Balkony jako systemy szklarniowe

Zasadnicze znaczenie dla regulacji zysków energetycznych w budynkach pasywnie wykorzystujących energię słoneczną ma odpowiednie kształtowanie obudowy, a przede wszystkim dobór powierzchni części oszklonych.

Analizowany układ – mieszkanie z balkonem oszklonym

Przykładem systemu szklarniowego są balkony oszklone, często stosowane ze względu na niską cenę i prostotę wykonania. Rozpatrywany układ to mieszkanie o powierzchni użytkowej netto 75 m², z balkonem zewnętrznym o powierzchni ok. 5 m². Mieszkanie zlokalizowane jest w części środkowej kondygnacji i ma dwie przeciwległe przegrody zewnętrzne oraz dwie wewnętrzne, oddzielające je od pomieszczeń o podobnej funkcji.

Przyjęto murowano-żelbetową konstrukcję budynku, o izolacyjności cieplnej obudowy spełniającej wymagania rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1].

Założono, że obudowa balkonów może być wykonana w dwóch wariantach - o niskiej lub wysokiej izolacyjności termicznej (TABELA 1). W pierwszej wersji ściany podokienne są murowane z gazobetonu, nieocieplone, a pojedyncze oszklenie osadzono w nieizolowanej ramie aluminiowej.

W drugiej wersji część pełna obudowy jest ocieplona styropianem. Część oszkloną stanowi podwójna szyba zespolona, wypełniona powietrzem, z powłoką niskoemisyjną na szybie wewnętrznej. Ramy okienne są wykonane z pięciokomorowych profili z PCW.

Zestawy szyb w obu wersjach różnią się przepuszczalnością promieniowania słonecznego. Można oczekiwać, że ze względu na wyższą wartość współczynnika przepuszczania energii słonecznej g zyski cieplne w wariancie 1 będą większe. Większe będą również straty ciepła z balkonu do otoczenia z powodu mniejszej izolacyjności termicznej obudowy. Wersja druga da mniejsze zyski słoneczne, ale i mniejsze straty ciepła na zewnątrz.

Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do obudowy

Oprócz powierzchni oszklenia ważny wpływ na wielkość zysków energetycznych ma natężenie promieniowania słonecznego docierającego do obudowy kolektora. Na stacjach aktynometrycznych prowadzone są na ogół pomiary natężenia promieniowania całkowitego lub całkowitego i rozproszonego, padającego na płaszczyznę poziomą.

Na ich podstawie można obliczyć natężenie promieniowania docierającego do powierzchni nachylonych, z wykorzystaniem modeli matematycznych o różnym stopniu złożoności.

Promieniowanie padające na płaszczyznę pionową ma trzy składowe: promieniowanie bezpośrednio pochodzące od tarczy słonecznej, promieniowanie rozproszone z powierzchni nieboskłonu i promieniowanie rozproszone odbite od terenu.

Wyznaczenie pierwszej składowej, tj. promieniowania bezpośredniego (kierunkowego), jest stosunkowo proste. Jeśli zna się natężenie promieniowania kierunkowego na płaszczyźnie poziomej i zależności geometryczne opisujące położenie słońca, wielkość tę można obliczyć w następujący sposób [4, 5]:

gdzie:
I_B,β - natężenie promieniowania kierunkowego padającego na płaszczyznę nachyloną pod kątem β [W/m²],
I_B - natężenie promieniowania kierunkowego padającego na płaszczyznę poziomą [W/m²],
Θ - kąt padania promieniowania kierunkowego na płaszczyznę nachyloną (mierzony względem normalnej do tej płaszczyzny),
Ψ - kąt padania promieniowania kierunkowego na płaszczyznę poziomą (mierzony względem normalnej do tej płaszczyzny).

Promieniowanie rozproszone jest trudniejsze do oszacowania ze względu na jego anizotropowy, niejednakowy na powierzchni nieboskłonu, charakter. Jeżeli niebo jest bezchmurne, promieniowanie jest większe wokół tarczy słonecznej i nad horyzontem. Im większe zachmurzenie, tym bardziej rozkład natężenia promieniowania rozproszonego zbliża się do równomiernego na całej powierzchni nieba.

