Newsletter

Login Form



Aktualne wydanie

OkladkaSS-10-2017

20170725-edgetech-banner-160x600-polonaisEDG 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

 

 

baner konferencja 12 2017

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

 

  

FF18 750x150px PL NEUGIERIG

 

 baner mochnik colorimo 750X100

 

lisec SS FastLAne

 

baner-2-krzywe

 

 

 

System fasady elementowej zintegrowany z panelami fotowoltaicznymi
Data dodania: 09.11.17

W Polsce coraz większą uwagę poświęca się zagadnieniom budownictwa energooszczędnego. Przyczyną tego są stale zwiększające się wydatki na ogrzewanie i chłodzenie wskutek rosnących cen energii. Niektóre z aspektów idei budownictwa zrównoważonego dotyczą poprawy izolacyjności cieplnej przegród zewnętrznych przy jednoczesnym zwiększeniu ilości energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych. Potwierdzeniem kierunków rozwoju budownictwa zrównoważonego są m.in. zaostrzające się wymagania stawiane nowo budowanym obiektom. 

 

Biorąc pod uwagę powyższe czynniki na wydziale Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej powstał pomysł opracowania (wraz z jednostkami przemysłowymi – konsorcjantami) nowoczesnego systemu metalowo- szklanej fasady elementowej zintegrowanej z panelami fotowoltaicznymi, znajdującymi się na częściach nieprzeziernych ścian osłonowych. Artykuł zawiera opis proponowanego systemu oraz obliczenia pozwalające oszacować korzyści wynikające z jego zastosowania na obiektach budowlanych.

 

 

Możliwości zastosowania systemu

 

Opracowywany system byłby przeznaczony przede wszystkim dla nowo wznoszonych, modernizowanych oraz remontowanych obiektów biurowych. Warszawa, według danych opublikowanych przez amerykańską organizację Council on Tall Buildings and Urban Habitat, znajduje się na 5 miejscu w Europie pod względem liczby budynków wyższych niż 100 m. W samej stolicy jest już ponad 40 obiektów wysokich i wysokościowych typu biurowego, hotelowego, czy też usługowego. Rynek tego typu nieruchomości wciąż rozwija się na terenie całego kraju. W samej Warszawie w ciągu ostatnich 25 lat powierzchnia biurowa oddana do użytkowania zwiększyła się sześciokrotnie, a w 2016 r. wynosiła już ok. 60 000 tys. m2. Dodatkowo przewiduje się, że tendencja wzrostowa utrzyma się. Potwierdzają to najnowsze dane, według których w Warszawie w budowie jest ok. 420-600 tys. m2 powierzchni użyteczności publicznej.

 

Opracowywany system mógłby być realizowany w budynkach z fasadami wykonanymi w systemie struktur metalowo-szklanych oraz kompozytowych, a zatem byłby przeznaczony dla 60% całego rynku konstrukcji ścian osłonowych.

 

Według różnych danych ponad 90% budynków wysokich i wysokościowych realizowanych jest z użyciem struktur metalowo-szklanych. Jednym z rodzajów tego typu elewacji, zastosowanym w opisywanym przypadku, są fasady elementowe. Ilość obiektów wykonywanych z ich wykorzystaniem ciągle wzrasta. Mają na to wpływ niewątpliwe zalety tego rodzaju elewacji.

 

 

2017 10 30 1

Rys. 1. Realizacje obiektów biurowych dla Warszawy w tys. m2 w latach 1992–2016

 

 

(...)

