Buforowe dylematy
Bierny system pozyskiwania energii słonecznej w postaci dostawionej do budynku, w pełni oszklonej dobudówki, należy do rozwiązań bardzo atrakcyjnych pod względem użytkowym i jednocześnie dość kontrowersyjnych pod względem efektywności energetycznej, szczególnie w naszych warunkach klimatycznych. Atrakcyjność użytkowa tego rozwiązania polega na tym, że uzyskiwane jest dodatkowe wnętrze w postaci np. zimowego ogrodu, zapewniające dobry kontakt z otoczeniem budynku, a jednocześnie chroniące użytkownika od zewnętrznych warunków klimatycznych. Dzięki zwykłej przegrodzie, która oddziela cieplarnię od budynku, tylko w minimalnym stopniu jej obecność ingeruje w funkcje użytkowe samego wnętrza, uwalniając użytkowników od uciążliwego przegrzewania pomieszczenia lub olśnienia wywołanego nadmiarem światła. Istotne wątpliwości dotyczą natomiast wyraźnie obniżonej, w porównaniu do systemu bezpośredniego, sprawności energetycznej dostawionej cieplarni oraz jej funkcjonowania w warunkach małego nasłonecznienia w najchłodniejszych miesiącach zimowych. Ogólna opinia dotycząca przydatności tego rozwiązania głosi nawet, że jest ono szczególnie albo raczej jedynie użyteczne w klimatach o dużym nasłonecznieniu i umiarkowanych temperaturach okresu ogrzewczego [1].
Dla projektanta architektury kluczowa jest natomiast odpowiedź na pytanie, jak zaprojektować przegrodę pomiędzy cieplarnią a budynkiem. Z jednej strony ma ona bowiem umożliwić jak najlepszą absorpcję i akumulację promieniowania słonecznego oraz skutecznie przewodzić pozyskaną energię do wnętrza budynku. W tym przypadku korzystna jest przegroda z materiału o dużej gęstości i wysokiej przewodności cieplnej. Z drugiej zaś strony, podczas długich okresów niskich temperatur i słabego promieniowania słonecznego przegroda ta powinna chronić skutecznie wnętrze przed dużymi stratami energii. Odpowiedź na takie pytanie można uzyskać jedynie na podstawie bilansu cieplnego, obejmującego wszystkie jego składowe oraz prowadzonego dla całego sezon ogrzewczego.
Do symulacji budynku, osłoniętego częściowo od południa oszkloną strefą buforową, wykorzystywany jest program Energy Plus. Dane klimatyczne dla Krakowa w formacie EPW (Energy Plus Weather), zostały udostępnione przez ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers).
Przedmiot obliczeń symulacyjnych
Przedstawiane w niniejszym artykule wyniki obliczeń symulacyjnych uzyskano przyjmując szereg typowych założeń dotyczących modelowanego obiektu i sposobu jego funkcjonowania. Oto najważniejsze z nich:
● dwukondygnacyjny, dobrze izolowany termicznie budynek składa się z niezależnych stref termicznych, połączonych ze sobą ściankami działowymi: lekkimi i dobrze izolującymi termicznie;
● do ściany południowej dostawiona jest cieplarnia o wymiarach w rzucie 5x1 m i wysokości 3 m (wysokość kondygnacji parteru), od góry osłonięta balkonem i izolowana termicznie, podłoga na gruncie izolowana termicznie i pokryta 4 cm wylewką betonową (warstwa akumulacyjna);
● trzy ściany cieplarni są przeszklone niemal w całości, za wyjątkiem izolowanej termicznie ścianki cokołowej, o wysokości 20 cm; oszklenie to standardowy zestaw dwuszybowy, jedna szyba z powłoką niskoemisyjną, przestrzeń międzyszybowa o grubości 13 mm wypełniona argonem; współczynnik przenikania ciepła zastosowanego oszklenia 1.2 W/m2·K;
● wnętrze budynku jest ogrzewane w sposób idealnie nadążny systemem powietrznym do temperatury +20oC, przy temperaturze przekraczającej +25oC włączany jest natomiast system chłodzenia, wymiana wentylacyjna stała, na poziomie 2/3 1/h; analizowany okres ogrzewczy 15.IX-15.VI; w obliczeniach nie uwzględnia się żadnych zysków wewnętrznych;
● między cieplarnią a wnętrzem budynku odbywa się wymuszona wymiana powietrza, gdy temperatura w cieplarni jest co najmniej o jeden stopień wyższa niż wymagana temperatura powietrza we wnętrzu, intensywność wymiany jest proporcjonalna do różnicy temperatur.
