Ściana Trombe’a

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.

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

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 szczeliny 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:

${\frac {\partial T_{m}}{\partial x}}=a_{m}{\frac {\partial ^{2}T_{m}}{\partial x^{2}}},$

$a_{m}={\frac {\lambda _{m}}{c_{m}\rho _{m}}},$

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

$-\lambda _{m}{\frac {\partial T_{m}}{\partial x}}=G_{\beta }(\tau \alpha -h_{c1}(T_{p}-T_{fsr})-h_{r}(T_{p}-T_{c}).$

Wewnętrzna szyba

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

Przepływające powietrze

$\rho _{f}c_{f}v_{f}d{\frac {\partial T_{fsr}}{\partial y}}=h_{c1}(T_{p}-T_{f})-h_{c2}(T_{f}-T_{c}),$

gdzie:

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

Zobacz też

• pasywne ogrzewanie

Bibliografia

• Zbysław Pluta: Słoneczne instalacje energetyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007.