Osłony przeciwsłoneczne a systemy sterowania i zarządzania energią

Stosowanie różnego rodzaju osłon jest obecne w architekturze od wielu lat w postaci markiz, żaluzji, łamaczy światła, skrinów oraz refleksoli. Takie zabezpieczenia projektuje się i instaluje na najbardziej prestiżowych, nowoczesnych budynkach.

Oprócz sterowania ręcznego coraz częściej wykorzystuje się również inne sposoby, np. współpracujące z inteligentnymi systemami zarządzania BMS (Building Managment Systems).

Stosowanie osłon przeciwsłonecznych

W Polsce stosowanie osłon przeciwsłonecznych jest prawnie wymagane już od ponad pięciu lat. Aktualnie wymagania zostały ponownie sformułowane i zamieszczone w załączniku do Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1].

Wymagania podstawowe obejmują obligatoryjne stosowanie osłon w przegrodach przezroczystych ukierunkowanych na północny wschód, wschód, południowy wschód i zachód, zachód oraz na północny zachód.

W innym przypadku inwestor zgłosił występowanie konieczności chłodzenia w części budynku już w styczniu. Dzieje się tak w obiektach o dużych wewnętrznych zyskach ciepła. Okres grzewczy kończy się bardzo wcześniej lub nie występuje w ogóle. Ochrona przed zyskami ciepła promieniowania słonecznego będzie konieczna przez cały rok.

Sytuacje takie występują wcale nie rzadko. Użytkownicy zgłaszają konieczność chłodzenia wybranych pomieszczeń już w styczniu. Z różnych powodów takiego chłodzenia nie można realizować przez freecooling. W takich przypadkach ograniczenie słonecznych zysków ciepła może być wymagane w przez cały rok.

Wpływ systemu sterowania 

Ze względu na tak dużą zmienność zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie w rozkładzie dobowym niezbędne jest stosowanie odpowiedniego, czasami nawet bardzo złożonego systemu sterowania pracą urządzeń ochrony przeciwsłonecznej.

Aby porównać wpływ sterowania osłon przeciwsłonecznych na jakość energetyczną budynku, wykonano obliczenia charakterystyki energetycznej w odniesieniu do następujących wariantów:

• budynek mieszkalny z oknami o powierzchni 25% p.u. o: U_W = 1,3 W/(m²·K) i g_n = 0,63 z folią przeciwsłoneczną przyklejoną na szybę o f_C = 0,08 (stałe działanie przez cały rok),
• budynek mieszkalny z oknami o powierzchni 25% p.u. o: U_W = 1,3 W/(m²·K) i g_n= 0,63 z ruchomą osłoną przeciwsłoneczną (skirny lub markizy) o f_C = 0,08, sterowaną ręcznie,
• budynek mieszkalny z oknami o powierzchni 25% p.u. o: U_W = 1,3 W/(m²·K) i g_n = 0,63 z ruchomą osłoną przeciwsłoneczna (skirny lub markizy) o f_C = 0,08, sterowaną automatycznie w oparciu o parametry zewnętrzne: nasłonecznienie, temperaturę zewnętrzną, wiar,
• budynek mieszkalny z oknami o powierzchni 25% p.u. o: U_W = 1,3 W/(m²·K) i g_n = 0,63 z ruchomą osłoną przeciwsłoneczną (skirny lub markizy) o f_C = 0,08, sterowaną w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne: nasłonecznienie, temperaturę zewnętrzną, temperaturę wewnętrzną w pomieszczeniu, wiatr.

W TAB. 1 zamieszczono wyniki obliczeń.

Skuteczność działania osłon a automatyka sterująca

Sterowanie działaniem ruchomych osłon przeciwsłonecznych zależy od systemu sterowania. Najczęściej, ze względu na koszty, stosuje się sterowanie ręczne z wykorzystaniem silników elektrycznych. Sterowanie automatyczne stosowane jest w budynkach, w których sterowanie ręczne może być mało efektywne.

Rozróżnia się sterowanie w oparciu o parametry zewnętrzne oraz sterowanie w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne. Sumę zysków ciepła od źródeł słonecznych w rozpatrywanej strefie budynku oblicza się za pomocą równania:

gdzie:

b_tr,i - czynnik dostosowania do przyległej strefy nieklimatyzowanej z wewnętrznym źródłem ciepła l zdefiniowanym w normie PN-EN ISO 13789:2008 [2],
_sol,min,k - uśredniony w czasie strumień ciepła od źródła ciepła od nasłonecznienia k,
_sol,min,k - uśredniony w czasie strumień ciepła od źródła ciepła od nasłonecznienia l od przyległej przestrzeni klimatyzowanej,
t - długość rozpatrywanego okresu.

