Szklana fasada o podwójnym przepływie powietrza – aspekt energetyczny

W pogoni za optymalizacją energetyczną nie należy zapominać o zachowaniu komfortu termicznego wewnątrz obiektów. Jest to szczególnie trudne w przypadku silnie przeszklonych elewacji, z dużymi powierzchniami przeszklonymi związane są bowiem intensywnie przebiegające procesy wymiany ciepła. Jednym z najprostszych sposobów rozwiązania tego problemu wydaje się zastosowanie wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła i klimatyzacji.

Wadą takiego podejścia do rozwiązania problemu jest niepożądane zwiększenie zużycia energii elektrycznej zasilającej systemy HVAC oraz konieczność uwzględnienia rozwiązań instalacyjnych w projekcie architektonicznym. Estetyka obiektu budowlanego i efektywne wykorzystanie przestrzeni skłaniają do redukowania kubatury zajmowanej przez pomieszczenia techniczne i infrastrukturę wyposażenia technicznego. W związku z tym projektanci skłaniają się coraz częściej ku tzw. zdecentralizowanemu systemowi wentylacji przez fasadę budynku.

Optymalnym rozwiązaniem byłyby fasady współpracujące z systemami ogrzewania i wentylacji w budynku, tworząc układ zapewniający pożądany mikroklimat w pomieszczeniach, przy możliwie najniższym zużyciu energii. Dlatego w ostatnich latach w budynkach wysokich o dużych przeszkleniach coraz chętniej stosuje się tak zwane fasady podwójne. Stanowią one „pogodzenie” trzech istotnych aspektów: architektonicznego, użytkowego i energetycznego.

Istota podwójnej fasady polega na zestawieniu dwóch przegród szklanych tworzących wolną przestrzeń buforową. Szerokość przestrzeni buforowej waha się w granicach od 10 cm do 2 m. Najczęściej od strony pomieszczenia stosuje się zestawy szybowe o podwójnym oszkleniu, natomiast fasada wykonywana jest ze wzmocnionego szkła pojedynczego. Konstrukcję taką często dodatkowo wyposaża się w systemy regulujące dopływ promieniowania słonecznego do pomieszczeń (rolety, żaluzje) [1–5]. Na FOT. 1-2 przedstawiono przykładowe fasady podwójne.

Powyższe rozwiązanie może być zmodyfikowane poprzez wprowadzenie przepływu powietrza przez przestrzeń buforową. Przepływ powietrza może być związany z wentylacją naturalną lub mechaniczną.

Dążąc do poprawy efektywności energetycznej podwójnej fasady, zaproponowano modyfikację sposobu przepływu powietrza w przestrzeni buforowej, przekształcając ją w wymiennik ciepła. Rozwiązanie takie nawiązuje do konstrukcji np. krzyżowego wymiennika ciepła stosowanego w systemach wentylacyjnych. W rozwiązaniu tym strumień powietrza wywiewanego z budynku, przepływając przez wymiennik, przekazuje energię cieplną strumieniowi powietrza nawiewanego, przez co do budynku zostaje wprowadzone powietrze o temperaturze wyższej od temperatury powietrza zewnętrznego. Wymiennik krzyżowy tworzą równolegle ułożone kanały, którymi strumienie powietrza zimnego i ciepłego przepływają obok siebie, nie mieszając się ze sobą [1–5]. Powyższa zasada została przedstawiona na RYS. 1.

Podobny efekt uzyskano wprowadzając do konstrukcji podwójnej fasady trzecią przegrodę przezroczystą. Dzięki temu przestrzeń buforowa zostaje rozdzielona na dwie niezależne części, którymi może przepływać powietrze wentylacyjne. Tym samym zachodzi możliwość rozdzielenia przepływającego strumienia powietrza na strumień nawiewany i wywiewany z pomieszczenia. W tym rozwiązaniu zostaje wytworzony układ podobny do płytowego wymiennika ciepła stosowanego w wentylacji mechanicznej. Schemat działania takiego rozwiązania przedstawia RYS. 2.

Modyfikacja taka powinna pozwolić na rozszerzenie możliwości w zakresie regulacji przepływu energii do i z budynku. W okresie grzewczym rozwiązanie to powinno jednocześnie zmniejszać straty ciepła przez przenikanie i wentylację, dodatkowo wprowadzając zyski ciepła od nasłonecznienia do ogólnego bilansu energetycznego budynku. W okresie letnim fasada powinna efektywnie chronić pomieszczenia przed zyskami ciepła od nasłonecznienia, równocześnie umożliwiając oświetlenie pomieszczeń światłem naturalnym oraz zapewnić, jeśli jest to możliwe, chłodzenie pomieszczeń powietrzem zewnętrznym [1–5].

W niniejszym artykule autorzy podjęli próbę określenia aspektu energetycznego szklanej fasady tworzącej przeciwprądowy wymiennik ciepła na przykładzie budynku biurowego.

