ELZBIETA ŚLIWIŃSKA, HENRYK NOWAK, ŁUKASZ NOWAK, MAJA STANIEC *1 WPŁYW KONSTRUKCJI ZACIENIAJĄCEJ NA KOMFORT CIEPLNY LUDZI W BUDYNKACH O DUŻYM STOPNIU PRZESZKLENIA EFFECT OF OVERHANG SHADING OF WINDOWS ON THERMAL COMFORT OF PEOPLE IN BUILDINGS WITH HIGH PERCENTAGE OF GLAZING Streszczenie Abstract W artykule omówiono problemy związane z mikroklimatem wnętrz o dużym przeszkleniu. Pomiary wykazały, że poprzez zastosowanie odpowiednich konstrukcji zacieniających istnieje możliwość poprawy składowej radiacyjnej bilansu cieplnego człowieka w tych pomieszczeniach. Mimo to nie zawsze jest możliwe uzyskanie pełnych warunków komfortu cieplnego. Słowa kluczowe: budynki o dużym stopniu przeszklenia, konstrukcje zacieniające, promieniowanie słoneczne, komfort cieplny The paper presents problems related to the indoor climate in glazed buildings. Measurements show that overhang shading of windows is a quite good method for improving the radiation component of human thermal balance. Nevertheless, during very hot days it is not enough to maintain thermal comfort conditions. Keywords: the buildings with high percentage of glazing, overhang shading construction, solar radiation, thermal comfort * Dr Elżbieta Śliwińska, dr hab. inż. Henryk Nowak, prof. PWr, dr inż. Łukasz Nowak, dr inż. Maja Staniec, Instytut Budownictwa, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika Wrocławska.
416 1. Wstęp Mikrośrodowisko budynków jest wynikiem działania wielu czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych, mających wpływ na ogólne odczucia komfortu i ogólną ocenę pomieszczeń. Ostatnio coraz częściej stosuje się do tego celu tzw. wskaźnik IEQ [1]. Taka ocena leży w kręgu zainteresowań pracodawców, gdyż daje informację nie tylko o wpływie mikrośrodowiska na samopoczucie i zdrowie człowieka, ale także na wydolność fizyczną i umysłową [2, 3]. Badania mikrośrodowiska budynków, szeroko zakrojone i prowadzone na całym świecie, a dotyczące najczęściej mikroklimatu termicznego, akustycznego, wizualnego oraz jakości powietrza wykazały, że wśród wszystkich czynników wpływających na IEQ największe znaczenie mają warunki termiczne [4 8]. W budynkach o dużym przeszkleniu warunki komfortu cieplnego ludzi są zdominowane przez radiacyjną wymianę ciepła. Jej skutkiem są odczucia najczęściej negatywne, i to zarówno latem jak i zimą [9 15]. Wszystko to powoduje, że okna są trudnym elementem w projektowaniu budynków. Z jednej strony są bardzo pożądane ze względu na światło dzienne, wrażenia wzrokowe oraz możliwość pasywnego wykorzystywania energii słonecznej w sezonie grzewczym, z drugiej sprawiają kłopot ze względu na możliwość wychładzania ich powierzchni wewnętrznej zimą oraz przegrzewania pomieszczeń latem. W ostatnich latach poświęca się tej problematyce coraz więcej uwagi, zwłaszcza w aspekcie budownictwa zrównoważonego. Od wieków stosowanym sposobem regulacji warunków mikroklimatycznych w pomieszczeniach silnie nasłonecznionych są wszelkiego rodzaju przesłony. Ponieważ widok za oknem jest jednym z bardzo ważnych czynników wpływających na ogólną ocenę stanowiska pracy [16], zastosowanie dla elewacji wschodniej i zachodniej ruchomych żaluzji pionowych, a dla elewacji południowej poziomych jest najprostszą metodą spełnienia tego zapotrzebowania. Celem niniejszego artykułu jest próba oceny wpływu takiego zacienienia na warunki komfortu cieplnego ludzi w pomieszczeniach przeszklonych budynku użyteczności publicznej. 2. Badania wpływu markizy na warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu silnie przeszklonym 2.1. Pomiary Badania mikroklimatu przeprowadzono w pomieszczeniach budynku C-7 Politechniki Wrocławskiej w okresach wiosny, lata i wczesnej jesieni. Jest to tzw. budynek NV, tj. z wentylacją naturalną. W sezonie wiosenno-letnim jedyną możliwością regulacji temperatury wewnątrz pomieszczeń jest otwieranie okien. Do pomiarów wytypowano południowo-zachodnią część powtarzalnych kondygnacji budynku: dwa bliźniacze pokoje (nr 616 i 916), położone na szóstym i dziewiątym piętrze. W pomieszczeniach tych mocno przeszklone są dwie ściany: południowa i zachodnia. W jednym z nich na 6 piętrze nad wszystkimi oknami od strony południowej została zamocowana konstrukcja zacieniająca. Konstrukcja ta, złożona z 10 paneli fotowoltaicznych o łącznej długości 6,0 m i szerokości 1,2 m [17], wydatnie zmniejszała penetrację słońca
