Możliwości wykorzystania w budynkach spektralnie selektywnych w pasywnych systemach słonecznych

Wprowadzenie

Ograniczanie zużycia energii do ogrzewania budynków staje się koniecznością spowodowaną ciągle zmniejszającymi się zasobami paliw kopalnych. Systemy grzewcze korzystające z konwencjonalnych źródeł energii coraz częściej są wspomagane odnawialnymi źródłami energii, a nawet są przez nie zastępowane. Jednym ze źródeł energii odnawialnych jest energia słoneczna, której próby wykorzystania do celów ogrzewania budynku sięgają już V w. p.n.e., kiedy to Sokrates przedstawił swoją koncepcję „domu słonecznego” [1]. Ideę tę wykorzystano w budynkach z pasywnymi systemami słonecznymi, będącymi nieskomplikowanymi konstrukcjami umożliwiającymi wykorzystanie bryły i struktury budynku do pochłaniania, magazynowania i rozprowadzania pozyskanej energii słonecznej w naturalny sposób. Do wspomagania systemów pasywnych można wykorzystać zestawy szyb zespolonych o spektralnie selektywnych właściwościach.

1. Szyby spektralnie selektywne

1.1. Zasada działania

Spektralna selektywność powierzchni przegród przezroczystych polega na przepuszczaniu określonych długości fal promieniowania słonecznego w zależności od funkcji, jaką ma pełnić rozpatrywana przegroda. W przypadku szyb spektralnie selektywnych są to najczęściej dwie funkcje:

• blokowanie części podczerwonej promieniowania słonecznego, która jest odpowiedzialna za niepożądane nagrzewanie się pomieszczeń w okresie letnim,

• przepuszczanie tej części promieniowania słonecznego, umożliwiając nagrzewanie się urządzeń korzystających z energii słonecznej, tj. ściany akumulacyjne, kolektory słoneczne.

Rysunek 1 przedstawia idealną charakterystykę przepuszczania części widzialnej promieniowania słonecznego oraz blokowania zakresów ultrafioletu i podczerwieni słonecznej. Linią przerywaną zaznaczono charakterystykę refleksyjności, natomiast linią ciągłą charakterystykę przepuszczania idealnej szyby selektywnej

Główne parametry szyb zespolonych spektralnie selektywnych opisują współczynniki zysków ciepła od promieniowania słonecznego (SHGC – Solar Heat Gain Coefficient) oraz przepuszczalności promieniowania widzialnego (Tv – Visible Transmittance). Szyby spektralnie selektywne charakteryzują się wysokimi wartościami współczynnika Tv i niskimi wartościami SHGC, a także niskimi wartościami współczynnika przenikania U.

1.2. Rodzaje szyb spektralnie selektywnych

Zestawy szyb spektralnie selektywnych można podzielić ze względu na ich konstrukcję, co pokazano na rysunku 2. Konstrukcja szyb zespolonych ma niepomijalny wpływ na ich właściwości selektywne – najlepszą selektywnością odznaczają się szyby podwójne zespolone z powłoką selektywną niskoemisyjną od wewnętrznej strony szyby zewnętrznej.

Szyby spektralnie selektywne dzielą się na kilka typów ze względu na charakterystykę przepuszczanego i blokowanego zakresu promieniowania. Można więc wyróżnić szyby:

• barwione (tinted glazing) – są to szyby barwione w masie; barwienie jest jednym z pierwszych sposobów modulowania własności selektywnych szyb,

• tzw. heat mirrors – są to szyby ze specjalną powłoką niskoemisyjną (low- e ), powodującą odbicie długofalowego promieniowania cieplnego, np. odbijają promieniowanie cieplne z urządzeń grzewczych z powrotem do pomieszczenia, zmniejszając straty ciepła,

• chromogeniczne – szyby te zmieniają swoje charakterystyki przepuszczalności promieniowania zarówno słonecznego, jak i długofalowego w zależności od zmian różnych czynników naturalnych lub sztucznych; wśród nich wyróżniamy:

– fotochromowe – zmiana własności radiacyjnych następuje pod wpływem zmiany natężenia promieniowania słonecznego padającego na szybę,

– termochromowe – zmiana własności następuje pod wpływem zmiany temperatury powietrza po obu stronach okna,

– elektrochromowe – zmiana następuje pod wpływem przyłożonego impulsu elektrycznego, wygląd tych szyb może zmieniać się od przezroczystego do matowego lub lustrzanego,

• kątowo selektywne (angular selective glazing) (rys. 3) – ilość przepuszczonego promieniowania przez zestaw szyb zależy od kąta padania promieni słonecznych i tak:

– w okresie letnim, gdy słońce jest wyżej nad horyzontem, pomieszczenia są chronione przed przegrzewaniem,

– w okresie zimowym, gdy słońce jest niżej, umożliwione jest wykorzystanie energii słonecznej do wspomagania ogrzewania.