 

2017 10 30 2

 

 Rys. 2. Podział rynku fasad

 

 

Elementowe ściany osłonowe, dzięki znacznej powierzchni przeszklenia, zapewniają równomierne doświetlenie pomieszczeń oraz wrażenie „otwarcia” przestrzeni wewnętrznej na otoczenie. Wpływa to pozytywnie na samopoczucie użytkowników obiektu. Fasada taka składa się z paneli przeziernych i nieprzeziernych produkowanych oraz scalanych w zakładach prefabrykacji. Moduły są przywożone na plac budowy w postaci gotowej do montażu. Sprawia to, że czas realizacji obiektu skraca się nawet o 30-40%. Ponadto do budowy elewacji nie są potrzebne rusztowania, gdyż poszczególne części mogą być montowane od wewnątrz. Uniwersalność systemu opartego na prefabrykacji pozwala na zabudowę fasad obiektów o dowolnym kształcie. Kolejną zaletą, wyróżniającą struktury elementowe spośród pozostałych, jest również minimalizacja wielkości mostków termicznych. Wynika to z dużej precyzji wykonania poszczególnych modułów, możliwej dzięki niezmiennym warunkom, w jakich powstają, a także regularnej kontroli produkcji. Wzrost bezpieczeństwa, przy jednoczesnym skróceniu czasu trwania robót, a więc i zmniejszeniu kosztów realizacji całej inwestycji oraz uniwersalność systemu sprawiają, że rynek fasad elementowych dynamicznie się rozwija. Przykładem realizacji obiektu wykonanego w takim systemie, wraz z panelami fotowoltaicznymi połączonymi z ścianą osłonową, jest siedziba firmy Schüco, mieszcząca się w Siestrzeni pod Warszawą.

 

 

2017 10 30 3

 

2017 10 30 4

Rys. 3. Siedziba firmy Schüco w Siestrzeni, pod Warszawą

 

 

Wymagania użytkowe stawiane ścianom osłonowym

 

Wymagania stawiane fasadom na przestrzeni lat ulegają ciągłemu zaostrzeniu. Znajduje to odzwierciedlenie w rozwoju systemu fasad metalowo-szklanych dążących ku minimalizacji strat ciepła przed elewację. W tym celu producenci szkła produkują coraz nowsze zestawy szybowe, zawierające m.in. powłoki selektywne, czy też przestrzenie międzyszybowe wypełnione gazami szlachetnymi, takimi jak np. krypton lub argon. Powstają ponadto kolejne systemy tzw. ciepłych połączeń, pozwalające na redukcję wielkości liniowych mostków termicznych na stykach poszczególnych modułów. Przykładowo, współczynnik przenikania ciepła ram Uf, uległ zmniejszeniu z 2,7 W/(m2·K) w 1979 r. do 0,8 W/(m2·K) w 2009 r. Skupienie się właśnie na tych częściach fasady wynika z faktu, że większość energii cieplnej ucieka na zewnątrz przez szklenie oraz połączenia. W związku z tym wraz ze wzrostem izolacyjności wyżej wymienionych elementów, polepszeniu uległa również izolacyjność całych fasad – współczynnik przenikania ciepła Ucw spadł z 5,2 W/(m2·K) w 1979 r. do 1,7 w 2008 r. Opisane zmiany na przestrzeni lat przedstawia rys. 4.

 

 

2017 10 31 1

Rys. 4. Zmiany współczynnika przenikania ciepła ram i całej elewacji w latach 1979-2009 [5]

 

 

Pozytywnym efektem opisanego rozwoju struktur metalowo-szklanych jest spadek zapotrzebowania na energię potrzebną do ogrzewania i chłodzenia budynków realizowanych z ich wykorzystaniem. Jak można zauważyć na rysunku 5, w 2005 r. wydatki te uległy zmniejszeniu aż o 70% w stosunku do 1958 r.

 

 

2017 10 31 2

Rys. 5. Zmiany w zapotrzebowaniu na energię w budynkach z fasadami metalowo-szklanymi [5]

 

 

Obecnie obowiązuje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3]. Zawiera ono szczegółowe wymagania dotyczące nowo projektowanych budynków. W analizowanym przypadku elewacji metalowo-szklanej, wzięto pod uwagę następujące wytyczne zawarte w tym dokumencie: 

 

