Projekt Energie

CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁÓW ZMIENNO – FAZOWYCH I ICH ROLA W PROCESIE AKUMULACJI CIEPŁA

(zdjęcie: 1/2)

Materiały PCM (ang. phase change materials) – są to materiały, które absorbują, magazynują i uwalniają duże ilości energii w postaci ciepła utajonego, w ściśle określonym zakresie temperatury, nazywanym zakresem przemiany fazowej, podczas którego materiał zmienia fazę.

Obecnie znanych jest kilkaset materiałów zmienno – fazowych, zwykle używana są woda i roztwory soli, parafiny, kwasy tłuszczowe i alkohole, cukry, hydraty soli [1].

Materiały zmienno – fazowe są przeważnie złymi przewodnikami ciepła, co powoduje, że wymiana ciepła między materiałem PCM a pośredniczącym czynnikiem termodynamicznym jest znacznie utrudniona.

Materiały zmienno – fazowe w zależności od zakresu temperatury, w jakim zachodzą przemiany fazowe wykorzystywane do procesu akumulacji energii, można podzielić na trzy grupy [2,3]: niskotemperaturowe PCM, średniotemperaturowe PCM, wysokotemperaturowe PCM.

Wpływ pojemności cieplnej, wentylacji nocnej i zacieniania okien na letni komfort cieplny budynków w klimacie umiarkowanym

(zdjęcie: 1/2)

Wentylacja nocna i żaluzje zewnętrzne są najczęściej stosowanymi pasywnymi metodami ochrony budynków przed przegrzewaniem się w okresie wysokich temperatur letnich. Innym zalecanym środkiem jest wysoka bezwładność cieplna budynków. Celem pracy było porównanie skuteczności działania wentylacji nocnej, żaluzji zewnętrznych i pojemności cieplnej na letnią charakterystykę cieplną budynku w klimacie umiarkowanym. Zwiększenie masy termicznej pomieszczenia z lekkiej do bardzo dużej bez wentylacji nocnej spowodowało obniżenie średniej temperatury szczytowej o 3,7 K w dzień i 1,2 K w nocy. Włączenie wentylacji nocnej w pomieszczeniu lekkim spowodowało obniżenie średniej wartości temperatury szczytowej o 1,5 K w ciągu dnia i 5,9 K w nocy. Zwiększenie masy termicznej z lekkiej do ciężkiej oraz wentylacji nocnej z 0,6 do 10 ACH spowodowało obniżenie średniej wartości temperatury szczytowej o 4,7 K w dzień i 4,6 K w nocy. Jednoczesne zwiększenie masy termicznej, włączenie wentylacji nocnej i zaciągnięcie rolet zewnętrznych spowodowało obniżenie średniej temperatury szczytowej o 7,4 K w dzień i 6,3 K w nocy. Analiza wyników badań wskazuje, że duża masa termiczna i zamykanie żaluzji zewnętrznych zmniejsza dobowe wahania temperatury wewnętrznej, natomiast uruchomienie wentylacji nocnej znacznie je zwiększa, zwłaszcza w przypadku lekkiej konstrukcji.

Akademia Letnia Magazynowania Energii i Efektywności Energetycznej z udziałem studentów BTU C-S i UZ

W dniach 23-26.sierpnia 2021 roku w ramach projektu pn. „Współpraca partnerów naukowych w zakresie kształcenia i wymiany wiedzy w dziedzinie technologii magazynowania energii
i efektywności energetycznej w regionie SNB”
, odbyła się niemiecko-polska Akademia Letnia Magazynowania Energii i Efektywności Energetycznej, w której wzięli udział studenci BTU Cottbus-Senftenberg oraz studenci Wydziału Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska UZ.

Z uwagi na ograniczenia spowodowane pandemią koronawirusa zajęć dla studentów obu uczelni nie można było zorganizować w jednym miejscu, dlatego odbywały się one po obu stronach granicy. Studenci w tym samym czasie realizowali ten sam program, a w razie potrzeby dyskusji mieli możliwość kontaktu on-line.

Akademia została przewidziana dla 12 studentów (6 studentów UZ i 6 studentów BTU C-S). Skorzystało z niej jednak 14 osób.

Pracownicy naukowo-dydaktyczni CEBry e.V., BTU C-S i UZ przygotowali wspólnie bardzo bogatą i ciekawą ofertę kształcenia w zakresie magazynowania energii i efektywności energetycznej, zorientowaną przede wszystkim na praktykę. W ramach 4-dniowego szkolenia studenci oprócz wykładów mogli samodzielnie przeprowadzać eksperymenty tematyczne. W czasie dwóch pierwszych dni zrealizowano zagadnienia przygotowane przez stronę niemiecką, dotyczące magazynowania energii elektrycznej oraz odnawialnych źródeł energii, a podczas dwóch kolejnych - przygotowane przez polską stronę, dotyczące zagadnień magazynowania energii cieplnej i efektywności energetycznej.

W programie Akademii znalazły się następujące tematy:

  1. Odnawialne źródła energii i przegląd różnych technologii magazynowania energii.
  2. Prezentacja systemów chemicznego i elektrochemicznego magazynowania energii.
  3. Przeprowadzenie własnych eksperymentów w zakresie: energii wiatrowej, słonecznej, energii cieplnej, fotowoltaiki i magazynowania energii wraz z oceną osiągniętych wyników.
  4. Procesy magazynowania i uwalniania ciepła z wykorzystaniem materiałów zmiennofazowych (PCM).
  5. Prezentacja zagadnienia krzepnięcia materiałów PCM w różnych układach geometrycznych oraz przeprowadzenie eksperymentu wraz z dyskusją i omówieniem wyników.
  6. Komin słoneczny - sztuczne warunki pracy.
  7. Efektywność energetyczna. Badanie termowizyjne i szczelności powietrznej obudowy termicznej budynku. Przeprowadzenie eksperymentów wraz z dyskusją i omówieniem wyników. 
  8. Wykorzystanie promieniowania słonecznego do magazynowania ciepła w materiałach PCM.
    Przeprowadzenie eksperymentu w tym zakresie wraz z dyskusją i oceną osiągniętych wyników.

