ZASADY KSZTAŁTOWANIA BUDYNKÓW PASYWNYCH

Transkrypt

1 ZASADY KSZTAŁTOWANIA BUDYNKÓW PASYWNYCH KISILEWICZ Tomasz Katedra Budownictwa Ogólnego i Przemysłowego, Politechnika Krakowska PASSIVE SOLAR BUILDING DESIGN Results of the long-term influence of the heat accumulation properties and south window area on the passive solar building heating energy demand and the thermal comfort has been analyzed. It was found that the optimum window area is relatively small and strongly connected to the building shell properties. Oversized window area results in large increase of the heating and cooling demand. Thermal capacity of the space is not very important in case of the well-designed building but maybe crucial in case of the oversized windows. It was suggested to link, in reasonable architectural design, window area with general building thermal profile. STRESZCZENIE W artykule przeprowadzono analizę wpływu pojemności cieplnej pomieszczenia oraz wielkości południowego przeszklenia na warunki termiczne we wnętrzu budynku pasywnego. Stwierdzono, że optymalna powierzchnia okna jest w polskich warunkach klimatycznych nieduża i silnie zależna od właściwości obudowy, natomiast jej przewymiarowanie skutkuje znacznym wzrostem zapotrzebowania zarówno na ogrzewanie jaki i na chłodzenie. Zaproponowano, aby proces racjonalnego projektowania architektonicznego uwzględniał charakterystykę cieplną budynku przy podejmowaniu decyzji dotyczących wielkości przeszklenia. 1.WPROWADZENIE Prowadzone przez autora od kilku lat badania mają na celu sprecyzowanie zasad projektowania energooszczędnych budynków w polskich warunkach klimatycznych [1,2]. Istotną częścią bilansu cieplnego takich budynków jest efektywnie pozyskana energia słoneczna. Tematyka tzw. "architektury słonecznej" jest od dawna przedmiotem zainteresowania wielu badaczy w Polsce, trudno jednak byłoby na ich podstawie zebrać i sprecyzować podstawowe zasady projektowe dla polskich projektantów. Cząstkowe z konieczności analizy i modele, utworzone przy ograniczających założeniach i przystosowane raczej do wyrywkowej analizy, nie pozwalały miarodajnie odpowiedzieć na pytanie jak projektować, aby zminimalizować ogrzewanie konwencjonalne, ograniczyć przegrzewanie i utrzymać komfort cieplny we wnętrzu budynku w lokalnych warunkach klimatycznych. Całoroczne analizy symulacyjne, prowadzone przy użyciu obszernego narzędzia jakim jest program symulacyjny Energy Plus, oparte na godzinowym zbiorze danych meteorologicznych, pozwalają na dokładne analizowanie charakteru zjawisk oraz formułowanie na tej podstawie przejrzystych reguł projektowych. 169

