Fasady przeszklone - rozwiązania projektowo-architektoniczne

Pod względem parametrów termofizycznych elementy transparentne stanowiące przegrody zewnętrzne są jednym z najsłabszych elementów budynku – ocena ta dotyczy efektywności energetycznej i latem, i zimą. W związku z tym najnowsze prace badawcze koncentrują się na poprawie ich izolacyjności termicznej, regulacji zysków ciepła od promieniowania oraz częściowym wykorzystaniu przegród przezroczystych do produkcji energii elektrycznej. Powstaje dzięki temu wiele produktów wprowadzających całkowicie nowe rozwiązania techniczne i zmieniających standardy.

W zakresie izolacyjności termicznej możliwe do uzyskania współczynniki przenikania ciepła osiągnęły wartości jedynie dwukrotnie większe niż prawidłowo zaizolowane przegrody pełne [1]. Dzięki systemom elektro- [2] lub termochromowym [3] możliwa jest zmiana charakterystyk optycznych w praktycznie dowolnym, wymaganym zakresie, bez stosowania problematycznych systemów żaluzji zewnętrznych. Integracja nowoczesnych systemów fotowoltaicznych pozwala na zamianę części pochłanianej energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną [4]. Podstawowym mankamentem wymienionych rozwiązań jest ich wysoki koszt. Innym ważnym problemem jest bezwładność cieplna elementów transparentnych, omówiona dokładniej w pracy "Modyfikacja termo-optycznych właściwości transparentnych elementów obudowy budynków" [5].

Straty ciepła

Transport ciepła z pomieszczenia o kontrolowanej temperaturze wewnętrznej do środowiska zewnętrznego odbywa się przez przewodzenie, konwekcję i promieniowanie, z uwzględnieniem dodatkowych procesów, jak konwersja energii promieniowania słonecznego i jej częściowa absorpcja w przegrodzie [6, 7]. Na rys. 1 przedstawiono przykładowy schemat podstawowych procesów zachodzących w układzie dwuszybowym.

O wielkości strumienia ciepła wymienianego przez przewodzenie decyduje grubość poszczególnych warstw oraz ich przewodność cieplna właściwa. Szkło charakteryzuje się wysoką wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ na poziomie 1,00 W/(m·K), co przy niewielkiej grubości warstwy materiału daje niskie parametry izolacyjne. Decydująca jest w tym wypadku warstwa międzyszybowa wypełniona np. powietrzem, które ma 40-krotnie niższą przewodność cieplną (0,025 W/(m·K)). Jeszcze lepsze parametry mają argon (0,013 W/(m·K)), krypton (0,009 W/(m·K)) i ksenon (0,0054 W/(m·K)). O całkowitym współczynniku przenikania ciepła oszklenia decyduje dodatkowo wymiana przez konwekcję i promieniowanie między warstwami szyby, powietrzem oraz medium w przestrzeni międzyszybowej. Całość procesu w układach dwuszybowych jednokomorowych daje ostateczną wartość współczynnika przenikania ciepła na poziomie Ug = 1,00 W/(m²·K). O połowę mniejsze wartości uzyskiwane są w odniesieniu do okien próżniowych trójszybowych [8].

W rozważaniach przedstawionych w referacie pominięto kwestię izolacyjności termicznej ramy okiennej. Łączne ujęcie zagadnień izolacyjności termicznej części pełnej i przezroczystej pozwala na oszacowanie strumienia strat ciepła oraz na kompleksową ocenę energetyczną komponentów okiennych [10-12].

Zyski ciepła

Strumień energii promieniowania docierający do dowolnej przegrody może ulec częściowemu odbiciu, absorpcji oraz przepuszczeniu promieniowania (rys. 2). Wielkość składowej odbitej I_ρ określona jest przez refleksyjność ρ składowej pochłoniętej, I_α - przez absorpcyjność α, a składowej przepuszczonej I_τ - przez przepuszczalność τ [6, 13]. W układach wieloszybowych takie same zjawiska można zaobserwować w odniesieniu do każdej z szyb (rys. 3). Wskutek absorpcji promieniowanie słoneczne ulega konwersji fototermicznej polegającej na zamianie energii fotonów na ciepło.

Przepuszczalność promieniowania słonecznego jest silnie zależna od kąta padania promieniowania względem normalnej do powierzchni. Wraz ze wzrostem kąta θ₁ rośnie refleksyjność (rys. 4), która osiąga maksymalną wartość dla kątów θ₁ = 90º. W efekcie przepuszczalność promieniowania  maleje wraz ze wzrostem θ₁ i osiąga ostatecznie wartość 0 dla θ₁ = 90º. Na rys. 4 pokazano zależność ρ, α, τ od θ₁ w odniesieniu do podwójnego przeszklenia wykonanego z przykładowego, niemodyfikowanego rodzaju szkła (clear-glass).

