tom XXXIIzeszyt 62 (nr 2/2015)

k w i e c i e ń - c z e r w i e c tom XXXII zeszyt 62 (nr 2/2015)

Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury jest kontynuacją Zeszytów Naukowych Politechniki Rzeszowskiej - Budownictwo i Inżynieria Środowiska.

(e-ISSN 2300-8903)

R e d a k t o r n a c z e l n y Wydawnictw Politechniki Rzeszowskiej prof. dr hab. inż. Leonard ZIEMIAŃSKI

R a d a N a u k o w a

prof. Mohamed Eid (Francja), prof. David Valis (Czechy) prof. Nadežda Števulová (Słowacja)

prof. Antonio João Carvalho de Albuquerque (Portugalia) prof. Volodymyr V. Cherniuk (Ukraina)

prof. João Antonio Saraiva Pires da Fonseca (Portugalia) prof. Dušan Katunsky (Słowacja), prof. Vincent Kvočak (Słowacja) prof. Zinoviy Blikharskyy (Ukraina), prof. Tomasz Winnicki (Polska) prof. Czesława Rosik-Dulewska (Polska), prof. Krzysztof Knapik (Polska)

prof. Janusz A. Tomaszek (Polska), prof. Jerzy Ziółko (Polska) prof. Ryszard L. Kowalczyk (Polska), prof. Stanisław Kuś (Polska)

K o m i t e t R e d a k c y j n y (afiliacja: Polska) redaktor naczelny

dr hab. inż. Piotr KOSZELNIK, prof. PRz redaktorzy tematyczni (naukowi)

prof. dr hab. inż. Aleksander KOZŁOWSKI, prof. dr hab. inż. Janusz RAK redaktor statystyczny

dr hab. inż. Szczepan WOLIŃSKI, prof. PRz sekretarz redakcji

dr inż. Katarzyna PIETRUCHA-URBANIK członkowie

dr inż. Renata GRUCA-ROKOSZ, dr inż. arch. Anna SIKORA dr inż. Zdzisław PISAREK, dr hab. inż. Lucjan ŚLĘCZKA, prof. PRz

P r z y g o t o w a n i e m a t r y c Artur SZALACHA

p-ISSN 2300-5130 e-ISSN 2300-8903

Wersja drukowana Kwartalnika jest wersją pierwotną.

Redakcja czasopisma: Politechnika Rzeszowska, Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury, al. Powstańców Warszawy 6, 35-959 Rzeszów, www.oficyna.portal.edu.pl//pl/zeszyty-

-naukowe/czasopismo-inzynierii-ladowej-s/ (e-mail: kpiet@prz.edu.pl)

Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, www.oficyna.portal.prz.edu.pl (e-mail: oficyna1@prz.edu.pl)

Informacje dodatkowe i stopka – str. 619

Joanna BIEDROŃSKA: Możliwości kształtowania przylegających struktur szklarniowych i ich wpływ na gospodarkę

energetyczną budynku ... 9 Estera BOŻEK, Mariusz FILIPOWICZ: Wykorzystanie techniki śledzenia

promienia do modelowania wysokotemperaturowych

układów helioenergetycznych... 19 Dorota A. CHWIEDUK: Wybrane przykłady zastosowania materiałów PCM

w budownictwie... 29 Anna DUDZIŃSKA: Skuteczność osłon przeciwsłonecznych

w kształtowaniu komfortu cieplnego w pasywnym budynku

użyteczności publicznej... 39 Małgorzata FEDORCZAK-CISAK, Alicja KOWALSKA-KOCZWARA:

Analiza możliwości zapewnienia komfortu akustycznego i wibracyjnego pomieszczeń przy użyciu materiałów

energooszczędnych ... 49 Stanisław FIC, Przemysław BRZYSKI, Andrzej SZEWCZAK, Monika

JAROSZ-HADAM: Wybrane właściwości lekkich kompozytów na bazie wypełniaczy celulozowych

do zastosowania w budownictwie ekologicznym... 61 Mariusz FILIPOWICZ, Mateusz SZUBEL, Krzysztof SORNEK, Estera

BOŻEK, Leszek KURCZ, Arkadiusz FIGÓRSKI, Wiktor WESOŁOWSKI, Jacek RĘKA: Badania energetycznych i ekologicznych parametrów pracy domowych urządzeń

grzewczych typu piecokominki ... 71 Tomasz GACZOŁ: Wentylacja grawitacyjna w budynkach mieszkalnych –

wybrane zagadnienia ... 81 Halina GARBALIŃSKA, Bartłomiej MAJKOWSKI: Pomiary sorpcyjne

współczynnika dyfuzji wilgoci różnego rodzaju zapraw ... 89

Tomasz GRUDNIEWSKI, Zofia LUBAŃSKA, Sławomir CZERNIK:

Charakterystyka AFM cienkich warstw SnO2

uzyskanych podczas sputteringu magnetronowego

przy wybranych warunkach procesu ... 99 Andrzej GRZEBIELEC, Artur RUSOWICZ: Wykorzystanie

gruntowych pomp ciepła w systemach klimatyzacji... 107 Beata JAGIEŁA, Marek GOSZTYŁA: Koncepcje restauracji klasztoru

OO. Bernardynów w Rzeszowie według projektów

Zygmunta Hendla ... 117 Beata JAGIEŁA, Marek GOSZTYŁA: Projekty konserwatorskie Zygmunta

Hendla w kościele OO. Bernardynów w Rzeszowie... 127 Arkadiusz JAMROZIK, Michał PYRC, Maciej LIZIŃSKI, Krzysztof

MASAPUST: Możliwości pozyskiwania paliw gazowych

w procesach termicznego przetwarzania odpadów ... 137 Arkadiusz JAMROZIK, Michał PYRC, Marta ŚWIĄCIK, Magdalena

SCHAB: Oczyszczanie i przetwarzanie gazu generatorowego

ze zgazowania odpadów... 145 Justyna KOBYLARCZYK: Model oceny jakości środowiska zamieszkania.

Analiza wybranych obszarów województwa podkarpackiego... 157 Piotr KOPEĆ: Obliczenia i dobór gruntowego wymiennika ciepła

dla pompy ciepła ... 167 Justyna KOT: Odzysk ciepła w obiektach użyteczności publicznej – wstępna

analiza ekonomiczna... 177 Zbigniew KOWAL, Rafał PIOTROWSKI: Energoaktywne segmenty hal

przekryte regularną strukturą koszową... 189 Marcin KRÓLIKOWSKI, Justyna MAZURKIEWICZ, Anna

WACHOWICZ: Pojazdy hybrydowe a systemy fotowoltaiczne – możliwości wykorzystania (projekt OZI) ... 197 Radosław KRZEMIŃSKI, Wojciech TERLIKOWSKI: Kaszyce drewniane

– historycznym elementem rewitalizacji zabytków... 207

Sabina KSIĄŻEK, Małgorzata KIDA, Piotr KOSZELNIK: Występowanie perfluorowanych związków organicznych w środowisku

i fizykochemiczne metody usuwania ich z roztworów wodnych ...221 Ewelina KUBACKA, Dariusz HEIM: Komfort termiczny w pomieszczeniu

ze zdecentralizowanym, mechanicznym systemem

doprowadzenia powietrza... 239 Karolina KURTZ-ORECKA, Piotr CIERZNIEWSKI: Problematyka

termomodernizacji w budynkach zabytkowych i dawnych... 249 Radosław KURZYP: Możliwości zastosowania technologii wznoszenia

budynków wielkoprzestrzennych w budownictwie

jednorodzinnym w aspekcie ochrony środowiska naturalnego ... 259 Dominika KUŚNIERZ-KRUPA: Problematyka rewaloryzacji zabytkowych

willi w miejscowościach uzdrowiskowych na przykładzie willi:

Primavera, Jaworzyna oraz Wawel w Rabce Zdrój ... 265 Roman LICHOGRAJ, Jan Marian OLCHOWIK, Piotr LICHOGRAJ,

Sławomir CZERNIK: Wpływ trawienia plazmą na wybrane parametry cienkich warstw CdTe i SnO2 dla zastosowań

fotowoltaicznych... 275 Anna MAŁACHOWICZ: Koncepcja rewitalizacji Fary w Gubinie. Próba

wykorzystania energii słonecznej w procesie adaptacji

zabytkowego kościoła na centrum kultury i komunikacji... 289 Justyna MAZURKIEWICZ , Anna WACHOWICZ-PYZIK, Marcin

KRÓLIKOWSKI: Potencjalne możliwości wykorzystania czwartorzędowych wód podziemnych w instalacjach

niskotemperaturowych ... 297 Martyna MOKRZECKA: Międzynarodowe systemy certyfikacji LEED,

BREEAM i DGNB. Wstępna analiza porównawcza

poparta studium przypadku ... 311 Witold NIEMIEC, Feliks STACHOWICZ, Tomasz TRZEPIECIŃSKI,