Wyznaczanie wpływu osłon przeciwsłonecznych na energochłonność budynku można wykonać zgodnie z normą PN-EN ISO 13790:2009 [3], zgodnie z którą 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 13790:2009 [3],
A_sol  - efektywne pole powierzchni zbierającej z daną orientacją 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 kierunkowy między elementami budynku a nieboskłonem wynoszący 1 dla dachu oraz 0,5 dla ścian niezacienianych,
f_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 oraz 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 oraz 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 przezroczystej 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:

gdzie:

R_se - zewnętrzny opór przejmowania elementu budynku,
U_C - współczynnik przenikania ciepła elementu budynku,
A_C- pole powierzchni elementu,
Δθ_θr - średnia różnica między temperaturą powietrza i pozorną temperaturą nieboskłonu,
h_r - zewnętrzny współczynnik przejmowania ciepła przez promieniowanie obliczany według wzoru:

gdzie:

ε - emisyjność zewnętrznej powierzchni promieniowania cieplnego,
σ - stała Stefana-Boltzmanna,
θ_ss - średnia arytmetyczna temperatury powierzchni i temperatury nieboskłonu.

Zacienienie od ruchomych urządzeń zacieniających oblicza się zgodnie z normą PN-EN ISO 13790:2009 [3] ze wzoru:

gdzie:

g_gl - współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego bez ruchomych elementów zacieniających,
g_gl+sg - współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego z ruchomymi elementami zacieniającymi,
f_sh,with - udział czasu użycia ruchomych elementów zacieniających.

Przepuszczalność energii słonecznej przez elementy oszklone wyznacza się ze wzoru:

Uśredniona w czasie całkowita wartość przepuszczalności energii słonecznej jest trochę niższa od g_n. Stosuje się czynnik korekcyjny F_w. W przypadku braku wartości krajowych wartość czynnika korekcyjnego F_w = 0,9.

Wzór normowy pozwalający określić zacienienia od ruchomych urządzeń zacieniających nie uwzględnia wpływu systemu sterowania na skuteczność ich działania. Wyznaczanie sprawności regulacji i wykorzystania umożliwi skorygowanie efektu działania osłon przeciwsłonecznych.

Skorygowany wzór pozwalających określić wpływ zacienienia od ruchomych urządzeń zacieniających, uwzględniający sprawność regulacji i wykorzystania, przedstawia się następująco:

gdzie:

η_sh - sprawność regulacji i wykorzystania osłon przeciwsłonecznych wyznaczana za pomocą wzoru:

gdzie:

η_w,0 - współczynnik regulacji osłon przeciwsłonecznych, przyjmowany zgodnie z TAB. 2.
GLRc’  - stosunek strat ciepła przez przenikanie i nieszczelności bez uwzględnienia wpływu osłon przeciwsłonecznych do słonecznych zysków ciepła w okresie chłodzenia obliczany ze wzoru:

gdzie:

A_(v,r) - współczynnik klimatyczny zysków ciepła od nasłonecznienia okna pionowego (indeks v) lub dachowego (indeks-r); oznacza wpływ zysków słonecznych na efektywność energetyczną; wartość A wyznacza się na podstawie godzinowego lub miesięcznego bilansu nasłonecznienia w odniesieniu do sezonu grzewczego i chłodniczego;
B_(V,r) –  współczynnik klimatyczny strat ciepła okna pionowego (indeks v) lub dachowego (indeks-r); oznacza wpływ temperatury zewnętrznej na efektywność energetyczną stolarki okiennej; wartość B wyznacza się na podstawie godzinowych (stopniogodziny) lub miesięcznych (stopniodni) symulacji temperaturowych.

W TAB. 3 zamieszczono porównanie efektywności energetycznej okien z osłonami przeciwsłonecznymi oraz sterowaniem.

Sterowanie ręczne

Może być ono oparte o system dźwigni uruchamianych siłą mięśni lub przy wykorzystaniu silników elektrycznych. Skuteczność takiego systemu sterowania jest zadowalająca w pomieszczeniach, które są użytkowane w sposób ciągły. Użytkownicy podejmują decyzję, kiedy powinny być zastosowane ruchome osłony przeciwsłoneczne.

Obliczeniowa wartość sprawności regulacji i wykorzystania sterowania ręcznego jest najmniejsza i wynosi w zależności od izolacyjności termicznej okna, szczelności powietrznej okna f_C osłony przeciwsłonecznej od 0,65 do 0,75. Osiągniecie wyższych wartości sprawności regulacji i wykorzystania wymaga przeszkolenia użytkowników oraz monitorowania prognoz pogody.

Sterowanie automatyczne na podstawie parametrów zewnętrznych

Sterowanie automatyczne chroni pomieszczania oraz urządzenia znajdujące się w pomieszczeniach przed niekorzystnymi skutkami przegrzewania automatycznie. Ma to znaczenie głównie w pomieszczeniach użyteczności publicznej użytkowanych okresowo. Przerwy weekendowe w użytkowaniu mogą doprowadzić do niekorzystnego wzrostu temperatury w pomieszczeniach, kumulacji ciepła oraz do destrukcyjnego oddziaływania temperatury na urządzenia i wyposażenie pomieszczenia.

