Ściany z osłoną transparentną jako efektywne układy pozyskiwania energii słonecznej

ZESZYTY N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: B U D O W N IC TW O z. 81

1995 N r kol. 1292

Jan MIKOŚ

ŚCIANY Z OSŁONĄ TRANSPARENTNĄ JAKO EFEKTYWNE UKŁADY POZYSKIWANIA ENERGII SŁONECZNEJ

Streszczenie. W artykule skrótowo omówiono rodzaje i właściwości ścian z osłoną transparentną jako efektywnych układów pozyskiwania energii słonecznej przez budynki. Szczegółowiej przedstawiono właściwości ścian z osłoną transparentna typu KAPILUX o strukturze kapilarnej prostopadłej do ścian.

Omówiono skrótowo metodę badania i wyniki pomiaru sprawności cieplnej ścian aktywnych słonecznie, w tym z osłoną transparentną przeprowadzone na specjalnym stanowisku.

WALLS W ITH TRA N SPA R EN T CO V ER A S A N EFFIC IE N T SY STEM O F COLLECTING SOLAR EN ERG Y

Summary. In the types and properties of transparent building insulation as efficient systems of collecting solar energy by buildings are outlined. Properties of walls with the KAPILUX transparent cover with capillaries perpendicular to the walls are presented in greater detail. The method of testing and performance of solar active walls, including one with a transparent cover, carried out on a special stand, are described briefly.

WÄNDE M IT TRA N SPA R EN TER W Ä RM ED ÄM M UN G A LS D ER EFFEK T IV E SYSTEME U M FO RM EREN SO N N EN EN ERG IE

Zusammenfassung. Im Artikel wurden in Kürze Arten und Eigenschaften der transparenten Aussenbauteile als effektive Sonnenenergiegewinnstrukturen beschrieben. Besonders wurden die Eigenschaften der Wände mit transparenter Verkleidung vom Typ KAPILUX mit kapillarer gradwinklig zur Wand orientierter Verkleidung vom Typ KAPILUX mit kapillarer gradwinklig zur Wand orientierter Struktur dargestellt. In Kürze wurde die Prüfmethode und die Messungsrcsultate der Wandwämeleistung solaraktiver Wände beschprochen - in dem mit transparenter Verkleidung , die auf einem besonderen Prüfstand errungen wurden.

380 J. Mikos

1. W S T Ę P

Jednym z najw ażniejszych elem entów zw iązanych z ochroną środow iska naturalnego jest oszczędzanie energii, której w iększość w ytw arza się w w yniku spalania różnego rodzaju paliw . T a „brudna” energia je s t zużyw ana do ogrzew ania przestrzeni m ieszkaniow ej.

O becnie coraz częściej szuka się źródeł ciepła nie w ytw arzających szkodliw ych substancji ja k o produktów ubocznych. O d kilkunastu lat prow adzone są ju ż na szeroką skalę badania m ające na celu optym alne w ykorzystanie energii słonecznej. W yróżnia się trzy podstawowe rodzaje konw ersji: fo to term iczn a (bezpośrednie przetw arzanie na ciepło), fotowoltaiczna (przetw arzanie na energię elektryczną), fotochem iczna (przetw arzanie na energię związaną z procesam i chem icznym i).

D la budow nictw a najw iększe znaczenie m ają badania dotyczące w ykorzystania energii słonecznej do ogrzew ania budynków . P otw ierdzają one dużą efektyw ność takich źródeł ciepła.

N ajlepszym sposobem pozyskania energii cieplnej w sezonie grzew czym jest zastosow anie izolacji półprzeźroczystych (transparentnych, tzn. przepuszczających dużą ilość p rom ieniow ania słonecznego, ale będących jednocześnie przesłoną optyczną) na elewacjach budynków w ystaw ionych na intensyw ne nasłonecznienie. D zięki zastosow aniu takich izolacji term icznych w budynkach m ieszkalnych pojaw ił się now y efektyw ny kierunek ochrony środow iska.

R o zw iązania takie w znaczący sposób zm niejszają ucieczkę ciepła przez przegrodę i u m ożliw iają m aksym alny uzysk energii cieplnej pochodzącej od promieniowania słonecznego. W łaściw ie zaprojektow ana i w ykonana transparentna osłona ścian zew nętrznych działa o kresow o ja k system grzew czy, a w czasie letnich upałów ogranicza napływ ciep ła do p o m ieszczenia przez zaizolow ane w ten sposób ściany. T aka energia bez szkodliw ych produktów ubocznych m oże w zim ie i w okresie przejściow ym zapewnić ogrzanie pom ieszczeń m ieszkalnych.

