ściany kolektorowe z podwójną pułapką cieplną - badania w sezonie 2014-2015 r.

W tym roku zrezygnowaliśmy z dalszych prac nad ścianami wodnymi i zajęliśmy się koncepcją ścian z   „podwójną  pułapką cieplną”. Pierwsza pułapka to efekt szklarniowy, czyli szyby przepuszczające promieniowanie krótkofalowe, a nieprzezroczyste dla długofalowego. Druga to szczelina wentylacyjna wyposażona w zawory konwekcyjne, czyli przegroda mająca mały opór cieplny w dzień i duży w nocy. 

Fot.1 Budynek testowy. Dach pokryty ziemią i matą kokosową. Kolektory to skrajne pola: dwa z lewej i trzy z prawej strony.

 

Kolektory były zamontowane w niezamieszkanym i nieogrzewanym budynku parterowym, o powierzchni 42 m2, z całkowicie przeszkloną ścianą południową (orientacja –5 stopni od kierunku PD), przy czym okna zajmowały powierzchnię ok. 7,6 m2, zaś kolektory 8,6 m2 przy 22,1m2 powierzchni całej ściany. Warunki otoczenia – bardzo dobre, to znaczy znikome zacienianie, tylko przez oddalone o około 35m budynki 1,5 kondygnacji. Pomiar energii promieniowania słonecznego był prowadzony przy użyciu solarymetru z czujnikiem firmy Kipp-Zonen  ustawionego w pionie, równolegle do płaszczyzny badanej ściany, na maszcie o wysokości przewyższającej obiekty w otoczeniu. Mierzono moc promieniowania co 5 min. po czym przeliczano je na interwał ½ godziny, w którym były dokonywane pomiary temperatur i prowadzone obliczenia. Rejestrowano temperatury: zewnętrzną, wewnętrzną na poziomach: przy podłodze, na ok.1.5 m oraz pod sufitem. Do celu szczegółowych analiz były też rejestrowane temperatury w szczelinach ścian, na kilku poziomach. Zwykle pracowało 10 rejestratorów temperatury o dokładności 0,1 K.

 

Rys.1.   Zmiany temperatury w nieogrzewanym budynku testowym ze ścianami kolektorowymi, druga połowa lutego 2015 r. Linia zielona to zmierzona temperatura wewnętrzna na wysokości 1,5 m, zaś czerwona to teoretyczna, policzona na podstawie zmierzonych współczynników. Na wykresie widać efekt małej pojemności cieplnej budynku i niekorzystnych jego proporcji – budynek parterowy, o małej powierzchni ( 42 m2), a więc o relatywnie dużych stratach cieplnych. Widać też, że najbardziej niekorzystne okresy to czas odwilży (niżu atmosferycznego) i zachmurzonego nieba. W tym roku nie mieliśmy silnych mrozów, ale takie okresy nie są groźne, bowiem towarzyszy im zwykle silne nasłonecznienie. Wykres mocy promieniowania w skażonych jednostkach.

 

W tym roku badaliśmy 3 typy konstrukcji ścian kolektorowych. Pierwsza to zestaw dwuszybowy (U=1,1 W/m2K, g=0,63) i absorber z płyty gipsowej pomalowanej na czarno. Drugi typ to zestaw złożony z pojedynczej, zwykłej szyby (g=0,88) i blachy absorbera Tinox, wypełniony argonem. Trzeci typ to absorber Tinox ustawiony swobodnie za pojedynczą szybą. Typ drugi został zdyskwalifikowany ze względu na kłopoty wynikające z bardzo dużej temperatury absorbera przy mocnym nasłonecznieniu, sięgającej w styczniu 110 st C. Przy takich temperaturach blacha fałdowała się, zaś ramka, mocowana typowymi technikami stosowanymi do produkcji zestawów szyb – odklejała się, rozszczelniając zestaw.

