LITERATURA DO ROZDZIAŁU 3
4. ENERGOOSZCZĘDNE BUDOWNICTWO*
4.3. IZOLACJA TRANSPARENTNA W BUDOWNICTWIE ENERGO- ENERGO-OSZCZĘDNYM* ENERGO-OSZCZĘDNYM*
Jednym z istotnych elementów budownictwa energooszczędnego jest przegroda zewnętrzna. Stanowi ona główny element ochrony obiektu przed stratami ciepła do otoczenia. Tradycyjne podejście do zagadnienia projektowania przegród zewnętrznych w aspekcie energooszczędności skupia się na uzyskaniu maksymalnej możliwej izolacyjności termicznej. Taka metoda poprawy energooszczędności napotyka na barierę ekonomiczną i techniczną. Limitują one możliwe do uzyskania efekty energetyczne.
Jedną z metod przełamania istniejących barier jest zastąpienie tradycyjnej izolacji termicznej w przegrodzie materiałem o dobrej izolacyjności termicznej pozwalającym jednocześnie na wnikanie energii promieniowania słonecznego do wnętrza przegrody.
Materiał taki o nazwie izolacja transparentna pozwala na skonstruowanie ściany zapewniającej dobrą izolacyjność termiczną z jednoczesną możliwością użytecznego
ϕ 50 = 38%
ϕ 90 = 44%
* autor: JanuszBelok
Katedra Procesów Budowlanych, Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska w Gliwicach redakcja: Ewa Gierczycka
wykorzystania energii promieniowania słonecznego do ogrzewania budynku. Ideę konstrukcji takiej przegrody i zasadę jej funkcjonowania przedstawiono na rysunkach 4.15 i 4.16.
Określenie efektywności energetycznej tego typu przegrody wymaga znajomości nie tylko współczynnika przenikania ciepła U, ale również współczynnika całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g. Pomiarowa identyfikacja tych parametrów jest szczególnie istotna, gdyż metody teoretyczne nie dają zadawalających rezultatów.
Rys. 4.15.
Schemat konstrukcji przegrody z zastosowaniem izolacji transparentnej
Rys. 4.16.
Zasada funkcjonowania przegrody z izolacją transparentną (Jesch 1994)
Badania dynamiczne ścian transparentnych
Dla przegród z izolacją transparentną od ponad 10 lat prowadzone są badania dynamiczne. Podstawową zaletą tych badań jest możliwość wyznaczania właściwości cieplnych przy oddziaływaniu rzeczywistych warunków klimatycznych. Tym samym istnieje możliwość wyznaczania współczynnika g dla badanych elementów. Badania takie mogą być prowadzone in situ (na rzeczywistych budynkach), bądź z wykorzystaniem komór pomiarowych poddanych działaniu rzeczywistego klimatu zewnętrznego.
Badania in situ
Pomiary oporu cieplnego i współczynnika U prowadzone od około 30 lat zostały w latach 80-tych znormalizowane (ISO 9869). W ramach standaryzacji wprowadzono następujące, podstawowe założenia:
Pomiarowo wyznaczany jest tylko opór cieplny przegrody. Współczynnik U wyznacza się przez dodanie normowych wartości Ri i Re.
Dopuszcza się zastosowanie metody uśredniania danych przy analizie wyników.
Zaleca się jednakże zastosowanie metod dynamicznej identyfikacji parametrów przegrody.
Badania w komorach
W budynkach zamieszkałych bardzo trudno o uzyskanie na drodze eksperymentu wiarygodnych wartości wielkości niezbędnych do oceny pasywnych elementów słonecznych. Podstawową przeszkodą jest tu brak powtarzalności oraz zbyt duża liczba niekontrolowanych parametrów zmiennych.
