Úspora energie na vykurovanie pomocou termokeramických membrán

Záverečná správa o výsledkoch projektu Transfer Bonus

Zlepšenie vnútornej klímy a úspora energie na vykurovanie pomocou technológie termokeramických membrán (ClimateCoating) ako interiérové a/alebo exteriérové nátery budov.

Vypracoval:

• INBITEC e.V., Institut für biologisch-medizinische Forschung und Technologie e.V. (Ústav pre biologicko-medicínsky výskum a technológie, Berlin)
• Senatsverwaltung für Wirtschaft, Technologie und Forschung (Senát pre ekonomiku technológie a výskum), Berlín
• COMSOL Certified Consultants

S ponukou moderného softvéru na výpočet metódou konečných prvkov je možné po prvýkrát zviditeľniť zložité fyzikálne procesy a postupnosti so všetkými zúčastnenými fyzikálnymi procesmi. Týmto spôsobom sa dajú vizuálne a názorne znázorniť rôzne vplyvy a zdroje, ktoré pôvodne pôsobia nezávisle na celkový systém. Cieľom skúmania je poskytnúť informácie o tom, ako podrobne prebieha tepelný účinok a ktoré parametre možno ovplyvniť na účely optimalizácie.

Úvod

Farba ClimateCoating so zložením 50 % keramických vákuových dutých guľôčok v rozsahu µm a spojivom na báze akrylátu na maľovanie interiérov a exteriérov vykazuje vysokú stabilitu, ako aj množstvo výhodných vlastností pre tepelnú izoláciu a zlepšenie klímy v interiéri. Pochopením jednotlivých fyzikálnych procesov možno vyvodiť závery o účinku. Okrem toho by animácie časového priebehu počas vykurovania s rôznymi zdrojmi vykurovania mali poskytnúť podrobné poznatky pre vývojára, ako aj vizuálne vysvetlenie účinku vykurovania pre spotrebiteľa.

Simulácie (metóda konečných prvkov-FEM) vnútornej klímy (rozloženie teploty, prúdenie vzduchu, konvekcia, tepelné žiarenie, vedenie tepla) (AP 1)

Fakturovateľný krok: Návrh identického dvojrozmerného modelu podľa špecifikácií pre zlepšenie vnútornej klímy s animáciou (fakturovateľný krok pre 3. projektový týždeň)

S cieľom otestovať modely klímy v miestnosti sa najprv začali reprezentovať požadované fyzikálne procesy na modeli miestnosti pomocou variantov klímy v miestnosti. Na tento účel sa naprogramoval a otestoval prípad vykurovania pre zimnú situáciu a prípad chladenia pre letnú situáciu:

Vykurovacia skriňa pre stropný vykurovací systém

Obr. 1 Priebeh prúdenia vľavo a rozloženie teploty vpravo v kancelárskej miestnosti klimatizovanej sálavým vykurovaním v podhľade a konštantným vetraním. Chlad vniká z okna na fasáde vpravo. Tri obdĺžniky v strede miestnosti simulujú tepelnú záťaž od zariadení alebo osôb.

Chladiaca skriňa pre stropný chladiaci systém

Obr. 2 Priebeh prúdenia vľavo a rozloženie teploty vpravo v kancelárskej miestnosti klimatizovanej pomocou chladiacich rohoží v podhľade a kontinuálneho vetrania. Teplo vniká z okna na fasáde vpravo. Tri obdĺžniky v strede miestnosti simulujú tepelnú záťaž od zariadení alebo osôb.

Záver: Klimatické simulácie vyvinuté na testovanie modelov vnútornej klímy dokázali reprezentovať všetky fyzikálne procesy. Vysoká miera prehľadnosti umožnila podrobne preskúmať všetky jednotlivé procesy.

Simulácie zlepšenia vnútornej klímy pomocou keramických dutých gulí vo farebnom nátere (ClimateCoating) a interpretácia jednoduchého žalúziového efektu dutých gulí (AP2)

Účtovný krok: Návrh identického trojrozmerného modelu podľa špecifikácií na zlepšenie vnútornej klímy s farbami ClimateCoating s animáciou. (Diskusia a prezentácia prvých výsledkov). Zúčtovateľný krok za 4. projektový týždeň

Na skúmanie procesov v nátere ClimateCoating bolo potrebné vyvinúť takmer identický mikromodel, ktorý reprodukuje usporiadanie dutých guľôčok so štatistickým rozdelením polohy a veľkosti. Na tento účel bola vyvinutá matematická metóda pre štatisticky rozložené usporiadanie týchto guľôčok v kocke s rozmermi 300 x 500 x 500, ktorú bolo možné implementovať v optickom programe (OptiCAD) aj v programe konečných prvkov (Comsol Multiphysics).

Usporiadanie guľôčok na testovacie výpočty

Obr.3 Statisticky rozložené a veľkostne premenlivé usporiadanie guľôčok v kubickom objemovom kuse

Následne sa uskutočnili výskumy rozptylu svetla na jednej dutej guli, ako aj na tejto skúšobnej kocke.

V štúdii závislej od frekvencie medzi 10 a 22 THz alebo 13 a 30 µm sa získali nasledujúce profily vyžarovania pre intenzitu elektrického poľa, keď pole žiarenia dopadalo na dutú guľu.