Wpływ izolacyjności cieplnej ściany pomiędzy cieplarnią a budynkiem na zużycie energii w strefie ogrzewanej
Obniżenie zapotrzebowania na energię do ogrzewania w części budynku osłoniętej przeszkloną strefą buforową polega na: okresowym ograniczeniu strumienia cieplnego przenikającego przez ścianę pomiędzy cieplarnią a wnętrzem w wyniku zmniejszenia różnicy temperatur, absorpcji promieniowania słonecznego we wnętrzu cieplarni oraz na wymuszonej lub konwekcyjnej wymianie powietrza pomiędzy obydwiema strefami.
Pierwszy etap obliczeń przeprowadzono zakładając, iż ściana pomiędzy budynkiem a cieplarnią jest ścianą pełną, czyli bez jakichkolwiek przeszkleń. W pierwszym kroku obliczeniowym przyjęto nieizolowaną betonową ścianę konstrukcyjną o grubości 15 cm, a w następnych podwyższano jej izolacyjność poprzez dodawanie warstw termoizolacji. Od strony cieplarni ściana jest pokryta tynkiem o podwyższonej (0.72) absorpcyjności promieniowania słonecznego. Wartości współczynników przenikania ciepła dla poszczególnych wariantów obliczeniowych podano w tabl. 1.
Dla tak dobranych wariantów izolacyjności termicznej przegrody i przy przyjętych wcześniej założeniach, zapotrzebowanie na ciepło w strefie przylegającej bezpośrednio do oszklonej strefy zmniejsza się wraz ze spadkiem wartości współczynnika przenikania ciepła ściany rozdzielającej (rys. 1).
Powyższy wykres pokazuje, że w polskich warunkach klimatycznych, w przeciwieństwie do rozwiązań spotykanych w innych krajach [2], istotne jest dobre zaizolowanie przegrody pomiędzy ogrzewaną częścią budynku a cieplarnią. Obecność skutecznej izolacji termicznej pozwala na dobrą ochronę ogrzewanego wnętrza w okresach niskich temperatur i słabego promieniowania słonecznego. Duże znaczenie dla uzyskiwanych oszczędności energetycznych ma także wymuszona wymiana powietrza pomiędzy strefami. Bez tej wymiany zapotrzebowanie na ciepło wzrasta do poziomu 77.6 kWh/m2·a przy ścianie izolowanej i do 78.7 kWh/m2·a przy ścianie bez izolacji termicznej.
W celu oceny wpływu przeszklonej strefy buforowej na zapotrzebowanie cieplne osłoniętej strefy budynku przeprowadzono porównawcze symulacje, usuwając umieszczoną na elewacji południowej cieplarnię. Przy zastosowaniu ściany zewnętrznej o najniższym współczynniku przenikania ciepła (ściana 6 w tab.1) otrzymano wartość sezonowego zapotrzebowania na ciepło równą E= 84,0 kWh/m2·a.
