Powłoki spektralnie selektywne jako elementy kształtujące zapotrzebowanie na energię w pomieszczeniach mieszkalnych

Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń jest wypadkową strat i zysków ciepła bilansowanych w ciągu całego roku.

Zimą dominują straty, więc konieczne jest ogrzewanie. Wiosnę i jesień traktuje się jako okresy przejściowe – straty ciepła mogą być czasowo równoważone zyskami energetycznymi, co pozwala na skrócenie czasu pracy instalacji grzewczych [1].

Latem (od czerwca do sierpnia) natomiast występują znaczne zyski słoneczne, przyczyniające się do wzrostu temperatury wewnętrznej. Aby utrzymać komfortowe warunki użytkowania, konieczne może być wówczas intensywne wietrzenie lub chłodzenie pomieszczeń.

Powłoki modyfikujące właściwości szkła

Zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia można ograniczyć m.in. przez wybór określonych cech oszklenia – jego izolacyjności cieplnej i przepuszczalności promieniowania słonecznego.

Te właściwości można regulować za pomocą powłok spektralnych selektywnych, modyfikujących właściwości optyczne i cieplne szkła. Szkło zwykłe charakteryzuje się względnie równomierną transmisyjnością promieniowania widzialnego oraz bliskiej i średniej podczerwieni. Przepuszczalność długofalowego promieniowania cieplnego jest niewielka, czego przejawem jest efekt szklarniowy [2, 3].

Powłoki modyfikujące właściwości szkła można klasyfikować na wiele sposobów: ze względu na technologię wykonania, zastosowane materiały, grubość lub liczbę warstw itp. Najistotniejszy z punktu widzenia potrzeb energetycznych jest podział powłok ze względu na ich zdolność odbicia promieniowania o różnej długości fali.

Pierwsze rozwiązania, pozwalające na ograniczenie strat ciepła dzięki zwiększonej zdolności odbicia promieniowania długofalowego, to powłoki niskoemisyjne na bazie związków cyny. Są one dość grube (ok. 400 nm) i nanosi się je na powierzchnię szkła metodą pyrolityczną.

Zalecane są głównie w warunkach klimatu chłodniejszego, zorientowanego na ogrzewanie pomieszczeń. Powłoki cieńsze (gr. 1–40 nm) wykonywane są zwykle na bazie srebra, metodą katodowego napylania w próżni. Ich właściwości zależą w znacznej mierze od liczby i grubości warstw [4].

Zwiększenie grubości powłoki nadaje szybie właściwości przeciwsłoneczne wskutek zmniejszenia transmisji promieniowania krótkofalowego, odpowiadającego za nagrzewanie pomieszczeń.

Powłoki o najbardziej zaawansowanych charakterystykach przeciwsłonecznych przepuszczają jedynie promieniowanie widzialne i praktycznie odcinają promieniowanie o większej długości fali. Rozwiązania te wykorzystywane są w cieplejszych klimatach i na silnie nasłonecznionych elewacjach o dużych powierzchniach oszkleń [5, 6].

Metoda obliczeń

Obliczenia przeprowadzono z wykorzystaniem programu symulacyjnego opracowanego przez Uniwersytet w Aalborg w Danii. Program ten może być wykorzystywany zarówno w celach badawczych, jak i projektowych. Umożliwia dynamiczną analizę zapotrzebowania na energię w pomieszczeniach mieszkalnych i użyteczności publicznej [7].

Sposób obliczeń oparty jest na metodzie objętości kontrolnych, w której elementy konstrukcji budynku i zamknięte strefy powietrza reprezentowane są przez punkty węzłowe o określonych właściwościach fizycznych, takich jak gęstość, przewodność czy pojemność cieplna.

