Konstrukcja fasady szklanej a komfort cieplny w pomieszczeniach

Dobór odpowiednich parametrów wynika głównie z kryterium energooszczędności [1] i sprowadza się do zapewnienia zerowego bilansu energetycznego przegrody w zakładanym czasie, najczęściej podczas jednej doby.

Innym aspektem istotnym z punktu widzenia użytkownika jest zapewnienie optymalnych parametrów środowiska wewnętrznego [2] przez naturalne lub sztuczne systemy energetyczne. Połączenie zagadnienia komfortu i energooszczędności pozwala na przeprowadzenie pełnej, dwukryterialnej analizy optymalizacyjnej [3].

W artykule przedstawiono sposób oceny wybranych parametrów środowiska wewnętrznego w bardzo przeszklonych budynkach wyposażonych w różne typy fasad, w tym fasad podwójnych¹.

Przewidywana średnia ocena komfortu - PMV

Podstawowym i najczęściej stosowanym wskaźnikiem komfortu jest zaproponowany przez P.O. Fangera [5] wskaźnik PMV (z ang. Predicted Mean Vote), który opisuje przewidywaną średnią ocenę komfortu. PMV jest wiarygodny w przypadku określonych warunków środowiska wewnętrznego, a mianowicie wówczas, gdy:

• temperatura powietrza utrzymuje się w granicach 10-30°C;
• średnia temperatura promieniowania przegród (np. ścian zewnętrznych, stropów, okien) wynosi 10–40°C;
• prędkość ruchu powietrza nie przekracza 1 m/s;
• ciśnienie cząstkowe pary wodnej nie jest wyższe niż 2700 Pa;
• poziom aktywności utrzymuje się w granicach 0,8-4,0 met;
• izolacyjność termiczna odzieży jest na poziomie 0-2 clo.

Wskaźnik PMV jest zatem funkcją zmiennych środowiskowych: temperatury powietrza, średniej temperatury promieniowania, prędkości ruchu powietrza oraz ciśnienia cząstkowego pary wodnej, a także zmiennych fizjologicznych: poziomu aktywności i izolacyjności termicznej odzieży. Wskaźnik ten jest opisany wzorem:

gdzie:

M - gęstość strumienia ciepła wynikającego z metabolizmu [W/m²],

η - współczynnik wydajności pracy fizycznej [-],

p_a - ciśnienie pary wodnej w powietrzu [Pa],

T_a - temperatura powietrza [°C],

T_cl - temperatura odzieży [°C],

T_mrt - średnia temperatura promieniowania [°C],

f_cl - stosunek odkrytej powierzchni ciała do zakrytej [-],

α_cl - współczynnik wnikania ciepła na drodze konwekcji [W/(m²·K)].

Podstawowymi czynnikami środowiska wewnętrznego w budynkach z bardzo przeszkloną fasadą są temperatura powietrza (T_a) i średnia temperatura promieniowania (T_mrt). Zmieniające się warunki zewnętrzne mają znaczący wpływ na oba parametry.

Ponadto ich wartości są zależne od położenia w danym pomieszczeniu, a w szczególności od odległości od źródła promieniowania, jakim mogą być bardzo przeszklone przegrody zewnętrzne. W przedstawionej analizie przyjęto, że użytkownik znajduje się w geometrycznym środku badanego pomieszczenia biurowego.

Obliczona wartość PMV może zostać określona zgodnie z siedmiostopniową skalą odczuć cieplnych opracowaną przez P.O. Fangera [5] (tabela 1).

Środowisko wewnętrzne danego pomieszczenia może zostać uznane za komfortowe, jeśli wskaźnik PMV określony dla tej przestrzeni wynosi –0,5  <  PMV  <  +0,5.

Przewidywany procent osób niezadowolonych - PPD

Drugim sposobem oceny komfortu człowieka opracowanym przez P.O. Fangera jest wskaźnik PPD (z ang. Predicted Percentage of Dissatisfied). Określa on procentowy udział osób niezadowolonych z warunków panujących w pomieszczeniu i jest wyrażany w procentach.

Minimalna wartość PPD to 5%, przyjmowana ze względu na indywidualne różnice w odczuwaniu mikroklimatu przez osoby przebywające w danym pomieszczeniu. Wskaźnik PPD jest bezpośrednio związany ze wskaźnikiem PMV następującą zależnością [3]:

Na RYS. 1 przedstawiono zależność między wskaźnikami PMV i PPD. Na podstawie poniższego wykresu można stwierdzić, że jeśli wskaźnik PMV spełnia zależność 0,5 < PMV < +0,5, to 10% osób jest niezadowolonych z warunków panujących w danym pomieszczeniu, ponieważ jest im za zimno (5%) lub za gorąco (5%).

