Słoneczna energetyka cieplna

część 1

Zastosowanie kolektorów słonecznych ukształtowało powszechny sposób myślenia o ogrzewaniu słonecznym.
Podczas gdy samą strukturą, bryłą, konstrukcją i usytuowaniem budynku można zmniejszyć w dużym stopniu zapotrzebowanie na energię do ogrzewania pomieszczeń w czasie sezonu grzewczego, a jednocześnie stworzyć odpowiednie warunki mikroklimatyczne w lecie. Oddziaływanie to jest ciągle niedoceniane, zwłaszcza w Polsce. Co więcej rola energii promieniowania słonecznego w kształtowaniu bilansu energetycznego budynków nie jest powszechnie znana.

MODELOWANIE I ANALIZA POZYSKIWANIA ORAZ KONWERSJI TERMICZNEJ ENERGII PROMIENIOWANIA SłONECZNEGO W BUDYNKU

Opracowano na podstawie pracy habilitacyjnej Pani dr Doroty Chwieduk - Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk.

Energetyka słoneczna jest względnie nową dziedziną nauki. Powstała ona w połowie XX wieku i od tej pory szybko się rozwija. Jej zakres tematyczny może byćtraktowany szeroko. Pojawiają się nowe zagadnienia coraz bardziej złożone i wymagające stosowania skomplikowanego modelowania matematycznego w celu ich rozwiązania. Podstawy energetyki słonecznej są dostępne zarówno w literaturze zagranicznej, jak i krajowej.
W zakresie zagadnień aplikacyjnych słonecznej energetyki cieplnej można wyróżnić dwie podstawowe grupy tematyczne: rozwiązań instalacyjnych systemów słonecznych i słonecznych systemów pasywnych. W literaturze krajowej dominują zagadnienia instalacyjne. Problematyka biernego wykorzystania energii promieniowania słonecznego w budynkach jako główny temat publikacji występuje rzadko. W większości przypadków problematyka ta pojawia się jako zagadnienie dodatkowe w publikacjach z zakresu budownictwa energooszczędnego.

W publikacjach tych można znaleŹć rozważania odnośnie wpływu energii promieniowania słonecznego na budynek przede wszystkim w czasie sezonu grzewczego. Nie ma jednakże kompleksowego podejścia do zagadnień oddziaływania promieniowania słonecznego na budynek w skali całego roku, ze szczegółowym podejściem do problematyki nieustalonych procesów transportu energii w budynku i jego otoczeniu.
Zwykle rozważania są uproszczone lub dotyczą tylko wybranych elementów obudowy budynku. W związku z tym nie ma zaleceń odnośnie kształtowania obudowy budynku pod kątem oddziaływania energii promieniowania słonecznego w skali roku. Nie prowadzone są bowiem szczegółowe analizy napromieniowania i pozyskiwania energii promieniowania słonecznego przez obudowę budynku wykorzystujące rzeczywiste uśrednione wieloletnie dane promieniowania słonecznego, co wynika nie tylko z braku dostępu do takich danych, ale i z niedoceniania roli energii promieniowania słonecznego, jaką ona pełni w kształtowaniu bilansu energetycznego budynku.

Samą strukturą, bryłą, konstrukcją i usytuowaniem budynku można zmniejszyć w dużym stopniu zapotrzebowanie na energię do ogrzewania pomieszczeń w czasie sezonu grzewczego, a jednocześnie stworzyć odpowiednie warunki mikroklimatyczne w lecie. Każdy budynek w mniejszym lub większym stopniu, w sposób zaplanowany lub nie, podlega oddziaływaniu energii promieniowania słonecznego. Oddziaływanie to jest ciągle niedoceniane, zwłaszcza w krajach położonych na wyższych szerokościach geograficznych, do których należy Polska. Co więcej rola energii promieniowania słonecznego w kształtowaniu bilansu energetycznego budynków nie jest powszechnie znana. Jeśli nawet energia promieniowania słonecznego jest uwzględniana przy tworzeniu koncepcji architektonicznej budynku i jego projektowaniu, to odbywa się to w sposób bardzo uproszczony, który nie odzwierciedla istoty i charakteru oddziaływania energii promieniowania słonecznego.

