|
|
ekoEnergia: ogrzewanie, wentylacja pomieszczeń, mądre budowanie, energia solarna, ekologia
|
|
|
|
|
|
|
|
Pasywne wykorzystanie energii słonecznej 7 |
|
|
30.04.2007. |
Wpływ orientacji budynku na dostępności energii słonecznej |
Część 7
 |
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń napromieniowywania w dowolnym przedziale czasu różnie usytuowanych powierzchni sformułowano wnioski odnośnie kształtowania obudowy budynku w kontekście jego nasłonecznienia.
Warunki nasłonecznienia charakteryzują się dużą zmiennością napromieniowania zarówno w krótkim, dziennym, jak i w długim, rocznym przedziale czasu.
Dzięki analizie rozkładów napromieniowania we wszystkich miesiącach reprezentatywnego roku dokonano podziału warunków nasłonecznienia na trzy okresy, odpowiadające w pewnym przybliżeniu porom roku:
- okres najlepszej dostępności promieniowania słonecznego: wiosenno - letni, tj. IV - VIII;
- okres przejściowy pomiędzy okresem najlepszej i najgorszej dostępności: zimowo – wiosenny: II - III; letnio – jesienny IX i X; analogia występuje pomiędzy II i X, III i IX;
- okres najgorszej dostępności promieniowania słonecznego: zimowy: XI - I.
W okresie najlepszej dostępności promieniowania słonecznego najbardziej nasłonecznione są powierzchnie o małym pochyleniu (15 stopni), bliskie poziomym i zorientowaniu w kierunku południowo – zachodnim (o kącie azymutalnym +45 stopni).
W miesiącu czerwcu, w którym występują najlepsze warunki nasłonecznienia w skali roku, średnie dzienne napromieniowanie osiąga poziom 19 MJ/(m2 dzień). Ze wzrostem pochylenia (względem poziomu) napromieniowanie maleje, osiągając najmniejsze wartości dla powierzchni pionowych.
Dla kierunku południowego średnie dzienne półsferyczne napromieniowanie powierzchni pionowej osiąga poziom 10,5 MJ/(m2 dzień), czyli jest prawie dwukrotnie mniejsze niż dla najlepiej eksponowanych powierzchni. Powierzchnie południowe o dużych pochyleniach, a szczególnie pionowe są w lecie względnie równomiernie napromieniowywane w ciągu dnia i ich dzienne półsferyczne napromieniowanie jest znacznie mniejsze niż powierzchni wschodnich, a szczególnie zachodnich. Powierzchnie zachodnie obudowy budynku są najbardziej napromieniowywane w czasie całego lata.
W czerwcu, a także w innych miesiącach okresu najlepszej dostępności promieniowania słonecznego, charakterystyczne są wysokie wartości składowej bezpośredniej napromieniowania półsferycznego. Wzrost pochylenia powoduje stopniowe pogorszenie warunków dostępności energii promieniowania słonecznego, spadek składowej bezpośredniej, ale jednocześnie występuje wzrost składowej promieniowania odbitego i rozproszonej jaśniejącego horyzontu. Największe wartości sum godzinnych promieniowania całkowitego występują w czerwcu w godzinach południowych, kiedy to przy małych pochylenia oraz orientacji południowej i południowo-zachodniej napromieniowanie godzinne jest powyżej 2 MJ/m2, przy czym promieniowanie bezpośrednie jest rzędu 1,2 MJ/m2, stanowiąc 60% promieniowania półsferycznego. Przy wzroście kąta pochylenia powierzchni maleje nie tylko poziom napromieniowania, ale i czas dostępu promieniowania bezpośredniego w odpowiednich porach dnia. Uwzględniając czas nasłonecznienia promieniowaniem bezpośrednim, jak również poziom napromieniowania, aby zmniejszyć dostępność promieniowania słonecznego w lecie, a przede wszystkim ograniczyć poziom promieniowania bezpośredniego, o wiele lepiej jest więc główną fasadę budynku zwracać w stronę wschodnią (to dotyczy przede wszystkim budynków wykorzystywanych sezonowo w lecie) lub południowo - wschodnią, a nie na zachód lub południowy - zachód.
W okresie najgorszej dostępności promieniowania słonecznego w zimie najlepiej nasłonecznione są powierzchnie o dużych pochyleniach, większych co najmniej o 10 stopni od lokalnej szerokości geograficznej i zwrócone na południe.
