fizyka budowli kolokwium.doc

Budownictwa energooszczędnego

1.Zabiegi termomodernizacyjne i ich wpływ na procesy cieplno-przepływowe w obiektach budowlanych, materiały termomodernizacyjne, audyt energetyczny

W celu określenia spodziewanych efektów ekonomicznych inwestycji termomodernizacyjnych oblicza się wskaźnik SPBT tzw. prosty czas zwrotu nakładów finansowych

prosty czas zwrotu nakładów na przedsięwzięcie termo modernizacyjne (SPBT) to okres czasu po jakim sumaryczne oszczędności wynikające z zmniejszenia zużycia energii zrównują się z zainwestowa­nym kapitałem (własnym i obcym) i zaczynają przynosić inwestorowi zysk w postaci niższych opłat za zużytą energię, przy założeniu stałych cen energii i pominięciu wpływu inflacji.

N - nakłady, w zł, poniesione na zwiększenie wartości R - opora cieplnego l m2 ściany

W- wartość zaoszczędzonej energii w wyniku podniesionej izolacyjno­ści cieplnej ściany, w zł*K (W*a)

Miejsce izolacji termicznej w przegrodzie

z uwagi na całkowitą izolacyjność termiczną przegrody, miejsce izolacji termicznej w przegrodzie warstwowej nie ma wpływu na właściwości cieplne (U),

niezależnie od tego, jakie materiały zostaną użyte do konstruowania przegrody, jeśli tylko całkowity opór w poszczególnych rozwiązaniach będzie taki sam, to właściwości izolacyjne będą również takie same,

ALE

Przegrody będą się jednak różnić innymi właściwościami z zakresu fizyki budowli.

rysunki przedstawiają jakościowe różnice występujące pomiędzy poszczególnymi typami przegród przy założeniu, że wszystkie przegrody mają takie same własności cieplne (RT).

rozkłady temperatur w poszczególnych przegrodach, przy temp. zewnętrznej To = -10C, Ti - temp. wewnętrzna,

dla przegrody monolitycznej jeden materiał spełnia jednocześnie funkcje konstrukcyjne i izolacyjne.

2.Wartości wskaźników zużycia energii, w istniejących budynkach w tym w domach pasywnych

Wskaźnik zużycia energii w budynkach wzniesionych:

- przed rokiem 1986, waha się pomiędzy 240-280 kWh*m-2 ,

- w latach 1986-1992 obejmuje zakres od 160 do 200 kWh*m-2,

- obecnie od 120 do 160 kWh*m-2 .

W budynkach pasywnych energochłonność wynosi 10-15 kWh*m-2 .

wymianę powietrza w tych obiektach zapewnia automatyzowany system wentylacji mechanicznej.

ogrzanie jednego metra kwadratowe go powierzchni mieszkalnej domu pasywnego wymaga dostarczenia 15 kWh, odpowiada to spaleniu:

1,5 l oleju opalowego,

1,7 m3 gazu,

2,3 kg węgla.

Dom pasywny:

idea - poprawa parametrów elementów i systemów istniejących w każdym budynku, zamiast wprowadzania dodatkowych rozwiązań,

obiekt budowlany, który wyróżnia się bardzo dobrymi parametrami izolacyjnymi przegród zewnętrznych,

zewnętrzna powłoka budynku jak i stolarka okienna jest nieprzepuszczalna dla powietrza,

zastosowanie szeregu rozwiązań, mających na celu zminimalizowanie zużycia energii w trakcie eksploatacji,

praktyka pokazuje, że zapotrzebowanie na energię w domach pasywnych jest ośmiokrotnie mniejsze niż w tradycyjnych budynkach wznoszonych według obowiązujących norm,

w domach pasywnych redukcja zapotrzebowania na ciepło jest tak duża, że nie stosuje się w nich tradycyjnego, systemu ogrzewania, a jedynie dogrzewanie powietrza wentylacyjnego (rekuperacja), system nawiewno-wywiewnej zmniejsza o 75-90 % straty ciepła.

