PROCEDURA WYZNACZANIA OPTYMALNEJ POWIERZCHNI …ptes-ises.itc.pw.edu.pl/art/2010_3.pdf · Mo liwe...

��

��

PROCEDURA WYZNACZANIA OPTYMALNEJ POWIERZCHNI PRZESZKLONEJ W BUDYNKU WIELORODZINNYM

G. Haese1, M. �ukowski2

1. Wohnungsgenossenschaft Gartenheim eG, Hildesheimer Straße 142, D-30173 Hannover, Germany

2. Katedra Ciepłownictwa, ul. Wiejska 45E, Politechnika Białostocka, Polska

STRESZCZENIE

W artykule zaprezentowano procedur wyznaczania

optymalnej warto�� stosunku powierzchni przeszklonej do

całkowitej powierzchni przegród zewntrznych, przy której

osiga si najni�sze zu�ycie energii do ogrzewania

pomieszcze�. Składa si ona z nastpujcych etapów.

W pierwszej kolejno�ci wykonywany jest bilans ciepła okien

dla ka�dej elewacji budynku oddzielnie. Nastpnie

zwikszamy powierzchni okien z dodatnim bilansem

energetycznym do mo�liwie jak najwikszych warto�ci.

Ostatni etap polega na zmniejszeniu rozmiarów okien

z ujemnym bilansem cieplnym do minimalnej warto�ci (lub

ich usunicie), zale�nej od powierzchni podłogi w ka�dym

pokoju oddzielnie.

ZYSKI CIEPŁA OD PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO PRZEZ OKNA

Okna s bardzo wa�nymi elementami konstrukcji

budynku. Otwory przeszklone zapewniaj naturalne

�wiatło dzienne w pomieszczeniach, pozwalajc

zmniejszy� u�ywanie �wiatła sztucznego i dodatkowo

uzyska� ciepło pochodzce z promieniowania

słonecznego. Z drugiej strony du�e powierzchnie

transparentne na ka�dej fasadzie mog powodowa�zarówno zwikszenie strat ciepła w zimie, jak i

pogorszenie komfortu termicznego u�ytkowników w

wyniku przegrzewania latem. Optymalna warto��stosunku powierzchni okien do powierzchni �ciany

mo�e by� wła�ciwie okre�lona jedynie przez bilans

energii dla danych pogodowych typowego roku

meteorologicznego z wykorzystaniem metod

symulacyjnych.

Dobrym sposobem zmniejszenia zu�ycia energii

w budynkach w zimnym klimacie jest zastosowanie

powłok o niskiej emisyjno�ci umieszczanych na

szybach. Taki filtr na wewntrznej stronie okna mo�e

w znacznym stopniu zmniejszy� wymian ciepła przez

promieniowanie długofalowe.

W ciepłym klimacie wymagane s ró�ne

charakterystyki termiczno-optyczne przeszklonych

otworów. Spektralnie selektywne powłoki powinny

odbija� widma w podczerwieni i ultrafiolecie oraz

jednocze�nie transmitowa� widoczne promieniowanie

słoneczne.

Elementy zacieniajce, takie jak ekrany, rolety,

�aluzje, zasłony, okapy i �ciany skrzydłowe mogzarówno zmniejszy� przegrzanie w lecie, jak i zu�ycie

energii w okresach zimnych.

Krótki opis wybranych bada� naukowych zwizanych

z analiz energii promieniowania słonecznego

docierajcego do wntrza budynku przedstawiono

poni�ej.

Yohanis i Norton (Yohanis i in., 2000) wykazali, �e

oszacowanie bezpo�rednich zysków ciepła od

nasłonecznienia mo�na prawidłowo przeprowadzi� w

oparciu o analiz strefow (strefa po strefie).

Rozpatrywany budynek, zlokalizowany w Hemel

Hempstead w Anglii, został podzielony na czterna�cie

objto�ci kontrolnych zwanych strefami. Wybrano

program komputerowy SERI-RES do bada�symulacyjnych. Stwierdzono, �e obliczajc zyski ciepła

od nasłonecznienia jako funkcj stosunku całkowitej

energii promieniowania do strat ciepła w oparciu

o analiz całego budynku mo�emy uzyska� tylko

wyniki przybli�one.

Absorpcja promieniowania słonecznego

w budynkach zale�y od orientacji i pojemno�ci cieplnej

budynku. Problem ten został zbadany przez tych

samych autorów (Yohanis i in., 2002) dla

jednopitrowego budynku z powierzchni szklenia

równ 42% powierzchni elewacji wschodniej

i zachodniej, poło�onego w Londynie (52° szeroko�ci

geograficznej). Analizowany obiektu modelowano za

pomoc kodu komputerowego SERI-RES. Obliczenia

wskazały, �e dla du�ej masy cieplnej i mniejszych

warto�ci stosunku całkowitej energii promieniowania

słonecznego do całkowitej warto�ci strat ciepła, wpływ

orientacji nie jest du�y. Jednak dla małych pojemno�ci

cieplnych rozwa�anego budynku, straty energii

wzrastały do 8% od strony wschodniej, 10% od strony

zachodniej i 12% od strony północnej.

Problem kontroli zysków ciepła od nasłonecznienia

w celu zmniejszenia czasu wykorzystania systemu

klimatyzacji był badany przez Saleha (Saleh i in.,

2004). Zaproponowano obracane w poziomie szyby.

W celu okre�lenia parametrów promieniowania

słonecznego na potrzeby symulacji został opracowany

specjalny program komputerowy. Stwierdzono, �e

procent bezpo�rednich zysków ciepła słonecznego

zmieniał si przy znacznej zmianie kta obrotu

urzdzenia. czyli o wielko�� 300 i dla �ciany

wschodniej wynosił odpowiednio -11% i 42% dla

przesilenia letniego i zimowego.

