Wpływ wysokich temperatur letnich na projektowanie termiczne podłóg w jednokondygnacyjnych budynkach mieszkalnych w Polsce

Latem 2003 r. obszar wschodniej i centralnej Europy dotknęła fala gorąca [1], która spowodowała wzrost średniej temperatury zewnętrznej w lipcu o 20–30%. W wielu krajach Europy ekstremalnie wysoka temperatura utrzymywała się przez ponad 20 dni, a liczba osób, które zmarły w wyniku upałów, szacowana jest na ponad 30 tys.

Wysokie temperatury panowały na obszarach południowo­‑wschodniej Francji i rozciągały się z północnej Hiszpanii do Czech oraz z Niemiec do Włoch [2]. Podobne zjawiska występują coraz częściej w wielu regionach świata [3, 4].

Nawet najbardziej optymistyczne scenariusze Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) przewidują, że szkodliwy wpływ ekstremalnych fal gorąca będzie stale wzrastał. Zmiany zachodzące w środowisku powinny więc wpłynąć na podejście do termicznego projektowania budynków.

Należałoby zacząć szukać takich rozwiązań, które zapewniałyby właściwe warunki termiczne nie tylko w okresie zimowym, lecz także letnim, i w minimalny sposób wpływały na zużycie energii z możliwością skompensowania strat ciepła w sezonie grzewczym.

Dla uproszczenia do obliczeń przyjęto jednokondygnacyjny, pasywny budynek mieszkalny. Charakterystykę konstrukcji przegród oraz okien zestawiono w tabeli 3. Powierzchnia podłogi analizowanego budynku wynosiła 108 m², kubatura netto – 300 m³, współczynnik A/V – 0,85 1/m.

Głębokość ściany fundamentowej poniżej powierzchni gruntu wynosiła 1,0 m. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła gruntu l przyjęto zgodnie z normą PN-EN ISO 13370: 2008 [8] na poziomie 2,0 W/(m·K) oraz pojemność cieplną (r·c) 2,0·106 J/(m³·K). Jako temperaturę wewnętrzną w budynku przyjęto 20°C. Wymiana powietrza opisana została w tabeli 2.

Wyniki – temperatury wewnętrzne

Średnie temperatury w lipcu, najcieplejszym miesiącu w Polsce, kształtują się w przedziale od ok. 17°C nad Wybrzeżem Bałtyckim do 19,3°C w najcieplejszych rejonach – Nizinie Śląskiej i Tarnowie. Tarnów, Wrocław i Słubice ze statystycznie 8 dniami w miesiącu, podczas których maksymalna temperatura przekracza 30°C, są miastami z najdłuższymi w Polsce okresami wysokich temperatur letnich. W wypadku Słubic średnie temperatury w lipcu wynoszą 23,8°C ±5,6°C.

Przeanalizowano wpływ różnych rozwiązań konstrukcji podłogi na gruncie na przebieg temperatury wewnętrznej podczas ­najcieplejszego okresu 9 kolejnych dni w lipcu 2006 r. w Słubicach. Maksymalna temperatura zewnętrzna powyżej 30°C panowała przez 19 dni i powyżej 33°C – przez 7 dni. 

Na rys. 1–3 przedstawiono przebiegi temperatury wewnętrznej w odniesieniu do rozważanych wariantów A, B, C, D i E w przypadkach 1, 2 i 3.

W tabeli 4 przedstawiono średnie temperatury wewnętrzne podczas najgorętszej części dnia (od godz. 10.00 do godz. 22.00) dla 7 wybranych następujących po sobie dni (od 48. godz. do 216. godz.) dla wszystkich rozważanych wariantów i przypadków.

Najbardziej interesujące zależności otrzymano w przypadku 3 (żaluzje w oknach; minimalna wymiana powietrza – 0,5/h od godz. 6.00 do godz. 24.00 oraz 2,0/h od godz. 24.00 do 6.00). Najwyższą średnią temperaturę wewnętrzną na poziomie 30,4 ±0,8°C uzyskano w budynku z izolacją podłogi na płycie na całej jej powierzchni (wariant C). 

Dzięki umieszczeniu izolacji termicznej pod płytą betonową, która charakteryzuje się znacznie wyższą pojemnością cieplną niż materiał izolacyjny, uzyskano ochłodzenie w ciągu dnia: średnia temperatura wewnętrzna spadła o 1,2°C w przypadku wariantu D (płyta betonowa o gr. 15 cm) i o kolejne 0,5°C w przypadku wariantu E (płyta betonowa o gr. 30 cm). 