W przedm iotow ym artykule zostaną skrótow o om ów ione ściany transparentne (zwłaszcza z w arstw ą przeźroczystą z m ateriałów o strukturze kapilarnej), ich właściwości, metoda badania i w yniki pom iaru spraw ności cieplnej ścian aktyw nych słonecznie przeprowadzone na specjalnym stanow isku zbudow anym w K atedrze Procesów B udow lanych Politechniki Śląskiej w G liw icach.

2. O S Ł O N Y T R A N S P A R E N T N E I IC H W Ł A ŚC IW O ŚC I

Przeźroczysty, a ściślej m ów iąc półprzeźroczysty m ateriał izolacyjny T IM (Transparent Insulating M aterial) je s t w ykorzystyw any do budow y płyt ściennych i dachowych jako elem enty aktyw ne do pozyskiw ania energii słonecznej w budynkach system u biernego.

M ateriał ten je s t znany pod nazw ą T W D (T ransparente W ärm ed äm m u n g ).

K lasy fik u jąc g eo m etry czn ie izolacje transparentne m ożna w ydzielić cztery typy tych osłon przerdstaw ione schem atycznie na rys. 1.

Ściany z osłoną transparentną . ₃₈₁

Izolacje transparentne typu A m ają strukturę kom órkow ą - kapilarną z kanałam i pionowymi, rów noległym i do pow ierzchni ściany. Izolacje typu B (podobnie ja k typ A) mają strukturę kom órkow ą z kanałam i poziom ym i, prostopadłym i do pow ierzchni ściany absorbującej ukształtow ane w układach zbliżonych do plastra miodu. Izolacje tych dw óch typów produkow ane są ju ż od 1965 roku na skalę przem ysłow ą przez niem iecką firm ę OKALUX pod nazw ą handlow ą K A PILU X .

T yp A T y p B

—

Rys.l. Typy izolacji TW D

Fig. 1. Different types o f transparent insulations

Jednym z najprostszych układów kom órkow ych stanow iących izolację transparentną jest warstwa kapilar szklanych o grubości ścianek ok. 0,05 mm. Stosuje się także układy komórkowe: kw adratow e sześciokątne i kołow e produkow ane najczęściej z różnych poliwęglanów.

Izolacje typu C m ają natom iast strukturę opartą na układzie zam kniętych kom órek i można je wykonywać np. ze spienionego szkła akrylow ego. N atom iast izolacje typu D cechuje duża porow atość (90-95% ), przy małej gęstości (8-200 kg/nT ), dużej przepuszczalności prom ieniow ania słonecznego (85-94% przy 1 cm grubości), oraz bardzo małej wartości przew odności cieplej (0,013-0,016 W /(m xK ). W ym iary porów zaw ierają się w granicach 20-200 nm , a średnia grubość w ynosi około 5 nm. N atom iast typow y aerożel granulowany m a średnicę granulek 2-6 mm , a je g o w łaściw ości optyczne zależą od w ym iaru i jednorodności ziaren oraz grubości w arstwy. Jego głów ną zaletą je s t rozpraszanie dyfuzyjne.

382 J. Mikoś

W zm iankow any ju ż w cześniej K A PILU X je s t zestaw em dw óch szyb, m iędzy którymi um ieszczona je s t płyta kapilarna K A PIPA N E (rys. 2). R am a alum iniow a na obw odzie jest odizolow ana term icznie i w entylow ana. Odległość od zew nętrznej szyby do powierzchni płyty kapilarnej w ynosi 8 m m . Szyby są w ykonyw ane z przeźroczystego szkła typu “float”

lub ze szkła bez dom ieszek żelaza. Z aleca się stosow ać do zestaw ów K A PILU X szkło hartow ane [4].

W takich zestaw ach o w ym iarach w iększych niż 100 cm płyta K A PIPA N E pow inna być podtrzym yw ana przez zintegrow any profil alum iniow y o przekroju teow ym . Zasadniczo pow ierzchnia zestaw u nie pow inna przekraczać 3 m 2. Stosow ana grubość szyby (2x4 mm).

G rubość płyty K A PILU X 78 98 138 m m . G rubość płyty K A PIPA N E 62 82 122 mm.