Dla każdej ze stref powietrza tworzony jest bilans uwzględniający strumień ciepła przepływającego przez obudowę, transmisję promieniowania słonecznego przez elementy przezroczyste, strumienie ciepła wytwarzanego przez systemy instalacyjne oraz przenoszonego przez wentylację, infiltrację lub międzystrefowe mieszanie powietrza. Procesy ciągłe w czasie modelowane są przez podział na kroki czasowe o skończonej długości, wynoszącej najczęściej od kilku do kilkunastu minut.

Jako dane klimatyczne do programu mogą być wprowadzane dane użytkownika (np. z własnych pomiarów) lub dane reprezentujące typowe lata klimatyczne, przygotowane zgodnie z procedurami obowiązującymi w danym kraju.

W analizie wykorzystano dane klimatyczne dostępne w Polsce jako typowy rok meteorologiczny opracowany na podstawie danych źródłowych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej z 30 lat (od 1971 r. do 2000 r.) i 61 stacji meteorologicznych [8, 9].

Dane te zawierały m.in. następujące parametry meteorologiczne: czas pomiaru, zachmurzenie, kierunek i prędkość wiatru, temperaturę termometru suchego, wilgotność względną powietrza, ciśnienie barometryczne, wartości promieniowania całkowitego na powierzchnię poziomą.

Natężenie promieniowania słonecznego padającego na płaszczyzny pionowe wyznaczono w obliczeniach symulacyjnych z wykorzystaniem modelu Pereza [10, 11], który wykazał zgodność z wynikami pomiarów prowadzonych w Polsce [12].

Przyjęte założenia

Pomieszczenie mieszkalne

Analizowanym pomieszczeniem mieszkalnym był pokój z jedną ścianą zewnętrzną. W przegrodzie tej umieszczono okno o powierzchni zmienianej w trakcie obliczeń. Pozostałe przegrody ograniczające pomieszczenie przyjęto jako powierzchnie adiabatyczne, sąsiadujące z ogrzewanymi lokalami o takich samych warunkach wewnętrznych.

Założono masywną konstrukcję pomieszczenia, ze ścianami murowanymi ocieplonymi metodą ETICS i stropami żelbetowymi. Wartość współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej wyniosła 0,24 W/(m²·K), ram okiennych - 1,3 W/(m²·K), a szyb - 1,6 W/(m²·K). Średnia wartość współczynnika przenikania ciepła okien była równa 1,7 W/(m²·K) (różnice wynikające z wielkości stolarki nie przekraczają 1%). Pojemność cieplna obudowy odniesiona do powierzchni pomieszczenia to 726,0 kJ/(m²·K).

Powierzchnia netto pomieszczenia wyniosła 8,75 m², a wysokość w świetle – 2,7 m. Wysokość otworu okiennego była stała (1,5 m). Wymiary okien w świetle muru były następujące: 1,2 m, 1,5 m, 1,8 m i 2,1 m, a powierzchnia okna stanowiła ok. 20%, 25%, 30% i 35% powierzchni podłogi (rys. 1).

W pomieszczeniu założono bytowe zyski wewnętrzne na poziomie 3 W/m² oraz wymianę powietrza wynoszącą 0,5 1/h, co według norm PN-EN ISO 13789:2008 [13] i PN-EN ISO 13790:2009 [14] można przyjąć jako typowe warunki w tradycyjnych budynkach mieszkalnych.

Ustalono, że pomieszczenia ogrzewane są do temp. +20°C, a chłodzenie jest uruchamiane, kiedy temperatura przekroczy +26°C. Praca instalacji ma charakter ciągły. Zapotrzebowanie na ciepło i chłód wyznaczono bez uwzględnienia sprawności systemów instalacyjnych, ponieważ celem obliczeń było ustalenie najkorzystniejszych parametrów samej obudowy pomieszczenia.

Z tych samych względów pominięto zachowania użytkowników mogące mieć wpływ na potrzeby energetyczne, np. zasłanianie okien czy wietrzenie pomieszczeń.

