Nowe możliwości energooszczędnego budownictwa pasywnego

Dawniej stosowane grube mury o dużej pojemności cieplnej utrzymywały przez cały rok, bez konieczności dogrzewania, stałą temperaturę katedr, zamków i gmachów. W dobie budownictwa szkieletowego i wielkopłytowego, oszczędnie wykorzystującego materiały budowlane, konieczne stało się zastosowanie zimą systemów grzewczych, a latem chłodzących. Pozwalają one znacznie ograniczyć wahania temperatury pomieszczeń, jednak wymagają dużych nakładów finansowych. Koszty ogrzewania, bez względu na zastosowany system grzewczy, stanowią ponad połowę opłat eksploatacyjnych. A nawet niewielka modernizacja istniejących pomieszczeń lub budynków, polegająca na wymianie lub dołożeniu nowych tynków zawierających 50-proc. dodatek materiałów PCM (Phase Change Material) sprawi, że zaczniemy mieszkać jak w solidnym przedwojennym budownictwie.

Warstwa 15 mm takiego tynku to odpowiednik termiczny 120-milimetrowej warstwy cegły lub 90-milimetrowej betonu. Różnica między przegrodą izolacyjną a  akumulującą polega na tym, że izolacja termiczna (styropian, wełna mineralna, szczelina powietrzna itd.) chroni przed stratami ciepła z ogrzanego zimą i klimatyzowanego latem budynku, natomiast ściany akumulacyjne grzeją budynek nocą (zimą) lub chłodzą w ciągu dnia (latem).

Łatwo dostępne tradycyjne i kopalne nośniki energii wyczerpują się, co zmusza do korzystania z jej odnawialnych źródeł, których zasoby są teoretycznie niewyczerpane. Jednym z takich źródeł jest energia słoneczna, której ilość docierająca do powierzchni Ziemi powinna wystarczyć do pokrycia zapotrzebowania na energię wszystkich jej mieszkańców. Wykorzystywanie tej energii nie wiąże się z ingerencją w środowisko naturalne, jednak nie nadaje się ona do bezpośredniego wykorzystania ze względu na okresowość występowania i małą gęstość. Konieczna jest więc konwersja energii słonecznej w inne bardziej użyteczne formy i ich magazynowanie. Najtaniej i najdogodniej magazynuje się energię cieplną i chemiczną, jednak ze względu na niską sprawność konwersji energii słonecznej w chemiczną (w przypadku fotosyntetycznej produkcji biomasy wynoszące poniżej 2%) preferuje się w tym wypadku energię cieplną.

Sposobów magazynowania energii cieplnej jest wiele, jednak w budownictwie przewagę ma metoda polegająca na przechowywaniu jej w ogrzanych elementach budynku (ścianach, stropach, fundamentach). Wielkość zmagazynowanej w ten sposób energii zależy od ilości zużytych materiałów budowlanych, których ze względu na wzrost ich wytrzymałości oraz postęp technologiczny jest w budynku coraz mniej. Prowadzi to do dużych wahań temperatury i obniżania komfortu mieszkańców współczesnego budownictwa. Tematem artykułu jest możliwość poprawy tego komfortu poprzez zastosowanie innej metody magazynowania energii cieplnej w materiałach budowlanych.

Podstawy teoretyczne

System grzejny w postaci kaloryferów zasilanych z sieci ciepłowniczej lub z indywidualnych wytwornic energii (kotły, pompy ciepła) można regulować za pomocą zaworów termostatycznych na kaloryferach, a także na poziomie urządzeń wytwarzających energię. W efekcie wahania temperatury na zewnątrz nie powinny mieć wpływu na zmiany temperatury pomieszczeń. Jednak tak nie jest, gdyż ten sposób regulacji jest w większości przypadków dwupołożeniowy, to znaczy system albo grzeje, albo jest wyłączony, bez możliwości chłodzenia. Powoduje to zwłaszcza w słoneczne dni przegrzewanie pomieszczeń pomimo wyłączonego ogrzewania.

