Obiekty szklarniowe są budynkami, w których problem energochłonności jest szczególnie ważny. Decyduje o tym charakter przegrody zewnętrznej, powodującej największe ze znanych jednostkowe straty ciepła. Znacznych oszczędności energii w szklarni można spodziewać się w wyniku zastosowania rozwiązań ograniczających straty ciepła przez przegrody zewnętrzne zwłaszcza nocą, kiedy to zużywane jest około 75% ogólnej ilości energii cieplnej na potrzeby ogrzewania. Oszczędność energii cieplnej w nowoczesnym obiekcie szklarniowym związana jest z nowym wykonaniem wielowarstwowej osłony lub wymianą osłony pojedynczej na osłonę wielowarstwową bądź też montażem osłony dodatkowej. Najczęściej stosowanym obecnie rozwiązaniem jest instalowanie wewnątrz szklarni ruchomych ekranów w postaci włókniny lub tkaniny o własnościach termoizolacyjnych. Odpowiednia konstrukcja ekranów termoizolacyjnych i automatyczne sterowanie pozwalają również na utrzymanie wewnątrz szklarni parametrów mikroklimatu zbliżonych do pożądanych. Własności ekranu termoizolacyjnego ograniczają w okresie letnim strumień promieniowania słonecznego wnikającego do szklarni a tym samym nadmierny wzrost temperatury. W okresie zimowym przegrody zewnętrzne o niskiej temperaturze oraz gwałtowne obniżenia temperatur zewnętrznych mają mniejszy wpływ na parametry mikroklimatu wewnątrz szklarni z ekranem termoizolacyjnym oraz na zużycie energii cieplnej.
Wpływ na zużycie energii w tym przypadku mają własności ekranu a także i jego sposób zainstalowania. W artykule tym przedstawiono wyniki badań porównawczych przeprowadzonych w dwóch obiektach szklarniowych z różnymi typami ekranów termoizolacyjnych o różnych kształtach. Na podstawie analiz określono zależności zużycia energii cieplnej od różnicy temperatur w szklarniach z wyżej wymienionymi ekranami dla różnych zakresów prędkości wiatru. Uwzględniono zatem dwa najważniejsze parametry wpływające na wielkość strat ciepła w szklarni.
Opis badanych szklarni
Badania przeprowadzono w dwóch szklarniach pojedynczych produkcji Clauhan Project o wymiarach: szerokość 20 m, długość 62,5 m, wysokość ściany bocznej 2,2 m; wysokość kalenicy 7,3 m; kąt pochylenia połaci dachowej 27o50?. Szklarnie są połączone szczytami z łącznikiem wspólnym dla kilkunastu innych szklarni.
Pokrycie szklarni to pojedyncza warstwa szkła o grubości 3 mm z elementami aluminiowymi szczeblin, przeznaczonymi do szklenia bez użycia kitu. Listwy zewnętrzne mocujące szkło zapewniają dobry docisk do szczebliny oraz samych szyb łączonych na zakładkę. Ściany boczne szklarni i jedna ściana szczytowa zewnętrzna zostały wyposażone w dodatkową osłonę w postaci grubej folii pęcherzykowej przytwierdzonej na zewnątrz. Z tego też powodu wietrzenie szklarni jest realizowane tylko poprzez otwieranie wietrzników kalenicowych.
Podłoża obu szklarni są przystosowane do prowadzenia upraw kwiatowych w doniczkach. Grunt rodzimy jest przykryty warstwą piasku o grubości około 20 cm, na wierzchu którego położono izolację termiczną w postaci styropianu o grubości 2 cm. Wierzchnia warstwę podłoża szklarni stanowi tkanina z tworzywa sztucznego typu LS Hortiweef Black grubości 2 mm.
W obu szklarniach zastosowano podwójny system ogrzewania. Pierwszy z nich to system ogrzewania wegetacyjnego w postaci pętli z rur stalowych umieszczonych na powierzchni podłoża szklarni. W układ ten włączone są także grzejniki typu Favier zlokalizowane tuż nad cokołem ścian bocznych i szczytowej szklarni. Drugi system to ogrzewanie rurowe boczne i górne. Składa się on z rur umieszczonych równolegle do ścian bocznych oraz na wysokości okapu szklarni nad strefą uprawy roślin. Wegetacyjny system ogrzewania ma za zadanie utrzymanie odpowiedniej temperatury w strefie uprawy roślin, natomiast drugi utrzymuje właściwą temperaturę wewnątrz kubatury szklarni i zapobiega napływowi chłodnego powietrza do strefy uprawy roślin.