Dla takich układów złożonych idealnym rozwiązaniem są komory pomiarowe, w których parametry termiczne układu identyfikuje się poprzez poddanie go obciążeniom termicznym wywołanym działaniem klimatu zewnętrznego i wewnętrznego o kontrolowanych parametrach. Pożądane parametry układu uzyskuje się na podstawie bilansu energetycznego komory, lub wykorzystując alternatywne metody oparte na pomiarze gęstości strumienia ciepła. Na bazie tej idei powstało stanowisko pomiarowe wykorzystane w opisywanych badaniach.
Cel badań
Badania przeprowadzono celem wyznaczenia wartości współczynników U i g dla ściany zewnętrznej z izolacją transparentną pod działaniem rzeczywistych warunków klimatycznych. Biorąc pod uwagę zalety badań dynamicznych i wiodącą wśród nich pozycję komór testowych zastosowano przedstawioną powyżej metodę pomiarową z wykorzystaniem zewnętrznej komory testowej. W celu identyfikacji parametrów cieplnych posłużono się ciepłomierzami i rezystorami termometrycznymi. Badania wykonano w latach 1998 – 2003 w miesiącach wrzesień - kwiecień.
Stanowisko badawcze
Opisane badania prowadzono w komorze pomiarowej, powstałej z inicjatywy prof.
J. Mikosia. Komora wykonana jest w postaci stalowego szkieletu wypełnionego ścianami z cegły betonowej prasowanej, izolowanymi cieplnie płytami styropianowymi. Wewnątrz komora podzielona jest na trzy pomieszczenia odizolowane termicznie od siebie. Każde pomieszczenie posiada możliwość zabudowy badanego elementu ściennego o wymiarach ok. 2,4 x 1,4 m. W każdym pomieszczeniu zainstalowano elektryczne urządzenia grzewczo chłodzące. Dzięki temu temperatura powietrza wewnątrz pomieszczeń jest w pełni kontrolowana. Całość konstrukcji została uszczelniona dla wyeliminowania niekontrolowanego przepływu powietrza.
Rys. 4.17.
Schemat funkcjonalny stanowiska zbudowanego w ZPBE
Komora została tak ustawiona względem stron świata, aby badane elementy ścienne eksponowane były w kierunku południowym.
Na fotografii (rys. 4.18) przedstawiony jest widok komory od strony badanych elementów, natomiast na kolejnych rysunkach (rys. 4.19, 4.20 i 4.21) - szczegóły dotyczące budowy komory.
Rys. 4.18.
Widok komory od strony badanych elementów
Rys. 4.19.
Przekrój poziomy komory
Rys. 4.20.
Przekrój pionowy poprzeczny komory
Rys. 4.21.
Przekrój pionowy podłużny komory Testowany element ścienny
W komorze testowej zabudowano przegrodę złożoną z następujących warstw:
mur z cegły betonowej prasowanej o grubości 0,38 m,
warstwa absorbująca – warstwa klejowa z dodatkami uszlachetniającymi, poprawiającymi własności absorpcji promieniowania cieplnego,
izolacja transparentna o grubości 0,10 m,
tynk transparentny.
Przegroda ma wymiary 1,35 x 2,40 m i wypełnia całkowicie otwór w komorze testowej. Na rys. 4.22 przedstawiono przekrój badanego elementu ściennego i rozmieszczenie punktów pomiarowych. W komorze „C” (rys. 4.19) wykonano tradycyjną ścianę trójwarstwową, aby porównać efektywność energetyczną testowanego rozwiązania z typową przegrodą zewnętrzną.
Rys. 4.22.
Przekrój przez badaną przegrodę -rozmieszczenie punktów pomiarowych Zastosowana aparatura
Do badań własności cieplnych wykorzystano następującą aparaturę pomiarową:
ciepłomierze typu MG–3, naklejone w centralnej części ściany,
rezystory termometryczne typu Pt 100, naklejone na powierzchni zewnętrznej, wewnętrznej oraz wtopione w warstwę absorbującą,
dodatkowe rezystory termometryczne rejestrujące temperaturę powietrza zewnętrznego i temperaturę wewnątrz komory,
mostek pomiarowy typ FMN–TGL 10395,
zasilacz stabilizowany,
multimetr cyfrowy z wyjściem w standardzie IEC 625,
komutatory sterowane z magistrali IEC625,
liczniki energii elektrycznej,
mikrokomputer PC.