  • w celu zapewnienia wystarczającej do normalnego funkcjonowania ilości światła naturalnego, minimalna powierzchnia okien w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi, powinna być nie mniejsza niż 1/8 powierzchni podłogi doświetlanych pomieszczeń; 
  • ze względu na gorszą, w stosunku do ściany pełnej, izolacyjność termiczną oraz akustyczną charakteryzującą okna, maksymalna powierzchnia okien oraz przegród szklanych i przezroczystych (A0), których U≥0,9 W/(m2·K), powinna być nie większa niż: A0max = 0,15Az + 0,03Aw (1)
  • stateczność cieplna przegrody to właściwość informująca, czy nie dojdzie do przegrzania się pomieszczeń i wzrostu temperatury wewnętrznej powyżej 28°C w okresie letnim. Obliczany przy projektowaniu parametr to współczynnik przepuszczalności energii całkowitej promieniowania słonecznego okien oraz przegród szklanych i przezroczystych g, liczony według wzoru: g = fC gn (2)

gdzie:
gn – współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia,
fC – współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne, w okresie letnim

 

Dodatkowym, ważnym czynnikiem wpływającym na komfort pracy jest ilość światła docierająca do wnętrza pomieszczenia oraz równomierne jego oświetlenie. Parametry te ulegają polepszeniu wraz ze zwiększającą się powierzchnią okien. Jednakże, rozpatrując również względy ekonomiczne, należy zauważyć, że nie może ona być zbyt duża, gdyż wraz ze wzrostem ilości okien, zwiększeniu ulegają jednocześnie wydatki na chłodzenie latem oraz ogrzewanie zimą. Zagadnienie wpływu wielkości przeszklenia na zapotrzebowanie budynku w energię cieplną, na przykładzie obiektu biurowego mieszczącego się w Würyburgu w Niemczech, podjęli Gerhard Hausladen i Michael de Saldanha Peter Liedl, a wyniki swojej pracy zamieścili w opublikowanym opracowaniu [1]. Badania dotyczyły pomieszczenia biurowego o powierzchni 22,5 m2. Powierzchnia ściany zewnętrznej zorientowanej w kierunku północnym lub południowym, wynosiła 13,5 m2. W rozpatrywanych przypadkach szklenia dwu-szybowego lub trójszybowego, stanowiącego 30%, 50% bądź 70% powierzchni przegrody zewnętrznej, określono roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania. Następnie wykonano symulacje temperaturowe dla miesięcy letnich dla analizowanego pomieszczenia przy 30%, 50%, 70% i 90% szkleniu. W wyniku tej analizy ustalono, że aby temperatura w pomieszczeniu nie przekraczała 28°C przez więcej niż 100 godzin w ciągu roku, powierzchnia części przeziernych ściany zewnętrznej nie powinna przekraczać wartości podanych w tabeli 1.

 

 

Tabela 1. Maksymalny poziom przeszklenia elewacji ze względu na ekspozycję względem stron świata.

 

2017 10 32 1

 

 

Istotnym aspektem dotyczącym projektowania przegród zewnętrznych jest ich izolacyjność cieplna. Determinuje ona ilość energii jaką należy pozyskać, a następnie dostarczyć do budynku, aby zapewnić odpowiedni komfort cieplny jego użytkownikom w ciągu całego roku. Wpływa ona tym samym, na wielkość wydatków ponoszonych na ogrzewanie podczas całego okresu eksploatacji obiektu budowlanego.

 

Parametrem charakteryzującym to zjawisko jest współczynnik przenikania ciepła. Metoda składnikowa, opisana w normie PN-EN ISO 12631:2013 [2] pozwala na wyznaczenie jego wartości w przypadku ścian osłonowych. Wzór (3) zawarty w tej normie ma postać:

 

2017 10 32 2

 

 gdzie:
Ug, Up – współczynnik przenikania ciepła oszklenia i paneli;
Uf, Um, Ut – współczynnik przenikania ciepła ram, słupków okiennych i naświetli drzwiowych;
Ψf,g, Ψm,g, Ψt,g, Ψp – liniowe współczynniki przenikania ciepła spowodowane łączeniem efektów cieplnych elementu szklącego lub panelu i ramy, lub słupka okiennego, lub naświetla drzwiowego;
Ψm,f, Ψt,f – liniowe współczynniki przenikania ciepła spowodowane połączonymi efektami cieplnymi rama – słupek okienny, rama – naświetle drzwiowe;
Acw – pole powierzchni ściany osłonowej.

