Dzięki wykorzystaniu światła dziennego, zapotrzebowanie na energię zużywaną przez oświetlenie sztuczne może zostać wyraźnie ograniczone. Równocześnie jednak trzeba uniknąć nadmiernego nagrzewania i oślepiania. Przy pomocy dających się aktywować powłok można na bieżąco dopasowywać przepływ światła i energii promieniowania, do warunków klimatycznych i wymagań użytkowników.

Wpływ okien na komfort pomieszczeni i zapotrzebowanie na energie w budynkach sa ogromne. Naturalne oswietlenie poprzez okna podwyzsza komfort wizualny – okna zapewniaja ważny ze względów psychologicznych widok na zewnątrz – oraz redukuje zużycie energii na oświetlenie. Jeżeli energia słoneczna biedzie wykorzystywana do ogrzewania, to zapotrzebowanie na energie do ogrzewania budynków może zostać obniżone.

Powierzchnie okien, szczególnie w biurowcach z druza powierzchnia przeszkleń, wymagają jednak skutecznej ochrony przeciwsłonecznej, która powinna jak najmniej ograniczać widoczność i przenikanie światła dziennego. Na normalnych stanowiskach pracy przy komputerach konieczna jest dodatkowo skute- czna ochrona przed oślepianiem.

Fot. 1. Pomieszczenie biurowe z termotropowo włączalnym przeszkleniem w obrębie świetlika, przy załączeniu działającym w tych strefach przeszklenia, na które pada wprost światło słoneczne. W górnym pasie znajduje sie przeszklenie w stanie przejrzystym

Fot. 2. W stanie włączonym światło słoneczne jest odbijane i rozpraszane

Częściowo przeciwstawne oczekiwania mogą zostać lepiej zaspokojone za pomowca nowych, dających sie akty- wowac i regulować przeszkleń. Ich możliwość bieżącej regulacji przepuszczalności energii i światła – w przeciwieństwie do szyb przeciwsłonecznych – umożliwia aktywne dopasowywanie sie do zmiennych warunków użytkowania. Inaczej niż w większości konwencjonalnych systemów, dające sie aktywować przeszklenia, także przy aktywnej funkcji ochrony przed słońcem, zapewniają wystarczający dopływ światła dziennego i widok na zewnątrz.

Projektowanie i integracja budynków
Przy projektowaniu okien i systemów fasad z punktu widzenia klimatu pomieszczeni, głównym celem jest ochrona budynku przed nadmiernym nagrzewaniem latem i przed zbytnia ucieczka ciepła w zimie. Dodatkowo trzeba zapobiegać efektom oślepiania. Należy tego dokonać tak, żeby bez potrzeby nie uszczuplać wykorzystania światła dziennego i energii słonecznej, jak tez nie ograniczać widoczności na zewnątrz.

Do wykorzystania światła dziennego niezbędne jest wykonanie powierzchni przeszklonych o wystarczająco wysokiej przepuszczalności światła. Obok oczekiwanego biernego wykorzystania energii słonecznej w zimie i całorocznego oświetlenia naturalnego pomieszczeni, niesie to również ze sobą wady: niebezpieczeństwo oślepiania albo
– przy jednoczesnej wysokiej przepuszczalności cieplnej przeszklenia – zbyt wysokie temperatury w pomieszczeniu w ciągu lata. Dotyczy to zwłaszcza biurowców, w których do energii cieplnej budynku, napływającej w promieniowaniu słonecznym, dochodzą duże ilości ciepła powstającego w wyniku sztucznego oświetlenia i działania sprzętów elektrycznych.

Dlatego konieczne sa zabezpieczenia chroniące przed słońcem. Dotychczas dla ograniczenia przenikania energii przez przeszklenie, stosowane sa szkła przeciwsłoneczne albo stałe lub ruchome urządzenia zacieniające. Powłoki przeciwsłoneczne maja za zadanie przepuszczanie dużej ilości światła widzialnego do budynku, przy niewielkim dopływie energii z pozostałego spektrum promieniowania słonecznego (zjawisko selektywności). Powłoki te funkcjonują w praktyce jednakowo we wszystkich porach roku, a wiec uniemożliwiają w zimie wykorzystanie przenikającej energii słonecznej. Latem zaś ochrona przeciwsłoneczna przeszklę przy mocnym promieniowaniu słonecznym nie wystarcza i musi być najczęściej wspomagana innymi środkami.