Opis procedury badawczej

Założenia analiz

Metoda badawcza przyjęta w pracy to badania numeryczne z wykorzystaniem programu ESP-r [7]. Obliczenia były prowadzone z 60-minutowym krokiem czasowym na bazie rzeczywistych danych klimatycznych (Katowice, uśrednione dla okresu lat 2003–2017).

Baza klimatyczna [8] została zaimplementowana do programu ESP-r. Współczynnik przenikania ciepła okien i fasady został wyznaczony w programie Window [9] (por. TABELA 1).

Analizy obejmowały określenie zużycia energii na grzanie i chłodzenie, czasu pracy rozpatrywanych systemów instalacyjnych oraz temperatury powietrza w fasadzie – strefa zewnętrzna oraz wewnętrzna. Do szczegółowej analizy wybrano strefę pomieszczeń biurowych zlokalizowaną na czwartej kondygnacji w budynku 8-piętrowym. Parametry cieplne oraz wymagania wentylacyjne przyjęto zgodnie z charakterem obiektu [6]:

• temperatura powietrza pomieszczeń biurowych i komunikacja pozioma t_Z = 20°C, t_L = 26°C,
• temperatura powietrza klatki schodowej 12°C,
• ilość powietrza w pomieszczeniach = 20 m³/osobę,
• liczba osób n = 10,
• ciepło jawne 95 W/osobę,
• ciepło utajone 45 W/osobę.

Dodatkowo przyjęto zróżnicowane harmonogramy generowania wewnętrznych zysków ciepła od ludzi, wyposażenia elektrycznego oraz instalacji oświetleniowej (RYS. 3, RYS. 4 i RYS. 5).

Przedmiot analiz

Przedmiotem pracy jest fasada przezroczysta w budynku biurowym 8-kondygnacyjnym. Model obliczeniowy budynku, w którym usytuowano fasadę, zbudowano jako układ pięciu stref cieplnych: dwie klatki schodowe, komunikacja pozioma, toalety oraz strefy pomieszczeń biurowych (RYS. 6).

W TABELI 2 zestawiono współczynniki przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych.

Przedmiotowa fasada została zorientowana w kierunku zachodnim. Jej odwzorowanie obliczeniowe zrealizowano za pomocą układu dwóch stref (nawiewnej i wywiewnej) – RYS. 7.

Strefa nawiewna wydzielona jest przegrodami ze szkła wzmocnionego grubości 8 mm, które tworzą elewację zewnętrzną oraz przegrodą rozdzielającą, przez którą następuje wymiana ciepła. Strefę wywiewną tworzą przegroda rozdzielająca oraz przegroda wewnętrzna (RYS. 8).

Przegrodę wewnętrzną tworzy typowy układ przeszklenia zespolonego złożonego z 2 tafli szkła grubości 6 mm, i przestrzeni wypełnionej argonem grubości 16 mm.

Rozpatrywano trzy warianty analiz, W0 – bez obiegu powietrza, W1 – z obiegiem powietrza oraz W2 – z odwróconym obiegiem powietrza w miesiącu lipcu (RYS. 9–10).

Wyniki badań i ich analiza

W artykule zaprezentowano wyniki dla stycznia i lipca jako reprezentatywnych z punktu widzenia celu badań.

Na RYS. 11 i RYS. 12 przedstawiono wyniki zużycia energii na chłodzenie i grzanie w przedmiotowym pomieszczeniu.

Na podstawie uzyskanych wyników analiz można stwierdzić, iż zużycie energii przez system ogrzewania w styczniu jest prawie o 25% niższe dla wariantu z przepływem powietrza (W1) niż bez obiegu powietrza (W0). Natomiast w przypadku systemu chłodzenia sytuacja jest odwrotna.

W wariancie W1 zużycie energii jest wyższe o ok. 25% niż w wariancie W0. Jest to bezpośrednio związane z uzyskiwanymi temperaturami w poszczególnych strefach szklanej fasady (RYS. 13, RYS. 14, RYS. 15, RYS. 16, RYS. 17 i RYS. 18), dlatego Autorzy postanowili przeanalizować w miesiącu lipcu wariant z odwróconym obiegiem przepływu powietrza w stosunku do wariantu W1 (rys. 9–10). W tym rozwiązaniu zużycie energii na chłodzenie uzyskano niższe o 2% niż dla wariantu W1.

Rozpatrując czas pracy przez systemy instalacyjne, można zauważyć, że w przypadku grzania dla wariantu W1 jest on niższy o 67 godzin niż dla W0. Natomiast dla systemu chłodzenia dla wariantu W1 odnotowano czas pracy dłuższy o 38 godzin niż dla W0. W wariancie W2 z odwróconym obiegiem przepływu powietrza czas pracy systemu chłodzenia uległ zmniejszeniu o 24 godziny w porównaniu z wariantem W1.

Na podstawie uzyskanych wyników dotyczących chwilowych wartości temperatury powietrza (TABELA 3) można stwierdzić, iż w styczniu uzyskano wyższe wartości temperatury minimalnej w wariancie W1 niż w W0 w obu strefach fasady – tj. fasadzie zewnętrznej i wewnętrznej.