Przykładowe kryterium oceny energetycznej fasad przeszklonych

Ocena zewnętrznych przegród transparentnych powinna mieć charakter wielokryterialny i uwzględniać całkowity bilans energetyczny przegrody. Dodatkowo w przypadku nowoczesnych budynków o zautomatyzowanym sposobie zarządzania energią ważne jest odpowiednie zintegrowanie działania fasady jako aktywnego elementu systemu energetycznego.

Jako kryterium określające efektywność energetyczną danego rozwiązania przyjęto dzienny bilans strumieni ciepła między środowiskiem zewnętrznym a pomieszczeniem o kontrolowanej temperaturze. Zdefiniowano go jako różnicę chwilowych strumieni energii traconej z pomieszczenia wskutek przewodzenia oraz zysków energii od promieniowania słonecznego. Pożądanym rozwiązaniem jest minimum funkcji (1):

, 

jeżeli:

,

gdzie:

q_l - chwilowy strumień strat energii przez przegrodę transparentną [W],

q_g - chwilowy strumień zysków energii przez przegrodę transparentną [W],

q_s - chwilowy strumień energii zmagazynowany w analizowanym komponencie [W],

q_t - chwilowy strumień energii przekształcony w inną formę, np. energię elektryczną [W].

Najkorzystniejszym rozwiązaniem z punktu widzenia efektywności energetycznej jest uzyskanie w ciągu całego roku jak największej liczby dni o wartościach f1 (X) zbliżonych do zera. Oznacza to, że w cyklu dobowym przegroda będzie bliska zeroenergetycznej, tzn. straty ciepła na skutek przewodzenia zostaną zbilansowane przez zyski ciepła od promieniowania słonecznego (w okresie grzewczym) lub odwrotnie (w okresie wymagającym chłodzenia). W praktyce jest to rozwiązanie niezwykle trudne do zrealizowania z powodu zmiennych parametrów klimatu zewnętrznego oraz braku pełnej możliwości efektywnego magazynowania energii w komponencie qs. Rozwiązaniem częściowo eliminującym te niedogodności jest wprowadzenie do systemu fasad przestrzeni buforowej o regulowanym przepływie powietrza. Efektywność energetyczna tego typu systemów - znanych jako fasady podwójne - była tematem wielu prac badawczych o charakterze teoretycznym i eksperymentalnym, opisanych m.in. w publikacji "Perspectives of double skin façade systems in buildings and energy saving" [14].

Ważnym elementem bilansu energetycznego przegrody transparentnej jest możliwość konwersji części energii na energię elektryczną qs, która powoduje częściowe ograniczenie konwersji fototermicznej, a tym samym - obniżenie temperatury elementu transparentnego. Jest to istotne zwłaszcza latem, kiedy podstawowym celem ochrony cieplnej jest zabezpieczenie budynku przed przegrzewaniem.

Rozwiązania praktyczne służące poprawie efektywności energetycznej oszklenia

Ograniczenie strat ciepła

Podstawowym zjawiskiem wpływającym na straty ciepła przez elementy transparentne jest konwekcja w przestrzeni międzyszybowej oraz emisja promieniowania cieplnego przez tafle szkła. Rozwiązaniem ograniczającym transport ciepła na skutek ruchu powietrza jest zwiększenie liczby komór, wskutek promieniowania zaś - zastosowanie powłok selektywnych (niskoemisyjnych). Aby nie dochodziło do zjawiska konwekcji, należy tak ukształtować przestrzeń międzyszybową, by wyeliminować ruchy konwekcyjne. Pierwszymi takimi rozwiązaniami były izolacje transparentne typu komórkowego [15] lub homogenicznego [16]. Znacznie ograniczały one jednak funkcje użytkowe okien.

W najnowszych rozwiązaniach stosuje się m.in. odpowiednie nachylenie elementów wewnętrznych, co praktycznie eliminuje ruchy konwekcyjne i ogranicza wymianę ciepła [1] (rys. 5-6).

Regulacja zysków ciepła

Równie ważna jak ochrona przed nadmiernymi stratami ciepła jest kontrola zysków energii promieniowania słonecznego. Najczęściej polega ona na zmniejszeniu promieniowania bezpośredniego za pomocą dowolnych elementów zacieniających: żaluzji, półek, siatek lub kurtyn (fot. 1). Dzięki temu ograniczane są istotne zyski od promieniowania słonecznego przy jednoczesnym zapewnieniu oświetlenia wnętrz światłem rozproszonym i możliwości obserwacji otoczenia budynku.

