Wpływ osłon przeciwsłonecznych na bilans energetyczny budynku

Energochłonność budownictwa

Zapotrzebowanie na energię na ogrzewanie, wentylację i chłodzenie zależy od wielu czynników. Do najważniejszych należą: geometria budynku i usytuowanie w terenie, powierzchnia przegród przeźroczystych, przepuszczalności energii promieniowania słonecznego, izolacyjności termicznej przegród budowlanych, sterowania systemem energetycznym oraz energochłonność urządzeń pomocniczych. Budynki mieszkalne jedno- i wielorodzinne rzadko poddawane są szczegółowej analizie w zakresie przegrzewania pomieszczeń latem. Pobieżnie oceniając aktualne wymagania prawne, można stwierdzić, że literalnie nie ma takiej konieczności. Ostatecznie niezadowolenie użytkowników z warunków użytkowych skłania do głębszej refleksji, niestety, bardzo często za późno. Próbując zapewnić odpowiednie warunki użytkowe, lokale uzbraja się w klimatyzatory, co znacznie zwiększa energochłonność lokali oraz budynku.

Dla przykładu wykonano dwie analizy budynku mieszkalnego zlokalizowanego we Wrocławiu, z powierzchnią przeszkloną stanowiącą 25% powierzchni użytkowej budynku. Stolarka okienna usytuowana zgodnie z zasadami dla budownictwa energooszczędnego (pasywnego). Tak zaprojektowano poszczególne elementy budynku, aby wykonane obliczenia dla wariantu tylko ogrzewanego pozwoliły spełnić wymagania prawne obowiązujące od 2014, 2017 i 2021 roku oraz wymagania stawiane dla budynków pasywnych. Następnie wykonano obliczenia charakterystyki energetycznej dla tego samego budynku, uwzględniając również chłodzenie. Szczegóły zamieszczono w tabelach 2 i 3.

Wnioski są niezwykle interesujące. Budynki mieszkalne o powierzchni przeszklonej, wynoszącej 25% powierzchni użytkowej, zaprojektowane tak, by spełniały odpowiednie wymagania energetyczne, charakteryzują się niewielkim zapotrzebowaniem na energię do ogrzewania i znacznie większym zapotrzebowaniem energii na chłodzenie. Pominięcie zagadnień przegrzewania może stwarzać problemy użytkowe. Analizy potwierdza doświadczenie. Nowe energooszczędne budynki zaprojektowane ze względu na ogrzewanie uzbraja się w klimatyzatory, które szpecą elewacje i są przyczyną wzrostu kosztów eksploatacyjnych. Jeżeli chodzi o budynki użyteczności publicznej, to występujące za dnia procesy związane z użytkowaniem pomieszczeń charakteryzują się większą intensywnością, odpowiedzialną za produkcję wewnętrznych zysków ciepła. Dzieje się to najczęściej przy znacznie większej, niż budynkach mieszkalnych, powierzchni przegród przeźroczystych. Niezbędne jest ograniczanie emisji zysków ciepła od oświetlenia, urządzeń elektrycznych i elektronicznych, procesów produkcyjnych oraz od nasłonecznienia.