Nowoczesny system szklenia z obrotow ram dla

budynków poło�onych w klimacie, w którym

konieczne jest ogrzewanie i chłodzenie, został zbadany

przez Etziona i Erella (Etzion i in., 2000). Rama

podtrzymywała zarówno szyb przezroczyst jak

i absorbujc promieniowanie, które charakteryzowały

��

� � ��

si niskim współczynniku zacienienia. Przed sezonem

grzewczym system szklenia obracał si i cz��absorbujca znajdowała si po wewntrznej stronie.

Badania eksperymentalne dla okresów ciepłych

wykazały, �e promieniowanie trafiajce do wntrza

przy obrotowych systemach szklenia i dla porównania

przy standardowej szybie przezroczystej o grubo�ci 3

mm, zostało zredukowane odpowiednio do około 5%

i 37% warto�ci promieniowania padajcego. W

warunkach zimowych promieniowanie słoneczne

przenikajce przez testowane szyby było identyczne

jak w standardowym oknie.

Fissore i Fonseca (Fissore i in., 2007) zbadali stany

termiczne zamknitej przeszklonej przestrzeni

w klimacie umiarkowanym. Badania zostały

przeprowadzone dla warunków sezonu grzewczego

oraz okresu letniego. Analiza niepewno�ci wykazała,

�e najwiksze błdy powstaj przy pomiarach

temperatury powierzchni i powietrza. Stwierdzono, �e

wi� si one z pomiarami za pomoc termopar oraz

mierzeniem napicia i mog by� znaczne. Ci sami

autorzy (Fissore i in., 2007) przeanalizowali bilans

cieplny okna w biurze w warunkach klimatycznych

typowych dla Concepcion w Chile. Podczas

całorocznych pomiarów parametrów wewntrznych

pomieszczenia i �rodowiska zewntrznego

symulowano ró�ne warunki eksploatacji. Wykazano, �e

zu�ycie ciepła przy niezasłonitych oknach w jasny

dzie� zimowy mo�e by� mniejsze o 50%

w porównaniu do okresu, w którym wystpowało

zachmurzenie. Jesieni warto�� ta obni�a si do 26,6%.

Zadanie 34/Załcznik 43 projektu Midzynarodowej

Agencji Energii (IEA) obejmowało sze�� do�wiadcze�przeprowadzonych w obiektach badawczych w celu

dostarczenia danych niezbdnych do weryfikacji

modeli symulacji energetycznych budynków

i oprogramowania komputerowego (Manza i in., 2006).

Stanowisko eksperymentalne składał si z dwóch

obiektów testowych o kształcie prostopadło�cianu

z demontowanymi elementami fasady. W celu

utrzymania na odpowiednim poziomie temperatury

powietrza wewntrz monitorowanych stref został u�yty

wymiennik ciepła typu powietrze-woda. Do

modelowania termicznej charakterystyki pomieszcze�wykorzystano programy komputerowe DOE-2.1e,

EnergyPlus, ESP-r i HELIOS słu�ce do symulacji

energetycznej budynków. Dane do�wiadczalne, które

s dostpne na stronie internetowej:

www.empa.ch/ieatask34, mog by� doskonałpodstaw do obliczania zysków ciepła od

nasłonecznienia przez przegrody przeszklone a tak�e

mo�na je wykorzystywa� do walidacji istniejcego

oprogramowania do analizy energetycznej budynków.

Ilo�� promieniowanie bezpo�redniego padajca na

okna budynku mo�e by� kontrolowana przez elementy

optyki holograficznej. Tego rodzaju system był badany

przez Jamesa i Bahaja (James i in., 2005)

w nowoczesnym, mocno przeszklonym biurze o małej

pojemno�ci cieplnej, poło�onym na terenie

Uniwersytetu Southampton w Wielkiej Brytanii.

Mo�liwe sposoby rozwizania problemu kontroli

energii promieniowania słonecznego w warunkach

nieustalonej wymiany ciepła były równie� testowane

za pomoc kodu komputerowego TRNSYS. Autorzy

zało�yli, �e systemy holograficzne HOE działaj ze

100% wydajno�ci, ale wymagaj ustawienia

identycznego kta padania bezpo�redniego

promieniowania słonecznego i kta ustawienia

hologramu. Stwierdzono równie�, �e efekty odbicia

i rozproszenia widma mog negatywnie wpływa� na

funkcjonowanie elementów holograficznych.

Tak�e powłoka majca warstw spektralnie

selektywn na �cianach zewntrznych mo�e mie�wpływ na zjawisko wymiany ciepła. Prager i

współpracownicy (Prager i in., 2006) przeanalizowali

wpływ promieniowania słonecznego i zjawiska

konwekcji swobodnej na bilans energetyczny budynku

w oparciu o badane obiekty we Freiburgu w

Niemczech. Stwierdzono, �e rozpatrywany komponent

pochłaniajcy promieniowanie podczerwone zmniejsza

zapotrzebowanie na ciepło od 5% do 15% w okresie

zimowym. Jednak w okresie letnim zapotrzebowanie

na energi do celów chłodzenia zwiksza si od 10%

do 50% w zale�no�ci od oporu cieplnego �ciany.

