������
����������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������
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
HANNOVER BERLIN DUSSELDORF FRANKFURT HAMBURG
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]
Rys. 12. Ró�nica midzy zyskami i stratami ciepła dla
okien od strony południowej
HANNOVER BERLIN DUSSELDORF FRANKFURT HAMBURG
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]
Rys. 13. Ró�nica midzy zyskami i stratami ciepła dla
okien od strony zachodniej
������
����������������������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������"�
HANNOVER BERLIN DUSSELDORF FRANKFURT HAMBURG
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]
Rys. 14. Ró�nica midzy zyskami i stratami ciepła dla
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.
Top Related