Balkony jako szklarnie

Podstawowym parametrem określającym przepuszczalność promieniowania przez oszklenie jest współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g.

Zawiera on dwie składowe - przepuszczalność bezpośrednią τ _e i wtórną ρ_i [1]:

g = τ_e + q_i

Przepuszczalność bezpośrednia charakteryzuje ilość promieniowania przechodzącego przez szyby w postaci promieniowania krótkofalowego, natomiast przepuszczalność wtórna podaje, jaka część zaabsorbowanego przez szyby promieniowania słonecznego przekazywana jest w kierunku wnętrza przez konwekcję i promieniowanie, jako długofalowa energia cieplna.

Współczynnik bezpośredniej przepuszczalności promieniowania wyznaczany jest w przedziale długości fali od 300 nm do 2500 nm, obejmującym część promieniowania ultrafioletowego, promieniowanie widzialne i bliską podczerwień.

Obliczenia przeprowadza się przy założeniu, że padające promieniowanie jest prostopadłe do powierzchni szyby. W odniesieniu do pojedynczego oszklenia współczynnik ten określany jest zgodnie ze wzorem:

gdzie:

S_λ - względny rozkład widmowy promieniowania słonecznego,
τ(λ) - widmowy współczynnik przepuszczalności oszklenia,
Δλ - przedział długości fali.

Współczynnik wtórnego przekazywania ciepła do wewnątrz ustalany jest dla następujących warunków umownych:

• oszklenie położone jest pionowo;
• prędkość wiatru na zewnętrznej powierzchni wynosi 4 m/s;
• emisyjność zewnętrznej powierzchni szyby jest równa 0,837;
• przy wewnętrznej powierzchni szyby zachodzi naturalna konwekcja.

W odniesieniu do pojedynczego oszklenia współczynnik ten wynosi:

gdzie:

α_e - współczynnik absorpcji bezpośredniej,
h_i - współczynnik przekazywania ciepła do wewnątrz, dla warunków umownych wynoszący 8 W/(m²·K),
he - współczynnik przekazywania ciepła na zewnątrz, dla warunków umownych wynoszący 23 W/(m²·K).

Wielkość współczynnika g zależy od liczby szyb w zestawie, ich barwy oraz od rodzaju powłok spektralnie selektywnych naniesionych na powierzchnie oszklenia.

Szkło zwykłe wykazuje względnie równomierną transmisyjność promieniowania krótkofalowego, a współczynnik g orientacyjnie może wynosić od 0,7 w przypadku oszkleń potrójnych do 0,9 w przypadku szyb pojedynczych.

Na RYS. 1 przedstawiono przepuszczalność promieniowania ultrafioletowego, widzialnego i bliskiej podczerwieni pojedynczej szyby zwykłej.

Charakteryzuje się on najwyższą przepuszczalnością promieniowania krótkofalowego i przepuszczalnością całkowitą, a także dosyć wysoką przepuszczalnością promieniowania widzialnego (RYS. 3).

Zestawy 2 i 3 to oszklenia dwuszybowe wypełnione powietrzem, z powłoką spektralnie selektywną umieszczoną na szybie wewnętrznej od strony komory międzyszybowej.

Jest to typowa lokalizacja powłok, których głównym zadaniem jest zmniejszenie strat ciepła.

Przyjęte w zestawach 2 i 3 rodzaje powłok można zaliczyć do warstw łączących cechy niskoemisyjne i cechy związane z ochroną przeciwsłoneczną.

Powłoka w zestawie 3 wykazuje większą odbijalność promieniowania krótkofalowego, co związane jest z mniejszą transmisyjnością bezpośrednią i transmisyjnością promieniowania widzialnego.

Zestaw 4 to oszklenie dwuszybowe wypełnione powietrzem, z powłoką na szybie zewnętrznej od strony komory międzyszybowej.

Takie umieszczenie powłoki wiąże się z funkcjami przeciwsłonecznymi oszklenia, a sama powłoka charakteryzuje się najmniejszą przepuszczalnością promieniowania krótkofalowego i największą odbijalnością.

Mieszkanie z oszklonym balkonem

Obliczenia wykonano dla przykładowego mieszkania w budynku wielorodzinnym, zlokalizowanego w części środkowej kondygnacji powtarzalnej.

Mieszkanie ma dwie przeciwległe przegrody zewnętrzne oraz dwie wewnętrzne, oddzielające je od pomieszczeń o podobnej funkcji.

