Uprawa palm i innych roślin. Ochrona zimowa. > Fizyka osłon
Fizyka budowli dla palmiarzy cz. I - „Najsłabsze ogniwo”
greg:
Fizyka budowli dla palmiarzy cz. I - „Najsłabsze ogniwo”
Chciałbym poruszyć temat, który jeszcze nigdy nie był poruszany na żadnym forum traktującym o uprawie palm. Można mi oczywiście zarzucić, że wątek bardziej pasuje na jakieś forum fizyczno-budowlano-grzewcze. ;) Tym niemniej uważam, że warto zrozumieć jak działają osłony by móc uczynić je skuteczniejszymi.
Cała rzecz bierze się stąd, że do miejsca gdzie będę sadził palmy niestety nie mam możliwości pociągnięcia centralnego ogrzewania, jak w przypadku daktylowca. Jestem skazany na prąd. Zacząłem się więc zastanawiać jak swoje budowle uczynić jak najbardziej oszczędnymi. Można oczywiście traktować liczby w sposób magiczny, ale chcąc zrobić to rzetelnie trzeba się wysilić, poświęcić czas i uczciwie to policzyć.
W zasadzie na forach poświęconych budowie energooszczędnych domów powtarza się stwierdzenie, że trzeba likwidować mostki cieplne, że największych strat przysparzają okna i system wentylacji, że nawet najgrubsza izolacja nie pomoże jeśli cała reszta będzie łatwo oddawała ciepło, a nie zadba się o pozorne drobiazgi, które potrafią generować duże straty. Czytać o tym to jedno, a zobaczyć jak to wygląda to drugie.
Ponieważ w tym roku do gruntu wędruje moja butia eriospatha przeprowadziłem symulację dla osłony dla podobnej palmy.
Osłonę ma stanowić prostopadłościan. Przyjąłem następujące wymiary wewnętrzne:
* długość 0.8 m
* szerokość 0.8 m
* wysokość 2 m
Wygląda to zatem tak:
* boczna ściana styropianowa o wymiarach wewnętrznych 0.8 m x 2 m = 1.6 m2
* boczna ściana styropianowa o wymiarach wewnętrznych 0.8 m x 2 m = 1.6 m2
* tylna ściana styropianowa o wymiarach wewnętrznych 0.8 m x 2 m = 1.6 m2
* przednia ściana z poliwęglanu komorowego 10 mm o wymiarach wewnętrznych 0.8 m x 2 m = 1.6 m2
* górna ściana styropianowa o wymiarach wewnętrznych 0.8 m x 0.8 m = 0.64 m2
* osłona ustawiona jest na powierzchni gruntu o wymiarach wewnętrznych 0.8 m x 0.8 m = 0.64 m2
Dalej przyjąłem następujące wartości dla przegród:
styropian, λ = 0.036 W/(m*K)
poliwęglan komorowy 10 mm, U = 3 W/(m2*K)
grunt, U = 3.56 W/(m2*K)
Gdzie U to współczynnik przenikania ciepła, który charakteryzuje konkretną przegrodę, a λ to przewodność cieplna, która charakteryzuje materiał. Parametry te są ze sobą związane zależnością:
U = λ / d
gdzie d to grubość przegrody wyrażona w jednostkach układu SI, czyli w metrach. I tak dla przykładu, dla styropianu o grubości 10 cm, czyli 0.1 m współczynnik przenikania ciepła U będzie wynosił:
U = λ / d = 0.036 / 0.1 = 0.36 W/(m2*K)
Teraz rozważymy hipotetyczną osłonę
* którą ustawiamy na gruncie,
* która ma front z poliwęglanu komorowego 10 mm,
* w której będziemy zwiększać grubość styropianowych ścian bocznych od 5 cm aż do 30 cm.By to zrobić trzeba w sposób wyżej pokazany przeliczyć współczynnik przenikania ciepła U dla każdej grubości styropianu od 5 cm do 30 cm, następnie zsumować wszystkie przegrody:
Σ = (λstyropianu/d)*S + (λstyropianu/d)*S + (λstyropianu/d)*S + (λstyropianu/d)*S + Upoliwęglanu*S + Ugruntu*S
gdzie S to oczywiście powierzchnia każdej z przegród. Przykładowo dla ściany o grubości 5 cm wygląda to tak:
Σ = (0.036/0.05)*1.6 + (0.036/0.05)*1.6 + (0.036/0.05)*1.6 + (0.036/0.05)*0.64 + 3*1.6 + 3.56*0.64 = 11
Sumujemy tu kolejno trzy ściany boczne i ścianę górną ze styropianu, poliwęglanowy front oraz powierzchnię gruntu.