 

 

System paneli fotowoltaicznych

 

Panele fotowoltaiczne pozwalają na efektywne wykorzystywanie energii odnawialnej promieniowania słonecznego. Podnoszą, zatem energooszczędność obiektu, wpisując się w ideę budownictwa zrównoważonego.

 

Ich wydajność zależy m.in. od położenia obiektu, pory roku czy też klimatu. Ważnym zagadnieniem jest ponadto kąt nachylenia powierzchni, na której są zainstalowane. Wszystkie te czynniki sprawiają, że nie można porównywać danych dotyczących ilości energii otrzymanej z ogniw znajdujących się na dachu oraz ścianie. Ponadto należy posługiwać się wyłącznie informacjami dla określonej lokalizacji budynku.

 

Zagadnienie możliwych do uzyskania korzyści w wyniku zamontowania paneli fotowoltaicznych na ścianie budynku mieszczącego się w Warszawie, podjął dr inż. Arkadiusz Węglarz. Jego badania pozwoliły oszacować roczny zysk z powierzchni 6 m2 ściany zewnętrznej z zainstalowanymi ogniwami fotowoltaicznymi, wynoszący 450 kWh/(rok·6 m2).

 

 

Przykład obliczeniowy

 

Zyski wynikające z zastosowania systemu elewacji metalowo-szklanej z zamontowanymi na panelach nieprzeziernych ogniwami fotowoltaicznymi, oszacowano na podstawie przykładowej fasady elementowej MB-SE 75 [4], hipotetycznego budynku mieszczącego się w Warszawie. Do obliczeń przyjęto ścianę osłonową budynku trzykondygnacyjnego, o wysokości 10,8 m i długości 10 m. Rzut poziomy pomieszczeń na poszczególnych kondygnacjach tworzą prostokąty o wymiarach 10x10 m. Ich wysokość w świetle wynosi 3,0 m, zaś grubość stropu 0,6 m.

 

Obliczenia rozpoczęto od wyznaczenia pola powierzchni fasady, które może zostać przeszklone, biorąc pod uwagę minimalną powierzchnię okien w pomieszczeniu przeznaczonym na stały pobyt ludzi oraz maksymalną, wynikającą ze wzoru 1. Otrzymano w ten sposób przedział, w którym powinna mieścić się powierzchnia części przeziernych od 12,50 m2 do 15 m2.

 

Stateczność cieplną w okresie letnim sprawdzono, przyjmując 50% przeszklenie każdej kondygnacji, za pomocą szyb dwukomorowych z powłoką selektywną oraz obliczeniową temperaturę powietrza dla Warszawy 22°C. Analizowana fasada jest przegrodą zewnętrzną lekką. Dla tych danych, przy usytuowaniu elewacji w kierunku zachodnim, bądź wschodnim, temperatura wynosiłaby ~27,20°C, a południowym ~26,10°C. Są to temperatury niższe od granicznej 28°C, zatem warunek stateczności cieplnej przegrody latem jest spełniony.

 

Na podstawie analizy wyżej wymienionych wymagań zawartych w Rozporządzeniu [3], biorąc dodatkowo pod uwagę badania symulacyjne opisane w Climate skin… [1] przyjęto, że przeszklenie będzie stanowiło 50% powierzchni elewacji. Stąd całkowita powierzchnia reprezentatywnych części przeziernych wynosi 44,75 m2, a elementów nieprzeziernych 54,0 m2 (pozostałą powierzchnię elewacji zajmują rygle oraz słupki okienne).

 

 

Straty energii cieplnej przez elewację

 

Obliczenia wykonano metodą składnikową, opisaną w normie [2]. Schemat fasady zamieszczono na rys. 6.

