PL239986B1 - Przegroda kolektorowo-akumulacyjna - Google Patents

Description

PL 239 986 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przegroda kolektorowo-akumulacyjna do zastosowania zwłaszcza jako ściana osłonowa lub jej część w budynkach mieszkalnych.

Znaczna ilość energii zużywanej w budownictwie jest przeznaczana do ogrzewania pomieszczeń w sezonie zimowym. Ogrzewane budynki w sezonie grzewczym z uwagi na występującą różnicę temperatur po przeciwległych stronach przegród zewnętrznych generują straty ciepła. Podstawowym sposobem ich ograniczenia jest wkomponowanie w przegrodę materiałów termoizolacyjnych. Redukcja strat ciepła jest proporcjonalna do oporu cieplnego termoizolacji a w konsekwencji całej przegrody. O ile stosowanie materiałów termoizolacyjnych o coraz większej grubości lub doskonalszych parametrach zabezpiecza przed stratami ciepła to jednocześnie ogranicza możliwość poprawy bilansu cieplnego budynku dzięki pozyskiwaniu ciepła od promieniowania słonecznego. Wykorzystanie energii odnawialnej w budownictwie jest oczywiście możliwe dzięki tzw. systemom aktywnym, do których zalicza się między innymi kolektory słoneczne, pompy ciepła, wymienniki gruntowe. Wymagają one jednak kosztownych kontrolerów, pomp, instalacji oraz energii konwencjonalnej, bez których dystrybucja pozyskanego ciepła nie byłaby możliwa. Alternatywę dla systemów aktywnych stanowią systemy pasywne i semipasywne. Z uwagi na ich integrację z elementami obudowy budynku są one tańsze i w zasadzie nie wymagają obsługi eksploatacyjnej. Na drodze do ich upowszechnienia w typowych dla obszaru Polski warunkach klimatycznych stoi przede wszystkim nierównomierny i losowy charakter promieniowania słonecznego. Praca typowego systemu pasywnego polega na odbierze energii słonecznej przez zintegrowany z obudową budynku, na przykład ścianą, kolektor i dystrybucji ciepła dzięki zjawisku przewodzenia do wnętrza budynku. Najprostszym i najbardziej znanym rozwiązaniem tego rodzaju systemu jest ściana Trombe’a. Składa się z przezroczystej osłony, warstwy absorpcyjnej i materiału magazynującego i przewodzącego ciepło takiego jak mur ceglany, czy ściana betonowa. Przeszklenie umożliwia przenikanie krótkofalowego wysokoenergetycznego promieniowania słonecznego i jego absorpcję na powierzchni ściany. Powstałe w wyniku fototermicznej konwersji ciepło jest magazynowane i przewodzone w ścianie. Jego przepływ w kierunku środowiska zewnętrznego jest ograniczony dzięki termoizolacyjnym właściwościom przeszklenia. Czas związany z przepływem fali termicznej do wnętrza budynku zależy od pojemności cieplnej muru i wynosi od kilku do kilkunastu godzin. Typowa ściana Trombe’a składa się z 150 do nawet 500 mm grubości murowanej ściany pokrytej ciemnym materiałem, przykładowo tynkiem, absorbującym promieniowanie. Jako przeszklenie stosuje się pojedynczą, warstwę szkła lub szyby zespolone jedno- lub dwukomorowe. Przestrzeń pomiędzy przeszkleniem a częścią murową (rdzeniem) wynosi od 20 do 50 mm.