Otrzymana wartość jest w praktyce ilością watów niezbędną do podniesienia temperatury w osłonie o jeden stopień wobec temperatury zewnętrznej.
Wszystkie wyniki dla grubości styropianu od 5 cm do 30 cm zostały zebrane w poniższej tabeli:
Pierwsza po grubości kolumna zawiera współczynnik przenikania ciepła U dla danej grubości styropianu.
Druga kolumna (U*Sstyro) to jak już wspomniałem w praktyce ilość watów, którą konsumuje przegroda styropianowa (na całej swojej powierzchni czyli 1.6 + 1.6 + 1.6 + 0.64 m2) by utrzymać jednostopniową różnicę temperatury. Ponieważ zwiększamy grubość styropianu, wartość ta maleje od 3.92 W do 0.65 W.
Kolejne kolumny zawierają ilość watów dla poliwęglanu i gruntu. Są to przegrody stałe, a zatem ich parametry nie ulegają zmianie.
Następnie mamy sumę czyli ilość watów potrzebną dla całej osłony do uzyskania jednostopniowej różnicy temperatury. Po podzieleniu jej przez kubaturę osłony (1.28m3) otrzymujemy ilość watów przypadającą na 1 m3. Kolejna kolumna zawiera uśredniony współczynnik przenikania ciepła dla całej osłony.
Zerknijmy teraz na tabelę pokazującą powierzchnie przegród.
Oraz kolejną tabelę i wykresy pokazujące procentowy udział każdej z przegród w zapotrzebowaniu na energię.
Jak można bardzo łatwo zauważyć największym złodziejem watów jest poliwęglanowy front. Stanowi 20.8% powierzchni domku, a już przy izolacji ze styropianu o grubości 5 cm (stanowiącego 70.8% powierzchni) jest odpowiedzialny za 43.7% zapotrzebowania na energię. Przy grubości styropianu 22 cm ten sam poliwęglan odpowiada za ponad 60% energochłonności.
Warto zwrócić uwagę, że powierzchnia gruntu choć stanowi zaledwie 8.3% już przy grubości styropianu 5 cm jest konsumentem prawie 21% z przyłożonej mocy. Po zwiększeniu grubości styropianu do 25-30 cm udział gruntu wzrasta do prawie 30%!
Można dalej zauważyć, że choć choć grubość styropianu wzrosła z 5 cm do 30 cm, czyli aż sześciokrotnie, to całkowity współczynnik przenikania ciepła U dla osłony spadł z 1.43 do zaledwie 1.01 W/(m2*K) czyli nawet nie 1.5 raza.
Widać, że w naszej myślowej konstrukcji tytułowym najsłabszym ogniwem jest powierzchnia gruntu oraz poliwęglanowy front. Procentowo stanowią one razem niecałe 30% powierzchni, a po zwiększeniu grubości styropianu d już do 25 cm generują ponad 90% zapotrzebowania na moc.
Poniższy wykres pokazuje zależność energochłonności osłony od grubości styropianu.
Rzut oka na krzywą ujawnia, że na początku energochłonność spada jeszcze w miarę przyzwoitym tempie. Potem wykres coraz bardziej się wypłaszcza. Zatem patrząc na wykres można dojść do wniosku, że przy przyjętych założeniach solidna styrobuda powinna mieć w granicach 10-20 cm grubości. Dalsze zwiększanie grubości sytropianu w związku z energochłonnością poliwęglanu i gruntu nie przynosi odczuwalnego efektu.
Można dalej spytać. A może zwiększanie grubości ściany styropianowej jest jednak uzasadnione ekonomicznie? Zbadajmy i to. Poniżej tabela z kwotami za styropian niezbędny do budowy naszej osłony.
Teraz korzystając z kalkulatora napisanego przez palmgg można sprawdzić ile zapłacilibyśmy za eksploatację takiej osłony przy założeniu, że w środku znajduje się palma ciepłolubna i temperaturę utrzymujemy na poziomie +8 C, co powinno być dla palmy butia wartością w zupełności wystarczającą.