Do jednego z pomieszczeń przylega balkon skierowany na południe, o oszklonej ścianie frontowej lub ścianie frontowej i ścianach bocznych (RYS. 4).

Wysokość oszklenia jest równa 180 cm, 220 cm lub 260 cm, a wysokość ściany podokiennej wynosi odpowiednio 100 cm, 60 cm lub 20 cm.

Obudowa balkonu charakteryzuje się stosunkowo wysoką izolacyjnością termiczną, wartość współczynnika przenikania ciepła części pełnej wynosi 0,3 W/(m²·K), a części przezroczystej - 1,7 W/(m²·K) (oszklenie łącznie z ramą).

Jest to wariant obudowy wybrany na podstawie wcześniejszych badań ze względu na najbardziej korzystne uwarunkowania energetyczne [6].

Rodzaj oszklenia balkonu zmieniano, przyjmując zestawy szyb od 1 do 4. Konstrukcję budynku przyjęto murowano-żelbetową.

Izolacyjność cieplna obudowy spełnia wymagania Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [7], obowiązujące dla budynków powstających do 2013 r.

W pomieszczeniach mieszkalnych założono oszklenie typu 2, o najwyższej przepuszczalności promieniowania widzialnego, korzystnej z punktu widzenia naturalnego oświetlenia pomieszczeń.

Dzięki powłoce selektywnej umieszczonej na szybie wewnętrznej wykazuje ono pośrednie właściwości optyczne i zmniejsza straty ciepła, a w pewnym stopniu także i zyski słoneczne.

Efektywność energetyczną poszczególnych wariantów obudowy balkonu oceniono na podstawie zapotrzebowania na ciepło w sezonie grzewczym i zapotrzebowania na energię chłodniczą w ciągu lata w sąsiadującym mieszkaniu.

W analizach pominięto skuteczność i koszt wytworzenia energii przez systemy grzewcze lub chłodnicze.

Podyktowane jest to dążeniem do oceny efektów energetycznych zależnych jedynie od ukształtowania przegród budowlanych oraz warunków zewnętrznych związanych z lokalizacją mieszkania, takich jak nasłonecznienie czy temperatura powietrza. Parametry klimatu zewnętrznego przyjęto zgodnie z typowym rokiem meteorologicznym Warszawy.

Dokładny opis założeń obliczeniowych przedstawiono w cz. 1 artykułu [8].

Wyniki symulacji

Zapotrzebowanie na energię wyznaczono metodą symulacyjną, z kilkuminutowym krokiem obliczeniowym. Obliczenia przeprowadzono za pomocą programu komputerowego opartego na numerycznej metodzie objętości kontrolnych [9].

W mieszkaniu wydzielono trzy strefy termiczne o różnych warunkach wewnętrznych.

Balkon jest strefą nieogrzewaną. Latem przewidziano możliwość wietrzenia przez otwarcie oszklenia, jeżeli temperatura powietrza wewnętrznego przekroczy 23°C. Strefa mieszkalna jest klimatyzowana. Założone temperatury wewnętrzne wynoszą 20°C w sezonie grzewczym i 26°C latem.

Dla każdej ze stref formułowany jest bilans uwzględniający strumienie ciepła przepływającego przez obudowę, transmisję promieniowania słonecznego przez elementy przezroczyste, strumienie ciepła wytwarzanego przez systemy instalacyjne oraz przenoszonego przez wentylację, infiltrację lub międzystrefowe mieszanie powietrza.

Przepływ ciepła przez przegrody obejmuje zjawiska akumulacji i uwalniania ciepła w wyniku zmian temperatury. Równania te rozwiązywane są metodami numerycznymi w kolejnych krokach czasowych.

Przyjęto następujący sposób oznaczeń wariantów obudowy: B2 oznacza obudowę o wysokiej izolacyjności termicznej, cyfra 1 lub 3 oznacza odpowiednio oszklenie na jednej lub trzech ścianach balkonu, symbole O1 do O4 odpowiadają typom oszkleń opisanym w TABELI 1.

Wyniki porównano z zapotrzebowaniem na energię uzyskanym dla wersji bazowej, czyli mieszkania o takiej samej konstrukcji, ale bez balkonu.

Zapotrzebowanie na ciepło

Wprowadzenie oszklonego balkonu w każdym z rozpatrywanych rozwiązań obudowy ograniczyło zapotrzebowanie na ciepło w mieszkaniu (TABELA 2).