Typowe rozwiązania ściany Trombe’a cechuje na ogół słaba izolacyjność termiczna (u=0,9-0,5W/m2K). Podczas zimnych nocy, lub pochmurnych dni w sezonie grzewczym mogą wystąpić znaczne straty ciepła. Biorąc pod uwagę warunki klimatyczne Europy Centralnej typowa ściana Trombe’a nie gwarantuje porównywalnego ze ścianą tradycyjną, zawierającą materiał termoizolacyjny, bilansu ciepła. Podejmowane są próby poprawy bilansu dzięki ograniczeniu strat ciepła lub poprawie zdolności do magazynowania energii. Różnorodne modyfikacje typowej ściany Trombe’a opisano między innymi w pracach Saadatian O., Sopian K., Lim C.H., Asim N., Sulaiman M.Y.: Trombe walls: a review of opportunities and challenges in research and development, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 16, Issue 8, October 2012, s. 6340-6351; Saadatian O., Lim C.H., Sopian K., Salleh E.: A state of the art review of solar walls: Concepts and applications, Journal of Building Physics July 2013 vol. 37 no. 1 s. 55-79. Wśród rozwiązań służących poprawie oporu termicznego przegród pasywnych dobre efekty dają tzw. ściany kompozytowe znane między innymi z publikacji Ji J., Luo C., Sun W., Yu H., He W., Pei G.: An improved approach for the application of Trombe wall system to building construction with selective thermo-insulation faęades. Chinese Science Bulletin, 54(11), (2009), s. 1949-1956. Stosuje się w nich materiał termoizolacyjny umieszczony tuż za absorberem lub od strony wnętrza budynku. Skutkiem umieszczenia izolacji termicznej za absorberem może być ograniczenie przewodzenia ciepła do części magazynującej ściany i wnętrza budynku. Zamontowanie absorbera na termoizolacji może skutkować jego nadmiernym przegrzewaniem i intensyfikacją - proporcjonalną do wzrostu temperatury - strat ciepła do środowiska zewnętrznego. W takich rozwiązaniach dostarcza się ciepło do wnętrza budynku w drodze swobodnej lub wymuszonej konwekcji powietrza. Z tym sposobem dystrybucji ciepła, stosowanym także w rozwiązaniu znanym z Shen J., Lassue S., Zalewski L., Huang D.: Numerical study on thermal behavior of classical or composite Trombe solar walls. Energy and Buildings 39/2007; Shen J., Lassue S., Zalewski L.,

PL 239 986 B1

Huang D.: Numerical study of classical and composite solar walls by TRNSYS. Journal of Thermal Science 200, s. 46-55, związane jest ryzyko zanieczyszczenia powietrza między innymi mikroorganizmami i kurzem.

Z polskiego opisu zgłoszeniowego wynalazku P.408488 znana jest przegroda kolektorowo-akumulacyjna dla budownictwa, obejmująca zewnętrzną ścianę budynku oraz przeszklenie zewnętrzne tworzące wraz z nią zewnętrzną komorę, w której położony jest absorber ciepła słonecznego. W ścianie przegrody utworzona jest wewnętrzna szczelina dzieląca tą ścianę na dwie części. Szczelina połączona jest kanałami wentylacyjnymi z komorą mieszczącą absorber. Rozwiązanie umożliwia przejmowanie i magazynowanie ciepła, a następnie jego wykorzystanie do dogrzewania pomieszczeń.

Z polskiego opisu patentowego PL 205941 B1 znany jest kolektor słoneczny, który może być stosowany między innymi jako zewnętrzna ściana budynku mieszkalnego, lub suszarni płodów rolnych. Kolektor zawiera panel przedni w postaci przeszklenia, panel tylni, który jest przepuszczalny dla powietrza oraz znajdującą się pomiędzy tymi panelami komorę. Wewnątrz komory zamocowany jest absorber przepuszczający powietrze. Dzięki takiemu rozwiązaniu pomieszczenie jest dogrzewane powietrzem ogrzanym w komorze kolektora. Powyższe rozwiązanie nie uwzględnia zmieniających się warunków atmosferycznych, w związku z czym jego zastosowanie jako przegrody budowlanej lub jej części jest znacznie ograniczone biorąc pod uwagę warunki klimatyczne Europy Centralnej. Dla takiego zastosowania koniecznym jest aby przegroda kolektorowo-akumulacyjna oprócz dogrzewania pomieszczeń w okresie występowania niskich temperatur, zapobiegała ich nadmiernemu nagrzewaniu w okresach występowania wysokich temperatur.

