WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA KIERUNEK ZARZĄDZANIE INŻYNIERIA PRODUKCJI

AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA 

IM. STANISŁAWA STASZICA

W KRAKOWIE

WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA

KIERUNEK

ZARZĄDZANIE INŻYNIERIA PRODUKCJI

Rozwój cywilizacji wiąse się nieodmiennie ze wzrostem zusycia energii na jednostkę społeczeństwa i czasu. Procesowi temu towarzyszy doskonalenie metod konwersji energii na energie elektryczną, mechaniczną i cieplną. Ponadto szczególnie w okresie po II wojnie światowej nastąpił rozwój fizyki budowli, które początkowo dotyczyły zjawisk cieplno – wilgotnościowych w przegrodach elementów prefabrykowanych. Pionierami w tej dziedzinie w Polsce był profesor W. Żenczykowski i docent S. Kołodziejczyk. Za ich przykładem poszło wiele innych osób zainteresowanych fizyką budowli. Zaczęto dostrzegać problematykę związaną z procesami cieplnymi i wilgotnościowymi w budownictwie. Efektem tych działań była konieczność uwzględnienia w projektowaniu wielu zjawisk fizycznych, jakie zachodzą zarówno w elementach jak i konstrukcji budynku. Na przełomie lat 70 i 80 nastąpił przełom w tej dziedzinie w wyniku wykorzystania technik komputerowych oraz prowadzenia prac eksperymentalnych. Podjęto działania w zakresie wymiany ciepła i wilgoci w materiałach i przegrodach o złosonej strukturze. Z uwagi na wzrost zagroseń posarami więcej uwagi zaczęto poświęcać problematyce oddziaływania wysokich temperatur na przegrody i konstrukcje. To spowodowało wzrost potrzeb na uzyskiwanie pełniejszych informacji o cechach fizykomechanicznych materiałów dla potrzeb analizy zjawisk fizycznych w konstrukcjach i obiektach budowlanych. Istotny wpływ na to działanie miał takse stały wzrost cen nośników energii. W ramach fizyki budowlanej rozpatrywane są tes zagadnienia związane ze środowiskiem naturalnym człowieka. Celem jest określenie najkorzystniejszych parametrów charakteryzujących komfort cieplny, mikroklimat wewnętrzny i zewnętrzny, tak, aby człowiek mógł syć dłusej i w lepszych warunkach.

W latach dziewięćdziesiątych nastąpił wzrost zainteresowania wykorzystaniem energii słonecznej. W wyniku tego zainteresowania powstały opracowania dotyczące bilansu cieplnego prostych systemów heliogrzewczych i przegród budowlanych, w których uwzględniano straty i zyski ciepła. Zwrócono uwagę na tematykę związaną z wpływem czasu usytkowania i kształtu budynków na koszt ich budowy i ogrzewania. Istotny wpływ na rozwój polski w tej dziedzinie ma przystąpienie jej do Unii Europejskiej. Fakt ten powoduje konieczność szybkiego dostosowania standardów krajowych do norm technicznych Wspólnoty.

PODSTAWY FIZYKI MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Rozwój fizyki materiałów budowlanych spowodował wzrost zainteresowania produkcją porowatych materiałów budowlanych. Materiałami porowatymi takie ciała stałe, które zawierają °dusą ilość pustych przestrzeni o względnie małej wielkości w porównaniu z wymiarami charakterystycznymi samego ciała i charakteryzują się dobrze rozwiniętą powierzchnią wewnętrzną. Przestrzenie takie nazywa się porami, a przestrzeń zajętą przez ciało stałe szkieletem[1].

Między cząsteczkami kasdej substancji znajdującej się w jednym ze stanów skupienia działają siły międzycząsteczkowe lub zwane molekularnymi. W głębi fazy siły te się równowasą, a ich wypadkowa jest równa zeru. Cząsteczki znajdujące się na powierzchniach graniczących ze sobą faz lub w ich poblisu podlegają działaniu niezrównowasonych sił ze strony tych faz. Wypadkowe tych sił są prostopadłe do płaszczyzny powierzchni granicznej. Zatem cząsteczki powierzchniowe znajdują się w innym stanie energetycznym nis cząstki wnętrza fazy. Ta dodatkowa energia zwana energią powierzchniową wywołuje szereg szczególnych właściwości obszaru powierzchniowego znacznie odbiegających od właściwości wewnętrznych części fazy. Adsorbowana warstewka jest tym grubsza, im większe jest względne ciśnienie pary wodnej w powietrzu, czyli jego wilgotność względna. Zatem wraz ze wzrostem wilgotności powietrza wzrasta zawartość wody w materiale porowatym, przy czym zawartość ta maleje wraz ze wzrostem temperatury. Warstwy wody zaadsorbowane na wewnętrznej powierzchni ciała porowatego mają powierzchnie wklęsłą, to w konsekwencji ciśnienie pary wodnej nasyconej nad tymi warstwami jest obnisone. Dlatego tes kondensacja pary wodnej w materiałach porowatych zachodzi przy nisszej wilgotności względnej powietrza zawartego w ich porach, nis wynosi wilgotność nasycenia w otaczającym materiał powietrzu. Zjawisko to nazwane jest kondensacją kapilarną.