Rys. 2. W idok płyty O K A LU X

Fig. 2. Cross-section o f the O K A LU X board

K A PIPA N E je s t m ateriałem izolacyjnym przeźroczystym w postaci rurek z tworzywa sztucznego ułożonych w plaster pszczeli pionow o do pow ierzchni płyty. Średnica rurek w ynosi w przybliżeniu 4 m m . Podstaw ow ym m ateriałem kapipane je s t akryl (plexiglas), k tóry w płycie o budow ie kapilarnej posiada gęstość objętościow ą około 30 kg/m i zachow uje sw oje param etry w tem peraturach do 90°C. K apipane cechuje się wysoką przepuszczalnością prom ieniow ania i dobrą izolacyjnością term iczną, która je s t wynikiem ograniczenia konw ekcji w długich rurkach i przejm ow aniem długofalow ego promieniowania podczerw onego przez m ateriał akrylowy. R urki w płycie kapilarnej przenoszą prom ieniow anie słoneczne w sposób taki ja k w św iatłow odach, osiągając dzięki tem u wysoki stopień przepuszczalności praw ie niezależny od grubości.

N a rys. 3 przedstaw iono zjaw iska transportu ciepła przez ścianę z izolacją nieprzeźroczystą i przeźroczystą (typu kapipane). N a tym rysunku m ożna zauw ażyć korzyści, jak ie w ypływ ają ze stosow ania izolacji transparentnych, których użycie rozwiązuje jednocześnie dw ie kwestie: izolacyjności cieplnej budynku i um ożliw ienie jednoczesnego

pozyskiw ania energii słonecznej.

Ściany z osłoną transparcntną . ₃₈₃

nieprzeźroczysta przeźroczysta

promieniowanie sto n e c z n e

Rys.3. Zjaw iska transportu ciepła w ścianie z nieprzezroczystą i przeźroczystą izolacją cieplną

Fig. 3. H eat transfer in w alls w ith transparent and opaque thermal insulation

Elementy z przeźroczystych m ateriałów izolacyjnych są stosowane coraz częściej w RFN nie tylko w budynkach m ieszkalnych, usługowych itp., ale także w obiektach przemysłowych, gdzie nie tylko izolują cieplnie, ale jednocześnie um ożliw iają ich oświetlenie światłem naturalnym stanow iąc rodzaj przeszklenia.

Najlepszy bilans energetyczny ścian typu TW D w czasie okresu grzew czego uzyskują ściany zorientowane na południe, które w m iesiącach zim owych najdłużej są nasłonecznione i podobnie ja k przez okna przechodzi przez nie duża ilość ciepła pochodzącego od słońca.

Wyniki badań pokazują, że d la N iem iec w przybliżeniu w ciągu roku izolacja powierzchniowa pokryw a zapotrzebow anie energii dla ściany południowej na poziom ie około 120 kW h, a dla w schodniej i zachodniej około 70 kW h na m 2 zainstalowanej powierzchni izolacji TW D.

Wpływ izolacji TW D (przy 50% stopniu przepuszczalności prom ieniow ania słonecznego) na roczne oszczędności w zużyciu energii na ogrzew anie przedstaw iono na rys. 4 [4], Przy prom ieniowaniu słonecznym w lecie padającym zw ykle na ścianę południow ą pod kątem około 60° w pływ prom ieniow ania na przegrzewanie tej ściany je s t m inim alny.

Wpływ izolacji transparentnych na tem peraturę przestrzeni w ew nątrz ściany dla okresu nasłonecznienia w klim acie środkowoeuropejskim przedstaw ia rys. 5.

384 J. Mikoś

140 130

ROCZNY UZYSK CIEPŁA [kWh/(m2a)]

POŁUDNIE

"ZACHÓD

■* W SCHÓD 'PŁD.-WSCH I -ZACH.

O 25 50 75 100

PRZEPUSZCZALNOŚĆ IZOLACJI POWIERZCHNIOWEJ [%]

Rys. 4. W pływ transparentnych izolacji pow ierzchniow ych na roczne zużycie energii Fig. 4. T he influence o f the T IM insulation on the annual h eat dem and

Przy prom ieniow aniu słonecznym w lecie padającym zw ykle n a ścianę południową pod kątem około 60° w pływ prom ieniow ania na przegrzew anie tej ściany je s t m inim alny.

W pływ izolacji transparentnych na tem peraturę przestrzeni w ew nątrz ściany dla okresu nasłonecznienia w klim acie środkow oeuropejskim przedstaw ia rys.5.

POŁUDNIE - * — ZACHÓD -3 WSCHÓD

PŁD.-WSCH I -ZACH.

