WYNIKI ANALIZ

Analizy wykonano dla pełnego roku kalendarzowego zgodnie z danymi Typowego Roku Meteorologicznego dla Łodzi [12]. Okres analiz podzielono na trzy przedziały:

zimowy, letni oraz wiosenno-jesienny. Dla każdego z okresów przeprowadzono analizę statystyczną otrzymanych wyników. Ponadto dla wybranych dni pokazano zmiany rozkładu temperatury w przegrodzie z MFZ. Wyniki porównano do przypadku, w którym zamiast rozpatrywanego MFZ zastosowano materiał o tych samych parametrach fizycznych z tą różnicą, że pozbawionego zdolności do przemiany fazowej. Oznaczenia poszczególnych węzłów przyjęto zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 2.

Rys. 2. Schemat podziału przegrody na elementy skończone z oznaczeniem węzłów, wymiary w metrach

W tablicy 2 zamieszczono wartości temperatur w trzech charakterystycznych punktach przegrody, na obu powierzchniach oraz w jej geometrycznym środku. Wartości maksymalnej, minimalnej oraz średniej temperatury wyznaczono dla trzech okresów: zimowego (XI-II), wiosenno-jesiennego (III-IV i IX-X) oraz letniego (V-VIII). Jak należało się spodziewać największe różnice zarejestrowano zawsze w przypadku temperatur maksymalnych oraz dla miesięcy letnich. Wynika to z zastosowanego materiału o wysokiej temperaturze przemiany fazowej. Dla powierzchni zewnętrznej, narażonej bezpośrednio na oddziaływanie promieniowania słonecznego, ekstremalne wartości temperatury różnią się niewiele, ok. 2,5K dla lata. Największe różnice zanotowano w środkowej części przegrody, gdzie istotne znaczenie ma zachodząca przemiana fazowa, 10,9K dla temperatury maksymalnej w lecie. Na powierzchni wewnętrznej różnice są mniejsze, a maksymalne temperatury są poniżej wartości temperatury topnienia w obu przypadkach, z oraz bez uwzględnienia przemiany fazowej.

Na rysunku 3a÷c, zamieszczono historie zmian temperatury w węzłach 5, 7 i 9 dla wybranych godzin w ciągu roku. Z pełnego roku kalendarzowego wybrano te przedziały czasowe, dla których temperatura w węzłach (dla materiału pozbawionego przejścia fazowego) przekraczała 31°C. Na podstawie przedstawionych wyników należy przypuszczać, że graniczną głębokością materiału, w której zachodzi przemiana fazowa jest głębokość 5÷6cm (rys. 3b). Płytsze fragmenty materiału ulegają całkowitej przemianie w ekstremalnych, ze względu na temperaturę i promieniowanie słoneczne okresach czasu (rys. 3a).

Tablica 2. Ekstremalne oraz średnie temperatury powierzchni i węzła środkowego przegrody

bez uwzględnienia przemiany z uwzględnieniem przemiany Nr

Rys. 3. Historia zmian temperatury dla węzłów 5 (rys.3a), 7 (rys.3b) i 9 (rys.3c), oraz wybranych godzin w ciągu roku, dla których temperatura węzła przekracza temperaturę przemiany fazowej

Natomiast głębsze partie materiału, jego część wewnętrzna, nie bierze udziału w magazynowaniu energii w postaci ciepła utajonego (rys. 3c). Widoczne jest natomiast

„wytracanie” strumienia ciepła wnikającego w głąb przegrody w wyniku jego magazynowania w płytszych partiach materiału. W skrajnych przypadkach różnice dochodzą do 15K, co ma również, choć znacznie mniejszy, wpływ na temperaturę powierzchni wewnętrznej (tablica 2). Na podstawie wyników przedstawionych w tablicy 2 oraz na rysunku 3 można wnioskować, że ostatnie 3cm grubości przegrody nie biorą udziału w magazynowaniu energii utajonej dla tak skonstruowanego absorbera, wyeksponowanego na działanie promieniowania słonecznego, zgodnie z danymi klimatycznymi miasta Łodzi.