Profily žiarenia na dutej guli

Obr.4 Vyžarovacie profily elektrického poľa pri dopade rovinnej vlny na dutú guľu pri rôznych vlnových dĺžkach.

Na obrázkoch sú príklady niekoľkých jednotlivých priestorových profilov.

Táto štúdia jasne ukazuje takmer úplne priamu intenzitu žiarenia, ktorá tvorí zanedbateľný spätný rozptyl.

S rovnakým usporiadaním gule sa v optickom programe vykonala aj analýza lúča (sledovanie lúča). Aj v tomto prípade bol paralelný lúč nasmerovaný na kocku naplnenú guľôčkami (pozri obr. 3). Je vidieť, že opäť dochádza k priamemu rozptylu (obr. 5), ktorý sa odráža len na stene. Len ak guľôčkam na povrchu priradíme úplný odraz (obr. 6), dostaneme spätný rozptyl. Tento spätný rozptyl sa však takmer úplne drží vo vrstve farby ako vo svetlovode, ako je vidieť na obr. 7.

Sledovanie lúča na kocke vyplnenej dutými guľôčkami SiO2

Obr.5 Model predstavuje dutú guľu z SiO2 vloženú do akrylovej vrstvy. Za ňou je _{betónová stena, ktorej pre} lepšiu rozpoznateľnosť nebola pridelená vysoká absorpcia. Výsledkom je žiarenie, ktoré smeruje výlučne dopredu a potom sa absorbuje. To vedie k zahrievaniu vrstvy farby.

Sledovanie lúča na kocke vyplnenej zrkadlovými dutými guľôčkami SiO2

Obr.6 Model je totožný s modelom na obr. 5, ale tu má guľa činiteľ odrazu rovný jednej. Aj tu sa takmer všetky lúče držia v akrylovej farbe a už sa neobjavujú. To však vedie k zahrievaniu vrstvy farby.

Sledovanie lúča na kocke vyplnenej dutými guľôčkami SiO2 s rozšírenou farebnou vrstvou

Obr. 7 Model gule je totožný s obr. 5. Gule majú vľavo prirodzený povrch a vpravo činiteľ odrazu rovný jednej. V oboch prípadoch je obraz podobný: všetky lúče sa držia v akrylovej farbe, ktorá tu bola predĺžená, a už sa neobjavujú. To vedie v oboch prípadoch k zahrievaniu vrstvy farby.

Sledovanie lúča na kocke vyplnenej dutými guľôčkami SiO2 s rozšírenou farebnou vrstvou

Obr. 8 Dva diagramy rozptylu boli prijaté na plošnom detektore rozpoznateľnom ako obdĺžnik pod guľovou kockou na obr. 7. V ľavom prípade s prírodnými guľami je spätný rozptyl približne 10 % ožiarených lúčov, v pravom prípade je spätný rozptyl približne 35 %.

Záver: V tomto kroku sa skúmal rozptyl a odraz v mikropriestore v trojrozmerných modeloch. Jasne sa ukázalo, že dôležitou vlastnosťou farby je jej rozptyl a absorpcia v tenkej vrstve farby. Na rozdiel od predchádzajúceho predpokladu je však odrazivosť nízka. V rámci optimalizácie je potrebné v ďalších vývojových projektoch preskúmať vplyv diskutovaného pokrytia povrchu kovovou reflexnou vrstvou (napr. hliníkovou). To si však vyžaduje aj špeciálne metrologické vyšetrenia ako dodávateľov údajov pre simuláciu.

Interpretácia existujúcich výsledkov meraní pomocou simulácií so zohľadnením výsledkov z Pankowa, Mníchova a zo skupiny Pergula (WP 3)

Povinný krok: Interpretácia existujúcich výsledkov meraní prostredníctvom simulácií so zohľadnením výsledkov z Pankowa, Mníchova a skupiny Pergula. (Zúčtovateľný krok za 7. projektový týždeň)

Na simuláciu Pankowovho experimentu boli vypočítané tri modely:

1. Jedna polovica hrnca s neupravenou hlinenou nádobou a zdrojom tepla v ľavom rohu rotačne symetricky vypočítaného kotúča.
2. Polovica hrnca s hlinenou nádobou vo vnútri potiahnutou akrylom a zdrojom tepla v ľavom rohu rotačne symetricky vypočítaného disku
3. Polovica hrnca s hlineným hrncom vo vnútri potiahnutým akrylom a dutými mikroguľôčkami na približne 50 % a zdrojom tepla v ľavom rohu rotačne symetricky vypočítaného disku.

Body merania pre nasledujúce grafy s príslušným číslovaním

Obr. 9 Na výpočet Pankowovho experimentu boli modelované tri priestorové disky, ktoré s podmienkou symetrie rotačne symetrického usporiadania vedú ku geometrii podobnej kvetináču. Na určenie ohrevu boli definované meracie body na vytvorenie grafu, ktoré zobrazujú ich polohu očíslovanú v tomto zobrazení.