Rys. 1: Współczynnik przenikania ciepła (U) i całkowity poziom przepuszczalnosci cieplnej (g) typowych przeszkleń – przeszklenia aktywowane w odniesieniu do znajdujących sie na rynku typowych przeszkleń.

Mechaniczne systemy zacieniania, jak żaluzje, markizy lub vertikale pozwalają na dostosowana do potrzeb regulacje przenikania do budynku światła i ciepła, przy umiarkowanych kosztach. Jednak ruchome części sa narażone na uszkodzenia, co może wiążąc sie z podwyższonymi nakładami na ich utrzymanie i konserwacje. Dające sie aktywowac przeszklenia, które zmieniają swoje właściwości optyczne „za naciśnięciem guzika” (systemy aktywne) albo samoczynnie (systemy bierne) nie maja wad, charakterystycznych dla stosowanych obecnie systemów. Celem stosowania tych systemów jest mozli- wosc regulacji w szerokim zakresie stop- nia całkowitej przepuszczalności cieplnej (współczynnik g), przy zapewnieniu jednocześnie dobrej izolacji cieplnej (mała wartość współczynnika U).

Šwiatło dzienne i bilans energetyczny
Metoda bilansowania powinna uwzględniać kompletny bilans energii dla budynku. Oprócz zapotrzebowania na energie do ogrzewania, musi byc uwzględnione zużycie energii na klimatyzacje (chłodzenie) i oświetlenie. Zapotrzebowanie na energie do chłodzenia, spowodowane promieniowaniem słonecznym, powinno byc uwzglednione w obliczeniach dotyczących ochrony przed ciepłem w okresie letnim. Podobnie jak zyski ciepła od oświetlenia sztucznego.

Przy dokładnych obliczeniach stanie sie jasne, ze zapotrzebowanie energii na chłodzenie/klimatyzacje i oswietlenie łącznie, może osiągać podobne wielkości, jak zapotrzebowanie na energie do ogrzewania. Rysunek 4 pokazuje to dla typowego budynku biurowego o różnych standardach izolacji cieplnej. Jeżeli nie zwraca sie wystarczającej uwagi na ochronę cieplna latem, to przy dużych powierzchniach przeszkleń konieczne nakłady na chłodzenie mnoga drastycznie wzrosnąć.

Dla różnego wykorzystania budynków wynika konieczność stosowania różnych sposobów optymalizacji przeszkleń. W budynkach mieszkalnych pożądane jest pozyskiwanie energii słonecznej w okresie grzewczym, aby zmniejszyć zapotrzebowanie na energie do ogrzewania. Inaczej przedstawia sie sytuacja w budynkach biurowych i administracyjnych, ponieważ w ciągu dnia uzyski energii wewnętrznej i słonecznej występują często jednocześnie i wewnętrzne obciążenia termiczne najczęściej sa bardziej znaczące. Uzyski energii słonecznej mogą tylko w niewielkim stopniu zostać wykorzystane do ogrzewania.

Połączenie wewnętrznych uzysków ciepła ze zbyt wysokim uzyskiem energii słonecznej prowadza do tego, ze powstaje nadmiar energii cieplnej (nawet w niektóre dni w okresie grzewczym) wraz z odpowiednim zapotrzebowaniem na energie do chłodzenia. Chociaż większość budynków niemieszkalnych użytkowana jest głównie w ciągu dnia, to sztuczne oświetlenie odgrywa ważna role w bilansie energii całkowitej. Zaleczy to od wymaganego wysokiego poziomu naświetlenia i często od ograniczonego przez warunki budowlane ograniczonego dopływu światła dziennego. Konsekwentne wykorzystywanie oświetlenia dziennego może ograniczyć zapotrzebowanie na sztuczne oświetlenie do wyraźnie poniżej 50% czasu użytkowania w ciągu roku (patrz rysunek 3). Korzystne jest tutaj nie tylko zredukowanie zapotrzebowania na energie elektryczna do sztucznego oświetlenia, lecz jednoczesne zredukowanie obciążenia termiczne, które w przeciwnym wypadku musiałyby zostać zneutralizowane z wykorzystaniem energii elektrycznej.

Rys. 2. Wskaźniki energii pierwotnej dla budynków biurowych o różnych standardach energetycznych.

