Analiza wpływu przegród przezroczystych na potrzeby cieplne budynków

The characteristic feature of educational building are big glass surfaces. An analysis of transparent partitions of educational nursery buildings was carried out from the point of view of their influence on the rational energy consumption.

Wprowadzenie

Powierzchnie przeszklone pod względem energetycznym stanowią słaby punkt w okrywie budynku. Traci się przez nie więcej ciepła niż przez pozostałą część przegród ze względu na ich niższe parametry termoizolacyjne. Wraz ze wzrostem izolacyjności obserwuje się spadek zapotrzebowania na moc cieplną. Ilustruje to rys. 1.

Rys. 1. Spadek zapotrzebowania na moc cieplną wraz ze wzrostem izolacyjności

Dobór wielkości okien realizowany jest według kilku wymagań. Kładą one głównie nacisk na dostarczenie przez okna odpowiedniej ilości światła dziennego, niezbędnego do realizowania zadań wewnątrz pomieszczeń zgodnie z charakterem przeznaczenia budynku. Wśród wymagań związanych z oszczędnością energii sformułowano ustalenia dotyczące maksymalnej powierzchni okien oraz wielkości przeszklenia, czyli stosunku powierzchni okien P O do całkowitej powierzchni elewacji (ścian) P S Zalecenia dotyczące ochrony cieplnej należy rozpatrywać wspólnie z wymaganiami dotyczącymi warunków oświetlenia i nasłonecznienia. Mała powierzchnia okien sprzyja ograniczeniu zużycia ciepła powoduje jednak niedoświetlenie, zwłaszcza głębokich pomieszczeń. Zmusza to do korzystania z oświetlenia sztucznego i zwiększa zużycie energii elektrycznej. Zbyt duże okna są przyczyną nadmiernych strat ciepła w zimie oraz przegrzewania wnętrz w lecie. O wielkości temperatury w pomieszczeniach decyduje też kształt okien. Okna niskie i długie powodują większe przegrzewanie wnętrz niż wysokie i wąskie o tej samej powierzchni zapewniające większą zmienność nasłonecznienia.

Wśród budynków użyteczności publicznej problem nadmiernego przeszklenia dotyczy w pierwszym rzędzie budynków oświatowych. Wielkość przeszklenia sięga tutaj do 60-70 %. Z badań wynika, że przeszklenie w tego typu budynkach powinno wynosić około 20 % [1]. Ważnym problemem jest również preferowanie dużych powierzchni pojedynczych skrzydeł, które łatwo ulegają uszkodzeniu. Wpływ nieszczelności stolarki na straty ciepła można prześledzić na rys. 1.

Rys. . Wpływ nieszczelności na straty ciepła przez okna

Ze względu jednak na znaczne koszty i długi czas zwrotu nakładów, wymiana stolarki jest realizowana sporadycznie. Z przeszkleniem elewacji wiąże się wykorzystanie zysków słonecznych. Zyski te są większe w początkowych i końcowych miesiącach sezonu grzewczego oraz dla pomieszczeń z przeszkleniem w elewacji południowe j. Stosune k zysków do strat poprawia się średnio o 20 % w budynkach jednorodzinnych oraz o 10 % w wielorodzinnych. Różnica między dniem słonecznym a bezsłonecznym w styczniu jest widoczna w dużym chwilowym udziale energii słonecznej w ogólnym chwilowym bilansie. Stanowi on około 30 % całkowitych potrzeb energetycznych pomieszczenia. W przekroju dobowym spada jednak do 6,5 %. Wydajność systemu grzewczego może być mniejsza wówczas o 3,1 %. Pełne wykorzystanie zysków od promieniowania jest możliwe przy wyposażeniu instalacji c.o. w automatykę pogodową. Oszczędności w miesiącach o dużym nasłonecznieniu mogą wynieść wówczas do 40 %. Przy projektowaniu budynków niskoenergochłonnych samo zwiększanie powierzchni okien może spowodować wzrost zużycia ciepła do ogrzewania w globalnym bilansie, ze względu na wzm ożone straty w okresie bezsłonecznym.