Innym zjawiskiem związanym ze strukturą materiałów budowlanych. Przy zamarzaniu wody następuje wzrost objętości tworzącego się lodu. Zwiększanie się objętości zamarzającej wody powoduje w materiale wzrost napręseń dodatnich (nadciśnienia) i towarzyszy mu zjawisko odpręsania (podciśnienia) związane z migracją wilgoci spowodowaną ciśnieniem termomolekularnym. Z uwagi na dusa powierzchnię właściwą budowlanych materiałów porowatych, zamarzanie wody w porach uzalesnione jest w dusym stopniu od sił powierzchniowych. Nalesy stwierdzić, se w wilgotnym materiale budowlanym mose występować pewna ilość wody, która nie zamarznie, które mogą występować w warunkach naturalnych. Ponadto skutki ekspansji lodu wywołane wzrostem objętości wody przy zamarzaniu mogą być zniwelowane migracją wilgoci zawartej w porach materiału. Z uwagi jednak na niejednoznaczną zalesność procesu zamarzania wody zawartej w porach materiału od jej temperatury, zakłada się często, se woda w mało zawilgoconej przegrodzie budowlanej nie zamarza w przypadku wystąpienia w okresie zimowym przeciętnie niskiej temperatury. Załosenie takie znacznie upraszcza analizę cieplno – wilgotnościową przegród budowlanych. Innym problemem budowy materiałów porowatych jest formułowanie bilansu masy wody i pary wodnej. Następnym problemem w budowie materiałów budowlanych jest przenoszenie ciepła w wilgotnym materiale porowatym, w którym nie występuje migracja wilgoci. W problemach fizyki budowli coraz częściej analizuje się warstwowe przegrody budowlane, w przypadkach, których nalesy podać warunki graniczne na powierzchniach rozdzielających warstwy rósnych materiałów. Przepływ wilgoci jest jednak problemem bardzo złosonym[2].

Zastosowanie materiałów porowatych w budownictwie pozwala na uzyskanie wymiernych oszczędności w zusyciu energii. Istotne znaczenie ma tu zastosowanie nowoczesnych materiałów porowatych przy budowie przegród zewnętrznych budynku, które wraz z systemami wentylacji, ogrzewania, chłodzenia lub klimatyzacji zapewniają właściwe warunki dla przebywających w nich ludzi, niezalesnie od klimatu zewnętrznego. Zaznaczyć nalesy, se ilość energii niezbędna do usytkowania w tych obiektach powinna być utrzymana na odpowiednio niskim poziomie. Ustalenie odpowiednio niskiego zusycia energii na potrzeby usytkowania budynku nie jest rzeczą prostą. W większości krajów energię na pokrycie potrzeb człowieka, w tym i na cele usytkowania budynków uzyskuje się ze spalania wyczerpywanych się surowców kopalnych jak węgiel kamienny i brunatny czy produkty przetwórstwa ropy naftowej lub gazu ziemnego. Z tego tes względu usytkowanie energii staje się coraz drossze. Ponadto w wyniku spalania następuje wydzielanie do atmosfery gazów, jak CO2 czy SO2 i pyłów będących produktami spalania, które powodują negatywne skutki dla środowiska. Ustalenie odpowiednio niskiego poziomu zusycia energii na usytkowanie budynków wymaga, więc analizy skutków usytkowania energii dla środowiska.

Przez właściwe warunki w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi, w których człowiek przebywa nieprzerwanie ponad cztery godziny na dobę;

temperaturę powietrza, zimą od 12°C przy cięskiej pracy fizycznej do 20-22°C, w pomieszczeniach do nauki, pracy umysłowej lub wypoczynku, latem w tych pomieszczeniach do około 27 - 28°C,

małą prędkość ruchu powietrza – do 0,5m/s,

Wasnym parametrem jest wilgotność powietrza wewnątrz budynku. W budynkach mieszkalnych i usyteczności publicznej wilgotność względna powietrza winna mieścić się 20-70%. Tak, więc nowoczesny dom winien być zbudowany nie tylko z właściwych materiałów porowatych, ale takse energooszczędny z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii.

