Heat accumulation in ventilation systems of buildings
1.1. zużycie ciepła i zyski cieplne budynków
C
elem pracy jest prezentacja budynku nZEB wykorzystującego do zmniejszenia zużycia energii cieplnej na ogrzewanie budynku energię słoneczną, instalację wentylacyjną oraz akumulację jego ciepła. W dobowym cyklu nadwyżki ciepła uzyskane w powietrznych kolektorach słonecznych mają być przekazane do akumula-torów ciepła. Założenia takiego rozwiązania podano w publikacji (Zhelykh i in. 2019).W wyniku poprawy standardów budownictwa i zaostrzenia wymagań ochrony cieplnej budynków, poprawy izolacyjności przegród w budynkach nowo wznoszo-nych oraz docieplania przegród w budynkach istniejących maleje jednostkowe zuży-cie zuży-ciepła na ogrzanie 1 m2 mieszkania. Orientacyjne zakresy liczbowe dla budynków mieszkalnych są następujące (Adamski i Rynkowski 2015):
• do 1966 r.: 240–350 kWh/m2/sezon;
• w latach 1967–1985: 240–280 kWh/m2/sezon;
• w latach 1986–1992: 160–200 kWh/m2/sezon;
• w latach 1993–1997: 120–160 kWh/m2/sezon;
• od 1998 r. od 90 do 120 kWh /m2/sezon;
• budynki w standardzie NF 40: <40 kWh/m2/sezon;
• budynki w standardzie NF 15: <15 kWh/m2/sezon;
W miarę zmniejszania ilości ciepła na ogrzanie budynku zwiększa się udział zy-sków ciepła od urządzeń, oświetlenia, a także od ludzi.
Nadal jednak duża część budynków charakteryzuje się niezadowalającą efek-tywnością energetyczną. Zdaniem Komisji Europejskiej nowe budynki powinny być zeroenergetyczne. Poprawa efektywności energetycznej budynków ma więc istotne znaczenie dla energetyki oraz dla samych użytkowników. Pierwsza dyrektywa doty-cząca poprawy efektywności energetycznej i etykietowania energetycznego została opublikowana 16 grudnia 2002 r. (dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskie-go i Rady w sprawie charakterystyki energetycznej budynków) została zmieniona na Dyrektywę 2010/30/UE Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (EPBD).
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej 2018/844 z dnia 30 maja 2018r. zmienia dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energe-tycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energeenerge-tycznej oraz stwierdza, że Unia Europejska jest zaangażowana w działania na rzecz rozwi-jania zrównoważonego, konkurencyjnego, bezpiecznego i niskoemisyjnego systemu energetycznego. Unia energetyczna i ramy polityki klimatyczno-energetycznej do 2030 r. ustanawiają ambitne zobowiązania Unii do:
Akumulacja ciepław systemach wentylacyjnych budynków
• dalszej redukcji emisji gazów cieplarnianych o co najmniej 40% do 2030 r.
w porównaniu z 1990 r.,
• zwiększenia udziału energii ze źródeł odnawialnych w zużyciu energii,
• uzyskania oszczędności energii zgodnie z poziomem ambicji Unii,
• wzmocnienia bezpieczeństwa energetycznego, konkurencyjności i zrównowa-żonego rozwoju Europy.
W Dyrektywie zwrócono uwagę, aby środki służące poprawie charakterysty-ki energetycznej budynków nie koncentrowały się wyłącznie na przegrodach ze-wnętrznych. Należy mieć na uwadze wszystkie istotne elementy i systemy tech-niczne budynku, w tym elementy pasywne. Są one wykorzystywane w technikach pasywnych i służą ograniczeniu zapotrzebowania na energię do celów ogrzewania lub chłodzenia oraz zużycia energii na potrzeby oświetlenia i wentylacji. Tym samym poprawiają komfort cieplny i wizualny. Innowacje i nowe technologie stosowane w budynkach wspomagają ogólną dekarbonizację gospodarki.