Ze strony CEBry e.V, UZ i BTU Akademię Letnią przeprowadzili m.in. prof. dr inż. Hans-Joachim Krautz, dr inż. Anna Staszczuk, prof. dr hab. inż. Zygmunt Lipnicki i dr Iwona Napierała. Sprawne przeprowadzenie eksperymentów nie byłoby możliwe bez pomocy inż. Steffena Swata i inż. Piotra Grabasa, którzy przygotowali stanowiska dydaktyczne do pracy, a także wspomagali studentów w wykonywaniu przygotowanych zadań.

Na zakończenie Akademii studenci otrzymali certyfikaty potwierdzające uzyskaną wiedzę oraz upominki.

Podczas wszystkich zajęć studenci wykazywali duże zainteresowanie prezentowaną tematyką
i zaangażowanie w realizację eksperymentów. Podkreślali, że Akademia dostarczyła im ogrom wiedzy w bardzo aktualnych i ważnych zagadnieniach.  Dla nas - organizatorów całego przedsięwzięcia, a także naukowców i dydaktyków - jest to najlepsza nagroda za cały trud włożony w jego przygotowanie.

Podobne kilkudniowe szkolenia będą odbywały się cyklicznie w ramach kolejnego projektu pn. „Nowoczesne metody magazynowania energii w regionie Szprewa-Nysa-Bóbr”. Już dziś zapraszamywszystkich chętnych studentów do wzięcia udziału w tych transgranicznych spotkaniach edukacyjnych!

Badania eksperymentalne i teoretyczne procesu krzepnięcia materiałów zmiennofazowych w poziomej przestrzeni pierścieniowej

Głównym celem tego opracowania jest eksperymentalne i teoretyczne zbadanie wpływu materiałów PCM (ang. phase change material) znajdujących się w poziomej przestrzeni pierścieniowej.

Część teoretyczna pracy pokazuje rozwiązanie problemu krzepnięcia cieczy w przestrzeni pierścieniowej pod wpływem konwekcji swobodnej. Zastosowano tutaj uproszczony model quasi-stacjonarny procesu krzepnięcia. Nowy uproszczony model opisuje zjawisko krzepnięcia z narzuconym warunkiem brzegowym na granicy krzepnięcia poprzez zastosowanie współczynnika przejmowania ciepła. Na podstawie opracowanego modelu można wyraźnie zauważyć wpływ różnych parametrów bezwymiarowych na problem przemian fazowych.

Pomiary i obserwacje grubości warstwy zakrzepłej wykonano na nowym stanowisku eksperymentalnym. Praca dotyczy również roli warstwy kontaktu w procesie krzepnięcia. Otrzymane wyniki przedstawiają grubość warstwy zakrzepłej w zależności od czasu oraz rozkład lokalnego współczynnika przejmowania ciepła na powierzchni frontu krzepnięcia. Uzyskane wyniki badań teoretycznych i numerycznych wykazują dobrą zgodność.

Odziaływanie gruntu na warunki chłodzenia i ogrzewania pomieszczenia

Badania eksperymentalne nad ogrzewaniem modelowych pomieszczeń w budynkach mieszkalnych przeprowadzono m.in. w pracach [1,2,3]. Celem niniejszego opracowania jest analiza  teoretyczna  oddziaływania gruntu, na którym jest postanowiony budynek, na warunki panujące w jego pomieszczeniach. Grunt może odprowadzać ciepło (Rys.1 a) i doprowadzać ciepło (Rys. 1 b). Przeprowadzona w tym opracowaniu analiza niestacjonarnego ogrzewania lub chłodzenia gruntu pozwoli na lepsze zrozumienie zjawiska akumulacji ciepła w gruncie.

Powietrze wewnątrz pomieszczenia budynku o stałej temperaturze powietrza Tp poprzez podłogę o temperaturze powierzchni Ts ogrzewa lub ochładza grunt znajdujący się pod budynkiem. W niniejszym opracowaniu skoncentrujemy się na chłodzeniu pomieszczenia (Rys.1 a).

Krzepnięcie materiału PCM w kształcie kuli

Jednym z wielu sposobów magazynowania lub uwalniania ciepła z wykorzystaniem materiałów PCM jest zastosowanie w akumulatorach ciepła kul, wewnątrz których znajdują się wymienione materiały. Materiał PCM poddawany topnieniu magazynuje ciepło, a poddawany krzepnięciu uwalnia je. Stosowane w akumulatorach ciepła kule mogą posiadać relatywnie małe wymiary zewnętrzne, a ich liczba może być duża. Takie rozwiązania konstrukcyjne akumulatora ciepła sprzyjają poprawie efektywności cieplnej wymienionych przemian fazowych. 

Na rysunku 1 przedstawiono pojedynczą kulę, w której zachodzi proces  krzepnięcia materiału PCM. Zjawisko przemian fazowych materiału wewnątrz kuli badany był teoretycznie
i eksperymentalnie przez wielu autorów. Do takich prac można zaliczyć przykładowe prace [1, 2, 3].

