Projektowe charakterystyki energetyczne przegród z izolacją transparentną
Fragment izolacji transparentnej o strukturze włókniny poliwinylowej
Archiwum autorów
Jednym ze sposobów minimalizacji strat ciepła przez przegrodę jest dokonanie zmian technologicznych w jej budowie. Można to zrobić np. przez wprowadzenie warstwy, której zadanie będzie polegać nie tylko na dobrym izolowaniu, ale przede wszystkim na pozyskiwaniu energii ze środowiska.
Zobacz także
PU Polska – Związek Producentów Płyt Warstwowych i Izolacji Płyty warstwowe i odnawialne źródła energii jako duet energooszczędności
Płyty warstwowe od wielu lat cieszą się niesłabnącą popularnością wśród projektantów i wykonawców skupionych wokół budownictwa przemysłowego. Coraz częściej jednak biura projektowe sięgają po ten produkt...
Płyty warstwowe od wielu lat cieszą się niesłabnącą popularnością wśród projektantów i wykonawców skupionych wokół budownictwa przemysłowego. Coraz częściej jednak biura projektowe sięgają po ten produkt w kontekście domów jedno- lub wielorodzinnych. W zestawieniu z pozyskiwaniem energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii (OZE) stanowią gotowy przepis na sprawnie zaizolowany termicznie budynek z osiągniętą niezależnością energetyczną.
fischer Polska sp. z o.o. Zalecenia dotyczące renowacji istniejącego systemu ETICS
Przed podjęciem decyzji o wykonaniu dodatkowego docieplenia konieczna jest szczegółowa inwentaryzacja istniejącego układu/systemu ocieplenia oraz podłoża. Ocenę taką należy wykonać etapowo.
Przed podjęciem decyzji o wykonaniu dodatkowego docieplenia konieczna jest szczegółowa inwentaryzacja istniejącego układu/systemu ocieplenia oraz podłoża. Ocenę taką należy wykonać etapowo.
RAXY Sp. z o.o. Nowoczesne technologie w ciepłych i zdrowych budynkach
Poznaj innowacyjne, specjalistyczne produkty nadające przegrodom budowlanym odpowiednią trwałość, izolacyjność cieplną i szczelność. Jakie rozwiązania pozwolą nowe oraz remontowane chronić budynki i konstrukcje?
Poznaj innowacyjne, specjalistyczne produkty nadające przegrodom budowlanym odpowiednią trwałość, izolacyjność cieplną i szczelność. Jakie rozwiązania pozwolą nowe oraz remontowane chronić budynki i konstrukcje?
Funkcję takiej warstwy pełni m.in. izolacja transparentna. Zastosowanie przegród z izolacją transparentną wymaga jednak wiedzy z zakresu technologii montażu i sposobu ich eksploatacji, a także z zakresu metodyki obliczania charakterystyki energetycznej tego typu przegród. Wiedza ta jest konieczna, aby móc w odpowiedni sposób uwzględnić właściwości przegrody w bilansie cieplnym budynku.
Obecnie praktycznie żaden program komputerowy służący do wspomagania pracy projektanta nie uwzględnia możliwości zastosowania w obliczeniach przegród pozyskujących energię słoneczną [1, 2].
Istota działania izolacji transparentnej
Izolacją transparentną (TI) nazywa się strukturę, której konstrukcja umożliwia przenikanie promieniowania krótkofalowego (słonecznego) przy jednoczesnym ograniczeniu strat ciepła do otoczenia na drodze konwekcji i radiacji w zakresie promieniowania długofalowego (cieplnego) oraz przewodzenia. Strukturę bilansu cieplnego ściany z izolacją transparentną przedstawiono na rys. 1.
Istotę działania izolacji transparentnej można opisać następująco [3]:
- promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię TI częściowo wnika do przezroczystej płyty, a częściowo zostaje od niej odbite,
- promieniowanie dociera przez TI do warstwy absorbującej i zostaje przekształcone w ciepło,
- dzięki dobrej przewodności cieplnej materiału ściennego (warstwa masywna) ciepło zostaje odprowadzone do wnętrza pomieszczenia,
- materiał ścienny służy jednocześnie jako akumulator ciepła.