W znanych rozwiązaniach występują problemy związane między innymi z ich nadmiernym nagrzewaniem, w okresach występowania wysokich temperatur, przedostawaniem się zanieczyszczeń do dogrzewanego pomieszczenia, a także izolacyjnością niższą niż w przypadku ścian tradycyjnych zawierających izolację termiczną, przekładającą się na znaczne straty ciepła w dni pochmurne w sezonie grzewczym.

Przegroda kolektorowo-akumulacyjna, zawierająca ścianę zewnętrzną z przeszkleniem, od strony zewnętrznej budynku, ścianę wewnętrzną, od strony wewnętrznej budynku, a także umiejscowioną pomiędzy przeszkleniem a ścianą wewnętrzną, komorę powietrzną, w której jest absorber słoneczny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w ścianie wewnętrznej jest komora akumulacyjna połączona przepustnicą z komorą powietrzną, a wewnątrz komory akumulacyjnej jest rura, której wlot jest w górnej części komory akumulacyjnej a wylot jest w dolnej części komory akumulacyjnej, przy czym na wylocie rury jest zamontowany wentylator.

Korzystnie na jej ścianie wewnętrznej, od strony komory powietrznej, jest warstwa izolacyjna.

Dalsze korzyści uzyskiwane są jeśli pomiędzy przepustnicą a komorą akumulacyjną jest komora dystrybucyjna przechodząca w tą komorę akumulacyjną.

Następne korzyści uzyskuje się, jeśli absorber przegrody jest w postaci pomalowanej na czarno blachy.

W wariantach wykonania absorber przegrody jest w postaci panelu fotowoltaicznego albo w postaci szyby z wtopionymi ogniwami fotowoltaicznymi.

Kolejne korzyści uzyskuje się, jeżeli ściana wewnętrzna przegrody jest z materiału modyfikowanego materiałem zmiennofazowym.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeżeli ściana wewnętrzna przegrody jest z pojemników wypełnionych wodą albo materiałem zmiennofazowym o temperaturze przemiany fazowej z przedziału Tm = (19 - 21°C).

Następne korzyści uzyskuje się, jeśli ściana wewnętrzna przegrody jest podzielona na dwie warstwy akumulacyjne, a komora akumulacyjna jest pomiędzy tymi warstwami.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeśli ściana wewnętrzna przegrody jest z jednej warstwy akumulacyjnej, a komora akumulacyjna jest pomiędzy tą warstwą akumulacyjną a warstwą izolacyjną.

Następne korzyści uzyskiwane są, jeżeli na przeszkleniu przegrody od strony zewnętrza komory powietrznej jest zamontowana żaluzja.

Dalsze korzyści uzyskiwane są jeżeli żaluzja przegrody jest ruchoma.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeżeli żaluzja przegrody jest nieruchoma, przy czym żaluzja ma lamele zawierające ogniwa fotowoltaiczne.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeżeli przegroda zawiera termoregulator, którego czujnik temperatury jest zamontowany wewnątrz komory powietrznej, przy czym do termoregulatora podłączony jest wentylator oraz przepustnica.

PL 239 986 B1

Następne korzyści uzyskuje się, jeżeli na spodzie komory akumulacyjnej przegrody jest rozpraszacz strumienia nawiewanego powietrza w postaci dwóch płaszczyzn dna komory akumulacyjnej pochylonych do wewnątrz i połączonych ze sobą bezpośrednio pod wylotem rury.

Kolejne korzyści uzyskuje się, jeżeli ścianki komory dystrybucyjnej przegrody są wyłożone od wewnątrz materiałem izolacyjnym.