rozwiązaniem często stosowanym w domach pasywnych jest gruntowy wymiennik ciepła, w okresie zimowym świeże powietrze no przefiltrowaniu przechodzi przez wymiennik, gdzie jest wstępnie ogrzewane, następnie dostaje się do rekuperatora, w którym zostaje podgrzane ciepłem pochodzącym z powietrza wywiewanego z budynku,

do zbilansowania zapotrzebowania na ciepło, w przeważającej części, wykorzystuje się promieniowanie słoneczne, odzysk ciepła z wentylacji, zyski cieplne pochodzące od wewnętrznych źródeł, takich jak urządzenia elektryczne i mieszkańcy, jedynie w okresach szczególnie niskich temperatur stosuje się dogrzewanie powietrza nawiewanego do pomieszczeń,

obecnie koszt budowy domu pasywnego w Polsce jest o 25 do 30% o wyższy w stosunku do budowy standardowej, w Niemczech koszt budowy przewyższa o 5% o procent koszty wznoszenia w Polsce

3.Energia promieniowania słonecznego, defekt masy, stała słoneczna, podział promieniowania słoneczne go docierającego do powierzchni Ziemi

Energia promieniowania słonecznego

Słońce jest centralnym ciałem naszego układu planetarnego;

ogrzewa i oświetla Ziemię, stanowiąc źródło życia i energii,

jest najbliższą gwiazdą, jedyną którą można obserwować jako tarczę.

•Słońce jest kulą gazową, która istnieje trwale dzięki silom grawitacji

•światło biegnie ze Słońca do Ziemi 8 min i 19 s,

•masa Słońca przewyższa 745 razy masę wszystkich planet,

•masę Ziemi przekracza 333 rys. razy,

•świecąca powierzchnia Słońca nazywa się fotosferą,

•co sekundę Słońce przetwarza około 600 mln ton wodoru naokoło

400 mln ton helu.

Słońce i promieniowanie słoneczne

Słońce jest kulą.

Średnica                             1,393*106 km

Masa                                           1,991*1030 kg

Średnia odległość od Ziemi               1,496*108 km

Skład chemiczny                                          72,7% H2; 26,2% He;

reszta-inne pierwiastki

Źródłem energii są procesy termonuklearne (fuzja deuteru i trytu)

Całkowita moc emitowanego promieniowania         3,826*1023 kW,

(1026 J/s)

Temperatura wnętrza (szacunki)                                           8*106 - 40*106 K

Temperatura powierzchni (z rozkładu widma)         5777 K

Ziemia otrzymuje od Słońca w ciągu roku tyle energii ile potrzeba do stopienia warstwy lodu grubości 35m, zalegającej całą powierzchnię Ziemi.

Miarą promieniowania słonecznego jest tzw.

STAŁA SŁONECZNA,

średnia w ciągu roku kalendarzowego,

gęstość strumienia promieniowania słonecznego poza atmosferą ziemską

na płaszczyznę normalną do biegu promieni słonecznych,

przy średniej odległości Ziemi od Słońca.

±3,4%

Stała Słoneczna - Isc= 1353 W/m2 = 4,871MJ/m2h(106/3600)

Ruch Ziemi na eliptycznej orbicie wokół Słońca powoduje odchylenia od wartości średniej stałej słonecznej w granicach

Słońce to gigantyczny nuklearny kocioł, w którym zachodzą reakcje jądrowe, podczas których budowane są jądra pierwiastków cięższych z lżejszych - bądź następuje rozpad jąder pierwiastków cięższych.

Głównym źródłem energii promieniowania słonecznego jest proces powstawania helu z wodoru.

Do zbudowania jednego jadra atomowego helu potrzebne są cztery jadra atomowe wodoru.

Suma mas czterech protonów jest o 0,7% o większa od masy jądra helu, a więc taki ułamek masy protonów przy budowie jąder atomowych helu przechodzi w inną formę materii - promieniowanie.

Defekt masy - E=Dmc2

Przy tworzeniu jednego jądra helu wydziela się energia: 26,8 MeV (megaelektronovolt), która w przeliczeniu na jeden mol helu wynosi 700 000 kWh, co odpowiada energii zawartej w 24 000 t węgla

Ubytek masy Słońca, wyemitowany w postaci promieniowania, wynosi: 4 000 000 t/s

Energia jądrowa

Reasumując - przy przemianie jądrowej pierwiastków uwalniają się olbrzymie ilości energii.

Z masy 0,001 kg wodoru powstaje hel oraz ponad 1012 J energii.

W ciągu każdej sekundy 4 mln ton wodoru przemieniają się w Słońcu w hel.

Przez wypromieniowanie uwolnionej energii Słońce traci 0,1% swojej masy w ciągu 16 miliardów lat.

Każdy metr kwadratowy powierzchni słonecznej wypromieniowuje w ciągu sekundy w przestrzeń 62,86*106J energii , cała zaś powierzchnia Słońca aż 3,826*1026J.

Z tej energii dociera do Ziemi w każdej sekundzie 2*1017J.

Elektromagnetyczne promieniowanie słoneczne stanowi wąski wycinek widma fal elektromagnetycznych:

pełny zakres promieniowania słonecznego 0,3 – 3 mm,

widmo promieniowania widzialnego - od 0,38 do 0,78 mm,

podczerwień krótkofalowa powyżej do około 0,78 mm,

nadfiolet (ultrafiolet) do 0,48 mm.

Prędkość światła

promieniowanie wszystkich obiektów może wykazywać zarówno charakter korpuskularny (masowy) (strumień cząstek elementarnych, jonów, atomów cząsteczek, kwarków, mezonów ) jak i falowy (zjawiska dyfrakcji i interferencji).

fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z prędkością

300 000 km/s=3*108 m/s (Maxwell)

4.Zakres wartości sum rocznego promieniowania na terenie Polski

promieniowanie słoneczne całkowite – W/m2

będące sumą gęstości strumienia energii promieniowania bezpośredniego -dochodzącego z widocznej tarczy stołecznej oraz  rozproszonego, napromieniowanie, zwane także nasłonecznieniem (sumy promieniowania) H (napromieniowanie) – J/m2,  kWh/m2  przedstawiające energię padającą na jednostkę powierzchni w ciągu określonego czasu (godziny, dnia. miesiąca, roku);

usłonecznienie - h będące liczbą godzin z bezpośrednio widoczną operacją słoneczną.

5.Obliczanie całkowitej gęstość składowych promieniowania słonecznego na powierzchnie równoległą do powierzchni Ziemi

6.Przeliczanie gęstości promieniowania słonecznego na płaszczyznę usytuowaną pod dowolnym kątem do powierzchni Ziemi - bardzo ogólnie

Energia promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni dowolnie usytuowanej

Całkowita gęstość promieniowania słonecznego Gb W/m2 padająca na powierzchnię pochyloną pod katem b:

              Gb = Gb*Rb + Gd*Rd + (Gb + Gd)*ro*Ro

gdzie:

Gb - gęstość promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę poziomą W/m2

Gd - gęstość promieniowania dyfuzyjnego na płaszczyznę poziomą W/m2

Rb – współczynnik korekcyjny dla promieniowania bezpośredniego

              Rb=

qb - kąt padania promieniowania na powierzchnię ściany, mierzony między kierunkiem promieniowania bezpośredniego a normalną do ściany.

qz – kąt zenitu.

Rd – współczynnik korekcyjny dla promieniowania dyfuzyjnego

              Rd =

Ro – współczynnik korekcyjny dla promieniowania odbitego

              Ro =

ro – współczynnik refleksyjności podłoża odbijającego

7.Przeliczanie gęstość promieniowania słonecznego na sumy godzinowe, dobowe, miesięczne  lub roczne promieniowania słonecznego (sumy miesięczne zamieszczone są w PN 02025 lub na stronach M.A. przy Świadectwach Energetycznych Budynków)

8.Układy pozyskiwania energii słonecznej w budynkach klasyfikowane wg. układów heliopasywnych i helioaktywnych

promieniowanie słoneczne, padające na budynek

jest częściowo absorbowane przez ściany zewnętrzne, częściowo przenika do pomieszczeń poprzez okna,

absorbcyjność promieniowania słonecznego przez pomieszczenia definiuje się jako stosunek promieniowania pochłoniętego wewnątrz pomieszczenia do całego promieniowania, dochodzącego doń poprzez okna, którego wartość jest funkcją transmisyjności szyb okiennych,

promieniowanie słoneczne, przechodzące przez okna, jest częściowo natychmiast absorbowane przez ściany wewnętrzne a częściowo przez nie odbijane,

promieniowanie odbite może przejść na zewnątrz.