Bardzo efektywne okazały się rozwiązania z podłogą nieizolowaną termicznie (wariant A) i z 1-metrowym pasem izolacji pod płytą betonową wzdłuż ścian zewnętrznych wewnątrz budynku (wariant B), które dały obniżenie temperatury wewnętrznej w stosunku do wariantu z izolacją na całej płycie betonowej (wariant C) odpowiednio o 4,0°C i 4,4°C.

Warto zaznaczyć, że w przypadku 1, w którym nie przewidziano ani wentylacji nocnej, ani żaluzji w oknach, średnia temperatura powietrza w wariancie A (podłoga bez izolacji termicznej) była o 1,5°C wyższa niż w wariancie B (podłoga z metrowym pasem izolacji pod płytą betonową wzdłuż ścian zewnętrznych wewnątrz budynku). 

Temperatury te wyniosły odpowiednio: 28,8 ±0,7°C i 27,3 ±0,6°C, podczas gdy w przypadku 2 (żaluzje w oknach; minimalna wymiana powietrza – 0,5/h w ciągu doby) oba te warianty dały niemalże te same wyniki – odpowiednio: 26,7 ±0,4°C i 26,7 ±0,3°C.

Dane przedstawione w tabeli 4 dostarczają informacji o przeciętnej efektywności wprowadzania żaluzji w oknach i dodatkowej wentylacji nocnej we wszystkich analizowanych wariantach. Zastosowanie żaluzji w oknach spowodowało obniżenie średniej temperatury powietrza w godzinach od 10.00 do 22.00 o 2,60°C z poziomu 32,2 ±3,50°C do 29,6 ±2,40°C. Dodatkowe wprowadzenie wentylacji nocnej na poziomie 2,0/h od godz. 24.00 do godz. 6.00 obniżyło średnią temperaturę o dalsze 1,50°C z poziomu 29,6 ±2,40°C do 28,1 ±1,70°C.

Dalsze badania nad tym zagadnieniem powinny obejmować gruntowną analizę statystyczną, która wykazałaby obszary dla dalszej pełnej procedury eksperymentalnej.

Straty ciepła z budynku do gruntu i zapotrzebowanie na chłód latem

Przedstawiona próba rozwiązania problemu obniżenia wysokiej temperatury wewnętrznej latem nie byłaby pełna bez uwzględnienia wpływu tego obniżenia na zużycie energii do ogrzewania w sezonie grzewczym i chłodzenia, gdy temperatura wewnątrz budynku w okresie letnim przekracza pewne założone wartości progowe.

W tabeli 5 przedstawiono straty ciepła do gruntu w sezonie grzewczym i zapotrzebowanie na chłód w sezonie letnim (założono wartość progową temperatury wewnętrznej tmaks. = 25°C) w odniesieniu do wszystkich wariantów i przypadków.

Największe straty ciepła przez podłogę na gruncie podczas sezonu grzewczego uzyskano w wariancie A (podłoga bez izolacji termicznej). Wyniosły one 2767 kWh dla przypadku 1. W wariancie B (w stosunku do wariantu A) uzyskano znaczną, bo aż 28-procentową redukcję strat ciepła.

Znacznie mniejsze straty ciepła przez podłogę na gruncie otrzymano w wypadku wariantów C, D i E. Wyniosły one dla przypadku 1 odpowiednio: 632 kWh, 608 kWh i 571 kWh. Różnice między tymi wariantami są nieznaczne i nie przekraczają 10%. W wariantach A i B zużycie energii do ogrzewania jest odpowiednio 4,5 i 3,2 razy większe niż w wariancie D.

Roczne zapotrzebowanie chłodu, rozpatrywane tym razem w odniesieniu do wariantu 3, przy założeniu, że temperatura wewnętrzna nie przekracza tmaks. = 25°C, okazało się bardzo niskie w wypadku wariantów A i B (odpowiednio: 31 kWh i 92 kWh) i znacznie ­wyższe w wypadku trzech pozostałych: C – 532 kWh, D – 434 kWh i E – 412 kWh.

Obniżenie zapotrzebowania na chłód w wariantach A i B nie kompensuje strat ciepła w sezonie grzewczym w wariantach C, D i E. Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że energia elektryczna do zasilania urządzeń klimatyzacyjnych jest przynajmniej 2–3 razy tańsza niż energia do celów grzewczych, której źródło stanowi zazwyczaj gaz, olej lub węgiel.