Udział powierzchni przeszklonych
Pozytywny wpływ dużych powierzchni przeszklonych na bilans energetyczny jest ogólnie mocno przeceniany. Jedynie w budownictwie mieszkaniowym można stwierdzić redukcje zapotrzebowania na energie do ogrzewania przy zwiększającej sie powierzchni szklanej (fasady południowe). W budynkach biurowych nie można wyko- rzystac uzysków energii słonecznej wzrastających wraz ze zwiększająca sie powierzchnia przeszklenia dlatego, ze zapotrzebowanie na energie do ogrzewania również wzrasta, z powodu zwiększenia strat przenikającego ciepła przy zwiększeniu udziału powierzchni przeszklonych.

Jedynie na fasadach południowych pozostaje ono stosunkowo niezmienne (rysunek 4). O wiele bardziej znaczący jest wpływ powierzchni przeszklenia na zapotrzebowanie na energie do chłodzenia, które, z wyjątkiem fasad północnych, wzrasta wraz ze zwiększająca sie powierzchnia przeszklona mocniej niż zapotrzebowanie na energie do ogrzewania (rysunek 4). Wykorzystując światło dzienne nie daje sie osiągnąć poprawy całkowitego oświetlenia pomieszczeni w sytuacji, gdy powierzchnia przeszklona fasady obejmuje jeszcze pas podokienny.

Przeszklenia przeciwsłoneczne
Pożądane ze względów estetycznych większe powierzchnie przeszklone musza wiec miec – szczególnie przy trudnych kierunkach (>wschód,
>zachód) – odpowiednie właściwości przeszkleń i dodatkowe środki ochrony przed słońcem. Do dyspozycji sa tutaj przeszklenia przeciwsłoneczne, z pomocą których można realizować różnorodne kombinacje stopnia całkowitej przepuszczalności energii i światła.

Rys. 3: Przykład wysokiej autonomii światła dziennego (wystarczająca ilosć światła dziennego w procentach łącznego czasu użytkowania).

Wysoka skuteczność ochrony przeciwsłonecznej (g<20%) następuje jednak kosztem napływu światła dziennego – co nie jest pożądane szczególnie w okresach, kiedy ochrona przeciwsłoneczna nie jest konieczna. Poza tym nie ma prawie żadnych uzysków energii słonecznej.

Przeszklenia przeciwsłoneczne powinny być stosowane w kombinacjach z dodatkowym zacienieniem. Wyraźnie selektywne przeszklenia (obecnie osiągalne sa współczynniki selektywności az do 2) umożliwiają przy tym możliwość przenikania większej ilości światła widzialnego.

Rys. 4. Roczne zapotrzebowanie na ciepło (górny wykres) i chłodzenie (dolny wykres) pomieszczenia biurowego w budynku biurowym o niskim zużyciu energii dla różnie ukierunkowanych powierzchni okiennych – bez uwzględnienia cyrkulacji powietrza z zewnątrz.

Systemy zacieniania
Niezmienne własności szyb przeciwsłonecznych wymagają zastosowania ruchomych systemów ochrony przed słońcem. Montowane na zewnątrz osiągają wysoka sprawność, jednak w pierwszym rzedzie kosztem ograniczenia przenikania światła dziennego i ograniczenia widoczności. Tylko żaluzje z niezależnie przestawianymi płytkami stanowią odpowiednie rozwiązanie dla kombinowanego systemu ochrony przed słońcem, zacienienia i dystrybucji światła dziennego.

Jednak związane sa z tym wysokie wymagania odnośnie odporności na warunki pogodowe – szczególnie mechanicznej stabilności przy wysokich budynkach, związane z tym koszty inwestycji, jak tez narastające zawsze przy ruchomych systemach koszty konserwacji i napraw. Do tego dochodzą często nie zoptymalizowane w praktyce optyczne wskaźniki powierzchni zewnętrznych w odniesieniu do przepływu energii i światła (ew. oślepiania) z zewnątrz. Z kolei systemy umieszczone wewnątrz przeszkleń, a zwłaszcza instalowane we wnętrzach urządzenia ochrony przeciwsłonecznej, wykazują wyraźnie wyższe wartości współczynnika g i dlatego sa mniej efektywne.

Tabela 1: Dające sie aktywować przeszklenia w porównaniu do klasycznych systemów chroniących przed słońcem.