Aktualne trendy w architekturze

Wykonane analizy geometrii aktualnie projektowanych budynków mieszkaniowych jedno- i wielorodzinnych, a także użyteczności publicznej, wykazały stały wzrost powierzchni przeźroczystych. Jak informują architekci, takie są oczekiwania użytkowników, prowadzące do coraz większych powierzchni szklanych. W aktualnie projektowanych budynkach mieszkaniowych najczęściej powierzchnia okien mieści się w przedziale 23-30% powierzchni użytkowej (p.u.). Minimalne wymagania prawne narzucają projektowanie przegród o powierzchni nie mniejszej od 16% p.u. W budynkach użyteczności publicznej aktualnie projektowana jest powierzchnia przeźroczysta przekraczając bardzo często 30% p.u. Zdarza się, że czasami stanowi nawet 50% p.u. W budynkach o dużej powierzchni przegród przeźroczystych zapotrzebowanie na energię na ogrzewanie jest najczęściej dużo mniejsze do zapotrzebowania na energię na chłodzenie. Z tego powodu instalowane są duże i kosztowne inwestycyjnie i eksploatacyjnie jednostki wentylacyjno- klimatyzacyjne, mające dostarczyć dużą ilość odpowiednio przygotowanego powietrza. Trudności w spełnieniu warunków użytkowych są tym większe latem, im większa jest powierzchnia przegród przeźroczystych i im więcej powstaje energii cieplnej podczas użytkowania budynku. W tabeli 4 zamieszczono obliczeniowe zużycie energii w budynku mieszkaniowym o powierzchni przegród przeźroczystych: 16%, 20%, 25%, 30%, 35% i 40% powierzchni użytkowej budynku. Wraz ze wzrostem powierzchni okien wzrasta nieznacznie obliczeniowe zużycie energii na ogrzewanie i wentylacji oraz wzrasta znacząco obliczeniowe zużycie energii na chłodzenie. Obliczeniowe koszty eksploatacyjne na ogrzewanie wynoszą średnio w standardowym sezonie grzewczym ok. 0,9 zł/m² na miesiąc, a średnie koszty chłodzenia wynoszą odpowiednio od 0,55 zł/m² miesiąc do 1,2 zł/m² m-c.

Budynki o dużej powierzchni przegród przeźroczystych stwarzają problemy użytkowe latem i wymagają dużej ilości energii na chłodzenie. Trzeba też zauważyć, że wzrost produkcji energii elektrycznej wiąże się najczęściej z równoległą produkcją energii cieplnej w elektrociepłowniach, której latem nie ma gdzie zagospodarować. Konieczność chłodzenia budynków latem stwarza duże problemy dla makroenergetyki oraz środowiska naturalnego.

Potrzebne są rozwiązania umożliwiające ograniczanie zysków cieplnych, które nie wymagają dodatkowej energii. Takimi rozwiązaniami są wszelkiego rodzaju osłony przeciwsłoneczne, stosowane powszechnie w krajach południowych. Jednym z rozwiązań są materiałowe osłony przeciwsłoneczne o handlowej nazwie: markizy, refleksole, markizolety, skriny, pozwalające ograniczyć zyski ciepła w okresie chłodniczym.

Fot. 1. Widok markizy (refleksoli) do zewnątrz i od wewnątrz

Parametry techniczne osłon przeciwsłonecznych

Zapewnienie odpowiednich warunków komfortu użytkowania pomieszczeń może być zadaniem trudnym i eksploatacyjnie kosztownym. Warto więc rozważyć stosowanie różnego rodzaju osłon przeciwsłonecznych pozwalających wykorzystywać energię słoneczną w okresach, kiedy jest potrzebna i ograniczać niekorzystne oddziaływanie energii słonecznej, gdy jest jej nadmiar. Najlepszą ochronę przed energią słoneczną latem mogą zapewnić ruchome urządzenia przeciwsłoneczne, takie jak:

• różnego rodzaju zasłony, żaluzje opuszczane lub podnoszone, stosowane od wewnątrz;
• rolety, których podstawową funkcją jest ochrona budynku przed stratami ciepła zimą. Mogą pełnić też funkcję ochrony przeciwsłonecznej, jednak stosowanie tego rodzaju osłon podczas użytkowania pomieszczeń wymaga uruchomienia sztucznego oświetlenia zużywającego energię elektryczną i zwiększającego niechciane latem zyski ciepła od działającego oświetlenia;
• okiennice ze stałym lub regulowanym nachyleniem żaluzji, najczęściej drewnianych lub metalowych;
• żaluzje zewnętrzne z regulowanym ręcznie lub automatycznie kątem nachylenia listewek, opuszczane lub podnoszone w zależności od potrzeb i stosowane od zewnątrz;
• wykonane ze specjalnego materiału perforowanego, dla których stosowane są różne nazwy: skriny, markizy, markizolety, refleksole – opuszczane lub podnoszone automatycznie lub ręcznie, stosowane od wewnątrz.

O skuteczności ochrony przeciwsłonecznej danego rozwiązania decyduje wartość f_C, określającą współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne. Wartość fc zależy do koloru, intensywności perforacji, rodzaju materiału. Na skuteczność osłony ma wpływ zastosowany system sterowania. Aktualnie ze względów ekonomicznych najczęściej stosuje się osłony przeciwsłoneczne sterowane ręcznie, gdzie regulacja odbywa się za pomocą przełącznika uruchamiającego silnik elektryczny. Sterowanie osłonami przeciwsłonecznymi wymaga oddzielnego omówienia.

