Aktualne wydanie

2019 07 okladka

 

       7-8/2019

 

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 LiSEC SS Konfig 480x120

  

VITRUM Swiat Szkla Web

 

ift 480x105px RFT19 engl 

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

Osłony przeciwsłoneczne, a systemy sterowania i zarządzania energią
Data dodania: 28.02.16

Stosowanie różnego rodzaju osłon jest widoczne, zwłaszcza w architekturze krajów południowych, od wielu lat. Ochrona przeciwsłoneczna realizowana jest w postaci markiz, żaluzji, okiennic, łamaczy światła, skrinów oraz refleksoli. Tego typu rozwiązania są dziś projektowane i instalowane na najbardziej prestiżowych i nowoczesnych budynkach. W Polsce osłony przeciwsłoneczne są nadal niedoceniane przez projektantów, traktowane bardziej jako elementy dynamizujące dotychczasowy, statyczny charakter elewacji, a nie jako efektywne energetycznie rozwiązania zmniejszające znacząco zużycie energii.

 

 

W naszym kraju stosowanie osłon przeciwsłonecznych jest prawnie wymagane już od ponad pięciu lat. Aktualnie wymagania prawne zostały ponownie sformułowane i zamieszczone w Warunkach technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1]. Szczegóły zamieszczone zostały w załączniku 2 [1]. Słuszność powyższych wymagań potwierdzają wykonane obliczenia zamieszczone w artykule [2] oraz doświadczenia użytkowe i wyniki badawcze. Wymagania podstawowe obejmują obligatoryjne stosowanie osłon w przegrodach przeźroczystych ukierunkowanych na północny wschód, wschód, południowy wschód i zachód, zachód oraz na północny zachód. Zapis prawny brzmi następująco: we wszystkich rodzajach budynków współczynnik przepuszczalności energii całkowitej promieniowania słonecznego okien oraz przegród szklanych i przezroczystych g, liczony według wzoru: g = fC ·gn, w okresie letnim nie może być większy niż 0,35. Oznacza to, że wymóg stosowania osłon dotyczy tylko okresu letniego. Wymóg ten wydaje się logiczny i uzasadniony. Latem chcemy ograniczyć słoneczne zyski ciepła, a zimą umożliwić gromadzenie energii słonecznej w budynku. Po dokładniejszym przeanalizowaniu zapisu można stwierdzić, że nie jest jednak precyzyjny. Literalne stosowanie zapisu może okazać się nieskuteczne ze względu na cel. Nie jest zdefiniowane, co należy rozumieć przez okres letni a co nie. Wydaje się, że bardziej precyzyjnym byłoby określenie „okres chłodniczy” oraz „okres grzewczy”. Zdarza się ostatnio coraz częściej, ze względu na lepiej ocieplone budynki z dużymi powierzchniami przeszklonymi oraz ze względu na stosunkowo ciepłe zimy, że okres chłodniczy rozpoczyna się już w marcu, miesiącu standardowo należącym do okresu grzewczego. Stosowanie osłon tylko w okresie letnim może być niewystarczające w budynkach, w których występuje konieczność chłodzenia w okresie wiosennym, np. w marcu, co może oznaczać, że użycie osłon przeciwsłonecznych w tym czasie nie będzie brane pod uwagę. Zdarzają się skrajnie niekorzystne przypadki, gdy inwestor zauważył konieczność chłodzenia w części budynku już w styczniu. Zjawisko takie występuje w budynkach o dużych wewnętrznych zyskach ciepła. Okres grzewczy kończy się bardzo wcześnie lub nie występuje w ogóle. Ochrona przed zyskami ciepła od promieniowania słonecznego będzie konieczna przez cały rok. Sytuacje takie występują wcale nie rzadko. Użytkownicy zgłaszają koniczność chłodzenia wybranych pomieszczeń już w styczniu. Z różnych powodów takiego chłodzenia nie można realizować przez freecooling. Ograniczenie słonecznych zysków ciepła może być wymagane w takich przypadkach przez cały rok.