Pomocou modelov znázornených na obr. 9 sa obnovili podmienky experimentu s kvetináčom. Horný a pravý okraj bol priradený k hlinenému materiálu, nasledujúca tenká vrstva bola v každom prípade bez farby (a), v strede k akrolorovej farbe (b) a vpravo k imošlej farbe (c), ale boli vytvorené pravidelné duté gule, ktoré boli posunuté oproti sebe. Interiér bol naprogramovaný ako vzduch. Vľavo dole bol vložený zdroj tepla s výkonom 15 W. Vypočítaný čas zahrievania bol 6 minút.

Teplotné profily po 5 minútach ohrevu

Obr.10 Výsledky výpočtu rozloženia teploty pri ohreve zdrojom tepla s 15 W. Obrázky ukazujú, že v prípade (a) dochádza k výrazne vyššiemu zahrievaniu hornej časti hrnca, ktoré sa v prípadoch (b) a (c) znižuje. Zvýšenie teploty je zreteľnejšie vidieť na nasledujúcich grafoch.

Pomocou meracích bodov zobrazených na obr. 9 sa teraz mohli graficky určiť teplotné krivky. Analogicky k Pankowovmu experimentu ukázali nárast teploty a priaznivé rozloženie teploty v prípade c).

Záver: V tomto pracovnom kroku sa skúmalo správanie sa pri rozptyle a odraze pomocou mikroguľôčok v 3-D modeloch. Takmer rovnomerné rozloženie teploty v interiéri, ktoré je priaznivé pre pohodu človeka, sa dá dosiahnuť len pomocou mikroguličiek v akryláte.

V troch simulovaných testovacích sériách, rovnako ako v Pankowovom experimente, iba graf vpravo ukazuje jasný nárast teploty v porovnaní s dvoma grafmi vľavo. Rozdiel teplôt medzi vnútornými a vonkajšími stenami je tiež o niečo väčší. V tejto simulácii sa teda dosiahli veľmi podobné výsledky.

Teplotné profily po 5 minútach ohrevu

Obr. 11 Výsledky výpočtu teplôt v daných meracích bodoch v troch vyššie opísaných prípadoch pri ohreve zdrojom tepla s výkonom 15 W. Z grafov je zrejmý nárast vnútorných teplôt v priebehu 6 minút zľava doprava a tiež znížené zahrievanie vonkajších meracích bodov zľava doprava.

Okrem dynamických výpočtov počas 6 minút sa pre tri prípady vykonal aj statický výpočet, ktorý určil konečný stav.

Statický výpočet ohrevu „kvetináča

Obr. 12 Reprezentatívny výsledok statického výpočtu teplôt so zobrazením diagonálnych čiar, pozdĺž ktorých bola určená konečná teplota pre tri prípady.

Výsledkom týchto výpočtov bolo aj určenie teplotných rozdielov stanovených v experimente pre tieto tri prípady:

Statický výpočet ohrevu „kvetináča

Obr. 13 Konečné teploty pozdĺž uhlopriečky nakreslenej na obr. 12 pre tri prípady náteru v statickom výpočte. Podľa výsledkov Pankowovho experimentu tiež ukazuje „rovnomerný“ nárast teploty zľava doprava. Je potrebné poznamenať, že škálovanie pre prípady a), b) a c) je odlišné. V prípade c) je krivka mierne prekrížená v dôsledku mikroguľôčok

Výpočty sa vykonali na overenie metódy konečných prvkov na základe experimentálnych údajov. Porovnateľné výsledky sme získali už v tomto experimente, ktorý sme zopakovali aj my, takže tento prístup sa potvrdil. Podobný prístup sa uplatnil aj pri mníchovskom experimente. Tento model bol kompletne reprodukovaný a vypočítaný v troch rozmeroch. Takýto výpočet je časovo veľmi náročný vzhľadom na veľmi vysoký počet konečných prvkov, a preto sa vykonal len v prípade stien z pórobetónu (mníchovský experiment). Rovnaká experimentálna zostava s drevenými stenami (experiment Pergula) mení len fyzikálne hodnoty materiálu stien. Preto už nebol užitočný na overenie programovania, a preto sa nevykonal.

Výpočet ohrevu izolovanej kocky Mníchovský experiment

Obr. 14 Výpočet vykurovacieho experimentu vo vnútri kocky so zdrojom tepla 15 W a stenami z pórobetónu (a), dodatočne s akrylovým náterom (b) a s náterom ClimateCoating (c). Podobne ako v prípade kvetináča došlo k zvýšeniu teploty v interiéri najmä v prípade c).

Teplotné krivky v simulovanom mníchovskom experimente

Obr. 15 Výpočet vykurovacieho experimentu vo vnútri kocky so zdrojom tepla 15 W a stenami z pórobetónu (a), dodatočne s akrylátovým náterom (b) a s náterom ClimateCoating (c). Podobne ako v prípade kvetináča došlo k zvýšeniu teploty v interiéri najmä v prípade c).

Záver: Oba experimenty bolo možné simulovať a priniesli konzistentné výsledky pre zvýšenie teploty. To dokázalo, že metóda konečných prvkov používaná s programom Comsol multiphysics je platnou m-metódou na simuláciu skutočných tepelných procesov.