Rys.2 Typy konstrukcji ścian kolektorowych

 

Generalne wyniki:

• Współczynnik pozyskania energii słonecznej, średnio dla grudnia, stycznia i lutego:
• moduły z Tinoxu za pojedyncza szybą  gg = 55%
• czarna płyta gipsowa za zestawem 2 szyb gg = 48%
• Średni opór cieplny ściany kolektorowej
• Ug = 0.44 W/m2K  -Tinox
• Ug = 0.38 W/m2K – gips.
• Sprawność zaworów konwekcyjnych  75 – 85 %

 

Współczynnik pozyskania energii słonecznej (gg) jest stosunkiem energii promieniowania słońca efektywnie przekazanej do wnętrza budynku do padającej na niezacienioną ścianę z zewnątrz. Współczynnik ten zawiera w sobie kilka czynników: wpływ zwiększonych strat cieplnych kolektora na skutek wzrostu jego temperatury, wpływ zacieniania i transmisji promieniowania przez szyby, oraz transmisyjność normalną szyb (g). Taka postać pozwala liczyć zyski słoneczne tylko na podstawie mocy promieniowania.

Średni opór cieplny ściany kolektorowej też jest wskaźnikiem syntetycznym, uogólnionym tak, aby móc liczyć straty cieplne tylko na podstawie temperatur: wewnętrznej i zewnętrznej. Takie ujęcie pozwala uniknąć analizowania pracy układu osobno w warunkach nasłonecznienia i w nocy.

Sprawność zaworów jest stosunkiem efektywnego oporu cieplnego całej przegrody kolektorowej, zmierzonego w nocy, do oporu bez przepływu konwekcyjnego w szczelinie absorbera (dolna i górna szpara całkowicie zamknięta wełną mineralną).

 

Rys. 3. Bilans cieplny jednego metra kwadratowego ściany kolektorowej (1 szyba +Tinox) policzony na podstawie zmierzonych wyników dla standardowych warunków klimatycznych dla Warszawy. Cienkie linie (czerwona i żółta) to wyniki policzone w oparciu o oficjalny model mocy promieniowania słonecznego dla ściany południowej, zaś grube linie ze znacznikami zostały zbudowano na bardziej miarodajnej podstawie funkcji mocy słońca (FMS).

 

Wniosek: w typowych warunkach klimatycznych Warszawy ściany kolektorowe mają dodatni bilans energetyczny nawet w grudniu i styczniu. Skalę możliwego ich wpływu na bilans całego budynku można oszacować na podstawie poniższego wykresu, pokazującego stosunek zysków energii z 1 m2 ściany kolektorowej do strat porównawczej przegrody klasycznej o U=0,2 W/m2K.

Rys. 4. Stosunek zysków energii z 1 m2 ściany kolektorowej do strat porównawczej przegrody klasycznej o U=0,2 m2K.

 

Bilans dla całego budynku zależy od proporcji powierzchni ścian kolektorowych do powierzchni innych przegród zewnętrznych i standardu izolacji cieplnej, a więc silnie zależy od projektu domu. Dlatego trudne jest miarodajne określenie skali potencjalnego wpływu energii słonecznej na bilans cieplny uogólnionego budynku. Szacujemy, że przy obecnym stanie wiedzy, dla naszych domów (U = 0,2 W/m2K) w dobrej lokalizacji na terenie Polski (małe zacienianie, ściana kolektorowa wystawiona na południe) udział ten może wynosić 50% w skali całego sezonu grzewczego.  W krajach położonych bardziej na południe może być znacznie większy, przykładowo w Austrii może sięgać 70%

Decydującym parametrem bilansu cieplnego tych przegród jest nie temperatura zewnętrzna, lecz ilość energii słonecznej, dlatego szczególnie korzystne jest budowanie ścian kolektorowych na terenach górskich.

W ciepłej połowie roku ściany kolektorowe wymagają częściowego lub całkowitego odcięcia dopływu energii słonecznej. W naszych budynkach testowych prowadzimy badania różnych sposobów osiągnięcia tego celu, ale to już osobny temat.

 

Jacek Koziński

Laboratorium Dworku Polskiego

19 kwietnia 2015