 

 

Sterowanie

 

Ze względu na tak dużą zmienność zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie w rozkładzie dobowym, niezbędne jest stosowanie odpowiedniego, czasami nawet bardzo złożonego systemu sterowania pracą urządzeń ochrony przeciwsłonecznej. W celu porównania wpływu sterowania osłon przeciwsłonecznych na jakość energetyczną budynku wykonano obliczenia charakterystyki energetycznej dla następujących wariantów: 

  1. budynek mieszkaniowy z oknami o powierzchni 25% p.u. o: UW = 1,3 W/m2K i gn = 0,63, z folią przeciwsłoneczną przyklejoną na szybę o fC = 0,08 (stałe działanie przez cały rok);
  2. budynek mieszkaniowy z oknami o powierzchni 25% p.u. o: UW = 1,3 W/m2K i gn = 0,63, z ruchomą osłoną przeciwsłoneczną (skriny lub markizy) o fC = 0,08, sterowaną ręcznie;
  3. budynek mieszkaniowy z oknami o powierzchni 25% p.u. o: UW = 1,3 W/m2K i gn = 0,63, z ruchomą osłoną przeciwsłoneczną (skriny lub markizy) o fC = 0,08, sterowaną automatycznie w oparciu o parametry zewnętrzne: nasłonecznienie, temperatura zewnętrzna, wiatr;
  4. budynek mieszkaniowy z oknami o powierzchni 25% p.u. o: UW = 1,3 W/m2K i gn = 0,63, z ruchomą osłoną przeciwsłoneczną (skriny lub markizy) o fC = 0,08, sterowaną w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne: nasłonecznienie, temperatura zewnętrzna, temperatura wewnętrzna w pomieszczeniu, wiatr.

 

Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 1.

 

 

2016 2 24 1

 

 

Skuteczność działania osłon a automatyka sterująca

 

Sterowanie działaniem ruchomych osłon przeciwsłonecznych zależy od systemu sterowania. Najczęściej, ze względu na koszty, stosuje się sterowanie ręczne z wykorzystaniem silników elektrycznych. Sterowanie automatyczne stosowane jest w budynkach, w których sterowanie ręczne może być mało efektywne. Rozróżnia się sterowanie automatyczne osłonami przeciwsłonecznymi, działające w oparciu o parametry zewnętrzne oraz sterowanie w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne.

 

(...)

Obliczeniowe wyznaczanie sprawności sterowania na efektywność energetyczną osłon przeciwsłonecznych nie jest zadaniem prostym. Sumę zysków ciepła od źródeł słonecznych w rozpatrywanej strefie budynku oblicza się zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 [3], stosując poniższe równanie: 

 

2016 2 25 1

 

btr,i – czynnik dostosowania do przyległej strefy nieklimatyzowanej z wewnętrznym źródłem ciepła l zdefiniowanym w ISO 13789,

фsol,min,k – uśredniony w czasie strumień ciepła od źródła ciepła od nasłoneczenienia k,

фsol,min,k – uśredniony w czasie strumień ciepła od źródła ciepła od nasłoneczenienia l od przyległęj przestrzeni klimatyzowanej

t – długość rozpatrywanego okresu

 

 

Wyznaczanie wpływu osłon przeciwsłonecznych na energochłonność budynku można wykonać zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 roku, wg której dla każdego otworu i dla każdego miesiąca oblicza się: gdzie:

 

2016 2 25 2

 

Fsh,ob – czynnik redukcji zacienienia związany z zewnętrznymi elementami zacieniającymi dla efektywnego pola powierzchni zbierającej, liczony na podstawie normy PN-EN ISO 13790, 

Asol – efektywne pole powierzchni zbierającej z daną orientację i kątem pochylenia w rozpatrywanej strefie. Efektywne pole powierzchni zbierającej promieniowania słonecznego jest równe polu powierzchni ciała czarnego, mającego ten sam zysk ciepła od nasłonecznienia, co rozpatrywane pole powierzchni,