2 2. WPŁYW POJEMNOŚCI CIEPLNEJ ORAZ POWIERZCHNI PRZESZKLENIA NA ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ OGRZEWANIA W artykule na konferencję ENERGODOM 2004 [b] przedstawiono bardzo prosty, jednoparametrowy model wymiarowania optymalnej powierzchni przeszklenia w zależności od pojemności cieplnej dla budynku o standardowych właściwościach izolacyjnych. Efektywność wykorzystania słonecznych lub bytowych zysków cieplnych jest jednak związana także ze stosunkiem wielkości tych zysków do całkowitego zapotrzebowania na ciepło w analizowanym okresie. W uproszczonych procedurach bilansowych, relacja ta, określana na przykład symbolem GLR (Gain to Load Ratio) lub SLR (Solar to Load Ratio), jest bezpośrednio używana do obliczenia sprawności faktycznego wykorzystania zysków cieplnych w bilansie energetycznym budynku (normy: PN-B , EN 832 lub EN ISO 13790). Możliwości efektywnego wykorzystania zysków do wspomagania ogrzewania maleją wraz ze wzrostem wartości GLR, tj. przy dużej podaży zysków cieplnych lub przy ograniczeniu zapotrzebowania na energię. Tu przyjęto, że warunki klimatyczne nie będą przedmiotem istotnych zmian, różnicowane będą natomiast właściwości budynku. Syntetyczną, bazową informacją o właściwościach nieprzeźroczystej części powłoki budynku i wymaganej wymianie wentylacyjnej jest zaokrąglona do liczby całkowitej wartość sezonowego wskaźnika zapotrzebowania na energię, obliczona dla budynku bez okien: E bas. W przypadku budynku standardowego [2] wartość ta wynosiła 91 kwh/(m 2 a), w kolejnym kroku obliczeniowym została obniżona aż do poziomu 12 kwh/(m 2 a). Takie zmniejszenie zapotrzebowania może być praktycznie uzyskane poprzez bardzo znaczną poprawę izolacyjności termicznej całej powłoki zewnętrznej i efektywny odzysk ciepła z powietrza wentylacyjnego, jak w budynkach pasywnych [3]. Budynki tego typu stają się coraz popularniejsze w Europie. Standard budynków pasywnych powstał w niemieckim Passivhaus Institut i szybko rozpowszechnia się w tym kraju. Jedną z kluczowych cech budynku pasywnego jest właśnie niezwykle niskie sezonowe zapotrzebowanie na energię do ogrzewania. Wyniki obliczeń symulacyjnych dla tego wariantu przedstawiono na rys. 1.Bardzo znaczne ograniczenie zapotrzebowania na ciepło budynku prowadzi do radykalnych zmian w wykorzystaniu dostępnej energii słonecznej, w stosunku do budownictwa typowego. Charakter tych zmian jest widoczny nawet przy pobieżnym spojrzeniu na kształt wykresu. Krzywe dla wszystkich wariantów analizowanej tu pojemności cieplnej wnętrza bardzo wcześnie osiągają swoje minima i następnie dość gwałtownie rosną. W przypadku wnętrza o bardzo dużych właściwościach akumulacyjnych (wszystkie przegrody masywne), minimum zapotrzebowania na ogrzewanie osiąga się już przy powierzchni południowego okna odpowiadającej 11-12% pola powierzchni podłogi. Wskaźnik ten więc, dla budynków pasywnych zrealizowanych w ciężkich technologiach konstrukcyjnych, odpowiada co do ogólnej wielkości klasycznym zaleceniom architektonicznym wynikającym z potrzeb oświetleniowych, wg których powierzchnia okien powinna stanowić 1/8 do 1/10 pola powierzchni podłogi. W budynkach pasywnych o lekkiej konstrukcji i małej pojemności cieplnej, najkorzystniejsza ze względu na minimalizację zapotrzebowania na ciepło powierzchnia okien powinna być mała, zaledwie kilka procent powierzchni podłogi. 170

3 Rys.1 Zapotrzebowania na energię do ogrzewania budynku w zależności od powierzchni okna południowego i pojemności cieplnej wnętrza Fig.1 Heating energy demand vs. south window area and space thermal capacity Bardzo wzrosła w przypadku tych budynków również wrażliwość zapotrzebowania na energię na zmiany rozmiarów okna. O ile dla budynków standardowych, obszar wartości zbliżonych do minimum był zwykle dość szeroki, to przy bardzo niskim bazowym zapotrzebowaniu na energię jest on już znacznie węższy. Znaczne przewymiarowanie okna prowadzi do dużego wzrostu zapotrzebowania na energię. W przypadku obiektu masywnego może to być wzrost o kilkadziesiąt procent w stosunku do minimalnego zapotrzebowania, natomiast w przypadku lekkiej obudowy wzrost może sięgnąć nawet 100% wartości minimalnej. Ta obserwacja ma kapitalne znaczenie dla podkreślenia znaczenia precyzyjnego narzędzia projektowego dla budynków o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię. Budynki pasywne wzięły swą nazwę i kojarzą się potocznie z biernym systemami słonecznymi, tzw. architekturą słoneczną i wreszcie z dużymi płaszczyznami przeszkleń. Jak pokazano jednak, duże połacie okien południowych o wysokiej izolacyjności termicznej mające sens w przypadku budynków typowych, nie powinny być stosowane w budynkach nowego 171