Marcin JURGILEWICZ: Sanitacja obszarów wiejskich poprzez rolnicze wykorzystanie osadów ściekowych ... 323 Tadeusz NOCH: Układ kogeneracyjny przy współpracy pomp ciepła

z kotłownią olejową i siecią ciepłowniczą ... 335

Katarzyna NOWAK – DZIESZKO, Małgorzata ROJEWSKA –

WARCHAŁ, Jacek DĘBOWSKI: Wpływ docieplenia budynku wielkopłytowego na komfort cieplny lokali mieszkalnych ... 347 Marianna OLENETS, Jerzy Zbigniew PIOTROWSKI, Anatoliy STROY:

Metoda określenia emisyjności niektórych

materiałów budowlanych ... 357 Małgorzata PIASKOWSKA-SILARSKA: Wpływ gazu składowiskowego

na środowisko i możliwości jego unieszkodliwiania ... 367 Iwona PIEBIAK: Wytyczne projektowe w architekturze energooszczędnej

na przykładzie budynków mieszkalnych jednorodzinnych ... 375 Łukasz POLUS, Maciej SZUMIGAŁA: Wpływ tarcia na nośność

belki aluminiowo-betonowej... 385 Izabela SKRZYPCZAK, Lidia BUDA-OŻÓG, Marta SŁOWIK: Trwałość

jako postulat rozwoju zrównoważonego ... 393 Izabela SKRZYPCZAK, Wanda KOKOSZKA: Zrównoważone metody

oceny zgodności wytrzymałości betonu na ściskanie ... 403 Krzysztof SORNEK, Mariusz FILIPOWICZ, Krzysztof IZDEBSKI:

Badanie wybranych parametrów pracy prototypowego

systemu CHP małej skali z kotłem na biomasę ... 409 Katarzyna STANISZ, Stanisław GUMUŁA: Kształtowanie się

współczynnika efektywności pompy ciepła przy współpracy

z akumulatorami ciepła o różnej pojemności... 419 Jadwiga STĘCHŁY: Zabytkowa stolarka drzwiowa

w jarosławskich obiektach sakralnych ... 429 Jarosław STRZAŁKOWSKI, Halina GARBALIŃSKA: Transmitancje

cieplne dwuwarstwowych ścian zewnętrznych

zróżnicowanych materiałem nośnym ... 441 Ilona SZEFER: Ekoinstalacje – detal architektoniczno-urbanistyczny

jako element systemu ekologicznego w mieście ... 449 Norbert SZMOLKE: Audytorskie spojrzenie na wentylację szkół ... 459

Norbert SZMOLKE: Diagnostyka obiektów z wykorzystaniem kamery

termowizyjnej... 469 Mateusz SZUBEL, Mariusz FILIPOWICZ: Analiza numeryczna pracy

urządzeń grzewczych małej mocy zasilanych biomasą ... 477 Marek SZYMCZAK, Andrzej TOMPOROWSKI: Wysuszony

osad ściekowy i biomasa jako paliwo odnawialne ... 487 Jarosław TATARCZAK, Karolina SIEDLISKA, Robert KOSACKI, Jan M.

OLCHOWIK: Analiza wpływu zacienienia krystalicznych

modułów PV na efektywność energetyczną farm słonecznych... 495 Jarosław TATARCZAK, Marta SOKOŁOWSKA, Jan M. OLCHOWIK:

Analiza napromieniowania słonecznego Polski na podstawie

danych satelitarnych NASA... 505 Wojciech TERLIKOWSKI: Rola rehabilitacji, modernizacji i adaptacji

budynków zabytkowych w procesie rewitalizacji ... 519 Wojciech TERLIKOWSKI, Kacper WASILEWSKI: Ekspozycja

zabytkowych obiektów architektury antycznej na podstawie

własnych przykładów ... 533 Adam TROFIMOWICZ: Analiza pracy systemu podgrzewania płyty boiska

sportowego z wykorzystaniem pompy ciepła w trakcie jej

eksploatacji... 545 Bernard TWARÓG, Zbigniew KĘSEK: Floodpolis – powodziowe miasto

przyszłości ... 553 Anna WACHOWICZ-PYZIK, Justyna MAZURKIEWICZ, Marcin

KRÓLIKOWSKI: Główne bariery wykorzystania energii

geotermalnej w Polsce na przykładzie wybranych ciepłowni ... 565 Wojciech ZALEWSKI: Zastosowanie zawiesiny lodowej w klimatyzacji ... 577 Anna ZASTAWNA-RUMIN, Katarzyna NOWAK: Badanie przegrody

zawierającej materiał fazowo zmienny poddanej zmiennym

warunkom termicznym w komorze klimatycznej ... 587 Anna ZASTAWNA-RUMIN, Katarzyna NOWAK: Badanie przegrody

zawierającej materiał fazowo zmienny w warunkach in situ... 595

Anna ZASTAWNA-RUMIN, Katarzyna NOWAK: Pomiar właściwości cieplnych materiałów budowlanych przy zastosowaniu różnej

aparatury pomiarowej – analiza wyników ... 603 Agata ZDYB: Wybrane możliwości zastosowania nanostruktur

w inżynierii środowiska... 611

JOURNALOFCIVILENGINEERING,ENVIRONMENTANDARCHITECTURE JCEEA, t. XXXII, z. 62 (2/15), kwiecień-czerwiec 2015, s. 9-18

Joanna BIEDROŃSKA¹

MOŻLIWOŚCI KSZTAŁTOWANIA PRZYLEGAJĄCYCH STRUKTUR

SZKLARNIOWYCH I ICH WPŁYW NA

GOSPODARKĘ ENERGETYCZNĄ BUDYNKU

Sposób kształtowania struktur szklarniowych w układzie przylegającym reprezen- tuje koncepcję przegrody energetycznej, wdrażającej wszelkie rozwiązania inno- wacyjne uwzględniające pasywny system samoregulacji ciepła, ochrony przeciw- słonecznej, naturalnej wymiany powietrza w zależności od stopnia nasłonecznie- nia a zarazem zorientowania wobec kierunków stron świata. Warunki te determi- nują charakter przestrzeni szklarniowej dodanej do budynku po stronie nasłonecz- nionej, scharakteryzowanej, jako pasywny kolektor ciepła lub po stronie o ograni- czonej insolacji, jako bufor termiczny. Dodana struktura szklarniowa poddana in- solacji warunkuje zyski cieplne z promieniowania słonecznego zimą zmagazyno- wane w elementach konstrukcyjnych a zamknięta przestrzeń międzypowłokowa pełni rolę bufora cieplnego w tym okresie. Latem poddana jest strategii chłodze- nia, polegającej na pozbyciu się nadmiaru ciepła z obiektu wskutek właściwej dystrybucji powietrza wentylowanego i ochronie przeciwsłonecznej. Wydzielona przestrzeń szklarniowa, tworząca obrzeżną strefę budynku przyczynia się do ograniczenia zapotrzebowania na energię i pełni rolę modyfikatora mikroklimatu wnętrza. Przedstawione zostały przylegające struktury szklarniowe w układzie pionowym szklenia oraz arkady słonecznej, na długości nasłonecznionej elewacji, które najpełniej dostosowane są do wykorzystania energii z promieniowania sło- necznego. Przykłady zrealizowanych obiektów o określonych wyżej uformowa- niach struktur szklarniowych stały się bazą analiz energetycznych w formie sche- matów, obrazujących zależności między strukturą budynku a gospodarowaniem energią w systemach pasywnego jej pozyskiwania. Artykuł podkreśla korzyści energetyczne płynące z zastosowania dodanych struktur przeszklonych do budyn- ku wynikające z jego uformowania w warunkach klimatu umiarkowanego.

Słowa kluczowe: przegroda energetyczna, efekt szklarniowy, zysk energetyczny, przestrzeń buforowa, pasywny system

1 Joanna Biedrońska, Politechnika Śląska, Katedra Teorii, Projektowania i Historii Architektury, ul. Akademicka 7, 44-100 Gliwice, tel.32/2371685, e-mail: joanna.biedronska@polsl.pl

1. Wstęp

Prototypem współczesnych struktur przeszklonych były ogrody zimowe XIX i XX wieku wykorzystujące efekt szklarniowy do rozważań na temat zja- wisk zachodzących we wnętrzu, przy udziale słońca i wiatru, w celu zapewnie- nia roślinom i użytkownikom właściwego mikroklimatu. Wszelkie niedogodno- ści natury użytkowej pojawiające się w szklarniach w wyniku przegrzania czy niedostatecznej wymiany powietrza miały podkreślić silne związki pomiędzy kształtowaniem struktur szklarniowych a komfortem użytkowania przeszklone- go wnętrza. Jeszcze do niedawna szklarnie o światowej renomie i historycznym znaczeniu pochłaniały ogromne ilości paliw naturalnych w celu utrzymania odpowiednich warunków bioklimatycznych we wnętrzach w okresie np. zimy.

