Poczta „Magazynu Instalatora”. Bariera pod lupą

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Autor podaje w artykule wielkości fizyczne charakteryzujące przepływ ciepła przez rozpatrywane przegrody, np. gęstość strumienia ciepła (średnio 0,63 W/m2). Strata ciepła jest z kolei podana w jednostkach energii (odniesiona do 50 dni) i wynosi przykładowo ok. 33 MJ. W artykule podane są też „okresowe zmiany temperatury słonecznej sięgające około 130oC” (zamiast 130 K).

Oczywiście analizowanych procesów, szczególnie zachodzących w przeciągu 50 dni, nie można zakwalifikować do ustalonej wymiany ciepła. Autor podaje wartości liczbowe, którym nie przypisuje faktycznych warunków wymiany ciepła. Jednocześnie podaje wyrywkowe wyniki dotyczące jednego wybranego dnia (15 sierpnia). Mimo znajomości podstawowych pojęć z zakresu wymiany ciepła i w oparciu o takie fragmentaryczne wielkości fizyczne, nie potrafię wyobrazić sobie tak opisywanego przepływu ciepła.

Muszę podkreślić, że wskazane wielkości są powiązane ze sobą prawami fizyki opisującymi podstawowe mechanizmy wymiany ciepła. Typowe prawa wymiany ciepła dotyczą ustalonego przepływu ciepła, co znakomicie upraszcza ich zapis i późniejsze ich stosowanie do praktycznych zagadnień. Autor natomiast rozpatruje proces również zachodzący w dłuższym czasie, w którym to akumulacja ciepła w przegrodzie odgrywa zasadniczą rolę.

Brakuje mi tu zatem podstawowych informacji charakteryzujących rozpatrywane przegrody z i bez BT, typu: współczynniki przenikania ciepła w warunkach obliczeniowych, pojemność cieplna warstwy akumulującej itp. Jak rozumieć chwilową wartość gęstości strumienia ciepła wynoszącą, przykładowo, wskazane 0,63 W/m2? Przy współczynniku przenikania ciepła przegrody, wynoszącym typowe 0,3 W/(m2 * K), gęstość strumienia ciepła 0,63 odpowiada różnicy temperatury po obu stronach przegrody wynoszącej ok. 2 K. A przecież jest to wielkość uzyskana w warunkach silnego nasłonecznienia (letniego) takiej przegrody. Warto tu przypomnieć, że gęstość strumienia promieniowania słonecznego wyraża się w liczbie kilkuset W/m2.

Zdaję sobie sprawę, że Autor perfekcyjnie opanował posługiwanie się wybranym i wyszukanym aparatem matematycznym, który zastosował do wybranego problemu technicznego. Ale jest to tylko bardziej lub mniej ułomne rozwiązanie rachunkowe, czyli wirtualne. Brakuje mi tu chociażby najprostszej weryfikacji otrzymanych wyników. Taka weryfikacja jest możliwa np. poprzez oszacowanie rozkładu temperatury w przegrodzie, nawet w oparciu o prosty model niestacjonarnego przepływu ciepła. Może rozkład temperatury przegrody, nawet dla warunków ustalonych, zweryfikuje jakoś otrzymane wyniki?

Ponadto chciałbym wskazać na drobne nieścisłości w artykule. Autor pisze: „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.” To wcale nie jest średnia masowa prędkość, tylko – patrząc na jednostki – strumień masy. Z kolei taką „średnią masową prędkość” w nauce o wymianie ciepła nazywa się po prostu gęstością strumienia masy i wyraża w kg/(m2 * s). Wymieniony strumień masy płynu chłodzącego musi przejąć omawiany strumień ciepła, doznając stosownej zmiany temperatury. Szkoda, że nie podano, jak zmieniała się temperatura tego bliżej nieokreślonego płynu chłodzącego. Ponadto z sumowania dwóch wskazanych udziałów czasu pracy pompy wynika, że niemal w zupełnie znikomo małym czasie miały miejsce jakieś olbrzymie zmiany strumienia masy tego płynu.