Temperatura wynikowa - T_res

Jednym z pierwszych zaproponowanych wskaźników komfortu jest temperatura wynikowa (z ang. Resultant Temperature). Parametr ten wprowadzono w latach 30. XX w. To temperatura termometru kulistego o wymiarach czaszy, właściwych do odwzorowania wymiany ciepła przez promieniowanie i konwekcję między ciałem człowieka a otaczającym środowiskiem.

W obliczeniach tego wskaźnika uwzględnia się: temperaturę powietrza, średnią temperaturę promieniowania oraz prędkość ruchu powietrza. Poprawna ocena komfortu termicznego za pomocą temperatury wynikowej jest możliwa tylko przy małych prędkościach ruchu powietrza [6].

W modelu obliczeniowym zaproponowanym przez J.A. Clarke’a [7] temperaturę wynikową termometru suchego określono jako temperaturę rejestrowaną przez termometr położony w centrum zaciemnionej kuli o średnicy 100 mm, z uwzględnieniem temperatury powietrza, średniej temperatury promieniowania oraz prędkości ruchu powietrza:

gdzie:

T_mrt - średnia temperatura promieniowania [°C],

T_a - temperatura powietrza [°C],

ν - prędkość ruchu powietrza [m/s].

W odniesieniu do prędkości ruchu powietrza wynoszącej ν = 0,1 m/s równanie to przyjmuje postać:

Analizowane przypadki

Analizę komfortu termicznego przeprowadzono w odniesieniu do ośmiokondygnacyjnego budynku. Przyjęto dane typowego roku meteorologicznego wyznaczonego dla Łodzi. Założono, że analizowany obiekt jest budynkiem biurowym, a badane pomieszczenie to biuro z przestrzenią otwartą. Zgodnie z normą PN-EN ISO 15251:2007 [8] zaklasyfikowano je jako pomieszczenie kategorii II.

Ocenę mikroklimatu wnętrza sformułowano na podstawie wskaźnika PPD oraz wartości temperatury wynikowej T_res. Przeanalizowano 4 orientacje fasady względem stron świata.

Rozpatrzono 5 wartości izolacyjności termicznej przegrody zewnętrznej z uwzględnieniem dwóch podstawowych rodzajów konstrukcji fasady przeszklonej: podwójnej (RYS. 2) i pojedynczej (RYS. 3). W odniesieniu do fasady podwójnej przyjęto trzy różne przypadki (U1, U2, U3), natomiast dla fasady pojedynczej - dwa (UX, UY).

W TABELI 2 przedstawiono dokładne wartości izolacyjności termicznej poszczególnych płaszczyzn przeszklenia, a w TABELI 3 - oznaczenia przyjęte dla poszczególnych przypadków.

Geometria

Według założeń przeszklona część elewacji zaczynała się na drugiej kondygnacji. W przypadku fasady podwójnej jej konstrukcja została dodatkowo wyprowadzona na wysokość 1 m ponad poziom dachu budynku. Kondygnacja pierwsza była natomiast całkowicie zabudowana i nie miała elementów szklanych (RYS. 2-3).

Model obliczeniowy analizowanego przypadku stanowił tylko wycięty fragment całego budynku - pionowy segment z elewacją na jednej płaszczyźnie i ścianami wewnętrznymi na pozostałych trzech płaszczyznach.

Pojedyncza kondygnacja była zbudowana z pomieszczenia biurowego o wymiarach 8,0 m (szerokość) × 6,0 m (głębokość) × 2,7 m (wysokość). Podwójna fasada szklana przylegająca do analizowanej przestrzeni miała szerokość 1,0 m.

Wentylacja

Przyjęto dwa schematy przepływu powietrza wentylacyjnego ze względu na obecność osób w analizowanym pomieszczeniu. Pierwszy, związany z obecnością pracowników w czasie dni roboczych, trwał od godz. 8.00 do godz. 16:00. Drugi schemat obowiązywał natomiast w pozostałe godziny w ciągu tygodnia oraz w sobotę i niedzielę.

Obliczenia strumienia powietrza wentylacyjnego wykonano według zaleceń podanych w normie PN-EN ISO 15251:2007 [8]. Przyjęto, że analizowane pomieszczenie było biurem otwartym o niskiej emisji zanieczyszczenia.