Pojemnościowy akumulator ciepła w kształcie płyty - 1

W poprzednim opracowaniu (Pojemnościowy akumulator ciepła w kształcie płyty) rozważano problem rozładowywania pojemnościowego akumulatora ciepła w kształcie cienkiej płaskiej płyty. Podobny problem występuje przy ładowaniu pojemnościowym cienkiej płyty z tym, że kierunek strumienia ciepła jest przeciwny. Celem niniejszego opracowania jest opisanie zjawiska przepływu ciepła do pojemnościowego akumulatora ciepła w kształcie płaskiej cienkiej płyty  (rys. 1) o grubości , wysokości  i szerokości  do chłodzącej cieczy. Płyta wykonana jest z materiału o gęstości , cieple właściwym  i współczynniku przewodzenia ciepła . Płaska zewnętrzna powierzchnia płyty   nagrzewana jest przez przepływającą ciecz o temperaturze  ze współczynnikiem przejmowania ciepła , pozostałe zewnętrzne powierzchnie płyty są izolowane cieplnie. Do płyty o początkowej temperaturze  dopływa strumień ciepła  W płycie zachodzi zjawisko nieustalonego przewodzeniem ciepła, którego analiza sprowadza się do wyznaczenia pola temperatury wewnątrz płyty , gdzie współrzędna   jest prostopadła do powierzchni  o początku na powierzchni adiabatycznej a  czasem. Równanie Fouriera, które opisuje zjawisko przepływu ciepła w płycie, spełnia warunki graniczne: początkowy i brzegowe. Problem nieustalonego przewodzenia ciepła w płycie jest obszernie cytowany w literaturze naukowej [1, 2, 3].

W niniejszej pracy skoncentrowano się głównie na ładowaniu akumulatora ciepła, czyli nagrzewaniu  płyty do odpowiednio wysokiej temperatury. Przy projektowaniu akumulatora ciepła należy kierować się ilością zmagazynowanej energii na sposób ciepła, strumieniem cieplnym i czasem  rozładowywania akumulatora ciepła.

Pojemnościowy akumulator ciepła w kształcie płyty

Celem niniejszego opracowania jest opisanie zjawiska przepływu ciepła od pojemnościowego akumulatora ciepła w kształcie płaskiej cienkiej płyty (Rys. 1) o grubości , wysokości  i szerokości  do chłodzącej cieczy. Płyta wykonana jest z materiału o gęstości , cieple właściwym  i współczynniku przewodzenia ciepła . Płaska zewnętrzna powierzchnia płyty  chłodzona jest przez przepływającą ciecz o temperaturze  ze współczynnikiem przejmowania ciepła , pozostałe zewnętrzne powierzchnie płyty są izolowane cieplnie. Do chłodzącej cieczy dopływa strumień ciepła  W płycie zachodzi zjawisko nieustalonego przewodzeniem ciepła, którego analiza sprowadza się do wyznaczenia pola temperatury wewnątrz płyty , gdzie współrzędna   jest prostopadła do powierzchni  o początku na powierzchni adiabatycznej a  czasem. Rozwiązanie równania Fouriera, które opisuje zjawisko przepływu ciepła w płycie, spełnia warunki graniczne: początkowy i brzegowe. Problem nieustalonego przewodzenia ciepła w płycie jest obszernie cytowany w literaturze naukowej [1, 2].

W niniejszej pracy skoncentrowano się głownie na rozładowywaniu akumulatora ciepła uprzednio naładowanego, czyli nagrzanej  płyty do odpowiednio wysokiej temperatury. Przy projektowaniu akumulatora ciepła należy kierować się ilością zmagazynowanej energii na sposób ciepła, strumieniem cieplnym i czasem  rozładowywania akumulatora ciepła.

Chłodzenie procesora za pomocą pompy ciepła

W niniejszym opracowaniu przedstawiono przykład zastosowania sprężarkowej pompy ciepła (SPC)  do chłodzenia elementu elektronicznego (procesora) z wewnętrznymi źródłami ciepła.

Bardzo ważnym elementem sprężarkowej pompy ciepła jest parownik (Rys. 1), do którego wpływa ciecz, gdzie odparowuje a przez to zwiększa intensywność chłodzenia.  Rysunek przedstawia chłodzony procesor o wysokości H, w którym schematycznie zaznaczono zewnętrzne źródła ciepła. Powierzchnię zewnętrzną procesora pokrywa warstwa cieczy o grubości h, z której odparowuje gaz.  Na rysunku przedstawiono przebieg temperatury wewnątrz procesora i warstwie cieczy, temperaturę kontaktu Tc między powierzchnią procesora  i warstwą cieczy. Ts oznacza temperaturę parowania cieczy.

Pompa ciepła

Wprowadzenie:

  1. Obecnie na świecie paliwa kopalniane i ich spalanie są głównym źródłem energii.
  2. W przyrodzie: w wodzie, ziemi i powietrzu, znajdują się olbrzymie ilości zakumulowanej niskotemperaturowej energii, której wykorzystanie jest trudne z powodu relatywnie niskiej temperatury nośników energii.
  3. Siłą sprawczą transportu energii na sposób ciepła jest różnica temperatur.
  4. Przepływ energii ze źródła ciepła o temperaturze niższej do źródła ciepła o temperaturze wyższej możliwy jest gdy do układu transportującego ciepło zostanie doprowadzona energia zewnątrz.
  5. Pompy ciepła stwarzają  możliwości wykorzystywania zakumulowanego ciepła w otoczeniu o relatywnie niskiej temperaturze.

Uwaga: W prezentacji znajduje się animacja wykresu, dlatego proszę uruchomić pokaz slajdów

Budownictwo zrównoważone

W niniejszym materiale przedstawiono podstawowe informacje na temat budownictwa zrównoważonego: definicja, podstawowe cele, główne założenia, działania jakie powinny być podejmowane przez wszystkie najważniejsze podmioty w sektorze budownictwa na rzecz rozwoju zrównoważonego.

Budownictwo odgrywa ważną rolę w koncepcji zrównoważonego rozwoju z punktu widzenia rezultatu, jaki wywiera w postaci trwałych skutków w środowisku. Coraz częściej oczekuje się, że będzie ono podporządkowywało rozwiązania konstrukcyjne, materiałowe, technologiczne i instalacyjne zasadom rozwoju zrównoważonego. W myśl tych zasad nowoprojektowane budynki powinny minimalizować zużycie energii i zasobów naturalnych w całym cyklu swego istnienia, tak by obciążenie dla środowiska zewnętrznego było jak najmniejsze.