W Dyrektywie zdefiniowano system techniczny budynku jako urządzenia tech-nicznego do ogrzewania pomieszczeń, chłodzenia, wentylacji, ciepłej wody użytko-wej, wbudowanego oświetlenia, systemów automatyki i sterowania w budynku, wy-twarzania energii elektrycznej na miejscu lub kombinację takich systemów, w tym wykorzystujących energię ze źródeł odnawialnych.
Norma PN-EN ISO 52000-1:2017-10 ustala systematyczną, obszerną i moduło-wą strukturę oceny energetycznych właściwości użytkowych nowych i istniejących budynków w podejściu holistycznym. Jest stosowana do oceny całkowitego wyko-rzystania energii w budynku przez pomiar lub obliczenie oraz kalkulację energetycz-nych właściwości użytkowych w pojęciu energii pierwotnej lub inenergetycz-nych mierników związanych z energią. Norma ta uwzględnia szczególne możliwości i ograniczenia do różnych zastosowań, takich jak: projekt budynku, nowo zbudowane budynki i istnie-jące budynki w fazie zamieszkania, jak również remontu.
1.2. Akumulacja ciepła
Substancja kumulująca ciepło powinna być trwała i nie zmieniać właściwości w czasie, mieć dużą jednostkową (odniesioną do masy lub objętości) pojemność cieplną oraz dużą wartość współczynnika wyrównywania temperatury, oraz być nie-droga i bezpieczna. Znane są następujące możliwości akumulacji ciepła jako:
• ciepła związanego z masą akumulatora,
• ciepła utajonego przemiany fazowej – materiały PCM,
• ciepła chemicznych reakcji egzo- i endotermicznych,
• ciepła rozpuszczania i krystalizacji.
176
Materiały zmiennofazowe (PCM, ang. phase change materials) wkomponowane w różny sposób w strukturę budynku zwiększają jego pojemność (bezwładność) cieplną. Duża pojemność cieplna konstrukcji budynku umożliwia przechowanie okresowych nadwyżek energii na czas okresowego zwiększenia zapotrzebowania na ciepło w cyklu dobowym. Materiały zmiennofazowe dzieli się na dwie grupy: or-ganiczne i nieoror-ganiczne. W innej klasyfikacji wprowadza się podział na substancje jednorodne, mieszaniny oraz mieszaniny eutektyczne.
Zaletą zmiennofazowych materiałów organicznych (Jaworski 2009) jest stabilność w wielu cyklach topnienia–zestalania oraz zestalania bez przechłodzeń. Węglowodo-ry nasycone mają bardzo wysokie ciepło przemiany fazowej – rzędu 250 kJ/kg. Są to jednak substancje stosunkowo drogie i używane jako materiały PCM tylko w szcze-gólnych zastosowaniach (ale nie budowlanych, gdzie konieczne są duże ilości mate-riału). Kwasy tłuszczowe, estry oraz ich mieszaniny mają znacznie niższe pojemności cieplne (poniżej 200 kJ/kg). Przemiany fazowe występują też w szerszym zakresie temperatury, co nie jest korzystne, ponieważ wymaga większych zmian temperatury otoczenia. Wśród wad materiałów organicznych należy wymienić: bardzo niską prze-wodność cieplną (0,15–0,30 W/m/K), dużą rozszerzalność objętościową w procesie topnienia oraz palność.
Substancje zmiennofazowe nieorganiczne to przede wszystkim sole, ich hydraty oraz mieszaniny eutektyczne. Charakteryzują się one bardzo wysokim ciepłem top-nienia (znacznie powyżej 200 kJ/kg) oraz wąskim zakresem temperatury przemiany fazowej – pochłaniają i uwalniają ciepło przemiany fazowej przy niewielkich zmia-nach temperatury, wynoszących 2–3°C. Mają też wyższe (w stosunku do organicz-nych) wartości przewodności cieplnej, są również niepalne. Materiały nieorganiczne mają dwie poważne wady: przy zestalaniu występują często kilkunastostopniowe przechłodzenia, są również niestabilne w procesach przemian fazowych (dotyczy to hydratów, które ulegają całkowitej segregacji na sól i wodę często już po kilku cy-klach topnienie–zestalanie). Wysoka pojemność cieplna hydratów uzasadnia działa-nia mające na celu usunięcie tych wad przez zastosowanie dodatków przyspieszają-cych krystalizację i stabilizująprzyspieszają-cych.
