Projektowe charakterystyki energetyczne przegród z izolacją transparentną

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 U_eq jest wzór Wossa [1]:

gdzie:

I_c – natężenie promieniowania słonecznego [W/m²],

Δ_t – 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],

t_i – temperatura powietrza wewnętrznego [ºC],

t_e – temperatura powietrza zewnętrznego [ºC],

ξ_TI – współczynnik transmisyjności (przepuszczalności) promieniowania słonecznego,

α – współczynnik absorpcji,

I_c – 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],
d_TI – grubość warstwy izolacji transparentnej [m],
λ_TI ^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:
R_T – jak we wzorze (2),
Δt – różnica temperatury wewnętrznej i średniej miesięcznej temperatury powietrza zewnętrznego, na podstawie bazy danych meteorologicznych [6],
n_i – 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 U_TI:

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

1. T. Kisielewicz, „Wpływ izolacyjnych, dynamicznych i spektralnych właściwości przegród energooszczędnych”, Monografia 364, seria: Inżynieria Lądowa, Kraków 2008.
2. „Budownictwo ogólne”, t. 2: „Fizyka budowli”, P. Klemm i in., Wydawnictwo ARKADY, Warszawa 2005.
3. A. Ujma, „Zasady i możliwości stosowania izolacji transparentnych”, „IZOLACJE”, nr 1/2003, s. 36–45.
4. A. Chochowski, D. Czekalski, „Słoneczne instalacje grzewcze”, Centralny Ośrodek Informacji Budowlanej, Warszawa 1999.
5. PN-EN 832:2001, Az: 2006, „Właściwości cieplne budynków. Obliczanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Budynki mieszkalne”.
6. „Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków”, www.mi.gov.pl.
7. L. Laskowski, „Ochrona cieplna i charakterystyka energetyczna”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
8. 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.
9. B. Orlik-Kożdoń, T. Steidl, „Projektowe charakterystyki energetyczne budynków”, „Materiały Budowlane”, nr 1/2010, s. 47–49.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!