ściany wodne
Opisujemy tu koncepcję ścian, które są nastawione nie tylko na minimalizację strat ciepła lecz również na pozyskiwanie energii słonecznej.
Tradycyjny kierunek oszczędzania energii w budownictwie polega na ograniczaniu strat cieplnych poprzez zwiększanie izolacyjności przegród. Ta droga oznacza zawsze ujemny bilans cieplny przegrody, niezależnie jak grubą zastosujemy izolację. Koncepcja ścian wodnych zmierza do równoległego wykorzystania zysków energii od słońca w celu osiągnięcia bilansu dodatniego.
Ze względu na skrajnie nierównomierny rozkład energii słonecznej w czasie, kluczowym zadaniem jest zbudowanie magazynu ciepła, do którego promieniowanie wpadało by możliwie bezpośrednio. Do tego celu wykorzystujemy przezroczyste pojemniki z wodą ustawione za osłoną termiczną z zestawu szyb. Woda ma 5-krotnie większą pojemność cieplną niż beton w przeliczeniu na masę i 3-krotnie objętościowo. W konsekwencji zbiorniki o pojemności ok.100 litrów/m2 odpowiadają ścianie betonowej o grubości 30 cm.
ŚCIANA WODNA
Z przechwytywaniem energii słońca nierozerwalnie wiąże się zagadnienie ochrony budynku przed nadmiarem energii w okresach ciepłych. Obecnie zajmujemy się wypracowaniem metod efektywnego budowania ścian wodnych o południowej orientacji i systemu zacieniania ich w lecie.
Przekrój jednego z obecnie budowanych domów testowych.
Południowe elewacje domów ze ścianami wodnymi. Budynek na pierwszym planie będzie miał na parterze ruchome markizy.
Oba budynki będą obsadzone winem i chmielem. Południowe połacie dachów będą porośnięte roślinami.
Prawidłowo zacienione ściany wodne działają w lecie jak klimatyzacja. Szczególnie mocno poprawiają mikroklimat w pomieszczeniach o małej pojemności cieplnej: na poddaszach i w lekkich, szkieletowych konstrukcjach.
Z ekonomicznego punktu widzenia kluczową sprawą jest cena pojemników na wodę. Na 1 mb ściany potrzeba 6 pojemników o średnicy 16cm i wysokości ok.230 cm. Przy produkcji technologią rozdmuchu lub zgrzewania z PET cena rynkowa 1 szt. nie powinna przekraczać 10 zł, co daje 25 zł/m2. Przy takiej cenie pojemników koszt wzniesienia ściany wodnej nie przewyższałby kosztów typowej ściany o konstrukcji szkieletowej z izolacją z wełny mineralnej (U=0,2Wm2K).
Badane przez nas przegrody o orientacji południowej mają dodatni bilans energetyczny nawet w skali 2 najzimniejszych miesięcy w roku. W skali 4 miesięcy zimy nadwyżka energii z 1m2 pozwala pokryć straty 4 m2 przegród tradycyjnych o współczynniku U=0,2W/m2K. Liczymy na pozyskanie 80% energii do ogrzewania budynków ze słońca przy nieznacznym wzroście kosztów wzniesienia ścian (lub bez wzrostu).
Maksymalna wartość współczynnika przenikania ciepła dla warstw oddzielających rury z wodą od zewnętrza, przy których miesięczny bilans ciepła całej przegrody jest dodatni. Dane klimatyczne dla Warszawy, orientacja południowa, współczynnik przenikania promieniowania g=0,7, współczynnik zacieniania z=0,95 temperatura wnętrza Tw=20st.C.
STAN WIEDZY
Znane i stosowane są ściany kolektorowe Trombe’a polegające na ustawieniu za szybą masywnej ściany murowanej, która przechwytuje energię promieniowania słonecznego i gromadzi ją dzięki swej masie. Zwykle ściany te mają dwa otwory, górą i dołem, których otworzenie uruchamia konwekcyjne przenoszenie ciepła ze strefy między szybą i ścianą do wnętrza.
Wadą tych konstrukcji jest niekorzystny rozkład temperatur - ściana nagrzewa się nie od strony pomieszczenia, lecz od zewnątrz, co bardzo zwiększa straty cieplne. W naszym rozwiązaniu nie ma opływu konwekcyjnego bowiem woda ma jednakową temperaturę w całej swojej masie. Zamiana promieniowania na ciepło odbywa się na czarnej folii włożonej w rurę pojemnika, a więc wewnątrz wody, co skutecznie zapobiega podniesieniu temperatury powierzchniowej absorbera, a tym samym podnosi sprawność kolektora. Dodatkową zaletą jest dużo większa pojemność cieplna wody niż murów. Przepływ konwekcyjny w ścianach Trombe’a powodował nieusuwalne osiadanie kurzu na szybie od strony szczeliny powietrznej. W naszej konstrukcji szczelina ta wraz ze zbiornikami na wodę jest szczelnie zamknięta.
W latach 80-tych badane były podobne układy z pojemnikami z wodą w USA, choć głównie jako klimatyzacja. Stosowane były nieprzezroczyste rury z blachy. Nowe czynniki, które zmieniły sytuację to: postęp w obszarze szyb zespolonych, nowe narzędzia obliczeniowe (metoda godzinowa, standardowy model klimatu) oraz przede wszystkim rozwój technologii tworzyw sztucznych pozwalający na stosowanie przezroczystych i tanich zbiorników na wodę.
W Maroku badane były podobne przegrody wykorzystujące typowe butelki po wodzie. Celem było poprawienie standardu cieplnego ubogiego budownictwa. Nie znamy innych, współczesnych prac na ten temat.
Naszym konsultantem w tym projekcie jest dr.hab.inż. Hanna Jędrzejuk z ITC PW.
Jacek Koziński
Zalesie Górne, 28 kwietnia 2014
Po roku badań wycofaliśmy się z tego kierunku. Wzniesione ściany wodne zostały przebudowane na znacznie korzystniejsze kolektory powietrzne opisane w następnych rozdziałach. Ale nie był to stracony czas. Bywa, że niepowodzenie eksperymentu jest najbardziej rozwijające.