Inna metoda ochrony przed przegrzewaniem polega na modyfikacji szkła powłokami o zmiennych właściwościach optycznych przez naniesienie warstw termo- lub elektrochromowych. Tego typu rozwiązanie zmniejsza całkowitą przepuszczalność energii promieniowania słonecznego, a nie zmienia kierunkowości promieniowania. Skutkiem ubocznym jest zmiana barwy światła w wyniku efektu elechrochromowego (fot. 2-3).

Ostatnim omawianym rozwiązaniem, istotnie wpływającym na architekturę budynku, są fasady podwójne. Zasada ich działania polega m.in. na kontrolowaniu przepływu powietrza w przestrzeni buforowej, a tym samym - obniżaniu temperatury przeszkleń. Tego typu rozwiązania są obecnie stosowane w różnych szerokościach geograficznych (fot. 4-6) i mają zbliżoną liczbę zwolenników i przeciwników.

Analizy efektywności energetycznej fasad podwójnych były tematem wielu prac badawczych (prowadzonych także w Polsce). Wyniki tych prac można znaleźć m.in. w publikacji "Modelowanie metodą sieciową zjawisk transportu ciepła i masy w podwójnych fasadach budynków" [19].

Ze względu na sposób przepływu strumienia powietrza przez fasadę wprowadzono podział na [18]:

• zewnętrzną kurtynę powietrzną - przepływające w fasadzie powietrze jest najpierw pobierane, a następnie wyrzucane na zewnątrz fasady (rys. 7);
• wewnętrzną kurtynę powietrzną - umożliwia wewnętrzną cyrkulację powietrza, często wspieraną mechanicznie (rys. 8);
• czerpnię powietrza - świeże zewnętrzne powietrze jest dostarczane przez szczelinę powietrzną do wnętrza (rys. 9);
• wyrzutnię powietrza - zużyte powietrze wyciągane jest z wnętrza strefy na zewnątrz przez szczelinę powietrzną (rys. 10);
• bufor powietrzny - brak przepływu powietrza (rys. 11).

Systemy hybrydowe termoelektryczne

 Alternatywą dla ochrony przed nadmiarem promieniowania jest jego częściowa zamiana na energię elektryczną przez systemy ogniw fotowoltaicznych połączonych z elementami przeszklonymi. Mogą to być elementy zintegrowane z samą szybą (elementy pionowe) lub elementy umieszczone w przestrzeni międzyszybowej (elementy poziome). Przykładem pierwszego rozwiązania jest szyba fasady E2 (fot. 7), a drugiego - system okienny PVGU (fot. 8). Oba systemy zalicza się do kategorii BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics).

Forma architektoniczna - przykłady

W ostatniej części referatu przedstawiono przykłady nietypowego zastosowania szkła, nadającego budynkom oryginalną formę architektoniczną. Obiekty zestawiono według technicznych słów kluczy: transparentność, dyfuzyjność, refleksyjność i kolor.

Przezierność (fot. 9-11) nadaje bryle lekkości, umożliwia obserwację otoczenia oraz zapewnia pełny dostęp światła dziennego do wnętrza. Jednocześnie zapewnia dobrą przepuszczalność energii promieniowania słonecznego, dzięki czemu jest źródłem bezpośrednich zysków ciepła. Większość przegród tego typu powinna być w naturalny sposób zacieniana przez inne elementy budynku, np. nadwieszenia czy okapy.

Dyfuzyjność (fot. 12-14) umożliwia kształtowanie efektów wizualnych - w nocy budynki pełnią rolę punktów świetlnych w krajobrazie. Tego typu przegrody pozbawiają użytkowników kontaktu wzrokowego z otoczeniem, zapewniają jednak dostęp rozproszonego światła dziennego. Przepuszczalność energii promieniowania słonecznego jest mniejsza niż w elementach całkowicie przeziernych.

Refleksyjność (fot. 15-17) pozwala uzyskać efekt lustra i - podobnie jak w wypadku elementów całkowicie transparentnych - nie zakłóca kontaktu wzrokowego z otoczeniem. Może natomiast oślepiać osoby znajdujące się w pobliżu budynku i użytkowników sąsiednich obiektów. Ponadto znacznie ogranicza przenikanie promieniowania słonecznego, zwłaszcza w zakresie widzialnym.

