WYNIKI OBLICZEŃ I ICH ANALIZA

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono uśrednione, dla poszczególnych miesięcy, zyski ciepła od promieniowania słonecznego docierające odpowiednio do fasady (rys. 1) oraz przylegającego pomieszczenia (rys. 2). Porównując wyniki na rysunku 1a oraz 1b należy stwierdzić, że najlepszą ochronę przed przegrzewaniem fasady zapewniają szyby barwione w masie (przypadek 4). Jednocześnie istotnie ograniczają one dopływ energii promieniowania słonecznego w miesiącach zimowych. Poprawiając izolacyjność cieplną szyb pomiędzy pomieszczeniem a fasadą (rys. 1c) wzrasta znaczenie rodzaju rozwiązania kurtyny zewnętrznej na korzyść systemu o podwyższonym współczynniku pochłania promieniowania słonecznego. We wszystkich przypadkach 1a÷1c, na początku i końcu sezonu grzewczego, stosowanie żaluzji z zadanym schematem sterowania przynosi znaczące korzyści. Rysunek 1d potwierdza brak wpływu rozwiązania kurtyny wewnętrznej na dystrybucję zysków ciepła w poszczególnych miesiącach. Na podkreślenie zasługuje fakt, iż znaczące zyski ciepła zarejestrowano w miesiącu marcu, zaś ich maksimum w miesiącu maju.

Rysunki 2 a÷d ilustrują miesięczne sumy słonecznych zysków ciepła do przylegającego pomieszczenia o kontrolowanej temperaturze wewnętrznej. Praktycznie we wszystkich przypadkach o wielkości zysków decyduje sposób rozwiązania powłoki zewnętrznej.

Proporcjonalne ograniczenie zysków na przestrzeni całego roku daje zastosowanie szyb barwionych w masie, bez względu na ich typ i kolor (rys. 2d). W podobny sposób chronią żaluzje i barwione szkło zastosowane na kurtynie wewnętrznej.

Na rysunkach 3 a÷d zamieszczono miesięczne bilanse wymiany ciepła pomiędzy przestrzenią fasady a środowiskiem zewnętrznym uwzględniając przenikanie oraz fototermiczną konwersję energii promieniowania słonecznego. W tym wypadku ocena korzyści wynikających z danego rozwiązania nie jest wyznaczana w sposób jawny, gdyż sama fasada nie jest strefą o kontrolowanej temperaturze wewnętrznej. Należy stwierdzić, iż najkorzystniejszy bilans dla miesięcy zimowych zanotowano w przypadku ograniczenia strat ciepła z pomieszczenia do fasady (zastosowanie szyb o najniższym współczynniku przenikania ciepła, rys. 3c). Jednocześnie dla miesięcy letnich najkorzystniej wypada szyba pojedyncza (rys. 3d). Wynika to z możliwości wypromieniowywania nadmiaru zysków ciepła w okresach nocnych.

Porównanie miesięcznych bilansów energetycznych pomiędzy pomieszczeniem i fasadą pokazano na rysunku 4 a÷d. Jako rozwiązanie poszukiwane należałoby przyjąć takie, w którym bilans zysków i strat jest możliwie bliski zeru. W praktyce oznacza to zminimalizowanie negatywnego oddziaływania środowiska zewnętrznego na budynek (głównie dużej różnicy temperatur w okresie zimowym) oraz ochronę przed przegrzewaniem w lecie. Najbliższe temu rozwiązaniu wydają się być przypadki zestawione na rysunku 4c.

Wynika z niego, że najlepiej wypadają te fasady, w których na wewnętrznej powłoce zastosowano szybę o najniższym współczynniku przenikania ciepła. Oznacza to, że priorytet stanowi ograniczenie przenikania ciepła z pomieszczenia do przestrzeni fasady. Przyjmując wyższe koszty ogrzewania niż chłodzenia należałoby zastosować na powłoce zewnętrznej żaluzje lub szyby przeciwsłoneczne. Natomiast zastosowanie na powłoce wewnętrznej szyb barwionych w masie, potęguje jedynie efekt dodatniego strumienia energii pomiędzy fasadą a pomieszczeniem.

Ostatnią grupę wyników stanowi miesięczne zapotrzebowanie na ciepło pomieszczenia o kontrolowanej temperaturze w lecie i zimie. Reżim sterowania określono poprzez podanie granicznych wartości temperatur dla grzania i chłodzenia odpowiednio 20 i 24°C. Wyniki

przedstawione na rysunkach 5 a÷d pokazują charakterystyczne okresy przejściowe o praktycznie zerowym bilansie energetycznym. Dla większości przypadków są to miesiące marzec-kwiecień oraz październik.

