Opłacalność zastosowania chłodnych dachów w polskich warunkach klimatycznych

Zastosowanie tzw. chłodnych dachów (z ang. Cool Roofs) pozwala ograniczyć zapotrzebowanie energii na klimatyzację. I o ile największe oszczędności można osiągnąć przede wszystkim w przypadku klimatu ciepłego i gorącego, korzyści z zastosowania chłodnych dachów można również uzyskać w klimacie chłodnym, zwłaszcza w przypadku klimatyzowanych latem budynków o dużej powierzchni zabudowy [2].

Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie słoneczne to naturalne źródło energii docierającej do powierzchni Ziemi, a zarazem podstawowy parametr klimatyczny w zasadniczy sposób rzutujący na pozostałe parametry klimatu, takie jak temperatura czy wilgotność powietrza zewnętrznego [3].

Natężenie promieniowania słonecznego zmierzone w górnej części atmosfery wynosi 1370 W/m2 - wielkość tę określa się jako stałą słoneczną [4]. Zanim dotrze ono do Ziemi część promieniowania słonecznego zostaje pochłonięta przez atmosferę, część zaś ulega rozproszeniu oraz odbiciu. W rezultacie do powierzchni dociera około 1000 W na każdy metr kwadratowy prostopadły do padającego promieniowania [3].

Docierające do powierzchni Ziemi promieniowanie słoneczne można podzielić na promieniowanie bezpośrednie, czyli działające wzdłuż kierunku między miejscem obserwacji a Słońcem, promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne), docierające do powierzchni planety ze wszystkich kierunków, na skutek często wielokrotnego odbicia w cząsteczkach atmosfery, od chmur oraz od powierzchni Ziemi. W spektrum promieniowania słonecznego znajdują się zakresy fal elektromagnetycznych od ultrafioletu (ok. 7%) o długości fali poniżej 350 nm, przez światło widzialne (ok. 46%)o długości fali od 350 do 750 nm, po bliską i środkową podczerwień (ok. 47%) o fali długości powyżej 750 nm [5].

Cały zakres promieniowania słonecznego przez człowieka odbierany jest jako światło białe. Gęstość strumienia promieniowania słonecznego jest taka sama w poszczególnych częściach globu, jednak ilość energii, jaka ostatecznie zostanie dostarczona, uzależniona jest od takich czynników, jak szerokość geograficzna (i związana z nią ilość dni o dużej ilości godzin słonecznych), wielkość lądów i oceanów, prądy morskie, wysokość nad poziomem morza, ukształtowanie terenu, ale również od stanu i składu atmosfery, zachmurzenia i zamglenia oraz nachylenia płaszczyzny, na którą pada promieniowanie.

Przy przechodzeniu promieniowania przez ośrodek energia promieniowania nie jest tracona [4]. Jeśli na drodze promieniowania znajduje się dowolne ciało, część promieniowania jest odbijana (odbicie), część jest pochłaniana i zmieniana w inną formę energii (absorpcja/pochłanianie), część zaś bez przeszkód przechodzi przez ciało (transmisja/przenikanie).

Jeśli promieniowanie odbywa się między powierzchniami dwóch ciał stałych, następuje dwukrotna zamiana formy energii: cieplnej na elektromagnetyczną na powierzchni ciała promieniującego i elektromagnetycznej na cieplną na powierzchni ciała pochłaniającego [6]. A zatem pewna część docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania słonecznego zostaje odbita, część zaś pochłonięta przez powierzchnię planety oraz znajdujące się na niej obiekty. Promieniowanie odbite (w wielu przypadkach wielokrotnie) ostatecznie również zostaje w znacznej części pochłonięte, podnosząc temperaturę pochłaniających obiektów i stając się jednocześnie źródłem promieniowania cieplnego długofalowego.

Podstawowym prawem fizycznym opisującym zjawisko promieniowania cieplnego jest prawo Stefana-Boltzmanna, określające związek między temperaturą a całkowitą energią emitowaną w jednostce czasu przez ciało o danej temperaturze, przez element o jednostkowym przekroju, i wyrażone wzorem [4]:

gdzie:

E - ilość energii wypromieniowanej z jednostki powierzchni rozważanego ciała o temperaturze T [K],

ε - współczynnik absorbcji lub emisyjności,

σ - stała Stefana-Bolzmana, wynosząca 5,67∙10–8 W/(m2∙K4),

T - temperatura termodynamiczna bezwzględna [K].

Dwuczłonowa nazwa współczynnika absorpcji lub emisyjności ε (przy czym 0  ≤  ε  <  1) wynika z prawa Kirchhoffa, które można zapisać wzorem [3, 4]:

gdzie:

E - natężenie promieniowania (ilość energii wypromieniowanej z jednostki powierzchni) rozważanego ciała, nazywanego „ciałem szarym” [W/m2],

E₀ - natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego [W/m2].