Badania własności słonecznych przeprowadzono przy użyciu zestawu czujników i urządzeń jak w przypadku badań cieplnych, wzbogaconego o solarymetr do rejestracji całkowitego promieniowania słonecznego.
Zakres pomiarów
Podczas pomiarów rejestrowano:
wybrane parametry opisujące klimat zewnętrzny:
wartości temperatur powietrza zewnętrznego,
wartości natężenia całkowitego promieniowania słonecznego,
parametry opisujące zachowanie się przegrody:
wartości temperatur w wybranych punktach przegrody,
wartości gęstości strumienia ciepła na wewnętrznej powierzchni przegrody,
wartości temperatur wewnątrz komory pomiarowej,
zużycie energii elektrycznej niezbędnej do utrzymania wewnątrz pomieszczeń założonej temperatury 20 °C.
Wyniki pomiarów
W efekcie prowadzonych pomiarów zgromadzono obszerny zbiór danych zawierający wartości temperatur, gęstości strumienia ciepła i całkowitego natężenia promieniowania słonecznego, którego fragment przedstawia rys. 4.23. Widać na nim zmienność temperatur i natężenia promieniowania słonecznego dla badanej przegrody w miesiącu styczniu 2001r.
S tyczeń
Z analizy zgromadzonych wyników wynika, że w przegrodzie z izolacją transparentną procesy cieplne przebiegają ze znacznie większą dynamiką. Wymaga to zastosowania odpowiednich metod obliczeniowych do przetwarzania wyników. Ponadto można odczytać, że w okresie umownie przyjętego sezonu grzewczego tj. w miesiącach od września do kwietnia wartość całkowitego natężenia promieniowania słonecznego w miejscu lokalizacji stanowiska pomiarowego osiąga maksymalną wartość równą 841 W/m². Wartość średnia dla tego okresu to 92 W/m². Istotne znaczenie ma znaczny spadek tych wartości po odrzuceniu skrajnych miesięcy: wrzesień, październik, marzec, kwiecień. Oznacza to, bowiem znaczne pogorszenie parametru klimatu bezpośrednio wpływającego na efektywnośćściany z izolacją transparentną w okresie zimowym.
W tabeli 4.3 przedstawiona została dla poszczególnych miesięcy sezonu grzewczego maksymalna i minimalna wartość różnicy temperatur pomiędzy warstwą absorbującą a powierzchnią wewnętrzną przegrody uzyskana w czasie trwania pomiarów.
Tab. 4.3. Maksymalna i minimalna wartość różnicy temperatur pomiędzy warstwą absorbującą a powierzchnią wewnętrzną przegrody
Różnica ta pokazuje, że w polskich warunkach klimatycznych nie zawsze rozkład temperatury w przegrodzie z izolacją transparentną jest zgodny z prezentowanym powszechnie w literaturze. Często występują okresy, w których temperatura absorbera jest niższa od temperatury powierzchni wewnętrznej. Szczegółowo ilustrują to wykresy rozkładu temperatury w badanej przegrodzie (rys. 4.24). Na wykresach tych przedstawiono rozkłady o charakterystycznych gradientach występujących w przegrodzie w trakcie badań.
Rys. 4.24.
Dynamiczne zmiany rozkładu temperatury zarejestrowane w badanej przegrodzie Wyznaczenie współczynników U i g
W celu wyznaczenia wartości współczynnika przenikania ciepła U i współczynnika całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego g na postawie uzyskanych wyników posłużono się stosowaną od dłuższego czasu metodą uśredniania danych oraz metodą analizy dynamicznej jaką zaimplementowano w programie LORD 3.2.