Zastosowanie urządzeń automatycznego sterowania ma za zadanie poprawić sprawność regulacji oraz chronić automatycznie pomieszczenia przed przegrzewaniem.

Podstawowym systemem sterowania automatycznego, stosowanym do automatycznej pracy ruchomych elementów zacieniających, jest system oparty o parametry zewnętrzne, głównie temperaturę, nasłonecznienie oraz w niektórych przypadkach wiatr.

Wadą systemu jest automatyczne uruchamianie urządzeń ochrony przeciwsłonecznej w całym budynku, niezależnie od tego, czy w poszczególnych pomieszczeniach wymagane jest ich użycie. Sytuacje takie mają miejsce w okresach przejściowych.

Sprawność regulacji zależy od izolacyjności termicznej okna i szczelności powietrznej. Wartości fC waha się w przedziale 0,75 do 0,85.

Sterowanie automatyczne na podstawie parametrów zewnętrznych i wewnętrznych

Najbardziej zaawansowanym systemem sterującym działaniem osłon przeciwsłonecznych jest układ elektroniczny działający w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne.

Działanie urządzeń ochrony przeciwsłonecznej powiązane jest przez czujniki temperatury zlokalizowane w pomieszczeniu i uruchamiane w funkcji temperatury wewnętrznej, zewnętrznej oraz nasłonecznienia.

Sterowanie automatyczne na podstawie parametrów wewnętrznych oraz zewnętrznych wymaga zainstalowania czujnika temperatury w pomieszczeniu, który steruje jednocześnie działaniem systemu wentylacyjno-klimatyzacyjnego oraz ruchomymi osłonami przeciwsłonecznymi.

System sterowania może i powinien współpracować z systemem BMS. Sprawność regulacji i wykorzystania systemu sterowania przy dobrym opisaniu procesów działania może przekroczyć 90%. System legitymuje się wszystkimi zaletami systemu sterowania opartego o parametry zewnętrzne.

Podsumowanie

Zastosowanie systemu sterowania powinno być dopasowane do sposobu użytkowania pomieszczeń, wielkości przegród przezroczystych, lokalizacji pomieszczeń względem stron świata oraz znaczenia wzrostu temperatury w pomieszczeniu na jego funkcjonalność. W niektórych przypadkach zastosowanie sterowania ręcznego może być uzasadnione.

Sterowanie automatyczne ruchomymi urządzeniami ochrony słonecznej w znaczący sposób poprawia sprawność regulacji i wykorzystania, co ma wpływ na efektywność energetyczną osłony.

W budynku z wentylacją mechaniczną i klimatyzacją, wyposażonym w system sterowania temperaturą w poszczególnych pomieszczeniach oraz BMS, najlepszym rozwiązaniem jest stosowanie automatyki w oparciu o parametry zewnętrzne i wewnętrzne.

W przypadku gdy nie ma centralnego systemu sterowania, a istnieje konieczność stosowania automatycznego sterowania osłonami przeciwsłonecznymi, najczęściej wykorzystywany jest system sterowania oparty o parametry zewnętrzne.

Literatura

1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU 1994 nr 89 poz. 414).
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002 nr 75 poz. 690).
3. PN-EN 15251:2012, "Parametry wejściowe środowiska wewnętrznego dotyczące projektowania i oceny charakterystyki energetycznej budynków, obejmujące jakość powietrza wewnętrznego, środowisko cieplne, oświetlenie i akustykę".
4. PN-EN 12216:2004, "Żaluzje, zasłony zewnętrzne, zasłony wewnętrzne - Terminologia, słownik i definicje".
5. Geryło R., "Współdziałania przegród przeziernych i osłon przeciwsłonecznych w zapewnieniu komfortu cieplnego", "Świat szkła" 4/2015.
6. Geryło R., "Komfort cieplny w budynkach według nowych przepisów", "Świat Szkła" 2/2014.
7. Geryło R., "Charakterystyka energetyczna okien", "Świat Szkła" 3/2008.
8. PN-EN ISO 15831:2006, "Odzież - Właściwości fizjologiczne - Pomiar izolacyjności cieplnej z zastosowaniem manekina termicznego”.
9. PN-EN 13363–1:2005, "Urządzenia ochrony przeciwsłonecznej połączone z oszkleniem = Obliczanie współczynnika przenikania promieniowania słonecznego i światła - Część 1: Metoda uproszczona".
10. PN-EN ISO 13789:2008, "Cieplne właściwości użytkowe budynków - Współczynniki przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację - Metoda obliczania".
11. PN-EN ISO 13790:2009, "Energetyczne właściwości użytkowe budynków - Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!