Dla Warszawy pochylenie to wynosi 65 stopni. W grudniu, miesiącu o najgorszych warunkach nasłonecznienia, dla „najlepiej” usytuowanej powierzchni średnie dzienne półsferyczne napromieniowanie wynosi około 2,5 MJ/(m2dzień). Napromieniowanie dzienne powierzchni pionowej południowej wynosi w tym okresie około 1,9 MJ/(m2 dzień), czyli jest przeszło pięciokrotnie niższe niż w czerwcu. Natomiast w grudniu napromieniowanie powierzchni poziomej wynosi zaledwie 1,5 MJ/(m2 dzień). Zmiany napromieniowania są czułe zarówno na pochylenie, jak i na orientację, przy czym występuje wyraŹna preferencja dla kierunku południowego i kątów azymutalnych bliskich zeru, ze względu na zwiększenie zysków słonecznych.
W grudniu, a także w innych miesiącach okresu najgorszej dostępności promieniowania słonecznego, występuje bardzo mały poziom napromieniowania i mała jest liczba godzin słonecznych (dziennych), która w grudniu wynosi około 8 godzin na dobę.
Promieniowanie bezpośrednie w tym miesiącu występuje przez 6 godzin na dobę, ale czas ten w zależności od usytuowania powierzchni odpowiednio skraca się. W najbardziej korzystnych warunkach usytuowania powierzchni odbierającej promieniowanie słoneczne, tj. przy pochyleniu rzędu 60 stopni i orientacji południowej, w godzinach południowych godzinne napromieniowanie półsferyczne osiąga poziom 0,5 MJ/m2, w tym godzinne napromieniowanie bezpośrednie wynosi około 0,3 MJ/m2 (co stanowi 60% promieniowania półsferycznego). W zimie bardzo istotne jest odpowiednie pochylanie względem poziomu powierzchni odbierającej promieniowanie w celu zwiększenia udziału promieniowania bezpośredniego w promieniowaniu półsferycznym. W przypadku większych pochyleń, począwszy od 60 stopni rośnie udział składowej rozproszonej promieniowania jaśniejącego horyzontu i promieniowania odbitego, maleje udział składowej izotropowej promieniowania rozproszonego. Dla powierzchni pionowej, przy typowym podłożu otoczenia, udział promieniowania odbitego dochodzi do kilkunastu procent. Rola powierzchni refleksyjnych w sposób zaplanowany wprowadzanych w otoczenie budynku jest istotna dla zwiększania dostępności promieniowania słonecznego w okresie zimy.
Zimą zarówno elementy aktywne, jak i pasywne związane z główną fasadą budynku powinny być umiejscowione od strony południowej. Budynek nie powinien być w ogóle zacieniany, można stosować powierzchnie odbijające w otoczeniu budynku (np. w postaci stawu, basenu) lub zainstalowanych na budynku (np. w postaci odbłyśników przy instalacjach kolektorowych).
W okresie przejściowym wiosennym i jesiennym poziom napromieniowania półsferycznego i jego składowej bezpośredniej, zwłaszcza przy korzystnie usytuowanych powierzchniach, jest względnie wysoki. Największe wartości godzinnego napromieniowania półsferycznego występują w południe, kiedy to przy korzystnych warunkach pochylenia 45 stopni i orientacji południowej, wynoszą około 1,7 MJ/m2, przy czym godzinne napromieniowanie bezpośrednie może dochodzić do 1,1 MJ/m2, stanowiąc 65% promieniowania półsferycznego. Dalszy wzrost pochylenia do 60 stopni, a tym bardziej do 90 stopni powoduje stopniowe pogorszenie warunków dostępności energii promieniowania słonecznego (choć dla tych pochyleń wzrasta składowa promieniowania odbitego i składowa promieniowania rozproszonego jaśniejącego horyzontu, to nie rekompensują one spadku promieniowania bezpośredniego i rozproszonego izotropowego).