Zapotrzebowanie na energię maleje wraz ze wzrostem wysokości oszklenia i przepuszczalności promieniowania słonecznego (RYS. 5–6).

Im większa przepuszczalność oszklenia, tym lepiej widoczny jest wpływ zwiększenia powierzchni przezroczystej na zapotrzebowanie na energię do ogrzewania.

Można to zaobserwować jako nieco większe odległości między krzywymi przedstawiającymi zapotrzebowanie na ciepło w odniesieniu do oszkleń typu 1 i 2.

Podobny charakter wykresów uzyskano w wersji obudowy balkonu oszklonej tylko na ścianie frontowej oraz na wszystkich trzech ścianach.

Jeżeli balkon oszklony jest tylko od strony południowej (obudowa B2_1), zastosowanie szyb o małej przepuszczalności pozwala zmniejszyć zapotrzebowania na ciepło w mieszkaniu od 6% do prawie 8%.

Oszczędności energetyczne wynikające z zastosowania zestawów szyb o największej transmisyjności były znacznie większe i wyniosły od 17% do prawie 22%.

Dodanie oszkleń na ścianach bocznych (obudowa B2_3) przyniosło stosunkowo niewielkie rezultaty i pozwoliło na dodatkowe ograniczenie potrzeb grzewczych maks. o 2,5%.

Efekt dodania oszklenia na ścianach skierowanych na wschód i zachód był tym mniejszy, im mniejsza była całkowita przepuszczalność energii promieniowania słonecznego zastosowanych zestawów szyb.

Zapotrzebowanie na chłód

Zwiększenie przepuszczalności i powierzchni oszklenia przynosi skutki odwrotne niż w przypadku zapotrzebowania na ciepło, czyli zwiększa potrzeby energetyczne w analizowanym obiekcie (TABELA 3).

Jeżeli oszklenie umieszczone jest na trzech ścianach obudowy, przyrost ten jest znacznie bardziej widoczny, a nachylenie krzywych przedstawiających zapotrzebowanie na energię jest większe (RYS. 7–8).

Oszklenie wszystkich ścian balkonu w prawie wszystkich przypadkach powodowało zwiększenie zapotrzebowania na chłód ponad poziom uzyskany dla mieszkania bez balkonu, a maksymalny przyrost potrzeb energetycznych wyniósł ponad 120%.

Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest umieszczenie oszklenia jedynie na ścianie balkonu skierowanej na południe.

W najbardziej niekorzystnej wersji, czyli przy zastosowaniu oszklenia o największej przepuszczalności i powierzchni, zapotrzebowanie na energię wzrosło o nieco ponad 30% w porównaniu z wersją bazową.

Jest to czterokrotnie mniej niż w przypadku takiego samego oszklenia ulokowanego także na ścianach bocznych.

Dzięki połączeniu mniejszej zdolności transmisji energii z mniejszymi powierzchniami oszkleń udało się zmniejszyć zużycie energii na potrzeby chłodzenia pomieszczeń od ok. 6% do 31% w porównaniu z mieszkaniem bez balkonu.

Odpowiedni dobór oszklenia może więc także poprawić warunki użytkowania pomieszczeń w miesiącach cieplejszych.

Sumaryczne zapotrzebowanie na energię

Mimo nie zawsze korzystnych zjawisk latem, zastosowanie systemu szklarniowego przyniosło zmniejszenie całkowitego zapotrzebowania na energię w każdej z analizowanych wersji oszklenia balkonu.

Jeżeli weźmiemy pod uwagę całoroczny cykl funkcjonowania mieszkania, oszczędności energetyczne są mniejsze niż w sezonie grzewczym i wynoszą orientacyjnie od 3% do 15% (TABELA 4).

Wyniki otrzymane dla obudowy oszklonej na jednej i trzech ścianach różniły się istotnie pod względem jakościowym (RYS. 9–10).

Jeżeli oszklenie skierowane jest tylko na południe, pierwszorzędnym czynnikiem kształtującym zapotrzebowanie na energię jest przepuszczalność promieniowania słonecznego.

Im większy współczynnik g, tym całkowite zapotrzebowanie na energię jest mniejsze.

Dla rosnących wartości współczynnika g spadek zapotrzebowania na ciepło jest szybszy niż wzrost zapotrzebowania na chłód, więc sumaryczne zapotrzebowanie na energię będzie malało.

