dr. Tadas Ždankus, dr. Rolandas Jonynas, dr. Linas Paukštaitis
Kauno technologijos universitetas
Pastaruoju laikotarpiu, didinant pastatų energetinį efektyvumą ir siekiant pastato A+ ar A++ energetinės klasės, ieškoma įvairių pažangių technologinių sprendimų, kaip efektyviau panaudoti energiją, o taip pat, kaip ją pasigaminti. Detaliai išnagrinėtas šilumos nuostolių į aplinką per pastato atitvaras sumažinimo klausimas, nustatyta šiluminių tiltelių įtaka ir pan. Metodiką tiksliam pastato energijos poreikio apskaičiavimui galima rasti STR 2.01.02:2016: „Pastatų energinio naudingumo projektavimas ir sertifikavimas“. Tačiau vis dar įprasta manyti, kad tipinis pastatas susideda iš antžeminės dalies ir galbūt šildomo ar nešildomo pusrūsio ar rūsio. Minėtiems atvejams ir pateikiama skaičiavimo metodika, o šilumos perdavimas per atitvaras į gruntą įgilintų, uždengtų žemės ar požeminių pastatų atvejais tebelieka mažai išanalizuotas.
Šiluma nuo pastato išorinių atitvarų į gruntą, tiesiogiai su atitvaros išoriniu paviršiu besiliečiančias grunto daleles, plinta laidumu. Siekiant įvertinti šilumos perdavimo per atitvarą į gruntą intensyvumą, reikia žinoti grunto temperatūrą ir šilumines charakteristikas: šilumos laidumo koeficientą ir grunto savitąją šiluminę talpą. Šios charakteristikos dažniausiai sutinkamų gruntų atveju yra žinomos, atitinkamai grunto tipui, tankiui ir drėgnumui. Į grunto temperatūros kitimą, priklausomai nuo gylio, skaičiavimuose dažniausiai neatsižvelgiama. Grunto temperatūros pokytis įvairiuose gyliuose paros, mėnesio ar sezono laikotarpiu tapo mokslininkų tyrimo objektu [1, 2]. Nustatyta, kad didesniame nei 10 m gylyje grunto temperatūra išlieka santykinai pastovi. Paros oro temperatūros kaitos įtaka priklausomai nuo grunto tipo ir aplinkos sąlygų juntama iki 0,5 m gylio [3], o vidutinė mėnesinė oro temperatūra turi įtakos jau ir gilesnių (iki 10 m) grunto sluoksnių temperatūrai. 1 pav. pateiktas grunto temperatūros pasiskirstymas gylyje Londono ir Aleksandrijos miestų atvejais. Aiškiai matoma geografinės vietos įtaka temperatūriniam pasiskirstymui. Teigiama, kad santykinai pastovi temperatūra leistų tvariai naudoti šilumą efektyviam pastato šildymui ir vėsinimui, tačiau siūlomas gylis yra pakankamai nemažas: didesnis nei 10 m [1].
Įgilinti ar požeminiai pastatai tampa vis populiaresni didmiesčiuose. Tokio tipo pastatai leidžia sutaupyti vietos paviršiuje, pasižymi padidėjusiu atsparumu ekstremalioms oro sąlygoms, saugesne aplinka nuo žemės drebėjimų ir gaisrų, vizualinės taršos ir aplinkosauginio pėdsako minimizavimu, o taip pat ir triukšmo lygio sumažinimu, privatumo užtikrinimu ir pan. Iš trūkumų galima paminėti oro ventiliacijos klausimą, apšvietimo poreikį, sąlyginai didesnes statybines išlaidas, taip pat galimas problemas su gruntiniu vandeniu.
Kauno technologijos universiteto mokslininkai skaitiniais metodais tyrė šilumos perdavimą per įgilintos pastato dalies atitvaras gruntui dviejų skirtingų mėnesių atvejais. Pasirinkti sausio ir liepos mėnesiai. Modeliuotas pusiau įgilintas pastatas, gruntas – molis. Užsiduotas grunto temperatūros kitimas, priklausomai nuo gylio pasirinktais mėnesiais. Modeliuojant priimta, kad pastato viduje palaikoma ta pati 20 °C temperatūra.
Pateikiama keletas skaitinio modeliavimo rezultatų: skerspjūviai ties pastato galine siena sausio ir liepos mėnesiais (2 pav.). Vėjo kryptis iš kairės pusės.
Papildomo skaitinio modeliavimo metu buvo keičiamos grunto šiluminės charakteristikos: šilumos laidumo koeficiento ir savitosios šiluminės talpos reikšmės. Buvo nustatyta, kad grunto šiluminių charakteristikų įtaka šilumos perdavimui per atitvaras nėra tokia akivaizdi, kaip kad dėl grunto temperatūros pokyčio, priklausomai nuo gylio.
Į tyrimus įsitraukė ir KTU studentai. Jau keli metai magistrantai renkasi minėtą tematiką savo baigiamiesiems projektams. Šiais metais lygiagrečiai skaitiniams pradėti ir eksperimentiniai tyrimai. Grunto šiluminės savybės eksperimentiškai tiriamos laboratorijoje ir lauko sąlygomis. Pradėti eksperimentiniai šilumos perdavimo per realaus pastato šildomo rūsio sienas į gruntą tyrimai – grunto temperatūrų matavimai.
Literatūra:
- A. K. Sani, R. M. Singh, T. Amis, I. Cavarretta, A review on the performance of geothermal energy pile foundation, its design process and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews ,106, (2019), 54–78. DOI: 10.1016/j.rser.2019.02.008.
- A. A. Serageldini, A. K. Abdelrahmani, A. H. H. Ali, M. R. O. Ali, S. Ookawara, Soil Temperature Profile for some New Cities in Egypt: Experimental Results and Mathematical Model, 14th International Conference on Sustainable Energy Technologies – SET 2015, 1-10.
- M. A. d. S. Bernardes, On the heat storage in Solar Updraft Tower collectors – Influence of soil thermal properties, Solar Energy, 98, (2013), 49–57. DOI: 10.1016/j.solener.2013.07.014.