Jednym z czynników wpływajcych na bilans

energetyczny budynku jest współczynnik odbicia

promieniowania od podło�a. Thevenard i Haddad

(Thevenard i in., 2006) opracowali dwa modele

współczynnika odbicia od �niegu. Pierwsze, prostsze

podej�cie, wykorzystuje miesiczn pokryw �nie�n, mo�e by� u�ywane przy symulacjach stosujcych

typowy rok meteorologiczny. Drugi, zaawansowany

model wymaga podawania dziennej lub godzinowej

grubo�ci �niegu. W celu oceny obu rozpatrywanych

modeli poddano testom dwa obiekty: dom pasywny

słonecznie poło�ony w wiejskiej osadzie w Kanadzie

i system fotowoltaiczny. Jako narzdzie symulacji

został wykorzystany program ESP-r. Autorzy

wskazuj, �e warto�ci współczynnika odbicia podło�a

zale� od rodzaju powierzchni i mog wynosi� od 0,07

do 0,6 w przypadku braku �niegu. W okresie zalegania

pokrywy �nie�nej zakres warto�ci wynosi od 0,2 do

0,7.

Stopie� przeszklenia budynku (GOP - glazed

openings percentage) mo�e silnie wpływa� na komfort

cieplny. Kontoleon i Bikas (Kontoleon i in., 2002)

wykorzystali metod nazwan przez autorów dynamic

thermal-circuit zone do badania wpływu typu szklenia

i wielko�ci jego powierzchni na maksymalne

i minimalne temperatury powietrza

w pomieszczeniach. Procedura rozwizania problemu

swoim zakresem obejmowała wymian ciepła przez

przewodzenie, konwekcj i promieniowanie

w pomieszczeniu oraz zmian wła�ciwo�ci �rodowiska

wewntrznego i zewntrznego. Wyniki symulacji

wskazały, �e wystpuje przegrzanie w budynkach

o podwójnym szkleniu i izolacj po stronie

wewntrznej, gdy GOP przekracza 70% w okresie

zimowym. W okresie letnim efekt przegrzania znika,

je�li procent przeszklonych otworów jest ni�szy od

60% i na przegrodach umie�ci si izolacj po stronie

zewntrznej.

Alvarez wraz ze zespołem (Alvarez i in., 2005)

badali współczynnik zysków energii cieplnej (SHGC –

Solar Heat Gain Coefficient) szkle� dostpnych na

rynku, z nastpujcymi powłokami kontrolujcymi

��

�� !�

transfer energii słonecznej: ZnS (40 nm) – CuS (150

nm) i ZnS (40 nm) – Bi2S3 (75 nm) – CuS (150 nm),

przy zewntrznej temperaturze zmieniajcej si od

15°C do 32°C. W powy�szym raporcie przedstawiono

charakterystyk ciepln ró�nych typów szkła

laminowanego w zale�no�ci od współczynnika

przejmowania ciepła po stronie wewntrznej

i zewntrznej. Okazało si, �e warto�ci SHGC, zale�na

od warunków zewntrznych, mo�e zmienia� si od

12% do 20% dla pojedynczej szyby z powłoktlenkow. Podwójne szyby z pró�ni w �rodku lub

wypełnione gazem obojtnym charakteryzuj siniskimi stratami ciepła. Tego typu okna z mikkimi

i twardymi powłokami emisyjnymi zostały zbadane

przez Fanga (Fang i in., 2007). Trójwymiarowy model

stworzony w oparciu o metod objto�ci sko�czonych

został opracowany w celu wyznaczenia charakterystyki

cieplnej szyb pró�niowych. Przeprowadzono równie�eksperymenty w komorze adiabatycznej. Stwierdzono,

�e szyby pró�niowe z pojedyncz powłok o niskiej

emisyjno�ci maj doskonałe wła�ciwo�ci izolacyjne.

Przy czym wykorzystanie dwóch powłok o niskiej

emisyjno�ci zapewnia jedynie ograniczon poprawcharakterystyki cieplnej.

W ostatnich latach powstaje coraz wicej

budynków wielorodzinnych charakteryzujcymi sicoraz wiksz powierzchni okien. Zapewnia to im

atrakcyjny wygld oraz du� ilo�� naturalnego �wiatła

docierajcego do wntrza mieszka�. Jednak tego typu

trend pozostaje w konflikcie z potrzeb oszczdno�ci

energii a tym samym i ochrony �rodowiska. W

niniejszej praca zaprezentowano sposób wyznaczenia

optymalnej warto�� stosunku powierzchni przeszklonej

do całkowitej powierzchni przegród zewntrznych,

który zapewni minimaln konsumpcj energii

w okresie sezonu grzewczego. W literaturze naukowej

autorzy nie znale li konkretnej metody słu�cej do

osignicia takiego celu.

CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADA

Piciokondygnacyjny budynek mieszkalny, jako

jeden z trzech identycznych, został wybrany jako

przedmiot analizy. Jest on poło�ony w centralnej cz�ci

Hanoweru w Niemczech. Mini osiedle zrealizowano

w ramach przedsiwzicia nazwanego VASATI 2.0

(Haese, 2008). Twórcom programu przy�wiecała idea

stworzenia obiektów energooszczdnych,

charakteryzujcych si mo�liwo�ci absorbowania jak

najwikszej ilo�ci energii promieniowania

słonecznego. Poszczególne elewacje budynku

w kolejno�ci: wschodnia, północna, zachodnia

i południowa przedstawia rys. 1. Stosunek powierzchni

okien do �cian (w skrócie zwany w literaturze WWR –

Window to Wall Ratio) wyra�ony w procentach

wynosi: �rednio – 41,42; dla elewacji wschodniej –

32,51; północnej – 33,03; zachodniej – 54,07

i południowej – 45,78. Analizowany dom składa siz dziewitnastu mieszka�, klatki schodowej

i pomieszczenia magazynowego. Przegrody

zewntrzne zostały zaprojektowane jako struktura trój-

warstwowa. �ciana no�na jest zbudowana z pustaków

ceramicznych POROTON Block-T 24,0-1,2.