Analizując wyniki przedstawione na rysunku 1, widać że w przypadku dodania przeszklonej strefy do przegrody bardzo dobrze izolowanej (ściana 6) wskaźnik E dla przylegającej strefy wewnętrznej wynosi 65,86 kWh/m2·a, a przy zastosowaniu ściany bez izolacji (ściana 1) osiąga on wartość 74,57 [kWh/m2a]. Porównując te wyniki, zauważamy że dostawienie szklarni do dobrze izolowanej przegrody daje ponad 21% oszczędność energetyczną. Dostawienie cieplarni do przegrody masywnej bez izolacji termicznej, powoduje, iż wartość sezonowego zapotrzebowania na ciepło jest w strefie o prawie 10 kWh/m2a niższa niż w budynku nieosłoniętym.
Innym aspektem obecności warstwy izolacyjnej jest pozbawienie cieplarni zysków cieplnych w postaci strat ciepła przez wspólną ścianę, co wpływa wyraźnie na warunki termiczne w jej wnętrzu. Przy wzroście izolacyjności termicznej analizowanej przegrody znacznym zmianom ulega temperatura minimalna w przeszklonej strefie (rys. 2). W przypadku wspólnej ściany bez izolacji termicznej jej wartość wynosi 8,58oC i spada aż do wartości –0,30oC gdy ściana jest bardzo dobrze izolowana.
Natomiast zmiany temperatury maksymalnej są dla obydwu przypadków niewielkie (zaledwie 0,67oC). Dla temperatury maksymalnej w cieplarni decydujące znaczenie ma możliwość otwarcia dużych płaszczyzn oszklenia i wynikająca stąd intensywność jej wietrzenia. Jak wspomniano wcześniej, symulacji dokonywano dla okresu grzewczego trwającego od 15 września do 15 maja i danych klimatycznych dla Krakowa. W tym okresie najchłodniejszym dniem jest 26 grudnia. Dla tego dnia przedstawiono na rys. 3 dobowy przebieg temperatury powietrza w cieplarni i temperatury powietrza zewnętrznego. Założono, że ściana łącząca strefę ogrzewaną i cieplarnię jest ścianą pełną o współczynniku U równym 0,19 W/m2·K.
W najchłodniejszym dniu okresu symulacji widoczny jest korzystny wzrost temperatury w szklarni w stosunku do temperatury powietrza zewnętrznego. Przy temperaturze zewnętrznej oscylującej w granicach –10oC, w szklarni tylko przez kilka godzin nocnych temperatura spada poniżej zera, jednak do wartości nie niższej niż –1oC.
Wpływ powierzchni przeszklenia w ścianie budynku na zużycie energii w strefie ogrzewanej
Kolejnym etapem analiz była ocena wpływu oszklonej powierzchni okien w ścianie pomiędzy budynkiem a cieplarnią na zapotrzebowanie na energię w ogrzewanej strefie sąsiadującej.
Wykres na rys. 4 przedstawia wyniki tych symulacji. Zmianie ulegała ilość okien przy jednocześnie zmieniającej się izolacyjności przegród zewnętrznych. Pierwsza kolumna w każdej grupie przedstawia wyniki dla ściany bez okien. Pole powierzchni przeszklonej w kolejnych wariantach wynosi odpowiednio: 1.35, 3.42, 5.49 m2.
Zapotrzebowanie strefy na ciepło do ogrzewania, tak jak i poprzednio, spada wraz ze wzrostem izolacyjności przegrody dzielącej strefę ogrzewaną od cieplarni. Natomiast wzrost pola powierzchni przeszklenia w tej ścianie pociąga za sobą także wzrost zapotrzebowania na ciepło. Tak więc duża powierzchnia przeszklenia w ścianie rozdzielającej omawiane strefy wpływa niekorzystnie na warunki w ogrzewanej strefie. Dzieje się tak, mimo, że bilans cieplny dla okien południowych w biernych systemach bezpośrednich jest w polskich warunkach klimatycznych dodatni [3]. Efekt ten można dość łatwo wyjaśnić malejącą w kwadracie przepuszczalnością promieniowania słonecznego układu czterech szyb i dwóch powłok niskoemisyjnych. Dla najlepiej izolowanej przegrody z trzema oknami, zapotrzebowanie na ciepło jest nieco wyższe niż w przypadku ściany pełnej o trzykrotnie wyższym współczynniku przenikania ciepła. Wartości te wynoszą odpowiednio E=68,527 kWh/m2·a dla pierwszego przypadku i E=68,152 kWh/m2·a dla drugiego.