Oznacza to, iż stosunek natężenia promieniowania ciała szarego do zdolności pochłaniania jest równy natężeniu promieniowania ciała doskonale czarnego; ujmując rzecz inaczej: emisyjność ciała szarego jest równa jego zdolności pochłaniania. Współczynnik absorpcji lub emisyjności uzależniony jest od kąta padania na daną powierzchnię oraz od długości fal promieniowania.

Na RYS. 1 przedstawiono zależność współczynnika ε dla wybranych materiałów od temperatury (a zatem również długości fal promieniowania).

Promieniowanie cieplne podlega wymianie między Ziemią i znajdującymi się na niej obiektami a atmosferą i chmurami (nieboskłonem) - temperatura tych obszarów zbliżona jest do temperatury ok. 300 K. Mamy więc do czynienia z promieniowaniem niskotemperaturowym, w przeciwieństwie do krótkofalowego i wysokotemperaturowego (temperatura Słońca wynosi ok. 6000 K) promieniowania słonecznego.

Chłodne dachy

Materiały wykorzystywane do wykonywania pokryć dachowych charakteryzują dwie cechy fizyczne (RYS. 2).

• Pierwsza to współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (określany również jako refleksyjność lub albedo). Jest to stosunek sumy energii słonecznej padającej na dach do ilości energii przez dach odbitej.
• Druga to emisja termiczna, czyli zdolność do odprowadzania zaabsorbowanej energii cieplnej [7].

Definicję "chłodnego dachu" (ang. cool roofs) podała Cool Roof Rating Council (Rada ds. Klasyfikowania Chłodnych Dachów): jest to produkt, który charakteryzuje się współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego (albedo) co najmniej 0,70 oraz emisją termiczną minimum 0,75 [8]. Należy jednak zaznaczyć, że w tym wypadku określenie "dach chłodny" odnosi się nie do przegrody, a jedynie do materiałów zastosowanych jako wierzchnia powłoka.

Chłodne dachy oznaczają się wysoką refleksyjnością, co oznacza, że odbijają znaczną część padających promieni słonecznych i w ten sposób oddają energię z powrotem do atmosfery - tylko nieznaczna część promieniowania absorbowana jest jako energia cieplna [7]. Dzięki zmniejszeniu emisji ciepła do wnętrza budynku, zmniejszone zostaje obciążenie urządzeń chłodzących podczas ciepłych pór roku.

Szacuje się, że oszczędności energii używanej do chłodzenia powietrza, przy zwiększeniu współczynnika odbicia z istniejącego 0,10-0,20 do 0,60 mogą wynosić nawet 20% [9].

Obok oszczędności energii, stosowanie chłodnych dachów wpływa również na obniżenie emisji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (CO2). Energia słoneczna zaabsorbowana przez dach oddawana jest w późniejszym okresie w postaci energii cieplnej.

Jak podają Akbari, Menon i Rosenfeld [9], zastosowanie jasnych powłok dachowych, zwłaszcza na obszarze wielkich aglomeracji miejskich (w połączeniu z jasnymi powierzchniami ulic), pozwoliłoby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych (w skali światowej) o 44 miliardy ton - chłodny dach na typowym nowym budynku o powierzchni 180 m2 pozwala zredukować emisję CO2 o ponad 103 kg/rok.

Dodatkowo stosowanie chłodnych dachów w aglomeracjach miejskich pozwoliłoby ograniczyć (a być może nawet zlikwidować) zjawisko tzw. miejskich wysp ciepła (RYS. 3), polegające na wzroście średniej temperatury od 1 do 5°C w porównaniu z sąsiadującymi obszarami wiejskimi [7].

Albedo tradycyjnych materiałów używanych do pokrywania dachów mieści się w zakresie od 0,10 do 0,25 - można zatem bezpiecznie założyć, że średnie albedo dla istniejących dachów nie przekracza 0,20 [9]. Zastosowanie białych gontów nie przyniosło spodziewanych rezultatów z uwagi na fakt, że szybko ulegały one zabrudzeniu [10]. Najlepsze parametry uzyskują natomiast jasne membrany dachowe, białe powłoki malarskie (w tym aluminiowe) oraz dachy metalowe z jednoczesnym zastosowaniem cienkich powłok malarskich (RYS. 4).

Przenikanie ciepła przez przegrodę dachową

Zadaniem systemu klimatyzacyjnego, obok wymiany powietrza z zanieczyszczonego na świeże, jest takie kształtowanie parametrów powietrze wewnętrznego, aby uzyskać warunki komfortu cieplnego.