Rys.1. Elewacje analizowanego budynku

Do wykonania �cian osłonowych został

zastosowana najnowsza generacja materiałów

budowlanych – pustaki POROTON-T9, w których do

wypełnienia pustek powietrznych zastosowano

granulat termoizolacyjny o nazwie perlit. Dziki tej

metodzie uzyskano bardzo nisk przewodno�� ciepln. Obie �ciany zostały oddzielone 2 cm warstw wełny

mineralnej (rys. 2) ze wzgldu na wymagania

��

��

konstrukcyjne. Do tej pory nie wznoszono obiektów

majcych tego typu budow przegród zewntrznych.

Rys.2. Struktura �ciany zewntrznej (fot. Günter

Haese)

Poszczególne elementy konstrukcyjne majnastpujce bardzo niskie warto�ci współczynnika

przenikania ciepła U:

• �ciana zewntrzna – 0,225 W/m2K,

• dach – 0,09 W/m2K,

• strop nad piwnic – 0,21 W/m2K,

• okna trójszybowe – 0,89 W/m2K,

• okna balkonowe dwuszybowe – 1,16 W/m2K.

Ze wzgldu na specyfik przedmiotu bada�w sposób stosunkowo szczegółowy opisano własno�ci

termiczno-optyczne analizowanego systemu szklenia,

które to przedstawiono w Tabeli 1

Tab 1. Charakterystyka szklenia dwuszybowego

Własno�� FCMFTIR_3 AFG

ksenon GREEN_3

AFG

Gr. 3,2 12,7 3,2

Tsol 0,496 0,61

Rsol1 0,331 0,059

Rsol2 0,395 0,059

Tvis 0,78 0,833

Rvis1 0,158 0,070

Rvis2 0,126 0,070

Tir 0,00 0,00

ε1 0,84 0,84

ε2 0,033 0,84

keff 1,00 0,019 1,00

Okna trójszybowe miały dodatkow warstw szkła

FCMFTIR_3-AFG + ksenon po swojej zewntrznej

stronie. Inne parametry systemów szklenia, takie jak

przepuszczalno�� promieniowania widzialnego,

współczynnik przenikania ciepła U, zyski ciepła od

nasłonecznienia i współczynniki zacienienia były

obliczone za pomoc programu komputerowego

WINDOW 5.2. 2.

Algorytmy słu�ce do okre�lania charakterystyki

termiczno-optycznej okna zostały opracowane przez

National Fenestration Rating Council (NFRC)

w oparciu o norm ISO 15099 (2003). Wyniki oblicze�charakterystyki dla opisanej powy�ej struktury

przedstawiono w Tabeli 2.

Tabela 2. Charakterystyka analizowanych okien

Własno�� Okna trójszybowe Okna dwuszybowe

Gr. 34,925 19,050

keff 0,0303 0,0187

U 0,89 1,16

SHGCc 0,43 0,47

SCc 0,49 0,54

VTc 0,55 0,66

RHG 315,67 343,55

W omawianym projekcie zastosowano o�cie�nice

wykonane z twardego drewna (Meranti)

o nastpujcych wła�ciwo�ciach: szeroko�� ramy – 60

mm; współczynnik emisyjno�ci – 0,9; współczynnik

przenikania ciepła U ramy – 1,9 W/m2K.

Apartamenty wyposa�ono w indywidualne systemy

wentylacyjny ze zmienn warto�ci strumienia

powietrza, wymiennik z odzyskiem ciepła

i sterownikiem ekonomizera (swobodne chłodzenie)

oraz system ogrzewania, w skład którego wchodzpłytowe grzejniki konwekcyjne i grzejniki podłogowe

w kuchni i łazience. Podgrzew ciepłej wody u�ytkowej

jest wspomagany bateri kolektorów słonecznych

o powierzchni ponad 42 m2.

Rys. 3. Układ kolektorów słonecznych umieszczonych

na dachu budynków (fot. Günter Haese)

W celu dokładnego odzwierciedlenia

rzeczywisto�ci został stworzony szczegółowy model

geometryczny budynku z dokładno�ci - 1 mm

w �rodowisku oprogramowania EnergyPlus. Bazował

on na planach architektonicznych i specyfikacjach

technicznych. Wizualizacj modelu 3D uwzgldniajca

zacienienie pochodzce od elementów bdcych

integraln cz�ci budynku i obiektów zewntrznych

pokazano na rys. 4 i 5.

W celu okre�lenia zysków ciepła od

nasłonecznienia niezbdne jest obliczenie powierzchni

zacienionych i nasłonecznionych. W oprogramowaniu

EnergyPlus algorytm zacienienia jest oparty na

metodzie transformacji współrzdnych Grotha

i Lokmanhekima (1969) oraz schemacie nakładania

cieni zaproponowanym przez Waltona (1983). Dwa

o�cienne budynki (numer 146 i 150) oraz dwa rzdy

drzew zostały uwzgldnione jako wolnostojce

zewntrzne elementy rzucajce cienie. Zało�ono, �e

ssiadujce domy nie s transparentne dla

promieniowania słonecznego a drzewa zadeklarowano,

strona

zewn�trzna

strona

wewn�trzna

��

��

jako płaszczyzny sezonowo zmieniaj swoje

wła�ciwo�ci rozpraszajce.

Rys. 4. Kompletny widok modelu budynku bez

ruchomych osłon balkonowych

Rys. 5. Kompletny widok modelu z ruchomymi

osłonami balkonowymi zamontowanymi na konstrukcji

szynowej na poziomie elewacji budynku oraz

wolnostojce obiekty rzucajce cie�

Badany budynek podzielono na 21 stref

izotermicznych. W algorytmie obliczeniowym s one

zdefiniowane, jako objto�ci powietrza o jednakowej

temperaturze oraz wszystkie powierzchnie jograniczajce, w których zachodzi wymiana

i magazynowania ciepła.