Isol – napromieniowanie słoneczne, średnia energia promieniowania słonecznego dla kroku czasowego obliczania na 1 m2 powierzchni zbierającej z daną orientacją i kątem nachylenia,

Fr – czynnik kierunkowym między elementami budynku a nieboskłonem, wynoszący 1 dla dachu oraz 0,5 dla ścian niezacienianych,

фr – dodatkowy strumień ciepła w wyniku promieniowania cieplnego do nieboskłonu od elementu budynku. 

 

 

Zacienienie stałych elementów wyznacza się ze wzoru:

 

2016 2 25 3

 

gdzie:

Fhor – czynnik zacienienia od otoczenia wyznaczany na podstawie: kąta wzniesienia (0..40)°, orientacji okna oraz szerokości geograficznej: (49, 50, 51, 52, 53, 54)°, 

Fov – czynnik zacienienia od elementów pionowych wyznaczany na podstawie: kąta dla elementu pionowego (0..60)°, orientacji okna szerokości geograficznej: (49, 50, 51, 52, 53, 54)°,

Ffin – czynnik zacienienia od elementów poziomych wyznaczany na podstawie: kąta dla elementu poziomego (0..60)°, orientacji okna szerokości geograficznej: (49, 50, 51, 52, 53, 54)°,

Asol – efektywne pole powierzchni nasłonecznionej wyznaczane według wzoru: 

 

2016 2 25 4

 

gdzie:

Fsh,gl – współczynnik zacienienia związany z ruchomymi elementami zacieniającymi, 

ggl – całkowita przepuszczalność promieniowania słonecznego dla przeźroczystej części elementu,

FF – ułamek powierzchni ramy, obliczony jako stosunek pola powierzchni ramy do pola powierzchni elementu oszklonego,

Aw,p – całkowite pole powierzchni elementu oszklonego. 

 

 

Promieniowanie cieplne do nieboskłonu oblicza się według wzoru:

 

2016 2 25 10

 

Rse – zewnętrzny opór przejmowania elementu budynku, 

Uc – współczynnik przenikania ciepła elementu budynku, 

Ac – pole powierzchni elementu,

[(θ)]θr – średnia różnica pomiędzy temperaturą powietrza i pozorna temperaturą nieboskłonu

hr – zewnętrzny współczynnik przejmowania ciepłą przez promieniowanie, obliczany według wzoru:

 

2016 2 25 9

 

gdzie 

ε – emisyjność zewnętrznej powierzchni promieniowania cieplnego,

σ – stała Stefana-Boltzmanna

Θss – średnia arytmetyczna temperatury powierzchni i temperatury nieboskłonu

 

 

Zacienienia od ruchomych urządzeń zacieniających oblicza się zgodnie z normą PN-EN ISO 13790:2009 ze wzoru:

 

2016 2 25 5

 

gdzie:

ggl – współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego bez ruchomych elementów zacieniających,

ggl+sh – współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego z ruchomymi elementami zacieniającymi,

fsh,with – udział czasu użycia ruchomych elementów zacieniających.

 

 

Przepuszczalność energii słonecznej przez elementy oszklone wyznacza się ze wzoru: 

 

2016 2 25 11

 

Gdy uśredniona w czasie całkowita wartość przepuszczalności energii słonecznej jest trochę niższa od gn, stosuje się czynnik korekcyjny Fw. W przypadku braku wartości krajowych, wartość czynnika korekcyjnego FW = 0,9.