Takie wartości mają odzwierciedlenie w niższym zapotrzebowaniu na energię grzewczą (RYS. 11) czy krótszym czasie pracy instalacji (RYS. 19). Pomimo niższych chwilowych maksymalnych wartości temperatury powietrza w wariancie W1 niż w W0 nie wpływa to w sposób negatywny na aspekt energetyczny – ogrzewanie. Temperatura powietrza zewnętrznego w styczniu wynosi t_eS = –16,5–11,9°C, przy średniej t_eśrS = –1,7°C.

W miesiącu lipcu dla wariantu W1 uzyskano niższe wartości temperatury powietrza w obu strefach fasady w porównaniu do wariantu W0. Zatem można wnioskować, że powietrze wywiewane z pomieszczenia chłodzi powietrze do niego nawiewane. Natomiast widać znaczące różnice w chwilowych maksymalnych temperaturach powietrza. Dla wariantu W0 są one wyższe o ok. 7–8°C niż dla W1. Dla wariantu W2 i W1 wartości te zostały zminimalizowane do 0,5°C.

Zatem odwrócenie obiegu powietrza nie przyniosło znaczących zmian. Zmiany te uwidoczniły się natomiast w wartościach minimalnych – dla wariantu W2 są niższe niż dla W1 o ok. 2,5°C. Spowodowało to zmniejszenie zużycia energii na chłodzenie o ok. 2%. Temperatura powietrza zewnętrznego w lipcu wynosi t_eL = 6,5–32,1°C, przy średniej t_eśrL =19,4°C.

Dla lepszego zobrazowania uzyskanych wyników dla wariantu W1 oraz W2 wybrano fragment przebiegu temperatur w analizowanej fasadzie (RYS. 15, RYS. 16, RYS. 17 i RYS. 18).

Podsumowanie

W artykule zostały przeanalizowane trzy warianty szklanej fasady podwójnej:

• W0 – bez obiegu powietrza,
• W1 – z obiegiem powietrza i strefą nawiewną w części wewnętrznej fasady
• oraz W2 – z obiegiem powietrza i strefą nawiewną w części zewnętrznej fasady.

Na podstawie analizy uzyskanych wyników stwierdzono, iż zastosowanie szklanej fasady tworzącej przeciwprądowy wymiennik ciepła powoduje zwiększenie zużycia energii dla chłodzenia w miesiącu lipcu, natomiast zmniejszenie zużycia energii na ogrzewanie w miesiącu styczniu. Różnica w obu przypadkach wynosi 25%.

Zaobserwowano zmniejszenie czasu pracy systemu grzewczego dla wariantu W1 o 67 godzin w porównaniu do wariantu W0. Jednak czas pracy systemu chłodniczego uległ zwiększeniu o 38 godzin w wariancie W1.

Po wprowadzeniu odwróconego obiegu przepływu powietrza dla miesiąca lipca uzyskano nieznaczne zmniejszenie zużycia energii na chłodzenie oraz czasu pracy systemu chłodniczego w porównaniu do wariantu W1.

Wypadkowa efektywność energetyczna tego typu rozwiązań jest trudna do określenia bez przeprowadzenia badań symulacyjnych. Zatem należy zalecać ich wykonywanie w trakcie projektowania obiektu, aby nie narażać inwestora na powiększone koszty realizacji obiektu, które nie przyniosą spodziewanych efektów energetycznych.

Otrzymane wyniki zachęcają do dalszych analiz w zakresie przyjęcia innych parametrów optyczno-energetycznych oszklenia, a także rozpatrzenia nie tylko fasady skierowanej na zachód, ale również o innej orientacji.

Literatura

1. A. Bugaj, „Podwójna fasada – efektywny element systemu wentylacji budynku”, „Rynek Instalacyjny” 11/2013.
2. A. Bugaj, „Praktyczne zastosowanie podwójnej fasady w systemie wentylacji budynku”, „Rynek Instalacyjny” 12/2013.
3. A. Charkowska, „Wentylacja fasadowa”, „Rynek Instalacyjny” 1–2/2013.
4. „Fasady ze skórą podwójną: wybór odpowiedniego zestawienia szkła dla optymalizacji płynących z ich zastosowania korzyści”, https://www.swiat-szkła.pl, dostęp z dnia 15.08.2019 r.
5. „Elewacje dwupowłokowe: zaawansowane okrycia budynków. Charakterystyka i wyzwania”, https://www.swiat-szkla.pl; dostęp z dnia 15.08.2019 r.
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75/2002, poz. 690, z późniejszymi zmianami).
7. https://www.esru.strath.ac.uk/programs, dostęp z dnia 05.09.2019 r.
8. https://openstudio.net, dostęp z dnia 05.09.2019 r.
9. https://windows.lbl.gov/software/window, dostęp z dnia 05.09.2019 r.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!