4 standardu. Powiększone ponad poziom oświetleniowy powierzchnie okien, a więc przewymiarowane w stosunku do wartości optymalnych, prowadzą jednocześnie do istotnego wzrostu zapotrzebowania na energię do ogrzewania i chłodzenia wnętrza. Specyficzna struktura bilansu cieplnego budynku pasywnego nieco wzmacnia również efekty związane z transmitancją zewnętrznych fal cieplnych przez przegrody nieprzeźroczyste. Jest to widoczne jako zróżnicowanie zapotrzebowania na energię do ogrzewania dla budynku całkowicie pozbawionego okien (na wykresie początkowe punkty położone na osi Y). Bezwzględna różnica skrajnych wartości wynosi ok GJ, co stanowi 2.8% minimalnego zapotrzebowania. Zapotrzebowanie na energię maleje wraz ze wzrostem pojemności cieplnej przegród, co odpowiada obserwacjom przedstawionym w pracy [4]. We wcześniejszych analizach procentowe różnice były znacznie mniejsze. Dla budynku pasywnego o masywnej konstrukcji wyliczono wartości wskaźnika SHF (Solar Heating Fraction) w zależności od wielkości okien południowych. Jest on najwyższy (64.8%) dla największej powierzchni okna i najniższy (46.3%) dla powierzchni, przy której sezonowe zapotrzebowanie na ciepło jest minimalne. Ta, na pierwszy rzut oka sprzeczna z wcześniejszymi obserwacjami i nielogiczna, informacja jest charakterystyczna dla bardzo złożonego w rzeczywistości przebiegu zjawisk związanych z pozyskiwaniem i akumulowaniem promieniowania słonecznego. Mimo dużego, zarówno względnego jak i bezwzględnego udziału zysków słonecznych w bilansie cieplnym nadmiernie przeszklonego pomieszczeniu, jego końcowe zapotrzebowanie na energię konwencjonalną jest znacznie większe niż dla wariantu optymalnego, w którym procent zapotrzebowania na ciepło pokrywany przez energię słoneczną jest mniejszy. Udział biernych zysków słonecznych w całkowitym bilansie cieplnym na poziomie 40% jest również charakterystyczny dla budynków pasywnych [3]. 3. CHWILOWE WARTOŚCI TEMPERATUR I ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGIĘ Przeprowadzone wcześniej analizy symulacyjne pozwoliły na uzyskanie syntetycznych ocen liczbowych. Przedstawione poniżej rozkłady godzinowych wartości poszczególnych parametrów pozwalają lepiej zilustrować i zrozumieć otrzymane rezultaty. Na rys.2 przedstawiono godzinowe rozkłady temperatury w trakcie wydłużonego okresu ogrzewczego (tj. od 15 września do 15 maja, łącznie 5833 godziny), w budynku pasywnym z oknem południowym o wielkości zbliżonej do optymalnej za względu na minimalizację ogrzewania oraz w budynku nadmiernie przeszklonym. Wg. przyjętych do obliczeń założeń temperatura minimalna była przez system ogrzewania utrzymywana na poziomie 20 o C. 172

5 pow ierzchnia okna 13.92m2 pow ierzchnia okna 4.32m2 temperatura powietrza [oc] kolejne godziny okresu ogrzew czego Rys.2 Godzinowe wartości temperatur powietrza wewnętrznego w skali całego sezonu ogrzewczego dla dwóch wariantów powierzchni okien Fig.2 Internal air temperature in the whole heating season for the two different window areas, hourly Wzrost temperatury powietrza wewnętrznego ponad ten poziom wynika z absorpcji promieniowania słonecznego na powierzchniach przegród. Dzięki właściwej proporcji zysków słonecznych i możliwości akumulacyjnych wnętrza, wahania temperatury we wnętrzu budynku poprawnie zaprojektowanego mieszczą się całkowicie w przedziale, który może być łatwo akceptowany przez użytkowników. Temperatura powietrza nie przekroczy poziomu 25 o C, traktowanego jako moment progowy uruchomienia instalacji chłodzącej powietrze we wnętrzu. W przypadku znacznie przewymiarowanej powierzchni okien południowych wnętrze budynku jest intensywnie przegrzewane. Temperatury zbliżone do górnego pułapu dopuszczalnych wahań występują tu bardzo często, gesty układ punktów przy wartości 25 o C świadczy o długich okresach, kiedy konieczne będzie chłodzenie wnętrza. Co istotne, to przegrzewanie ma tu miejsce nie tylko w przejściowych okresach zmian pór roku, ale także późną jesienią i również w czasie zimy (środkowy obszar wykresu). W warunkach rzeczywistych możliwe jest obniżanie temperatury powietrza poprzez intensywniejszą wentylację wnętrza w okresach potencjalnego przegrzewania. Tu przyjęto natomiast, dla wolnego od zakłóceń porównania wpływu mas akumulacyjnych, założenie o stałej wymianie wentylacyjnej powietrza. Na rys.3 przedstawiono natomiast rozkład wartości godzinowego zapotrzebowania na energię konwencjonalną do ogrzewania dla dwóch wariantów powierzchni południowego oszklenia. 173

