|
Stropy betonowe wykonywane w technologii filigran są konstrukcjami pełnymi, których znaczna pojemność cieplna może zostać wykorzystana do akumulowania zimna. Własność ta jest użyteczna szczególnie w systemach pracy okresowej, np. gdy zimno wytwarzane jest i akumulowane w okresie taniej taryfy elektrycznej a rozładowywane przez całą dobę. System klimatyzacyjny pracujący w taniej taryfie pozwala na znaczne ograniczenie kosztów eksploatacji urządzeń chłodniczych. Opisane w artykule zjawiska jednoczesnej akumulacji i wymiany ciepła, autorzy przebadali eksperymentalnie oraz modelowali za pomocą opracowanego programu numerycznego. Program ten pozwala wyznaczać charakterystyki robocze stropu z instalacją rurową o bezpośrednim odparowaniu czynnika chłodniczego lub z pompowym obiegiem pośredniczącym.
Chłodzenie sufitowe
Chłodzenie sufitowe jest jednym z nowoczesnych rozwiązań technicznych służących do klimatyzacji pomieszczeń. Sufity chłodzące składają się z metalowych paneli montowanych w pewnej odległości od stropu konstrukcyjnego pomieszczenia. W jednej z wersji, nad panelami klasycznych sufitów podwieszanych montowane  są belki lub płyty chłodzące, przez które przepływa woda o temperaturze 14÷18oC. Przepływ powietrza może być wywołany wtłaczaniem świeżego powietrza z centrali wentylacyjnej, z kolei w innym z rozwiązań spływ grawitacyjny powietrza wywołuje sama schłodzona powierzchnia sufitu. Ochłodzone powietrze łagodnie opada w dół pomieszczenia a w jego miejsce z dołu samoczynnie napływa powietrze ciepłe (rys.1).
Zaletą systemu chłodzenia sufitowego jest jego bezgłośna praca, nie ma tu bowiem bezpośredniej pracy wentylatorów a pomieszczenie ma stosunkowo wyrównany rozkład temperatur. Konkretnych rozwiązań technicznych może być oczywiście wiele, w kontekście niniejszego opisu warto zauważyć, że systemy chłodzenia sufitowego nie akumulują energii. Pojemność cieplna metalowych konstrukcji belek chłodzących jest niewielka i porównywalna do pojemności współczesnych grzejników CO. Ważna jest tu bowiem szybkość uruchomienia (mała bezwładność cieplna) i niska cena instalacji. Mała pojemność cieplna instalacji uniemożliwia akumulowanie większej ilości zimna powstałego w okresie taniej taryfy elektrycznej.
W systemach akumulacji energii cieplnej najczęściej wykorzystywana jest woda cechująca się znacznym ciepłem właściwym. W typowo stosowanych systemach akumulacyjnego ogrzewania c.w.u. w domach jednorodzinnych stosowane są izolowane zbiorniki wodne o objętości około 0,5m3. Zbiornik taki ze względu na znaczną masę mocowany jest u podstawy budynku i zajmuje sporo przestrzeni użytkowej. Typowym przeznaczeniem akumulacji energii cieplnej są systemy grzewcze lub chłodzące pracujące okresowo (np. kolektory słoneczne, wodne kominkowe, dwutaryfowe elektryczne piece grzewcze). Akumulacja cieplna tego rodzaju obliczana jest na raczej krótkie okresy od około doby, dla pieców elektrycznych, do kilku dni dla systemów kolektorów słonecznych i systemów grzewczych w oparciu o kominki z płaszczem wodnym. (...)
 Nowoczesne stropy betonowe
W Polsce, od kilkunastu lat dostępna jest nowoczesna technologia prefabrykowanych elementów stropowych o zwyczajowej nazwie filigran. Montaż stropu w tej technologii [1,2] polega na ułożeniu na miejscu budowy cienkich, prefabrykowanych arkuszy płyt betonowych (rys. 2) o grubości kilku centymetrów a następnie zalaniu ich dodatkową warstwą betonu.