Pierwsze historycznie modele obliczania natężenia promieniowania rozproszonego docierającego do płaszczyzny nachylonej to modele izotropowe, zakładające jego równomierny rozkład. Najbardziej znany w tej grupie jest model Liu i Jordana [6], według którego natężenie promieniowania rozproszonego z nieboskłonu oblicza się jako:

gdzie:
I_D,β - natężenie promieniowania rozproszonego padającego na płaszczyznę nachyloną pod kątem β [W/m²],
I_D - natężenie promieniowania rozproszonego padającego na płaszczyznę poziomą [W/m²].

Na bazie modeli izotropowych powstało wiele modeli pseudo-izotropowych, wprowadzających do równań niewielkie korekty matematyczne, zwiększające dokładność obliczeń. Do tej grupy można zaliczyć modele Tempsa–Coulsona, Kluchera oraz Haya [7, 8].

Trzecia grupa modeli to modele anizotropowe, uwzględniające niejednorodność promieniowania przez wyodrębnienie i dokładne obliczeniowe odwzorowanie dwóch lub trzech jego składowych (promieniowanie okołosłoneczne, nad horyzontem i pochodzące z pozostałej części nieboskłonu). Najbardziej rozpowszechnione spośród anizotropowych są modele Gueymarda, Muneera i Pereza.

Prowadzone w Polsce badania porównujące dokładność wybranych modeli wskazują model Pereza jako jeden z najlepszych, ze względu na dużą zgodność z wynikami pomiarów i małe błędy statystyczne [8]. W prezentowanych analizach model ten został przyjęty do wyznaczenia natężenia promieniowania docierającego do powierzchni pionowych, którą to wielkość oblicza się ze wzoru:

gdzie:
I_D,β - natężenie promieniowania rozproszonego padającego na płaszczyznę nachyloną pod kątem β [W/m²],
I_D - natężenie promieniowania rozproszonego padającego na płaszczyznę poziomą [W/m²],
a, b - współczynniki uwzględniające kąt padania promieniowania rozproszonego z obszaru okołosłonecznego na płaszczyznę nachyloną i poziomą,
F1, F2 - współczynniki jasności nieboskłonu w obszarze okołosłonecznym i nad horyzontem, zależne od kąta zenitalnego Θ_z, przejrzystości atmosfery ε i jasności Δ; sposób obliczania współczynników podany jest w pracy „Modeling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance” [9].

RYS. 4 przedstawia miesięczne wartości napromieniowania płaszczyzn pionowych skierowanych na południe, wschód i zachód, wyznaczone w programie komputerowym według modelu Pereza. Wykresy uwzględniają promieniowanie kierunkowe, rozproszone i odbite od powierzchni terenu (albedo = 0,2).

Rozkład promieniowania padającego na przegrody pionowe wykazuje asymetrię względem stron świata. W okresie zimowym największe ilości promieniowania docierają do płaszczyzny skierowanej na południe. W ciągu lata najbardziej nasłonecznione są przegrody pionowe skierowane na wschód, a najmniej - na zachód.

Różnice te mogą powodować trudności we wstępnej ocenie skuteczności zaproponowanych wariantów oszklenia i uzasadniają potrzebę przeprowadzenia dokładniejszych analiz obliczeniowych.

Zapotrzebowanie na energię w mieszkaniu

Zmiana rodzaju i powierzchni oszklenia balkonu będzie wpływać na bilans energetyczny tej strefy oraz decydować o stratach i zyskach ciepła w przestrzeni nieogrzewanej oraz strefie mieszkalnej. Wyniki obliczeń porównano z wersją bazową, czyli mieszkaniem o takiej samej konstrukcji, ale bez balkonu (TABELA 2).

Efekty energetyczne zróżnicowania obudowy balkonu są następujące (TABELA 2):

• zwiększenie powierzchni oszklenia, zarówno przez zwiększenie jego wysokości, jak i dodanie oszkleń na ścianach bocznych, powoduje zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło w mieszkaniu;
• obudowa typu B1, o niskiej izolacyjności termicznej i większej przepuszczalności promieniowania słonecznego, przynosi mniejsze oszczędności energetyczne - przy jej zastosowaniu zapotrzebowanie na ciepło w mieszkaniu zmniejszono o 5,8% - do 16,2%;
• spośród rozwiązań o dwóch oszklonych przegrodach (w obudowie typu B1) większe efekty daje oszklenie na ścianie wschodniej i południowej;
• bardziej korzystne jest zastosowanie obudowy typu B2, o wysokiej izolacyjności termicznej i niższej przepuszczalności promieniowania słonecznego przez oszklenie; dla tego wariantu obudowy zmniejszono zapotrzebowanie na ciepło w mieszkaniu od 15,2% do 21,7%;
• oszklenie na ścianach bocznych w przypadku obudowy B2 ma mniejsze znaczenie dla ograniczenia potrzeb grzewczych; dodanie oszklenia na ścianie zachodniej nie przynosi praktycznie żadnych oszczędności energii; bardziej skuteczne są oszklenia skierowane na południe i wschód.