Výpočtový modul na optimalizáciu rozloženia priemeru keramických dutých gulí (WP 4)

Fakturovateľný krok: Výpočty na zlepšenie vlastností spätného rozptylu vďaka pridaným keramickým guľôčkam vo farbách a počítačom podporované výpočty na prispôsobenie farieb infračerveným sálavým žiaričom (diskusia a prezentácia výsledkov) (fakturovateľný krok pre 10. projektový týždeň)

Po tom, čo sa najprv podarilo určiť vlastnosti zmesi dutých guľôčok v ich infračervených optických vlastnostiach, konkrétne s procesom pohlcovania hlavnej časti dopadajúceho žiarenia, sa teraz skúmala ďalšia časť vlastností farby. Pri simulačnom prístupe v priečnej miestnosti bola vrstva farby rozdelená na dve časti a podľa prímesi 50 % vákuových guľôčok bola jedna polovica vrstvy farby (0,025 mm) naprogramovaná ako vákuová a druhá polovica (tiež 0,025 mm) ako akrylová farba. Tá bola nanesená na ľavú stranu modelu a na pravú stranu bola nanesená 0,3 mm hrubá vrstva čistého akrylu. Priečna miestnosť sa vyhrievala od počiatočného bodu 10 °C pre všetky komponenty počas jednej hodiny pomocou stropného sálavého vykurovania s teplotou 30 °C. Proces ohrievania počas hodinovej fázy ohrievania sa vypočítal na „figuríne osoby“ umiestnenej v miestnosti s teplotou 37 °C s tepelným výkonom 80 W. „Figurína osoby“ sa potom ohriala na teplotu 30 °C. „Figurína osoby“ sa potom ohriala na teplotu 37 °C. K „osobe“ sa na vyznačených miestach pripevnili meracie body, ktorých teplotné krivky sa potom mohli vyhodnotiť v grafe.

S cieľom určiť aj vplyv reflexných vlastností farby sa uskutočnili tri testy s rôznymi reflexnými vlastnosťami pre obe farebné strany.

Keďže náter preukázal pozitívne vlastnosti aj pri konštrukčných studených mostoch v predchádzajúcich aplikáciách, nad podlahou sa použil aj umelý studený most, ktorý bol pokrytý vonkajšou teplotou – 10 °C. Výpočtom sa zároveň určil priebeh prúdenia vzduchu, čím sa získali ďalšie poznatky. Zároveň sa vo výpočtoch určil priebeh vzdušných prúdov, čím sa získali ďalšie poznatky.

Geometria pre testovacie jazdy

Obr. 16 Znázornenie geometrie použitej pri troch testoch a meracích bodov na testovanom subjekte.

Teplotné profily vykurovania priečnej miestnosti po jednej hodine vykurovania

Obr. 17 Zobrazenie konečných teplotných profilov po jednej hodine ohrevu pre tri prípady opätovného ohrevu vrstiev atramentu. Vľavo bola simulovaná farba ClimateCoating a vpravo bežná akrylová farba. Jedna polovica ľavej vrstvy atramentu pozostávala z vákuovej vrstvy s tlakom 1/100 normálneho tlaku a jedna polovica z akrylovej vrstvy. Vo všetkých troch prípadoch bolo vyhrievanie ľavej strany jednoznačne lepšie.

Prietokové profily vykurovania priečnej miestnosti po jednej hodine vykurovania

Obr. 18 Zobrazenie konečných profilov prúdenia po jednej hodine ohrevu pre tri prípady odrazu vrstiev farby. Na ľavej strane bola simulovaná farba ClimateCoating a na pravej strane štandardná akrylová farba. Polovicu vrstvy farby na ľavej strane tvorila vákuová vrstva s tlakom 1/100 normálneho tlaku a polovicu akrylová vrstva. Vo všetkých troch prípadoch bola výrazne vyššia turbulencia vzduchu na ľavej strane v dôsledku rýchlejšieho ohrevu.

Teplotná krivka určená na základe týchto dynamických výpočtov ukazuje očakávané teplotné rozdiely v strede a na nohách testovanej osoby. Na hlave sú teploty takmer rovnaké, pretože sú vyrovnané prúdením vzduchu (pozri obr. 16).

Telesná teplota testovaného subjektu

Obr. 19 Zobrazenie teplotných kriviek na skúšobnej osobe v troch skúmaných prípadoch rôzneho odrazu farby. Jasne ukazujú silnejšie oteplenie na ľavej strane počas zahrievacej fázy.

Záver: Časť dôvodov zlepšenia klímy v miestnosti sa mohla preukázať už v tejto štúdii. Spočíva v rýchlejšom zahrievaní tenkej akrylovej vrstvy v dôsledku tepelného tienenia vákuovou vrstvou. Výrazné zahrievanie ľavej strany je spôsobené súvislou vákuovou vrstvou použitou pri týchto výskumoch. Poskytuje však požadovaný výsledok možnej optimalizácie: Keďže vákuová izolácia prináša také jasné zlepšenie, rozšírenie vákuových guličiek na rozsah rozptylu 50 – 250 µm môže určite priniesť jasnú optimalizáciu farbou. Toto zväčšenie prináša výrazné zväčšenie objemu vákua, podobne ako v prípade tu simulovanej súvislej vrstvy. Zvýšenie odrazivosti farby ClimateCoating z faktora odrazivosti 0,5 na 1,0 tiež prinieslo mierne zvýšenie teploty, takže v budúcnosti by sa mali experimenty vykonať aj tu. Výpočty teda aj v tomto prípade dokázali poskytnúť dôležité optimalizačné tvrdenie!