Charakterystyka przyjętej metodologii
O efektywności zastosowanego rozwiązania decydują nie tylko rozwiązania materiałowo-technologiczne, lecz także warunki klimatyczne związane z oddziaływaniem lokalnych wpływów środowiskowych.
Wartości natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi w Polsce są silnie zróżnicowane. Ze względu na ilość energii możliwej do pozyskania z promieniowania słonecznego obszar Polski podzielono na jedenaście regionów helioenergetycznych [4].
Aby zaprezentować skuteczność obliczeniową pozyskania energii słonecznej przez izolację transparentną wbudowaną w ścianę zewnętrzną budynku, wytypowano po cztery regiony helioenergetyczne – korzystne oraz mało korzystne.
W zależności od powierzchni regionów wybrano maksymalnie trzy miejscowości. Dla każdego z regionów określono miejscowość z najmniejszą i największą roczną sumą całkowitego promieniowania słonecznego. Dodatkowo wytypowano miejscowości najbardziej zdaniem autorów reprezentatywne. Przyjęte do analiz regiony oraz miejscowości przedstawiono w tabeli 1.
Zgodnie z obowiązującą metodologią obliczania charakterystyki energetycznej budynku przyjęto, iż obliczenia związane ze stratą i pozyskaniem energii będą prowadzone metodą bilansów miesięcznych [5]. Wartości sum miesięcznych natężenia promieniowania słonecznego przyjęto na podstawie ogólno dostępnych danych wskazanych przez Ministerstwo Infrastruktury [6].
Analizowano pięć rodzajów izolacji transparentnej, wszystkie o grubości 10,0 cm, w odniesieniu do których przyjęto jednakowy współczynnik absorpcji (pochłaniania) promieniowania słonecznego α = 0,95. W tabeli 2 zestawiono charakterystykę radiacyjno-optyczną oraz cieplną transparentnych struktur termoizolacyjnych przyjętych na podstawie pracy L. Laskowskiego [7].
Obliczenia współczynnika przenikania ciepła U zostały wykonane z uwzględnieniem zróżnicowanego usytuowania przegrody budowlanej względem stron świata. Przyjęto, iż tego typu przegrody powinny być tak usytuowane, aby jak najlepiej pozyskiwały energię słoneczną, a jednocześnie minimalizowane było przegrzewanie.
Jako reprezentatywne wybrano następujące zorientowanie przegrody z izolacją transparentną względem stron świata: południe, południowy wschód oraz południowy zachód. Część konstrukcyjną ściany stanowi mur z cegły betonowej prasowanej o grubości 38,0 cm o współczynniku przewodzenia ciepła λ = 1,3 W/(m·K).
Zagadnienie obliczania współczynnika przenikania ciepła U nietypowych elementów ścian zewnętrznych zostało przedstawione m.in. w pracach [1, 7, 8] oraz w normie PN-EN 832:2001, Az: 2006 [5]. Rzeczywiste funkcjonowanie przegrody z izolacją transparentną próbowano opisywać (obliczać) z wykorzystaniem uproszczonej sieci cieplnej.
Takie podejście opisał Goetzberger w 1984 r. Zastosowanie typowego zawartego w literaturze sposobu obliczeń jest dość skomplikowane i nie zawsze nadaje się do zastosowania w metodach komputerowych. W obliczeniach uproszczonych dobrym przybliżeniem dla ekwiwalentnego współczynnika przenikania ciepła Ueq jest wzór Wossa [1]:
gdzie:
Ic – natężenie promieniowania słonecznego [W/m²],
Δt – różnica temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego [K].