Mała przewodność cieplna i zbyt słabe przekazywanie ciepła podczas odzyskiwa-nia energii są zidentyfikowane jako główne bariery hamujące stosowanie materiału zmiennofazowego (PCM).
PCM można laminować w jednej warstwie i stosować jako element budowlany – np. wewnętrzna okładzina ścienna. Dwa zintegrowane systemy płyt kartonowo-gip-sowych PCM oceniono numerycznie (Darkwa i Kim 2004), a wyniki pokazały przewagę laminowanego systemu płyt ściennych PCM nad innymi rozwiązaniami z zastosowaniem PCM pod względem zwiększonej wydajności termicznej i szybkie-go przenikania ciepła przy niewielkich wahaniach temperatury. Na przykład maksy-malne chwilowe zwiększenie uzyskanego strumienia ciepła było od 20 do 50
pro-Akumulacja ciepław systemach wentylacyjnych budynków
cent wyższe podczas procesu przemiany fazowej, przy około 18 procentach większej zdolności magazynowania i uwalniania ciepła.
Przeprowadzono oceny doświadczalne (Darkwa i Kim 2005) wytworzonych próbek płyt gipsowo-kartonowych laminowanych i losowo wybranych rozwiąza-niań z zastosowaniem PCM i porównano je z wynikami numerycznymi. Analiza wykazała, że płyta gipsowo-kartonowa laminowana PCM zachowuje się lepiej ter- micznie. Chociaż wystąpiło maksymalnie 3% odchylenie średniego wyniku ekspe- rymentu od wartości liczbowych, laminowana płyta PCM osiągnęła około 55% pro-cesu przemiany fazowej w porównaniu z 48% dla losowo rozmieszczonej próbki płyt kartonowo-gipsowych. Próbka płyty laminowanej uwalniała również o około 27% więcej ciepła. Biorąc pod uwagę warunki eksperymentalne i założenia, doświ-adczenie dowiodło, że możliwe jest opracowanie techniki laminowanego PCM w ce- lu ulepszenia i zminimalizowania wielowymiarowego przenoszenia ciepła w sys-temach suchej zabudowy.
Interesujące są efekty stosowania nanocząstek SiO2 (Far i in. 2020). Badania po-kazały, że pojemność cieplna wzrosła o 19%, a lepkość wzrosła o 94%. Zgodnie z lite-raturą (Sharma i in. 2016) lepkość maleje, gdy nanocząstki mają wysoki współczyn-nik kształtu (np. strukturę podobną do pręta) przy wysokich stężeniach. Sole mogą tworzyć dendrytyczne nanostruktury w pobliżu nanocząstek, które mogą zwiększać efektywną pojemność cieplną mieszaniny. Tworzenie się nanostruktur dendrytycz-nych soli można zakłócić poprzez zdyspergowanie niewielkiego stężenia NaOH (0,03% wag.). Po zdyspergowaniu niewielkiej ilości NaOH w nanocieczach pojem-ność cieplna zmalała, a lepkość zmniejszyła się.
Obserwuje się ponadto korozyjne działanie soli na materiały budowlane i metale.
Nie można więc bezpośrednio ich mieszać z materiałami budowlanymi, a dobór ma-teriału na zasobniki ciepła wymaga specjalnej uwagi.
Do badań wybrano sól glauberską (tab. 1) ze względu na jej dostępność i dobre właściwości kumulacji ciepła i temperaturę krystalizacji. Jako akumulator wyko-rzystuje się pojemność cieplną roztworu oraz ciepło krystalizacji soli glauberskiej.
W procesie krystalizacji soli ciepło jest oddawane powietrzu opływającemu pojem-niki z roztworem soli w sposób wymuszony, i nawiewane instalacją wentylacyjną do pomieszczeń.