Metoda uśredniania danych
W metodzie tej współczynnik przenikania ciepła U wyznaczany jest z następujących równań:
( ) ( )
n T T
T n n
q q q n
T
U q n n n n n n
n
n − ∆ +∆
= + ∆
= −
= ∆ −1 1 −1
1 ;
; , (4.1)
Dokładność wyznaczenia współczynników jest tutaj uzależniona od dynamiki zmian oddziaływań termicznych na badany element i czasu trwania pomiarów. Opracowując wyniki tą metodą uzyskano średnią wartość współczynnika U = 0,33 W/(m²K) oraz g = 0,11.
Wykorzystanie programu LORD 3.2
Drugą metodą zastosowaną do wyznaczenia współczynników U i g była metoda analizy dynamicznej w oparciu o program LORD 3.2 opracowany przez organizację PASLINK EEIG. Program ten jest specjalistycznym narzędziem służącym do analizy wyników pomiarów uzyskiwanych w komorach PASSYS, wspomagającym proces identyfikacji parametrów cieplnych i słonecznych badanych elementów. Podstawą jego
działania jest analiza wprowadzonego modelu RC, odzwierciedlającego badany układ termiczny.
W pierwszej próbie identyfikacji parametrów przy pomocy programu LORD badaną przegrodę (rys. 4.22) zamodelowano w postaci sieci RC przedstawionej na rys. 4.25, oznaczonej dalej jako “A”.
Rys. 4.25.
Model “A” analizowanej przegrody
Dla danych z okresu styczeń 2001 przedstawionych na rys. 4.23 uzyskano następujący wynik: U = 0,853 W/(m²K) ± 0,4%, g = 0,239 ± 0,4%, wartość residuum 1,028. Graficznie rezultat przedstawia rys. 4.26 i 4.27.
Rys. 4.26.
Wartość residuum
Rys. 4.27.
Średnie dopasowanie temperatury w węzłach wyjściowych liczba pomiarów
liczba pomiarów
Następnie model uproszczono sprowadzając go do postaci przedstawionej na rys. 4.28.
Rys. 4.28.
Model „B” przegrody
Dało to następujący rezultat: U = 0,167 W/(m²K) ± 42,5%, g = 0,227 ± 1,8%, wartość residuum 1,936 (rys. 4.29 i 4.30).
Rys. 4.29.
Wartość residuum
Rys. 4.30.
Średnie dopasowanie temperatury w węzłach wyjściowych
W tabeli 4.4 zestawiono wyniki obliczeń dla badanej przegrody. Rozbieżności pomiędzy uzyskanymi rezultatami są efektem przyjętej metody obliczeniowej.
liczba pomiarów
liczba pomiarów
Identyfikując parametry przegrody przy pomocy metody uśredniania wyników należy szczególną uwagę poświęcić na wybór odpowiedniego przedziału czasu z którego dane będą analizowane. Powinien to być okres o stabilnych parametrach termicznych.
W przypadku przegrody z izolacją transparentną trudno o taką sytuację. Tab. 4.4. Wyniki obliczeń
Metoda uśredniania wyników
Program LORD, model „A”
Program LORD model „B”
U, W/(m²K) g U, W/(m²K) g U, (W/m²K) g
0,33 0,11 0,85 0,24 0,17 0,23
Analiza dynamiczna z wykorzystaniem programu LORD wydaje się być mniej wrażliwa na tego typu zakłócenia. Tym samym dla przegród charakteryzujących się znaczną dynamiką przebiegu procesów cieplnych jest bardziej odpowiednia. Wymaga jednakże od osoby prowadzącej analizę pewnego doświadczenia, szczególnie w zakresie przyjmowania odpowiedniego modelu obliczeniowego. Jak widać przyjęcie różnych modeli dla tej samej przegrody istotnie wpływa na wynik końcowy obliczeń.