D ariusz H E IM 1 P iotr K L E M M 2
WPŁYW ARCHITEKTURY OGRODU ZIMOWEGO NA NASŁONECZNIENIE POWIERZCHNI WEWNĘTRZNYCH DLA
BUDYNKU EKOLOGICZNEGO „BARTEK - 80”
1. W stęp
W referacie przed staw io n o w yniki obliczeń p ro m ien io w an ia b ezp o śred n ieg o na pow ierzchni ścian d la zaprojektow anego w ram ach budynku ’’B A R T E K - 8 0 ” ogrodu zim o w eg o (szklarni). O b liczen ia w y konano d la ścian o o rien tacji południow ej i p o łudniow o - zachodniej ogrodu, które w zam ierzeniach autorów m iały pełnić funkcje m .in. tzw . „m agazynów ciep ła” . D la obu orientacji p rzean alizo w an o cztery' w arianty rozw iązań architektonicznych przegród zew nętrznych, polegających na częściow ym zastąp ien iu pow ierzchni p rzeszklonych p rzegrodam i trad y cy jn y m i. A n alizo w an e w arianty, m a ją n a celu potw ierd zen ie słuszności przyjętych założeń lub w sk azan ie ro zw iązań korzystniejszych.
P ro jek t ekologicznego budynku m ieszkalnego ’’B A R T E K - 8 0 ” został stw orzony przez p racow ników W ydziału B udow nictw a, A rchitektury i Inżynierii Ś rodow iska P olitechniki Ł ódzkiej [1], Z asto so w an o w nim w iele rozw iązań m ających na celu pozyskiw anie, m agazynow anie i w y k o rzy stan ie energii źródeł o dnaw ialnych (słońca, w iatru i ziem i). B yły to zarów no ro zw iązan ia aktyw ne ja k i pasyw ne, których zasto so w an ie m iało na celu obniżenie zap o trzeb o w an ia na energię k o n w en cjo n aln ą, a tym sam ym pó źn iejszy ch kosztów eksploatacji. Jednym z w ielu ro zw iązań p asyw nych, które znalazły się w projekcie był um ieszczony od strony p ołudniow ej i częściow o zachodniej ogród zim ow y o pow ierzchni 16 m 2. T ak zap ro jek to w an y ogród , pełni w okresie g rzew czym rolę strefy buforow ej popraw iając k o m fo rt cieplny p om ieszczeń w ew n ątrz budynku. N ato m iast ściany w ew n ętrzn e o grodu, dzięki zastosow aniu o d p ow iednich m ateriałów i w łaściw ym ich ukształtow aniu m o g ą zostać w yk o rzy stan e ja k o m agazyn energii p ro m ien io w an ia słonecznego.
O ile w okresie zim ow ym pełne n asło n eczn ien ie pow ierzchni w ew nętrznych
’’szk larn i” je s t ja k najbardziej pożądane, o tyle w o kresie letnim staje się je d n ą z przyczyn p rzeg rzan ia p om ieszczeń i w y m ag a zasto so w an ia szeregu d odatkow ych działań w celu zap ew n ien ia odpo w ied n ich w aru n k ó w k o m fo rtu cieplnego. P roblem y zw iązane z p rzegrzew aniem pom ieszczeń w okresach p o za sezonem g rzew czym p rzedstaw iono m .in. w [2]. P rzeprow adzone dla szerokości geograficznej Polski obliczenia, p o tw ierd zają słuszność w p ro w ad zen ia p roponow anych rozw iązań 1 M g r inż. P o litech n ik a Ł ódzka, dark h eim @ ck -sg .p .lodz.pl
2 Prof. dr hab. inż. P o litech n ik a Ł ó d zk a, k lem m p io @ ck -sg .p .lodz.pl
alternatyw nych. P o leg ają one na częściow ym zastąpieniu elem entów p rzeszklonych elem entam i nieprzeziernym i, czego efektem b ędzie o g raniczenie p ro m ien io w an ia bezpośredniego padającego na pow ierzchnie w ew nętrzne w ok resie w ysokich tem p eratu r zew nętrznych (lato) przy m ożliw ie niew ielkim o b n iżen iu teg o ż p ro m ien io w an ia w sezonie grzew czym (zim a).