Wzór ten uwzględnia własności izolacji transparentnej w sposób pośredni i nie nadaje się do obliczeń w metodzie bilansów miesięcznych. Wydaje się, iż najlepszą metodą obliczeń będzie zastosowanie metody sumowania strumieni energii pozyskanej i traconej przez przegrodę w okresie bilansowania. Strumień ten można obliczyć zgodnie ze wzorem [9]:
gdzie:
q – strumień ciepła przepływający przez przegrodę z izolacją transparentną [W/m²],
U – współczynnik przenikania ciepła całej przegrody (po przekształceniu wzoru (3)) [W/m²·K],
ti – temperatura powietrza wewnętrznego [ºC],
te – temperatura powietrza zewnętrznego [ºC],
ξTI – współczynnik transmisyjności (przepuszczalności) promieniowania słonecznego,
α – współczynnik absorpcji,
Ic – natężenie promieniowania słonecznego (suma miesięczna) [W/m²].
Na potrzeby obliczeń bilansowych można zastosować przedstawioną niżej procedurę z uwzględnieniem tego, iż jest ona uproszczona, jednak wystarczająco dokładna dla ścian budynków mieszkalnych bez systemu chłodzenia, w odniesieniu do których udział powierzchni izolacji transparentnej nie przekracza 10–30% powierzchni ściany od strony południowej.
Poszczególne kroki obliczeniowe proponowanej procedury są następujące [9]:
- obliczenie współczynnika oporu cieplnego przegrody zgodnie ze wzorem (3):
gdzie:
d – grubość przegrody bez izolacji transparentnej [m],
λ – współczynnik przewodzenia ciepła przegrody jednorodnej [W/m·K],
dTI – grubość warstwy izolacji transparentnej [m],
λTI eq – ekwiwalentny współczynnik przewodzenia ciepła izolacji transparentnej [W/m·K] podawany przez producenta izolacji,
- obliczenie miesięcznych strat ciepła przez przegrodę zgodnie ze wzorem (4):
gdzie:
RT – jak we wzorze (2),
Δt – różnica temperatury wewnętrznej i średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego, na podstawie bazy danych meteorologicznych [6],
ni – liczba dni w miesiącu.
- obliczenie miesięcznych zysków ciepła od promieniowania słonecznego ze wzoru (5):
- obliczenie strumienia cieplnego q w odniesieniu do każdego miesiąca:
Korzystając z przekształcenia ogólnie znanego wzoru, obliczamy współczynnik pozyskania (przenikania) ciepła dla fragmentu przegrody z izolacją transparentną UTI:
W obliczeniach wskaźnika EP należy uwzględnić obliczeniową liczbę miesięcy w zależności od wyposażenia budynku [5]:
- niewyposażonych w instalację chłodzenia, a więc takich, w odniesieniu do których bilans cieplny wykonuje się z uwzględnieniem 9 mies. w ciągu roku,
- wyposażonych w instalację chłodzenia, a więc takich, w odniesieniu do których bilans cieplny wykonuje się z uwzględnieniem 12 mies. w ciągu roku.
Ponadto należy uwzględnić, iż metoda ma zastosowanie przy izolacji transparentnej, w odniesieniu do której znane są charakterystyki radiacyjno-optyczne (α, ξTI) oraz cieplne λTIeq, a ściana budynku jest masywna, o dobrej zdolności akumulacji ciepła (ceramika, beton). Podana metoda ma praktyczne zastosowanie we wszystkich budynkach ogrzewanych, w odniesieniu do których wykonuje się obliczenia wskaźników EP (energii pierwotnej) i EK (energii końcowej).
Wyniki analiz
Zgodnie z przyjętymi wcześniej założeniami dotyczącymi regionów helioenergetycznych Polski i rodzaju izolacji transparentnej wykonano obliczenia współczynnika pozyskania energii UTI. Uzyskane wyniki obliczeń pokazano na rys. 2–5 i 6–9. Na rys. 2–5 przedstawiono wyniki obliczeń współczynnika pozyskania ciepła UTI ściany z izolacją transparentną w regionach korzystnych: nadmorskim, świętokrzysko-sandomierskim, śląsko-mazowieckim, podlasko-lubelskim. Na rys. 6–9 przedstawiono wyniki obliczeń współczynnika pozyskania ciepła UTI ściany z izolacją transparentną w regionach mało korzystnych: wielkopolskim, górnośląskim, warszawskim, suwalskim.