Moje drobne uwagi redakcyjne, co prawda zmierzające jedynie do ułatwienia Czytelnikom percepcji omawianego artykułu, i tak wskazanej idei bariery termicznej nie są w stanie obalić.
Z poważaniem dr inż. Piotr Kubski


Szanowna Redakcjo!

Chciałbym ustosunkować się do listu Czytelnika, dotyczącego artykułu, w którym przedstawiłem koncepcję Bariery Termicznej. Przede wszystkim chciałbym podziękować autorowi listu za wnikliwą analizę przedstawionej koncepcji i bardzo przemyślane uwagi do treści artykułu. Mam przyjemność znać osobiście Pana dr. inż. Piotra Kubskiego jako wybitnego eksperta. Jego opinie są zawsze bardzo cenne i inspirujące.

Niestety muszę się przyznać, że nie udało mi się w artykule w pełni przedstawić rzeczy skomplikowanych w sposób prosty i kompletny. Stąd część listu zawiera wyjaśnienia, które powinny znaleźć się w moim artykule. Dziękuję za nie Panu doktorowi i nie będę ich dalej rozwijał, czy komentował. Część zawartych w liście uwag autor sformułował w postaci pytań (również z tego samego powodu jak wyżej) i wymagają one już moich wyjaśnień.

Fizyka Budowli jest dziedziną nauki zajmującą się procesem wymiany ciepła i masy w elementach konstrukcji budynku oraz w bryle całego budynku. Zajmuje się również skutkami tych procesów: komfortem cieplnym i jakością środowiska w pomieszczeniach, zapotrzebowaniem budynku na energię, etc. Powyższe obszary zainteresowań nie stoją w żadnym związku ze stopniem komplikacji stosowanych modeli badanych układów fizycznych ani stosowanego aparatu poznawczego. Obecnie Fizyka Budowli, w zakresie poznawczym, zajmuje się również pasywnymi systemami ogrzewania i chłodzenia budynków (nie mylić z popularnym pojęciem budynku pasywnego). Pasywne systemy ogrzewania i chłodzenia to techniki i technologie opierające się na odnawialnych źródłach energii (przede wszystkim promieniowaniu słonecznym), ale niewykorzystujące urządzeń (lub wykorzystujące w jak najmniejszym stopniu) do wspomagania transportu i konwersji energii czy podnoszenia temperatury medium transportującego energię. Pasywne systemy stanowią obecnie główny nurt światowych badań poznawczych w zakresie wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Fizyka Budowli zajmuje się również coraz bardziej popularną na świecie wentylacją naturalną, jej wydajnością, wpływem na jakość powietrza i komfort cieplny w pomieszczeniach. Podstawą badań jest poznanie natury i przebiegu zjawisk fizycznych decydujących o intensywności procesów wymiany ciepła i masy. Do badań wykorzystywany jest adekwatny i bardzo zaawansowany aparat matematyczny z zakresu m.in. przepływu ciepła i masy (Heat and Mass Transfer) oraz obliczeniowej mechaniki płynów (CFD). Coraz większym zainteresowaniem badaczy cieszą się materiały zmiennofazowe (PCM), które umożliwiają krótkookresowe przechowywanie energii w postaci ciepła przemiany fazowej. Jak widać z tego pobieżnego przeglądu pól zainteresowań dziedziny Fizyki Budowli, zakres jest bardzo szeroki i na pewno nie ogranicza się do tak prostego podejścia, jak je definiuje autor listu.