2. S form u łow an ie problem u
C ałkow ite prom ieniow anie słoneczne docierające do d o w o ln ie nachylonej, płaszczyzny na pow ierzchni ziem i Is je s t su m ą prom ien io w an ia bezpo śred n ieg o Ib i rozproszonego Id [3,4,5,6,7].
I s = I b + I d ( 1 )
W p rzypadku gdy an alizow ana p łaszczy zn a je s t całkow icie zacieniona, w tedy p rom ieniow anie bezpośrednie Ib = 0, zaś całkow ite prom ieniow anie słoneczne Is = Id), gdzie Id| je s t p rom ieniow aniem rozproszonym na p łaszczyźnie zacienionej i Idi < Id. W przypadku analizy w pływ u zacienienia, zm iana całkow itego p ro m ien io w an ia słonecznego na pionow ej ścianie w ew nętrznej ogrodu je s t silnie zależna od zm iany w artości Ib. W zw iązku z tym d alszą analizę p rzeprow adzono poró w n u jąc zm ianę w artości p rom ieniow ania bezpośredniego Ib obliczonego d la poszczeg ó ln y ch przypadków . D o obliczeń prom ieniow ania bezpośredniego padającego na p ionow e p o w ierzch n ie ścian w ew nętrznych ogrodu zim ow ego w y korzystano m odel m atem atyczny zaproponow any w [3].
R y s .l. Poszczególne w arianty p rzyjęte do obliczeń
P rzeanalizow ano cztery przypadki, polegające n a zastąpieniu niektórych pow ierzchni przeszklonych przegrodam i n ieprzepuszczającym i prom ieniow anie słoneczne, przedstaw ione schem atycznie na rys. 1:
O - ogród całkow icie przeszklony,
A - d ach o grodu w y konany ja k o trad y cy jn a w ięźb a dachow a,
B - ścian a zach o d n ia o grodu w yk o n an a w konstrukcji tradycyjnej m urow ej, C - dach i ścian a zach o d n ia ogrodu w yk o n an e w kon stru k cji trad y cy jn ej.
O b licze n ia prom ien io w an ia b ezpośredniego na w ew nętrznej pow ierzchni ściany podłużnej ogrodu zim ow ego, w ykonano dla dw óch przypadków u sy tu o w an ia budynku w zględem stron św iata. P ierw szy zgo d n y z założeniam i pro jek tan tó w , w którym ściana p o d łu żn a ogrodu zim ow ego skierow ana je s t na połu d n ie i drugi w którym ściana p o siad a o rien tacje p o łudniow o-zachodnią. D la czterech przy p ad k ó w 0, A , B i C ok reślono w pływ p łaszczyzn cieniujących na w artość energii p ro m ien io w an ia bezp o śred n ieg o docierającego do ściany w poszczeg ó ln y ch m iesiącach.
3. W yn ik i obliczeń
W w yniku p rzeprow adzonych obliczeń o trzy m an o w artości pro m ien io w an ia bezpo śred n ieg o padającego na pow ierzchnię ściany d la poszczeg ó ln y ch m iesięcy. N a rysunkach 2 i 3 przedstaw iono d o b o w ą historię zm iany p ro m ien io w an ia b ezpośredniego na ścianie południow ej dla stycznia i lipca, czyli m iesięcy o najniższej i najw yższej tem p eratu rze zew nętrznej oraz dla czterech om ów ionych w cześniej przypadków .
C Z A S [h]
R ys.2. D obow a histo ria zm ian prom . bezp. dla kierunku po łu d n io w eg o w styczniu
C Z A S [h]
R ys.3. D obow a historia zm ian prom . bezp. d la kierunku południow ego w lipcu
Z analizy rysunku 3 w ynika, że w przypadku zastąp ien ia dachu przeszklonego dachem pełnym , w arian t ”A ” , sum a prom ien io w an ia bezpośredniego w godzinach południow ych najcieplejszego m iesiąca lipca m oże zostać zm niejszona naw et do 63%
sw ojej w artości w stosunku do w ariantu ”0 ” . D odatkow e zabudow anie ściany zachodniej spow oduje w okresie lata pełne zacienienie ściany południow ej o grodu ju ż o go d zin ie 15:00 a tym sam ym skróci okres b ezpośredniego n aprom ieniow ania o około 2 godziny. N ato m iast dla m iesiąca sty czn ia (rysunek 2), w p ro w ad zen ie zm ian w postaci zasto so w an ia pełnej połaci dachow ej spow oduje zm niejszenie prom ien io w an ia bezpośredniego je d y n ie o około 12%.