Systemy selektywne kierunkowo
Nastepna możliwość ochrony przeciwsłonecznej oferują przeszklenia selektywne kierunkowo (a także systemy płytkowe), które tłumią światło słoneczne padające pod określonym katem, a przepuszczają jedynie rozproszone promienie.

Zależnie od struktury osiągana jest selektywność skuteczna sezonowo lub w ciągu całego roku. Jednak przy zachmurzonym niebie dopływ światła dziennego do pomieszczeń, w porównaniu z bezbarwnym przeszkleniem jest wyraźnie zredukowany, a widoczność na zewnątrz jest najczęściej możliwa tylko pod określonym katem. Niekorzystne jest tez, tak jak przy zewnętrznej ochronie przeciwsłonecznej, oślepianie przez powierzchnie lustrzane lub silnie odbijające.

Tabela 2: Kryteria oceny sytuacji w pomieszczeniu, a przez to systemów chroniących przed słońcem i oślepianiem.

Przeszklenia dające sie aktywowac
Z pomoca dających sie aktywowac przeszklen wady stałych i ruchomych systemów daja sie w duzej części ograniczyć lub zupełnie wyeliminować. Przepuszczalność energii cieplnej i przepuszczalność światła zmienia sie skokowo po uaktywnieniu przeszklenia. W stanie aktywnym niektóre z rozwinietych dotąd powłok osiągają wartości współczynnika g, które samodzielnie gwarantują wystarczająca ochrone przed słońcem dla bardzo wielu zastosowan (ilustracja 7).

Poziom przepuszczalności światła wynoszący po uaktywnieniu od około 0,15 (powłoki elektrochromatyczne i gazochromatyczne) do 0,19 (powłoki termotropowe) jest natomiast, przy bezposrednim promieniowaniu słonecznym, w większości przypadków wystarczający do zasilaniania światłem dziennym stanowisk pracy w pomieszczeniach na szerokość do 5 m, czyli typowych pomieszczeń biurowych.

Dla stanowisk pracy w pobliżu okien należy jednak przewidzieć dodatkowa ochronne przed oślepianiem, która nie wpłynie na dopływ światła dziennego do pomieszczenia (np. system poruszający sie od dołu ku górze).

Stosunkowo niskie wartości współczynnika g (<0,50) dla niektórych wyłączonych systemów nie prowadziły do zadanego zauważalnego podwyższenia zapotrzebo- wania na energie do ogrzewania – szczególnie przy większych powierzchniach szyb pomieszczeni biurowych.

Jednak niższy stopien przepuszczalności światła dla przezroczystych, dajacych sie aktywować przeszkleń powodował zwiększone zapotrzebowanie na sztuczne oświetlenie w zimie w porównaniu do normalnych przeszkleń przeciwsłonecznych. Dajace sie aktywowac przeszklenia oferuja w sumie większa swobodę w projektowaniu powierzchni przeszklonych – bez ruchomych elementów przed lub w fasadzie, bez wzrostu zapotrzebowania na energie do chłodzenia budynku. Aktywne włącznie systemów powłok elektrochromatycznych względnie gazochromatycznych może nastepowac ręcznie lub automatycznie, w zależności od nasłonecznienia fasady lub temperatury w pomieszczeniach. Regulacja bezstopniowa jest również możliwa.

W systemach termotropowych temperatura aktywacji ustalana jest podczas produkcji i później nie ma możliwości dokonania żadnych zmian tej właściwości aktywacji.

Komfort termiczny i wizualny
Komfort termiczny w pobliżu okien, przy niskich temperaturach zewnętrznych, nie stanowi juz żadnego problemu przy osiągalnej obecnie jakości przeszkleń. Okna dostosowane do domów pasywnych mogą być instalowane nawet bez umieszczania pod nimi grzejników bez obawy, ze wystąpią zauważalne asymetrie promieniowania lub przeciągi. Jedynie przy przeszkleniach na cała wysokość pomieszczeń potrzebny jest grzejnik do kompensacji opadającego zimnego powietrza. Latem zaś powłoki funkcyjne w przeszkle- niach mogą prowadzić do wysokich temperatur powierzchni (>35oC), które znacznie utrudniają przebywanie w pobliżu okien.