PRZEPUSZCZALNOŚĆ IZOLACJI POWIERZCHNIOWEJ [%]

Rys. 5. W pływ transparentnych izolacji pow ierzchniow ych na m aksym alną temperaturę p ow ietrza w ew nętrznego

Fig. 5 T he effect o f the T IM insulation on the highest indoor tem perature

MAKSYMALNE MIESIĘCZNE 26

WARTOŚCI TEMPERATUR WEWNĘTRZNYCH , ,

PC]

WYMIANA POW IETRZA 1,5 [1/h]

Ściany z osłoną transparentną . ₃₈₅

Ogromne znaczenie na zapotrzebow anie i uzysk cieplny obiektów , w których zastosow ano izolacje transparentne, m a ich lokalizacja, orientacja i w łaściwe rozw inięcie płaszczyzn ściennych celem zapew nienia optym alnego pozyskiwania ciepła od prom ieniow ania słonecznego, zależności te przedstaw ia rys. 6.

rrul

b u d y n k u

TO m

r d o t y * n e

Mpołraebowon*

w c n c c p ę ( V ,)

100

17

r z u i b u d y n k u

1£Sm

r d a ty v > n e

2Qpolrzcbo*onK w cncrps (y.J

i a o n a b o d y c y n a k . 0 ,2

m a te n a f t i u n s p o r e n t n y k . Q 6

10

4 5 S_{H m}

H <n 8

w y s o k o ś ć to n d y g n o c j« 5 m

ę r u b c ś ć m o t e n a f u b a n s p a r ę n l n e ę o 6 c m

Rys. 6. Zależność zapotrzebow ania ciepła na ogrzew anie budynku w zależności od jego kształtu, orientacji i sposobu zaizolow ania ścian

Fig. 6. The relations betw een the heat dem and and the shape, orientation, and wall insulation of a building

3. TEM PERA TU RO W A M ETO D A B A D A N IA SPRA W N O ŚCI C IEPLN EJ

Celem określenia sprawności cieplnej ścian aktyw nych słonecznie w funkcji stopnia pozyskiwania energii słonecznej zaproponow ano uproszczone m odele przepływ u ciepła przez przegrody (rys. 7).

SPRAWNOŚĆ C IE P L N A ŚC IA N Y A K T Y W N E J SŁONECZNIE

(2 b

Rys. 7. M odel ograniczonego przepływ u ciepła stosow any do określenia sprawności cieplnej ścian aktyw nych słonecznie: a) dniem , b) nocą

Fig. 7. A m odel o f constrained heat flow used fo r determ ination o f the therm al efficiency of active solar w alls: a) day, b) night

M odel ten w ydziela trzy ściśle w spółpracujące ze sobą układy. U kład pierwszy opisuje środow isko zew nętrzne (otoczenie). U kład drugi je s t układem centralnym i decyduje o akum ulacji i transporcie ciepła. U kład trzeci opisuje środow isko wewnętrzne.

Z aproponow any m odel m a charakter dynam iczny. C harakteryzujące go parametry są zm ienne i w zajem nie pow iązane.

U kłady te są opisane następującym i w skaźnikam i:

pierw szy - stopniem pozyskania energii słonecznej - Spt (1), drugi - stopniem akum ulacji cieplnej - Sat (2),

trzeci - stopniem uzyskania energii cieplnej - Sat (3).

Spraw ność całej przegrody (r|c) określa się korzystając ze w zoru (4):

stopień uzyskania energii słonecznej

stopień akumulacji

cieplnej --- - _ l

i ^_

stopień pozyskania energii słonecznej

t i IT;

Qui Q u max tr < lTf

m ^{% ■«r. J- J T t}

J max

v? <ir*

11

w . 1

c

środowisko wewnętrzne

przegroda aktywne.

stonecznie

—

środowisko zewnętrzne

Ściany z osłoną transparentną .. ₃₈₇

5 _ t !l

9 , - t ,

(4)

* te m p e r a tu r y m a k s y m a ln e w b a d a n y m o k r e s ie (m ie sią c , sezo n , ro k)

W proponow anym m odelu (rys. 7) ograniczono się tylko do pokazania ogólnych związków, aby nie zaciem niać bardzo złożonego obrazu, a tylko pokazać istotę analizowanego zagadnienia.

Bardzo w ażną spraw ą przy określaniu sprawności cieplnej ścian akum ulacyjnych aktywnych słonecznie je s t sposób określania i opisyw ania poszczególnych układów proponowanego m odelu.

4. W YNIKI BA D A Ń SPRAW N OŚCI C IEPLN EJ

B adania przeprow adzono na trzech typach ścian.

“Ściana A ”- patrząc od zew nątrz:

- szkło O kalux gr. 10 cm, - pustka pow ietrzna gr. 8 cm, - m ur z cegły prasowanej gr. 25 cm.

“Ściana B”- patrząc od zew nątrz:

- szkło gr.0,5 cm,

- pustka pow ietrzna gr. 4 cm, - m ur z cegły prasowanej gr. 25 cm.