Niejednakowe efekty wynikające z umieszczenia oszkleń na ścianach wschodniej i zachodniej związane są z dysproporcją w rozkładzie natężenia promieniowania słonecznego padającego na te ściany (RYS. 4).

Dodanie oszkleń na obu ścianach bocznych ma większy wpływ na wyniki dla obudowy o małej izolacyjności termicznej B1 i pozwala zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło o ok. 6% w porównaniu z umieszczeniem oszklenia jedynie na ścianie południowej. Obudowa typu B2 jest mniej podatna na takie zmiany - dodanie oszklenia na obu ścianach bocznych modyfikuje zapotrzebowanie na ciepło średnio o 2,5%.

Wynika to z faktu, że w okresie zimowym kierunkowe promieniowanie słoneczne pada na ściany boczne pod dużymi kątami i niewielka jego część zostaje przepuszczona do wnętrza szklarni przez podwójne oszklenie.

Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na chłód (konieczne do uzyskania w mieszkaniu temperatury nieprzekraczającej 26°C), zwiększenie powierzchni oszklenia daje efekt niekorzystny w prawie wszystkich sytuacjach – zwiększa zapotrzebowanie na energię (TABELA 3).

Zaobserwowano następujące prawidłowości:

• w odniesieniu do oszklenia o najmniejszej powierzchni (wysokość 180 cm, tylko na ścianie skierowanej na południe) uzyskano niewielkie zmniejszenie zapotrzebowania na chłód w mieszkaniu w porównaniu z wersją bazową - wynika to z zacieniania okien budynku przez ściany boczne balkonu;
• w pozostałych sytuacjach wprowadzenie systemu szklarniowego powoduje wzrost zapotrzebowania na chłód;
• obudowa typu B1 jest rozwiązaniem mniej korzystnym, zwiększającym zapotrzebowanie na chłód od 7,3% aż do 115,9%;
• obudowa typu B2 daje nieco mniejszy wzrost potrzeb energetycznych – od 6,8% do 98%;
• zastosowanie oszklenia tylko na ścianie skierowanej na południe powoduje najmniejsze przegrzewanie pomieszczeń latem; w odniesieniu do tego wariantu oszklenia uzyskane wyniki w bardzo niewielkim stopniu zależą od typu obudowy (RYS. 5);
• dodanie oszkleń na ścianach bocznych jest zdecydowanie niekorzystne i wiąże się z największymi skutkami energetycznymi; szczególnie niezalecane są oszklenia na ścianach wschodnich, najbardziej nasłonecznionych w lecie.

Odnośnie zapotrzebowania na chłód różnice jakościowe między obudową typu B1 i B2 są mniejsze. Większe niż w sezonie grzewczym są natomiast efekty energetyczne związane z dodaniem oszkleń na ścianach bocznych.

Ze względu na mniejsze kąty padania promieniowania bezpośredniego w okresie letnim większa jest jego przepuszczalność przez szyby skierowane na wschód i zachód, stąd też większy wpływ oszkleń bocznych na zyski ciepła.

W prezentowanych przypadkach zmiany zapotrzebowania na ciepło i chłód nie są jednakowe. W związku z tym w odniesieniu do poszczególnych wariantów obudowy ocenie poddano także sumaryczne zapotrzebowanie na energię (RYS. 9–10).

Krzywe reprezentujące wariant oszkleń na dwóch lub trzech ścianach mają charakter rosnący - zwiększenie wysokości oszklenia skutkuje jednoznacznie wzrostem potrzeb energetycznych. Różnice wynikające z umieszczenia oszklenia na bocznej ścianie skierowanej na wschód lub zachód nie przekraczają 0,6%, można je więc uznać za nieistotne.

Mniejsze nasłonecznienie zimą jest „rekompensowane” mniejszym przegrzewaniem w lecie i na odwrót, co daje w efekcie bardzo zbliżone całkowite potrzeby energetyczne. Oszklenie rozmieszczone na całej obudowie balkonu to wariant zdecydowanie najmniej korzystny, powodujący wzrost zapotrzebowania na chłód ponad oszczędności energii uzyskane w sezonie grzewczym.