417 w okresie letnim. Przed jej montażem wykonano wiele symulacji komputerowych i obliczeń modelami teoretycznymi w celu określenia optymalnych wymiarów nadwieszeń zacieniających w polskich warunkach klimatycznych. Zastosowany w konstrukcji kąt pochylenia 36 wynika bezpośrednio z powyższych analiz. W czasie typowych sesji pomiarowych okna w obu pomieszczeniach były zamknięte a żaluzje od strony zachodniej opuszczone. Na stanowisku pomiarowym w pomieszczeniu 616 przygotowano rejestrator mikroklimatu i komfortu cieplnego firmy Innova AirTech Instruments A/S INNOVA 1221 THERMAL COMFORET DATA LOGGER (moduł komfortu cieplnego: sonda temperatury operatywnej, wilgotności i prędkości ruchu powietrza). Czujniki zostały umieszczone w odległości ok. 1 m od okna skierowanego na SSE, na statywie, na wysokości ok. 70 cm, co odpowiada poziomowi tułowia osoby siedzącej. Na stanowisku pomiarowym w pokoju 916 na 9 piętrze przygotowano rejestrator firmy Ahlborn DATA LOGGER ALMEMO 2690-8. Jego czujniki (sonda temperatury i wilgotności powietrza oraz czujniki temperatury termometru kulistego) umieszczono w pozycji analogicznej do pomieszczenia 616. Oba przyrządy umożliwiają prowadzenie pomiarów zgodnie z normą ISO 7730 i DIN 1946, część 2. Dane pomiarowe w wytypowanych pomieszczeniach rejestrowano co 10 minut. W pomieszczeniu na 6 piętrze możliwa była rejestracja wyników przez cały rok. W pomieszczeniu na 9 piętrze pomiar był możliwy przez około 4 5 dni w każdym miesiącu. 2.2. Analiza wyników Pomiary wykazały, że wśród wszystkich czynników wpływających na odczucia komfortu cieplnego ludzi wyraźne różnice były widoczne w przebiegach tylko dwóch z nich: temperatury powietrza i temperatury radiacyjnej. W tym artykule omówiono przebieg temperatury operatywnej TO, gdyż w pomieszczeniach silnie przeszklonych ma ona największy wpływ na bilans cieplny człowieka. Ponadto, temperatura operatywna może też być bazą do obliczeń zapotrzebowania na chłodzenie przy planowaniu klimatyzacji dla tego typu pomieszczeń. W pomieszczeniu 616 przyrządy pomiarowe pozwalały na bezpośrednią rejestrację temperatury operatywnej TO. W pokoju 919 temperaturę operatywną obliczono na podstawie danych mikroklimatycznych rejestrowanych w tym pomieszczeniu. Wykorzystano poniższe zależności: gdzie: h r ( ) ( ) TO= ht + ht / h + h, C (1) c a r r c r liniowy współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie: ( ) 3 2 hr = 4εσ 273, 2 + Ts + Tr / 2, W/m K (2) T r T g średnia temperatura radiacyjna otoczenia: 4-8 ( ) ( ) ( ) 0,25 Tr = Tg + 273 + hcg Tg -Ta / 5, 38 10-273, C (3) temperatura termometru kulistego, [C ]
418 h cg h c współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję dla kuli o średnicy D [m]: { ( ) a } 0,25 0,6 2 h = max 1, 4 Tg -Ta / D i 6,3v W/m K (4) cg współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję dla człowieka. Średnią wartość współczynnika konwekcji h c dla człowieka w pomieszczeniach można, z niedużym błędem, przyjąć za równą 3,5 W/m 2 K. Współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie zależy od temperatury w przypadku pomieszczeń, gdzie temperatura operatywna zmienia się wraz z nasłonecznieniem, jego wartość waha się od ok. 4,5 dla typowych warunków bez nasłonecznienia do nawet około 7 W/m 2 K w momentach największego nasłonecznienia, gdy temperatura radiacyjna wzrasta do 50 C. Na rysunku 1 (1a 1f) przedstawiono porównanie przebiegów temperatury operatywnej w pomieszczeniu z markizą (TO_616) i w pomieszczeniu bez osłon przeciwsłonecznych (TO_916) dla sześciu sesji pomiarowych sezonu wiosenno-letniego. W celu odniesienia do warunków komfortu cieplnego, na rysunku tym zamieszczono również przebieg optymalnej dla użytkowników budynku temperatury operatywnej OOT (tj. odpowiadającej wskaźnikowi PMV = O), obliczonej dla aktywności 1,2 m (prace biurowe w pozycji siedzącej) i izolacyjności odzieży 