Rys. 4. Dzienna zmiana rozkładu temperatury w przegrodzie dla słonecznego dnia zimy, 0 oznacza stronę zewnętrzną, 10 stronę wewnętrzną. a) bez uwzględnienia przemiany, b) z uwzględnieniem przemiany fazowej

Rys. 5. Dzienna zmiana rozkładu temperatury w przegrodzie dla słonecznego dnia wiosny, 0 oznacza stronę zewnętrzną, 10 stronę wewnętrzną. a) bez uwzględnienia przemiany, b) z uwzględnieniem przemiany fazowej

Rys. 6. Dzienna zmiana rozkładu temperatury w przegrodzie dla słonecznego dnia lata, 0 oznacza stronę zewnętrzną, 10 stronę wewnętrzną. a) bez uwzględnienia przemiany, b) z uwzględnieniem przemiany fazowej

Rys. 7. Dzienna zmiana rozkładu temperatury w przegrodzie dla przeciętnego dnia lata, 0 oznacza stronę zewnętrzną, 10 stronę wewnętrzną. a) bez uwzględnienia przemiany, b) z uwzględnieniem przemiany fazowej

Na koniec wybrane wyniki dla poszczególnych dni zestawiono w formie rozkładów temperatury na grubości przegrody (rys. 4÷7). Wybrano dni o dużej wartości natężenia bezpośredniego promieniowania słonecznego dla lata, zimy oraz wiosny. Dodatkowo dla okresu lata przeanalizowany dzień o średniej dobowej wartości energii promieniowania docierającego na zadaną płaszczyznę. Na rysunkach oznaczonych jako a) pokazano rozkład temperatury dla przegrody pozbawionej możliwości przemiany fazowej, zaś na rysunku b) z uwzględnieniem ciepła przemiany.

Porównując otrzymane wyniki nie zaobserwowano istotnych różnic dla miesięcy zimowych, pomimo iż na fragmencie przegrody materiał osiąga temperaturę powyżej temperatury topnienia. Różnice w rozkładzie temperatur w środkowej części przegrody pojawiają się dopiero dla analizowanego dnia wiosny i lata. Szczególnie dla słonecznego dnia lata widoczna jest strefa w materiale, która uległa przemianie oraz miejsce, w którym zatrzymał się front ciepła przenikającego w ciągu dnia od strony zewnętrznej do wewnętrznej przegrody. Raz jeszcze potwierdza to zanikanie amplitudy temperatur na 6cm. Podobne efekty jednak w nieco innej skali zaobserwować można dla przeciętnego dnia lata o mniejszej ilości promieniowania słonecznego docierającego do zewnętrznej powierzchni absorbera.

Dodatkowo na rysunkach naniesiono godziny występowania ekstremalnych temperatur powierzchni. Najwyższe temperatury na powierzchni zewnętrznej uzyskiwano w okolicach południa bez względu na porę roku. Najniższe pojawiają się nad ranem, przy czym dla okresu lata jest to godzina 4:30, natomiast dla zimy dopiero 7:30. Dodatkowo należy nadmienić, że w miesiącach letnich najniższe temperatury zarówno powierzchni zewnętrznej jak i wewnętrznej są do siebie zbliżone co zapewnia duża ilość zmagazynowanej w przegrodzie energii promieniowania. Dla miesięcy zimowych różnica temperatur powierzchni absorbera wynosi aż 20K. Najniższe temperatury na powierzchni wewnętrznej zaobserwowano w godzinach porannych, z podobnym przesunięciem czasowym jak dla powierzchni zewnętrznej pomiędzy latem a zimą. Niskie wartości dla miesięcy zimowych spowodowane są słabą izolacyjnością cieplną całego komponentu, U=1,20 W/(m²K). Najwyższe temperatury dla powierzchni wewnętrznej zaobserwowano około 2 godziny po zakończeniu operacji słońca na danej, zorientowanej na południe płaszczyźnie. Przy czym przesunięcia czasowe nie wynikały z przejść fazowych (te same wartości z oraz bez MFZ), lecz z przewodzenia ciepła ograniczonego niskim współczynnikiem λ.