1. Charakterystyka przegród przezroczystych w analizowanych Budynkach

Charakterystyczną cechą analizowanej struktury jest bardzo duże przeszklenie elewacj i. Statystyczny opis struktury danych dotyczących wielkości przeszklenia elewacji budynków przedszkolnych ilustruje tabela 1. W budynkach przedszkolnych przeszklenie elewacj i kształtuje się średnio na poziomie 28 % a maksymalnie osiąga wartość 65 %, przy zalecanej wartości 20 %.

Tabela 1. Przeszklenie elewacji w budynkach przedszkoli

Maksymalne przeszklenie 85 % wystąpiło na elewacji wschodniej. W przypadku typowego budynku przedszkolnego maksymalne przeszklenie było równe 60 % dla elewacji południowej. Znacznie większe było średnie przeszklenie samych sal przedszkolnych. W typowych budynkach przedszkoli wynosiło ono średnio 48 % a maksymalne 70 %. Średnie przeszklenie sali przedszkolnej wynosiło 40 % a maksymalne 75 %. Dla porównania średnie przeszklenie budynków mieszkalnych zaadaptowanych na przedszkola wynosiło około 15 % [1] przy maksymalnej wartości 27 %, a sal w tych budynkach 17 % przy maksymalnej wartości 29 %. Badana zbiorowość wykazywała w zakresie wskaźnika Po/Ps asymetrię lewostronną, bardzo silną zwłaszcza w przypadku stosunku powierzchni okien do powierzchni ścian w salach przedszkolnych. Podobna sytuacja rysowała się odnośnie typowych budynków przedszkolnych.

Następną analizowaną cechą był stosunek powierzchni okien Po do powierzchni użytkowej budynku Pu oraz stosunek powierzchni okien Po do kubatury ogrzewanej analizowanych obiektów. Wskaźnik Po/Pu, mający ograniczać nadmierną wielkość przegród przezroczystych w budynkach, jest zalecany na poziomie 15 %. W badanej grupie przedszkoli został on przekroczony, wyraźnie zwłaszcza dla sal przedszkolnych. Ilustruje to tabela 2.

Tabela 2. Przeszklenie elewacji w budynkach przedszkoli

Średnio wskaźnik Po/Pu kształtował się na poziomie 22 %, przy czym w salach wyniósł około 31 %, a maksymalnie osiągnął on wartość 79 %. Klasyczny współczynnik asymetrii przekroczył tu wartość -1 co wskazuje na silną lewostronną asymetrię rozkładu gdzie pokaźna część jednostek badanej zbiorowości jest większa od średniej. W przypadku sal przedszkolnych asymetria jest jednak słaba i prawostronna.

2. Ocena wpływu przegród przezroczystych na zużycie ciepła

Znaczne przeszklenie budynków przedszkoli nie w pełni znalazło odzwierciedlenie w pokaźnym jego wpływie na zużycie ciepła do ich ogrzewania. Zależność pomiędzy stosunkiem powierzchni okien Po do całkowitej powierzchni elewacji (ścian) Ps, a rzeczywistym zużyciem ciepła do ogrzewania budynków przedszkoli w rozpatrywanym sezonie grzewczym bardziej wyraźnie rysowała się dla grupy typowych budynków przedszkolnych. Ilustruje to rys. 1.

Rys. 1. Zużycie ciepła w funkcji powierzchni okien do powierzchni elewacji (ścian)

Współczynnik determinacji kształtował się w przypadku tej zależności na niskim poziomie świadcząc o niewyraźnym powiązaniu pomiędzy analizowanymi parametrami. Podobna sytuacja wystąpiła w przypadku analizowania powiązania pomiędzy stosunkiem powierzchni okien Po do powierzchni użytkowej budynku Pu, a rzeczywistym zużyciem ciepła do ich ogrzewania. Ilustruje to rys. 2.