160 140 120 100 80 60 40
2 0 H 1---1---1--- 1---1---1---1---1---1--- 1---1---
VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII
C Z A S [miesiące]
R ys.4. H isto ria zm iany energii prom ieniow ania bezpośredniego docierającej do pow ierzchni ściany południow ej ogrodu zim ow ego
2E
CL N LU CÜ
W yniki obliczeń energii p ro m ien io w an ia b ezp o śred n ieg o d o cierająceg o do pow ierzchni ściany południow ej o grodu zim ow ego przed staw io n o na rysunku 4.
W ynika z niego, że zasto so w an ie przesłon w postaci d achu i ściany zachodniej nie w p ły w a znacząco na w artość energii cieplnej docierającej do analizow anej pow ierzchni w okresie dw óch najchłodniejszych m iesięcy (grudzień, styczeń). N ależy przy tym zw rócić uw agę na fakt iż przegrody pełne c h a rak tery zu ją się zn aczn ie w yższym i (naw et 5-krotnie), w artościam i oporu cieplnego co p ow oduje m niejsze straty ciep ła przez przenikanie.
C Z A S [h]
R ys.5. D o b o w a h istoria zm ian prom . bezp. dla kierunku pd. - zach. w styczniu
N a rysunkach 5 i 6 pokazano d o b o w ą zm ianę p ro m ien io w an ia b ezp o śred n ieg o dla ściany podłużnej ogrodu skierow anej w stronę połud n io w o -zach o d n ią. Jak w ynika z rysunku 5 pew ne niew ielkie o słab ien ie (około 10% ) pro m ien io w an ia b ezp o śred n ieg o w m iesiącu styczniu (go d zin a 13:30) je s t efektem zastąp ien ia dachu p rzeszklonego dachem tradycyjnym . P ełna ściana p ó łn o cn o -zach o d n ia nie m a w tym przypadku żadnego w pływ u na w artość p ro m ien io w an ia b ezpośredniego p adającego na pow ierzchnię ściany w ew nętrznej ogrodu. W yraźne zyski w y n ik ające z zasto so w an ia obu płaszczyzn cieniujących s ą nato m iast w id o czn e w m iesiącu lipcu kiedy to w artość pro m ien io w an ia bezpośredniego d la w ariantu ”C ” (g o d zin a 15:00) m aleje, o około 54% , zaś w ew nętrzne p ow ierzchnie ścian nie s ą narażo n e na p ro m ien io w an ie bezpośrednie ju ż od godziny 18:00.
R ys.6. D o b o w a historia zm ian prom . bezp. d la kierunku pd. - zach. w lipcu
A nalizując rysunek 7 zauw ażyć m ożna, że zm iana energii p ro m ien io w an ia bezpośredniego d la w szystkich czterech przypadków różni się bardzo niew iele w okresie październik-luty natom iast dość istotne zm iany zauw ażyć m ożna w m iesiącach letnich kw iecień-w rzesień, w szczególności porów nując krzyw e ” 0 ” i ”C ” . W skazyw ało by to n a korzystny w pływ zasto so w an ia przegród pełnych zgodnie z w ariantem ”C ” .
C Z A S [miesiące]
R y s.7. H istoria zm iany energii prom ien io w an ia bezpośredniego docierającej do pow ierzchni ściany południow ej - zachodniej ogrodu zim ow ego
4. W n iosk i
P rzep ro w ad zo n e o b liczen ia p ro m ien io w an ia b ezp o śred n ieg o dla energ o o szczęd n eg o budynku m ieszkalnego ’’B A R T E K -8 0 ” su g e ru ją zasto so w an ie nieco innych n iż zaproponow anych w projekcie rozw iązań. B ez w zg lęd u na orientacje ścian budynku w zględem stron św iata korzystne je s t zastąp ien ie przeszklonej połaci dachu o grodu zim ow ego dachem o konstrukcji tradycyjnej (w ariant A). Popraw i to w łasności term iczn e sam ej przegrody, zaś w okresie letnim zn aczn ie ograniczy p en etracje prom ieni słonecznych do w n ętrza ogrodu, a tym sam ym je g o n adm ierne nagrzew anie. D la ścian o grodu zorientow anych w kierunku p o łu d n io w o -zach o d n im dod atk o w e korzyści p rzyniosłoby zastąp ien ie ściany zew nętrznej o g ro d u (w ariant C) śc ia n ą w y k o n a n ą w technologii tradycyjnej. N ależy je d n a k zaznaczyć, Ze sp o w o d u je to niezn aczn e o g raniczenie p ro m ien io w an ia bezpośredniego w o kresie zim ow ym .