6 pow ierzchnia okna 13.92m2 pow ierzchnia okna 4.32m2 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, godzinowe zapotrzebowanie na energię ogrzewania [GJ] kolejne godziny okresu ogrzew czego Rys.3 Godzinowe zapotrzebowanie na konwencjonalną energię ogrzewania dla dwóch wariantów powierzchni okna południowego Fig.3 Conventional heating energy demand for the two south window areas, hourly Ponownie łatwo tu zauważyć, że nadmiernie duża powierzchnia okna południowego, mimo wysokiej izolacyjności termicznej oszklenia, jest dla pomieszczenia źródłem wielkich strat cieplnych i prowadzi do znacznego podwyższenia zapotrzebowania na energię do ogrzewania. Duża ilości energii słonecznej, jaka dociera do wnętrza, jest akumulowana tylko w niewielkim stopniu, reszta wywołuje intensywne przegrzewanie i nie może być skutecznie wykorzystana do uzupełnienia bilansu cieplnego. W efekcie, mimo wielkich zysków słonecznych przy dużej powierzchni przeszklenia, konieczna jest znacznie większa (o 56%) dostawa energii ogrzewania niż w przypadku okien znacznie mniejszych Na rys.4 przedstawiono godzinowe rozkłady temperatur powietrza we wnętrzu budynku w ciągu lata (2929 godzin), dla obydwu wariantów pola powierzchni południowego przeszklenia. W lecie temperatura powietrza w budynku może kształtować się swobodnie pod wpływem warunków zewnętrznych, bez ingerencji instalacji ogrzewczej lub chłodniczej. Na wykresie zaznaczono poziomą przerywaną linią temperaturę powietrza +27 o C, którą jest tu traktowana jako dopuszczalna wartość graniczna dla wnętrza przeznaczonego na stały pobyt ludzi. Prawidłowo dobrana wielkość południowego oszklenia, obok minimalizacji ogrzewania, pozwala również na utrzymanie w lecie warunków łatwo akceptowanych przez użytkowników, praktycznie bez konieczności chłodzenia wnętrza lub nawet zwiększonej wentylacji. Przy bardzo dużej powierzchni oszklenia takie warunki udaje się utrzymać we wnętrzu tylko przez krótki czas, większość okresu to bardzo intensywne przegrzewanie. Należy podkreślić, że pokazane wyżej rezultaty uzyskano dla pomieszczeń o największej pojemności cieplnej, dodatkowo wyposażonych w 174