Zatem wewnętrzne strumienie energii z systemu grzejnego nie mają wpływu na wahania temperatury pomieszczeń, a odpowiedzialny jest za nie strumień energii zewnętrznej pochodzący od promieniowania słonecznego. Może on dotrzeć do budynku poprzez nieprzezroczyste przegrody budowlane (ściany, dachy, drzwi) QN oraz przegrody transparentne (okna, loggie, werandy, atria itd.) QT. Strumienie te transportują różne rodzaje energii i różne jej wartości w zależności od zastosowanych materiałów budowlanych, technologii, konfiguracji i usytuowania budynku. Strumienie energii zewnętrznej z nieprzezroczystych przegród budowlanych Jak pokazano na rys. 1, strumienie energii  promieniowania słonecznego E w zależności od miejsca, w którym docierają do budynku (czerwone kółka), ulegają konwersji w różne formy energii. I tak na zewnętrznej nieprzezroczystej elewacji budynku część promieniowania elektromagnetycznego o długości z zakresu światła widzialnego ulega konwersji w energię cieplną, a reszta odbija się RN w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

To, jaka część wytworzonej w wyniku absorpcji i konwersji (czarne kółko na rys. 1) energii cieplnej zostanie przekazana przez przewodzenie do budynku Q_N, a jaka zostanie oddana przez promieniowanie i konwekcyjną wymianę ciepła do otoczenia, zależy od rodzaju zastosowanej termoizolacji lub jej braku. Im lepsza termoizolacja, tym mniejsze przewodzenie strumieni ciepła, zarówno strat ciepła z budynku Q_str, jak i ciepła dopływającego z zewnątrz Q_N. Dla dobrej izolacji, gdy Q_str › 0 i Q_N › 0, temperatura w pomieszczeniach powinna być stała.5. Balcerowiak W., Różnicowa kalorymetria skaningowa, mat. konf. Szkoła Analizy Termicznej, Zakopane 2002. 6. Zielenkiewicz W., Pomiary efektów cieplnych – metody i zastosowania, CUN PAN 2000.7. http://www.thermalcore.info/ThermalCore.pdf.

Strumienie energii zewnętrznej z transparentnych przegród budowlanych 

Na transparentnej przegrodzie budowlanej strumień energii słonecznej E ulega odbiciu RT, transmisji T i częściowej absorpcji AT, w wyniku której ulega konwersji (kółko niebieskie na rys. 1) w energię cieplną. 

Absorpcyjny strumień energii 
Ze względu na dużą przepuszczalność współczesnych powłok okiennych (ponad 90%) absorpcyjny strumień ciepła można pominąć AT › 0. Nie spełniają tego warunku tzw. inteligentne powłoki, których przepuszczalność maleje w miarę wzrostu natężenia promieniowania słonecznego. Dotychczas były one stosowane do utrzymania stałego poziomu oświetlenia, głównie w okularach przeciwsłonecznych, ale ostatnio są coraz bardziej popularne również w centrach kongresowych i handlowych, salach wystawowych, halach dworcowych i muzeach.

Refleksyjny strumień energii 
Refleksyjny strumień energii promieniowania odbitego RT zależy od kąta padania i rodzaju powierzchni. Ponieważ przy letnim położeniu słońca wielkość strumienia odbitego R_T rośnie, a transmitowanego T maleje, aby temu przeciwdziałać, stosuje się antyrefleksyjne powłoki lub faktury powierzchni.

Transmisyjny strumień energii
Im więcej promieniowania słonecznego w zakresie światła widzialnego przeniknie przez przegrody transparentne do pomieszczeń, tym są one widniejsze, ale jednocześnie i cieplejsze. Jest to spowodowane konwersją strumienia promieniowania T, który wewnątrz pomieszczenia ulega kolejnym odbiciom R_i (od) i absorpcjom A_i (na) nieprzezroczystych przegrodach wewnątrz budynku. W efekcie cała energia strumienia T ulega konwersji (czerwone kółka na rys. 1) w energię cieplną. Stąd można przyjąć, że T = Σ A_i = Q_T jest głównym strumieniem energii dostarczonej z zewnątrz do dobrze zaizolowanego termicznie budynku.