W trakcie obliczeń zmieniano położenie ściany zewnętrznej z oknem co 45° względem stron świata. Jako lokalizację obiektu wybrano Warszawę, gdzie warunki nasłonecznienia często przyjmowane są jako reprezentatywne dla Polski.

Zestawy oszkleń

Przeanalizowano 4 typy oszkleń różniące się właściwościami spektralnymi dzięki zastosowanym powłokom. Liczbę szyb w zestawach i rodzaj wypełnień gazowych dobrano tak, aby uzyskać jednakową wartość współczynnika przenikania ciepła.

Zestaw 1 był trzyszybowy (4–10–4–10–4) ze szkła zwykłego bez powłok, z wypełnieniem przestrzeni międzyszybowych kryptonem o stężeniu 100%. Charakteryzuje się on najwyższą i względnie równomierną przepuszczalnością promieniowania krótkofalowego (rys. 2).

Zestawy 2 i 3 to oszklenia dwuszybowe (4–12–4) wypełnione powietrzem, z powłoką spektralnie selektywną umieszczoną na szybie wewnętrznej od strony komory międzyszybowej. Jest to typowa lokalizacja powłok, których głównym zadaniem jest zmniejszenie strat ciepła.

Przyjęte w zestawach 2 i 3 rodzaje powłok można zaliczyć do warstw łączących cechy niskoemisyjne i cechy związane z ochroną przeciwsłoneczną, co jest widoczne w przebiegu krzywych transmisyjności – zdolność przepuszczania promieniowania maleje poza pasmem widzialnym (rys. 3–4).

Zestaw 4 to oszklenie dwuszybowe (4–12–4) wypełnione powietrzem, z powłoką na szybie zewnętrznej od strony komory międzyszybowej. Takie umieszczenie powłoki wiąże się z funkcjami przeciwsłonecznymi, a sama powłoka charakteryzuje się znikomą przepuszczalnością promieniowania krótkofalowego.

Wyniki symulacji

Zapotrzebowanie na energię w pomieszczeniu

W pierwszej części przeanalizowano zapotrzebowanie na ciepło i chłód jako funkcję powierzchni okna, przepuszczalności energii i orientacji oszklenia. Wszystkie dane prezentowane są jako wskaźniki zapotrzebowania na energię, odniesione do m2 powierzchni pomieszczenia.

Na rys. 6–9 przedstawiono zależność między zapotrzebowaniem na ciepło i chłód a orientacją oszklenia w odniesieniu do okien o skrajnych rozmiarach. Przebieg wykresów wszystkich wielkości jest podobny.

Najmniejsze zapotrzebowanie na ciepło uzyskano w orientacji południowej i południowo-wschodniej, z tym że zróżnicowanie wyników jest tutaj największe. Oszklenia o większej przepuszczalności promieniowania pozwalają zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło od 29% do 43% (dla kierunku południowego i skrajnych wskaźników wielkości oszklenia).

Obrót elewacji w kierunku północnym powoduje stopniowy wzrost zapotrzebowania na ciepło, osiągający największe wartości dla kierunku północnego i północno-zachodniego. Największe zapotrzebowanie na chłód mają kierunki elewacji wschodni i południowo-wschodni, a najmniejsze – północny i północno-zachodni.

Wprowadzenie oszkleń przeciwsłonecznych w analizowanych przypadkach ogranicza zapotrzebowanie na chłodzenie od 82% do 88% (dla kierunku wschodniego i skrajnych wskaźników wielkości oszklenia).

Zależność między zapotrzebowaniem na ciepło a powierzchnią oszklenia ma charakter zbliżony do liniowego. W większości przypadków zwiększenie powierzchni okien powoduje wzrost potrzeb grzewczych. Jest on tym większy, im mniejsze są zyski słoneczne, ze względu na niską przepuszczalność promieniowania lub małe nasłonecznienie elewacji.

