Ściana Trombe'a

Energia odnawialna
Energia wodna Energia geotermalna Energia prądów morskich, pływów i falowania Energia słoneczna Energia wiatru Biopaliwo Biomasa Biogaz Energia cieplna oceanu

1-letnie promienie słoneczne
2 – zimowe promienie słoneczne
3 – dach
4 – szyba
5 – komora, gdzie nagrzewa się powietrze
6 – ściana akumulacyjna pomalowana z zewnątrz na czarno
7 – wlot nagrzanego powietrza do pomieszczenia
8 – wylot schłodzonego powietrza z pomieszczenia
9 – pomieszczenie
10 – ściany izolacyjne

Możliwe tryby pracy ściany Trombe'a latem i zimą

Domy ze ścianami Trombe’a w Odeillo we Francji

Ściana Trombe'a – rodzaj pasywnego sposobu pozyskiwania energii opierający się na systemie zysków pośrednich z wykorzystaniem warstwy akumulującej. Koncepcja tego rozwiązania konstrukcyjnego , pierwotnie opatentowana w roku 1881 w USA, została następnie udoskonalona przez francuskiego inżyniera – Félixa Trombe'a i powtórne opatentowana w 1972 roku.

Wstęp

System zysków pośrednich, w przeciwieństwie do systemów zysków bezpośrednich, pozwala uniknąć większych niż tolerowane przez człowieka w zakresie odczuwalnego komfortu cieplnego fluktuacje temperatury pomieszczenia. Uniknięcie gwałtownych zysków ciepła z jednoczesną możliwością opóźnienia okresu dostarczania energii do pomieszczenia, jest możliwe dzięki odizolowaniu wnętrza budynku za pomocą układu magazynującego w postaci grubej masywnej ściany. Natomiast zdolność magazynowania ciepła w przegrodzie masywnej zależy od jej grubości, promieniowania słonecznego i ewentualnych wahań temperatury zewnętrznej. Układ magazynujący poprzedzony jest pustką powietrza i szybą. We współczesnych konstrukcjach na ogół nie stosuje się zwykłych szyb okiennych, lecz izolacje przezroczyste typu komórkowego. Uproszczoną instalacją, bez możliwości przepływu powietrza w szczelinie, nie ma kanałów łączących wnętrze pomieszczenia ze szczeliną powietrzną, jest ściana kolektorowo-akumulacyjna. Warstwa powietrza w szczelinie pełni wówczas rolę dodatkowej izolacji termicznej ściany.

Zasada działania

Promieniowanie słoneczne przechodzi przez pokrycie szklane, następnie jest absorbowane przez ciemną powierzchnię ściany akumulacyjnej, powodując wzrost jej temperatury. Zakumulowana w ścianie energia przekazywana jest do pomieszczenia przez przewodzenie. Odpowiednie przesunięcie fazowe okresu dostarczania energii uzyskuje się przez optymalne dobranie grubości i pojemności cieplnej ściany, uwzględniające lokalne warunki klimatyczne. Dodatkowo przy sprzyjających warunkach nasłonecznienia, poprzez otwarcie kanałów łączących pomieszczenie ze szczeliną pomiędzy ścianą a szybą, można uzyskać przepływ nagrzanego powietrza ze szczelino do pomieszczenia. Jest to możliwe, gdy siła wyporu, będąca efektem różnych gęstości powietrza w szczelinie i pomieszczeniu będzie dostatecznie duża, by pokonać opory przepływu. Chłodniejsze powietrze z pomieszczenia zasysane jest dolnym kanałem do szczeliny, tam ogrzewane i górnym kanałem wraca do pomieszczenia. W okresie letnim można wykorzystać ścianę Trombe’a do klimatyzowania pomieszczenia. Chłodne powietrze zasysane jest wówczas z północnej zacienionej strony budynku lub pobierane z wymiennika gruntowego i przez otwarty kanał dolny wpływa do szczeliny, nagrzewa się, a następnie jest odprowadzane przez górny otwór w powierzchni zewnętrznej.

Opis matematyczny

Założenia: jednowymiarowość pola temperatury oraz jednorodność materiału konstrukcyjnego bloku magazynującego.

Przebieg zmian temperatury wewnątrz ściany opisuje równanie przewodnictwa Fouriera:

${{\partial T_{m}}\over{\partial x}} = a_{m}{{\partial^{2} T_{m}}\over{\partial x^{2}}}$ $a_{m} = {{\lambda_{m}}\over{c_{m}\rho_{m}}}$

gdzie:

• $a_{m}$- dyfuzyjność cieplna materiału ściany; m2/s;
• $\lambda_{m}$- przewodność cieplna materiału ściany; W/m•K;
• $\rho_{m}$- gęstość materiału ściany; kg/m3;
• $c_{m}$- ciepło właściwe; J/kg•K;
• $T_{m}$- temperatura bloku magazynującego.

Bilanse energetyczne

• Powierzchnia absorbująca ściany

$-\lambda_{m} {{\partial T_{m}}\over{\partial x}} = G_\beta (\tau \alpha-h_{c1}(T_{p}-T_{fsr})-h_{r}(T_{p}-T_{c})$

• Wewnętrzna szyba

$h_{c2}(T_{fsr}-T_{c})-h_{r}(T_{p}-T_{c})=U_{t}(T_{c}-T_{\alpha})$

• Przepływające powietrze

$\rho_{f} c_{f} v_{f} d {{\partial T_{fsr}}\over{\partial y}}= h_{c1}(T_{p}-T_{f})-h_{c2}(T_{f}-T_{c})$

gdzie:

• $h_{c1},h_{c2}$- konwekcyjne współczynniki przejmowania ciepła;
• $h_{r}$- zastępczy współczynnik przejmowania ciepła;
• $T_{f}$- temperatura powietrza.

Przypisy

Na podstawie książki Zbysław Pluta: Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007

Bibliografia

• Zbysław Pluta: Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007;
• Energy in Architecture, © European Communities 1992
• The European Passive Solar Handbook Edited by John R. Goulding, J. Owen Lewis, Theo C. Steemers

Published by Batsford 1992, Reprinted 1993 ISBN 0-7134-6918-8

Zobacz też

• Pasywne ogrzewanie