W materiale przedstawiono technikę LCA tj. ocenę cyklu życia, która służy do zbadania aspektów środowiskowych i potencjalnych wpływów w całym okresie życia wyrobu począwszy od pozyskania lub wytworzenia surowca z zasobów naturalnych przez produkcję, użytkowanie, aż do ostatecznej likwidacji.

Myślenie w kategoriach cyklu życia produktu, procesu budowlanego czy całego obiektu jest ważnym elementem wspomagającym procesy decyzyjne przy wyborze konkretnych rozwiązań materiałowych, technologicznych, konstrukcyjnych.

Aspekt ekologiczny jest kolejnym, oprócz aspektu ekonomicznego, trwałości, użyteczności, ważnym aspektem, który należy uwzględniać przy projektowaniu budynków efektywnych energetycznie.

Efektywność energetyczna. Inteligentne budynki – Część 1

W niniejszym materiale zaprezentowano krótką historię powstania inteligentnych budynków, różne definicje oraz kształtowanie tych budynków uwzględniając aspekt ekologiczny, ekonomiczny i ergonomiczny.

Ideę inteligentnych budynków zapoczątkowano w latach 70-tych XX wieku, a pierwszy inteligentny budynek w następnym dziesięcioleciu. Wtedy też zaadoptowano ideę inteligentnego budownictwa na potrzeby budownictwa użyteczności publicznej i mieszkaniowego. W 1983 roku w USA powstał pierwszy inteligentny budynek. Funkcjonuje wiele definicji inteligentnego budynku. Według jednej z nich INTELIGENTNY BUDYNEK to obiekt, który w sposób zintegrowany efektywnie zarządza zasobami, usługami i ich wzajemnymi powiązaniami w celu zaspokajania zmieniających się potrzeb jego użytkowników,  przy jednoczesnej minimalizacji kosztów i ciągłym poszanowaniu środowiska naturalnego w cyklu życia. Ważną rolę w kształtowaniu inteligentnych budynków odgrywa system zarządzania budynkiem – BMS.

Efektywność energetyczna. Inteligentne budynki – Część 2

W niniejszym materiale zaprezentowano raport z badań przeprowadzonych przez Buildings Performance Institute Europe. Jego celem była odpowiedź na pytanie: Czy Europa jest gotowa na smart rewolucję? W badaniu uwzględniono takie czynniki jak:  charakterystyka energetyczna budynku, zdolność do utrzymania w nim ciepła/chłodu, zdrowe środowisko do życia i pracy, udział energii pochodzącej z OZE w całkowitym zużyciu energii, energia z fotowoltaiki na potrzeby rynku, wydajne ogrzewanie i chłodzenie, instalacja inteligentnych liczników energii, dynamiczny rynek energii, dostępność do internetu gospodarstw domowych, reagowanie na popyt, rozwój magazynowania energii w budynku oraz rozpoznawanie rynku pojazdów elektrycznych. Przyjęte wskaźniki do oceny poszczególnych charakterystyk pozwoliły na stworzenie mapy Europy obrazującej gotowość do smart rewolucji w pięciostopniowej skali od początkujących do w pełni gotowych.

Laboratorium badawcze UZ nad efektywnością energetyczną w budownictwie / Platforma on-line

Laboratorium badawcze Uniwersytetu Zielonogórskiego nad efektywnością energetyczną
w budownictwie wyposażone jest w odnawialne źródła energii (OZE), aparaturę kontrolno-pomiarową, monitorującą podstawowe parametry pracy budynku, system BMS (System Zarządzania Budynkiem, ang. Building Management System) oraz stację meteorologiczną. W ramach systemu BMS funkcjonuje platforma on-line z dostępem dla pracowników naukowych i technicznych, dzięki której możliwa jest obserwacja kształtowania się poszczególnych parametrów wewnętrznych i zewnętrznych. Za pośrednictwem tej platformy można zdalnie dokonywać nastaw wybranych parametrów w ramach prowadzonych badań naukowych. Na platformie znajduje się także wizualizacja komina słonecznego, na której pokazane są pomiary z czujników zainstalowanych wewnątrz tego urządzenia.

Pliki do pobrania

Koncepcja elektrowni geotermalnej

Przedmiotem niniejszego opracowania jest koncepcja wykorzystanie ciepła z ziemi do napędu elektrowni geotermalnej. Przykłady wykorzystania energii geotermalnej można znaleźć  w pracach [1, 2, 3]. W niniejszym opracowaniu podobnie jak w pracy [2] do napędu niskotemperaturowej elektrowni geotermalnej użyto dwóch źródeł ciepła: źródła górnego, odwiert I głęboki i źródła dolnego, odwiert II płytki (patrz rys. 1). Woda gorąca wypływająca z odwiertu I może głównie służyć do celów grzewczych a jej część mniejsza, dzięki zastosowaniu zaworu rozdzielającego strumień wody może służyć do wytwarzania prądu elektrycznego. Zawór rozdzielający może pełnić również rolę zaworu regulacyjnego.

Wykorzystanie materiałów o dużej pojemności cieplnej lub PCM do magazynowania ciepła w budynkach

Materiały budowlane o dużej masie termicznej lub materiały ze zmienną fazą (PCM) mogą być stosowane do magazynowania ciepła w budynkach, np. w celu zapobiegania ich przegrzewaniu się w lecie, jak również w celu oszczędności energii do chłodzenia. W prezentacji przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych w 3 szeregowych pomieszczeniach z oknami wychodzącymi na południe, zlokalizowanych w Centrum Zrównoważonego Budownictwa i Energii (CBZiE) w Parku Naukowo-Technologicznym w Nowym Kisielinie. Pomieszczenia zaprojektowano tak, aby były identyczne, z wyjątkiem ścian i dachu, które wykonano z PCM (pomieszczenie E), żelbetu (pomieszczenie B) oraz w technologii szkieletu drewnianego (pomieszczenie D – referencyjne). Głównym celem badań było porównanie wpływu PCM i żelbetu na letnią charakterystykę cieplną pomieszczenia w istniejącym budynku bez dodatkowej wentylacji nocnej w klimacie umiarkowanym. Ponadto miało na celu sprawdzenie, czy efekt ten zależy od czasu trwania i nasilenia fal cieplnych. Wyniki badań i wnioski znajdują się w prezentacji pt.: “Wpływ materiałów do budowy ścian i dachów na właściwości termiczne budynku w okresie letnim w klimacie umiarkowanym”.