Szczegółowe dane pogodowe zostały przyjte dla

Bremen - najbli�szego miasta ssiadujce

z Hanowerem, które znajdowało si w bazie

oprogramowania EnergyPlus. W tym rejonie

najwy�szy poziom bezpo�redniego promieniowania

słonecznego wystpuje w marcu, a po�rednie

promieniowanie osiga najwy�szy poziom w okresie

od maja do sierpnia.

CHARAKTERYSTYKA ZYSKÓW I STRAT CIEPŁA PRZEZ OKNA

Zyski ciepła od nasłonecznienia przez przegrody

transparentne zale� od wielu czynników, takich jak:

• termiczne i optyczne wła�ciwo�ci systemów

szklenia,

• bie�ca pozycja sło�ca na niebie,

• stopie� zachmurzenia,

• elementy zacieniajce zintegrowane z budynkiem,

takie jak markizy czy okapy dachu,

• niezale�ne powierzchnie rzucajce cie�, takie jak

drzewa czy inne budynki,

• elementy zasłaniajce okna, takie jak ekrany,

�aluzje, zasłony, rolety i okiennice.

Udział pasywnych zysków od nasłonecznienia jest

bardzo zró�nicowany i zale�y od pory dnia, jak

równie� i pory roku. Przykładowe wykresy pokazujdu�y stopie� zmienno�ci dziennych (rys. 6 i 7)

i miesicznych (rys. 8 i 9) ró�nic midzy zyskami

i stratami ciepła odniesionymi do 1 m2

okna

balkonowego dla apartamentu poło�onego na

�rodkowej kondygnacji od strony południowej.

��

��

��

��

� ��

� ��

� ��

� ��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

Bil

an

s z

yskó

w i s

trat

cie

pła

[k

Wh

/m2]

Rys. 6. Bilans cieplny okna w pierwszym dniu grudnia

��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

Bil

an

s z

yskó

w i s

trat

cie

pła

[k

Wh

/m2]

Rys. 7. Bilans cieplny okna w pierwszym dniu marca

Z przedstawionych powy�ej wyników oblicze�wyra nie wynika, �e nawet okno od strony

południowej ma w grudniu ujemny bilans

energetyczny. Dlatego te� konieczne jest analizowanie

nie tylko charakterystyki całego budynku, ale ka�dej

elewacji oddzielnie i ich wpływu na łczne zu�ycie

ciepła.

Wykonano obliczenia polegajce na zmianie

współczynnika powierzchni okien do �cian dla całego

budynku (w jednakowych proporcjach dla ka�dej

elewacji) w celu znalezienia jego optymalnej warto�ci.

Wyniki symulacji prezentuje rys. 10

��

��

��

��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

Bil

an

s z

yskó

w i s

trat

cie

pła

[k

Wh

/m2]

Rys. 8. Bilans cieplny okna w grudniu

��

��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

��

�

Bil

an

s z

yskó

w i s

trat

cie

pła

[k

Wh

/m2]

Rys. 9. Bilans cieplny okna w marcu

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

� ��

Zap

otr

zeb

ow

an

ie n

a c

iep

ło [

kW

h]

Stosunek powierzchni okien do �cian [%]

��

Rys. 10. Zale�no�� midzy zu�yciem ciepła do

ogrzewania pomieszcze� a warto�ci WWR

Zale�no�� midzy zu�yciem ciepła do ogrzewania

pomieszcze� Eh i warto�ci współczynnika WWR

mo�na opisa� z du� dokładno�ci za pomocponi�szego równania liniowego:

202628,210 +⋅= WWREh (1)

Nale�y podkre�li�, �e nie jest mo�liwe przy

zastosowaniu tego typu uproszczonej metody

wskazanie optymalnej warto�ci WWR. Zaproponowano

wic procedur okre�lania optymalnej warto�ci

współczynnika powierzchni okien do �cian.

PROCEDURA WYZNACZANIA OPTYMALNEJ POWIERZCHNI PRZESZKLONEJ

Zaproponowano metod, która składa si z trzech

nastpujcych etapów:

• wykonanie bilansu ciepła okien oddzielnie dla

ka�dej strony budynku,

• zwikszenie powierzchni okien o dodatnim bilansie

energetycznym do mo�liwie maksymalnej

warto�ci,

• zmniejszenie rozmiarów okien o ujemnym bilansie

energetycznym do mo�liwie minimalnej wielko�ci,

która bdzie proporcjonalna do powierzchni

wszystkich pomieszcze� mieszkalnych.

Zatem na samym pocztku konieczne jest zbadanie

ka�dej elewacji budynku oddzielnie. Rys. 11 do 14

prezentuj bilans cieplny przegród transparentnych

odpowiednio dla północnej, południowej, zachodniej

i wschodniej strony budynku. Symulacje

przeprowadzono w piciu lokalizacjach na terenie

Niemiec: Hanower, Berlin, Düsseldorf, Frankfurt

i Hamburg, w odpowiednio zró�nicowanych dla

danego poło�enia warunkach pogodowych.