Wewnątrz szklarni zainstalowane zostały ekrany termoizolacyjne o charakterystyce cieniująco?energooszczędnej. Własności cieniujące ekranu są określane przez zacienienie Z, czyli wyrażone w procentach zmniejszenie wnikania promieniowania słonecznego do szklarni. Własności termoizolacyjne określa parametr nazywany energooszczędnością E*, który wyraża procentowe ograniczenie strumienia strat ciepła przez przegrodę zewnętrzną obiektu szklarniowego z ekranem. W szklarni A zainstalowano ekran termoizolacyjny równolegle wzdłuż połaci dachowej i ścian bocznych nazwany z uwagi na kształt ekranem trapezowym. Ekran ten to tkanina z pasków poliestru i aluminium o energooszczędności E* = 60% i zmniejszeniu przepuszczalności światła do wnętrza szklarni o Z = 65%. W szklarni B zainstalowano ekran wzdłuż ścian bocznych i poziomo na wysokości okapu, przez co nazwano go ekranem poziomym. Ekran ten to włóknina akrylowo-poliestrowa z paskami aluminium. Energooszczędność tego ekranu to 50% a zacienienie Z = 70%.
W badanych szklarniach grubość warstwy powietrza między ekranem a ścianą boczną wynosi 20 cm. Na połaci dachowej ekran trapezowy jest zainstalowany na większości powierzchni równolegle do pokrycia zewnętrznego w odległości 30 cm.
Otwieranie i zamykanie ekranów termoizolacyjnych zastosowanych w szklarniach badanych jest sterowane automatyką pogodową. Ekrany są zamykane nocą podczas niskich temperatur i stanowią wtedy drugą wewnętrzną osłonę szklarni. W ciągu dnia ekrany są otwierane, tak aby nie ograniczały dostępu światła do wnętrza szklarni, przy czym nadmierny wzrost wnikania promieniowania słonecznego do szklarni jest ograniczany poprzez częściowe przymykanie ekranu.
Założenia do badań
Wielkością, która ma największy wpływ na wielkość start ciepła w obiekcie szklarniowym jest temperatura zewnętrzna. Podstawowym założeniem dla przeprowadzenia badań było określenie wpływu różnicy temperatur powietrza wewnątrz i na zewnątrz szklarni na zużycie energii w okresie zimowym. Dlatego też badania w szklarniach z ekranami termoizolacyjnymi wykonano w okresie od listopada 1997 r. do kwietnia 1998 r. Podstawą były kompleksowe pomiary wykonane w ciągu 123 dni pomiarowych w godzinach od 2100 do 500. Takie założenie pozwoliło na wyłączenie dodatkowego parametru jakim jest promieniowanie słoneczne. Powoduje ono w okresie zimowym znaczne obniżenie zużycia energii w ciągu dnia i zakłóciłoby określenie wielkości zapotrzebowania na energię cieplną podczas największych różnic temperatur.
Wpływ wiatru na zużycie energii postanowiono ustalić analizując dane pomiarowe w jego wąskich zakresach.
Wykonanie badań było możliwe przy wykorzystaniu aparatury pomiarowej z automatyczną rejestracją danych. Kompleksowe badania objęły: pomiary parametrów klimatu zewnętrznego, pomiary mikroklimatu wewnątrz szklarni z ekranami oraz pomiar zużycia energii cieplnej. Odstęp czasowy między przeprowadzanymi pomiarami przyjęto równy 10 minut. Wartości parametrów klimatu zewnętrznego i mikroklimatu wewnątrz obiektu szklarniowego zostały uśrednione dla ośmiogodzinnych okresów pomiarowych, natomiast zużycie energii zostanie zsumowane.