Problemy dużej energochłonności budownictwa, odpowiedzialnego za 40% zużycia energii finalnej w krajach Unii Europejskiej, doprowadziły do powstania Dyrektywy 2002/91/EC w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Głównym celem wprowadzenia Dyrektywy jest zapewnienie efektywności energetycznej w budownictwie, a w konsekwencji ograniczenie zanieczyszczenia środowiska. Aby cel ten mógł być osiągnięty przewidziano m.in. stworzenie ogólnych ram wspólnej metodologii do obliczania tzw. zintegrowanej charakterystyki energetycznej budynków, oraz ustalenie i wprowadzenie schematów certyfikacji nowych budynków i budynków istniejących.

W przypadku budynków niemieszkalnych będzie wymagane publiczne przedstawianie „świadectw charakterystyki energetycznej budynków” wraz z podaniem podstawowych parametrów wpływających na mikroklimat danego obiektu. Metodologia wyznaczania charakterystyki energetycznej budynków może być zróżnicowana regionalnie. Natomiast sama charakterystyka energetyczna budynków ma być ujednolicona i określana na podstawie:

zastosowanych rozwiązań materiałowych, w tym przede wszystkim izolacji;
zastosowanych instalacji grzewczych, klimatyzacyjnych i wentylacyjnych, instalacji oświetleniowych;
projektu budynku, jego usytuowania i orientacji, które powinny być powiązane z lokalnymi warunkami klimatycznymi takimi jak ekspozycja na słońce, możliwość pasywnego wykorzystania energii słonecznej oraz stosowanie zacienienia;
wykorzystania aktywnych systemów słonecznych i innych systemów grzewczych oraz elektrycznych wykorzystujących odnawialne Źródłach energii;
możliwości produkcji energii na miejscu;
warunków klimatu wewnętrznego.

Dyrektywa Unijna w sposób bezpośredni promuje rozwiązania związane z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego. Podkreśla znaczenie koncepcji i projektu architektoniczno – budowlanego, rolę usytuowania i orientacji budynku oraz jego otoczenia w pozyskiwaniu energii promieniowania słonecznego lub ograniczaniu jej dostępu.

Przedmiot, cel i zakres pracy

Przedmiotem pracy jest zagadnienie pozyskiwania i naturalnej konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego w budynku w czasie roku. Promieniowanie słoneczne zanim dotrze do powierzchni Ziemi ulega różnego rodzaju oddziaływaniom i zostaje osłabione. Osłabione przejściem przez atmosferę ziemską docierając do obudowy budynku może bezpośrednio przenikać do wnętrza przez przezroczyste elementy obudowy lub oddziaływać pośrednio na wnętrze wskutek pochłaniania w obudowie budynku, którą stanowią przegrody nieprzezroczyste i przezroczyste – okna. W obudowie i wnętrzu budynku zachodzą procesy konwersji fototermicznej, które wpływają na stan termiczny budynku i warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniach.

Podstawowym celem pracy jest sformułowanie opisu matematycznego i przeanalizowanie zagadnienia zmiennego w czasie pozyskiwania i naturalnej konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego w budynku. Aby cel ten był osiągnięty należy opracować i rozwiązać zagadnienia zmiennej w czasie dostępności energii promieniowania słonecznego do różnie usytuowanych elementów obudowy budynku i dynamiki procesów zachodzących w obudowie budynku w wyniku zmieniających się w czasie warunków otoczenia. Podstawą opisu zachodzących zjawisk są równania matematyczne praw zachowania i transportu energii, wraz z warunkami brzegowymi i początkowymi. Sformułowane i opisane matematycznie zagadnienia rozwiązano przy wykorzystaniu symulacji numerycznej. W tym celu opracowano algorytmy kilku programów numerycznych, które symulują zjawiska zachodzące w poszczególnych elementach modelowego pomieszczenia budynku i ich otoczeniu. Modułowość programów stanowiąca o integralności opisu poszczególnych elementów budynku i otoczenia umożliwia analizowanie poszczególnych zagadnień oddzielnie, niezależne wprowadzenie zmian w poszczególnych programach i otrzymywanie wielowariantowych kompleksowych rozwiązań.