Sprawdziłem dane za lata 2000-2012. Okres eksploatacji od początku listopada do końca marca. Warto tutaj zwrócić uwagę, że faktyczny koszt byłby niższy gdyż osłona z poliwęglanowym frontem działa jak szklarnia i w słoneczne dni można liczyć na darmowe ogrzewanie promieniowaniem słonecznym, z czym związane jest wyłączenie elementu grzejnego przez termostat. Jako cenę za 1 kWh przyjąłem obecne 61 groszy.
Jak można się przekonać ekstrawagancja w postaci ciepłolubnej palmy butia w ogrodzie wcale nie jest droga. Dla osłony ze styropianu 10 cm, za który zapłacimy jednorazowo 90 zł, średni koszt eksploatacji w sezonie licząc od początku listopada do końca marca to 145 zł. Czyli w tych miesiącach rachunek za prąd powinien być większy o... 29 zł. Mając na uwadze wcześniejszą uwagę o nagrzewaniu przez słońce faktyczny koszt będzie jeszcze niższy. Jak widać nauką można łatwo obalić powtarzane przez niedouczonych ignorantów mity jakoby ogrzewanie palm wiązało się z horrendalnie dużymi kosztami.
Poniżej zawartość tabeli zobrazowana wykresami.
Powyższe wykresy potwierdzają wcześniejsze spostrzeżenia odnośnie grubości styropianu. Widać, że średni roczny koszt użytkowania osłony najbardziej spada przy zastosowaniu styropianu 10 cm w miejsce sytropianu o grubości 5 cm, bo aż o 31 zł. Przy zmianie z 10 cm na 15 cm koszt eksploatacji jest mniejszy już tylko o 10 zł, a przy zmianie z 15 na 20 cm zaledwie o 6 zł na sezon.
Na koniec przyjrzyjmy się jak wygląda opłacalność inwestycji w grubszą termoosłonę bez należytego zwrócenia uwagi na elementy energochłonne.
Inwestycja w sytropian o grubości 10 cm zamiast w styropian 5 cm (czyli zwiekszając grubość o 5 cm) zwraca się już w drugim roku. Natomiast jeśli startujemy z pułapu np. 15 cm to analogiczne zwiększenie grubości zwraca się dopiero w dziewiątym roku eksploatacji.
Wnioski dla chcących budować energooszczędne domki palmowe:
* nie ma sensu stosowanie bardzo grubej termoizolacji w przypadku gdy osłona posiada słabe punkty w postaci przegród o słabych parametrach termoizolacyjnych oraz liczne mostki termiczne,
* w celu zmniejszenia ucieczki ciepła na boki należy obowiązkowo stosować styrodonicę,
* styrodonica powinna być jak najbardziej ciasna (korzenie mogą przecież swobodnie rosnąć w dół), chodzi o to by ograniczyć jak najbardziej powierzchnię gruntu wewnątrz osłony, przerastaniu styrodonicy można zapobiec stosując barierę korzeniową np. z folii HDPE,
* w przypadku gdy roślina toleruje brak światła można zrezygnować z „okien”, bo stanowią element energochłonny,
* w przypadku gdy roślina wymaga dostępu do światła trzeba zmniejszyć wymiary „okna” na tyle, na ile to możliwe, nie należy należy stosować „okien” z pojedynczymi „szybami”, należy skonstruować coś w rodzaju szyby zespolonej lub okna skrzyniowego co zwiększa jego termoizolacyjność.
CDN. ;)
Robert:
Kto rano wstaje......ten pierwszy komentuje ;)
Greg świetna robota :77:
To samo w sobie świadczy o wartości merytorycznej forum.
Na podstawie tych obliczeń można przyjąć, że Wooli zbudował optymalną osłonę. Szczególnie uchylana klapa naświetla jest bardzo dobrym pomysłem. Otwieraniem w słoneczny dzień można pobrać darmową energię i łatwo doświetlić rośliny. Zamknięcie niweluje stałe straty ciepła.
Mnie bardzo interesuje grunt i jego wpływ na te obliczenia.
Jak zmienią się te wyniki, gdy przyjmiemy izolację gruntu styrodonicą (zachowanie ciągłości izolacji termicznej osłony) oraz wpływ temperatury pochodzącej z głębi gruntu?
andres:
Pożyteczny opis.