Całkowity strumień powietrza w odniesieniu do schematu pierwszego przyjęto zgodnie z tabelą B.2 normy PN-EN ISO 15251:2007 [8] na poziomie:

jako strumień powietrza przypadający na 1 m² badanego pomieszczenia. Po uwzględnieniu całkowitej powierzchni

analizowanego biura (A = 8,0·6,0 = 48 m²) otrzymano ostateczną ilość wymaganego strumienia powietrza 

Założono, że dla schematu drugiego występowała infiltracja powietrza wynikająca z nieszczelności konstrukcji budynku. Całkowity strumień powietrza przyjęto na poziomie .

Po uwzględnieniu powierzchni pomieszczenia otrzymano: 

Opisane wartości wykorzystano do opracowania harmonogramu wymiany powietrza w pomieszczeniu według schematu przedstawionego na RYS. 4.

Zyski ciepła

W analizie przyjęto zyski ciepła tylko w okresie przebywania pracowników, czyli od poniedziałku do piątku, w godz. 8.00–16.00, natomiast w trakcie nieobecności osób założono brak wewnętrznych zysków ciepła.

Zyski ciepła od jednej osoby przyjęto w wysokości 100 W wraz z dodatkową wartością 120 W przypadającą na jedno stanowisko komputerowe. Przy założeniu, że na jedną osobę przypada jeden komputer, a w pomieszczeniu pracują trzy osoby, całkowite zyski ciepła wynoszą: 3·100 W + 3·120 W = 660 W.

Na RYS. 5 przedstawiono tygodniowy schemat rozkładu zysków ciepła.

Wyniki analiz

Badania przeprowadzono w odniesieniu do sezonu ogrzewczego. Do analizy wybrano pomieszczenie ze środkowej kondygnacji wraz z przylegającą fasadą.

Wskaźnik PPD

Parametry wymagane do wyznaczenia wskaźnika PPD przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 7730:2006 [9] i kryteriami budynku kategorii II:

• izolacyjność termiczna odzieży: I_cl = 1,0 clo (odpowiada ubraniu w postaci spodni, koszuli i marynarki);
• poziom aktywności: 70 W/m² = 1,2 met, charakterystyczny dla pracy w pozycji siedzącej w biurze;
• prędkość ruchu powietrza: 0,16 m/s;
• okres przebywania pracowników w biurze: od poniedziałku do piątku w godz. 8.00–16.00.

Wyniki wskaźnika PPD przedstawiono w postaci histogramów. Zakresy przyjęto zgodnie z klasami budynków opisanymi w normie PN-EN ISO 7730:2006 [9] (TABELA 4).

Klasy A, B i C oznaczają zakres komfortu dla budynków o standardzie wysokim, średnim i dopuszczalnym, w klasie D natomiast zawarto takie budynki, w których warunki środowiska wewnętrznego nie spełniają wymagań komfortu cieplnego.

Na RYS. 6-9 przedstawiono wykresy przedstawiające rozkład statystyczny wskaźnika PPD dla poszczególnych klas budynków i różnych orientacji fasady.

Niezależnie od orientacji fasady najwięcej wyników przypada na klasę C, dla której PPD  <  15%. Ponadto duże podobieństwa rozkładu statystycznego występują w budynkach z fasadą skierowaną na wschód i zachód.

Wynika to z podobnych warunków nasłonecznienia fasad. W obu przypadkach gorsze warunki komfortu cieplnego występują w przypadkach z fasadą podwójną U1 (ok. 30% wyników przypada na klasę D) oraz fasadami pojedynczymi UX i UY (ponad 20% wyników przypada na klasę D). Bardziej komfortowe środowisko wewnętrzne można przypisać budynkom z fasadą podwójną U2 i U3.

W budynkach z fasadą północną najlepsze warunki komfortu możemy zaobserwować w przypadkach z fasadą pojedynczą UX. Najgorsze warunki środowiska wewnętrznego występują w budynku z fasadą podwójną U1, prawie 40% wyników przypada na klasę D. Wynika to z niewielkich zysków od promieniowania słonecznego oraz wartości izolacyjności termicznej przypadków U1 i UY.

W pomieszczeniu z fasadą południową najbardziej komfortowe warunki występują w przypadku U2. W pozostałych przypadkach fasady podwójnej warunki środowiska wewnętrznego kształtują się podobnie, przy czym najgorzej wypadają fasady pojedyncze UX i UY.

Temperatura wynikowa

Zgodnie z zaleceniami CISBE (z ang. The Chartered Institution of Building Services Engineers) z 1986 r. [10] warunek komfortu cieplnego w pomieszczeniach biurowych jest zapewniony wówczas, gdy temperatura wynikowa zawiera się w przedziale: 19°C  <  Tres  <  23°C.