Výpočty na zlepšenie vlastností spätného rozptylu (Mieho rozptyl a spätný rozptyl v infračervenej oblasti) vďaka pridaniu keramických guličiek do farieb a počítačové výpočty na prispôsobenie farieb infračerveným žiaričom. (WP 5)

Billable step: Simulácie úspory energie na vykurovanie prostredníctvom použitia technológie termokoksových membrán na vnútorné a/alebo vonkajšie maľovanie budov (diskusia, prezentácia a animácia prvých výsledkov). 12. týždeň

Infračervené žiarenie a rozptyl možno opísať týmito fyzikálnymi javmi:

1. Makroskopické deterministické javy:
   • Na prenosovej ceste IR žiarenia možno energiu žiarenia rozdeliť na tri zložky „odraz“, „absorpcia“ a „prenos“. Odraz“, „prenos“, ale aj „lom“ a „difrakcia“ sú interferenčné javy, ktoré možno opísať pomocou Maxwellovej teórie ako Mieho rozptyl (pozri bod 2.). Ab- sorpcia sa však zaraďuje do kategórie 3.
2. Mikroskopické deterministické javy
   • Mieho rozptyl možno opísať interferenciou sekundárnych vĺn, ktoré sú excitované primárnou vlnou na rozhraniach medzi materiálmi s rôznymi elektromagnetickými vlastnosťami (Huygensov princíp).
   • Medzifázové javy možno pripísať rozdielom v konštantách poľa použitých materiálov. V tomto prípade sú všetky materiály elektricky nevodivé a nemagnetické. Preto je permitivita (dielektricita) jediným materiálovým parametrom, ktorý spôsobuje Mieho rozptyl.
3. Makroskopicko-štatistické javy
   • vyžarovanie žiaričom (v tomto prípade sú relevantné len „žiariče s Planckovou teplotou“). Pre rozsah použitia povlakov ClimateCoating sa predpokladal teplotný rozsah od -40 °C do 120 °C. Spektrálny výkon alebo hustota energie nad 50 % maxima leží v rozsahu vlnových dĺžok približne od 4 do 24 µm. Tieto vlnové dĺžky spadajú do rozsahu rozmerov sklokeramických guličiek. Preto je predpoklad, že Mieho rozptyl je relevantným javom, spočiatku opodstatnený.
   • Absorpcia zvyšuje teplotu absorbujúceho materiálu vzbudením vnútorného pohybu (priestorové oscilácie atómov/molekúl). Absorpciu ako vlastnosť materiálu možno vyjadriť imaginárnou časťou komplexnej permitivity.
4. Mikroskopicko-štatistické javy
   • V uvažovanom rozsahu je však permitivita silne závislá od vlnovej dĺžky alebo frekvencie. Táto závislosť je založená najmä na atómových a iónových rezonanciách, ako aj na orientačnej polarizácii. Účinky sú silne závislé od molekulárneho zloženia a štruktúry materiálov. V infračervenej oblasti možno elementárne interakcie vysvetliť kvantovo mechanickými interakciami medzi fotónmi a optickými fonónmi. Tieto údaje nie je možné vypočítať z dôvodu nedostatočných údajov.

Najsilnejšie elektromagnetické účinky rozhrania sa prejavujú v povlaku ClimateCoating medzi dutinou a sklokeramikou vložených guľôčok. Medzi sklokeramikou a akrylovou matricou sú okrem frekvenčnej závislosti len malé rozdiely v permitivite. Vplyv týchto rozhraní by sa preto mohol zanedbať.

S cieľom simulovať Mieho rozptyl nezávisle od štrukturálnych vplyvov prostredia sa simulácia uskutočnila pre jednu sférickú dutinu (vákuum) v nekonečne rozšírenom oxide kremičitom.

Tento model umožňuje

1. Presné kvantitatívne znázornenie smerových účinkov Mieho rozptylu ako funkciepomeru vlnovej dĺžky a veľkosti objektu.

1. maximálne vyjadrenie smerovo závislých maxím a miním rozptylu
2. dobrý odhad extrémnej hodnoty efektu rozptylu

Pre primárne žiarenie sa predpokladala monofrekvenčná rovinná vlna s nekonečnou koherenčnou dĺžkou, ktorá pri dopade na materiálové rozhranie excituje interferujúce sekundárne vlny.

Pri znázorňovaní rozptylového efektu sa bralo do úvahy len excitované sekundárne žiarenie, pretože v skutočnosti aj to interferuje s primárnym žiarením a rozptylová charakteristika sa tak dá vytvoriť len približne alebo sa vôbec nedá rozlíšiť.

Keďže charakteristiky rozptylu nezávisia od absolútnej vlnovej dĺžky a veľkosti objektu, ale od ich pomeru, na simuláciu bol zvolený priemer referenčnej gule 20 µm. To znamená, že výsledky pre iné priemery možno preniesť jednoduchou kalibráciou vlnovej dĺžky.