Nie jestem w stanie krytycznie ocenić wyliczeń, ale mam dwie uwagi:
1)
Ja też uważam, że sprawę okien można rozwiązać.
W okresie największego mrozu szyba może być zatkana styropianem, a światło można wpuścić w czasie, gdy mróz jest lżejszy.
U mnie leżą szyby zespolone, więc pewnie je wykorzystam w przypadku budowania ewentualnej budy dla phoenixa.
2)
Nie jestem natomiast przekonany, że styrodonica powinna być jak najciaśniejsza.
Nie widzę sensu robienia styrodonicy np. o średnicy 70 cm w przypadku phoenixa.
Przy ogromnej ilości korzeni jakie on wytwarza lepiej jest, wg mnie, by korzenie rosły swobodnie.
Nie wiem jaką zakładacie głębokość styrodonicy, ale np. 40 cm to już sporo (osłony z HDPE mają 60 cm).
Moje osłony zawsze lub prawie zawsze były dookoła obsypane korą. Zapewne zbyt małą ilością, ale można ją zwiększyć, zabezpieczając grunt.
Ponadto jeżeli ciepło z osłony będzie rozszerzać się na ziemię dookoła to wg mnie tym lepiej (choć z danych Grega wynika, że niezbyt ekonomicznie).
Takie rozwiązanie ma 2 zalety:
Po pierwsze phoenix będzie miał możliwość rozwinięcia najwyżej położonych, poziomych korzeni oddychających i odżywiających
Po drugie, zgodnie z tym co Greg, wykazał, ten grunt dookoła rośliny będzie ogrzewany przez ciepło z osłony.
Poza tym obecnie mamy stosunkowo małe rośliny, aby postrzegamy je wielkością donic.
Ale 20 letni phoenix to już spore drzewo o pniu, który może osiągać (strzelam) 80 - 100 cm średnicy.
Jak ma się to do wąskiej donicy z grubą HDPE?
Jak ma się do tego stabilność rośliny, która nie może na pierwszych 40 cm rozwinąć bocznych korzeni?
Styrodonica wprawdzie nie pozwala uciec ciepłu zimą, ale też latem nie pozwala nagrzać ziemi wokół rośliny, ani prawidłowo jej podlać.
Jeżeli już to taka styrodonica powinna mieć boki przynajmniej 1,5 x 1,5 m, a jeżeli osłona jest mniejsza to wystający obszar należy przysypać grubą warstwą liści, kory, ziemi, itp.
Według mnie styrodonica ma więcej wad niż zalet.
Polish king bamboo:
Greg nie będę komentował wyliczeń bo na tyle to się nie zna :) a moja uwaga dotyczy grunt. Napisałeś że to słabe ogniwo . Pewnie miałeś na myśli czystą ziemię niczym nie okrytą. Ciekawe jakie by wyszły wyliczenia jeżeli mamy na powierzchni ziemi 10 - 20 cm śniegu. Może się wówczas okazać że styropianowa donica będzie zbędna. Przy braku śniegu zawsze możemy sobie poradzić środkami zastępczymi np. liście które na jesieni są dostępne. Oczywiście na wypielęgnowanym trawniku takie rozwiązanie liściowe jest nie trafione ale na rabatach gdzie nie ma trawy jak najbardziej można skorzystać z tego pomysłu. Że jest to izolacja to fakt ale na ile skuteczna to już zadanie dla naszego forumowego kalkulatora :) ;)
Robert:
Arche w jednej z części ogrodu ma murek oporowy z betonu. Napisał, że jednej zimy przemarzły mu korzenie ponieważ go nie izolował. TO może ekstremalny przypadek, ale pokazuje wpływ przemarzania gleby na korzenie. Przy znacznych mrozach mróz będzie wchodził gruntem do wnętrza osłony. To taki mostek a nawet most termiczny. Brak izolacji styrodonicą wydaje mi się nierentowne i ryzykowne.
Rozmiar styrodonicy musi być przedłużeniem przyszłej osłony zewnętrznej. Powstanie wtedy prostopadłościan którego podstawą będzie dolna krawędź styrodonicy.
Nawigacja
[#] Następna strona
Idź do wersji pełnej