Tak jak poprzedni strumień Q_N można było wyeliminować lub znacznie ograniczyć, stosując odpowiednio dobrą termoizolację, w przypadku strumienia Q_T jest to niemożliwe, chyba że kosztem przebywania w półmroku lub przy świetle sztucznym. Konsekwencją tego są okresowe, cykliczne, dobowe, sezonowe i roczne wahania temperatury pomieszczeń. Przeciwdziałanie tym wahaniom poprzez trójpołożeniowy system regulacji z dodatkowym wykorzystaniem chłodnic systemu klimatyzacyjnego jest wprawdzie możliwe, ale łączy się z tym wzrost kosztów eksploatacyjnych mieszkania.

Wahania temperatury w stosunku do zadanej temperatury komfortu

Zewnętrzne strumienie energii słonecznej docierające przez okna do budynku T = Σ T_i są w nim absorbowane A = Σ A_iw przegrodach budowlanych (ścianach, podłogach i stropach) i w wyniku konwersji przetwarzane w energię cieplną Q_T, która powoduje:

• ogrzanie w budynku powietrza o masie mpow i cieple właściwym cp,pow od temperatury początkowej (komfortu) tp do końcowej (przegrzania) tk:

• ogrzanie przegród budowlanych o masach m_bud,i i ciepłach właściwych c_p,bud,i od temperatury t_p do t_k:

im więcej energii zmagazynują mury budynku, tym mniej jej zostanie przekazane do powietrza i jego ogrzania do temperatury:

gdzie:
E – natężenie prom. słonecznego [W/m2], (τ×α)c – efektywny współczynnik transmisyjno-absorpcyjny [-],
A_okno,i – powierzchnia okna [m2],
b_i – kąt padania promieniowania słonecznego w stosunku do powierzchni okna [°],
V_pow – objętość powietrza w budynku [m3],
ρ_pow – gęstość powietrza w budynku [kg/m3].

Z analizy zależności (4) wynika, że im większe będzie zużycie materiałów budowlanych Σmbud w stosunku do kubatury budynku V_bud ≈ V_pow, tym mniejsze będą odchylenia rzeczywistej temperatury pomieszczeń tp od zadanej optymalnej temperatury komfortu t_k. Warunek ten jest spełniony jedynie w starych budowlach (zamkach, kościołach i budynkach użyteczności publicznej) oraz w tzw. starym budownictwie. Jak wspomniano, współczesne budownictwo charakteryzuje się minimalnym zużyciem materiałów budowlanych, o nieporównywalnych z materiałami tradycyjnymi własnościach fizycznych.

Są one bardziej wytrzymałe mechanicznie, ale zazwyczaj mają większy współczynnik przewodzenia ciepła λ i mniejsze ciepło właściwe cp. Gdy do tego dodamy jeszcze większe przeszklenie i zużycie metali, które zwiększają liczbę mostków cieplnych, staje się oczywiste, dlaczego nowoczesne budownictwo bez energochłonnych systemów klimatyzacyjnych nie może już funkcjonować. 

Materiały zmiennofazowe na przykładzie wody i gaczu parafinowego 

Brakującą do zapewnienia komfortu cieplnego ilość zaoszczędzonych materiałów konstrukcyjnych można zastąpić niewielkim dodatkiem innych, ale o znacznie większej pojemności cieplnej niż tradycyjna cegła lub beton, np. materiałami zmiennofazowymi, tzw. PCM. 

Ilość ciepła zmagazynowana w trakcie ogrzewania dowolnego materiału jest znacznie mniejsza niż podczas jego przemiany fazowej (stopienia lub odparowania), która dodatkowo jest izotermiczna, a więc zapewnia stabilizację temperatury. Przykładowo w 1 kg wody w trakcie przemian fazowych można zmagazynować następujące ilości energii cieplnej (rys. 2): w procesie wrzenia najwięcej, bo aż Q_wrz = 2257 kJ energii, podczas topnienia mniej, bo tylko Q_topn = 334 kJ i przy ogrzewaniu od 20 do 25°C (typowy zakres wahań temperatury w budynku) najmniej: Q_ogrz (5 K) = 20,93 kJ. Ogrzewanie wody od 0 do 100°C zmagazynuje więcej energii Q_ogrz (100 K) = 418,6 kJ, jak pokazano to na rys. 2.