HANNOVER BERLIN DUSSELDORF FRANKFURT HAMBURG

N - drzwi balkonowe -39,98 -40,32 -33,70 -37,38 -40,09

N - okna -27,86 -28,37 -22,52 -25,41 -28,23

-45,00

-40,00

-35,00

-30,00

-25,00

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

(Zysski

-str

aty

cie

pła

) p

rzyp

ad

aj�

ce

na 1

m2

okn

a [

kW

h/m

2]

Rys. 11. Ró�nica midzy zyskami i stratami ciepła dla

okien od strony północnej


S - drzwi balkonowe 17,35 10,85 15,87 19,13 11,28

S - okna 18,66 14,48 19,30 23,24 14,71

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

(Zysski

-str

aty

cie

pła

) p

rzyp

ad

aj�

ce

na 1

m2

okn

a [

kW

h/m

2]


okien od strony południowej


W - drzwi balkonowe -26,52 -29,43 -22,46 -21,23 -27,86

-30,00

-25,00

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

(Zysski

-str

aty

cie

pła

) p

rzyp

ad

aj�

ce

na 1

m2

okn

a [

kW

h/m

2]


okien od strony zachodniej

��

�� "�


E - okna -21,29 -22,86 -16,97 -15,90 -22,24

-30,00

-25,00

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

(Zysski

-str

aty

cie

pła

) p

rzyp

ad

aj�

ce

na 1

m2

okn

a [

kW

h/m

2]


okien od strony wschodniej

Na podstawie wyników symulacji mo�na

sformułowa� nastpujce wnioski:

• jedynie okna od strony południowej maj dodatni

bilans cieplny we wszystkich badanych

lokalizacjach,

• najwiksze zyski ciepła od nasłonecznienia mo�na

osign� dla warunków pogodowych panujcych

we Frankfurcie,

• najmniejsze straty ciepła przez okna wystpiły

w Düsseldorfie i Frankfurcie,

• najbardziej korzystne warunki pogodowe, z punktu

widzenia zu�ycia energii, wystpuj w okolicach

Berlina.

Dodatni bilans energetyczny okien od strony

południowej dotyczy całego okresu grzewczego. Nie

oznacza to, �e zyski ciepła przewy�szaj straty

w najzimniejszych miesicach. W grudniu i styczniu

straty wynosz odpowiednio około 4 i 1,7 kWh/m2.

Kolejnym problemem, na który wskazały wyniki

symulacji, jest zmiana biernych zysków od

nasłonecznienia zwizana z poło�eniem okien nad

poziomem terenu. Zale�no�� ta jest przedstawiona na

rys. 15.

� ��

� ��

��

��

��

��

��

� � � � ��

(Zysski

-str

aty

cie

pła

) p

rzyp

ad

aj�

ce

na 1

m2

okn

a [

kW

h/m

2]

Odległo�� od gruntu do �rodka kondygnacji [m]

�� !�"�#�$�% �&��

�� &�

'��(#��#�&

Rys. 15. Ró�nica midzy zyskami i stratami ciepła

przez okna na elewacji południowej

Wyniki oblicze� wykazały istnienie znacznej

ró�nicy midzy zyskami ciepła od promieniowania

słonecznego i wzgldn wysoko�ci poło�enia systemu

szklenia. Nale�y jednak zauwa�y�, �e sezonowy bilans

cieplny jest dodatni dla ka�dej kondygnacji. Ró�nica

midzy pierwszym i najwy�szym pitrem wynosi 31%

dla okien balkonowych (podwójne szklenie) i siga a�66% dla pozostałych okien (potrójne szklenie).

Zale�no�� ilo�ci transportowanej energii Et od

wysoko�ci poło�enia okien nad poziomem terenu hS,

pokazana na rys. 15, mo�emy z du� dokładno�ciopisa� za pomoc nastpujcych równa�: • dla okien potrójnie szklonych:

13,807,0099,0 2+−= sst hhE . (2)

• dla okien podwójnie szklonych:

78,1312,0042,0 2+−= sst hhE . (3)

Aby podsumowa� powy�sz analiz, nale�y

zauwa�y�, �e tylko okna poło�one po stronie

południowej zapewniaj zyski ciepła dla wszystkich

lokalizacji w Niemczech. Jak wspomniano wcze�niej,

strony wschodnia, zachodnia, a przede wszystkim

północna wpływaj na wzrost zu�ycia ciepła w sezonie

grzewczym. Nie ma wic sensu, aby mówi�o optymalnej warto�� stosunku okien do �cian

w odniesieniu do tych stron budynku. Zatem nale�y

okre�li� warto�� optymaln WWR dla całego budynku

rozpatrujc ka�de z mieszka� (stref) osobno.

W drugim etapie procedury znajdowania warto�ci

optymalnej WWR nale�y zwikszy� powierzchniokien wychodzcych na południe do maksymalnej

warto�ci, oczywi�cie przy uwzgldnieniu ogranicze�konstrukcyjnych. Nastpnie, w trzecim etapie, nale�y

ograniczy� wielko�� pozostałych okien lub je

zlikwidowa�. Punktem wyj�cia tej analizy jest

okre�lenie minimalnej powierzchni okien w oparciu

o wymagania zwizane z naturalnym o�wietleniem.

Minimalna warto�� stosunku powierzchni elementów

przeszklonych do powierzchni podłogi dla wszystkich

pomieszcze� mieszkalnych wynosi 0,125 zgodnie

z Niemieck Norm obowizujc w Dolnej Saksonii

(DVNBauO, 2004). Nale�y podkre�li�, �e wymiary

okna s obliczane w stanie „niewyko�czonym”, tzn.

bez o�cie�nic. Zaproponowano zale�no�� słu�c do

obliczenia nowej warto�ci powierzchni przeszklenia Ag

(gdzie Af to powierzchnia podłogi):

)1(125,0 fgfg rAA−

+= . (4)

gdzie rg-f = 0,25.

Wyniki oblicze� optymalizacyjnych zamieszczono

w Tabelach 3i4 a widok nowego modelu z optymalnym

przeszkleniem jest przedstawiony na rys. 16.