Rys. 2. Zużycie ciepła w funkcji powierzchni okien do powierzchni użytkowej

Również tutaj współczynnik determinacji kształtował się na niskim poziomie.

Przy analizowaniu potrzeb cieplnych budynku bardziej celowe mogłoby być prześledzenie wpływu stosunku powierzchni okien Po do kubatury, którą ogrzewano V (tabl. 1) na zużycie ciepła. W tym przypadku zmiany zużycia ciepła odniesione do kubatury ogrzewanej były uzależnione od zmian wskaźnika Po/V w 54 %. Ilustruje to rys. 3.

Rys. 3. Zużycie ciepła w funkcji powierzchni okien do powierzchni ogrzewanej

Wskaźnik Po/V dla badanej grupy budynków wyniósł średnio około 5 %, zarówno w przypadku analizowania typowych budynków przedszkoli jak i całej zbiorowości. Maksymalnie osiągnął wartość 12 % dla całej zbiorowości i 9% dla budynków typowych. Wyższe wartości tego wskaźnika zanotowano w przypadku rozpatrywania samych sal przedszkolnych, maksymalnie 37 % w przypadku sal przedszkolnych zlokalizowanych w budynkach typowych. Zależność pomiędzy stosunkiem powierzchni okien Po do powierzchni elewacji (ścian) Ps, a stosunkiem powierzchni okien do ogrzewanej kubatury przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Zależność pomiędzy wskaźnikami Po/Ps i Po/V

Znaczne przeszklenie w skojarzeniu z południowym, a często jak w przypadku przedszkoli równoczesnym wschodnim i zachodnim jego umiejscowieniem, nie zawsze wpływało korzystnie na prawidłowe kształtowanie się warunków mikrośrodowiska w ich wnętrzu. Szczególnie dawało się to odczuć w czasie miesięcy letnich i zimowych. W lecie silnie operujące promienie słoneczne były przyczyną znacznego przegrzewania sal. W okresie tym notowano w salach wysokie wartości temperatur przekraczające zwykle 30 ° C. Badania prowadzone przez Page i Crow’a [2] w budynkach szkół wykazały, że w salach o przeszkleniu 70 % temperatura w lecie wzrastała nawet o około 10 do 12 ° C, podczas gdy w salach o przeszkleniu 30 % wzrost temperatury był nieznaczny. Przegrzewaniu w okresie lata i jednocześnie wychładzaniu wnętrz w zimie sprzyjało również rozpowszechnione kształtowanie bryły budynków przedszkoli w formie w znacznym stopniu rozczłonkowanej o charakterze pawilonowym i dodatkowo lekkiej konstrukcji przegród.

Pewien bezpośredni wpływ na zwiększanie strat ciepła przez okna może mieć również sam ich kształt. Typowe okna w budynkach przedszkolnych charakteryzują się zblokowaniem ich na jednej, znacznej powierzchni przeszklenia z dużą ilością skrzydeł. Pojedyncze skrzydła, zwykle otwieralne, mają pokaźne rozmiary, przez co przy częstym otwieraniu w związku ze źle działającą wentylacją nierzadko ulegają uszkodzeniu. W efekcie prowadzi to do ich wypaczenia i znacznej nieszczelności, a co za tym idzie do nadmiernych strat ciepła.

Odpowiednie zorientowanie budynku w stosunku do stron świata wpływa zazwyczaj korzystnie na oszczędność energii w związku z intensyfikacją zysków ciepła od promieniowania słonecznego, głównie przez przegrody przezroczyste. Równocześnie sprzyja to kształtowaniu przyjaznych warunków komfortu w zakresie prawidłowego oświetlenia pomieszczeń światłem dziennym i ich nasłonecznienia. Na podstawie badań stwierdzono, że wartość zysków ciepła od słońca waha się zazwyczaj w granicach od 5 do 15 %. Jednak przy uwzględnieniu współczynnika wykorzystania zysków ciepła w obliczeniach wskaźnika E wartość zysków od słońca jest niewielka, w granicach 1÷3 %. Kształtowanie się wskaźnika sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków w skojarzeniu z ich zorientowaniem w stosunku do stron świata ilustruje rys. 5.

