznych budynków, stabilizując warunki komfortu cieplnego przez cały rok,
  • wykorzystując niskotemperaturowe źródła ciepła, pełni funkcję zarówno systemu ogrzewania, jak i chłodzenia, obniżając radykalnie koszty instalacji systemów, a szczególnie chłodzącego,
  • utrzymuje przez cały rok stały rozkład temperatury powyżej 19°C, w warstwach ściany zewnętrznej, położonych pomiędzy powietrzem wewnętrznym a Barierą Termiczną, eliminując ryzyko okresowej kondensacji pary wodnej na powierzchni ściany i wewnątrz warstw; umożliwia to stosowanie warstwy termoizolacyjnej również od strony wnętrza pomieszczeń, co może być rozwiązaniem problemu termorenowacji budynków zabytkowych.

Zastosowanie Bariery Termicznej w ścianach zewnętrznych budynków pozwala na łączenie z innymi technologiami pasywnych systemów ogrzewania i chłodzenia, np. ścianą Trombe, oraz na proste wykorzystanie materiałów Phase Chaning Materials (PCM), pozwalających osiągnąć bardzo małe wartości wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną ze źródeł odnawialnych. Jednocześnie zastosowanie technologii Bariery Termicznej jest bardzo tanie.

Prowadzone są dalsze badania wydajności technologii opartej na koncepcji Bariery Termicznej, szczególnie w połączeniu z systemem wentylacji naturalnej.

dr inż. Marek Krzaczek

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