Kolor w architekturze ma wymiar typowo dekoracyjny. Zastosowany w szklanych elementach elewacyjnych (fot. 18-20) zmienia barwę światła docierającego do wnętrza. Tym samym szyby barwione charakteryzują się podwyższoną absorpcyjnością energii promieniowania słonecznego w zakresach odpowiadających danej barwie.

Podsumowanie

Jeśli rozważa się jedynie parametry fizyczne samego szkła i komponentów szklanych, to idea wznoszenia fasad całkowicie przeszklonych może wydawać się dyskusyjna. Niemniej walory estetyczne, architektoniczne, a także parametry mechaniczne, trwałość i łatwość konserwacji pozwalają sądzić, że szkło jest atrakcyjną alternatywą dla elementów pełnych. Dodatkowo należy podkreślić walory użytkowe, w tym możliwość połączenia szklanych ścian osłonowych z systemami fotowoltaicznymi. Nie bez znaczenia jest też stosunkowo łatwa modyfikacja struktury i barwy samego szkła, a tym samym jego właściwości oraz możliwości przestrzennego kształtowania elewacji.

Referat jest fragmentem pracy naukowej finansowanej 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”.

Literatura

1. 11-002556-PR03, „Protocol of results Thermal transmittance”, IFT Rosenheim, 19.12.2011.
2. S. Papaefthimiou, E. Syrrakou, P. Yianoulis, „An alternative approach for the energy and environmental rating of advanced glazing: An electrochromic window case study”, „Energy and Buildings”, vol. 41/2009, s. 17–26.
3. M. Saeli, C. Piccirillo, I.P. Parkin, I. Ridley, R. Binions, „Nano-composite thermochromic thin films and their application in energy-efficient glazing”, „Solar Energy Materials & Solar Cells”, vol. 94/2010, s. 141–151.
4. L. Lu, K. M. Law, „Overall energy performance of semi-transparent single-glazed photovoltaic (PV) window for a typical office in Hong Kong”, „Renewable Energy”, vol. 49/2013, s. 250–254.
5. D. Heim, „Modyfikacja termo-optycznych właściwości transparentnych elementów obudowy budynków”, Warszawa 2011.
6. J. A. Duffie, W.A. Beckman, „Solar Engineering of thermal processes”, John Wiley & Sons, New Jersey 2006.
7. R. Siegel, J.R. Howell, „Thermal radiation heat transfer”, Hemisphere Publishing Corp., Washington 1992.
8. Y. Fang, T.J. Hyde, N. Hewitt, „Predicted thermal performance of triple vacuum glazing”, „Solar Energy”, vol. 84/2010, s. 2132–2139.
9. B. Pietruszka, „Aerożele krzemionkowe jako komponent nowoczesnych izolacji cieplnych”, „Izolacje”, nr 10/2012, s. 20–23.
10. L. Laskowski, „Charakterystyka termoenergetyczna przezroczystych komponentów zewnętrznej obudowy pomieszczeń”, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja”, nr 2/2005, s. 8–14.
11. A. Panek, J. Rucińska, A. Trząski, „Certyfikacja energetyczna okien”, „Energia i Budynek”, 11 (42)/2010, s. 31–35.
12. J. Żurawski, „Ocena energetyczna stolarki budowlanej”, „Izolacje”, nr 4/2012, s. 18–23.
13. „Solar energy – the state of the art”, ed. by J. Gordon, International Solar Energy Society, James & James, 2001.
14. M. A. Shameri, M. A. Alghoul, K. Sopian, M. Fauzi, M. Zain, O. Elayeb, „Perspectives of double skin façade systems in buildings and energy saving”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews”, vol. 15 (3)/2011, s. 1468–1475.
15. P. O. Braun, A. Goetzberger, J. Schmid, W. Stahl, „Transparent insulation of building facades – steps from research to commercial applications”, „Solar Energy”, vol. 49 (5)/1992, s. 413–427.
16. Z. Qunzhi, L. Yongguang, Q. Zhongzhu, „Research progress on aerogels as transparent insulation materials”, „Challenges of Power Engineering and Environment”, vol. 14/2007, s. 1117–1121.
17. Strona internetowa: http://superwindows.eu
18. Strona internetowa: http://eetd.lbl.gov/newsletter/nl05
19. D. Heim, M. Janicki, „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 2010, s. 97–104.
20. Belgian Building Research Institute 2002. Source book for better understanding of conceptual and operational aspects of active facades. Department of Building Physics, Indoor Climate and Building Services, BBRI, version 1.
21. Strona internetowa: www.edilportale.com
22. Strona internetowa: www.detail-online.com

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!