“Ściana C 1”- patrząc od zew nątrz:

- szkło g r.0,5 cm,

- pustka pow ietrzna gr. 4 cm, - m ur z cegły prasowanej gr. 6,5 cm, - w arstw a styropianu gr. 5 cm, - m ur z cegły szczelinow ki gr. 19 cm.

Wyniki badań spraw ności cieplnej badanych ścian akum ulacyjnych dla przykładow ego okresu pom iarow ego (m arzec 1994) przedstaw iono na rys. 8.

Jak wynika z badań przeprow adzonych w m arcu 1994 r., najw yższą spraw nością cieplną charakteryzują się ściany z osłoną transparentną firm y O K A LU X . D otyczy to nie tylko całości przegrody, ale głów nie w yróżnionego układu pozyskiw ania energii prom ieniow ania słonecznego (przegroda A).

Najniższą spraw nością cieplną charakteryzuje się przegroda C, a dla przegrody B uzyskano pośrednie wartości.

1 Ściana z otworami nawiewno-wywiewnymi.

388 J. Mikoś

R ys. 8. W arto ści w skaźników i spraw ności ścian dla m arca 1994 Fig. 8. V alu es o f th e w all efficiency coefficients fo r M arch 1994

5. W N IO S K I

Z p rzep ro w ad zo n y ch badań w ynikają n astępujące w nioski:

1. Ściany z o sło n ą transparentną najlepiej p ozyskują energią słoneczną i uzyskują najwyższą spraw ność cieplną.

2. O p raco w an a w K atedrze P rocesów B udow lanych m eto d a tem peraturow a badań spraw ności cieplnej stanow i p rzydatną m etodę p o rów naw czą, k tó ra nie tylko pozwala o ceniać całość przegrody, ale rów nież przeanalizow ać w yodrębnione • w niej trzy układy (p o zy sk iw an ie, akum ulację i uzyskiw anie). M etoda ta m oże służyć d o testow ania różnych ro zw iązań ścian aktyw nych słonecznie.

3. Jak w y n ik a z dośw iadczeń niem ieckich ściany z osłoną transparentną w ciągu roku mogą zn acząco p o k ry ć zapotrzebow anie n a energię ciep ln ą potrzebna d o ogrzew ania budynku.

Ściany z osłoną transparentną .. ₃₈₉

4. Przeźroczyste izolacje term iczne m ają przed sobą dużą przyszłość, zw łaszcza po obniżeniu kosztów produkcji jak o m ateriały izolacyjne o dużym stopniu absorbcji energii promieniowania słonecznego. Są one dzisiaj szeroko stosow ane w N iem czech do ocieplania przegród zew nętrznych w różnego rodzaju budynkach.

LITERATURA

[1] Praca zbiorow a pod redakcją W. G ogoła: K onw ersja term iczna energii prom ieniow ania słonecznego w w arunkach krajow ych - EK SPERTY ZA . W ydaw nictw o PAN.

[2] J. Mikos: Budow nictw o ekologiczne. Cz. I. Budynki aktyw ne słonecznie.(Podręcznik w druku) W ydaw nictw a Politechniki Śląskiej, G liw ice 1995.

[3] K. Voss, P.O . B raun, J. Schmid: T ransparente W ärm ed äm m u n g M aterialien, Systemtechnik und A nw endung. B auphysik 13(1991) H. 6.

[4] D r Peter G rochal: Sto AG. Tendenzen und M öglichkeiten der transparenten W ärm edä mmung. M ateriały U niw ersytetu Technicznego w Zittau.

[5] Materiały ofertow e firm y O KALUX.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. P iotr K lem m

Wpłynęło do Redakcji 23.05.1995 r.

Abstract

In the paper the therm al perform ance o f a w all w ith the O K A LU X transparent insulation is presented and com pared w ith the perform ance o f other solar active walls. The tests w ere carried out on a special stand in full scale w ith use o f the m ethodology developed in the Chair of Building Processes.

The thermal perform ance o f solar active w alls was determ ined accepting a m odel o f the flow through walls. In this m odel 3 closely co-operating system s o f are singled out: o f collection, o f accum ulation and o f acquiring solar energy.

The indices w hich characterise respective system s are presented (on the m odel in Fig. 7), as the quotients o f different m easured tem peratures in the system s tested (Form ulas 1 - 4).

The results o f the test are presented in Fig. 8. It is evident from the experim ents carried out that the w alls w ith transparent insulation are characterised by very high therm al efficiency and the highest degree o f energy gain. D uring the heating season they can cover a considerable part o f the heat demand.