Wykorzystanie płyt PCM do magazynowania ciepła w budynkach / krzepnięcie płyty

płyty PCM firmy Rubitherm

Płyty wykonane z materiału PCM (phase change material) umocowane na ścianie wewnątrz pomieszczenia mogą być wykorzystane do oszczędnego gospodarowania ciepłem grzewczym. Płyta zbudowana z materiału PCM dzięki stałej i określonej temperaturze przemiany fazowej materiału (krzepnięcia lub topnienia) przyczynia się do stabilizacji temperatury wewnątrz pomieszczenia. Ciekły materiał PCM w kształcie płaskiej płyty, uprzednio stopiony w wyniku przepływu ciepła z pomieszczenia, krzepnąc oddaje powrotnie ciepło do tego samego pomieszczenia. Na zdjęciu przedstawiono płyty PCM firmy Rubitherm.

Wykorzystanie SPC do ładowania akumulatora ciepła zbudowanego z materiału PCM

Dzięki współpracy SPC (sprężarkowej pompy ciepła) z akumulatorem ciepła, w zależności od potrzeb, można regulować temperaturę ładowania akumulatora w energię na sposób ciepła.  Temperatura ładowania zależy głównie: od rodzaju materiału PCM (phase change material) i parametrów pracy SPC. Najważniejsze parametry wybranych materiałów PCM można znaleźć na stronie internetowej https://www.rubitherm.eu/. O prędkości ładowania i rozładowywania akumulatora ciepła w energię, jak wykazano w poprzednich opracowaniach, decyduje przede wszystkim jego konstrukcja geometryczna. Elementy akumulatora zbudowane z materiałów PCM, w zależności od potrzeb, mogą być płaskie, walcowe, pierścieniowe, kulowe itp. Na rysunku 1 przedstawiono koncepcję współpracy elementów składowych układu realizującego proces  ładowanie lub rozładowywania akumulatora ciepła.

Układ składa się z dolnego źródła ciepła, którym w rozważanym tutaj przypadku jest grunt, sprężarkowej pompy ciepła, akumulatora ciepła zbudowanego z materiału PCM i z górnego źródła ciepła do którego ostatecznie przekazywane jest ciepło. Dzięki SPC, która tworzy siłę sprawczą przepływu ciepła, ciepło z gruntu o temperaturze przepływa do akumulatora ciepła i topi materiał PCM w temperaturze. Proces ten nazywamy jest  procesem ładowania akumulatora. W zależności od ustawienia parametrów pracy pompy ciepła osiąga się żądany strumień ciepła i żądaną temperaturę.

Termowizja - część 2

(zdjęcie: 1/2)

W budownictwie i ciepłownictwie termowizja pozwala m.in. na:

  • ocenę stanu izolacji termicznej budynku (lokalizację miejsc nieszczelności,  lokalizację błędów w wykonawstwie),
  • ocenę stanu stolarki budowlanej (określenie prawidłowego osadzenia, szczelności okien
     i drzwi),
  • wykrywanie pęknięć i niejednorodności materiałów,
  • wykrywanie wad zastosowanych materiałów budowlanych,
  • identyfikację wad technologicznych przegród budynków,
  • lokalizację mostków cieplnych,
  • analizę stanu technicznego budynku przed i po termomodernizacji (dokumentowanie uszkodzeń, napraw, prac izolacyjnych),
  • kontrolę jakości prac budowlanych,
  • wykrywanie zawilgoceń i wycieków  w przegrodach oraz miejsc zagrożonych zagrzybieniem,
  • lokalizację miejsc ucieczki ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania,
  • lokalizację miejsc pęknięć sieci grzewczej i wodociągowej,
  • lokalizację rur z ciepłą wodą oraz wycieków i nieszczelności, filtracji powietrza,
  • identyfikację wadliwych i nieinwentaryzowanych elementów instalacji grzewczej,
  • lokalizację wad ogrzewania podłogowego, ściennego, sufitowego etc.
  • wyznaczanie przebiegu, umiejscowienia elementów grzejnych,
  • diagnostykę systemów wentylacyjnych, klimatyzacyjnych,
  • ocenę stanu technicznego kominów,
  • ocenę stanu technicznego wymienników ciepła.

 

Termowizja - część 1

Coraz bardziej restrykcyjne wymagania w zakresie ochrony cieplnej budynków wymagają poszukiwania nie tylko najlepszych rozwiązań materiałowych, konstrukcyjnych czy technologicznych, ale również bardzo precyzyjnych narzędzi i technik obliczeniowych, badawczych oraz diagnostycznych mających na celu projektowanie budynków spełniających kryteria energooszczędności. Termowizja (termografia) jest techniką obrazowania, która pozwala na precyzyjną, bezinwazyjną i szybką ocenę stanu termicznego badanego obiektu. Jest przede wszystkim bardzo przydatna w diagnostyce stanu technicznego budynków istniejących, które chcemy poddać termomodernizacji. Badanie polega na bezkontaktowym pomiarze temperatury na powierzchni badanego obiektu przy pomocy kamery termowizyjnej, która rejestruje promieniowanie podczerwone i przetwarza na kolorową mapę temperatur – termogram. Odzwierciedla on rozkład temperatury powierzchniowej badanego obiektu.