Rys. 1. Energia promieniowania słonecznego docierająca do wnętrza fasady w poszczególnych miesiącach

a) b)

Rys. 2. Energia promieniowania słonecznego docierająca z wnętrza fasady do przylegającego pomieszczenia w poszczególnych miesiącach

a) b)

Rys. 3. Miesięczny bilans energetyczny dla przegrody transparentnej pomiędzy fasadą a środowiskiem zewnętrznym

Rys. 4. Miesięczny bilans energetyczny dla przegrody transparentnej pomiędzy przylegającym pomieszczeniem a fasadą

a) b)

Rys. 5. Miesięczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania i chłodzenia w pomieszczeniu o kontrolowanej temperaturze wewnętrznej

5. WNIOSKI

Ocena efektywności energetycznej na podstawie wartości miesięcznych jest sposobem mocno przybliżonym, pomimo wyników cząstkowych uzyskanych metodami symulacyjnymi.

Ewentualne nieścisłości wynikać mogą ze znacznego przesunięcia w czasie okresów o dużych zyskach i stratach ciepła, a tym samym niskiego współczynnika wykorzystania zysków ciepła od promieniowania słonecznego. Pomimo wspomnianych niedogodności uzyskane rezultaty mogą posłużyć do wstępnej oceny wybranych przypadków pod kątem energetycznym.

Wszystkie prezentowane w pracy wyniki zestawione zostały jako wartości średnie dla fasad z poszczególnych kondygnacji. Poszukując rozwiązania optymalnego zarówno dla lata jak i zimy, uzyskane wyniki pozwalają na sformułowanie następujących wniosków szczegółowych. Sposób rozwiązania fasady przedstawiony w pracy pełni raczej rolę strefy buforowej niż kolektora powietrznego. Oznacza to, że poszukiwane rozwiązanie powinno być optymalizowane pod kątem ograniczenia straty ciepła na drodze przenikania. Ważnym czynnikiem będzie okresowy wzrost temperatury w samej fasadzie do wartości zbliżonej do temperatury w pomieszczeniu sąsiednim. Nadmierne zwiększanie zysków od promieniowania słonecznego powodować może dodatkowe przegrzewanie poza sezonem grzewczym.

W dalszej części projektu może być ono rozważane ale wyłącznie po uprzednim ustaleniu najkorzystniejszej strategii sterowania żaluzjami lub innymi elementami zacieniającymi.

Elementem pominiętym w powyższej analizie jest czynnik ekonomiczny. W większości przypadków z uwagi na optymalizację kosztów, zewnętrzna kurtyna DSF wykonana jest z pojedynczego oszklenia. Często jej fragmenty integrowane są z innymi rodzajami systemów pozyskiwania energii promieniowania słonecznego jak np. ogniwa fotowoltaiczne. Te i inne aspekty rozwiązania fasad podwójnych zostaną dokładnie przeanalizowane w trakcie dalszych prac badawczych.

PIŚMIENNICTWO

[1] Poirazis H.: Double-Skin Facades for Office Buildings — Literature Review, Lund University, Sweden, 2004.

[2] Bielek B., Bielek M., Palko M.: Dvojite transparentne fasady budov, 1. Diel: Historia, vyvoj, simulacia, experiment a konstrukcja torby, Coreal, spol. S r.o., Bratislava, 2002.

[3] Gavan V., Woloszyn M., Roux J.J., Muresan C., Safer N.: An investigation into the effect of ventilated double-skin Facade with venetian blinds: Global simulation and assessment of energy performance, Proc. of X IBPSA Conference BS 2007, Beijing, 127-133, 2007.

[4] Gertis K.: New façade developments—do they make sense from a building physics point of view? Part 2: glass double façades, Bauphysik 2, 54–66 (in German), 1999.

[5] Hensen, J. & Bartak, M. & Drkal, F.: Modeling and simulation of a double-skin façade system. ASHRAE Transactions, Atlanta, USA, vol. 108:2, 2002.

[6] Saelens D., Roels S.,Hens H.: Strategies to improve the energy performance of multiple-skin facades, Building and Environment, 43 (4), 638-650, 2008.

[7] Heim D.: Comparison of sensible and latent thermal storage potential of double-skin façade. W: Research in Building Physics and Building Engineering, Fazio P., Ge H., Rao J. & Desmarais G. (ed.), Taylor & Francis Publishers, pp. 301-309, 2006.

[8] Heim D., Sprysch M. V., Romanowska A.: Podwójna eksperymentalna fasada budynku uniwersyteckiego w Braunschweigu. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej.

Budownictwo i Inżynieria Środowiska z. 40. Energia Odnawialna – innowacyjne idee i technologie dla budownictwa. Rzeszów, nr 229, s. 213-218, 2006.

[9] Heim D., Janicki M.: Modelowanie metodą sieciową zjawisk transportu ciepła i masy w podwójnych fasadach budynków, 56 Konferencja Naukowa KILiW PAN oraz KN PZITB: Problemy naukowo-badawcze budownictwa, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce, s. 97-104, 2010.

[10] Narowski P., Heim D., Dane klimatyczne dla potrzeb modelowania transportu ciepła i wilgoci w przegrodach budowlanych, Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce tom 3, s. 85-92, Łódź, 2008.

Praca naukowa finansowana 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”.

THE EFFECT OF TRANSPARENT TYPE AND CONSTRUCTION