S cieľom analyzovať len závislosti geometrických vzťahov sa vykonala simulácia s frekvenčne nezávislou permitivitou.

V diagramoch rozptylu sa zistila silná závislosť od vlnovej dĺžky a veľmi výrazné smerovo závislé minimá a maximá. Zjavný je aj pokles smerovosti smerom k hraniciam pásma príslušného infračerveného rozsahu.

Profily žiarenia na dutej guli

Obr.20 2-D profily rozptýleného žiarenia pre vzdialené elektrické pole, keď rovinná vlna dopadá na dutú guľu s rôznymi vlnovými dĺžkami.

Najväčšie maximá rozptylu sa tvoria v smere ožarovania (zľava doprava), niektoré aj pod uhlom 40°. Na druhej strane je opätovné vyžarovanie proti smeru ožarovania veľmi nízke.

Najdôležitejším zistením však je, že ani pri početných 3D vyhodnoteniach sa nevyskytli žiadne maximá rozptylu väčšie ako 10^–4 intenzity ožiareného poľa. V prípade žiarivých výkonov alebo energií musí byť tento pomer ešte štvorcový, t. j. hustota rozptýleného výkonu je maximálne len 10^–8 hustoty primárneho ožiareného výkonu. V praxi má Mieho rozptyl vplyv len na veľmi mierne narušenie homogenity primárneho žiarenia. Z hľadiska energie má maximálny účinok v 8. číslici za desatinnou čiarkou, a preto by sa mala ťažko zistiť meraním.

Praktickú bezvýznamnosť Mieho rozptylu potvrdzujú nasledujúce fakty a súvislosti:

• Rozptýlené pole sa vypočítalo vo vzdialenosti polovice vlnovej dĺžky od rozptylového rozhrania. Pri väčších vzdialenostiach sa intenzita rozptýleného poľa primerane znižuje
• Zodpovedá tomu aj nepriamy rozptyl na viacerých sférach. V tomto prípade sa účinky reťazového rozptylu znásobujú veľmi rýchlo na extrémne malé rády.
• V ďalšej simulácii sa modelovala relatívne jednoduchá komplexne hodnotená permitivita s iónovou rezonanciou pri vlnovej dĺžke 10 µm, ako je to približne v ^{prípade SiO2. To} ukázalo, že výrazné minimá a maximá _{sa vyrovnali} smerom k _{priemerným hodnotám.}
• Ďalšie zvýšenie efektu difúzneho rozptylu je spôsobené nepravidelným usporiadaním a veľkosťou guľôčok vo vrstve farby, čo približuje maximálny efekt rozptylu k strednej hodnote.

Pri simulácii celkovej intenzity poľa bolo jasne rozpoznateľné, že „ohniskové body“ sa už tvoria vo vnútri alebo vonku v blízkosti povrchu gule. Celkovo možno tiež povedať, že žiarenie z veľkého rozsahu pevných uhlov sa sústreďuje do užšieho rozsahu pevných uhlov v smere šírenia.

Simulácia absorpčných vlastností si vyžaduje podrobnejšie údaje o materiáloch, ktoré sa dajú určiť len meraním s prijateľným úsilím. V druhom prípade je však aj simulácia zastaraná.

Záver: Analýza problému modelovania Mieho rozptylu odhalila relevantné parametre Mieho rozptylu. Rozptyl Mie sa dal v zásade dobre modelovať pre oblasť použitia a umožňuje jasné odhady hraničných hodnôt účinnosti rozptylu Mie. Z toho vyplýva, že efekt rozptylu Mie nemá praktický význam pre vysvetlenie účinnosti povlaku ClimateCoating.

To vedie k záveru, že vlastnosti žiarenia sú dané najmä transmisiou, absorpciou a odrazom na povrchu farby. Vzhľadom na tenkú vrstvu farby prejde cez vrstvu farby pomerne veľký podiel žiarenia. Zvyšná časť by sa mohla zahrievať absorpciou a silnými teplotnými gradientmi na povrchu farby a pôsobiť ako teplotný radiátor. Potvrdzuje to vysoký tepelný odpor spôsobený vloženými dutinami, výsledný zmenšený prierez a dlhšia dráha v akrylátovej matrici, ako aj nízka tepelná kapacita.

Simulácie úspor energie na vykurovanie prostredníctvom použitia technológie termokeramických membrán na vnútorné a/alebo vonkajšie maľovanie budov. (WP 6)

Fakturovateľný krok: validácia výpočtov a animácií, predloženie výsledkov 14. týždeň

Na základe výsledkov vyššie uvedených predbežných výskumov boli teraz vykonané kompletné simulácie klímy v miestnosti, ktoré jasne ukazujú, ako farba funguje, a porovnávajú ju so spôsobom fungovania bežnej akrylovej farby.

Na tento účel sa v dvoch simuláciách s konvenčným konvekčným vykurovaním a moderným sálavým stropným vykurovaním, ako je to na obr. 15, porovnávala ľavá strana s úplne opísanými fyzikálnymi účinkami s normálnou akrylovou farbou na pravej strane. Aby sa zabránilo preťaženiu na úrovni podlahy, testovaná osoba bola umiestnená vyššie, a tak bola umožnená výmena v blízkosti podlahy.