Rys. 16. Widok modelu domu po zmianie systemu

szklenia

Całkowita powierzchni szyb zmniejszono o ponad

46% (Tab. 3). Jak si okazało, optymalna warto��stosunku powierzchni okien do �cian dla całego

budynku jest równa około 22%

��

��

Tabela 3. Warto�� optymalnego i projektowanego stosunku powierzchni okien do �cian

Cało��Północ

315o do 45oWschód

45o do 135oPołudnie

135o do 225oZachód

225o do 315o

Powierzchnia okien

- projektowana warto�� (m2)

768,42 148,11 155,67 205,26 259,37

Powierzchnia okien

- warto�� optymalna (m2)

410,70 17,78 53,77 260,38 78,77

Ró�nica pomidzy warto�ciprojektowan i optymaln (m2

) 357,72 130,33 101,9 -55,12 180,6

Ró�nica pomidzy warto�ciprojektowan i optymaln (%)

46,55 88,00 65,46 -26,85 69,63

Warto�� optymalna stosunku

powierzchni okien do �cian (%) 22,15 3,96 11,23 58,07 16,45

Tabela 4. Zu�ycie energii na ogrzewanie

Centrale ogrzewanie [kWh]

Zuycie ciepła na 1 m2

powierzchni budynku [kWh/m2]

Zuycie ciepła na 1 m2

ogrzewanej powierzchni budynku [kWh/m2]

Warto�� projektowana 29138,56 21,23 21,98

Warto�� optymalna 19963,75 17,32 17,93

Ró�nica pomidzy i

optymalnwarto�ci projektowan

9174,81 3,91 4,050

Ró�nica pomidzy warto�ciprojektowan i optymaln (%)

31,49 18,42 18,43

Natomiast powierzchnia okien wychodzcych na

południe została zwikszona do 58% powierzchni całej

fasady. Najni�sza warto�� WWR charakteryzuje

północn elewacj budynku i wynosi tylko około 4%.

Nale�y podkre�li�, �e okre�lajc optymalna warto��WWR mo�e znacznie zredukowa� zu�ycie energii.

W rozpatrywanym przypadku zmniejszono warto��zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania o ponad 30%

(Tab. 4).

WPŁYW OPTYMALNEJ POWIERZCHNI PRZESZKLONEJ NA KOMFORT CIEPLNY

Kolejne symulacje przeprowadzono w celu

porównania poziomu komfortu cieplnego przy

projektowanej i optymalnej powierzchni okien w

warunkach letnich. �rodowisko wewntrzne zostało

opisane za pomoc wska nika przewidywanej �redniej

oceny komfortu cieplnego PMV (Predicted Mean Vote)

i temperatury operacyjne θO.

Wybrano i zaprezentowano wyniki analizy jedynie

dla dwóch reprezentatywnych segmentów le�cych na

�rodkowej kondygnacji po stronie północno-zachodniej

(rys. 17 i 19) i południowo-zachodniej (rys. 18 i 20).

Jak wida� na rys. 17 do 20, redukcja powierzchni

przeszklenia w optymalnym wariancie prowadzi do

obni�enia temperatury operacyjnej i jednocze�nie

podnosi komfort termiczny. W szczególno�ci mo�emy

zaobserwowa� powy�sze rezultaty w apartamentach

poło�onych po stronie północno-zachodniej.

��

��

��

�

��

��

��

��'�� )�* ��+�& ��+�% ��'�, �� -.�

#�$ ��%�� &��'�()

�/" %�&#�� &�

�/" %�&#��*��%&�

Rys. 17. Temperatura operacyjna w apartamencie

poło�onym po stronie północno-zachodniej

��

��

��

�

��

��

��

��'�� )�* ��+�& ��+�% ��'�, �� -.�

#�$ ��%�� &��'�()

�/" %�&#�� &�

�/" %�&#��*��%&�

Rys. 18. Temperatura operacyjna w apartamencie

poło�onym po stronie południowo-zachodniej

��

��

��

��

��

��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

��'�� )�* ��+�& ��+�% ��'�, �� -.�

��

�/" %�&#�� 0)12� �

0)12�� /" %�&#��*��%&�

Rys. 19. Warto�� indeksu PMV dla apartamentu

poło�onego po stronie północno-zachodniej

��

��

��

��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

� ��

��'�� )�* ��+�& ��+�% ��'�, �� -.�

��

�/" %�&#�� 0)12� �0)12�� /" %�&#��*��%&�

Rys. 20. Warto�� indeksu PMV dla apartamentu

poło�onego po stronie południowo-zachodniej

Obliczajc optymaln warto�ci WWR zakłada si, �e południow powierzchni okien zwiksza si do

maksimum. Jak okazało si, zało�enie to nie ma

du�ego wpływu na komfort cieplny w tej cz�ci

budynku. Poza tym w okresach chłodniejszych: od

pocztku kwietnia do połowy czerwca oraz od

pocztku wrze�nia do połowy pa dziernika temperatura

w apartamentach z optymaln powierzchni okien

wzrasta, dziki ni�szym stratom przez przenikanie.

PODSUMOWANIE

W pracy zaprezentowano procedur, dziki której

mo�na wyznaczy� optymaln warto�� powierzchni

okien. Jest ona uniwersalna i mo�e by�wykorzystywana na etapie wczesnego projektowania

zarówno budynków wielorodzinnych, jak równie�i jednorodzinnych. Mimo prostoty przyjtych zało�e�wymaga jednak u�ycia zaawansowanych narzdzi

słu�cych do symulacji stanów termicznych

budynków.

Podsumowujc wyniki symulacji mo�na stwierdzi�, �e w analizowanym przypadku optymalny stosunek

powierzchni okien do �cian spowodował, �e o ponad

30% spadła konsumpcja energii w okresie

ogrzewczym, jak równie� wpłynł na popraw jako�ci

�rodowiska termicznego w ciepłej porze roku.

Nale�y podkre�li�, �e wyniki zaprezentowane

w artykule nie mog by� uogólnione na inne budynki

w sposób bezpo�redni. Wynika to z tego, �e optymalna

warto�� WWR zale�y głównie od układu mieszkania,

charakterystyki termiczno-optycznej okien oraz

kształtu i orientacji budynku. Zatem ka�dy przypadek

nale�y rozpatrywa� indywidualnie.