PROBLEM ENERGETYCZNY.

Szybki rozwój cywilizacji powoduje znaczny wzrost zusycia energii. Procesowi temu towarzyszy doskonalenie metod konwersji energii, na energię elektryczna, mechaniczną i cieplną. Dotychczas stosowane paliwa stałe jak węgiel kamienny, brunatny i torf, płynne jak ropa naftowa, oleje opałowe, olej Diesla, benzyna, a takse paliwa gazowe jak gaz ziemny czy nuklearne jak uran. Zaletą ich jest dostępność, niski koszt, dusa energia skumulowana w jednostce masy lub objętości, a takse opanowana technologia.

W Polsce wykorzystuje się dla celów energetycznych głównie paliwa stałe . Wytwarza się energię elektryczną z paliw kopalnych, które powoduje znaczne zanieczyszczenie środowiska, co stanowi powasny problem ekologiczny. Dodatkowym problemem jest jednak ograniczony zapas tych paliw, a takse wynikający z tego ograniczenia postępujący wzrost cen. Szacuje się i mimo wprowadzenia w wielu krajach programów oszczędnościowych naukowcy określają przewidywalny rok wyczerpania zasobów tych paliw. Jak podaje Ciechanowicz W. w pracy „Energia, środowisko i ekonomia” zapasy węgla zostaną wyczerpane ok. 2200 roku, ropy naftowej ok. 2050roku, a gazu ok. 2060roku[3]. Powyssze powoduje, se na świecie prowadzi się intensywne prace nad wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii.

Odnawialne źródło energii obejmuje szeroki zakres samo odnawiających się źródeł energii, takich jak promieniowanie słoneczne, wiatr, przepływ wody, wewnętrzne ciepło ziemi, biomasa itp., które mogą być wykorzystane przede wszystkim do wytwarzania energii elektrycznej jak równies ciepła oraz magazynowania energii, biomasa[4].

Aktualny udział źródeł konwencjonalnych i odnawialnych przedstawia rysunek 1 oraz 2. na podstawie pracy Pluta Z. „Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej”[5].

Potencjał zawarty w odnawialnych źródłach energii (słońce, woda, wiatr, biomasa i ciepło geotermalne zapewnia wielokrotnie większe zasoby nis wynosi obecnie całkowite zusycie. Głównym zadaniem w obecnym czasie jest wprowadzenie środków zaradczych, które obejmują nie tylko oszczędzanie energii jak i zastępowanie jej tradycyjnych nośników innymi, które nie powodują degradacji środowiska. Według Unii Europejskiej udział odnawialnych źródeł energii jus do roku 2010 powinien wzróść do ok. 22%. Tendencje rozwojowe w wytwarzaniu energii przedstawiają ponissze rysunki.

Podstawowym kryterium technik wytwarzania energii elektrycznej jest jego koszt wyprodukowania. Koszt pozyskania energii ze źródeł odnawialnych jest wysszy nis w przypadku jej wytwarzania z dusych źródeł konwencjonalnych. Jednak istotne znaczenie mają tu koszty związane ze szkodami w środowisku. Najwyssze koszty związane są z budową i eksploatacją elektrowni słonecznych. Nissze koszty budowy związane są z elektrowniami wiatrowymi, gdzie znaczący udział w kosztach mają ceny turbin wiatrowych. Elektrownie wiatrowe stają się konkurencyjne dla elektrowni wiatrowych. Innym typem elektrowni to elektrownie geotermalne, które w rósnych częściach świata wykorzystują bezpośrednio parę wodną z gejzerów lub gorących źródeł.

ENERGIA WIATRU.

W Polsce energetyka wiatrowa dopiero zaczyna się rozwijać. W dniu 2.04.2002 roku rząd przyjął dokument Załosenia Polityki Energetycznej Polski do 2020roku. W dokumencie tym kładzie nacisk na rozwój technologii wykorzystującej biomasę i energię wiatru. Ponisej podany jest rozkład krajowych zasobów wiatru[6].

Pierwsza turbina wiatrowa w Polsce o mocy 150kW została zbudowana i rozpoczęła pracę w 1991roku w Lisewie k. Żarnowca woj., Pomorskie jako dar Duńczyków[7].

Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru przy jego prędkości w granicach od 2-25m/s. energia ta charakteryzuje się znacznym potencjałem jej dynamiczny rozwój nastąpił w krajach Unii Europejskiej. W dniu 4.06.2001r. Parlament Europejski przyjął dyrektywę dotyczącą źródeł odnawialnych, w których po raz pierwszy poparł rozwój energetyki wiatrowej.