Rozdiely teplôt vpravo a vľavo sú jasne viditeľné. Okrem toho je pokojné prúdenie vzduchu zrejmé pri sálavom vykurovaní vľavo, ktoré má turbulencie len pri studenom mostíku vpravo. Naproti tomu pri konvekčnom vykurovaní je turbulencia v celej miestnosti pomerne vysoká.

Porovnanie teplotných profilov pri dvoch typoch vykurovania

Obr. 21 Zobrazenie teplotných profilov v jednej skúšobnej miestnosti vždy s dvoma typmi vykurovania a s jedným farebným náterom: vľavo – farba ClimateCoating, vpravo – akrylová farba, pričom obom farbám bol priradený činiteľ odrazu 0,5. Podrobné pohľady na oboch stranách ukazujú teplotu farby a teplotu vzduchu v hraničnej vrstve. Zatiaľ čo farba ClimateCoating sa už zahriala a chráni teplotu steny aj teplotu studeného mostíka, akrylová farba má po hodine výrazne nižšiu teplotu, rovnako ako susedná hraničná vrstva.

Vypočítané teploty sú znázornené na obr. 21 a naznačujú očakávané rozdiely medzi pravou a ľavou stranou v dolnej a strednej časti. Vo výške hlavy je rozdiel malý. Silné kolísanie nameraných hodnôt v prípade konvekčného ohrevu je spôsobené turbulenciou vzduchu.

Telesná teplota testovaného subjektu

Obr. 22 Zobrazenie teplotných kriviek v jednej skúšobnej miestnosti vždy s dvoma typmi vykurovania a s jedným farebným náterom: vľavo – farba ClimateCoating, vpravo – akrylová farba, pričom obom farbám bol priradený činiteľ odrazu 0,5. V oboch prípadoch je mierny rozdiel medzi pravou a ľavou stranou, pričom konvekčný ohrev spôsobuje väčšie prúdenie vzduchu, čo vedie k väčšiemu kolísaniu nameraných hodnôt. Vyšší príjem žiarenia na strane ClimateCoating, ktorý je výsledkom ohrevu povrchu ClimateCoating, tu nie je zobrazený.

Účinok náteru sa dá výborne vysvetliť pomocou týchto ilustrácií. Ukazuje, ako sa ľavá strana ClimateCoating zahrieva vďaka svojej nízkej tepelnej kapacite, zatiaľ čo vďaka nízkej tepelnej vodivosti vytvára tuhý gradient k stene pod ňou. Teplý povrch ľudia vnímajú ako príjemný a jednoznačne prispieva k dobrej atmosfére. Zároveň sa ukázalo, že studený mostík nemôže preniknúť na vnútorný povrch. Prúdenie chladu bolo vedené len do neizolovanej podlahy. Povlak preto dokáže zabrániť vlhkosti, ktorá potom kondenzuje na chladnom povrchu. To je ďalší dôležitý argument pre pozitívny účinok farby. Vyhrievanie miestnosti pomocou dvoch typov vykurovania.

Rôzne vrstvy farby na stenách boli vytvorené aj ako video a poskytnuté spoločnosti na predvedenie na veľtrhu.

Ďalší dôležitý údaj o účinku náteru možno získať stanovením úspory energie na vykurovanie. Na tento účel sa vykonali dva výpočty metódou konečnej geometrie s modelom miestnosti, ktorá má „vonkajšiu stenu“ na ľavej strane a vonkajšiu teplotu -10 °C. V miestnosti bol nainštalovaný konvekčný vykurovací systém. Vo vnútri bol nainštalovaný konvekčný vykurovací systém, ktorý produkoval rôzny tepelný výkon prostredníctvom rôznych teplôt prúdenia (90 °C a 60 °C). Každý z týchto dvoch modelov bol natretý akrylovou farbou alebo farbou ClimateCoating na vnútornej strane a na ľavej vonkajšej strane. Konečný teplotný profil sa vypočítal statickým výpočtom. Výkon potrebný v oboch prípadoch prostredníctvom povrchu radiátora pre takmer identický konečný stav sa potom použil na určenie úspory energie na vykurovanie týchto dvoch variantov miestnosti.

Variant miestnosti s akrylovou farbou vo vnútri a na ľavej vonkajšej strane

Obr. 23 Zobrazenie priebehov teplôt v skúšobnej miestnosti s konvekčným vykurovaním a s farebným náterom pozostávajúcim z akrylovej farby (činiteľ odrazu 0,5) na ľavej vonkajšej stene a v interiéri. Vonkajšia teplota je -10 °C a teplota prietoku radiátora je 90 °C. Na výseku obrázka, ktorý je na pravej strane obrázka označený rámčekom, je vidieť úplné ochladenie vonkajšej steny a povrchovo existujúce prúdenie studeného vzduchu. Iba vzduch v okolí testovanej osoby má teplotu približne 24/25 °C.