Woda oczywiście nie może być wykorzystana w budownictwie jako materiał zmiennofazowy ze względu na jej zakresy temperatur przemian fazowych, gdyż t_topn = 0°C jest temperaturą za niską, a t_wrz = 100°C za wysoką. Jest jednak szeroka gama innych tanich materiałów zmiennofazowych (PCM), których zakres temperatur przemian fazowych, zwłaszcza temperatury topnienia, mieści się w przedziale 18° < t_topn < 30°C, pokrywającym się z wahaniami temperatury w budynkach.

Inna grupa materiałów o temperaturach topnienia w granicach od 60° < t_topn < 90°C może być również wykorzystana w budownictwie, np. do magazynowania ciepłej wody użytkowej w zasobnikach kotłów lub zasobnikach w instalacji kolektorów słonecznych [2]. Na rys. 3 przedstawiono wyniki badań jednego z takich materiałów – gaczu parafinowego na różnicowym kalorymetrze skaningowym DSC-7 (Differential Scanning Calorimetry) firmy Perkin Elmer [3, 4].

Metoda DSC do badania materiałów zmiennofazowych

Metoda DSC polega na pomiarze mocy cieplnej, a dokładniej – zmiany różnicy strumienia cieplnego powstającego między próbką badaną i referencyjną w trakcie stopniowego podnoszenia temperatury z zadaną prędkością. W przypadku badań gaczu (rys. 3) prędkość ta wynosiła 10 K/min. Pierwotnym sygnałem pomiarowym jest różnica temperatur powstająca miedzy próbką badaną a próbką odniesienia w trakcie zmian temperatury otoczenia obu próbek. DSC pozwala wyznaczyć ciepło przemian fazowych, reakcji chemicznych, ciepło właściwe substancji i wiele innych parametrów [5, 6].

Analizując krzywą topnienia na rys. 3, widzimy, że pierwsza faza krystaliczna topi się w przedziale temperatur 12,7–40,6°C (285,7–313,6 K), a druga w przedziale 40,6–60°C (313,6–333 K). Całkowite stopienie gaczu obserwuje się już w temperaturze 49,7°C (322,7 K). W przypadku termogramu krystalizacji pierwsza faza krystalizuje w przedziale temperatur 45,1–23,5°C (318,1–296,5 K), a druga w zakresie 23,5–3,1°C (296,5–276,1 K). Pojawienie się fazy stałej obserwuje się w temperaturze 38,7°C (311,7 K).

Otrzymane krzywe przedstawiają termogramy topnienia i krystalizacji. Na obu widoczne są dwie oddzielne piki, które świadczą o występowaniu w gaczu dwóch rodzajów parafin. Ponieważ piki nie są ostro zarysowane, świadczy to o tym, że obydwie parafiny nie są czyste, lecz są mieszaniną większej liczby węglowodorów o różnych długościach łańcuchów węglowych.

Pomiar ciepła właściwego wykazał, że w fazie stałej wynosi ono c_p,g = 1,8 kJ/(kgK), natomiast w fazie ciekłej c_p,c = 2,18 kJ/(kgK). Zmiana entalpii w zakresie t = 12,7–60°C (285,7–333 K) (obszar pod krzywą) wynosi q = 188 kJ/kg. Zmiana stanu skupienia z ciekłego na stały uwalnia tę samą ilość energii, jaka została zaabsorbowana podczas procesu topnienia, tj. 188 kJ/kg.
Wartość q to ciepło topnienia lub krystalizacji i ze znajomości tej wartości oraz masy materiału zmiennofazowego mzf można określić ilość możliwej do zmagazynowania w nim energii cieplnej:

Materiały zmiennofazowe jako stabilizatory temperatury pomieszczeń

Wahania temperatury w pomieszczeniu to, jak wykazano powyżej, skutek cyklicznego dopływu przez okna zewnętrznej energii E w postaci światła słonecznego, które wewnątrz pomieszczeń ulega konwersji w energię cieplną –Q i powoduje wzrost temperatury. Okresowe, w momencie wzrostu temperatury pomieszczeń t_k > t_p, zmagazynowanie tej dodatkowej energii w materiale zmiennofazowym przyczyni się do stabilizacji temperatury t_p → const. Mechanizm ten został zobrazowany na rys. 4.