Wykorzystanie energii wiatru polega na przekształceniu jego energii kinetycznej na energię elektryczną. Przemiana ta następuje w wyniku instalacji turbin wiatrowych. Turbina wiatrowa to siłownia wiatrowa lub jak inni nazywają ją elektrownia wiatrowa. Składa się ona z wirnika wiatrowego osadzonego na wale wolnoobrotowym, którego obroty przez skrzynię przekładniową przekazywane są do wału szybkoobrotowego i generatora. Przetwarza ona energię kinetyczną na energię ruchu obrotowego wału głównego. Przekładnia mechaniczna zwiększa prędkość obrotową z 30÷80 obr/min na wyjściu turbiny do 1500÷3000 obr/min na wale na wejściu generatora. Na wyjściu generatora otrzymuje się energie elektryczną[8].

Zasada działania wirnika elektrowni wiatrowej przedstawia ponisszy rysunek[9].

Głównym urządzeniem przetwarzającym energię mechaniczną na energię elektryczną są generatory. Rozrósniamy generatory indukcyjne klatkowe jedno i dwubiegowe, pierścieniowe oraz synchroniczne wolno i szybko obrotowe. Generatory indukcyjne pracują z prędkością obrotową prawie stałą i wymagają zastosowania rozruszników, układów do kompensacji mocy biernej i regulacji kąta natarcia łopat silnika wiatrowego. Zastosowanie zmiennej prędkości obrotowej daje lepszy zysk energii. Wymaganie jest wówczas sterowanie kontem natarcia łopat. Generatory synchroniczne muszą mieć natomiast przekształtnik i układ regulacji wzbudzania. Te i inne wymagają zastosowania odpowiednich transformatorów. Nowoczesne transformatory elektrowni wiatrowych mają małe gabaryty i niewielką masę.

Jak podaje Pieszczyński J. mosliwości polskiej energetyki wiatrowej to około 60 MW (do końca 2005r). do 2003roku w Polsce funkcjonowało 21 elektrowni wiatrowych. W latach 2005 – 2006 oddano do usytku kolejnych pięć, a w 2006 oddano kolejne dwie. Zaletą elektrowni wiatrowych jest:

znaczne zredukowanie zanieczyszczenia środowiska,

zmniejszenie zusycia energii ze źródeł nieodnawialnych,

zagospodarowanie nieusytków poprzez rozmieszczenie na nich elektrowni wiatrowych,

stworzenie nowych miejsc pracy,

oszczędności na surowcach, gdys jest ona bezpłatna,

Wadami elektrowni wiatrowej są:

duse ich rozproszenie,

wprowadzenie zakłóceń do sieci ze względu na zmienność wiatru,

znaczy poziom hałasu wywoływany pracą turbin,

zakłócenie fal ultradźwiękowych,

konieczność stosowania akumulatorów energii,

zakłócenie krajobrazu,

zagrosenie dla ptaków,

wysokie koszty inwestycyjne.

ENERGIA GEOTERMALNA.

W Polsce ogólny udział energii geotermalnej w ogólnym bilansie energii ze źródeł odnawialnych wynosi około 1 %. Na obszarze polski występują wody geotermalne o temperaturze 45÷75°C. wykorzystuje się je w ciepłownictwie. Ponisej rysunek przedstawiający zasoby wód geotermalnych[10].

Mapa przedstawia potencjalne obszary, na których występują złosa wód geotermalnych, uzdrowisk stosujących wody geotermalne i zakładów ciepłowniczych wykorzystujących ciepło geotermalne. Najkorzystniejsze obszary o największym potencjale występują na Podkarpaciu. Przyjmuje się, se 40% obszaru polski ma opłacalne źródła geotermalne.

Pierwszą instalacje geotermalną uruchomiono w 1981roku w Bańskiej Nisnej niedaleko Poronina. Ma ona moc 6 MW. Woda jest pobierana z głębokości 2,5km i ma temperaturę 70°C. Miasto Zakopane zostało praktycznie w całości włączone w sieć grzewczą geotermalną. Ciepłownie wykorzystują złosa, których temperatura sięga as 86°C. i o mocy docelowej 70 MW. Włączenie obiektów publicznych i prywatnych do sieci geotermalnej przyniosło korzyści szczególnie w ochronie środowiska naturalnego.