Przegroda według wynalazku jest zintegrowana z obudową budynku i posiada znaczny opór termiczny - nie mniejszy od ścian tradycyjnych - a ponadto zdolność do przekazywania do wnętrza budynku ciepła pochodzącego od promieniowania słonecznego. Połączenie wymienionych cech stało się możliwe dzięki zastosowaniu w ścianie kolektorowej selektywnego sposobu dystrybucji ciepła wraz ze strumieniem krążącego powietrza oraz interaktywnego sterowania prostym układem elektrycznym przepustnic wyposażonych w wentylator. W odróżnieniu od znanych rozwiązań, w przedmiotowym wynalazku dystrybucja ciepła wynika z rozprowadzania w drodze cyrkulacji, w płaszczyźnie równoległej do ściany wewnętrznej, gorącego powietrza zasysanego z izolowanej termicznie komory dystrybucyjnej. Cyrkulacja wywołana jest pracą wentylatora zamontowanego na wylocie rury. Dzięki cyrkulacji ciepło powietrza jest oddawane ścianie wewnętrznej a za jej pośrednictwem do przylegającego pomieszczenia.

Przegroda kolektorowo-akumulacyjna, według wynalazku w przykładzie wykonania jest bliżej wyjaśniona na rysunku, na którym na fig. 1 przedstawiono przegrodę w przekroju poprzecznym, w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 2 - w przekroju poprzecznym w drugim przykładzie wykonania, fig. 3 - w przekroju poprzecznym w trzecim przykładzie wykonania, fig. 4 - w przekroju wzdłuż linii A-A pokazanej na fig. 3, fig. 5 - w przekroju wzdłuż linii B-B pokazanej na fig. 3, fig. 6 - w przekroju wzdłuż linii C-C pokazanej na fig. 5, fig. 7 - w przekroju poprzecznym w czwartym lub piątym przykładzie wykonania, fig. 8 - poglądowo w widoku perspektywicznym, w przekroju poprzecznym w pierwszym przykładzie wykonania, fig. 9 - poglądowo w widoku perspektywicznym w przekroju poprzecznym w trzecim przykładzie wykonania.

Przegroda kolektorowo-akumulacyjna, według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania zawiera przeszklenie 1 zewnętrzne, ścianę wewnętrzną 2, komorę powietrzną 3 będącą pomiędzy przeszkleniem 1 a ścianą wewnętrzną 2. Wewnątrz komory powietrznej 3 zamontowany jest absorber 4 w postaci blachy o powierzchni równoległej do powierzchni przeszklenia 1. Na ścianie wewnętrznej 2 od strony absorbera 4 jest warstwa izolacyjna 5 a od strony wnętrza budynku jest warstwa wykończeniowa 6. Absorber 4 jest w odległości 5 cm od przeszklenia 1 oraz od warstwy izolacyjnej 5. Na górnej ściance komory powietrznej 3 jest zamontowana przepustnica 7. Przegroda zawiera komorę dystrybucyjną 8 umiejscowioną powyżej komory powietrznej 3 oddzielonej od niej izolowaną termicznie ścianką. Komora powietrzna 3 jest połączona przepustnicą 7 z tą komorą dystrybucyjną 8. Ściana wewnętrzna 2 jest podzielona na dwie warstwy akumulacyjne, a pomiędzy tymi warstwami akumulacyjnymi jest komora akumulacyjna 9. Komora dystrybucyjna 8 przechodzi w umiejscowioną poniżej komorę akumulacyjną 9 łącząc ją z komorą powietrzną 3. W komorze akumulacyjnej 9 jest rura 10, której wlot 11 jest w górnej części komory akumulacyjnej 9 od strony komory dystrybucyjnej 8, a wylot 12 jest w dolnej części komory akumulacyjnej 9. Na wylocie 12 rury 10 jest zamontowany wentylator 13. Poniżej wylotu 12 rury 10 na dnie komory akumulacyjnej 9 jest rozpraszacz 14 strumienia nawiewanego ciepłego powietrza w postaci dwóch płaszczyzn dna komory akumulacyjnej 9 łączących się ze sobą bezpośrednio pod wylotem 12 rury 10. Miejsce połączenia płaszczyzn rozpraszacza 14 jest najniżej położonym miejscem dna komory akumulacyjnej 9. Przegroda zawiera termoregulator, którego czujnik temperatury 15 jest w komorze powietrznej 3. Do termoregulatora jest podłączona przepustnica 7 oraz wentylator 13. Przeszklenie 1 jest zamontowane w standardowej stolarce 16 okiennej.