 

Opisany w normie sposób, pozwalający wyznaczyć wpływ zacienienia od ruchomych urządzeń zacieniających, nie uwzględnia wpływu systemu sterowania na skuteczność ich działania. Wyznaczanie sprawności regulacji i wykorzystania umożliwi skorygowanie efektu działania osłon przeciwsłonecznych. Na potrzeby artykułu wprowadzono modyfikację, pozwalającą określić wpływ zacienienia od ruchomych urządzeń zacieniających, z uwzględnieniem sprawności regulacji i wykorzystania. Szczegóły zamieszczono poniżej:

 

2016 2 25 6

 

ηsh – sprawność regulacji i wykorzystania osłon przeciwsłonecznych można wyznaczyć za pomocą wzoru: 

 

2016 2 25 7

 

gdzie:

 

Tabela 2. ηw,0 – współczynnik regulacji osłon przeciwsłonecznych, który należy przyjmować zgodnie z tabelą poniżej:

 

2016 2 25 8

 

GLRc’ – stosunek strat ciepła przez przenikanie i nieszczelności, bez uwzględnienia wpływu osłon przeciwsłonecznych do słonecznych zysków ciepła w okresie chłodzenia, obliczany ze wzoru:

 

2016 2 26 2

 

A(v,r) – współczynnik klimatyczny zysków ciepła od nasłonecznienia dla okna pionowego (indeks v) lub dachowego (indeks-r), oznacza wpływ zysków słonecznych na efektywność energetyczną. Wartość A wyznacza się na podstawie godzinowego lub miesięcznego bilansu nasłonecznienia dla sezonu grzewczego i chłodniczego.

B(V,r) – współczynnik klimatyczny strat ciepła dla okna pionowego (indeks v) lub dachowego (indeks-r), oznacza wpływ temperatury zewnętrznej na efektywność energetyczną stolarki okiennej. Wartość B wyznacza się na podstawie godzinowych (stopniogodziny) lub miesięcznych (stopniodni) symulacji temperaturowych.

 

 

Tabela 3. Porównanie efektywności energetycznej okien z osłonami przeciwsłonecznymi oraz sterowaniem

2016 2 26 1

 

 

 

Rodzaje sterowania

 

Sterowanie ręczne

Sterowanie ręczne może być oparte o system dźwigni, uruchamianych siłą mięśni, lub przy wykorzystaniu silników elektrycznych. Skuteczność takiego systemu sterowania jest zadowalająca w pomieszczeniach, które są użytkowane w sposób ciągły. Użytkownicy sami podejmują decyzję, kiedy powinny być użyte ruchome osłony przeciwsłoneczne. Obliczeniowa sprawność regulacji i wykorzystania dla sterowania ręcznego jest najmniejsza, jej wartość w zależności od izolacyjności termicznej okna, szczelności powietrznej okna, wartości fC osłony przeciwsłonecznej, wynosi od 0,65 do 0,75. Osiągniecie wyższych wartości sprawności regulacji i wykorzystania wymaga przeszkolenia użytkowników oraz monitorowania prognoz pogody. Zaletą systemu jest możliwość dostosowywania działania osłon przeciwsłonecznych do indywidualnych odczuć i potrzeb użytkowników. Należy jednak przewidzieć odpowiedni podział na sekcje i możliwość działania osłon w oparciu o taki podział.

 

 

Sterowanie automatyczne w oparciu parametry zewnętrzne

Sterowanie automatyczne chronić będzie – jak sama nazwa wskazuje – w sposób automatyczny pomieszczenia oraz urządzenia znajdujące się w pomieszczeniach przed niekorzystnymi skutkami przegrzewania. Ma to szczególne znaczenie głównie w pomieszczeniach użyteczności publicznej, użytkowanych okresowo. Przerwy weekendowe lub poranne działanie promieniowania słonecznego mogą doprowadzić do niekorzystnego wzrostu temperatury w pomieszczeniach, kumulacji ciepła oraz do destrukcyjnego oddziaływania temperatury na urządzenia i wyposażenie pomieszczeń. Zastosowanie urządzeń automatycznego sterowania ma za zadanie poprawić sprawność regulacji i wykorzystania oraz chronić pomieszczenia przed przegrzewaniem. Podstawowym systemem sterowania, stosowanym do automatycznej pracy ruchomych elementów zacieniających, jest system oparty o parametry zewnętrzne, głównie: temperaturę, nasłonecznienie oraz wiatr. Wadą systemu jest automatyczne uruchamianie urządzeń ochrony przeciwsłonecznej dla całego lub części budynku, niezależnie od tego, czy w poszczególnych pomieszczeniach wymagane jest ich użycie. Sytuacje tego rodzaju mają miejsce zazwyczaj w okresach przejściowych. Zalecane jest połączenie sterowania automatycznego z ręczną możliwością korekty pracy osłon. Rozwiązanie takie pozwala indywidualizować pracę urządzeń ochrony przeciwsłonecznej, dostosowując do potrzeb i odczuć użytkowników. Sprawność regulacji zależy od izolacyjności termicznej okna, szczelności powietrznej, wartości fC, i waha się w przedziale 0,75 do 0,85.