W analizowanym układzie zmiana wysokości oszklenia nie miała praktycznie żadnego wpływu na kształtowanie zużycia energii (RYS. 9).

Rozpatrując wariant oszklenia na trzech ścianach obudowy, można zauważyć, że wpływ zwiększenia przepuszczalności promieniowania słonecznego na potrzeby energetyczne nie jest jednoznaczny (RYS. 10).

W obrębie każdej z wysokości oszklenia stwierdzono występowanie minimum zapotrzebowania na energię dla pośrednich cech optycznych szyb.

W odniesieniu do wysokości oszklenia 180 cm najbardziej korzystny okazał się wariant O2, a wysokości 220 cm i 260 cm - wariant O3.

Przebieg krzywych świadczy jednoznacznie o większym wpływie zapotrzebowania na chłód na całkowite zużycie energii.

Podsumowanie

Przeprowadzone analizy wskazują, że dobór komponentów systemów pasywnych wpływa w bardzo istotny sposób nie tylko na zapotrzebowanie na ciepło, lecz także na zapotrzebowanie na chłód.

Skupienie się tylko na jak największym pozyskiwaniu energii słonecznej zimą może przyczynić się do znacznego przegrzewania pomieszczeń latem, co było sygnalizowane m.in. w pracach T. Kisielewicza [10, 11].

W przypadku systemów szklarniowych oszklenia skierowane na południe są zdecydowanie najbardziej korzystne, co przedstawiono także w poprzednich artykułach z niniejszego cyklu.

Dodanie szkleń na ścianach bocznych w niewielkim stopniu poprawia bilans energetyczny w sezonie grzewczym, za to znacznie zwiększa zyski słoneczne latem.

Efektywne projektowanie systemów pasywnych wymaga przeprowadzenia symulacji uwzględniających różnorodne rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe, a ostateczny wybór rodzaju oszklenia należały poprzedzić analizą kosztów ogrzewania i chłodzenia.

Zdaniem autorki problemy związane z przegrzewaniem pomieszczeń nie dyskwalifikują systemów szklarniowych, wskazują jednak na konieczność świadomego ich projektowania.

Usunięcie nadmiaru ciepła latem można uzyskać nie tylko przez chłodzenie budynku, co jest rozwiązaniem najbardziej kosztownym, lecz także przez zwiększenie intensywności wymiany powietrza lub ograniczenie zysków słonecznych, dzięki stosowaniu zasłon lub rolet zewnętrznych.

Należy też podkreślić, że w każdym z analizowanych wariantów wprowadzenie oszklonych balkonów pozwoliło zmniejszyć całkowite zapotrzebowanie na energię w mieszkaniu.

Wyniki prac były finansowane w ramach środków statutowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr S/14/2015.

Literatura

1. PN-EN 410:2011 „Szkło w budownictwie. Określenie świetlnych i słonecznych właściwości oszklenia”.
 2. R. McCluney, „Fenestration Solar Gain Analysis”, Florida Solar Energy Center/University of Central Florida, 1996.
 3. „Spectrally Selective Glazings. Federal Technology Alert”, U.S. Department of Energy, August 1998.
 4. H. Bulow-Hube, „Energy-Efficient Window Systems. Effects on Energy Use and Daylight in Buildings”, Report No TABK-01/1022, Department of Construction and Architecture, Lund University, Division of Energy and Building Design, Lund, Sweden 2001.
 5. Calumen II v. 1.2.3. Saint Gobain Glass.
 6. M. Grudzińska, „Balkony jako systemy szklarniowe. Cz. 2. Wpływ powierzchni oszklenia na zyski energetyczne”, „IZOLACJE”, nr 9/2014, s. 50–55.
 7.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 20.1.2008, poz. 1238).
 8. M. Grudzińska, „Oszklone balkony jako systemy szklarniowe. Cz. 1. Zasady konstrukcji i funkcjonowania”, „IZOLACJE”, nr 7/8/2014, s. 36–41.
 9. BSim Users Guide v. 6.10.7.7. Danish Building Research Institute, 1999-2010.
10. T. Kisilewicz, „Zasady kształtowania budynków pasywnych”, „Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce”, t.1, Łódź 2005, s. 169–176.
11. T. Kisilewicz, „Pojemność cieplna a komfort termiczny w budynkach energooszczędnych”, „Materiały Budowlane”, nr 9/2014, s. 51–59.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!