Na rys. 5 ponownie zestawiono właściwości budynku bez cieplarni i z cieplarnią, tym razem jednak porównując wpływ pola powierzchni przeszklenia. Można stwierdzić ogólnie, że dodanie oszklonej strefy buforowej do południowej ściany budynku przynosi zauważalne oszczędności energetyczne dla wnętrza budynku. Inny jest jednak trend zmian w przypadku pola powierzchni okien w ścianie budynku. Powiększanie oszklenie w ścianie zewnętrznej korzystnie wpływa na bilans cieplny przyległej strefy do momentu osiągnięcia wartości optymalnej [4]. Natomiast umieszczanie dużych powierzchni przeszklonych w ścianie wspólnej cieplarni i budynku powoduje jedynie wzrost strat cieplnych z ogrzewanej strefy.
Dodatkowym i niezwykle istotnym dla użytkowników aspektem obecności oszklonej strefy buforowej jest przegrzewanie wnętrza osłoniętego nią budynku. Przy założonym, jednakowym w każdym analizowanym przypadku, sposobie wentylacji cieplarni w okresach wysokich temperatur, istotny wpływ na dopływ nadmiaru ciepła do wnętrza budynku ma powierzchnia przeszklenia, rys. 6. Ilość energii, jaka musi być usunięta z wnętrza strefy, aby utrzymać temperaturę powietrza na wymaganym poziomie, wyraźnie wzrasta wraz z powiększaniem powierzchni przeszklenia w izolowanej termicznie ścianie. Wynika to oczywiście ze słabszej, niż dla izolowanej ściany pełnej, izolacyjności termicznej szyb.
Wnioski
Analizując wyniki przedstawionych powyżej obliczeń symulacyjnych, dotyczących wpływu przeszklonej strefy buforowej na bilans cieplny budynku, należy stwierdzić że:
● takie rozwiązanie architektoniczne pozwala w sąsiadującej z cieplarnią ogrzewanej strefie osiągnąć znaczne (nawet kilkudziesięcioprocentowe) zyski energetyczne,
● najlepsze rezultaty uzyskuje się wtedy, gdy ściana pomiędzy cieplarnią a ogrzewanym wnętrzem budynku posiada wysoką izolacyjność termiczną i odbywa się intensywna wymiana powietrza pomiędzy obydwiema strefami,
● wprowadzenie przeszklonych otworów w izolowanej termicznie ścianie obniża zyski energetyczne budynku; jest to wynikiem relatywnie dużych strat ciepła przez stolarkę i niskiej przepuszczalność promieniowania słonecznego przez dwa zestawy szyb,
● podwyższona w stosunku do otoczenia temperatura powietrza w cieplarni w chłodnym okresie roku, pozwala na jej długotrwałe użytkowanie bez dodatkowego ogrzewania.
Katarzyna Nowak
Politechnika Krakowska
Literatura
1. Gertis K.: Solareenergienutzung – mit passiven statt aktiven Massnahmen, HLH 33/1982.
2. Mayo T.: Residential Passive Solar Design: A Guide to the Technology, National Research Council of Canada, Ottawa 1992.
3. Kisilewicz T.: Modelowanie termiczne budynków przy użyciu programu Energy Plus, V Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna: „Problemy projektowania, realizacji i eksploatacji budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię” Energodom 2000, Kraków-Zakopane 2000.
4. Kisilewicz T.: Zasady kształtowania budynków pasywnych, X Konferencja Naukowo-Techniczna: „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, Łódź 2005.