Wraz ze wzrostem ilości zastosowanego w pomieszczeniu materiału zmiennofazowego m_PCM przy jego temperaturze topnienia zbliżonej do zadanej temperatury komfortu t_top > t_p wahania temperatury w pomieszczeniu t_k w stosunku do zadanej temperatury komfortu t_p będą coraz mniejsze (przerywana linia na rys. 4). Ilość materiału zmiennofazowego zastosowanego w pomieszczeniu powinna być tak dobrana, aby zapewnić w okresie szczytowym, czyli największego nasłonecznienia, całkowite zmagazynowanie tej nadwyżki energii (–Q). Procesowi topnienia materiału PCM towarzyszyć będzie wówczas stabilizacja temperatury pomieszczenia t_k → t_p → t_top = const.

Nocą, gdy temperatura pomieszczenia zacznie spadać poniżej temperatury zadanej i jednocześnie temperatury topnienia PCM t_k < t_p ≈ t_top, ten ostatni zacznie krystalizować w stałej temperaturze t_k → t_p → t_top = const, uwalniając do pomieszczenia zmagazynowane ciepło (Q). Optymalną ilość materiału zmiennofazowego można wyliczyć z zależności (4), po wprowadzeniu do niej członu ciepła zmagazynowanego w PCM oraz założeniu, że t_k = t_p:

a następnie:

gdzie:
q_PCM – ciepło topnienia materiału zmiennofazowego PCM [kJ/kg].

Przykłady praktycznych zastosowań materiałów zmiennofazowych

Niemiecka firma Maxit jako pierwsza wyprodukowała panele gipsowe z dodatkiem PCM, które nazwano „maxi-clima”. Pierwszym budynkiem, w którym je zastosowano, była siedziba firmy Badenova w Offenburgu. Te „inteligentne” panele zwiększały masę termalną budynku, nie zwiększając jego masy wagowej. Liczba paneli była tak dobrana, by zastąpiły one system klimatyzacyjny budynku. Udało się w ten sposób zaoszczędzić 26 tys. euro, a inwestycja zwróciła się po półtora roku eksploatacji [7].

Podczas projektowania budynku bardzo ważne jest prawidłowe oszacowanie jego bilansu energetycznego, gdyż w przeciwieństwie do systemów klimatyzacyjnych i grzewczych rozwiązań pasywnych nie można włączać ani wyłączać. Dlatego najpierw przeprowadza się symulację pracy budynku za pomocą specjalnych programów, a dopiero po pozytywnej weryfikacji obliczeń dobiera i instaluje zmiennofazowe materiały budowlane. Francuskim odpowiednikiem niemieckich materiałów z zawartością PCM są panele o nazwie DuPontEnergain. Zastosowano je w prywatnej willi na obrzeżach Pragi w maju 2010 r., sytuując pod stropem. Kolejnym przykładem budynku, w którym zastosowano panele DuPontEnergain, jest siedziba firmy SARL Busipolis we Francji.

Budynek ten został nagrodzony w konkursie „Prebat” w okręgu Lorraine oraz otrzymał prestiżową nagrodę „Lorraine Qualité Environnementale” za energooszczędność wynoszącą 38 kW×h/m2 rocznie. Do jego budowy użyto ponad 500 m2 paneli zawierających PCM, podwieszonych na metalowych stelażach. Zainstalowano je za ścianami oraz pod sufitami.

Literatura

1. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wyd. IV, WNT, Warszawa 2007.
2. Narucki W., Konwersja energii słonecznej i jej magazynowanie, praca magisterska pod kierunkiem W.M. Lewandowskiego, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska, Gdańsk 1999.
3. Świadectwo jakości gaczu parafinowego lekkiego z Rafinerii Gdańskiej S.A., ze zbiornika 20S118, z numeru próby 725, Gdańsk 1999.
4. Karta charakterystyki gaczu parafinowego GL 16, Grupa Lotos, 2009, www.lotos.pl/pobierz_plik/29289.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!