Aby określić wydajność klimatyzacji, należy wykonać bilans cieplny budynku. O ile dla pełnej klimatyzacji, tj. obejmującej zarówno chłodzenie w miesiącach letnich, jak i ogrzewanie w zimowych, winno się wykonywać pełny bilans cieplny, to w polskich warunkach klimatycznych uwzględnia się najczęściej jedynie zyski ciepła, a więc wykonuje bilans cieplny dla miesięcy letnich.

Zyski ciepła w budynku należy podzielić na wewnętrze (pochodzące od ludzi, urządzeń, w tym oświetlenia, i innych przedmiotów znajdujących się wewnątrz budynków oraz od ścian sąsiadujących z innymi pomieszczeniami) i zewnętrzne (wynikające z różnicy temperatury po obu stronach przegród zewnętrznych oraz związane z nasłonecznieniem).

Zyski ciepła pochodzące od promieniowania słonecznego generowane są zarówno przez promieniowanie bezpośrednie, jak i rozproszone oraz odbitę i można podzielić na zyski przez przegrody przezroczyste (np. okna) i nieprzezroczyste (ściany oraz dach).

Przenikanie ciepła do wnętrza budynku przez przegrody nieprzezroczyste związane jest z dwoma zjawiskami: różnicą temperatury oraz promieniowaniem słonecznym, których efekty są uzależnione i wzajemnie powiązane. Chwilową gęstość strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę nieprzezroczystą określa wzór [11]:

gdzie:  

q_pn - gęstość strumienia ciepła [W/m2],

U - współczynnik przenikania ciepła przez przegrodę [W/(m2·K)],

t_m - średnia dobowa temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego [°C],

t_w - temperatura powietrza po wewnętrznej stronie przegrody [°C],

t_E - chwilowa temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego [°C],

ν - współczynnik zmniejszenia amplitudy.

Ciepło przenikające przez przegrodę nieprzezroczystą oddawane jest do pomieszczeń wewnętrznych z pewnym opóźnieniem (Δτ), ponieważ pewna jego część jest w niej kumulowana, co z kolei powoduje zmniejszenie amplitudy wahań temperatury po stronie wewnętrznej w stosunku do amplitudy temperatury na zewnętrznej stronie. Współczynnik zmniejszenia amplitudy (ν) można obliczyć według wzoru [11]:

gdzie:  

A_w - amplituda wahań temperatury po wewnętrznej stronie przegrody,

A_z - amplituda wahań temperatury po zewnętrznej stronie przegrody.

Współczynnik zmniejszenia amplitudy, podobnie jak opóźnienie, zależą od parametrów przegrody, tj. jej grubości, współczynnika przewodzenia ciepła, ciepła właściwego oraz gęstości materiałów, z których wykonano poszczególne warstwy przegrody, struktury i kolejności tych warstw, jak również współczynników wnikania ciepła po obu stronach przegrody (RYS. 5).

Przykładowe wartości opóźnienia przepływu oraz współczynnika zmniejszenia amplitudy dla jednorodnych przegród budowlanych przedstawiono w TAB. 1. W przypadku złożonych przegród budowlanych współczynnik zmniejszenia amplitudy ν należy określić korzystając ze schematu przedstawionego na RYS. 6.

Temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego to hipotetyczna (fikcyjna) wartość temperatury powietrza na zewnątrz budynku, przy której przenikanie ciepła przez nienasłonecznioną przegrodę byłoby takie samo, jak pod wpływem nasłonecznienia przy rzeczywistej temperaturze powietrza zewnętrznego (RYS. 7).

gdzie:  

t_E - temperatura słoneczna powietrza zewnętrznego [°C],

t_z - chwilowa temperatura powietrza zewnętrznego [°C],

E - współczynnik absorpcji promieniowania przez powierzchnię przegrody [-],

I_c - natężenie całkowitego promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię przegrody [W/m2],

α′_e - skorygowana wartość współczynnika wnikania ciepła od strony zewnętrznej [W/(m2·K)].

Temperaturę powietrza zewnętrznego (t_z) należy przyjąć na podstawie klimatycznych danych statystycznych - obszar Polski podzielono na dwie strefy klimatyczne (RYS. 8), dla których dobiera się tabelarycznie obliczeniowe temperatury powietrze zewnętrznego. Natomiast wartość współczynnika absorbcji promieniowania (E) uzależniona jest od rodzaju materiału, jego koloru oraz matowości (TAB. 2). Wartość całkowitego promieniowania słonecznego (I_c) dla ścian oraz dachów o nachyleniu połaci do poziomu mniejszym niż 30° przyjmuje się tabelarycznie.