7 wewnętrzne masy akumulacyjne. W przypadku lżejszych systemów konstrukcyjnych efekty błędnego projektowania będą wzmocnione. Wzrośnie zarówno zapotrzebowanie budynku na ogrzewanie jak również intensywność przegrzewania. pow ierzchnia okna 4.32m2 pow ierzchnia okna 13.92m2 temoperatura powietrza we wnętrzu [oc] kolejne godziny lata Rys.4 Godzinowe wartości temperatur powietrza wewnętrznego w ciągu lata dla dwóch wariantów powierzchni okien Fig.4 Values of the internal air temperature in summer for the two window areas, hourly 4. WNIOSKI DOTYCZĄCE KSZTAŁTOWANIA BUDYNKÓW PASYWNYCH Z analiz prowadzonych dla budynków o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię ogrzewania wynikają następujące, bardzo istotne dla dobrej praktyki projektowej, spostrzeżenia: - Powierzchnia okien w budynku masywnym nie powinna przekraczać 15% powierzchni podłogi, w budynkach bardzo lekkich powinna być nawet trzykrotnie mniejsza. - Budynki pasywne są bardzo wrażliwe na przewymiarowanie powierzchni okien południowych. Zbyt duża powierzchnia przeszklenia powoduje tu bowiem: znaczny wzrost zapotrzebowania na energię ogrzewania, nawet kilkakrotny wzrost maksymalnej mocy instalacji ogrzewczej, okresowe, intensywne przegrzewania wnętrza i konieczność zastosowania systemu chłodzenia o dużej mocy i dużym zapotrzebowaniu na energię. - W bilansie cieplnym nowoczesnych okien o znacznie podwyższonej izolacyjności termicznej i południowej orientacji, występuje w naszej strefie klimatycznej przewaga zysków cieplnych nad stratami. Informacja o bilansie energetycznym okna, odnoszona do jednostkowej powierzchni i oderwana od warunków w których to okno będzie zastosowane, może zachęcać projektanta do maksymalnego zwiększania powierzchni okien, w przekonaniu, że zyski słoneczne w coraz większym stopniu będą uzupełniać zapotrzebowanie na energię. Rozumowanie tego typu kompletnie zawodzi, zwłaszcza w przypadku budynków o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię. 175

8 - Znaczenie pojemności cieplnej w prawidłowo zaprojektowanych budynkach pasywnych dla zapotrzebowania na energię do ogrzewania nie jest duże. Natomiast obecność masywnych warstw akumulujących energię będzie niezwykle istotna przy nadmiernie dużych powierzchniach przeszkleń w budynkach pasywnych. W krańcowym, analizowanym tu przypadku, masywne warstwy wewnętrzne przegród pozwalają obniżyć zapotrzebowanie na ogrzewanie nadmiernie przeszklonego wnętrza o prawie 40% i nawet kilkakrotnie zmniejszyć intensywność jego przegrzewania w okresach przejściowych. - W projektowaniu budynków o racjonalnym zapotrzebowaniu na energię, ogólny bilans cieplny budynku, wynikający z właściwości izolacyjnych powłoki zewnętrznej, zysków bytowych, strat wentylacyjnych oraz zewnętrznych warunków klimatycznych, a także właściwości akumulacyjne przegród powinny mieć istotny wpływ na decyzje architektoniczne dotyczące wielkości przeszklenia. Oryginalność tego wniosku polega na sugestii zasadniczej zmiany w kolejności podejmowania kluczowych decyzji projektowych. Zgodnie z nim proces pełnego projektowania architektonicznego powinien być poprzedzony podstawowymi decyzjami konstrukcyjnymi (pojemność cieplna) i decyzjami dotyczącymi ogólnej izolacyjności termicznej (zapotrzebowanie na energię). Przyjęcie takiej procedury projektowej może być, zgodnie z obecnymi nawykami, odbierane jako swoisty zamach na swobodę artystycznego projektowania budynków, ale byłby to w rzeczywistości krok w kierunku racjonalnego projektowania i gospodarowania energią, szansa na zrównoważony rozwój i ochronę użytkowników budynku przed uciążliwymi warunkami we wnętrzu. 5. LITERATURA [1] KISILEWICZ Tomasz: Stateczność cieplna budynków pasywnych, IX Polska Konferencja Naukowo-Techniczna Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź [2] KISILEWICZ Tomasz: Wpływ decyzji architektoniczno-konstrukcyjnych na zapotrzebowanie budynku na energię, VII Konferencja Naukowo-Techniczna ENERGODOM 2004, Kraków-Zakopane [3] Informacje na stronach internetowych Passivhaus Institut, [4] KOSSECKA Elżbieta, KOŚNY Jan: The Effect of Structure of Exterior Walls on the Dynamic Thermal Performance of a whole Building, IV Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna ENERGODOM 2000, Kraków-Mogilany Dr inż. Tomasz Kisilewicz, adiunkt w Katedrze Budownictwa Ogólnego i Przemysłowego Politechniki Krakowskiej. Tematyka zainteresowań: bierne systemy słoneczne, budownictwo energooszczędne. tkisilew@pk.edu.pl 176