Fot. 2. Widok perforowanej tkaniny stosowany w markizach, skrinach, refleksolach

Bilans energetyczny okna z osłoną 

Ocenę skuteczności osłony przeciwsłonecznej należy wykonać w odniesieniu do samego okna oraz do stolarki wbudowanej w budynek, w którym uwzględnia się pojemność cieplną budynku. W tabeli 5 i 6 zamieszono wyniki obliczeń bilansu energetycznego okna o wymiarach 1,48x1,23 m, o współczynniku przenikania ciepła spełniającego aktualne minimalne wymagania prawne, tj. U_w=1,3 i g_n=0,63 oraz okna o współczynniku przenikania ciepła odpowiadającemu budynkom pasywnym – U_w=0,8 W/m²K i g_n=0,62 z osłoną wewnętrzną oraz zewnętrzną o f_c=0,75, 0,2, 0,1 i 0,06 ze sterowaniem ręcznym i automatycznym, w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne. Zastosowanie osłon przeciwsłonecznych dla okna spełniającego minimalne wymagania prawne zmniejsza zużycie energii nieodnawialnej pierwotnej na ogrzewanie i chłodzenie i wynosi około 30%. Dla okna do budownictwa pasywnego zmniejszenie zużycia nieodnawialnej energii pierwotnej na ogrzewanie i chłodzenie przekracza 40%. Bilans energetyczny okna bez osłony i z osłoną zewnętrzną potwierdza, że ze względów optymalizacji efektywności energetycznej i ekologicznej poszczególnych elementów budynku osłona jest rozwiązaniem pożądanym. Stosowanie sterowania ręcznego może w niektórych przypadkach okazać się rozwiązaniem właściwym, a w niektórych przypadkach, jak pokazały zamieszone w tabelach 5 i 6 wyniki obliczeń, bardzo uzasadnionym.

Na skuteczność działania osłon przeciwsłonecznych mają wpływ następujące czynniki:

• współczynnik gn określający całkowitą przepuszczalność energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia. wartość gn może dla aktualnie produkowanych szyb wahać się od 0,67 do 0,32.
• współczynnik f_C określający redukcję promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne;
• automatykę sterującą pracą urządzeń przeciwsłonecznych;
• izolacyjność termiczną osłony przeciwsłonecznej w połączeniu z oknem;
• izolacyjność termiczną okna;
• szczelność połączenia okna z murem oraz szczelność samego okna.

Wartość f_c może być wyznaczana indywidulanie, w zależności od zastosowanego szklenia lub przyjęta na podstawie danych producenta osłony. Wartość całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego szklenia z osłoną przeciwsłoneczną usytuowaną od zewnątrz można obliczyć zgodnie z normą PN-EN 13363-1 wykorzystując następujące dane:

• współczynnik przenikania ciepła szklenia UG; 
• współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego szklenia – g;
• współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego osłony przeciwsłonecznej τ, który można przyjmować na podstawie tabeli 7;
• współczynnik odbicia promieniowania słonecznego osłony przeciwsłonecznej ρ, który można przyjmować na podstawie tabeli 7. 

wykorzystując wzór:

przy czym dla przegród przeźroczystych wartość g wg „Warunków technicznych” nie może być większa niż:

Na tej podstawie można skorzystać z szyby, której wartość g_n≤0,35. Wówczas nie ma obowiązku stosowania dodatkowych osłon przeciwsłonecznych. Można też zastosować szyby o wyższej wartości gn wraz z osłonami przeciwsłonecznymi. Chcąc uniknąć stosowania osłon przeciwsłonecznych inwestorzy wraz z projektantami decydują się na zaprojektowanie specjalnych szyb o np. g_n≤0,35 pozwalające spełnić wymagania prawne. Niestety, wybieg taki ma wpływ negatywny na zużycie energii. Na potrzeby artykułu porównano skutki zastosowania stolarki okiennej o U_w=1,3 W/m²K z szybą o g_n=0,33 oraz okna o Uw=1,3 W/m²K z szybą o g_n=0,63 i z osłoną przeciwsłoneczną o f_c=0,08, sterowaną automatycznie w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne. Budynek spełniający aktualne wymagania prawne zlokalizowano we Wrocławiu. Wyniki analiz zamieszczono w tabeli 8.