• systemu SOLVENT (rys. 4) – są to zestawy szyb, które w zależności od pory roku ustawiane są odpowiednią stroną poprzez obrócenie o 180°; wykorzystują one konwekcyjny ruch powietrza do:

– ogrzewania powietrza w pomieszczeniu od powierzchni szyby zimą,

– chłodzenia powietrzem zewnętrznym powierzchni szyby latem,

• smartwindows (superwindows) – są to zestawy szyb wykorzystujące kilka z systemów opisanych powyżej do uzyskania pożądanych charakterystyk radiacyjnych i termoizolacyjnych.

Obecne możliwości technologiczne pozwalają uzyskać niemalże dowolną charakterystykę zestawów szyb spektralnie selektywnych, dopasowaną do wymagań przyszłego użytkownika zarówno w zakresie termoizolacyjności, przepuszczalności określonych długości fal promieniowania słonecznego, odbijania promieniowania cieplnego, jak i do zapewnienia odpowiedniego komfortu wizualnego w pomieszczeniach.

2. Zastosowanie szyb spektralnie selektywnych w pasywnych systemach ogrzewania słonecznego

Podstawową zaletą pasywnych systemów ogrzewania słonecznego jest ich nieskomplikowana konstrukcja oraz wynikająca z niej duża trwałość całego systemu. Główną wadą jest bardzo ograniczona możliwość adaptacji do zmiennych warunków natężenia promieniowania słonecznego. Zarówno możliwości racjonalnego wykorzystania energii słonecznej w okresie zimowym, jej akumulowania, a także odpowiedniego zabezpieczenia przed jej nadmiarem w okresie letnim mogą być poprawione poprzez zastosowanie zestawów szyb spektralnie selektywnych.

Zależnie od orientacji obiektu względem stron świata można poprzez odpowiednie rozmieszczenie zestawów szyb spektralnie selektywnych zapewnić uzyskanie wymiernych korzyści. Poniżej przedstawiona jest propozycja zróżnicowania rodzajów zestawów szyb w zależności od orientacji elewacji budynku, na której będą się znajdować;

• elewacja południowa – zastosowanie zestawów szyb o niskim współczynniku zysków od promieniowania słonecznego SHGC, tak aby w okresie największego nasłonecznienia zabezpieczyć wnętrze budynku przed przegrzewaniem lub zastosowanie zestawu szyb kątowo selektywnych,

• elewacja północna – zastosowanie szyb niskoemisyjnych typu heat mirror, zmniejszających straty ciepła z budynku w okresie zimowym,

• elewacje wschodnia i zachodnia – szyby o większym współczynniku SHGC niż na elewacji południowej, ze względu na możliwość wykorzystania promieniowania słonecznego do wspomagania ogrzewania budynku,

• elewacje zacienione – użycie szyb o wysokim współczynniku Tv umożliwi wykorzystanie widzialnej części promieniowania słonecznego do celów oświetlenia wnętrza budynku, przy jednoczesnym zaoszczędzeniu energii na sztuczne doświetlanie wnętrza i zapewnieniu odpowiedniego komfortu wizualnego użytkownikom,

• elewacje mocno nasłonecznione (zarówno przez promieniowanie słoneczne bezpośrednie, jak i promieniowanie odbite np. od elewacji sąsiednich budynków) – wykorzystanie szyb barwionych ciemnych o niskim współczynniku SHGC oraz niskiej wartości współczynnika Tv zapewni komfort wizualny (uniemożliwi oślepienie) i cieplny (zabezpieczenie przed przegrzewaniem się wnętrza).

Problem zastosowania szyb spektralnie selektywnych zabezpieczających przed przegrzewaniem się pomieszczeń w okresie letnim i jednocześnie zapewniających jak najlepsze wykorzystanie dostępnej energii słonecznej w okresie zimowym można rozwiązać, stosując:

• zestawy szyb kątowo selektywnych zmieniających swoje właściwości transmitancji w zależności od kąta padania promieniowania słonecznego,

• okna systemu SOLVENT, które w zależności od pory roku, czyli zależnie od potrzeb zapewnienia odpowiedniego chłodzenia lub wspomagania ogrzewania, ustawiane są, poprzez obrócenie o 180°, stroną efektywniejszą w danych warunkach.

W przypadku ścian akumulacyjnych znajdujących się wewnątrz budynku z pasywnym systemem ogrzewania słonecznego można zastosować proponowane powyżej zestawy szyb kątowo selektywnych lub szyby niskoemisyjne o wysokim współczynniku SHGC umożliwiającym nagrzewanie ściany akumulacyjnej przy jednoczesnym utrzymaniu strat ciepła z pomieszczenia na niskim poziomie.