Systemy heliopasywne

Bierne systemy słoneczne

Systemy zysków bezpośrednich

Systemy zysków pośrednich

- z masywną ściana kolektorowo-akumulacyjną,

- pełną,

- wentylowaną,

- ze ścianą kolektorową,

- z przestrzeni a buforową,

-sprzężoną z ogrzewanym pomieszczeniem przez przezroczystą przegrodę,

- sprzężoną z ogrzewanym pomieszczeniem przez ścianę akumulacyjną.

Bierne systemy wykorzystania energii promieniowania słonecznego polegają na przepuszczeniu do wnętrza obiektu promieniowania krótkofalowego przez przezroczyste przegrody obudowy zewnętrznej, które na napotkanych elementach struktury budynku ulegają konwersji w energię cieplną.

Elementy pochłaniające nagrzewając się emitują długofalowe promieniowanie cieplne, które nie jest wypromieniowywane na zewnątrz.

Opisywane zjawisko nazywa się ”efektem szklarniowym", który razem z ruchami konwekcyjnymi powietrza, przenikaniem i przewodzeniem

jest podstawą działania biernych systemów słonecznych.

system zysków bezpośrednich gdzie prom. słoneczne dociera bezpośrednio do pomieszczeń użytko­wych przez przegrody przezroczyste i tam jest pochłaniane przez  powierzchnie całej obudowy tych pomieszczeń. Pochłanianie, akumulowanie i emitowanie ciepła następuje w obrębie tego pomie­szczenia. W tym przypadku ściany wewnętrzne, posadzki, stropy są jednocześnie kolektorem, maga­zynem i emiterem (grzejnikiem) energii cieplnej pozyskiwanej z promieniowania słonecznego.

System zysków pośrednich

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w systemach pośrednich polega na umieszczeniu tuż za przeszkleniem elementów budowlanych odbierających promieniowanie.

Kolektorem w tym wypadku jest przeszklenie i element pośredniczący, znajdujący się tuż za przeszkleniem.

Do powierzchni odbiornika dociera promieniowanie (krótkofalowe i widzialne (od 0,3 do 3,0 mrn) gdzie dokonuje się  konwersja na energię cieplną.

Odbiornik emituje fale cieplne o długości od 4 do 30 mm, które ogrzewają przylegle pomieszczenia.

Odbiornikami pośredniczącymi mogą być lekkie elementy pochłaniające (podobnie jak w typowych kolektorach powietrznych: blachy różnych metali, płyty tworzyw sztucznych, rożnego typu żaluzje i inne lekkie przegrody budowlane, które umieszcza się za przeszkleniem w elewacji południowej) lub ciężkie w formie grubego masywnego  różnych materiałów.

lub ciężkie w formie grubego masywnego muru z różnych materiałów  lub woda w pojemnikach. a nawet pojemniki   materiałami ulegającymi  przemianom fazowym .

Przy odbiornikach lekkich pobrane ciepło z energii słonecznej, jest natychmiast wy promieniowane, co powoduje duże wahania temperatury wewnątrz pomieszczenia Wady tej są pozbawione systemy z elementami ciężkimi, kolektorowo-magazynowymi. Element taki nagrzewa się wolniej, ale ciepło oddaje dłużej i łagodniej, co powoduje, że korzysta się z tego ciepła w okresie nocnym i przez kilka pochmurnych dni. Rozwiązanie takie spopularyzował w latach sześćdziesiątych francuski prof. F. Trombe.

Początkowo do budowy ściany Trombe'a używano prostych materiałów budowlanych o dużej pojemności cieplnej i gęstości: beton z kruszywem kamiennym, żelbet, cegła pełna klinkierowa, kamień

W nowszych wariantach ściany kolektorowo-magazynowej używa się do jej budowy pojemników z wodą lub przezroczystych lub z wodą, z elementami budowlanymi łączy się pojemniki z materiałami ulegającymi przemianom fazowym.

Sprawność systemu zysków pośrednich zależy głównie od właściwości termofizycznych materiału ściany kolektorowo-magazynowej, w tym od jej zdolności do akumulowania ciepła.

System zysków pośrednich

polega na umieszczeniu elementów pochłaniających promieniowanie słoneczne tuż za przeszkleniem. Element ten nagrzewając się od promieni słonecznych może pełnić rolę kolektora, radiatora i magazynu energii cieplnej, pomieszczenia przylegle są ogrzewane w sposób pośredni. Najczęściej jest to...