Zastosowanie szyb o g=0,33 zmniejsza w istotny sposób zapotrzebowanie na energię chłodniczą i pozwala chronić budynek przed przegrzewaniem, jednak obniżenie wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego szklenia ma niekorzystny wpływ na zapotrzebowanie na energię do celów grzewczych. Zastosowanie osłon przeciwsłonecznych o g_n=0,63 wraz z osłonami przeciwsłonecznymi sterowanymi automatycznie w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne o f_c=0,08 w stosunku do stolarki okiennej z szybami o g_n=0,33 pozwala zaoszczędzić około 30% nieodnawialnej energii pierwotnej oraz zabezpieczyć skuteczniej budynek przed przegrzewaniem. 

Obliczanie wpływu ruchomych osłon przeciwsłonecznych na zyski energii słonecznej 

Sumę zysków ciepła od źródeł słonecznych w rozpatrywanej strefie budynku oblicza się stosując poniższe równanie:

b_tr,i – czynnik dostosowania do przyległej strefy nieklimatyzowanje z wewnętrznym źródłem ciepła l zdefiniowanym w PN-EN ISO 13789:2008,

ф_sol,min,k – uśredniony w czasie strumień ciepła od źródła ciepła od nasłoneczenienia k,

ф_sol,min,k – uśredniony w czasie strumień ciepła od źródła ciepła od nasłoneczenienia l od przyległęj przestrzeni klimatyzowanej

t – długość rozpatrywanego okresu

Efektywna powierzchnia zbierająca elementów budynku

Powierzchniami zbierającymi, które należy wziąć pod uwagę są: oszklenia, zewnętrzne elementy nieprzeźroczyste, ściany wewnętrzne i podłogi oraz ściany za przeźroczystą obudową lub przeźroczystą izolacją.

Osłony przegród zewnętrznych mogą ograniczać w nieznaczny stopniu straty ciepła, mogą też ograniczać zyski ciepła. Idealnym działaniem osłon przeciwsłonecznych jest: umożliwienie w okresie ogrzewczym gromadzenia energii słonecznej podczas dnia a podczas nocy ograniczać straty ciepła. W okresie chłodniczym konieczne jest ograniczenie zysków ciepła w ciągu dnia przy spełnieniu odpowiedniej przejrzystości przegrody. Potrzebne są nam osłony o zmiennych parametrach, np. ruchome. Wyznaczanie wpływu osłon przeciwsłonecznych na energochłonność budynku można wykonać zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 roku, wg której dla każdego otworu i dla każdego miesiąca oblicza się: 

gdzie: 

F_sh,ob – czynnik redukcji zacienienia związany z zewnętrznymi elementami zacieniającymi dla efektywnego pola powierzchni zbierającej liczony na podstawie normy PN-EN ISO 13790

A_sol – efektywne pole powierzchni zbierającej z daną orientację i kątem pochylenia w rozpatrywanej strefie. Efektywne pole powierzchni zbierającej promieniowania słonecznego jest równe polu powierzchni ciała czarnego mającego ten sam zysk ciepła od nasłonecznienia co rozpatrywane pole powierzchni 

I_sol – napromieniowanie słoneczne, średnia energia promieniowania słonecznego dla kroku czasowego obliczania na 1 m² powierzchni zbierającej z daną orientacją i kątem nachylenia

F_r – czynnik kierunkowym między elementami budynku a nieboskłonem wynoszący 1 dla dachu oraz 0,5 dla ścian niezacienianych,

ф_r – dodatkowy strumień ciepła w wyniku promieniowania cieplnego do nieboskłonu od elementu budynku ,

Zacienienie stałych elementów wyznacza się ze wzoru: 

gdzie:

F_hor – czynnik zacienienia od otoczenia wyznaczany na podstawie: kąta wzniesienia (0..40)°, orientacji okna oraz szerokości geograficznej: (49, 50, 51, 52, 53, 54)°,