W celu rozwiązania zagadnienia napromieniowywania obudowy budynku promieniowaniem słonecznym sformułowano model dostępności promieniowania słonecznego dla różnie usytuowanych powierzchni, opisanych kątem azymutalnym i kątem pochylenia, w odniesieniu do uśrednionych reprezentatywnych dni poszczególnych miesięcy roku. Wykorzystano dwa modele opisu promieniowania rozproszonego: izotropowy i anizotropowy. Przeprowadzono analizę porównawczą wyników napromieniowania półsferycznego i jego składowych obliczonych przy wykorzystaniu dwóch wspomnianych modeli. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń sformułowano wnioski, co do wyboru modelu opisu promieniowania w zależności od przedmiotu rozważań, a także wnioski odnośnie kształtowania obudowy budynku pod kątem dostępności promieniowania słonecznego.

W celu rozwiązania zagadnienia dynamiki procesów zachodzących w obudowie budynku w wyniku zmieniających się w czasie warunków otoczenia, ze szczególnym uwzględnieniem napromieniowywania ich promieniowaniem słonecznym sformułowano model matematyczny zjawisk zachodzących w przegrodach przezroczystych i nieprzezroczystych. W przypadku przegród przezroczystych - okien rozważono przepływ energii przez przeszklenie, obrzeże przeszklenia i ramę, uwzględniając wzajemne oddziaływanie poszczególnych elementów. Okno jest skomplikowane materiałowo i przestrzennie. Sformułowany model matematyczny procesów transportu energii, warunki brzegowe i początkowe, są złożone. Opracowano model bilansu energetycznego modelowego pomieszczenia budynku, uwzględniając zmienność w czasie jego podstawowych składowych. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń sformułowano wnioski odnośnie roli energii promieniowania słonecznego w kształtowaniu bilansu energetycznego pomieszczeń, a w konsekwencji wpływu na komfort cieplny.

W rozdziale 1 opisano metodykę szacowania napromieniowania słonecznego dowolnie usytuowanych powierzchni. Przedstawiono podstawowe parametry i wielkości geometrii sferycznej Słońca oraz zależności pomiędzy padającym promieniowaniem słonecznym a dowolnie usytuowaną powierzchnią na Ziemi. Opisano istniejące modele matematyczne służące do wyznaczania energii promieniowania słonecznego docierającego do dowolnie usytuowanych powierzchni, model izotropowy i anizotropowy promieniowania słonecznego. Rozważono wpływ otoczenia budynku na dostępność promieniowania słonecznego,
ze szczególnym uwzględnieniem zjawiska zacieniania.

W rozdziale 2 przedstawiono model reprezentatywnego (uśrednionego) promieniowania słonecznego oparty na rzeczywistych danych pomiarowych dla Warszawy, przygotowany w IMiGW [57], który stał się podstawą do przeprowadzonych w rozprawie obliczeń napromieniowania różnie usytuowanych powierzchni. Zaproponowano metodykę analizy danych napromieniowania słonecznego pod kątem ich wykorzystania do wyznaczania dostępności promieniowania słonecznego. Przeprowadzono obliczenia napromieniowania dla pełnej zmienności kąta pochylenia ? i kąta azymutalnego ? dla modelu izotropowego i anizotropowego promieniowania. W Dodatku 1 zamieszczono interpretację graficzną wybranych wyników napromieniowania różnie usytuowanych powierzchni. Przeprowadzono analizę porównawczą danych napromieniowania otrzymanych z obu modeli promieniowania. Sformułowano zalecenia odnośnie zakresu i celu stosowalności obu modeli promieniowania, oraz zalecenia odnośnie kształtowania obudowy budynku w odniesieniu do warunków dostępności promieniowania słonecznego.