Studium przypadku

Celem oceny opłacalności zastosowania chłodnych dachów w polskich warunkach klimatycznych przeprowadzono studium przypadku, przedstawiające redukcję zewnętrznych zysków ciepła mających na celu obniżenie kosztów energii niezbędnej do chłodzenia budynku przemysłowego. Badaniem został objęty wolno stojący budynek produkcyjny o powierzchni dachu wynoszącej 10  000 m2.

• Z uwagi na wymagania technologiczne w budynku przez 24 godziny na dobę utrzymywana jest temperatura 16°C.
• Pod uwagę zostały wzięte lokalizacje z obu stref klimatycznych, jakie występują w Polsce w okresie letnim, tj. Koszalin (strefa I) oraz Poznań (strefa II).
• Do obliczeń przyjęto pięć popularnych w kraju pokryć dachowych (RYS. 9), które następnie zostały pokryte powłoką z białej farby zawierającej pigment na bazie tlenku tytanu o współczynniku E wynoszącym 0,15.

Wyniki obliczeń, tj. średnią dzienną temperaturę w okresie letnim, zewnętrzne zyski ciepła przez dach dla poszczególnych przekrojów przed i po zastosowaniu powłoki na bazie bieli tytanowej oraz odpowiadające im wartości redukcji zysków ciepła przedstawiono na RYS. 10 dla Koszalina i na RYS. 11 dla Poznania.

Podsumowanie i wnioski

Przeprowadzona analiza wykazuje, że w warunkach strefy klimatów umiarkowanych, w jakiej znajduje się Polska, zastosowanie chłodnych dachów pozwala na ograniczenie przenikania ciepła przez przegrodę dachową w miesiącach letnich, co może mieć przełożenie na znaczne oszczędności związane z klimatyzacją.

Jak wykazała przeprowadzona analiza, bez względu na strukturę konstrukcji dachu, zastosowanie dodatkowej powłoki o wysokiej refleksyjności pozwala ograniczyć nagrzewanie się powierzchni dachu, a tym samym redukcję zysków ciepła średnio o 50,2% w pierwszej strefie klimatycznej oraz o 45,4% w drugiej strefie.

Najniższa uzyskana redukcja dla dachu o lekkiej konstrukcji budynku umiejscowionego w Poznaniu, ocieplonego wełną mineralną z membraną PVC, wyniosła ponad 30%. Najwyższa natomiast, w przypadku masywnego dachu budynku, z termoizolacją z polistyrenu ekstrudowanego oraz hydroizolacją z papy bitumicznej, znajdującego się w Koszalinie, blisko 62%.

Dopełnieniem przeprowadzonej analizy byłby pełny bilans cieplny, obejmujący również ogrzewanie budynku zimą, co pozwoliłoby zweryfikować tezę, że uzyskane latem oszczędności mogą nawet przewyższać zyski ciepła od promieniowania słonecznego uzyskiwane zimą [13].

Literatura

1. K. Patoka, "Dlaczego izolacja jest najważniejsza?", "IZOLACJE" 2/2009, s. 35.
2. B. Monczyński, B. Ksit, "Komu w Polsce są potrzebne chłodne dachy", "Inżynier Budownictwa" 2/2017, s. 96-100.
3. A. Dylla, "Fizyka cieplna budowli w praktyce - obliczenia cieplno-wilgotnościowe", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
4. H. Stocker, "Nowoczesne kompendium fizyki", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
5. P. Klemm, "Budownictwo ogólne”, t. 2: "Fizyka budowli", Arkady, Warszawa 2005.
6. J.A. Pogorzelski, "Fizyka cieplna budowli", Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1976.
7. M. Van Tijen, R. Cohen, "Dachy chłodne - sposób na obniżenie zużycia energii w budynkach", "IZOLACJE" 1/2009, s. 44-45.
8. "Cool Roof Rating Council", http://coolroofs.org/[dostęp: 8.05.2012].
9. H. Akbari, S. Menon, A. Rosenfeld, "Global cooling: Increasing world-wide urban albedos to offset CO2" Clim. Change, vol. 94, no. 3-4, 2009, pp. 275–286.
10. "Heat Island Group: Cool Roofs", http://eetd.lbl.gov/HeatIsland/CoolRoofs [dostęp: 5.01.2010].
11. A. Pełech, "Wentylacja i klimatyzacja. Podstawy", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
12. J. Ferencowicz, "Wentylacja i klimatyzacja", Arkady, Warszawa 1962.
13. C.A. Novak, S. Van Mantgem, "What’s So Cool About Cool Roofs?", http://coolroofs.org/%0Adocuments/CEU_WhatsSoCool.pdf [dostęp: 13.07.2018].

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!