Wpływ parametrów klimatu zewnętrznego na zużycie energii cieplnej
Podstawą do przeprowadzanych analiz jest bilans zysków i strat. Ogólne równanie bilansu energii dla obiektu szklarniowego można przedstawić następująco:
gdzie:
Q ? zużycie energii cieplnej w szklarni w GJ,
U? ? ogólny współczynnik przenikania ciepła dla obiektu szklarniowego w W/(m2.K), F ? powierzchnia osłony obiektu szklarniowego w m2,
?t ? różnica temperatur powietrza wewnątrz i na zewnątrz szklarni w K,
??? współczynnik, określający ile energii promieniowania słonecznego dostępnego w terenie otwartym ulega przemianie w ciepło jawne dostępne w szklarni,
D ? przepuszczalność konstrukcji szklarni w %,
QE ? ilość energii cieplnej dostępnej w terenie otwartym pochodzącej od promieniowania słonecznego w GJ, wielkość ta jest bezpośrednio związana z wartością promieniowania słonecznego w występującego w terenie otwartym.
Przeprowadzenie pomiarów w porze nocnej wyeliminowało część równania dotyczącą zysków ciepła od słońca. Zatem wielkość zużycia energii cieplnej jest proporcjonalna do różnicy temperatur Q = f(?t).
Zapotrzebowanie na ciepło dla obiektu szklarniowego musi pokryć straty w wyniku przenikania oraz straty ciepła związane z infiltracją powietrza przez przegrody zewnętrzne. Uwzględnia to ogólny współczynnik przenikania ciepła który stanowi sumę współczynnika określającego przenikanie ciepła przez przegrodę U i współczynnika strat ciepła na skutek wymiany powietrza UL:
Szczególny charakter przegrody lekkiego obiektu budowlanego jakim jest szklarnia powoduje, że nie jest możliwe jednoznaczne określenie własności przegrody. Dlatego też charakterystyczny dla obiektów szklarniowych ogólny współczynnik przenikania ciepła jest często wyrażany w funkcji prędkości wiatru U? = f(vw). W ten sposób uwzględnia się wpływ prędkości wiatru na straty ciepła przez przenikanie w cienkościennych przegrodach zewnętrznych jak i straty ciepła w wyniku infiltracji powietrza, zależne w znacznym stopniu także od szczelności i rodzaju konstrukcji przegrody.
Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono wykresy rozrzutu występowania rzeczywistych pomiarów zużycia energii cieplnej w szklarniach w funkcji różnicy temperatur ?t. Dla całego zakresu przeprowadzonych badań uzyskano liniową zależność między badanymi wielkościami.
Przedstawione wykresy wraz z równaniami opisującymi zależność zużycia energii od różnicy temperatur wskazują na lepsze własności termiczne obiektu szklarniowego z ekranem trapezowym. Szklarnia z ekranem poziomym mimo zmniejszenia kubatury ogrzewanej i nieznacznie gorszych własnościach izolacyjnych ekranu wykazuje większe straty ciepła przez przegrody zewnętrzne. Należy tu zwrócić uwagę, że ustalone równania obowiązują w określonych zakresach różnic temperatur ?t, które wystąpiły podczas badań. W okresie badawczym minimalne temperatury zewnętrzne dochodziły do minus kilkunastu stopni Celsjusza, natomiast średnie wartości temperatur wewnętrznych utrzymywanych w szklarniach to kilkanaście stopni Celsjusza.
Analiza uzyskanych wyników badań w zakresach prędkości wiatru pozwoliła na pośrednie określenie jego wpływu na zużycie energii cieplnej. W tabeli 1 przedstawiono zależności między różnicą temperatur i zużyciem energii cieplnej dla warunku brzegowego: Q = 0 dla ?t = 0. Takie założenie pozwala na porównanie wpływu prędkości wiatru w poszczególnych zakresach jak i między badanymi obiektami szklarniowymi. Z przedstawionych zależności wynika jednoznacznie, że wzrost prędkości wiatru powoduje zwiększenie zużycia energii cieplnej.