Przykładowo, w odniesieniu do oszklenia typu 1 skierowanego na północ (rys. 10) wzrost powierzchni okna o 75% (między skrajnymi z rozpatrywanych wielkości 1,2×1,5 m a 2,1×1,5 m) powoduje wzrost wskaźnika zapotrzebowania na ciepło o 15%, a w oszkleniu typu 4 – o 22%. Analogiczne zwiększenie powierzchni okna skierowanego na wschód powoduje wzrost potrzeb grzewczych o 7% (oszklenie typu 1) i 18% (oszklenie typu 4).

W odniesieniu do okna skierowanego na południe (rys. 11) zaobserwowano nieco inny charakter zmian. Oszklenia o większej przepuszczalności promieniowania (typ 1 i 2) powodują spadek zapotrzebowania na ciepło w pomieszczeniu wraz ze wzrostem powierzchni.

Bilans energetyczny okien jest dodatni, czyli w czasie sezonu grzewczego w warunkach dużego nasłonecznienia stają się one źródłem zysków energetycznych, a nie strat.

Zapotrzebowanie na chłód rośnie wraz ze zwiększeniem powierzchni okien w sposób zbliżony do liniowego, podobnie jak zapotrzebowanie na ciepło (rys. 12–13). Najmniejszy wpływ wielkości okien na wskaźnik zapotrzebowania na chłód zaobserwowano dla małych zysków słonecznych (okna skierowane na północ lub o małej przepuszczalności promieniowania).

Wpływ ten rośnie wraz ze wzrostem przepuszczalności promieniowania i nasłonecznieniem elewacji. Zastosowanie oszkleń z powłokami o charakterze przeciwsłonecznym (szczególnie w przypadku okien o mniejszej powierzchni) może ograniczyć zapotrzebowanie na chłodzenie do poziomu, w którym komfort wewnętrzny mógłby być zapewniony np. przez wietrzenie pomieszczeń lub okresowe zasłanianie okien.

Preferowane typy oszklenia

W obliczeniach sumarycznego zapotrzebowania na energię wzięto pod uwagę wartości bezwzględne zapotrzebowania na ciepło i chłodzenie. Dla każdego kierunku oszklenia wzrost powierzchni okien powoduje wzrost całkowitego zapotrzebowania na energię.

Typy oszkleń pozwalające na osiągnięcie najbardziej korzystnych charakterystyk energetycznych są jednak różne dla poszczególnych orientacji pomieszczenia, co wynika z różnych proporcji między zapotrzebowaniem na ciepło i chłód (rys. 14–17).

W obrębie półsfery zachodniej (kierunki południe – zachód – północ) preferowane będą oszklenia o wysokiej przepuszczalności promieniowania (typ 1 i 2). Typ 2 może okazać się nieco korzystniejszy, jeżeli stosuje się okna o większej powierzchni, szczególnie w odniesieniu do kierunku południowego.

Oszklenie typu przeciwsłonecznego (typ 4) daje tutaj zdecydowanie najgorsze rezultaty. Dla kierunku północno-wschodniego i wschodniego nasłonecznienie elewacji ma większe znaczenie, a oszklenie przeciwsłoneczne minimalizuje zapotrzebowanie na energię.

Jeżeli okno skierowane jest na południowy wschód, wybór oszklenia jest bardziej złożony – w przypadku okien o mniejszej powierzchni korzystne są oszklenia o większej przepuszczalności promieniowania (typ 1 i 2), a okien o większej powierzchni oszklenia – wykazujące większy stopień ochrony przeciwsłonecznej (typ 3 i 4).

Zależności te dodatkowo przedstawiono na rys. 18–21. Na osiach stron świata zaznaczone są wartości współczynnika całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego i typy oszkleń pozwalające na uzyskanie najniższego sumarycznego zapotrzebowania na energię.

Podsumowanie

Najbardziej rozpowszechnionymi kryteriami doboru okien w Polsce są izolacyjność termiczna i cena rynkowa. Podczas projektowania budynków mieszkalnych nie uwzględnia się natomiast parametrów spektralnych oszklenia (przede wszystkim przepuszczalności promieniowania słonecznego).