P rzep ro w ad zo n e ob liczen ia należy o d n o sić je d y n ie do an alizo w an eg o obiektu i dla w aru n k ó w o dpow iadających w arunkom p ro m ien io w an ia b ezp o śred n ieg o na ob szarze Polski. A nalizę p rzeprow adzono d la je d n e g o , szczególnego p rzypadku nie uw zględniając w pływ u czynników d odatkow ych takich ja k ; to p o g rafia teren u , elem enty krajobrazu, elem enty m ałej architektury. W szystkie te czynniki m a ją w pływ na ostateczny w y n ik i należy je k ażdorazow o u w zględniać d la konkretnej lokalizacji budynku ’’B A R T E K -8 0 ” . N in iejsza praca m iała za celu po k azan ie konieczności zw ery fik o w an ia pew nych standardów , w p rojektow aniu o g ro d ó w zim o w y ch w polskich w aru n k ach n asłonecznienia. Jest o n a pew nym etapem w stępnym i w y m a g a dalszych analiz z w ykorzystaniem bardziej złożonych m odeli obliczeniow ych.
L iteratura
[1] P raca zbiorow a: „E nergooszczędny, E kolo g iczn y D om Jed n o ro d zin n y B A R T E K - 80” , w y k o n an a w ram ach O g ó lnopolskiego K onkursu A rch itek to n iczn eg o , W arszaw a 1994.
[2] W oźniak J., G aw in D ., K lem m P.: „W pływ w y b ran y ch rozw iązań k o n strukcyjnych na kom fort cieplny p om ieszczeń p oza sezonem g rzew czy m ” , M ateriały 5 K onferencji N au k o w o -T ech n iczn ej, F izyka B udow li w T eorii i P raktyce, Ł ódź, 1995.
[3] P raca zbiorow a: „H eating, V entilating and A ir-C o n d itio n in g A P P L IC A T IO N S ” . A S H R A E H A N D B O O K , A tlanta, 1995.
[4] Śliw ow ski L. (R ed.), M . D m ochow ski, W. G rzeszczyk, T. Ł akom y, K. M arszałek, H. N o w ak , „A B uilding and Its P hysical E n v iro n m en t” , Prace N au k o w e Instytutu B u d o w n ictw a Politechniki W rocław skiej, N r 65, Seria M o n o g rafie N r 28, W rocław 1992.
[5] B zo w sk a D ., K o sseck a E., ’’A naliza pro m ien io w an ia słonecznego w W arszaw ie w aspekcie energetyki sło n eczn ej” , Prace IPPT 4 /1993, W arszaw a.
[6] O w czarek S.: „W eryfikacja m odelu gęstości p ro m ien io w an ia sło n eczn eg o na d o w o ln ą p łaszczyznę dla potrzeb bu d o w n ictw a i h elio tech n ik i” , M ateriały 7 K onferencji N au k o w o -T ech n iczn ej, F izyka B udow li w T eorii i P raktyce, Ł ódź, 1999.
[7] T arczyński L.: „D o św iad czaln e i teo rety czn e w artości n atężen ia składow ych pro m ien io w an ia słonecznego w rejonie uprzem y sło w io n y m ” , M at. 7 K onferencji N au k o w o -T ech n iczn ej, F izyka B udow li w T eorii i P raktyce, Ł ó d ź, 1999.
T H E E F F E C T O F G R E E N H O U SE A R C H IT E C T U R E ON IN S O L A T IO N OF IN N E R S U R F A C E S
Sum m ary
E ffect o f some design solutions o f green house architecture on inner surface insolation has been analysed. The results o f beam solar radiation and energy o f direct solar radiation for the coldest and warm est m onths in the year have been presented. Results o f com putations done for Polish clim atic conditions have shown the beam solar radiation decrease o f 54 - 63 % in summer, and 10 - 12 % in w inter for south or w est - south orientations o f the green house.