 

 

2017 10 32 3

Rys. 6. Reprezentatywny fragment elewacji

 

 

Dane przyjęte w celu określenia izolacyjności cieplnej przegrody:

 

  • wypełnienie części przeziernych fasady stanowią szyby dwukomorowe o współczynniku przenikania ciepła Ug=0,5 W/(m2·K). Słupki w rozstawie 1,00 m, mają szerokość 75 mm, natomiast rygle o tej samej szerokości są rozmieszczone regularnie co 0,9 m. Producent systemu [4] na swojej stronie internetowej deklaruje współczynnik przenikania ciepła wyżej wymienionych elementów na poziomie 1,56-2,83 W/(m2·K). Do dalszej analizy przyjęto Ut=Um=2 W/(m2·K). 
  • panele nieprzezierne zbudowane są z podwójnej płyty gipsowo-kartonowej od wewnątrz, folii PE, wełny mineralnej, niewentylowanej pustki powietrznej oraz szkła nieprzeziernego. Przy wyznaczaniu Ucw, opór cieplny folii PE pominięto, ze względu na jego niewielką wartość, bliską zeru. Wyznaczony metodą klasyczną współczynnik przenikania ciepła dla panelu wynosi Up=0,25 W/(m2·K). Szczegółowe obliczenia zamieszczono w tabeli 2.

 

 

Tabela 2. Współczynnik przenikania ciepła panelu nieprzeziernego

 

2017 10 33 1

 

 

  • liniowe współczynniki przenikania ciepła przyjęto z załącznika B normy [2]. Są one następujące: Ut,p=0,13 W/(m2·K), Um,g=0,13 W/(m2·K), Ut,g=0,12 W/(m2·K), Um,p=0,13 W/(m2·K).

 

Na tej podstawie wyznaczono współczynnik przenikania ciepła całej elewacji, wynoszący Ucw= 1,38 W/(m2·K). Obliczenia zawarto w tabeli 3.

 

 

Tabela 3. Współczynnik przenikania ciepła ściany osłonowej.

 

2017 10 33 2

 

 

Przeciętna różnica temperatur w ciągu roku w Warszawie, pomiędzy środowiskiem wewnętrznym i zewnętrznym wynosi 8°C. Obliczone straty ciepła z całej powierzchni analizowanej elewacji w ciągu roku oszacowano, zatem na 10413,14 kWh. W przyjętym do obliczeń systemie przyjęto, że na całej powierzchni paneli nieprzeziernych reprezentatywnego fragmentu fasady elementowej zostaną zainstalowane panele fotowoltaiczne. Na podstawie badań właściwych dla przyjętej lokalizacji budynku oszacowano, że ilość możliwej do uzyskania energii wynosi 4050 kWh/rok.

 

 

Wnioski

 

Zastosowanie fasady elementowej z zamontowanymi na częściach nieprzeziernych panelami fotowoltaicznymi, pozwala na redukcję strat ciepła z 10413,14 kWh do 6363,14 kWh rocznie. Sprawność systemu, zdefiniowana jako stosunek zaoszczędzonej energii cieplnej do ilości strat cieplnych przez elewację, bez zastosowania systemu z panelami fotowoltaicznymi wynosi 38,89%. Jednoczenie uzyskanie takich korzyści nie spowodowałoby pogorszenia zalet wynikających z zastosowania metalowo-szklanej, elementowej ściany osłonowej, zapewniając optymalne oświetlenie wnętrza budynku. Otrzymane wyniki uzasadniają więc zasadność prac mających na celu opracowanie oraz wdrożenie systemu elewacyjnego pozyskującego energię elektryczną z energii słonecznej.

 

 

 

Ewa Kukawska

 

dr inż. Maciej Cwyl
Politechnika Warszawska

 

Literatura
[1] Gerhard Hausladen, Michael de Saldanha Peter Liedl: Climate Skin, Building-skin Concepts that Can Do More with Less Energy
[2] PN-EN ISO 12631:2013
[3] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
[4] www.aluprof.eu
[5] www.schueco.com

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 10/2017