W drugim przykładzie wykonania przegroda kolektorowo-akumulacyjna według wynalazku ma ścianę wewnętrzną 2 o jednej warstwie akumulacyjnej, a komora akumulacyjna 9 jest pomiędzy tą warstwą akumulacyjną a warstwą izolacyjną 5. Na przeszkleniu 1 od zewnętrza komory powietrznej 3 zamontowana jest żaluzja 17 ruchoma. W pozostałym zakresie wykonanie jest jak w przykładzie pierwszym.

W trzecim przykładzie wykonania przegroda kolektorowo-akumulacyjna ma stałą żaluzję 17, o regulowanym kącie ustawienia lameli 18. Lamele 18 żaluzji 17 zawierają ogniwa fotowoltaiczne. Ściana wewnętrzna 2 jest z materiału modyfikowanego materiałem zmiennofazowym o temperaturze przemiany fazowej Tm = (19 - 21°C). Absorber 4 jest zamontowany w komorze powietrznej 3 w odległości 10 cm od przeszklenia 1 oraz warstwy izolacyjnej. W pozostałym zakresie wykonanie jest jak w przykładzie pierwszym.

Claims (18)

1. PL 239 986 B1

   W czwartym przykładzie wykonania przegroda kolektorowo-akumulacyjna ma warstwy akumulacyjne ściany wewnętrznej 2 wykonane z pojemników 19 wypełnionych wodą rozmieszczonych na ruszcie 20. Absorber 4 jest w postaci panelu fotowoltaicznego, który oprócz oddawania ciepła może produkować energię elektryczną. W pozostałym zakresie wykonanie jest jak w przykładzie pierwszym.

   W piątym przykładzie wykonania przegroda kolektorowo-akumulacyjna ma warstwy akumulacyjne ściany wewnętrznej 2 wykonane z pojemników 19 wypełnionych materiałem zmiennofazowym o temperaturze przemiany fazowej z przedziału Tm = (19 - 21°C) rozmieszczonych na ruszcie 20. Absorber 4 przegrody jest w postaci szyby z wtopionymi w jej strukturę ogniwami fotowoltaicznymi. Przegroda jest usytuowana pod wysuniętym elementem budynku, który ogranicza dopływ bezpośredniego promieniowania słonecznego. W pozostałym zakresie wykonanie jest jak w przykładzie pierwszym.

   Zasady działania przegrody kolektorowo-akumulacyjnej według wynalazku zostały przedstawione poniżej.

   Promieniowanie słoneczne nagrzewa absorber 4 zamontowany wewnątrz komory powietrznej 3. Powietrze wewnątrz komory powietrznej 3 nagrzewa się od absorbera 4. Przyrost temperatury powietrza do poziomu powyżej 20°C powoduje reakcję termoregulatora, który otwiera przepustnicę 7 oddzielającą przestrzeń komory powietrznej 3 od izolowanej termicznie komory dystrybucyjnej 8. Ciepłe powietrze unosi się konwekcyjnie do komory dystrybucyjnej 8. Równocześnie z otworzeniem przepustnicy 7 termoregulator uruchamia wentylator 13 zamontowany na wylocie 12 rury 10. Praca wentylatora 13 generuje podciśnienie, które zasysa gorące powietrze z komory dystrybucyjnej 8 i przemieszcza je ku dolnej części komory akumulacyjnej 9. Cyrkulacja powietrza w komorze akumulacyjnej 9 w płaszczyźnie równoległej do warstw ściany wewnętrznej 2 intensyfikuje przekazywanie ciepła z krążącego powietrza do tej ściany wewnętrznej 2. Zmagazynowane w ścianie wewnętrznej 2 ciepło w drodze przewodzenia jest oddawane do przyległych pomieszczeń. Opóźnienie w oddawaniu ciepła jest zależne od pojemności cieplnej materiałów wykorzystanych do budowy ściany wewnętrznej 2.