W obecnych czasach zmuszających nas do energooszczędności, do poszanowa- nia środowiska, konieczne stały się rozwiązania wykorzystujące energię sło- neczną, jako źródło energii odnawialnej, gdy bierny sposób pozyskiwania ener- gii ze słońca okazał się godny uwzględnienia. Współczesna wiedza na temat kształtowania architektury bioklimatycznej i – w węższym ujęciu – architektury słonecznej, opartej na gruntownej analizie relacji budynku z otoczeniem, a także zaawansowane rozwiązania w zakresie instalacji i technologii materiałowej dają większe możliwości wznoszenia struktur szklarniowych mających cechy bu- downictwa zrównoważonego w pełnym tego słowa znaczeniu. Wobec pogłę- bianej wiedzy, doświadczeń w dziedzinie techniki wytwarzania i rozwoju tech- nologii nadającej przegrodzie szklanej specyficzne właściwości, stworzona została możliwość kontynuacji idei szklanych struktur architektonicznych XX wieku. Realizowane są śmiałe projekty, których celem jest wytyczenie nowych dróg w architekturze, autorstwa światowej sławy architektów: The Great Glass- house w Walii projektu Normana Fostera, Glasshaus RHS Garden w Wisley projektu architekta Petera van der Toorn Vrijthoff czy też w bardziej odległym miejscu i klimacie Gardens by the Bay w Singapurze wg projektu Wilkinson Eyre Architects. Te spektakularne, wielkoskalowe obiekty architektury biokli- matycznej nazwane zostały ogrodami aktywnymi energetycznie. Sprzyja im rozgłos, nagrody, ale też dowodzą, jakim wartościom podporządkowana zostaje współczesna architektura niezależnie od skali i przeznaczenia budynków zawie- rających w swej strukturze czy w swym obrysie przeszklone struktury.

2. Pasywny sposób pozyskiwania energii w odniesieniu do struk- tur szklarniowych

Rozwój technologii oraz wieloletnie doświadczenia w zakresie budowania szklanych struktur, skłoniły architektów do bliższego przyjrzenia się, jaki wpływ posiada ukształtowanie zewnętrznej powłoki szklanej na gospodarkę energetyczną budynku. Zależność ta wpływa na wydajność energetyczną i for- mę, które determinują charakter architektury, świadczący o niskim zapotrzebo-

waniu na energię. Obudowa zewnętrzna budynku nie może opierać się tylko na walorach estetycznych jej uformowania, ale przede wszystkim musi odpowia- dać parametrom przestrzenno – technicznym zapewniającym zastosowanie za- sad racjonalnej gospodarki energetycznej. Powinna być przegrodą reagującą na zmienne warunki otoczenia, w kontrolowany sposób wykorzystująca jego ener- gię, pozwalającą na tworzenie kompleksowych systemów regulacji mikroklima- tu wewnątrz budynku. W najprostszy sposób należy wykorzystać zjawiska fi- zyczne towarzyszące biernemu sposobowi pozyskiwania energii ze słońca i wiatru bez uciekania się do konieczności używania urządzeń zasilanych ener- gią zewnętrzną. Strategie pasywne bazują na rozwiązaniach zmniejszających zapotrzebowanie budynku na energię grzewczą wykorzystując do tego celu słońce w porze zimowej oraz do chłodzenia budynku w porze letniej, gdy wy- korzystywany jest ruch powietrza w sposób niewymuszony mechanicznie a odpowiednią ochronę przed przegrzewaniem stanowią regulowane osłony przeciwsłoneczne np. systemy żaluzjowe. W przypadku stosowania rozwiązań pasywnych szczególnie istotny jest dobór odpowiednich materiałów i rozwiązań architektoniczno-budowlanych pozwalających wykorzystać strukturę budynku do pochłaniania, magazynowania oraz rozprowadzania pozyskanej energii pro- mieniowania słonecznego [2]. Przykładem są ściany i stropy, stanowiące kon- strukcję budynku, które mogą pełnić funkcję magazynu ciepła a w konfiguracji ze szklaną strukturą tworzą rodzaj pasywnego kolektora ciepła. Aby uzyskać jak największe zyski energetyczne zimą konieczne staje się ukierunkowanie struktur przeszklonych na południe [1].

3. Struktury szklarniowe w układzie przylegającym

Rolę kolektora ciepła najlepiej spełniają szklarnie, które pozostają w kon- figuracji przylegającej do budynku, a więc tworzą jego strefę obrzeżną, wystę- pując w postaci ogrodów zimowych, przeszklonych pasaży, arkad zewnętrz- nych, itp. Taka relacja przestrzenna względem budynku sprzyja wyeksponowa- niu szklarni na oddziaływanie promieni słonecznych, a zatem wzrasta możli- wość wykorzystania energii słonecznej w jej przestrzeni [5]. Najefektywniej- szemu wykorzystaniu energii słonecznej i światła dziennego służy wydłużenie bryły budynku na osi wschód-zachód i uzyskanie w ten sposób linearnej elewa- cji południowej. Ten rodzaj kształtowania struktury budynku reprezentuje prze- szklona fasada dwupowłokowa o szerokiej przestrzeni pasmowej.

3.1. Struktura szklarniowa w układzie pionowym szklenia - poddana insolacji

W układzie pionowym szklenia dodana struktura stanowi typowy, szeroko już dzisiaj stosowany w wysokich budynkach biurowych, przykład podwójnej fasady, wentylowanej pomiędzy dwiema warstwami obudowy na całej wysoko- ści budynku.

A. B.

Rys. 1. Schematy: A - wentylacji naturalnej i ochrony przeciwsłonecznej latem, B -wykorzystania energii promieniowania słonecznego do akumulacji ciepła w elementach konstrukcyjnych zimą Fig. 1. Charts: A - natural ventilation and sun protection in summer; B - the utilization of sun radia- tion for accumulation of energy in building construction elements during winter

A. B.

Rys. 2. Budynek o układzie dostawionej, pionowej strukturze szklanej: A - system żaluzji umiesz- czony na zewnątrz przeszklonej struktury, Freiburg; B - system żaluzji w przestrzeni międzypowło- kowej, Wiedeń. Fot.: J. Biedrońska

Fig. 2. Building with adjacent, vertical glass structure: A – system of blindes placed outside of the glass structure, Freiburg; B - system of blinds placed within the glass structure, Vienna. Photo: J. Biedrońska

W przegrodach spełniających wymogi energetyczne musi następować infil- tracja zapewniająca optymalną wymianę powietrza we wnętrzach w sposób pozwalający na ograniczenie strat ciepła i utrzymanie należytych parametrów mikroklimatu w pomieszczeniach. Dodana struktura szklarniowa poddana inso- lacji warunkuje zyski cieplne z promieniowania słonecznego zimą zmagazyno- wane w elementach konstrukcyjnych a zamknięta przestrzeń międzypowłokowa pełni rolę bufora cieplnego w tym okresie. Systemy kształtowania przestrzeni międzypowłokowej, ich położenie, wielkość i rodzaj otworów dostosowanych do przepływu powietrza mają różny wymiar w specyfikacji budynków o po- dwójnej fasadzie. Ich koncepcje polegają na zastosowaniu dwóch zewnętrznych szklanych powłok odsuniętych od siebie w odległości od 25cm do 90cm i większej mogących stanowić przestrzeń użytkową, np drogę ewakuacyjną czy strefę rekreacyjną.

3.2. Struktura szklarniowa w formie arkady słonecznej

Szczególnym przypadkiem rozwiązania przestrzeni dwupowłokowej jest arkada słoneczna, której fasada pochylona jest pod kątem. Uważa się, że inspi- racją do zaprojektowania arkady stała się dziewiętnastowieczna architektura ogrodowa. Zastosowana zasada ukształtowania południowej elewacji w formie słonecznej arkady w budynkach administracyjnych Fabryki Ogniw Słonecznych w Gelsenkirchen oraz podobna w swych założeniach projektowych Solar Fabrik we Freiburgu była przytaczaną często literaturowo realizacją w latach 90-tych XX wieku. Szklany system osłonowy nachylony pod kątem 73 stopni dostoso- wany jest do kierunku padania promieni słonecznych zimą. W okresie tym ar- kada pełni rolę bufora termicznego stanowiąc skuteczną ochronę przed przema- rzaniem w okresie grzewczym i jednocześnie rolę kolektora ciepła, gdy efekt szklarniowy umożliwia pasywne zyski ciepła magazynowane w żelbetowych elementach konstrukcyjnych. W lecie zaś w systemie pasywnym istotną rolę odgrywa ochrona przeciwsłoneczna wykorzystująca elementy skutecznie chro- niące przed przegrzaniem oraz przewietrzanie termicznie oddzielonej od bu- dynku przestrzeni przeszklonej. Naturalna wentylacja odbywa się na zasadzie konwekcji uzyskanego z nasłonecznienia ciepła a następnie za pośrednictwem otworów i kanałów cyrkulacyjnych przekazana do wnętrza i wyprowadzona na zewnątrz. Zasysane przez dolne otwory chłodne powietrze dostaje się do środka a następnie ogrzane przez słońce powietrze unosi się do góry i wyprowadzone zostaje na zewnątrz górnymi otworami. Następuje wymiana powietrza oraz naturalny ruch jego mas ku górze bez zewnętrznych urządzeń wymuszających.