 

 

Sterowanie automatyczne w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne

Najbardziej zaawansowanym systemem sterującym działaniem osłon przeciwsłonecznych jest układ elektroniczny, działający w oparciu o parametry zewnętrzne oraz wewnętrzne. Działanie urządzeń ochrony przeciwsłonecznej powiązane jest z czujnikami temperatury zlokalizowanymi w pomieszczeniach i są uruchamiane w funkcji temperatury wewnętrznej, zewnętrznej oraz nasłonecznienia. Sterowanie automatyczne w oparciu o parametry wewnętrzne oraz zewnętrzne wymaga zainstalowania czujnika temperatury w pomieszczeniu, który steruje jednocześnie działaniem systemu wentylacyjno-klimatyzacyjnego oraz ruchomymi osłonami przeciwsłonecznymi. System sterowania może i powinien współpracować z BMS-em. Zalecane jest połączenie sterowania automatycznego z ręczną możliwością korekty pracy osłon. Rozwiązanie takie pozwala indywidualizować pracę urządzeń ochrony przeciwsłonecznej, dostosowując do potrzeb i odczuć użytkowników. Sprawność regulacji i wykorzystania systemu sterowania przy dobrym opisaniu procesów działania może przekroczyć 90%. System legitymuje się wszystkimi zaletami, jakie zostały opisane dla systemu sterowania opartego o parametry zewnętrzne.

 

 

Podsumowanie

 

System sterowania ma wpływ na efektywność energetyczną osłon przeciwsłonecznych. Zastosowanie systemu sterowania powinno być dopasowane do sposobu użytkowania pomieszczeń, wielkości przegród przeźroczystych, lokalizacji pomieszczeń względem stron świata oraz znaczenia wzrostu temperatury w pomieszczeniu na jego funkcjonalność. W niektórych przypadkach zastosowanie sterowania ręcznego może być uzasadnione.

 

Sterowanie automatyczne ruchomymi urządzeniami ochrony słonecznej w znaczący sposób poprawia sprawność regulacji i wykorzystania, co ma wpływ na efektywność energetyczną osłony. W budynku z wentylacją mechaniczną i klimatyzacją, wyposażonym w system sterowania temperaturą w poszczególnych pomieszczeniach oraz BMS, najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie automatyki w oparciu o parametry zewnętrzne, jak i wewnętrzne. Rozwiązanie to charakteryzuje się najwyższą sprawnością regulacji i wykorzystania, ale jest stosunkowo drogie. W przypadku, gdy nie ma centralnego systemu sterowania, a istnieje konieczność stosowania automatycznego sterowania osłonami przeciwsłonecznymi, najczęściej wykorzystywany jest system sterowania oparty o parametry zewnętrzne. Zalecane jest uzupełnienie automatycznego systemu sterowania o możliwość ręcznego korygowania pracy urządzeń, umożliwiającą dostosowanie do odczuć i potrzeb użytkowników.

 

 

Jerzy Żurawski

Dolnośląska Agencja Energii i Środowiska

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 02/2016

 

 

 

01 chik
01 chik