W niniejszym opracowaniu przedstawione są podstawowe pojęcia i prawa fizyki wykorzystywane
w termowizji. Przykłady zastosowań tej techniki w budownictwie, jak również sposób przeprowadzenia badania z zastosowaniem kamery termowizyjnej omówione są w materiale pt.: Termowizja – część 2.

Promieniowanie elektromagnetyczne, które wypełnia otaczającą nas przestrzeń, charakteryzuje długość emitowanej fali lub jej częstotliwość. Zakres częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego nazywa się widmem elektromagnetycznym. Jest ono umownie podzielone na szereg obszarów, nazywanych pasmami (Rys.1) o określonych długościach fal. We wszystkich pasmach promieniowanie podlega tym samym prawom, a jedyną różnicą jest długość fali.

Wykorzystanie materiału PCM do ogrzewania pomieszczeń

Celem rozważań jest analiza możliwości wykorzystania współpracy sprężarkowej pompy ciepła (SPC) z dolnym źródłem ciepła wykorzystującym zjawisko krzepnięcia materiałów PCM (phase change material) do ogrzewania pomieszczeń. Przykłady takich rozwiązań istnieją w literaturze [1]. W celu ilustracji założono, że zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania pomieszczenia wynosi Q ̇ = 2kW. Na  Rys. 1. przedstawiono schemat układu grzewczego składającego się z następujących  części: gruntowy wymiennik ciepła pobierający ciepło z gruntu, zbiornik materiału  i sprężarkowa pompa ciepła (SPC) ogrzewająca bezpośrednio pomieszczenie. W celu stabilizacji pracy pompy ciepła zastosowano pośredniczący w przepływie ciepła od gruntu do pompy ciepła zbiornik materiału PCM, który podawany jest kolejno procesom topienia przy akumulacji ciepła i krzepnięcia przy jego uwalnianiu.

W literaturze technicznej i naukowej na temat sprężarkowych pomp ciepła jest bardzo dużo opracowań i publikacji [2,3]. Pompy ciepła realizują lewo bieżny obieg termodynamiczny, powoduje on przepływ ciepła od źródła ciepła o temperaturze niższej do źródła ciepła o temperaturze wyższej. Bardzo ważnym parametrem dla oceny pracy pompy ciepła jest współczynnik wydajności cieplnej COP (coefficient of performance),  który określa jakość energetyczną SPC. Wyraża on stosunek ciepła oddanego do pomieszczenia ogrzewanego do mocy napędowej sprężarki. Wartość współczynnika  rośnie gdy różnica temperatur między źródłami ciepła maleje. Dlatego najlepszym rozwiązaniem dotyczącym wyboru tego sposobu ogrzewania pomieszczeń jest ogrzewanie powierzchniowe nazywane też niskotemperaturowym. 

Efektywność energetyczna / Badanie komfortu cieplnego w budynkach – część 2

Parametrem najczęściej utożsamianym ze środowiskiem cieplnym jest temperatura. Jednym z częściej stosowanych, bardziej miarodajnych wskaźników – oprócz temperatury powietrza – jest temperatura operatywna (zwana też operacyjną, odczuwalną). Jest to temperatura odczuwalna, odbierana bezpośrednio przez człowieka i jest wypadkową działania temperatury powietrza oraz średniej temperatury promieniowania otoczenia. Można ją obliczyć jako średnią tych dwóch zmierzonych temperatur, jeśli różnica między nimi nie przekracza 4oC lub prędkość powietrza jest nie większa niż 0,2 m/s. W przeciwnym razie należy uwzględnić odpowiednie współczynniki.

Dla pomieszczeń użytkowych takich jak: sypialnie, salony, kuchnie itd. w budynkach mieszkalnych wyposażonych w aktywne systemy ogrzewania i chłodzenia, zaleca się – zgodnie z EN 16798-1 [1] –  następujące wartości temperatury operatywnej w zależności od aktywności fizycznej człowieka i izolacyjności odzieży oraz przy wilgotności względnej 50%:

  • minimalną temperaturę operatywną w sezonie grzewczym równą 20oC ( ̴ 1,2 met;  ̴ 1,0 clo)
  • maksymalną temperaturę operatywną w sezonie chłodniczym równą 26oC ( ̴ 1,2 met;  ̴ 0,5 clo)

Powyższe wartości dotyczą II kategorii klasyfikacji środowiska wewnętrznego, która oznacza średni poziom oczekiwań w zakresie komfortu cieplnego.

Efektywność energetyczna / Badanie komfortu cieplnego w budynkach – część 1

Wprowadzenie

Badanie komfortu cieplnego jest jednym z niezbędnych elementów kontroli środowiska w budynkach zarówno w sezonie grzewczym, jak i letnim. Jest ono szczególnie ważne w obiektach zorientowanych na dużą efektywność energetyczną. Komfort cieplny wpływa na jakość życia człowieka, jego zdrowie, wydajność pracy, jakość odpoczynku i snu. Zapewnienie człowiekowi odpowiednich warunków cieplnych w budynku, w którym spędza on większość czasu, jest jednym z podstawowych zadań inżynierskich. Odnosi się to nie tylko do zastosowania odpowiednich technik grzewczych
i chłodniczych, ale również zaprojektowania właściwej bryły budynku, czy też doboru materiałów budowlanych. W świetle zmian klimatycznych, a co za tym idzie pojawiających się coraz częściej długotrwałych i dokuczliwych fal upałów, coraz większego znaczenia nabierają techniki chłodzenia pasywnego. Choć systemy aktywne nadal należą do najczęściej stosowanych sposobów radzenia sobie z przegrzewaniem budynków, to konieczność racjonalnego gospodarowania zasobami naturalnymi i energią skłania do podążania w kierunku chłodzenia opartego np. na wykorzystaniu pojemności cieplnej przegród budynku, czy też gruntu. O ile w przypadku urządzeń klimatyzacyjnych w stosunkowo prosty sposób można uzyskać wymagane parametry mikroklimatu poprzez sterowanie temperaturą w pomieszczeniu, o tyle w przypadku systemów pasywnych opartych na magazynowaniu ciepła w masie jest to znacznie bardziej złożone, związane przede wszystkim z przesunięciem czasowym w pobieraniu, zmagazynowaniu, a następnie uwolnieniu ciepła. Kontrola parametrów środowiska wewnętrznego jest w tym przypadku szczególnie istotna, ponieważ umożliwia na bieżąco – w miarę potrzeby – zastosowanie dodatkowo innych, pasywnych systemów zapobiegania przegrzewaniu pomieszczeń takich jak np. zwiększona wentylacja nocna, czy też żaluzje.