Dodatkowo innowacyjność obu koncepcji polega na zintegrowaniu pasywnych sposobów wykorzystania energii słonecznej z wprowadzeniem aktywnych sys- temów w tym wypadku elementów fotowoltaicznych wykorzystujących słońce do produkcji energii elektrycznej na potrzeby obiektu [4].

A. B.

Rys. 3. Schematy: A- wentylacji naturalnej i ochrony przeciwsłonecznej latem, B -wykorzystania energii promieniowania słonecznego do akumulacji ciepła w elementach konstrukcyjnych zimą.

Fig. 3. Charts: A - natural ventilation and sun protection in summer; B - the utilization of sun radiation for accumulation of energy in construction elements during winter

Przykładem strategii pasywnego wykorzystania energii w budownictwie jednorodzinnym przy wykorzystaniu pochyłej struktury szklanej jest osiedle szeregowej zabudowy w Riedholz w Szwajcarii (2011) projektu Aarplan Archi- tekten AG (Rys. 4, 5).

A. B.

Rys. 4. Osiedle słoneczne Riedholz, Szwajcaria, Aarplan Architekten AG, A - Rzut zabudowy szeregowej; B - Przekrój Osiedla słonecznego źródło:

http://www.aarplan.ch/gebaut/siedlungsbau/solarsiedlung-riedholz/ dostęp 26.03.2014

Fig. 4.The Sunny Estate Riedholz, Switzerland, Aarplan Architekten AG, A - plan of buildings;

B –Section of Sunny Estate buildings. Source:

http://www.aarplan.ch/gebaut/siedlungsbau/solarsiedlung-riedholz/ dostęp 26.03.2014

Rys.5. Widok budynków Osiedla Słonecznego Riedholz Fig.5. View of Sunny Estate buildings Riedholz. Source:

http://www.aarplan.ch/gebaut/siedlungsbau/solarsiedlung-riedholz/ dostęp 26.03.2014

Rys. 6. Widok budynków Osiedla Słonecznego Niederscherli Fig. 6. View of Sunny Estate buildings Niederscherli. Source:

http://www.aarplan.ch/gebaut/siedlungsbau/ dostęp 26.03.2014,

Powstałe „słoneczne osiedla” w Zallikofen (1995), Niederscherli (2004), Innerberg (2006) przedstawiają tę samą zasadę kształtowania przeszklonej ar- kady, co we Freiburgu i Gelsenkirchen, reprezentują mniejszą skalę i są konty- nuacją architektonicznej myśli gospodarowania energią odnawialną w budynku.

System ogrzewania wykorzystuje bierny sposób pozyskiwania energii cieplnej ze słońca. Nachylona pod kątem 60 stopni przeszklona fasada ogrodu zimowe- go skierowana jest na południe. Betonowe ściany i stropy stanowiące strukturę budynku pełnią rolę magazynów ciepła zakumulowanego w ciągu zimowego dnia. W gorącej porze roku do chłodzenia budynku wykorzystane jest zimne nocne powietrze zasysane w północnej części budynku i kanałem przesłane do ogrodu zimowego. W ciągu dnia przy silnym natężeniu promieniowania sło- necznego, aby uniknąć przegrzania, szyby są osłaniane tekstylnymi roletami a otwory dolne i górne są otwarte by umożliwić naturalną wentylację. Nazwa Słoneczne Osiedle („Solarsiedlung”) wywodzi się z maksymalnego wykorzy- stania energii słońca zarówno w pasywnym jak i aktywnym systemie. Oprócz południowego ukształtowania strefy przeszklonej arkady pełniącej rolę kolekto- ra ciepła, zastosowano elementy fotowoltaiczne, wykorzystujące energię słońca do produkcji prądu pokrywające zapotrzebowanie w 30% i kolektory słoneczne do ogrzewania wody [3].

3.3. Struktura szklarniowa w układzie pionowym, przylegającym - o nikłym stopniu insolacji

Przylegająca struktura szklarniowa znajdująca się po zacienionej stronie budynku, do której nie dochodzi bezpośrednio promieniowanie słoneczne, sta- nowi bufor termiczny pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a mikroklimatem wnętrza, powodując np. ograniczenie strat nagromadzonego ciepła w okresie zimy.

A. B.

Rys. 7. Struktura szklarniowa pełniąca rolę termobuforową: A - ściana północna budynku, Berlin;

B - wertykalna obudowa klatki schodowej, Drezno. Fot.: J. Biedrońska

Fig. 7. Greenhouse structure accomplishing the role of thermal buffer zone: A - the northern wall of the building, Berlin; B - the vertical casing of the staircase, Dresden. Photo: J. Biedrońska

W wyniku lokalizacji szklarni na obrzeżu budynku niezależnie od stron świata powstają przestrzenie termobuforowe, kurtyny cieplne, zmniejszające wymagania izolacyjne wewnętrznych fasad. W warunkach klimatu umiarkowa- nego zamknięcie przeszklonym buforem powoduje wzrost temperatury o min.

5^oC.

4. Podsumowanie

W warunkach klimatycznych Polski powinno się uwzględniać i promować projektowanie budynków pozyskujących ciepło słoneczne w pasywnym sposo- bie pozyskiwania energii. Istnieje silny związek między kształtowaniem prze- strzennym budynku a sposobem pasywnego ogrzewania i chłodzenia. W każ- dym przypadku należałoby przeanalizować koncepcję dodania struktury szklar- niowej, ukierunkowanej na słońce, bowiem jej kształt, wielkość, układ prze- strzenny mają korzystny wpływ na bilans cieplny budynku, jego racjonalną gospodarkę energetyczną oraz mikroklimat wnętrza. Struktura szklarniowa

w układzie przylegającym, stanowiąca całościową przegrodę, wydaje się być najefektywniejsza poprzez wykorzystanie zjawisk fizycznych przypisanych do pasywnego systemu pozyskiwania energii.

Literatura

[1] Biedrońska J.: Oszklona przestrzeń buforowa w systemie zysków pośrednich, Kie- runki rozwoju budownictwa energooszczędnego i wykorzystania odnawialnych źró- deł energii na terenie Dolnego Śląska, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocław- skiej, Wrocław 2013

[2] Chwieduk D.: Energetyka słoneczna budynku, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2011.

[3] Hugli A.: Solarsiedlung Riedholz- Maximaler Komfort be minimalem Energiever- brauch, Sonne, 2011, s. 6-7.

[4] Marchwiński J., Zielonko-Jung K.: Współczesna architektura proekologiczna, Wydaw- nictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.

[5] Marchwiński J. Aspekt użytkowy przestrzeni szklarniowych w budynkach biurowych i przemysłowych Część 2, Świat szkła 3/2005

[6] Zielonko-Jung K., Marchwiński J.: Łączenie zaawansowanych i tradycyjnych technolo- gii w architekturze proekologicznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012

AN OPPORTUNITY FOR SHAPING OF THE ADJACENT GREENHOUSE STRUCTURES AND THEIR INFLUENCE ON ENERGY MANAGMENT OF A BUILDING

S u m m a r y

The proposed method of designing and shaping of the greenhouse structures adjacent to a building represents a concept of energy barrier taking advantage of every innovative approach including the passive system of self-regulation of heat, sun protection, and natural air exchange dependent on sun exposure as well as matching the current Earth position. The discussed condi- tions determined the character of greenhouse space added to the buildings on the sunny side characterized as a passive collector of heat or on the other side with limited insolation as energy barrier. The added greenhouse structure exposed to insolation yields heat gains from sun radiation during the winter and stores the energy in the construction elements while the sealed glazed struc- tures act as thermal barrier. During summer the entire concept is reversed and the heat excess is removed from the building by combination of proper ventilation and sun protection techniques resulting in lowering building temperature. The greenhouse structure, which surrounds a building lowers the demand for energy and acts as modifier of the interior microclimate. The presented adjacent greenhouse structures were introduced with a perpendicular glass arrangement together with the sunny arcade along the space of the sunny elevation, which is the best way for sun radia- tion energy utilization. The examples of the buildings modified accordingly to the above- presented scenario became the basis for the heat balance analysis in the form of charts showing the relationship between the greenhouse structures and the passive energy systems. The presented paper stresses energy benefits from the use of the added glass glazed structures under the condi- tion of the moderate climate.