F_ov – czynnik zacienienia od elementów pionowych wyznaczany na podstawie: kąta dla elementu pionowego (0..60)°, orientacji okna szerokości geograficznej: (49, 50, 51, 52, 53, 54)°,

F_fin – czynnik zacienienia od elementów poziomych wyznaczany na podstawie: kąta dla elementu poziomego (0..60)°, orientacji okna szerokości geograficznej: (49, 50, 51, 52, 53, 54)°,

A_sol – efektywne pole powierzchni nasłonecznionej wyznaczane według wzoru: 

gdzie:

F_sh,gl – współczynnik zacienienia związany z ruchomymi elementami zacieniającymi,

g_gl – całkowita przepuszczalność promieniowania słonecznego dla przeźroczystej części elementu

F_F – ułamek powierzchni ramy obliczony jako stosunek pola powierzchni ramy do pola powierzchni elementu oszklonego,

A_w,p – całkowite pole powierzchni elementu oszklonego, 

Promieniowanie cieplne do nieboskłonu oblicza się według wzoru:

R_se – zewnętrzny opór przejmowania elementu budynku,

U_c – współczynnik przenikania ciepła elementu budynku,

A_c – pole powierzchni elementu, 

 – średnia różnica pomiędzy temperaturą powietrza i pozorna temperaturą nieboskłonu

h_r – zewnętrzny wsp. przejmowania ciepłą przez promieniowanie obliczany według wzoru: 

gdzie

ε – emisyjność zewnętrznej powierzchni promieniowania cieplnego,

σ – stałą Stefana – Boltzmanna 

Θ_ss – średnia arytmetyczna temperatury powierzchni i temperatury nieboskłonu

Zacienienia od ruchomych urządzeń zacieniających oblicza się ze wzoru: gdzie:

g_gl – współczynnik. przepuszczalności energii promieniowania słonecznego bez ruchomych elementów zacieniających,

g_gl+sh – współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego z ruchomymi elementami zacieniającymi,

f_sh,with – udział czasu użycia ruchomych elementów zacieniających,

Przepuszczalność energii słonecznej przez elementy oszklone

Uśredniona w czasie całkowita wartość przepuszczalności energii słonecznje jest trochę niższa do g_n stusje się czynnik korekcyjny F_w

W przypadku braku wartości krajowych, wartość czynnika korekcyjnego F_W = 0,9. W przypadku okien lub innych elementów obudowy z oszkleniem rozpraszającym lub urządzeniami zacieniającymi, współczynnik przepuszczania energii słonecznej dla promieniowania prostopadłego do oszklenia (padającego pod kątem prostym), gn, może zbyt nisko oszacować uśrednioną w czasie przepuszczalność energii promieniowania słonecznego. Uśredniony w czasie współczynnik przepuszczania energii słonecznej oblicza ze wzoru:

a_gl – czynnik wagi, reprezentowany dla położenia okna , klimatu i sezonu,

g_gl,alt – współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego o wysokości kątowej altg reprezentowny dla położenia okna, klimatu i sezonu,

g_gl,dif – współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego dla izotropowego rozproszonego promieniowania słonecznego.

W przypadku braku wartości krajowych należy stosować następujące wartości: a_gl = 0,75 i a_ltgl = 45. 

Podsumowanie 

Stosowanie osłon przeciwsłonecznych pozwala: 

• w znaczący sposób zmniejszyć zużycie energii na chłodzenie obiektu w okresie chłodniczym,
• skrócić długość sezonu chłodniczego,
• zapewnić w pomieszczeniach wewnętrznych odpowiedni klimat komfortu,
• obniżyć pominąć konieczność stosowania urządzeń chłodniczych lub w znaczący sposób obniżyć moc urządzeń chłodniczych,
• przy prawidłowym dobraniu parametrów osłony przeciwsłonecznej, użytkować pomieszczenia z wykorzystaniem światła zewnętrznego bez konieczności użycia światła sztucznego,
• chronić użytkowników przed zjawiskiem olśnienia, 
• umożliwia spełnienie wymagań prawych w zakresie nieodnawialnej energii pierwotnej EP.