Magazynowanie ciepła w materiałach PCM

Magazynowanie ciepła w materiałach PCM (Phase Change Material),  oparte na wykorzystaniu przemian fazowych: krzepnięcia i topnienia jest dość powszechnie znane w literaturze fachowej z dziedziny energetyki. Przykłady analizy tego typu zjawisk zaprezentowano w załączonym materiale i w cytowanej w niej literaturze. Urządzenia w których jest magazynowane  i uwalniane ciepło nazywane są akumulatorami ciepła. Zadaniem akumulatora ciepła jest gromadzenie energii na sposób ciepła w okresie występowania jej nadwyżki, a następnie uwalnianie w okresie jej niedoboru. Materiał PCM gromadzący i uwalniający energię jest odpowiednio dobrany ze względu na jego rodzaj i geometrię zewnętrzną. Stosowany w akumulatorach ciepła materiał PCM posiada możliwość gromadzenia relatywnie dużej ilości ciepła w jednostce masy materiału w porównaniu z innymi sposobami akumulowania ciepła. Racjonalne gospodarowanie energią dzięki stosowaniu akumulatorów ciepła pozwala na zmniejszenie jej zużycia, a co za tym idzie finalnie prowadzi do oszczędności paliw. Drugą istotną korzyścią, wynikającą bezpośrednio z mniejszego zużycia paliw, jest spadek emisji szkodliwych produktów  spalania do środowiska naturalnego. Wybór optymalnej konstrukcji i rozmiaru akumulatora ciepła jest jednym z głównych zadań dla projektantów akumulatorów ciepła. Stosunek objętości do powierzchni zewnętrznej materiału, przez którą jest dostarczane lub wyprowadzane ciepło drogą przejmowania do czynnika pośredniczącego w wymianie ciepła jest bardzo ważnym parametrem akumulatora ciepła. W przedstawionej prezentacji omówiono różne kształty materiałów PCM ze względu na efektywne warunki wymiany ciepła. Do badania krzepnięcia jako reprezentacyjnego materiału PCM używana jest również woda jako bardzo dobry materiał badawczy ze względu na możliwość jego wielokrotnego użycia bez destrukcji stanowiska badawczego. Woda pozwala również zaobserwować wszystkie istotne elementy przebiegu zjawiska krzepnięcia.

Pliki do pobrania

Efektywność energetyczna / Badanie szczelności powietrznej budynków

(zdjęcie: 1/3)

Wprowadzenie
Zapewnienie odpowiedniej szczelność powietrznej jest bardzo istotne z punktu widzenia efektywności energetycznej budynku. Jest ona szczególnie ważna dla budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię, w szczególności budynków pasywnych, dla których zapotrzebowanie na energię do ogrzewania w sezonie grzewczym nie przekracza 15 kWh/m2 i zero-energetycznych, które wyposażone są w wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła (rekuperacją). Brak szczelności powietrznej budynku powoduje niekontrolowaną infiltrację (napływ powietrza zewnętrznego do budynku) i eksfiltrację (odpływ powietrza wewnętrznego z budynku) przez szczeliny (Rys.1). Szacuje się, że może to spowodować zwiększenie zapotrzebowania na energię do celów grzewczych w wyżej wymienionych budynkach nawet o 30-40% [1]. Należy mieć też na uwadze dalsze konsekwencje w postaci wystąpienia kondensacji pary wodnej w przegrodzie, na jej powierzchni, obniżenia komfortu cieplnego, a także akustycznego oraz konsekwencje ekonomiczne.

Przykładowe miejsca infiltracji i eksfiltracji:

  • otwory okienne i drzwiowe;
  • progi drzwi wejściowych;
  • miejsca styku ścian zewnętrznych z dachem, stropami, podłogą na gruncie i fundamentami;
  • miejsca styku ścian zewnętrznych z płytą fundamentową;
  • przejścia przewodów instalacyjnych;
  • gniazdka, łączniki, puszki elektryczne.

Test szczelności powietrznej
Test szczelności przeprowadza się z reguły w czasie trwania budowy na etapie stanu surowego zamkniętego oraz po zakończeniu wszystkich prac dla potwierdzenia wyników. Nierzadko badanie wykonuje się także dla budynków użytkowanych. Jest ono jednym ze sposobów kontroli jakości robót budowlanych i weryfikacją efektywności energetycznej budynku.

Krzepnięcie materiałów PCM w przestrzeniach walcowych

(zdjęcie: 1/2)

Magazynowanie energii na sposób ciepła opartej na zjawisku przemiany fazowej należy do jednych z coraz częściej stosowanych metod magazynowania ciepła  w energetyce. Na ten temat w literaturze naukowej i fachowej  jest bardzo wiele opracowań. Do przykładowych i wybranych opracowań  można zaliczyć prace [1 – 6]. W tym opracowaniu skoncentrowano się głównie na  krzepnięciu walcowych materiałów PCM (phase change material).