Keywords: energy barrier, greenhouse effect, energy benefit, buffer space, passive system

Przesłano do redakcji: 01.12.2014 r.

Przyjęto do druku: 22.06.2015 r.

DOI:10.7862/rb.2015.31

JOURNALOFCIVILENGINEERING,ENVIRONMENTANDARCHITECTURE JCEEA, t. XXXII, z. 62 (2/15), kwiecień-czerwiec 2015, s. 19-28

Estera BOŻEK¹

Mariusz FILIPOWICZ²

WYKORZYSTANIE TECHNIKI ŚLEDZENIA PROMIENIA DO MODELOWANIA

WYSOKOTEMPERATUROWYCH UKŁADÓW HELIOENERGETYCZNYCH

W niniejszym artykule przedstawiono wyniki symulacji komputerowych przepro- wadzonych w Katedrze Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego na Wydziale Energetyki i Paliw AGH w Krakowie. Wykonane prace dotyczą układu helioenerge- tycznego koncentrującego promieniowanie słoneczne i składającego się z dwóch elementów skupiających oraz elementu będącego odbiornikiem ciepła wysokotem- peraturowego. Ze względu na fakt, iż w układzie powstają dwa różne ogniska sku- pionych promieni, głównym celem badań było określenie najlepszego umiejscowie- nia absorbera. Przy wyborze odpowiedniego usytuowania kierowano się ilością ab- sorbowanej przez odbiornik energii świetlnej oraz ograniczoną wytrzymałością ma- teriałową odbiornika - rozkładem natężenia promieniowania na jego powierzchni.

Do przeprowadzenia opisanych symulacji wykorzystano zmodyfikowaną metodę śledzenia promieni, która zazwyczaj wykorzystywana jest do tworzenia realistycz- nych obrazów w grafice komputerowej. W badaniach oparto się na zmodyfikowanej o algorytm Monte Carlo metodzie, gdzie śledzone są wszystkie promienie wycho- dzące od źródła światła i znajdujące się na scenie optycznej, a nie tylko te, które tra- fiają do obserwatora jak to ma miejsce w przypadku klasycznego śledzenia promie- ni. W wyniku przeprowadzonych symulacji wygenerowano mapy i wykresy rozkła- du natężenia promieniowania absorbowanego przez powierzchnię odbiornika ciepła.

Wykonane analizy pozwoliły wywnioskować, że w przypadku opisanej w artykule instalacji helioenergetycznej najlepszym rozwiązaniem jest umiejscowienie odbior- nika ciepła o średnicy 18 cm w odległości 77 cm od powierzchni lustra skupiające- go. Otrzymane dane mają posłużyć w kolejnych badaniach jako warunki brzegowe drugiego rzędu w symulacjach komputerowych opartych na technice numerycznej mechaniki płynów CFD.

Słowa kluczowe: śledzenie promieni, koncentrator promieniowania słonecznego, Światło skupione, TracePro, symulacje komputerowe

1 Autor do korespondencji: Estera Bożek, AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, Kate- dra Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, tel. 0126173428, ebozek@agh.edu.pl

2 Mariusz Filipowicz, AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

1. Wstęp

Obecnie w Europie i na Świecie prowadzone są działania zmierzające do coraz większego wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Jest to spowodo- wane m.in. Dyrektywami jakie nakłada na kraje członkowskie Unia Europejska, gdzie nakazuje się zmniejszanie zużycia energii, ochronę środowiska, redukcję emisji gazów cieplarnianych a także promowanie i zwiększanie udziału OZE w sektorze energetycznym. Jednakże nie tylko Dyrektywy i inne przepisy prawne przyczyniają się do rozwoju technologii opartych na odnawialnych źró- dłach, jest to spowodowane również indywidualnym dążeniem użytkowników energii do niezależności energetycznej, zmniejszania rachunków czy też utoż- samiania się z ideą zrównoważonego rozwoju energetycznego. Dla małych i średnich obiektów (domy jedno- i wielorodzinne, szkoły, budynki użyteczno- ści publicznej, itp.) energetyka słoneczna jest jedną z najwygodniejszych, naj- tańszych i najbezpieczniejszych form produkcji ciepła i prądu.

W Katedrze Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego na AGH w Kra- kowie prowadzone są badania nad możliwościami wykorzystania mikro instala- cji opartej na skoncentrowanym promieniowaniu słonecznym. Sprawdzono, że badany typ instalacji może służyć do:

generacji energii mechanicznej poprzez wykorzystanie silnika Stirlinga, energii elektrycznej przy zastosowaniu ogniw fotowoltaicznych (wyższe wydajności),

transportu wzmocnionego światła w światłowodach.

Planowane są również prace mające na celu wykorzystanie skupionego światła słonecznego do produkcji chłodu, a także przeprowadzenia procesu zgazowania biomasy [1]. Podstawowym problemem w tego typu instalacjach jest jednak odpowiednie zaprojektowanie geometrii układu koncentrującego oraz odbiorników wysokotemperaturowego ciepła, które muszą charakteryzo- wać się wysoką sprawnością. Odpowiednim sposobem na projektowanie i te- stowanie instalacji w sposób stosunkowo tani i efektywny jest przeprowadzenie symulacji komputerowych. Na Świecie wykorzystuje się różne techniki symu- lacyjne w celu przeanalizowania propagacji światła w układach optycznych. Na przykład w pracy zaprezentowanej w [2] prowadzone są działania mające na celu zwiększanie efektywności rurowych kolektorów słonecznych. Natomiast w artykule [3] autor analizuje symulację układu świetlno-optycznego gdzie do oceny dokładności stosowanej metody wykorzystuje odbłyśnik. Również w Polsce prowadzone są podobne badania, np. takie jak przeprowadzone na Politechnice Warszawskiej opisane w [4] symulacje figury jasnych punktów, wykorzystywanej głównie do projektowania reflektorów.

W niniejszym artykule zaprezentowano wyniki symulacji układu koncen- trującego promieniowanie słoneczne, których głównym celem było wyznacze- nie miejsca, w którym powinien znajdować się odbiornik wysokotemperaturo- wego ciepła o określonych wymiarach, tak aby absorbował on jak największą

ilość promieniowania i jednocześnie aby rozkład natężenia światła był w miarę równomierny.

2. Stanowisko badawcze i metodyka

2.1. Opis rzeczywistego układu koncentrującego

Modelowana instalacja helioenergetyczna znajduje się na dachu budynku Katedry Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego na AGH w Krakowie rys.1. Szkice techniczne opisywanego urządzenia zaprezentowano na rysunku 2.

Rys. 1. Koncentrator promieniowania słonecznego na dachu Katedry ZRE na AGH w Krakowie. Widoczne są dwa elementy skupiające światło – lustro i talerz wyklejony folią refleksyjną [1]

Fig. 1. Solar radiation concentrator placed on the roof of Sustainable Energy Department building, AGH in Krakow. Two elements focus- ing lights are visible – mirror and bowl lined with reflective foil [1]

Instalacja skupiająca światło zbudowana jest z talerza paraboloidalnego o średnicy 1800 mm wyklejonego refleksyjną folią oraz osadzonego na nim lustra o nieco innej geometrii (średnica 1200 mm). Lustro odsunięte jest od czaszy koncentratora o odległość 26 mm co w połączeniu z niewielką różnicą w geometrii obu elementów koncentrujących powoduje powstawanie dwóch ognisk skupionych promieni.

Urządzenie śledzi położenie słońca za pomocą algorytmu astronomiczne- go, dzięki czemu promienie słoneczne padają na koncentrator pod kątem pro- stym. Elementami wykonawczymi całej instalacji są dwa siłowniki liniowe obracające czaszą w dwóch płaszczyznach – azymutu i elewacji [1].

Rys. 2. Rysunki techniczne koncentratora [1]

Fig. 2. Technical drawing of solar concentrator [1]

2.2. Metodyka symulacji komputerowych

Promieniowanie słoneczne jest niewidzialne, co sprawia, że projektowanie układów helioenergetycznych jest dość trudne. Symulacje komputerowe pozwa- lają przewidzieć drogę promieni. Jeszcze zanim nastąpi rzeczywista realizacja układu możliwe jest wskazanie miejsc gdzie następuje np. niechciane odbicie czy też wyznaczyć intensywność promieniowania w dowolnym miejscu układu, co czasem w trakcie badań rzeczywistego stanowiska badawczego jest niemoż- liwe.