   Zastrzeżenia patentowe

   1.
2. 2.
3. 3.
4. 4.
5. 5.
6. 6.
7. 7.
8. 8.
9. 9.
10. 10.

    Przegroda kolektorowo-akumulacyjna, zawierająca ścianę zewnętrzną z przeszkleniem, od strony zewnętrznej budynku, ścianę wewnętrzną, od strony wewnętrznej budynku, a także umiejscowioną pomiędzy przeszkleniem a ścianą wewnętrzną, komorę powietrzną, w której jest absorber słoneczny, znamienna tym, że w ścianie wewnętrznej (2) jest komora akumulacyjna (9) połączona przepustnicą (7) z komorą powietrzną (3), a wewnątrz komory akumulacyjnej jest rura (10), której wlot (11) jest w górnej części komory akumulacyjnej (9) a wylot (12) jest w dolnej części komory akumulacyjnej (9), przy czym na wylocie (12) rury (10) jest zamontowany wentylator (13).

    Przegroda według zastrz. 1, znamienna tym, że na jej ścianie wewnętrznej (2), od strony komory powietrznej (3), jest warstwa izolacyjna (5).

    Przegroda według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że pomiędzy przepustnicą (7) a komorą akumulacyjną (9) jest komora dystrybucyjna (8) przechodząca w tą komorę akumulacyjną (9).

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 w postaci pomalowanej na czarno blachy.

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 w postaci panelu fotowoltaicznego.

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 w postaci szyby z wtopionymi ogniwami fotowoltaicznymi.

    do 3, znamienna tym, że jej do 3, znamienna tym, że jej do 3, znamienna tym, że jej

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 6, znamienna tym, że jej na (2) jest z materiału modyfikowanego materiałem zmiennofazowym.

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 6, znamienna tym, że jej na (2) jest z pojemników (19) wypełnionych wodą.

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 6, znamienna tym, że jej absorber (4) jest absorber (4) jest absorber (4) jest ściana wewnętrzściana wewnętrzściana wewnętrzna (2) jest z pojemników (19) wypełnionych materiałem zmiennofazowym o temperaturze przemiany fazowej z przedziału Tm = (19 - 21°C).

    Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 9, znamienna tym, że jej ściana wewnętrzna (2) jest podzielona na dwie warstwy akumulacyjne, a komora akumulacyjna (9) jest pomiędzy tymi warstwami akumulacyjnymi.

    PL 239 986 B1
11. 11. Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 9, znamienna tym, że jej ściana wewnętrzna (2) jest z jednej warstwy akumulacyjnej, a komora akumulacyjna (9) jest pomiędzy tą warstwą akumulacyjną a warstwą izolacyjną (5).
12. 12. Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 11, znamienna tym, że na jej przeszkleniu (1) od strony zewnętrza komory powietrznej (3) jest zamontowana żaluzja (17).
13. 13. Przegroda według zastrz. 12, znamienna tym, że jej żaluzja (17) jest ruchoma.
14. 14. Przegroda według zastrz. 12, znamienna tym, że jej żaluzja (17) jest nieruchoma.
15. 15. Przegroda według zastrz. 14, znamienna tym, że jej żaluzja (17) ma lamele (18) zawierające ogniwa fotowoltaiczne.
16. 16. Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 15, znamienna tym, że zawiera termoregulator, którego czujnik temperatury (15) jest zamontowany wewnątrz komory powietrznej (3), przy czym do termoregulatora podłączony jest wentylator (13) oraz przepustnica (7).
17. 17. Przegroda według jednego z zastrz. od 1 do 16, znamienna tym, że na spodzie komory akumulacyjnej (9) jest rozpraszacz (14) strumienia nawiewanego powietrza w postaci dwóch płaszczyzn dna komory akumulacyjnej (9) pochylonych do wewnątrz i połączonych ze sobą bezpośrednio pod wylotem (12) rury (10).
18. 18. Przegroda według jednego z zastrz. od 3 do 17, znamienna tym, że ścianki komory dystrybucyjnej (8) są wyłożone od wewnątrz materiałem izolacyjnym.