Rys. 5. Wskaźnik sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków w funkcji z orientow ania budynku w stosunku do stron ś wiata

Zgodnie z oczekiwaniami najniższą wartość wskaźnika E uzyskano w przypadku, gdy ściana z największą powierzchnią okien była skierowana na południe. Wartość zysków ciepła od słońca miała małe znaczenie w bilansie cieplnym budynków przedszkolnych ze względu na brak zaworów termostatycznych czy automatyki pogodowej. Operujące promienie słoneczne były raczej przyczyną znacznego przegrzewania sal w budynkach i pogarszania się warunków środowiska wnętrz.

Podsumowanie i wnioski

Powierzchnia przeszklenia sal w typowych budynkach przedszkolnych wahała się od 30 % do 70 % i średnio wynosiła 48 % przy zalecanej wartości 20 %. Różnica pomiędzy przeszkleniem sal w dawnych budynkach mieszkalnych zaadaptowanych na przedszkola a sal w grupie budynków typowych wynosi średnio 31 %. Znaczna powierzchnia okien wyraźniej wpływała na warunki mikroklimatu wnętrz niż na zużycie ciepła. Sale były dostatecznie oświetlone światłem dziennym, a pomierzony i wyznaczony teoretycznie współczynnik oświetlenia dziennego równy 3,1 w całej badanej zbiorowości i 4,6 w typowych budynkach przedszkoli był wyższy od zalecanej wartości minimalnej wynoszącej 2% dla czynności dokładnych. Wpływ wielkości przeszklenia elewacji był w większym stopniu powiązany z rzeczywistym zużyciem ciepła niż z wartością wyznaczonego sezonowego zapotrzebowania. Zmiany wartości ciepła zużytego do ogrzewania budynków w rozpatrywanym sezonie grzewczym były w około 23 % zdeterminowane zmianami wielkości przeszklenia. Zmniejszenie przeszklenia do wartości 20 % spowodowałoby oszczędność energii cieplnej rzędu około 5÷10 %.

Stosowanie wskaźnika Po/V wydaje się być bardziej racjonalne w przypadku racjonalizacji zużycia ciepła.

Potencjalne możliwości oszczędności energii w budynkach tkwią również w samym sposobie usytuowania budynku w stosunku do stron świata. Typowe budynki przedszkolne są usytuowane w ten sposób by okna sal przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci były skierowane na południe lub, jeśli to możliwe dodatkowo na wschód bądź zachód. Prawidłowe usytuowanie budynku pozwala na ewentualne wykorzystanie potencjalnych zysków ciepła pochodzących od promieniowania słonecznego w sezonie grzewczym. Ważna w omawianym przypadku jest także kwestia ograniczenia strat ciepła związanych z niekorzystnym działaniem wiatrów, wiejących w Częstochowie w sezonie grzewczym głównie z kierunku wschodniego i południowo-wschodniego. Większość budynków przedszkolnych w małym stopniu osłonięta jest od wiatru. Znaczne osłonięcie budynku może być natomiast przyczyną nadmiernego zacienienia, niezbyt korzystnego przy chęci maksymalnego pozyskiwania energii od nasłonecznienia. Ogród przedszkolny umieszcza się zazwyczaj w południowej części działki, tak by zapewnić bezpośrednie jego połączenie z salami przedszkolnymi. Na jego terenie rozplanowuje się zieleń. W większości przedszkoli stwierdzono jednak brak znacznego zacienienia z którejkolwiek ze stron. Najwięcej przedszkoli było zacienionych przeważnie z jednej strony. Obiektami zacieniającymi były w głównej mierze drzewa.

Literatura

Anna LIS
Politechnika Częstochowska