0,8 clo w sesjach wiosennych i jesiennej oraz 0,6 clo latem. Wyniki pomiarów wykazują, że w pomieszczeniach o silnym przeszkleniu i niewielkiej masie termicznej bardzo trudno jest uzyskać warunki komfortu cieplnego. W większość dni pomiarowych sezonu wiosenno-letniego temperatura operatywna przekraczała wartości optymalne (tj. OOT) w godzinach okołopołudniowych. W pomieszczeniu bez osłony przeciwsłonecznej nawet o 20 stopni. W pomieszczeniu z markizą sytuacja przedstawiała się lepiej w godzinach maksymalnej radiacji słonecznej temperatura operatywna nie różniła się więcej niż o 5 7 stopni od wartości optymalnych. W dniach o bardzo czystym nieboskłonie była o ok. 10 o C niższa niż w pomieszczeniu bez osłony przeciwsłonecznej. W okresie wiosennym i jesiennym w godzinach nocnych, a także w chłodne dni o większym zachmurzeniu, temperatura operatywna w obu pomieszczeniach często spadała poniżej wartości optymalnej. Można sądzić, że gdyby była możliwa akumulacja nadmiaru ciepła przez przegrody budowlane o dużej pojemności cieplnej, to pozwoliłaby ona na poprawę warunków komfortu cieplnego zarówno w dzień, jak i w nocy. Aby sprawdzić skuteczność dziennego otwierania okien porównano przebiegi temperatury operatywnej w dwa pogodne dni sierpniowe o zbliżonej temperaturze powietrza na zewnątrz i podobnej prędkości wiatru (1 4 m/s) z kierunków zmiennych. Pierwszego dnia wszystkie okna były zamknięte. Drugiego dnia (23 sierpnia) w obu pomieszczeniach otwarto na cały dzień (od 7:00 do 20:00) po jednym dużym oknie od strony południowej. Z obserwacji wielkości mierzonych widać, że chociaż otwarcie okna pozwoliło uzyskać niższą temperaturę operatywną w godzinach południowych w pokoju niezacienionym o kilka stopni, to jednak ciągle przekraczała ona wartość optymalną (OOT) o ponad 10 C. Natomiast otwarcie okna w pokoju z markizą wprawdzie nie spowodowało znaczącej obniżki temperatury TO, to jednak była ona w godzinach okołopołudniowych o ok. 6 14 stopni niższa niż w pomieszczeniu bez zacienienia. Stąd wniosek, że w takich warunkach pogodowych markiza jest dużo bardziej skuteczna w poprawie warunków komfortu niż wietrzenie.
419 1a początek maja 1b początek czerwca 1c początek lipca 1d początek sierpnia 1e początek września 1f początek października Rys. 1. Przebieg temperatury operatywnej w czasie sesji wiosenno-letnich w pomieszczeniu z markizą (TO_616) i bez zacienienia (TO_916). Dla porównania Optymalna Temperatura Operatywna OOT dla 1,2 m i 0,8 clo wiosną i jesienią oraz 1,2 m i 0,6 clo latem (typowe dane dla osób przebywających w tym budynku) Fig. 1. Comparison of the Operative Temperature in the room with overhang shading (TO_616) and without shading (TO_916) with Optimal Operative Temperature OOT for sedentary activity (1,2 m) and typical seasonal clothing (0,6 and 0,8 clo)
420 Rys. 2. Wpływ chłodzenia przez otwarcie okien na przebieg temperatury operatywnej w pomieszczeniu z markizą (TO_616) i bez zacienienia (TO_916) Fig. 2. Effect of cooling by opening the windows (August 23th) on the Operative Temperature in the room with overhang shading (TO_616) and without shading (TO_916) 3. Wnioski W pomieszczeniach silnie przeszklonych zwykłymi szybami trudno jest zachować warunki komfortu cieplnego w czasie ładnej pogody sezonu wiosenno-letniego. Użytkownicy starszych budynków nieklimatyzowanych mają niewielkie możliwości regulacji mikroklimatu w praktyce jest to otwieranie okien oraz używanie wszelkiego rodzaju przesłon, o ile budynki takie wyposażenie mają. Otwieranie okien jest mało skutecznym sposobem regulacji mikroklimatu w dni upalne. Pozwala wprawdzie lekko opóźnić wzrost temperatury w pomieszczeniu i lekko obniżyć jej wartość maksymalną, jednak jest to dalece niewystarczające dla uzyskania warunków komfortu cieplnego. Jedną ze skuteczniejszych metod w tym zakresie jest zastosowanie zacienienia w formie markizy. Jest ona w stanie znacząco obniżyć temperaturę operatywną w pomieszczeniu. Mimo to w dni upalne ten sposób również nie daje wystarczającej stabilizacji temperatury operatywnej, awłaszcza w budynkach charakteryzujących się niewielką masą termiczną.