Autor listu zauważa również brak w artykule znanych powszechnie w inżynierii pojęć charakteryzujących wydajność cieplną przegród budowlanych czy całego budynku, takich jak np. współczynnik przenikania ciepła. Niestety w przypadku BT nie mają one sensu fizycznego i praktycznego. Można co prawda wyprowadzić związki definiujące wielkości ekwiwalentne, ale mogą one być bardziej mylące niż przydatne. Problem wymiany ciepła w badanym układzie fizycznym jest silnie nieliniowy i znacznie odbiega od prostego modelu matematycznego wymiany ciepła, dla którego wyprowadzono znane wielkości inżynierskie. Dobrym tego przykładem jest przedstawiona przez autora listu wątpliwość, związania z podaną w pracy gęstością strumienia ciepła przepływającego przez powierzchnię wewnętrzną ściany zewnętrznej z BT. Autor listu poddaje w wątpliwość wartość gęstości strumienia ciepła (0,63 W/m2) przepływającego przez wewnętrzną powierzchnię ściany zewnętrznej. Wątpliwość uzasadnia wartością maksymalną (według wymagań technicznych) współczynnika przenikania ciepła, wynoszącą 0,3 W/(m2 * K), która dla temperatur obliczeniowych w pierwszej strefie klimatycznej (różnica temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego wynosi 36°C lub 36 K – jak kto woli) wywoła przepływ strumienia ciepła o natężeniu 10,8 W/m2. I tak by rzeczywiście było, gdyby przepływ miał charakter stacjonarny, jednokierunkowy i nie było BT. Ale w rzeczywistości przepływ ma charakter niestacjonarny, 3D i wewnątrz ściany jest BT, która cały czas dostarcza lub odbiera zmienną ilość energii. Dzięki systemowi sterowania SVC (opartego na logice rozmytej) BT kompensuje brak lub nadmiar energii w ścianie, tak aby utrzymać stałą temperaturę 19°C (zmienną w określonym, małym zakresie) pseudo-powierzchni utworzonej przez system rurek. Skutkiem działania systemu sterowania SVC i Bariery Termicznej jest utrzymanie stałego natężenia, kierunku i zwrotu wektora strumienia ciepła o wartości natężenia około 0,63 W/m2, w kierunku normalnym do powierzchni ściany i zwrocie skierowanym od powietrza wewnętrznego do powietrza zewnętrznego przez cały rok. Tak w sposób pośredni dostarczane jest ciepło do ogrzewania i chłód do chłodzenia. Jak z tego wynika, tradycyjne wielkości charakteryzujące przegrodę termiczną nie mają w tym przypadku sensu fizycznego i praktycznego. Przy okazji nasuwa się jeden ciekawy wniosek: gdyby starczyło energii przechowywanej w gruntowym magazynie energii, to ściana nie potrzebowałaby w ogóle żadnej izolacji termicznej. Na razie potrzebuje, ale dużo mniej niż bez BT. Tego wniosku nie ma w artykule.

Autor listu zauważa brak jakiejkolwiek weryfikacji wyników, np. poprzez porównanie z wynikami obliczeń analitycznych. Niestety dla tak silnie nieliniowego problemu nie istnieją rozwiązania analityczne. Pozycje literaturowe, do których odwołuje się autor listu, potwierdzają to. Są natomiast metody walidacji wyników numerycznych dla metody MES i zostały one zastosowane przeze mnie. W moim artykule, z powodów oczywistych, dyskusja na ten temat nie została przedstawiona. Niemniej ostateczną weryfikacją BT będą badania eksperymentalne w rzeczywistym budynku. Mogę już poinformować, że w ramach wspólnego projektu badawczego z jedną z firm zostaną wybudowane dwa budynki testowe, które będą normalnie eksploatowane: jeden wykorzystujący BT i drugi identyczny bez BT (referencyjny). Budowa rozpocznie się pod koniec roku 2012. Wyniki tych badań dostarczą ostatecznych odpowiedzi.

Podsumowując, chciałbym jeszcze raz podziękować Panu dr. inż. Piotrowi Kubskiemu za list, który uzupełnia treść mojego artykułu, komentuje braki i niedociągnięcia. Mam nadzieję, że mój artykuł, wyjaśnienia i uwagi Pana dr. inż. Piotra Kubskiego oraz moja odpowiedź na jego list stworzą jedną całość, która pozwoli czytelnikowi znacznie lepiej zrozumieć poruszane w nim problemy.

Z poważaniem, dr hab. inż. Marek Krzaczek

P.S. Pełen opis BT można znaleźć w artykule: M. Krzaczek, Z. Kowalczuk, Thermal Barrier as a technique of indirect heating and cooling for residential buildings, Energy and Buildings 2011, 43: 823–837.

Prenumerata Magazynu Instalatora

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