W odniesieniu do regionów korzystnych wartości współczynnika pozyskania ciepła UTI wahają się w granicach UTI = 3,148–7,105 W/(m²·K) w zależności od rodzaju izolacji transparentnej. Natomiast w przypadku regionów mało korzystnych wartości wahają się w granicach UTI = 3,100–6,823 W/(m²·K). W odniesieniu do wszystkich analizowanych regionów najniższą wartością współczynnika UTI charakteryzuje się izolacja transparentna typu pianka poliwęglanowa (TI-1), najwyższą zaś – TI-2, czyli izolacja transparentna o strukturze włókniny poliwinylowej (rys. na górze). Wybrane wyniki analiz zestawiono w tabeli 3.
Uzyskana obliczeniowa wartość współczynnika pozyskania ciepła UTI [W/(m²·K)] jest dodatnia, co oznacza, że przepływ ciepła występuje od środowiska do pomieszczenia. Przy obliczaniu charakterystyki energetycznej budynku – wskaźnika zapotrzebowania na energię pierwotną EP lub końcową EK – wartość UTI należy traktować jako wartość ujemną.
Podsumowanie
W artykule przedstawiono uproszczoną metodę obliczania współczynnika pozyskania ciepła przez przegrodę z izolacją transparentną. Zgodnie z obowiązującą metodologią obliczania charakterystyk energetycznych budynku, obliczenia związane ze stratą i pozyskaniem energii były prowadzone metodą bilansów miesięcznych. Analizowano pięć rodzajów izolacji transparentnej, wszystkie o grubości 10,0 cm, w odniesieniu do których przyjęto jednakowy współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego α = 0,95. Wybrano 8 regionów helioenergetycznych Polski według pracy A. Chochowskiego [4]. Jako kryterium przyjęto maksymalne i minimalne wartości sum rocznych natężenia promieniowania słonecznego. W zależności od powierzchni regionów wytypowano maksymalnie po trzy miejscowości, w sumie obliczenia wykonano w odniesieniu do 19 miejscowości.
Analizy wyników obliczeń wykazały, że współczynnik pozyskania ciepła UTI zależy zasadniczo od zorientowania przegrody względem stron świata oraz usytuowania budynku w strefie klimatycznej (natężenie promieniowania słonecznego i temperatura powietrza zewnętrznego), a jego wartość powinna być indywidualnie obliczana w odniesieniu do każdego budynku. Metoda ta może mieć zastosowanie jako dodatkowy moduł obliczeniowy w każdym programie służącym do sporządzania certyfikatów energetycznych.
Literatura
- T. Kisielewicz, „Wpływ izolacyjnych, dynamicznych i spektralnych właściwości przegród energooszczędnych”, Monografia 364, seria: Inżynieria Lądowa, Kraków 2008.
- „Budownictwo ogólne”, t. 2: „Fizyka budowli”, P. Klemm i in., Wydawnictwo ARKADY, Warszawa 2005.
- A. Ujma, „Zasady i możliwości stosowania izolacji transparentnych”, „IZOLACJE”, nr 1/2003, s. 36–45.
- A. Chochowski, D. Czekalski, „Słoneczne instalacje grzewcze”, Centralny Ośrodek Informacji Budowlanej, Warszawa 1999.
- PN-EN 832:2001, Az: 2006, „Właściwości cieplne budynków. Obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Budynki mieszkalne”.
- „Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków”, www.mi.gov.pl.
- L. Laskowski, „Ochrona cieplna i charakterystyka energetyczna”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
- M. Tokarczyk, A. Koczyk, „Wpływ warunków zewnętrznych na sprawność pozyskiwania ciepła ściany kolektorowo-akumulacyjnej z izolacją transparentną”, Konferencja Naukowo-Techniczna „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, Łódź 2003, s. 672–682.
- B. Orlik-Kożdoń, T. Steidl, „Projektowe charakterystyki energetyczne budynków”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2010, s. 47–49.