Oznaczenia 421 IEQ wskaźnik jakości środowiska pomieszczeń (Indoor Environmental Quality) Ta temperatura powietrza, C TO temperatura operatywna, C Tg temperatura termometru kulistego, C TR średnia temperatura radiacyjna otoczenia (średnia temperatura promieniowania), C OOT Optymalna Temperatura Operatywna (Optimal Operative Temperature) Artykuł został opracowany w ramach realizacji programu POIG Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju ; Pakiet Tematyczny (PT): PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie. Temat badawczy TB 7.2. Literatura [1] Lai A.C.K., Mui K.W., Wong L.T., Law L.Y., An evaluation model for indoor environmental quality (IEQ) acceptance in residential buildings, Energy and Buildings, vol. 41, 2009, 930-936. [2] Sensharma N.P., Woods J.E., Goodwin A.K., Relationship between the indoor environment and productivity: a literature review, ASHRAE Transactions, 1998, 1A, 104. [3] Akimoto T., Tanabe S., Yanai T., Sasaki M., Thermal comfort and productivity Evaluation of workplace environment in a task conditioned office, Building and Environment, vol. 45, 2010, 45-50. [4] Clausen G., Carrick L., Fanger P.O., Kim S.W., Poulsen T., Rindel J.H., A comparative study of discomfort caused by indoor air pollution, thermal load and noise, Indoor Air, 3(4), 1993, 255-262. [5] Brager G.S., de Dear R.J., Thermal adaptation in the built environment: a literature review, Energy Build, 27(1), 1998, 83-96. [6] Wagner A., Gossauer E., Moosmann C., Gropp T., Leonhart R., Thermal comfort and workplace occupant satisfaction. Results of field studies in German low energy office buildings, Energy Build, 39(7), 2007, 758-769. [7] Astolfi A., Pellerey F., Subjective and objective assessment of acoustical and overall environmental quality in secondary school classrooms, J Acoust Soc Am, 123(1), 2008, 163-173. [8] Frontczak M., Wargocki P., Literature survey on how different factors influence human comfort in indoor environments, Building and Environment, vol. 46, 2011, 922-937. [9] Fanger P.O., Komfort cieplny, Arkady, 1970. [10] McIntyre D.A., Indoor climate, Applied Science Publishers, London, 1980. [11] Lyons P.R., Window performance for human thermal comfort, ASHRAE Transactions, 2000, 594 602. [12] Fanger P.O., Toftum J., Extension of the PMV model to non-air-conditioned buildings in warm climates, Energy and Buildings, 34, 2002, 533-536.
422 [13] Arens E., Zhang H., Huizenga C., Partial- and whole-body thermal sensation and comfort Part II: Non-uniform environmental conditions, Journal of Thermal Biology, 31, 2006, 60 66. [14] Atmaca I., Kaynakli O., Yigit A., Effect radiant temperature on thermal comfort, Energy and Buildings, 42, 2007, 3210-3220. [15] Hodder S.G., Parsons K., The effects of solar radiation on thermal comfort, International Journal of Biometeorology, 2007/01, 233-250. [16] Menzies G.F., Wherrett J.R., Windows in the workplace: examining issues of environmental sustainability and occupant comfort in the selection of multi-glazed windows, Energy and Buildings, 42, 2005, 623-630. [17] Nowak H., Włodarczyk D., Nowak Ł., Śliwińska E., Staniec M., Efektywność aktywnych i pasywnych systemów słonecznych w energooszczędnych budynkach użyteczności publicznej w Polsce, Czasopismo Techniczne, 2010, 143-152.