Powierzchnie wschodnie i zachodnie nie są napromieniowywane promieniowaniem bezpośrednim odpowiednio przed zachodem i po wschodzie Słońca. Ze wzrostem pochylenia wydłuża się okres braku dostępu promieniowania bezpośredniego. Zmniejszeniu ulega, w porównaniu z okresem letnim, dzienna liczba godzin słonecznych (dla porównania w czerwcu wynosi 16, a we wrześniu 12 godzin). Znajomość rozkładu promieniowania bezpośredniego jest bardzo ważna, zwłaszcza gdy jego udział jest względnie wysoki rzędu 65%, tak jak ma to miejsce we wrześniu. Powierzchnie południowe i południowo - zachodnie, a następnie południowo - wschodnie są najlepiej nasłonecznione. Poziom napromieniowania nie jest tak wysoki jak latem, jednakże przy projektowaniu fasady budynku należy uwzględnić możliwość stosowania zacienienia powierzchni najbardziej wystawionych na oddziaływanie promieniowania słonecznego. Główną fasadę budynku wykorzystywanego tylko w porze przejściowej należałoby zwracać w stronę południowo - wschodnią. Natomiast dążąc do zwiększenia zysków słonecznych należy wykorzystywać powierzchnie południowe, o kącie pochylenia niższym o kilka stopni od lokalnej szerokości geograficznej.
Tabela 2.2. średnie dzienne napromieniowanie Hc [MJ/(m2 dzień)] powierzchni pionowych o charakterystycznej orientacji w czerwcu, grudniu i marcu
| Orientacja | pd | pd-zach | zach | pn-zach | pn | pn-wsch | wsch | pd-wsch |
| miesiąc | Hc - MJ/(m2 dzień) | | VI | 10 | 10,5
| 11,5 | 8 | 7 | 7,5 | 10 | 10 | XII
| 2 | 1,5
| 1 | 1
| 1
| 1
| 1
| 1,5
| III
| 8
| 7,5
| 5,5
| 3
| 3
| 3
| 4,5
| 6,5
|
W odniesieniu do poszczególnych okresów dostępności promieniowania słonecznego przypisano im pewne wspólne zalecenia odnośnie pochylenia i zorientowania obudowy budynku. Są one następujące:
Budynek może być projektowany pod kątem jego sezonowego wykorzystania, przy czym sezonowość jest zależna od okresu użytkowania danego obiektu budowlanego. Najczęściej sezon odpowiada okresowi pory ciepłej: wiosenno - letniej, która z reguły trwa od maja do końca września (5 miesięcy), co odpowiada okresowi funkcjonowania letnich ośrodków wypoczynkowych oraz wykorzystania letnich domów rekreacyjnych.
Jednakże, dla niektórych obiektów sezonowość oznacza wykorzystanie przez 10 miesięcy w ciągu roku, wyłączając okres wakacyjny tj. okres najlepszej dostępności promieniowania słonecznego. Do takich budynków należą przede wszystkim szkoły i inne obiekty z nimi skojarzone.
Powyżej sformułowane zalecenia mogą być odniesione w sposób bezpośredni do obiektów wykorzystywanych sezonowo, do których należą wspomniane domy letniskowe i inne obiekty wypoczynkowe wykorzystywane w czasie lata.
Ze względu na duże napromieniowanie budynki wykorzystywane okresowo w sezonie letnim nie mogą być wyposażone w standardowe rozwiązania pasywne ułatwiające pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego, a wręcz odwrotnie muszą posiadać elementy ograniczające dostęp promieniowania. Główna fasada budynku nie powinna być zwrócona na południe i zachód, tj. w zakresie kątów azymutalnych od 0 stopni do +90 stopni. Należy od tej strony budynek zacieniać, zarówno elementami samej struktury budynku (okapy, wykusze), jak i naturalnymi elementami otoczenia (zieleń). Fasada budynku powinna być zwrócona w stronę wschodnią, ewentualnie południowo – wschodnią, połacie dachu powinny być pochylone pod dużym kątem, w celu uniknięcia ich przegrzewania.
W przypadku budynków szkolnych, niewykorzystywanych pora letnią, główna fasada budynku powinna być zwrócona w stronę południową, połacie dachu powinny być pochylone pod kątem rzędu 50 stopni. Elementy zacieniające obudowy budynku powinny być ograniczone do ich wykorzystania w czerwcu, ewentualnie w maju i wrześniu. Najlepsze warunki do odbioru energii promieniowania słonecznego (dla rozwiązań instalacyjnych) mają powierzchnie pochylone pod kątem od 30 stopni do 40 stopni, o kącie azymutalnym w zakresie od -45 stopni do +45 stopni.
Opisane wcześniej sezonowe zalecenia pozwalają sformułować także podstawowe wskazania w kontekście dostępności promieniowania słonecznego do obudowy budynku w ciągu całego roku. Stosowanie płaszczyzn poziomych, np. dachów, czy przeszklonych poziomych powierzchni atrium, nie jest zalecane w budownictwie w warunkach krajowych. (inne wykorzystanie promieniowania słonecznego w lecie, inne kąty pochylenia - zobacz dział "magazynowanie ciepła w gruncie".