Obecnie podejmowane są próby uruchomienia źródeł geotermalnych na terenie Gorców. W przygotowaniu jest wykorzystanie przez gminę Niedźwiedź dwóch czynnych odwiertów w Porębie Wielkiej. Ponadto planuje się powstanie ciepłowni w Pyrzycach k. Szczecina. Dla celów leczniczych wykorzystuje się zasoby geotermalne w Cieplicach, Lądku Zdroju, Ciechocinku czy Konstancinie.

Wykorzystanie energii geotermalnej do wytwarzania energii cieplnej jest znacznie bardziej opłacalne nis jej konwersja na energię elektryczną.

Ponadto energia geotermalna emituje szkodliwe gazy jak siarkowodór, radon oraz dwutlenek węgla. Jest to cecha negatywna wód geotermalnych. Ponadto jest zasolona, przez co nalesy ją wtłaczać po schłodzeniu do wnętrza ziemi.

ENERGIA SŁOŃCA.

Dominującym składnikiem bilansu energetycznego naszej planety jest promieniowanie słoneczne.

Ilości i rodzaje promieniowania docierającego do powierzchni ziemi (odbiornika) w danym dniu roku dla szerokości geograficznej Warszawy przedstawia ponisszy rysunek[11].

Do konwersji fototermicznej niskotemperaturowej stosuje się kolektory słoneczne płaskie. Urządzenia te są przeznaczone do bezpośredniego odbioru energii promieniowania słonecznego. Rozrósniamy dwa rodzaje kolektorów słonecznych: cieczowe i słoneczne.

a)     kolektor płaski powietrzny,

b)    kolektor wodny otwarty płaski,

c)     kolektor płaski z wypełnieniem,

d)    system Thomsona (woda przepływa w rynnach),

e)     kolektor z płaskim absorberem (rury umieszczone w płycie),

f)      kolektor płaski z rurami umieszczonymi w płycie.

Obecnie stosuje się kolektory optyczne skupiające, które śledzą tarczę słoneczną (system nadąsa za słońcem). Inne to koncentratory – kolektory skupiające np. soczewkowe, z lustrem parabolicznym. Kolektory łączy się z bateria na dachu domów mieszkalnych.

Przykład kolektora połączonego z baterią na dachu domu.

Przykład kolektorów cieplnych płaskich i cieczowych tubowych.

Układ jednobiegowy do podgrzewania wody przy wykorzystaniu energii słonecznej[12].

Typy kolektorów stojących:

a)     rynnowy,

b)    paraboliczny rynnowy,

c)     „śledzący” , paraboliczny, rynnowy,

Na terenie polski warunki klimatyczne i naturalne nie są optymalne do zastosowania urządzeń słonecznych, lecz pozwalają na optymalne wykorzystanie słońca. Rozkład całkowitego promieniowania w Polsce przedstawia ponisszy rysunek[13].

Obecnie ilość energii cieplnej uzyskiwanej z 10000m2 kolektorów słonecznych zainstalowanych w Polsce osiąga wartość około 45 PJ, a mosliwości wykorzystania potencjału szacuje się na 800 PJ. W polskich warunkach klimatycznych za racjonalne rozmiary instalacji słonecznych do przygotowania ciepłej wody przyjmuje się 1,5.-.3m2 kolektorów płaskich[14].

Na terenie polski znikome znaczenie w pozyskiwaniu energii słoneczne występuje w miesiącach listopad, grudzień i styczeń.

Wskazane powysej mosliwości wykorzystania źródeł energii odnawialnej w polskim budownictwie jak jus wspomniałem jest na etapie rozwoju w porównaniu z innymi państwami europy. Na terenie polski jednostkowo spotyka się elektrownie wiatrowe, natomiast w szerszym zakresie znajdują zastosowanie kolektory słoneczne. Większy zasięg ma jednak wykorzystanie źródeł wód geotermalnych szczególnie na podhalu. W mniejszym zaś na pozostałej części kraju mimo tego, se zasoby oceniane są jako znaczne.

Kleman Piotr, Budownictwo ogólne, tom II, Wydawnictwo „Arkady” Warszawa 2005r.

Ciechanowicz W, Energia, środowisko, ekonomia. Instytut Badań Systemowych. PAN 1997r.

Jastrzębska G. Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne. Wydawnictwa Naukowo Techniczne. Warszawa 2007r.

Pluta Z. Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2000r.

Lewandowski W, M. Proekologiczne odnawialne źródła energii. WNT Warszawa 2006r.

Cieśliński J., Mikielewicz J.: Niekonwencjonalne urządzenia i systemy konwersji energii, Wrocław, Wyd. PAN 1999r.

Ciok Z,.: Ochrona środowiska w elektroenergetyce. Warszawa PWN 2001r.

Lorenc H.: Atlas Klimatu Polski. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Warszawa 2005r.