Prac zrealizowano midzy innymi w ramach grantu

Politechniki Białostockiej W/WBiI�/15/09.

SPIS SYMBOLI

Af powierzchnia pomieszczenia m2

keff zastpczy współczynnik przewodzenia

ciepła systemu szklenia W/mK

rg-f stosunek powierzchni ram do szyb dla

okien

Rvis1 odbicie frakcji widzialnej promieniowania

słonecznego po zewntrznej stronie

warstwy szklenia

Rvis2 odbicie frakcji widzialnej promieniowania

słonecznego po wewntrznej stronie

warstwy szklenia

Rsol1 współczynnik odbicia promieniowania

słonecznego zewntrznej warstwy szyby

Rsol2 współczynnik odbicia promieniowania

słonecznego wewntrznej strony warstwy

szyby

SHGCc współczynnik zysków ciepła od

nasłonecznienia reprezentujcy zyski

ciepła słonecznego przez cz�� rodkowszyby w stosunku do całego

promieniowania słonecznego

SCc współczynnik zacienienia okre�lajcy

warto�� zysków ciepła przez �rodkowcz�� szyby w porównaniu do

przezroczystego szkła o grubo�ci 3 mm

Tir przepuszczalno�� cieplna promieniowania

długofalowego warstwy szklenia

Tvis przezroczysto�� szyby

Tsol przepuszczalno�� promieniowania

słonecznego warstw szyby

U współczynnik przenikania ciepła dla

�rodkowej cz�� szyby W/m2K

Symbole greckie

ε1 emisyjno�� promieniowania

długofalowego zewntrznej strony

warstwy szklenia,

ε2 emisyjno�� promieniowania

długofalowego wewntrznej strony

warstwy szklenia,

VTc przepuszczalno�� promieniowania frakcji

widzialnej okre�lajca ilo�� wiatła w

zakresie widzialnym (cz�� widma

promieniowania w zakresie od 380 nm do

760 nm), która przechodzi przez �rodkowcz�� szyby

��

��

LITERATURA CYTOWANA

Alvarez G. et al., 2005, Spectrally selective laminated

glazing consisting of solar control and heat mirror

coated glass: preparation, characterization and

modelling of heat transfer, Solar Energy 78 pp.

113–124.

DVNBauO, 2004, Allgemeine

Durchführungsverordnung zur Niedersächsischen

Bauordnung, § 19. Hannover: Land Niedersachsen.

Etzion Y., Erell E., 2000, Controlling the transmission

of radiant energy through windows: a novel

ventilated reversible glazing system, Building and

Environment 35 pp. 433–444.

Fang, Y. et al., 2007, Low emittance coatings and the

thermal performance of vacuum glazing, Solar

Energy 81 pp. 8–12.

Fissore A., Fonseca N., 2007, Experimental study of

the thermal balance of a window, design

description, Building and Environment 42 pp.

3309–3321.

Fissore A., Fonseca N., 2007, Measurement results and

experimental analysis study of the thermal balance

of a window, Building and Environment 42: 3570–

3581.

Groth C.C., Lokmanhekim M., 1969, Shadow - A New

Technique for the Calculation of Shadow Shapes

and Areas by Digital Computer. Second Hawaii

International Conference on System Sciences,

Honolulu, HI, January pp. 22-24.

Haese G., 2008, Die sechs Köstlichkeiten im

Wohnungsbau. Wohnungsgenossenschaft

Gartenheim eG, Hannover, (in German as a book or

in a English version as a download – The Sixth

Delicacies in House Building –

www.gartenheim.de).

ISO 15099, 2003, Thermal performance of windows,

doors and shading devices - Detailed Calcualtions.

James P.A.B., Bahaj A.S., 2005, Smart glazing

solutions to glare and solar gain: a ‘sick building’

case study, Energy and Buildings 37 pp. 1058–

1067.

Kontoleon K.J., Bikas D.K., 2002, Modelling the

influence of glazed openings percentage and type of

glazing on the thermal zone behavior, Energy and

Buildings 34 pp. 389–399.

Manza, H. et al., 2006, Series of experiments for

empirical validation of solar gain modelling in

building energy simulation codes – Experimental

setup, test cell characterization, specifications and

uncertainty analysis, Building and Environment 41

pp. 1784–1797.

Prager C. et al., 2006, The influence of the IR reflection

of painted facades on the energy balance of a

building, Energy and Buildings 38 pp. 1369–1379.

Saleh M.A., Kaseb S., El-Refaie M.F., 2004, Glass–

azimuth modification to reform direct solar heat

gain, Building and Environment 39 pp. 653–659.

Thevenard D., Haddad K., 2006, Ground reflectivity in

the context of building energy simulation, Energy

and Buildings 38 pp. 972–980.

Walton G.N., 1983, The Thermal Analysis Research

Program Reference Manual Program (TARP).

National Bureau of Standards.

Yohanis Y.G., Norton B., 2000, A comparison of the

analysis of the useful net solar gain for space

heating, zone-by-zone and for a whole-building,

Renewable Energy 19 pp. 435–442.

Yohanis Y.G., Norton B., 2002, Useful solar heat

gains in multi-zone non-domestic buildings as a

function of orientation and thermal time constant,

Renewable Energy 27 pp. 87–95.

PROCEDURA WYZNACZANIA OPTYMALNEJ POWIERZCHNI …ptes-ises.itc.pw.edu.pl/art/2010_3.pdf · Mo liwe...

Documents

Transcript of PROCEDURA WYZNACZANIA OPTYMALNEJ POWIERZCHNI …ptes-ises.itc.pw.edu.pl/art/2010_3.pdf · Mo liwe...