Materiał PCM w stanie ciekłym umieszczony jest w walcowym zbiorniku o promieniu R (rys.1a lub 1b).  Ścianka zbiornika zbudowana jest z materiału bardzo dobrze przewodzącego ciepło. Walec może być chłodzony zewnętrznie (rys. 1a) lub wewnętrznie (rys.1b)  tak, że powierzchnia  chłodząca utrzymywana jest w stałej temperaturze TW niższej od temperatury krzepnięcia cieczy TF (TW < TF). Strumień ciepła q przepływa do płynu chłodzącego. Zakrzepły materiał PCM posiada stałą gęstość ps, stałe ciepło właściwe cs i stały współczynnik przewodzenia ciepła λS. Ciepło krzepnięcia materiału PCM (ciepło przemiany fazowej) wynosi L. Frontem krzepnięcia jest cylindryczna powierzchnia walcowa o promieniu δ, która przemieszcza się w czasie t od zimnej powierzchni otaczającej ciecz o promieniu R do osi walca (rys. 1a) lub od  powierzchni cylindrycznej o promieniu R w kierunku zewnętrznym (rys. 1b).

Badania eksperymentalne nad wpływem pojemności cieplnej na komfort cieplny i zapotrzebowanie na energię do chłodzenia w budynkach mieszkalnych

(zdjęcie: 1/2)

Europa Środkowa jest jednym z regionów o największym wzroście ekstremalnych fal upałów. Co więcej, ludzie żyjący w klimacie umiarkowanym są bardziej narażeni na negatywne skutki takich zdarzeń niż ludzie żyjący w cieplejszym klimacie. Projektanci budynków od wielu lat koncentrują się głównie na optymalizacji w celu zmniejszenia całorocznego zużycia energii, które w warunkach klimatycznych w większości krajów europejskich zależy głównie od energii grzewczej. Jej oszczędność pozostanie priorytetem, ale coraz ważniejsza stanie się ochrona mieszkańców przed negatywnymi skutkami wysokich temperatur w okresie letnim. W związku z tym konieczne będzie dostosowanie istniejących budynków do bezprecedensowo wysokich temperatur w okresie letnim; przede wszystkim poszukiwanie nowych, energooszczędnych metod ochrony budynków przed przegrzaniem oraz dostosowanie rozwiązań stosowanych w cieplejszym klimacie do umiarkowanych warunków klimatycznych, mając na uwadze, że budynki zaprojektowane i wybudowane teraz będą istniały do końca XXI wieku. Jedną z metod zapobiegania przegrzewaniu się budynków jest magazynowanie ciepła z zastosowaniem pojemności cieplnej jego przegród.

 

Magazynowanie ciepła oparte na zjawisku przemiany fazowej

Magazynowanie ciepła oparte na zjawisku przemiany fazowej (zdjęcie: 1/2)

Magazynowanie ciepła stanowi w energetyce ważki przedmiot zainteresowania. Do najbardziej powszechnych metod magazynowania ciepła można zaliczyć: wykorzystanie ciepła pojemnościowego, ciepła zmiany fazy, ciepła reakcji chemicznej, ciepła reakcji fotochemicznej i produkcje paliw. W niniejszym opracowaniu skoncentrowano się na magazynowaniu ciepła przy wykorzystaniu zjawiska topnienia lub krzepnięcia, które jest szczególnym przypadkiem występujących w rzeczywistości wielu przemian fazowych.

Rozważany system magazynowania i uwalniania ciepła obejmuje krzepnący materiał PCM, zbiornik i czynnik pośredniczący służący do transportu ciepła na zewnątrz systemu. Przykładowy sposób magazynowania i uwalniania ciepła przedstawiono na rysunku 1. W zaizolowanym cieplnie zbiorniku znajduje się materiał PCM poddawany kolejno topieniu przy magazynowaniu ciepła i krzepnięciu przy jego uwalnianiu. Czynnik pośredniczący w magazynowaniu lub oddawaniu ciepła  przepływa wewnątrz kanału, bądź kanałów przepływowych, pogrążonych w materiale poddawanemu przemianie fazowej. Proces krzepnięcia rozpoczyna się od momentu osiągnięcia przez materiał PCM temperatury krzepnięcia. W tej fazie duże znaczenie na przebieg procesu mają właściwości termofizyczne materiału poddawanego temu procesowi, kształt geometryczny materiału, właściwości termofizyczne materiału i warunki odbioru ciepła.

Komin słoneczny

Komin słoneczny

Komin słoneczny stanowi dobry przykład ilustrujący zamianę ciepła na energię kinetyczną przepływającego powietrza (zasady termodynamiki). Komin słoneczny jest powszechnie znanym urządzeniem i na ten temat jest bardzo dużo opracowań w literaturze naukowej. Jednym z takich opracowań jest praca [1].

Optymalne warunki pracy komina słonecznego można zapewnić dzięki wykorzystaniu możliwości magazynowania ciepła w materiałach PCM (phase change material) przez  zmianę fazy (topienie) w okresach występowania nadmiaru ciepła (promieniowanie słoneczne lub wykorzystywane inne źródła energii) i uwalnianie  zmagazynowanej energii (krzepnięcie) w okresach niedoboru energii zewnętrznej. Pokazanie w sposób przejrzysty i zrozumiały transformację energii promieniowania słonecznego na energię kinetyczną przepływającego powietrza należy do ważnych zadań w procesie edukacji z zakresu termodynamiki i energetyki uczniów szkół średnich i wyższych. Uwzględnienie dodatkowo rozwiązań zapewniających ciągłą pracę urządzenia, dzięki przechowywaniu ciepła, jest również istotnym elementem kształcenia przyszłych inżynierów i nauczycieli techniki.

Wymiana ciepła budynku z otoczeniem

Wymiana ciepła budynku z otoczeniem (zdjęcie: 1/2)

Wymiana ciepła jest procesem złożonym, a pole temperatury zmienia się w czasie (t). Mówimy wówczas, że przepływ ciepła jest nieustalony (bądź niestacjonarny). Zmienia się on także w przestrzeni (x,y,z). W praktyce, dla uproszczenia zagadnienia, możemy skomplikowane matematycznie zadania przepływu ciepła przez przegrody budynku rozwiązywać przy założeniu ustalonego (stacjonarnego) w czasie przepływu ciepła (rozważania poniżej).