Jeżeli oszklenie umieszczone jest jedynie na ścianie balkonu skierowanej na południe, całkowite zapotrzebowanie na energię praktycznie nie zależy od wysokości oszklenia, z tym że wykresy osiągają minimum dla wysokości 220 cm.

Należy też podkreślić, że w niektórych przypadkach zaobserwowano wzrost zapotrzebowania na energię ponad poziom obliczony dla wersji bazowej, czyli mieszkania bez balkonu (RYS. 9). Rozwiązania tego rodzaju - o największym stopniu oszklenia i niskiej izolacyjności termicznej - należy zdecydowanie wykluczyć spośród dopuszczalnych.

PODSUMOWANIE

Przy wyborze rozwiązań najbardziej korzystnych można kierować się jedynie osiągnięciem maksymalnych oszczędności w sezonie grzewczym - w tym wypadku najlepszym wariantem jest obudowa o wysokiej izolacyjności i jak największym stopniu oszklenia na wszystkich ścianach. Rozwiązanie to jednak może spowodować znaczny dyskomfort w pomieszczeniach mieszkalnych w okresie letnim.

Zdecydowana większość spośród analizowanych przypadków spowodowała wzrost zapotrzebowania na chłód w ciągu lata. Nadmiar ciepła może być usunięty przez okresowe wietrzenie, zwiększenie wymiany powietrza przez instalację wentylacji mechanicznej lub klimatyzację pomieszczeń.

Należy liczyć się z tym, że rozwiązania najbardziej skuteczne będą też najbardziej kosztowne podczas eksploatacji obiektu. Uzasadniony więc może się okazać wybór obudowy pod kątem najmniejszego całkowitego zapotrzebowania na energię.

Pozwoli to osiągnąć pewien kompromis między jak najlepszym przystosowaniem do pasywnego ogrzewania budynku zimą a ograniczeniem przegrzewania latem. W tej sytuacji zalecanym rozwiązaniem również byłaby obudowa o wysokiej izolacyjności, ale mniejszej powierzchni oszklenia na ścianie skierowanej na południe.

Przeprowadzone analizy wskazują, że dość powszechnie stosowane obudowy o małej izolacyjności i pojedynczym oszkleniu nie są rozwiązaniem korzystnym z punktu widzenia oszczędności energii, a w niektórych sytuacjach mogą wręcz spowodować wzrost potrzeb energetycznych w mieszkaniu.

W porównaniu z obudową o większej izolacyjności, w sezonie zimowym dają one mniejszy efekt buforowy ze względu na większe straty ciepła z przestrzeni balkonu. W sezonie letnim z kolei zyski słoneczne w mieszkaniu są większe z powodu większej przepuszczalności promieniowania słonecznego.

Przeprowadzone badania podkreślają znaczenie świadomego projektowania systemów pasywnych. Powinno ono uwzględniać nie tylko zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło, ale i wpływ proponowanych rozwiązań na warunki panujące w obiekcie w okresie letnim.

Wyniki prac były finansowane ze środków statutowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr S/14/2014

LITERATURA

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1238).
2. „BSim Users Guide v. 6.10.7.7”, Danish Building Research Institute, 19992010.
3. M. Grudzińska, „Balkony oszklone jako systemy szklarniowe (cz. 1). Zasady konstruowania i funkcjonowania pośrednich systemów pasywnych”, „IZOLACJE”, nr 7/8/2014, s. 36–41.
4. Z. Pluta, „Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
5. W. Smolec, „Fototermiczna konwersja energii słonecznej”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2000.
6. B.H.Y. Liu, R.C. Jordan, „The long term average performance of flat-plate solar-energy collectors”, „Solar Energy”, Vol. 7/1963, pp. 5374.
7. T. Muneer, „Solar Radiation and Daylight Models”, Elsevier ButterworthHeinemann, Oxford 2004.
8. D. Włodarczyk, H. Nowak, „Statistical analysis of solar radiation models onto inclined planes for climatic conditions of Lower Silesia in Poland”, „Archives of Civil and Mechanical Engineering”, Vol. 9/2009, pp. 127–144.
9. R. Perez, P. Ineichen, R. Seals, J. Michalsky, R. Steward, „Modeling daylight availability and irradiance components from direct and global irradiance”, „Solar Energy”, Vol. 44/1990, pp. 271289.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!