W zakresie niskich prędkości wiatru zależność zużycia energii cieplnej od różnicy temperatur dla obu szklarni jest niezmienna. Dla szklarni z ekranem trapezowym zależność ta utrzymuje się na stałym poziomie do prędkości wiatru vw ? 2,0 m/s, a dla szklarni z ekranem poziomym nawet do prędkości wiatru vw ? 3 m/s. Powyżej prędkości 2 m/s zużycie energii cieplnej w szklarni z ekranem trapezowym zaczyna stopniowo, ale nieznacznie wzrastać. Prędkość wiatru powyżej 3 m/s powoduje dla szklarni z ekranem poziomym znacznie wyższy wzrost zużycia ciepła niż dla szklarni z ekranem trapezowym. W niższych zakresach prędkości wiatru zależności są identyczne a więc daje to możliwość łatwego uproszczenia i przedstawienia wpływu wybranych parametrów na wielkość zużycia energii cieplnej w sposób graficzny ? rys. 5. Korzystając z rysunku 5 należy uwzględnić, że zużycie energii cieplnej odnosi się do ośmiogodzinnego okresu funkcjonowania obiektów szklarniowych z badanymi ekranami termoizolacyjnymi.
Podsumowanie i wnioski
Porównawczy charakter przeprowadzonych badań umożliwił określenie wpływu podstawowych parametrów na wielkość zużycia energii cieplnej w szklarniach z różnymi rozwiązaniami ekranów termoizolacyjnych. Pomiary przeprowadzono w analogicznych warunkach terenowych i klimatycznych. Uzyskane wyniki wskazują na znacznie mniejsze wielkości strat ciepła w przypadku szklarni z ekranem trapezowym. Według danych niemieckich intensywność przenikania ciepła przez warstwy powietrza jakie występują między materiałami osłon wielowarstwowych szklarni zależy od grubości tych warstw. Najmniej intensywna wymiana ciepła zachodzi w szczelinach powietrznych o grubości do 20 cm. Można zatem stwierdzić, że w szklarni z ekranem poziomym ujawnia się znaczący i niekorzystny wpływ dużej przestrzeni nieogrzewanej między zainstalowanym poziomo ekranem a połacią dachową szklarni. Ważny jest zatem sposób instalacji ekranu wewnątrz szklarni a następnie jego własności termoizolacyjne.
Określony za pomocą równań a także przedstawiony graficznie wpływ różnicy temperatur ?t i prędkości wiatru vw na wielkość zużycia energii cieplnej może posłużyć do orientacyjnego ustalenia zapotrzebowania na ciepło dla innych obiektów szklarniowych o podobnej konstrukcji do opisanych w artykule.
W obecnie stosowanych metodach wymiarowania termicznego szklarni opisanych w literaturze brak jest jednoznacznych wytycznych do określenia zapotrzebowania na ciepło dla szklarni z ekranami termoizolacyjnymi. Wyznaczone w trakcie badań równania mogą być pomocne przy ustalaniu metody wymiarowania termicznego szklarni z dodatkowymi osłonami termoizolacyjnymi.
W porównaniu z danymi literaturowymi wartości zużycia energii cieplnej w porze nocnej dla szklarni z ekranami termoizolacyjnymi są około dwukrotnie niższe niż dla szklarni bez ekranów termoizolacyjnych. Należy zatem sądzić, że ten sposób poprawy własności termicznych obiektów szklarniowych będzie znajdował coraz szersze zastosowanie. Pozwoli to na zmniejszenie udziału kosztów ogrzewania stanowiących główny składnik całkowitych kosztów produkcji pod osłonami.
Przedstawione w artykule wyniki badań i analiz stanowią część prac dotyczących obiektów szklarniowych z ekranami termoizolacyjnymi jakie są prowadzone przez Zakład Instalacji Budowlanych i Fizyki Budowli Politechniki Warszawskiej w Płocku.
Prof. dr hab. inż. Leszek Wolski
Dr inż. Sławomir Grabarczyk
Instytut Budownictwa
Politechnika Warszawska
Literatura
[1] Meyer J.: ?Bewegliche Energieschirme?. Hannover, ITG 1981.
[2] Meyer J.: ?Bewertung von beweglichen Energieschirmen in Hinblick auf den Wärmeverbrauch von Gewächshäusern?. Hannover, ITG 1982.
[3] Tantau H. J.: ?Doppelbedachungen?. Hannover, ITG 1976.
[4] Wolski L., Grabarczyk S., Górecki R.: ?Analiza dotychczasowych metod do praktycznego wymiarowania termicznego obiektów szklarniowych?. Materiały VI Konferencji Naukowo-Technicznej ?Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce?. Łódź, 1997, s. 403 ? 410.
[5] Zabeltitz Ch.: ?Szklarnie – projektowanie i budowa?. Warszawa, PWRiL 1991.