Suma rocznego zużycia energii (do celów grzewczych i chłodniczych) w wariancie B jest tylko o ok. 10 kWh/m²/rok wyższa niż w wariancie z podłogą na gruncie z izolacją termiczną o gr. 30 cm i to rozwiązanie wydaje się lepsze niż zastosowanie wariantu A.

Zważywszy na to, że różnice w zużyciu energii ogrzewczej są także relatywnie małe (1370 kWh/rok), interesujące wydaje się rozważenie zastosowania kolektorów słonecznych do kompensacji strat ciepła przez nieizolowaną podłogę na gruncie w okresie zimowym. W wypadku siedmiomiesięcznego okresu grzewczego kolektory musiałyby średnio dostarczać w granicach 6,5 kWh na dobę.

WNIOSKI I PODSUMOWANIE

Pojawiające się coraz częściej i będące bardziej dotkliwe w skutkach okresy wysokich temperatur letnich w regionach, gdzie panuje klimat umiarkowany, w tym również w Polsce, wydają się uzasadniać zmiany w podejściu do projektowania termicznego budynków, ponieważ, jak pokazują zaprezentowane w artykule wyniki przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych, przypadki ekstremalnego ciepła mają bardzo poważny wpływ na kształtowanie się temperatur wewnętrznych.

Dwa spośród pięciu przeanalizowanych wariantów konstrukcji podłogi w budynku pasywnym wydają się bardzo obiecujące i mogą być skutecznym rozwiązaniem problemu przegrzewania pomieszczeń i redukcji stresu termicznego latem bez nadmiernej utraty energii: wariant z podłogą na gruncie bez izolacji termicznej oraz z izolacją termiczną, którą jest metrowy pas umieszczony pod płytą betonową wzdłuż ścian zewnętrznych wewnątrz budynku.

Przy czym lepszym rozwiązaniem wydaje się wariant drugi, który będzie efektywny, jeśli zastosuje się wszystkie inne działania zapobiegające nadmiernej temperaturze wewnętrznej, tj. żaluzje w oknach i zwiększoną wentylację nocną.

Konstrukcja podłogi na gruncie z izolacją częściową jest ciekawym rozwiązaniem, ponieważ obniża ilość rocznego zapotrzebowania energii do ogrzewania i chłodzenia o ok. 30% w porównaniu z rozwiązaniami z podłogą nieizolowaną. Całkowita ilość energii do ogrzewania i chłodzenia w tym wypadku jest o ok. 10 kWh/m²/rok wyższa niż w wypadku podłogi w pełni izolowanej o grubości izolacji termicznej 30 cm.

Warto także zastanowić się nad zastosowaniem energii odnawialnej w postaci kolektorów słonecznych do kompensacji strat ciepła przez nieizolowane podłogi na gruncie w okresie zimowym (w sezonie grzewczym).

Wyniki obliczeń symulacyjnych należałoby uzupełnić m.in. gruntową analizą statystyczną i badaniami doświadczalnymi. Wyniki całościowych badań, zarówno obliczeniowych, jak i eksperymentalnych, powinny ponadto uwzględniać analizy: środowiskową (LCA) i ekonomiczną (LCC) w cyklu życia.

LITERATURA

1. C. Schär, G. Jendritzky, „Hot news from summer 2003”, „Nature”, vol. 432/2004, pp. 559–560.
2. A. De Bono, G. Giuliani, S. Kluser, P. Peduzzi, „Impacts of summer 2003 heat wave in Europe”, „Environment Alert Bulletin”, vol. 2/2004, 4 pp.
3. D.A. Hartz, J.S. Golden, C. Sister et al., „Climate and heat-related emergencies in Chicago. Illinois (2003–2006)”, „International Journal of Biometeorology”, vol. 56/2012, pp. 71–83.
4. Australia’s National Climate Centre, Special Climate Statement 17/2009 „The exceptional January-February 2009 heat wave in southeastern Australia”, Bureau of Meteorology.
5. Gdula, „Przewodzenie ciepła”, PWN, Warszawa 1984.
6. A. Staszczuk, J. Radoń, A. Holm, „Evaluation of simplified calculation method of heat exchange between building and ground” [w:] „Research on building physics: proceedings of the 1st Central European Symposium on Building Physics”, Technical University of Lodz 2010, s. 371–376.
7. EN-ISO 13790:2007, „Energy performance of buildings – Calculation of energy use for space heating and cooling”.
8. PN-EN-ISO 13370:2008, „Cieplne właściwości użytkowe budynków. Przenoszenie ciepła przez grunt. Metody obliczania”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!