Prefabrykowane płyty mogą mieć znaczne rozmiary, ograniczane wymogami transportowymi (długość 7,5 m x 2,5 m szerokości) a ich całkowita grubość po nadlaniu betonem wynosi 15÷24 cm. W przeciwieństwie do technologii budowlanych opartych na pustakach, stropy w technologii filigran wykonywane są jako pełne. Aby wykorzystać  pojemność cieplną stropu można zamontować w nim - i to jeszcze przed etapem nadlewania betonem przewody rurowe, w których płynąć będzie medium chłodzące (rys. 3).
Instalacja rurowa może zostać wykonana w dwóch podstawowych wariantach: z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego lub z cieczą pośredniczącą (woda, glikol). Warto zaznaczyć, że strop wraz z zalanymi w nim przewodami jest teraz jednocześnie akumulatorem jak i wymiennikiem ciepła. (...)
Modelowanie zjawisk akumulacji i wymiany ciepła
Rozpatrywanie wszystkich wymienionych oczekiwań wymaga wykonania eksperymentu (a właściwie serii eksperymentów), względnie zbudowania teoretycznego modelu obliczeniowego. Prace doświadczalne są dość kłopotliwe, wykonanie stropu jest kosztowne - podobnie jak jego późniejsze wyburzenie. Z kolei opracowanie samego tylko modelu teoretycznego może być obarczone znacznym błędem, wynikającym np. z nietrafnie  przyjętych do obliczeń stałych materiałowych (gęstość, ciepło właściwe, współczynnik przewodzenia ciepła) oraz założeń wymiany ciepła (np. współczynnik wnikania ciepła). Ostatecznie postanowiono zbudować numeryczny model obliczeniowy, którego poprawność potwierdzić miałyby serie cząstkowych eksperymentów przeprowadzonych w skali laboratoryjnej.
Badanie doświadczalne akumulacji i wymiany ciepła
Jak już napisano wcześniej, akumulacja i wymiana ciepła zachodząca w elemencie betonowym o znacznej grubości wywołuje procesy silnie nieustalonej wymiany ciepła. Aby poznać zachodzące zjawiska autorzy przeprowadzili własne badania doświadczalne a ich wyniki skonfrontowali z modelowaniem numerycznym procesu. Badania doświadczalne [8] wykonano w Instytucie Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów na Politechnice Wrocławskiej. Specjalnie zbudowane do tego celu stanowisko, którego schemat przedstawiono na rys. 8 umożliwiło jednoczesne pomiary temperatury i gęstości strumienia ciepła. Eksperyment składał się z etapu aktywnego 8-godzinnego wychładzania bloku oraz biernego oddawania zgromadzonego potencjału chłodzącego do otoczenia. Ze względu na ograniczone warunki techniczne, zamiast na rzeczywistym stropie przeprowadzono kilka eksperymentów cząstkowych na blokach betonu o rozmiarach 40 x 40 x 15 cm. Do realizacji badań wykonano bloki betonu z różnymi systemami rur chłodzących. Rury zatapiano w masie betonowej niesymetrycznie względem podstawy, co pozwoliło na dwukrotne (A - góra, B - dół) wykorzystanie każdego elementu betonowego (rys. 8 po lewej).
Aby odzwierciedlić zachodzące w procesie chłodzenia sufitowego warunki wymiany ciepła, badane bloki montowano na rusztowaniu powyżej podłogi pomieszczenia. Boczne przestrzenie wokół bloku wypełniono izolacją cieplną. Blok betonowy chłodzono za pomocą przepływającej wody lodowej wytwarzanej na bieżąco w odrębnym, izolowanym zbiorniku. W trakcie eksperymentu karta pomiarowa podłączona do komputera rejestrowała temperatury z czujników, dokonywano także pomiarów gęstości strumienia ciepła na dolnej powierzchni betonu. Podczas badań wykonywano zdjęcia kamerą termowizyjną (rys. 9), co pozwoliło zorientować się w ogólnym rozkładzie temperatur. (...)