W celu zbadania opisanego układu optycznego koncentrującego promie- niowanie słoneczne wykorzystano oprogramowanie firmy Lambda Research o nazwie TracePro. Jest to narzędzie umożliwiające symulowanie propagacji światła i uwzględnia podstawowe zjawiska optyki takie jak absorpcja, odbicie, załamanie, dyfrakcja, rozpraszanie. Program wykorzystuje zmodyfikowaną technologię Ray Tracing opartą na metodzie Monte Carlo. Śledzenie odbywa się nieco inaczej niż w przypadku standardowego zastosowania metodyki w grafice komputerowej gdzie istotne są jedynie te promienie, które trafiają do oka obserwatora. W TracePro rozpatrywana jest droga wszystkich promieni wyemitowanych przez źródło światła. Zastosowana w algorytmie metoda Mon- te Carlo powoduje, że promienie emitowane są w sposób losowy z różnych punktów źródła światła.

Rys. 3. Widok modelu bryłowego symulowanego układu wykonany w programie SolidWorks Fig. 3. Solid model of the simulated system made in SolidWorks software

Pierwszym krokiem w pracy z opisanym oprogramowaniem jest zaimpor- towanie wcześniej przygotowanego modelu bryłowego. Możliwe jest również wykonanie prostych brył bezpośrednio w TracePro. W pracach zaprezentowa- nych w niniejszym artykule do wykonania projektu posłużono się programem SolidWorks, gdzie wykonane zostały bryły: koncentratora (dwa elementy sku- piające), odbiornika ciepła wysokotemperaturowego o średnicy 180 mm (absor- ber promieniowania) oraz źródła światła – model przedstawiono na rysunku 3.

Zaimportowanym bryłom nadano odpowiednie właściwości materiałowe i powierzchniowe. Jako materiał na czaszę koncentratora oraz odbiornik ciepła wybrano aluminium, natomiast dla lustra wybrany został jeden z rodzajów szkła wykorzystywany w optyce helioenergetycznej. Powierzchnia całego koncentra- tora określona została jako standardowe lustro o refleksyjności 90%. Element absorbujący scharakteryzowano jako powierzchnię pomalowaną czarną farbą.

Dla powierzchni symulującej źródło światła słonecznego wpisano zakres spek- tralny promieniowania od 0 nm do 1400 nm. W badaniach układu zmieniano położenie odbiornika ciepła i generowano mapy rozkładu natężenia promienio- wania na jego powierzchni.

Na rysunku 4 przedstawione jest okno programu TracePro z prześledzoną już drogą promieni. Dla takiego widoku, aby nie zaciemniać całego obrazu wy- generowano zaledwie 300 promieni. Natomiast w przypadku tworzenia map natężenia światła generowanych było 50 000 promieni świetlnych.

Rys. 4. Wynik symulacji układu koncentrującego – wygenerowane 300 promieni Fig. 4. Simulation result of the focusing system – generated 300 rays

3. Wyniki symulacji

Pierwszą symulację przeprowadzono bez odbiornika ciepła – na scenie op- tycznej znajdował się jedynie koncentrator promieniowania słonecznego i źró- dło światła. W wyniku wykonanych symulacji widać, że pojawiają się dwa ogniska skupienia promieni, jedno od talerza - F1 oraz drugie od lustra - F2 rys.5. Ponadto zauważyć można, że ogniska te są nieco rozmyte co jest spowo- dowane zjawiskiem aberracji chromatycznej. Zanim promienie zostaną odbite od refleksyjnego srebra w lustrze przechodzą przez warstwę szkła co powoduje pewne przesunięcie wychodzących promieni o różnych długościach fal (różne współczynniki załamania światła dla różnych długości fal z widma promienio- wania słonecznego).

Rys. 5. Wynik symulacji z widocznymi dwoma ogniskami skupienia promieni F1 i F2 Fig. 5. Simulation results – two focal points are visible (F1, F2)

W kolejnym kroku do modelu wprowadzono odbiornik ciepła. Absorber ustawiany był w kilku wybranych miejscach w pobliżu ognisk:

w ognisku F1 znajdującym się w odległości 70 cm od powierzchni lustra, w odległości 60 cm od powierzchni lustra (przed ogniskiem F1),

w odległości 59 cm od powierzchni lustra (przed ogniskiem F1), w odległości 75 cm od powierzchni lustra (między ogniskami), w odległości 76 cm od powierzchni lustra (między ogniskami), w odległości 77 cm od powierzchni lustra (między ogniskami).

W wyniku symulacji wygenerowano mapy natężenia promieniowania na absorberze oraz wykresy rozkładu tego natężenia w dwóch osiach na po- wierzchni absorbera (pionowej i poziomej) - rys. 6 i rys. 7.

Rys. 6. Mapy i wykresy rozkładu natężenia promieniowania zaabsorbowanego przez odbiornik umieszczony w odległości: 70 cm, 60 cm i 59 cm od powierzchni lustra

Fig. 6. Irradiance maps and graphs of flux absorbed by heat exchanger placed in 70 cm, 60 cm, 59 cm from mirror surface

Maksymalną całkowitą absorpcję natężenia światła w przykładach przedsta- wionych na rysunku 6 otrzymano w przypadku odbiornika umieszczonego w od- ległości 70 cm od powierzchni lustra. Jednak ułożenie to nie jest korzystne ze względu na rozkład natężenia – wszystkie promienie skupione są na bardzo małej powierzchni, co ze względu na wytrzymałość materiałową i wymianę ciepła z czynnikiem roboczym stanowiłoby poważny problem. Sprawdzono, że w odle- głości ok. 59 cm absorber pochłania całe promieniowanie z ogniska F2, przy czym rozkład natężenia w tym przypadku jest znacznie korzystniejszy. Należy mieć jednak na uwadze fakt, że koncentrator nie śledzi położenia słońca w sposób ciągły a w pewnych zadanych odstępach czasowych. Aktualnie, kąty elewacji i azymutu w badanej instalacji mogą być korygowane nie częściej niż co minutę.

Dlatego wykonano również symulację układu dla absorbera umiejscowionego w odległości 60 cm od powierzchni lustra. W tym przypadku podobnie jak dla 59 cm natężenie światła jest wysokie, ale powierzchnia absorbera nie jest całko- wicie zapełniona – pozostaje pierścień o szerokości ok. 1 cm. Jest to obszar, który może zostać wykorzystany w przypadku, gdy ognisko będzie „uciekało” na sku- tek chwilowego braku śledzenia położenia Słońca. Jednak w każdym z powyż- szych przypadków nie wychwycono całkowitego promieniowania odbijanego od powierzchni koncentratora, a jedynie część skupiającą się w ognisku F2. Ponadto, dla odbiornika odsuniętego od koncentratora o 59 cm i 60 cm, widoczne jest, że promieniowanie nie pada na jego środek - powierzchnia ok. 12 cm² jest niewyko- rzystana. Jest to spowodowane cieniem rzucanym przez sam odbiornik ciepła.

Na rysunku 7 zaprezentowano z kolei mapy i rozkład natężenia promie- niowania dla absorbera umieszczonego pomiędzy dwoma ogniskami tj. w odle- głościach 75, 76 i 77 cm od powierzchni lustra.

Rys. 7. Mapy i wykresy rozkładu natężenia promieniowania zaabsorbowanego przez odbiornik umieszczony w odległości: 75 cm, 76 cm i 77 cm od powierzchni lustra

Fig. 7. Irradiance maps and graphs of flux absorbed by heat exchanger placed in 75 cm, 76 cm, 77 cm from mirror surface

W przypadku absorbera odsuniętego od powierzchni lustra o odległość 75 cm pada na niego promieniowanie z ogniska F2 oraz część promieniowania odbitego od czaszy koncentratora. W tym przykładzie zaabsorbowane zostało ok. 40% promieniowania więcej niż w przypadku absorberów umiejscowionych w odległościach 59, 60 i 70 cm od powierzchni lustra. Jednak rozkład natężenia promieni jest podobny jak w przypadku odbiornika odsuniętego na odległość 70 cm tj. prawie całe promieniowanie skupione na powierzchni ok. 12 cm². Najlepszy pod kątem zaabsorbowanej ilości promieniowania wynik otrzymano dla absorbera umieszczonego w odległości 76 cm od powierzchni lustra.

W takim przypadku do powierzchni odbiornika dociera prawie całe promienio- wanie odbite od koncentratora. Aby pojawiło się dodatkowe miejsce dla ogni- ska, które będzie się nieco przemieszczało na wskutek skokowego trybu śledze- nia położenia Słońca, wykonano symulację w której absorber odsunięty jest o 77 cm od powierzchni lustra. W mapie rozkładu natężenia zaabsorbowanego promieniowania widać, że na zewnętrznej części absorbera pozostaje wolny pierścień o szerokości ok. 1cm. Ponadto, miejsce to okazało się być lepszym nie tylko ze względu na pozostawione wolne pole, ale również ze względu na roz-

kład natężenia promieniowania na powierzchni absorbera. W przypadku od- biornika umiejscowionego bliżej talerza tj. w odległości 76 cm występuje bar- dzo duży pik na środkowej części absorbera o wielkość ok. 778 kW/m². Nato- miast w przypadku odbiornika odsuniętego od lustra o dodatkowy centymetr (77 cm od powierzchni koncentratora) wielkość ta wynosi 429 kW/m², a roz- kład natężenia promieniowania na powierzchni odbiornika jest bardziej równo- mierny. Na podstawie przeprowadzonych symulacji można więc wnioskować, że najkorzystniejszym rozwiązaniem jest umieszczenie odbiornika ciepła wyso- kotemperaturowego w odległości 77 cm od powierzchni lustra.