W rozdziale 3 opisano zagadnienie transmisji promieniowania słonecznego przez osłony przezroczyste jako jedno z podstawowych zagadnień konwersji fototermicznej energii promieniowania słonecznego. Skoncentrowano się na bezpośrednim oddziaływaniu promieniowania słonecznego na budynek, w szczególności na zjawiskach optycznych występujących przy przejściu promieniowania słonecznego przez przezroczystą przegrodę obudowy budynku.

W rozdziale 4 sformułowano bilans energetyczny dowolnego modelowego pomieszczenia budynku. Opracowano model matematyczny procesów zachodzących w danym pomieszczeniu budynku, jego obudowie i otoczeniu. Transport energii przez przegrody zewnętrzne obudowy budynku rozważono oddzielnie dla przegród przezroczystych i nieprzezroczystych z uwzględnieniem oddziaływania energii promieniowania słonecznego. Szczególną uwagę zwrócono na przepływ energii przez okno, jako ten element obudowy, który w największym stopniu ulega oddziaływaniu energii promieniowania słonecznego. Nieustalony przepływ ciepła przez przegrody nieprzezroczyste zamodelowano w układzie jednowymiarowym.

W przypadku okna zastosowano uproszczony model jednowymiarowy dla części centralnej przeszklenia, quasi trójwymiarowy dla obrzeża przeszklenia i ramy. Sformułowano warunki początkowe i brzegowe. Zagadnienie rozwiązano przy wykorzystaniu metody bilansów elementarnych. Określono poszczególne strumienie energii dopływające lub odpływające z wnętrza pomieszczenia w danym czasie, będące elementami bilansu energetycznego budynku. Uwzględniono zapotrzebowanie na ciepło do celów wentylacyjnych przy założeniu istnienia rekuperacji ciepła. Wyznaczono zapotrzebowanie na ciepło/chłód dostarczane przez urządzenia grzewczo/klimatyzacyne, które pokrywa straty/zyski związane z transportem energii przez nieprzezroczyste i przezroczyste przegrody budowlane, w tym zyski wynikające z bezpośredniego oddziaływania promieniowania słonecznego (jeśli występują), a także zapotrzebowanie na ciepło/chłód do celów wentylacyjnych, w taki sposób aby utrzymać stałą w czasie i przestrzeni temperaturą wewnętrzną w rozważanym pomieszczeniu. Zastosowano symulację komputerową zjawisk zachodzących w budynku i jego otoczeniu dla wybranych przykładów pomieszczeń budynku w celu udokumentowania konieczności uwzględniania promieniowania słonecznego przy formułowaniu bilansu energetycznego budynku, przy tworzeniu jego koncepcji i projektowaniu. Do symulacji komputerowej wykorzystano oprogramowanie MATLAB. Wyniki przedstawiono w sposób graficzny w rozdziale 5 i częściowo w Dodatku 4.

W rozdziale 5 na podstawie sformułowanego modelu matematycznego zjawisk zachodzących w obudowie budynku i jego otoczeniu, i przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych opisano energetyczne zachowanie się wybranych do rozważań pomieszczeń i elementów obudowy budynku, w zmieniających się warunkach otoczenia zewnętrznego. Opracowano wnioski odnośnie wpływu energii promieniowania słonecznego na bilans cieplny pomieszczeń w odniesieniu do warunków Polski centralnej, które w sposób ogólny odnoszą się także do całego kraju.

Rozdział 6 dotyczy podsumowania wyników osiągniętych w pracy i propozycji kierunków dalszych badań w przedmiocie pracy, i w innych pokrewnych działach.

W poszczególnych rozdziałach wyszczególniono literaturę z zakresu stanu i kierunków badań problematyki rozważanej w tych rozdziałach, dokonano przeglądu publikacji najbardziej istotnych dla rozważanych zagadnień.

Nazewnictwo z zakresu energetyki słonecznej jest zgodne normą PN-EN ISO 9488 „Energia słoneczna. Terminologia” [190].

Komentarze (0) >>

Write comment