6. WNIOSKI

Przeprowadzona analiza miała na celu określenie efektywnej grubości warstwy MFZ magazynującego energię promieniowania słonecznego w formie ciepła utajonego przemiany fazowej. Otrzymane wyniki są charakterystyczne jedynie dla konkretnego rodzaju materiału (C10), oraz przegrody poddanej oddziałaniu środowiska zewnętrznego zgodnie z danymi klimatycznymi TMY jak dla miasta Łodzi.

Otrzymane wyniki pozwalają określić maksymalną głębokość wnikania strumienia ciepła wywołującego przemianę do 2/3 grubości przegrody. Oznacza to, że niewiele ponad 60% zawartego w przegrodzie materiału ulega przemianie podczas najbardziej ekstremalnych, z uwagi na temperaturę i promieniowanie słoneczne, dni lata.

Jednocześnie zastosowanie jako wypełnienia MFZ ma niewielki wpływ na temperaturę obu powierzchni, ok. 2K. Dużo większe różnice zaobserwowano we wnętrzu samej przegrody, w szczególności w strefie w której dochodzi do ciągłych przemian w cyklu dobowym. Z uwagi na przyjętą wartość temperatury przemiany są one istotne jedynie dla miesięcy letnich. W miesiącach zimowych materiał o temperaturze topnienia 31°C nie jest efektywnie wykorzystywany pomimo znacznych wartości temperatury powierzchni poddanej oddziaływaniu promieniowanie słonecznego.

PIŚMIENNICTWO

[1] Domański R.: Magazynowanie energii cieplnej, Warszawa: PWN, 1990.

[2] Cabeza L.F., Castell A., Barreneche C., de Gracia A., Fernández A.I.: Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 pp. 1675–1695, 2011.

[3] Khudhair A.M., Farid M.M.: A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials, Energy Conversion and Management, 45, 263-275, 2004.

[4] Pasupathy A., Velraj R., Seeniraj R.V.: Phase change materials-based building architecture for thermal management in residential and commercial establishment, Renewable & Sustainable Energy Reviews, 12 (2008), 39-64, 2008

[5] Zhang Y., Zhou G., Lin K., Zhang Q., Di H.: Application of latent heat thermal storage in buildings: State-of-the-art and outlook, Building and Environment, 42, 2197-2209, 2007.

[6] A. Abhat, Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials, Solar Energy 30, 313–332, 1983

[7] I. Dincer, M.A. Rosen, Thermal energy storage, Systems and Applications, John Wiley

& Sons, Chichester (England), 2002.

[8] Heim D., Mrowiec A., Prałat K.: Zastosowanie metody „gorącej nici” do wyznaczania przewodności cieplnej płynnych kwasów organicznych. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, nr 1, s. 51-52, 2010.

[9] Heim D., Mrowiec A., Prałat K.: Badania przewodności cieplnej organicznych MFZ przy zastosowaniu metody „gorącej nici”. Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, tom V, zeszyt 2, s. 15-20, 2010.

[10] Heim D., Modelowanie elementów budynków pełniących rolę nisko-temperaturowych magazynów ciepła utajonego, Mat. 50 Konferencji Naukowej KILiW PAN i KN PZITB – Krynica 2004, tom IV, Krynica, 14-19 września 2004, s. 69-76, 2004.

[11] Heim D.: Isothermal storage of solar energy in building construction, Renewable Energy, Vol. 35, Issue 4, s. 788-796, 2010.

[12] Narowski P., Heim D., Dane klimatyczne dla potrzeb modelowania transportu ciepła i wilgoci w przegrodach budowlanych, Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce tom 3, s. 85-92, Łódź, 2008.

EFFECTIVE DEPTH OF HEAT PENETRATION