4. Wnioski

Ze względów finansowych symulacje komputerowe mają coraz większe znaczenie. Dzięki ich wykorzystaniu możliwe jest nie tylko odpowiednie zapro- jektowanie instalacji, ale także znalezienie błędów konstrukcyjnych i zapropo- nowanie odpowiednich ulepszeń już istniejących układów. Ponadto wykorzy- stanie techniki śledzenia promieni pozwala na wyznaczenie wielkości, które w rzeczywistym układzie są czasem niemożliwe do zmierzenia.

Przeprowadzone symulacje komputerowe miały na celu przede wszystkim wyznaczenie miejsca, w którym powinien zostać umiejscowiony absorber pro- mieniowania w rzeczywistej instalacji helioenergetycznej. Przy wyborze odpo- wiedniego usytuowania kierowano się ilością absorbowanego promieniowania oraz rozkładem natężenia światła na powierzchni absorbera, aby był on jak naj- bardziej równomierny ze względu na wytrzymałość materiału oraz efektywność wymiany ciepła z czynnikiem roboczym.

Otrzymane wyniki posłużą do dalszej pracy w projektowaniu instalacji wykorzystującej skoncentrowane promieniowanie słoneczne. Planowane jest zwłaszcza wykorzystanie tych danych do przeprowadzenia komputerowych symulacji przepływu czynnika wewnątrz odbiornika ciepła. Przedstawione w niniejszym artykule za pomocą wykresów dane posłużą jako warunki brze- gowe drugiego rodzaju tj. Neumana, gdzie konieczne jest wprowadzenie roz- kładu gęstości strumienia na powierzchni, a temperatura ścianki nie jest znana.

Modelowanie to będzie przeprowadzane w oparciu o numeryczną mechanikę płynów tj. CFD (Computational Fluid Dynamics) w programie Ansys. Dopiero wtedy okaże się, który rozkład padającego promieniowania będzie najkorzyst- niejszy z punktu widzenia przekazu ciepła do medium roboczego.

Praca wykonana w ramach działalności statutowej WEiP, AGH

„Badania uwarunkowań zrównoważonego rozwoju energetycznego”

Literatura

[1] Filipowicz M., Wajss P., Tomski M., Szubel M., Sornek K, Gastoł M., Bożek E.:

Wykorzystanie skoncentrowanego promieniowania słonecznego w warunkach pol- skich, Rynek Instalacyjny 12/2012, s.30-32.

[2] Gerardo Diaz, , Numerical simulations of evacuated – tube solar collectors, Solar Energy: Today and Tomorrow, School of Engineering, University of California, Merced, 2008.

[3] Zajkowski M., Metoda Monte Carlo w obliczeniach odbłyśników obrotowo syme- trycznych o odbiciu równomiernie rozproszonym, Przegląd Elektrotechniczny, nr 4, 2003, s. 285-286

[4] Sawicki D., Wybrane problemy symulacji figury jasnych punktów z wykorzysta- niem metody śledzenia promieni, Prace naukowe Politechniki Warszawskiej, Elek- tryka, 2007, s.4-10.

RAY TRACING METHOD IN MODELING HIGH-TEMPERATURE HELIOS ENERGY SYSTEMS

S u m m a r y

This article presents the results of computer simulations performed on the Department of Sustainable Energy in the Faculty of Energy and Fuels in The University of Science and Technol- ogy in Krakow. Results concern the Helios energy system that concentrates solar radiation. The installation consist of two focusing elements and the high temperature heat exchanger. Due to the fact that system generates two different focal points, the main purpose of the study was to deter- mine the best location of the absorber. The amount of light energy absorbed by heat exchanger and intensity distribution of radiation on its surface (material strength) was taken into account.

Ray tracing method which is usually used to create realistic images in computer graphics was used to simulate the system. The research are based on a modified by Monte Carlo algorithm method. It consists in the fact that all rays coming from the light source and located on the optical scene are traced and not only those that go to the observer (as it is in classical ray tracing). As a result of performed simulation maps and charts of intensity distribution of radiation absorbed by the surface of the heat exchanger were generated. The analyzes allowed to conclude that the best solution for described installation is to place the heat exchanger at a distance of 77cm from mirror surface. Received data will be used in future studies as Neumann boundary conditions in the computer simulations based on the technique of computational fluid dynamics.

Keywords: ray tracing, solar radiation concentrator, concentrated light, TracePro, computer simulations

Przesłano do redakcji: 19.12.2014 r.

Przyjęto do druku: 22.06.2015 r.

DOI:10.7862/rb.2015.32

JOURNALOFCIVILENGINEERING,ENVIRONMENTANDARCHITECTURE JCEEA, t. XXXII, z. 62 (2/15), kwiecień-czerwiec 2015, s. 29-38

Dorota A. CHWIEDUK¹

WYBRANE PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA MATERIAŁÓW PCM W BUDOWNICTWIE

Istnieją różne możliwości ograniczenia wpływu oddziaływania środowiska na wnętrze budynku, a w konsekwencji na ograniczenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania lub chłodzenia. Jedną z innowacyjnych metod jest zastosowanie materiałów zmienno-fazowych tzw. PCM (Phase Change Materials), zintegrowa- nych ze strukturą budynku. W referacie zawarto wybrane informacje dotyczące stosowania materiałów zmiennofazowych PCM w budownictwie, a także przed- stawiono wyniki własnych analiz. Efektywne zwiększenie pojemności cieplnej budynku, bez zwiększania jego masy, a wręcz zmniejszając ją, można osiągnąć poprzez zastosowanie rozważanych materiałów zmiennofazowych. Materiały PCM stosowane w budownictwie ulegają przemianie fazowej (topnienie- zestalanie) o bardzo dużej entalpii przemiany, zachodzącej w zakresie zmian tem- peratury w pomieszczeniu. Materiały te są w stanie przejąć duży strumień ciepła nieznacznie tylko zmieniając swoja temperaturę. W referacie przedstawiono pod- stawowe technologie integracji materiałów zmiennofazowych z materiałami bu- dowlanymi. Na podstawie opracowanego modelu matematycznego procesów cieplnych zachodzących w zewnętrznych przegrodach budowlanych zawierają- cych materiał PCM przeprowadzono obliczenia symulacyjne dynamiki procesów cieplnych zachodzących w takich przegrodach w zmiennych warunkach otoczenia zewnętrznego z uwzględnieniem oddziaływania promieniowania słonecznego.

W referacie przedstawiono interpretację graficzną wybranych wyników analiz symulacyjnych zachowania się przykładowej przegrody nieprzezroczystej i prze- zroczystej obudowy budynku. Na podstawie wyników tej analizy sformułowano wnioski co do celowości stosowania pewnych rozwiązań strukturalno – materia- łowych obudowy budynku zawierających materiały PCM w naszych warunkach klimatycznych.

Słowa kluczowe: PCM, przegrody przezroczyste, symulacja komputerowa

1. Wprowadzenie

Wpływ czynników środowiska zewnętrznego, takich jak temperatura po- wietrza, opady, wiatr, wilgotność i promieniowanie słoneczne na bilans energe- tyczny budynku zależy od tego gdzie jest on zlokalizowany, jak został zaprojek-

1 Dorota A. Chwieduk, dr hab. inż., prof. PW; Politechnika Warszawska, MEiL, Instytut Techniki Cieplnej, ul. Nowowiejska 21/25, 00-665 Warszawa; dchwied@itc.pw.edu.pl

towany i wykonany. Oddziaływanie środowiska zewnętrznego dotyczy całej obudowy. Zależy od konstrukcji, struktury i materiałów, z których przegroda jest wykonana. Istotne jest także umieszczenie poszczególnych elementów obu- dowy względem siebie. Przegroda może być pełna o jednej powierzchni ze- wnętrznej, lub też może składać się z kilku różnych elementów o zróżnicowa- nych powierzchniach, np. ściana zewnętrzna z oknem, drzwiami, balkonem itp.