W analizie przyjęto trzy klasy: A – gdy temperatura jest niższa niż zalecana, B – gdy temperatura zawiera się w przedziale (19–23°C) i C – gdy temperatura jest wyższa niż 23°C. Zakresy przyjęte w odniesieniu do poszczególnych klas przedstawiono w TABELI 5.

Na podstawie analizy rozkładów statystycznych temperatury wynikowej (RYS. 10–13) można stwierdzić, że większość wyników przypada na klasę B, czyli spełnia warunki komfortu termicznego. Część rezultatów, zwłaszcza w wypadku fasady południowej, zawiera się w klasie C, w tych przypadkach występuje czasowe przegrzanie pomieszczeń biurowych.

Większość rezultatów fasady podwójnej jest bardzo dobra, wyjątkiem jest przypadek U3 budynku skierowanego fasadą na południe (ponad 40% dla klasy C). Fasada pojedyncza wypada jeszcze gorzej - ponad 50% wyników w klasie C fasady południowej.

Wnioski

Na podstawie wyników analiz numerycznych zamieszczonych w pracy sformułowano następujące wnioski:

• analiza parametrów komfortu cieplnego w pomieszczeniach o regulowanych parametrach środowiska wewnętrznego w niewielkim stopniu zależy od zmiennych parametrów środowiska zewnętrznego;
• bez względu na orientację fasady i rozwiązania materiałowo­‑konstrukcyjne najwięcej otrzymanych wyników występuje w klasie C, czyli PPD < 15%;
• największy wpływ na wartość wskaźnika PPD ma występujące okresowo promieniowanie słoneczne; w analizowanym przypadku jest to widoczne w statystycznym porównaniu wyników otrzymanych dla południowej oraz pozostałych trzech orientacji;
• analiza wskaźnika PPD wykazała, że otrzymane rezultaty były w wysokim stopniu uzależnione od orientacji fasady, tym samym w odniesieniu do wszystkich 4 przypadków otrzymano różne wyniki; najbardziej zbliżone pod kątem komfortu cieplnego były fasady skierowane na wschód i zachód;
• na podstawie wartości temperatury wynikowej bardzo dobrze wypadły wszystkie fasady podwójne; fasady pojedyncze skierowane na południe ulegały okresowemu przegrzewaniu, o czym świadczy duża ilość wyników otrzymanych w klasie C, czyli powyżej temperatury 23ºC.

Opisywane badania zostały wykonane w ramach pracy naukowej finansowanej ze środków budżetowych na naukę w latach 2011–2013 jako projekt badawczy nr N N506 205940 „Optymalizacja fasad podwójnych pod kątem oszczędności energii i jakości środowiska wewnętrznego”

Literatura

1. D. Heim, M. Janicki, "Izolacyjność fasad podwójnych - symulacje energetyczne wybranych przypadków", "IZOLACJE", nr 7/8/2010, s. 86-90.
2. D. Heim, M. Janicki, "Obliczeniowa ocena parametrów komfortu cieplnego w pomieszczeniach obudowanych fasadą podwójną", "Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej - Budownictwo i Inżynieria Środowiska", z. 59/2012 (3/2012/III), s. 9-16.
3. M. Janicki, D. Heim, "Double criterion optimisation of transparent facades based on solar thermal processes", "Frontiers of Architectural Research", nr 2/2013, s. 23–29.
4. P. Narowski, M. Janicki, D. Heim, "Meteorologiczny rok odniesienia do obliczeń energetycznych (WYEC2) dla potrzeb optymalizacji fasad budynków", Materiały XIII Konferencji Naukowo-Technicznej "Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce", Łódź, 2011, s. 261–270.
5. P.O. Fanger, "Komfort cieplny", Arkady 1974.
6. L. Śliwowski, "Mikroklimat wnętrz i komfort cieplny ludzi w pomieszczeniach", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
7. J.A. Clarke, "Energy simulation in building design", 2nd edition, Butterworth-Heinemann, Oxford 2001.
8. PN-EN ISO 15251:2007, "Kryteria środowiska wewnętrznego, obejmujące warunki cieplne, jakość powietrza wewnętrznego, oświetlenie i hałas".
9. PN-EN ISO 7730:2006, "Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów lokalnego komfortu termicznego".
10. CIBSE1986 CISBE Guide (London: Chartered Institute of Building Services Engineers).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

¹ Omawiane zagadnienie jest fragmentem analizy optymalizacyjnej przeprowadzonej w odniesieniu do budynków biurowych użytkowanych w warunkach klimatu Polski [4]