Przedstawione analizy pokazują, że cechy te mogą mieć znaczący wpływ na zużycie energii, zarówno w przypadku wyłącznie ogrzewania, jak i ogrzewania oraz chłodzenia pomieszczeń.

Wyniki symulacji pozwoliły ustalić, które oszklenie umożliwi zminimalizowanie potrzeb energetycznych w pomieszczeniu. Można zauważyć następujące prawidłowości:

• w przypadku okien skierowanych na północ, północny zachód, południe, południowy zachód najbardziej korzystny jest wybór oszklenia o wysokiej przepuszczalności promieniowania słonecznego;
• w odniesieniu do kierunków wschodniego i północno-wschodniego zalecany jest wybór oszkleń o niskiej przepuszczalności promieniowania;
• w odniesieniu do kierunków zachodniego i południowo-wschodniego dobór zalecanego rozwiązania w największym stopniu zależy od rozmiaru okien – w przypadku okien o mniejszej powierzchni preferowane są oszklenia o wysokiej transmisyjności, a w przypadku okien większych – oszklenia o niższej przepuszczalności promieniowania.

Analizy należałoby kontynuować pod kątem zapotrzebowania na energię końcową i pierwotną, z uwzględnieniem sprawności systemów grzewczych i kosztów pozyskiwania energii do celów ogrzewania i chłodzenia.

Prace były finansowane ze środków statutowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr S/14/2014

Literatura

1. L. Laskowski, „Jakość ochrony cieplnej pomieszczeń mieszkalnych w porze letniej”, Konferencja „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, t. 1, Łódź 2005, s. 239–248.
2. T. Muneer, N. Abodahab, G. Weir, J. Kubie, „Windows in Buildings: Thermal, Acoustic, Visual and Solar Performance”, Architectural Press, Oxford 2000.
3. „Solar Thermal Technologies for Buildings. The State of the Art”, ed. M. Santamouris, James & James Science Publishers Ltd, London 2003.
4. H. Bulow-Hube, „Energy-Efficient Window Systems. Effects on Energy Use and Daylight in Buildings”, Report No TABK-01/1022, Department of Construction and Architecture, Lund University, Division of Energy and Building Design, Lund, Sweden, 2001.
5. R. McCluney, „Fenestration Solar Gain Analysis”, Florida Solar Energy Center/University of Central Florida, 1996.
6. „Spectrally Selective Glazings. Federal Technology Alert”, U.S. Department of Energy, August 1998.
7. BSim Users Guide v. 6.10.7.7. Danish Building Research Institute, 1999-2010.
8. EN ISO 15927-4:2005, „Hygrothermal performance of buildings. Calculation and presentation of climatic data. Part 4. Data for assessing the annual energy for cooling and heating systems”.
9. P.G. Narowski, „Dane klimatyczne do obliczeń energetycznych w budownictwie”, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja”, nr 11/2006, s. 22–27.
10. R. Perez, R. Stewart, C. Arbogast, R. Seals, J. Scott, „An anisotropic diffuse radiation modelfor sloping surfaces: description, performance validation, site dependency evaluation”, „Solar Energy”, vol. 36, no 6/1986, pp. 481–497.
11. R. Perez, R. Seals, „A new simplified version of the Perez diffuse irradiance model for tilted surfaces”, „Solar Energy”, vol. 39, no 3/1987, pp. 221–231.
12. D. Włodarczyk, H. Nowak, „Modelowanie promieniowania słonecznego na płaszczyzny pochylone”, Konferencja „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, t. 2, Łódź 2007, s. 305–310.
13. PN-EN ISO 13789:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania”.
14. PN-EN ISO 13790:2009, „Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia”.
15. PN-EN 410:2011, „Szkło w budownictwie. Określenie świetlnych i słonecznych właściwości oszklenia”.
16. Calumen II v. 1.2.3. Saint Gobain Glass.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!