Izbový variant s povrchovou úpravou ClimateCoating vnútri a na ľavej vonkajšej strane

Obr. 24 Znázornenie priebehov teplôt v skúšobnej miestnosti s konvekčným vykurovaním a s farebným náterom pozostávajúcim z farby ClimateCoating (faktor odrazu 0,5) na ľavej vonkajšej stene a v interiéri. Vonkajšia teplota je -10 °C a teplota prietoku radiátora je 60 °C. V časti obrázka, ktorá je na pravom obrázku označená rámčekom, je vidieť teplotný gradient z vonkajšej farby na vonkajšej stene a vnútornej farby. V interiéri sa nachádza ani povrchové prúdenie studeného vzduchu. Okrem toho sa miestnosť vyhrieva rovnomernejšie s teplotou približne 24/25 °C.

Tieto dva výpočty poskytli jasnú informáciu o vykurovacom výkone. Zatiaľ čo v prvej miestnosti bol na dosiahnutie rovnakého konečného stavu potrebný výkon 108 W/m, v druhom prípade s náterom ClimateCoating bol potrebný výkon len 63 W/m. Výsledkom je úspora energie na vykurovanie približne 40 % pri použití náteru ClimateCoating. Výsledkom je úspora energie na vykurovanie približne 40 % pri použití farby ClimateCoating.

Záver: Modelovaním interiérovej maľby s náterom ClimateCoating na ľavej strane a akrylovým náterom na pravej strane bolo možné vykonať dôležitú demonštráciu funkcie náteru, pričom sa ukázal izolačný účinok, rýchle zahrievanie na povrchu a vplyv prúdenia vzduchu pri porovnaní ľavej a pravej strany. Okrem toho sa spôsob pôsobenia preukázal v prípade studeného mosta, ktorý v štandardnom prípade vedie k vlhkému, a teda plesnivému rohu.

Pri druhom porovnaní sa vypočítal potrebný vykurovací výkon pre maľovanie vnútornej a jednej vonkajšej steny. Výsledkom bola výrazná úspora energie na vykurovanie vo výške viac ako 40 %.

Zhrnutie výpočtu a dokumentácia. (AP 7)

Fakturovateľný krok: Redizajn a dokumentácia výsledkov

Príprava záverečnej správy s odovzdaním správy a DVD 16. wo týždeň

Záverečná správa sa predkladá spolu s týmto dokumentom. Poskytol jasné údaje o funkcii a účinku náteru ClimateCoating. Na jednej strane je to izolačný účinok vákuových guličiek a na druhej strane veľmi nízka tepelná kapacita vyplývajúca z vysokého „zriedenia“ farby vákuovými guličkami. To umožňuje rýchle zahriatie farby prostredníctvom žiarenia aj prúdiaceho vzduchu. To vytvára hmatateľný pocitový efekt, pretože teplý povrch zároveň vyžaruje teplo. Okrem toho dynamický výpočet súčasne preukázal priebeh prúdenia vzduchu pri rôznych typoch vykurovania a dvoch farebných variantoch.

Rovnako by sa mohli uviesť aj pokyny na optimalizáciu farby, čo by malo spoločnosti veľmi pomôcť pri jej ďalšom rozvoji. Patrí sem rozloženie veľkosti sklenených guličiek, odrazivosť a podľa dohodnutých neskorších fyzikálnych meraní aj možnosti štruktúrovania povrchu.

Keďže dynamické výpočty priniesli vynikajúce simulačné procesy, bola vytvorená aj séria animovaných videí, ktoré boli spoločnosti poskytnuté na propagačné účely.

Súhrnný záver

Podarilo sa preukázať, že účinok farby je spôsobený dvoma základnými vlastnosťami. Predovšetkým vysoký podiel vákuových guličiek v nátere vytvára izolačný účinok a zároveň vysoké zriedenie akrylového obsahu vytvára výrazne nižšiu tepelnú kapacitu. Dopadajúce žiarenie je silne rozptýlené a absorbované vo vnútri. Tieto vlastnosti (rozptyl a absorpcia v kombinácii s nízkou tepelnou kapacitou) spôsobujú, že farba sa na povrchu rýchlo zahrieva a odvádza málo tepla z chladnej zadnej strany. To vytvára teplejší povrch pre osobu v miestnosti, čo, samozrejme, tiež poskytuje osobe

vyžaruje tepelné žiarenie. Ľudia to vnímajú ako príjemné aj pri nízkom zvýšení teploty, a tak sa rýchlo vytvorí dobrá atmosféra. V spojení so sálavým vykurovacím systémom to umožňuje výrazne znížiť vykurovací výkon. Zároveň sa zníži prúdenie vzduchu, pretože pri studenej stene už nemôže dochádzať k vysokému prúdeniu smerom nadol. Zároveň, ako je znázornené na obrázku, sa vytvára izolácia na studenej stene, ktorá zabraňuje vzniku vlhkého rohu. Vďaka preukázaniu týchto účinkov, ktoré sú pre vnútornú klímu žiaduce, a ich skvelému účinku pri veľmi malej námahe môžeme hovoriť o farbe budúcnosti. Hoci je táto farba drahšia ako v súčasnosti ponúkaná akrylová farba, predstavuje lacnú a mimoriadne účinnú alternatívu k drahým izolačným opatreniam v súčasnom stavebníctve.