Powyżej zaproponowane zestawy szyb spektralnie selektywnych nie należy jednak traktować jako najbardziej efektywne rozwiązanie dla każdego rozpatrywanego budynku, a jedynie można przyjąć jako założenia wyjściowe do symulacji bilansu cieplnego budynku i optymalizacji rozwiązania. Uzyskanie najlepszych efektów jest najczęściej związane z rozwiązaniem zagadnienia optymalizacji wielokryterialnej. Przy formułowaniu i rozwiązywaniu tego zagadnienia należy przyjąć kryteria optymalizacji, tj. funkcje celu, określone zmienne decyzyjne oraz ograniczenia na nie nałożone [4].

Podsumowanie

Zestawy szyb spektralnie selektywnych są coraz powszechniej stosowane w budownictwie. O ile zastosowanie ich w budownictwie jednorodzinnym również przyniesie zyski, to najbardziej wymierne korzyści można osiągnąć głównie w budynkach użyteczności publicznej ze względu na znaczący ilościowo udział powierzchni przeszklonych.

Odpowiednie dobranie zestawów umożliwia ograniczenie strat ciepła w okresie zimowym, możliwość uzyskania dodatkowych zysków cieplnych oraz zabezpieczenie przed niepożądanym nagrzewaniem się pomieszczeń w okresie letnim.

Poprzez kontrolowanie zysków ciepła od słońca w okresie letnim, zapobieganie strat ciepła wewnętrznego w okresie zimowym i redukcję energii potrzebnej do oświetlenia dzięki wykorzystaniu światła dziennego szyby spektralnie selektywne mogą znacznie zmniejszyć zużycie energii cieplnej i elektrycznej w budynku i zapotrzebowanie na moc cieplną. Z uwagi na dużo niższą wartość współczynnika przenikania ciepła U efektywność energetyczna takich szyb pozwala na zastosowanie większych powierzchni przeszklonych bez zwiększenia strat energii w porównaniu do szyb konwencjonalnych, co docenią zarówno architekci, jak i projektanci.

Wykorzystując szyby spektralnie selektywne, można odpowiednio zaprojektować budynek pod względem nie tylko zużycia energii, ale również zapewnić odpowiednie oświetlenie pomieszczeń za pomocą światła dziennego oraz komfort cieplny i wizualny użytkownikom.

Niezależnie od doboru optymalnych charakterystyk spektralnie selektywnych należy zapewnić niezmienność właściwości spektralnie selektywnych w czasie [5], gdyż powłoki selektywne, tak jak każdy materiał, podlegają procesowi starzenia, który istotnie wpływa na trwałość. Odpowiednie zabezpieczenie powłok selektywnych przed uszkodzeniami mechanicznymi jest konieczne ze względu na ich niewielką grubość.

Przedstawione w artykule możliwości wykorzystania zestawów szyb spektralnie selektywnych należy rozpatrywać jako punkt wyjścia do procesu optymalizacji wielokryterialnej. Po założeniu kryterium, np. najniższych kosztów inwestycji, największej efektywności rozwiązania lub też najmniejszego stopnia skomplikowania układu, optymalizowanie rozwiązania pozwoli na efektywne wykorzystanie właściwości radiacyjnych szyb spektralnie selektywnych.

Literatura

[1] Kotarska K., Kotarski Z., Ogrzewanie energią słoneczną, Systemy pasywne, Wydawnictwo NOT-SIGMA, Warszawa 1989.

[2] Lee E. S., Spectrally Selective Glazings, Federal Technology Alert, New Technology Energy Management Program, Federal Energy Management Program, DOE/EE-0173, sierpień 1998.

[3] Erell E., Etzion Y., Carlstrom N., Sandberg M., Molina J., Maestre I., Maldonado E., Leal V., Gutschker O., SOLVENT: development of a reversible solar-screen glazing system, Energy and Buildings 2004, 36, 467-48.

[4] Marks W., Zagadnienia optymalizacji w fizyce budowli, V Konf. Nauk.-Techn. Fizyka Budowli w Teorii i w Praktyce, Łódź, czerwiec 1995, 249–256.

[5] Nowak H., Własności spektralnie selektywne powierzchni przegród budowlanych, V Ogólnopol. Konf. Nauk.-Techn. Problemy projektowania, realizacji i eksploatacji budynków o niskim zapotrzebowaniu na energię ENERGODOM 2000, Kraków – Zakopane, 25–27 października 2000, 259–268.

[6] Nowak H., Własności radiacyjne powłok stosowanych w zestawach szyb zespolonych, VIII Konf. Nauk.-Techn. Fizyka Budowli w Teorii i w Praktyce, Łódź, czerwiec 2001, 435–442.

[7] Sullivan R., Beltran L., Rubin M., Selkowitz S., Energy and Daylight Performance of Angular Selective Glazings, Thermal Performance of het Exterior Envelopes of Buildings, VII: Conference Proceedings, Clearwater Beach, Florida, 7–11 grudnia 1998, LBNL Report 41694, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA.