Innowacyjne wykorzystanie energii słonecznej w celu zmniejszenia strat ciepła w budynkach

W 2007 roku na Węgrzech powstał budynek, w którym wykorzystano innowacyjne i nowatorskie rozwiązania w zakresie ogrzewania budynków (rys. 1). W przegrodach zewnętrznych budynku zastosowano wężownice z obiegiem wodnego roztworu glikolu, których zadaniem jest tworzenie w warstwie izolacji aktywnej bariery termicznej dzięki ciepłu przekazywanemu z obiegu roztworu glikolu do warstwy przegrody. Takie rozwiązanie ma na celu ograniczenie w budynku strat ciepła zimą i chłodu latem. Nie zastępuje jednak instalacji grzewczej i jego zadaniem nie jest bezpośrednie przekazywanie energii (ciepła lub chłodu) do pomieszczenia, a „jedynie” zapobieganie jej stratom. Tym samym pokrycie zapotrzebowania na energię do zasilania niskotemperaturowej instalacji glikolowej czynnikiem grzewczym zimą i chłodzącym latem jest możliwe z odnawialnych źródeł energii – wymienników gruntowych.

Zastosowana przez autora nowatorska technologia aktywnej izolacji termicznej zmniejsza straty ciepła z wnętrza budynku dzięki zastosowaniu czynnika w postaci wodnego roztworu glikolu o temperaturze niższej od temperatury wewnętrznej, ale wyższej niż temperatura zewnętrzna. Cyrkulacja czynnika odbywa się w wężownicy rur umieszczonych w danej płaszczyźnie zewnętrznej przegrody budowlanej i system aktywnie uczestniczy w ograniczaniu strat ciepła budynku. Zasadę działania aktywnej bariery termicznej ilustruje rys. 3.

Symbol q_i to ciepło przenikające przez konstrukcję budynku z systemem aktywnej izolacji w zimie. Jeżeli do warstwy aktywnej izolacji cieplnej (której elementem są wężownice z obiegiem roztworu wodnego glikolu) wprowadzona jest energia cieplna i temperaturę tej warstwy podniesiemy z t_f0 do t_f, to ilość ciepła uciekającego z budynku zmniejsza się z q₀ do q_i. Inne oznaczenia podane na rys. 3 to: t_i – temperatura wewnętrzna [°C], te – temperatura zewnętrzna [°C], t_f0 – temperatura w warstwie aktywnej izolacji, gdy izolacja ta nie pracuje [°C], t_f – temperatura w warstwie aktywnej izolacji podczas jej pracy [°C], U₀ – współczynnik przenikania ciepła przez całą przegrodę [W/(m² · K)], U_i – współczynnik przenikania ciepła z przestrzeni wewnętrznej do warstwy aktywnej izolacji [W/(m² · K)].

Wyniki z eksploatacji i modelowania

Od momentu oddania budynku do użytku, dzięki obszernej bazie danych tworzonej w ciągu kilku lat eksploatacji, stanowi on bogate źródło do badań naukowych i prac nad innowacyjnymi rozwiązaniami.

Zespół naukowców z Politechniki Krakowskiej, pod kierunkiem dr. hab. inż., prof. PK Tomasza Kisilewicza i dr inż. Małgorzaty Fedorczak-Cisak, przeprowadził analizę porównawczą zachowania się budynku z aktywną izolacją termiczną opartą na modelach eksperymentalnych i symulacjach naukowych z wynikami rzeczywistych pomiarów zbieranych przez ponad 10 lat. Praca została opublikowana w 2019 roku w czasopiśmie „Energy and Buildings” [2].

Zespół porównał zmierzone dane z eksploatacji (rys. 4) z danymi pochodzącymi z obliczeń symulacyjnych i okazało się, że wyniki te są prawie identyczne. W badaniach symulacyjnych ściana zewnętrzna budynku została podzielona na pięć warstw (rys. 5). Analiza energetyczna ściany zewnętrznej w serii badań symulacyjnych przeprowadzona została z punktu widzenia skuteczności aktywnej izolacji cieplnej. Nie analizowano jednak wpływu tego rozwiązania na efektywność energetyczną i ekonomiczną całego budynku, co jest przedmiotem dalszych badań autorów. Analizę przeprowadzono dla przegrody z aktywną izolacją oraz bez niej w odniesieniu do pięciu okresów. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.

Współczynnik przenikania ciepła obliczony na podstawie warunków brzegowych przyjętych dla analizowanych okresów podano w tabeli 2.

W tabeli 1 przedstawiono wyniki dla wszystkich analizowanych okresów, a w tabeli 2 wartości współczynnika przenikania ciepła na podstawie badań „in situ” w analizowanych okresach. Wyniki badań eksperymentalnych należy uznać za bardzo obiecujące. Badany system w postaci wymiennika ściennego połączonego z gruntowym wymiennikiem ciepła umożliwia znaczne ograniczenie strat ciepła (o ponad 50% w przeciętnych warunkach klimatycznych).

Rozwiązania konstrukcyjne

Zespół z Politechniki Krakowskiej zaproponował następujące rozwiązanie konstrukcyjne: specjalną warstwę betonu w ścianie zewnętrznej budynku, zawierającą wężownicę rurową połączoną bezpośrednio z gruntowym wymiennikiem ciepła. Temperatura czynnika krążącego w tym systemie jest niższa od temperatury powietrza wewnętrznego i wyższa od temperatury powietrza zewnętrznego w okresie zimowym. Można dzięki temu ograniczyć przepływ ciepła przez tę ścianę w zimnych porach roku. Efektywność energetyczna i możliwość poprawy komfortu cieplnego w zimie i w lecie zależy od stopnia, w jakim można zwiększyć lub zmniejszyć temperaturę warstwy aktywnej izolacji (t_f) w porównaniu z temperaturą bez aktywnej izolacji (t_f0).

W badanym budynku pomiary były wykonywane w sposób ciągły przez kilka lat, jednak wstępne wyniki przedstawione w tym artykule odnoszą się jedynie do wybranych krótkich okresów. Wyniki badań oparto również na dynamicznych analizach symulacyjnych komponentu standardowego.

Wnioski z przeprowadzonych testów i symulacji pokazują, że straty ciepła przez przegrody zewnętrzne budynku można zmniejszyć średnio o prawie 63% w porównaniu z przegrodą o takiej samej pasywnej izolacji cieplnej.

W analizowanym okresie letnim chłodzenie ścian nie miało znaczącego pozytywnego efektu. W tych warunkach w aktywnym systemie izolacji powinien być wyłączony obieg medium, aby umożliwić schłodzenie całej grubości ściany.

Plany długoterminowe zespołu badawczego obejmują również:

• ciągłą analizę wyników w dłuższym okresie,
• optymalizację układu warstw i rozmieszczenia aktywnej izolacji w zewnętrznej przegrodzie budynku,
• strategię sterowania chłodzeniem ściany i efektywne magazynowanie energii w przegrodzie zewnętrznej,
• wpływ metody aktywnej izolacji na ogólny długoterminowy bilans energetyczny budynku,
• opracowanie metodyki obliczania bilansu energetycznego budynku z aktywną izolacją cieplną,
• ocenę aspektów ekonomicznych zastąpienia konwencjonalnej izolacji termicznej „aktywną izolacją cieplną”,
• optymalizację pracy układu automatyki sterującego analizowanym systemem.

Pomiary przeprowadzone w ciągu kilku lat wykazały, że podczas gdy temperatura zewnętrzna wahała się w zakresie od –11 do 36°C, temperatura w warstwie aktywnej izolacji termicznej ściany zewnętrznej (i pod budynkiem) wahała się jedynie w zakresie od 13 do 24°C, z powtarzającą się cyklicznością roczną.

Podsumowanie

W czasie funkcjonowania budynku i prowadzenia badań wymagania energetyczne dla budynków stały się dużo bardziej rygorystyczne. W przypadku wielu różnych rozwiązań technicznych wyraźnie ustalono, że za podstawę obliczeń należy przyjąć całkowity koszt w całym okresie eksploatacji budynku. Największy udział w kosztach życia budynków mają koszty eksploatacyjne (ok. 80–85%), dlatego warto zdecydować się na rozwiązanie techniczne, które umożliwia najtańszą eksploatację w całym okresie życia budynku, nawet jeśli koszt inwestycji jest nieco wyższy.

Od 2021 roku można budować wyłącznie budynki o niemal zerowym zapotrzebowaniu na energię, w których co najmniej 25% zapotrzebowania na energię pierwotną będzie pokrywane z energii odnawialnej (analizowane rozwiązanie techniczne samo w sobie spełnia ten wymóg, można je zatem zastosować zgodnie z obowiązującymi przepisami).

Zarówno w przypadku energooszczędnych renowacji, jak i budowy energooszczędnych budynków projektanci stają przed wyzwaniem wyboru spośród wielu możliwości rozwiązania technicznego efektywnego kosztowo. Oprócz zapewnienia korzyści eksploatacyjnych, aktywna izolacja cieplna nie tylko zmniejsza straty ciepła przez przegrodę zewnętrzną budynku, ale zapewnia również kompleksowe i efektywne wykorzystanie energii niskotemperaturowego medium ogrzewanego przez słońce.

Literatura

1. Yongqiang Luo & co., Active building envelope systems toward renewable and sustainable energy, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 2019, 104, 470–91
2. Kisilewicz Tomasz, Fedorczak-Cisak Małgorzata, Barkanyi Tamas, Active thermal insulation as an element limiting heat loss through external walls, „Energy and Buildings” 2019, 205, 1–13, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.109541
3. Innovatív napenergia-hasznosítás épületek hőenergia-veszteségének csökkentésére, „Magyar Installateur” 8–9/2020, https://drive.google.com/file/d/1Cm0nC_mLrZCj9MZMw9XYguIIemOz4olG/view?usp=sharing (dostęp: 28.12.2021)