Dlatego przy dających sie aktywować przeszkleniach absorpcyjnych powłoki funkcyjne nakładane sa na wewnętrzna strone szyby zewnętrznej. Kolejna naniesiona na zewnętrzna strone szyby wewnętrznej powłoka odbijająca promieniowanie podczerwone zapobiega wypromieniowaniu ciepła do wnętrza przez włączona powlokę absorpcyjna. Ta dodatkowa powłoka statyczna gwarantuje tez wymagana funkcje izolacji cieplnej (niska wartość współczynnika U) w okresie grzewczym. Przy umieszczonych na zewnątrz systemach ochrony przeciwsłonecznej o wysokim poziomie odbicia nie należy oczekiwacz zadanego uszczuplenia komfortu poprzez promieniowanie cieplne do pomieszczenia. Przy ochronie przeciwsłonecznej zamontowanej we wnętrzu wzrasta niebezpieczeństwo wysokich temperatur, w zaleznosci od absorpcyjnego i refleksyjnego zachowania systemu ochrona przeciwsłoneczna/przeszklenie, tak ze komfort termiczny jest z reguły gorszy.

Poza tym komfort wizualny w pomieszczeniach – szczególnie na prawie wszystkich wyposażonych obecnie w komputery stanowiskach pracy – od- grywa również decydująca role dla ak- ceptacji i zadowolenia. Najważniejsze czynniki ukazuje ilustracja 8. Podczas gdy w ruchomych systemach ochrony przeciwsłonecznej możliwa do zrealizo- wania jest ochrona przed oślepianiem, to przeszklenia przeciwsłoneczne mo- ga spełniać te funkcje tylko w nieli- cznych przypadkach (skierowane na północ fasady, zabarwione szyby przeciwsłoneczne o bardzo niskim stopniu przepuszczalności światła). Również dające sie aktywowac przeszklenia po- siadaja po włączeniu za wysokie wartości przepuszczalności światła, aby zapewnić wystarczająca ochronę przed oślepianiem przy święcącym bezposre- dnio na fasadę słońcu. Wymagane byłyby do tego wyraźnie niższe wartości, lecz jednak bez obniżania przepuszczalności przy stanie przejrzystości (większy skok aktywacyjny). Ponadto musi być zastosowany – jak przy szkle przeciwsłonecznym – dodatkowy system, który zaletę posiadanego na stałe pokrycia uczyni względną wobec ruchomej ochrony przeciwsłonecznej.

Fot. 3. Dające sie aktywować przeszklenie zapewnia dyskrecje za naciśnięciem guzika.

Fasady z kombinowanym przeszkleniem
W oparciu o kompleksowe wymagania odnośnie zużycia energii i komfortu jest w wielu wypadkach korzystniej, aby fasady zoptymalizowane pod względem wykorzystania światła dziennego i redukcji obciążenia chłodzeniem podzielić na kilka obszarów funkcyjnych. W oknach z zewnętrznym pokryciem mogą być w przyszłości zastosowane dające sie aktywowac przeszklenia z dodatkowa wewnetrzna ochrona przed oslepianiem, podczas gdy obszar świetlików może być wykorzystany do poprawienia wykorzystania światła dziennego przy aktywnym oknie głównym. Z powodu swojego działania rozpraszającego, przeszklenia termotropowe zalecane sa do swietlików, da- chów i fasad solarnych, o ile nie jest wymagana zadnia przejrzystość. Alternatywnie do systemów termotropowych bada sie tez warianty przeszklen powlekanych lub uaktywnianych na części powierzchni.

Kontakt wzrokowy i systemy projekcji
We wnętrzach budynków także można tworzyć przegrody za pomocą dających sie aktywowac przeszklen, które w razie potrzeby uniemożliwia wgląd do niektórych pomieszczeni. Wymagania takie jak kontakt wzrokowy lub sfera prywatności stoją w pierwszym rzędzie. Z pomocą przeszkleń, które dają sie przełączać od stanu przeźroczystości do nieprzeźroczystości, mogą być spełnione te sprzeczne ze sobą wymagania (fot. 3). Ponadto przeszklenia o dającej sie uaktywniać przezierności nadają sie na powierzchnie do projekcji. Działanie tych przeszkleń może sie jednak wiązać z pewnym zużyciem energii (np. prąd utrzymania w jednym ze stanów przetłaczania, zazwyczaj przy stanie przeźroczystości).

Peter Nitz, Andreas Wagner
Glaswelt 6/03

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 11/2003