W konsekwencji przepływ ciepła przez całą przegrodę, jak i jej poszczególne elementy jest zróżnicowany. Znaczenie ma też rodzaj powierzchni zewnętrznej przegrody w odniesieniu do jej parametrów optycznych i cieplnych. Przegroda lub jej powierzchnia może być przezroczysta i charakteryzować się jej właściwą transmisyjnością, absorpcyjnością i refleksyjnością dla promieniowania sło- necznego, lub nieprzezroczysta i wtedy jej własności opisuje jedynie absorpcyj- ność i refleksyjność dla promieniowania słonecznego. Dowolna powierzchnia wykazuje także określone cieplne własności radiacyjne wyrażone jej absorpcyj- nością i emisyjnością cieplną. Wskutek oddziaływania środowiska zewnętrzne- go na budynek może wystąpić mniej lub bardziej znaczące zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania lub na chłód.

Istnieją różne możliwości ograniczenia wpływu oddziaływania środowiska na wnętrze budynku, a w konsekwencji na ograniczenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania lub chłodzenia. Jedną z innowacyjnych metod jest zasto- sowanie materiałów zmienno-fazowych tzw. PCM (Phase Change Materials), zintegrowanych ze strukturą budynku. Zainteresowanie tą nową technologią energetyczno – budowlaną jest ostatnio bardzo duże, i to zarówno od strony prowadzonych prac naukowo- badawczych, jak i gotowych produktów dostęp- nych na rynku [1], [2], [3].

2. Rola materiałów zmiennofazowych wbudowanych w strukturę budynku

Materiały zmiennofazowe PCM są wykorzystywane do zwiększenia po- jemności cieplnej materiałów budowlanych. Ograniczenie przepływu ciepła przez przegrody zewnętrzne jest osiągane zarówno dzięki stosowaniu materia- łów o dużej oporności cieplnej, tj. o wysokiej izolacyjności cieplnej, jak i mate- riałów o dużej pojemności cieplnej. Te drugie powinny być wykorzystywane nie tylko na przegrody zewnętrzne, w szczególności na ich wewnętrzną war- stwę, ale także na wewnętrzne. Rolę materiałów magazynujących mogą pełnić materiały PCM, z reguły są to kompozyty materiałów budowlanych, które w swoim składzie zawierają materiały zmiennofazowe. Do rozpowszechnienia stosowanie materiałów PCM w budownictwie przyczyniły się problemy z efek- tywnym wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego. Podstawowym problemem związanym z wykorzystaniem tej energii jest bowiem jej okreso- wość oraz niekoherentność pomiędzy czasem i wielkością promieniowania sło- necznego, a czasem i wielkością obciążeń grzewczych. Dlatego też tak istotne

przy wykorzystaniu energii promieniowania słonecznego jest magazynowanie pozyskanego ciepła zarówno w skali krótko, jak i długoterminowej. Ciepło po- wstające w wyniku konwersji fototermicznej zachodzącej w elementach obu- dowy budynku jest w nich magazynowane przez różny okres czasu w zależno- ści od ich pojemności cieplnej. Wykorzystywana jest w tym przypadku zdol- ność danego materiału do magazynowania ciepła wyznaczona przez jego ciepło właściwe. Ciepło właściwe jest wyrażane w kJ/(kgK) i opisuje ciepło możliwe do zmagazynowania przez 1 kg danego materiału przy różnicy temperatury 1 K.

Pojemność cieplną opisuje poza ciepłem właściwym danego ośrodka także gę- stość i objętość danego materiału. W krajach wyższych szerokości geograficz- nych stosuje się masywne przegrody zewnętrzne i często wewnętrzne, dużych rozmiarów i o dużym ciężarze (duża gęstość), w celu zapewnienia dużej pojem- ności cieplnej.

Efektywne zwiększenie pojemności cieplnej budynku, bez zwiększania je- go masy, a wręcz zmniejszając ją, można osiągnąć poprzez zastosowanie roz- ważanych materiałów zmiennofazowych. Duża pojemność cieplna tych materia- łów jest wynikiem ich zdolności do akumulowania dużej ilości ciepła przy względnie stałej temperaturze, przy której pozostają w stanie ciekłym. W skutek przemiany fazowej zestalania do otoczenia oddawane jest ciepło utajone. Mate- riały PCM stosowane w budownictwie charakteryzują się zdolnością do pochła- niania ciepła, będąc w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej. Gdy tempera- tura w pomieszczeniu spada, np. nocą, zachodzi wspomniana przemiana fazowa zestalania i ciepło jest oddawane do otoczenia, czyli występuje funkcja ogrze- wania pomieszczenia. Natomiast w ciągu dnia, gdy temperatura wzrasta na sku- tek oddziaływania promieniowania słonecznego, zachodzi przemiana topnienia.

W czasie przemiany z fazy stałej do ciekłej, fazy topnienia, ciepło jest pobiera- ne z otoczenia, czyli występuje chłodzenie pomieszczenia. Metoda stosowania materiałów PCM do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń została zapropono- wana już w latach 70-tych ubiegłego wieku, jednak wyraźny postęp w jej wdra- żaniu obserwuje się dopiero w ostatnich latach. Bowiem dopiero niedawno opracowano technologie wytwarzania trwałych elementów budowlanych z ma- teriałami PCM.

Materiały zmiennofazowe są wykorzystywane do pełnienia aktywnych funkcji energetycznych. Powinny one bowiem podlegać cyklicznej przemianie fazowej, pochłaniając ciepło, gdy jest jego nadmiar w pomieszczeniu, i uwal- niając ciepło, gdy jest na nie zapotrzebowanie. Przemiany pochłaniania i uwal- niania ciepła powinny być wymuszane przez czynniki naturalne. Czynnikami takimi w ciągu dnia jest wspomniane oddziaływanie promieniowania słonecz- nego i wysoka temperatura, która jest konsekwencją oddziaływania promienio- wania słonecznego, ale może także wynikać z dużej mocy wewnętrznych źródeł ciepła, urządzeń elektrycznych, w szczególności komputerów. Wysoka tempe- ratura powoduje topnienie materiału. Z kolei nocą niska temperatura co powo- duje zestalenie materiału.

W przypadku materiałów PCM wbudowanych w strukturę budynku, mate- riały takie mogą być częścią tradycyjnych materiałów budowlanych: betono- wych, gipsowych, pustaków, lub tworzyć swoiste zasobniki ciepła w wolnych przestrzeniach struktury budynku. Stosowanie materiałów PCM poprawia bi- lans cieplny budynku w cyklu całorocznym, dzięki umożliwieniu w ciągu dnia magazynowania energii słonecznej w elementach budynku, takich jak ściany, posadzki i stropy, lub innych specjalnie zaprojektowanych zasobnikach, i od- dawaniu zmagazynowanego ciepła do pomieszczeń z przesunięciem fazowym, nocą. Zjawiska te mogą służyć zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia budyn- ków.

3. Analiza przepływu ciepła przez przegrody zewnętrzne z materiałem PCM na podstawie symulacji komputerowej zachodzących zjawisk

Badania dotyczące stosowania materiałów PCM zintegrowanych z obudo- wą budynku prowadzone są od wielu lat w różnych ośrodkach badawczych.

W ramach prac prowadzonych przez autorkę badano procesy zachodzące w nieprzezroczystej przegrodzie zewnętrznej z wkomponowanym materiałem PCM [4]. W tym opracowaniu przeprowadzono rozważania dotyczące przegród przezroczystych, co jest rzadko przedmiotem publikowanych prac badawczych.

Rozważane są przegrody przezroczyste zintegrowane z lekkim panelem pojemnościowym z PCM. Obliczenia symulacyjne przeprowadzono dla prze- gród o różnej strukturze zawierającej materiał zmiennofazowy. Rozważane panele z PCM są dostępne na rynku w postaci płyt o nazwie Energain (firmy Dupont), który zawiera 60% wosku parafiny. Jego podstawowe parametry ter- mofizyczne przedstawiają się następująco:

− temperatura topnienia 21,7 ⁰C,

− ciepło przemiany fazowej 70 kJ/kg,

− ciepło właściwe fazy stałej 2,2 kJ/(kgK),

− gęstość 856 kg/m³,

− przewodność cieplna fazy stałej 0,18 W/(m K),

− przewodność cieplna fazy ciekłej 0,14 W/(m K).

Przeprowadzono obliczenia symulacyjne przepływu ciepła przez przezro- czyste elementy obudowy budynku z potencjalnym zastosowaniem elewacyj- nych elementów z PCM. Rozważane przezroczyste elewacyjne elementy obu- dowy stanowią przegrody słoneczne pasywne. Przegrody pasywne będące przedmiotem rozważań są przegrodami tzw. zysków bezpośrednich, czyli pro- mieniowanie słoneczne dociera do wnętrza budynku bezpośrednio jako fala elektromagnetyczna w stopniu zależnym od transmisyjności tej przegrody.

Rozważane przegrody są wielowarstwowe. Składają się z przeszkleń i warstw z materiałem PCM, w różnych ich konfiguracjach. Rozważane przegrody jako