Powierzchnie poziome i o niewielkich kątach pochylenia są szczególnie mocno napromieniowywane w lecie, kiedy nie jest to pożądane, natomiast w niewielkim stopniu w okresie zimy. Połacie dachu powinny być pochylone w zakresie kątów od 40 stopni do 60 stopni, co w okresie zimy zwiększa dostępność energii promieniowania słonecznego, a w lecie ogranicza. Główna fasada budynku powinna być zwrócona na południe i od tej strony powinny znajdować się rozwiązania pasywne struktury budynku, przegrody pionowe lub pochylone pod kątem w zakresie od 45 stopni do 60 stopni. W lecie duże pochylenie powierzchni względem poziomu zmniejsza dostępność promieniowania słonecznego, w czerwcu nawet dwukrotnie w porównaniu z powierzchnią poziomą. Dla większych pochyleń, a szczególnie dla powierzchni pionowych, występuje charakterystyczne wyrównanie poziomu napromieniowania w ciągu dnia w ciepłej porze roku, tj. od kwietnia do końca września.
Od września do końca marca południowa fasada budynku powinna być „otwarta na oddziaływanie promieniowania słonecznego”, poza tym okresem powinna być zacieniana. Powierzchnie pionowe zachodnie są bardziej narażone na przegrzewanie w okresie letnim niż powierzchnie południowe i powinny być szczególnie zacieniane poprzez elementy struktury budynku i otoczenia zewnętrznego. Dowolnie pochylona powierzchnia ukierunkowana w stronę zachodnią jest zdecydowanie lepiej napromieniowywana niż powierzchnia wschodnia o tym samym pochyleniu, podobnie płaszczyzna południowo - zachodnia w porównaniu z południowo – wschodnią.
Analiza zmian średniego rocznego napromieniowania powierzchni różnie pochylonych i różnie zorientowanych odnosi się praktycznie do helioaktywnych elementów struktury budynku, czyli do kolektorów słonecznych i modułów ogniw fotowoltaicznych.
Zastosowanie aktywnych systemów słonecznych (dotyczy: t.zw. kolektorów słonecznych) narzuca, w przypadku nowych budynków, konieczność odpowiedniego zaprojektowania połaci dachu lub innych przegród budowlanych, na których elementy te będą usadowione. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy systemy aktywne stanowią tzw. elementy zintegrowane z obudową budynku, co jest coraz bardziej powszechne.
Aktywne elementy budynku zaprojektowane do całorocznego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego, np. kolektory słoneczne, powinny mieć pochylenie i zorientowanie odpowiadające usytuowaniu powierzchni najbardziej napromieniowywanej w miesiącach wiosenno - letnich. W nowoprojektowanych budynkach istnieje dowolność w kształtowaniu bryły budynku i można ją tak zaprojektować, aby były spełnione wszystkie wymagania odnośnie odpowiedniego usytuowania poszczególnych powierzchni.
Należy też zaznaczyć, że oprócz względów czysto energetycznych ważne są względy estetyczne i funkcjonalne, możliwa jest więc pewna dowolność. Ze względu na zyski energetyczne w skali roku wskazane jest umieszczanie elementów helioaktywnych w pozycji opisanej kątem pochylenia i kątem azymutalnym równymi odpowiednio 40 stopni i +15 stopni. Natomiast w przypadku budynku wyposażonego zarówno w elementy helioaktywne, jak i heliopasywne, zalecenia odnośnie usytuowania poszczególnych powierzchni obudowy budynku muszą być swoistym kompromisem pomiędzy wskazaniami dla helioaktywnych i heliopasywnych rozwiązań, często sprzecznych ze sobą.
Jeżeli lokalizacja działki narzuca np. usytuowanie budynku z dłuższą ścianą zwróconą na wschód lub zachód, to główna fasada z elementami pasywnych systemów słonecznych powinna być od strony wschodniej (lepiej od południowo – wschodniej), natomiast elementy rozwiązań instalacyjnych, np. kolektory słoneczne, mogą być zlokalizowane na pochylonym dachu od strony zachodniej.