Obliczenia projektowe
Dysponując modelem obliczeniowym wymiany i akumulacji ciepła o cząstkowo potwierdzonej poprawności wykonać można serię eksperymentów obliczeniowych dla w miarę dowolnych konfiguracji rur i czynników chłodzących. W dotychczasowych eksperymentach wykorzystano dwa rodzaje rur: miedzianą - do symulacji  bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego oraz rurę PE - do symulacji instalacji z cieczą pośredniczącą w analogii do ogrzewania podłogowego.
Model obliczeniowy wymaga określenia wielu niezależnych parametrów opisujących zachodzące zjawiska wymiany i akumulacji ciepła. Ilość zmiennych niezależnych jest na tyle duża, że wyznaczenie wszystkich charakterystyk w praktyce nie jest możliwe, realnie natomiast pokazać można wybrane charakterystyki przekrojowe. W dwóch opracowaniach [8,9] autorzy niniejszego artykułu wyznaczali już zależności przydatne do prowadzenia prac projektowych stropu. Za ważne uznano wtedy powierzchniową, średnią wydajność chłodzącą stropu w zależności od średnicy i rozstawu rur oraz temperatury czynnika. Badania prowadzono dla dwóch wariantów technologicznych zatopienia rur w masie betonowej pokazanych na rys. 11 - podstawowego wariantu A z rurami rozłożonymi na płytach prefabrykowanych oraz wariantu C z betonem nadlewanym na istniejącym i eksploatowanym już stropie. W przypadku C warstwa nadlewana może być betonem lub posadzkową masą samopoziomującą. (...)
Efektywna geometria instalacji rurowej
(...)
 Wnioski
Opracowany model numeryczny oparty na wykorzystaniu MES wyznacza poprawne rozkłady pola temperatury w przekroju stropu chłodzącego. Możliwe jest uwzględnianie geometrii rozmieszczenia rur dla różnej odległości od dolnej powierzchni płyty, rozstawu, średnicy, materiału oraz sposobu chłodzenia (wrzenie, przepływ wymuszony).
Obliczenia symulacyjne pokazują, że zbyt bliski rozstaw lub zbyt płytkie rozmieszczenie rur powoduje zbytnie przechłodzenie powierzchni sufitu. Wyższe położenie rur powoduje stabilniejszą pracę cieplną stropu.
Uwzględnienie zjawisk nieustalonego przewodzenienia ciepła umożliwia prowadzenie obliczeń cyklicznego wychładzania i wygrzewania płyty stropowej w rytmie zgodnym z dwutaryfowym rytmem zasilania elektrycznego. Obliczenia takie można prowadzić dla prawie dowolnych konfiguracji rur i stropu.
Procesy akumulacji i wymiany ciepła zachodzące w omawianym stropie określono za pomocą modelowania numerycznego oraz przebadano za pomocą eksperymentu na zbudowanym stanowisku badawczym. Porównanie wyników przeprowadzonych badań eksperymentalnych wykazało, że modelowanie numeryczne wystarczająco dobrze oddaje zachodzące zjawiska nieustalonej wymiany ciepła.
Wyniki obliczeń przeprowadzonych z użyciem opracowanego programu pozwalają na wyznaczenie wybranych charakterystyk chłodzących stropu. Wykresy te stanowią materiał bazowy do projektowania akumulacyjnych stropów chłodzących.
Zastosowanie rur o mniejszych średnicach lub większym rozstawie jest ogólnie korzystniejsze materiałowo. Opierając się na samej tylko analizie wymiany ciepła nie jest możliwie proste określenie geometrii optymalnego wykorzystania materiału rur. wydanie 12/2007 CZYTAJ CAŁOŚĆ, ZAMÓW PRENUMERATĘ:
TRADYCYJNĄ E-WYDANIE |