Wskazania odnośnie kształtowania obudowy budynku o określonym zorientowaniu fasady głównej (wymuszonym np. lokalizacją budynku, czy działki), łącznie z najbardziej zalecanym zorientowaniem południowym, pod kątem odpowiedniego pochylania helioaktywnych i heliopasywnych elementów obudowy budynku, w zależności od okresu czasu, w jakim budynek jest wykorzystywany, zostały przedstawione w tabeli 2.3.
Tabela 2.3. Zalecenia odnośnie kątów pochylania elementów połaci dachu lub innych elementów obudowy budynku o określonej orientacji
| Elementy Helioaktywne np. kolektory słoneczne | | orientacja | wsch | pd-wsch | pd
| pd-zach | zach | pn | okres użytkowania | | kąt pochylenia | 10 | 40 | 40 | 40 | 10 | 10 | cały rok | | kąt pochylenia | 10 | 20 | 30 | 30 | 10 | 10
| lato | | kąt pochylenia | 10 | 40 | 45 | 45 | 10 | 10 | szkoła |
| Elementy Helioapasywne | | orientacja wsch | pd-wsch | pd | pd-zach | zach | pn | okres | użytkowania | | kąt pochylenia | 45 | 45-60 | 90/45-60 | 45-60 | 45 | 30 | cały rok | | kąt pochylenia | >60
| >60 | 90/>60 | >60 | >60 | >60 | lato | | kąt pochylenia | 45 | 45-60 | 90/45-60 | 45-60 | 45 | 30 | szkoła |
Uwaga: w systemach aktywnych kolektorów słonecznych, przy obliczeniach należy wziąć pod uwagę, że budynki mieszkalne w okresie największego nasłonecznienia (lato) mają jeden miesiąc przerwy w poborze energii słonecznej związanej z wyjazdami urlopowymi użytkowników.
Wyszczególnione w tabeli 2.3 wskazania odnośnie elementów helioaktywnych oznaczają wskazania, co do najlepszego pochylenia przy danej orientacji, pod kątem zwiększenia zysków z promieniowania słonecznego. W odniesieniu do elementów heliopasywnych zapis >60 stopni, występujący w przypadku budynku użytkowanego latem, oznacza, że poza powierzchniami pionowymi fasady, powierzchnie dachu powinny być strome lub zwrócone w stronę północną.
Zgodnie z otrzymanymi wynikami najlepsze warunki nasłonecznienia w ciągu roku ma powierzchnia pochylona pod kątem 40 stopni, następnie 45 stopni i 30 stopni, w zakresie kątów azymutalnych od -15 stopni do +45 stopni. Zalecane zorientowanie powierzchni odpowiada kątowi + 15 stopni.
Powierzchnie pochylone pod kątem 40 stopni i zorientowane w stronę południową z odchyleniem +15 stopni odbierają rocznie około 4140 MJ/(m2rok).
Dające największe zyski w skali roku pochylenie powierzchni pod kątem 40 stopni nieznacznie odbiega od pochyleń zalecanych do stosowania uogólnioną formułą Duffiego i Beckmana, wg której zalecane pochylenie powierzchni pozyskujących promieniowanie słoneczne dla Warszawy jest w granicach od 42 stopni do 62 stopni.
Jak już wspomniano w punkcie 2.1 tego rozdziału norma krajowa podaje sposób obliczania zapotrzebowania na ciepło pomieszczeń z uwzględnieniem zysków z promieniowania słonecznego w kolejnych miesiącach sezonu grzewczego.
Podane dane napromieniowania są uśrednionymi za okres dziesięciu lat sumami miesięcznymi promieniowania (bez poszczególnych składowych), dla wybranych regionów kraju. Dane te są zbyt ogólne dla analiz dostępności energii promieniowania słonecznego dla różnie usytuowanych powierzchni, ale jako jedyne dostępne i zalecane do stosowania w obliczeniach projektowych budynków zostały porównane z danymi napromieniowania otrzymanymi w wyniku przeprowadzonych obliczeń i opisanymi powyżej. Wyniki przeprowadzonej analizy porównawczej przedstawiono w Dodatku 2.
UWAGA!!!Jednoznacznie stwierdzono, że zamieszczone w normie dane napromieniowania różnie usytuowanych powierzchni są niewłaściwe i ich wykorzystanie do tworzenia koncepcji i projektowania budynków, szczególnie budynków niskoenergetycznych, może prowadzić do wielu błędów, a w konsekwencji do wzrostu energochłonności budynku, poprzez nieplanowany wzrost zapotrzebowania na energię do ogrzewania pomieszczeń w zimie i na klimatyzację w lecie.
 |
|
|
|
