Bezpośrednie oddziaływanie promieniowania słonecznego na budynek

Część 9

W nomenklaturze słonecznych systemów pasywnych występują m.in. tzw. systemy zysków bezpośrednich, wykorzystujące energię promieniowania słonecznego docierającego w sposób bezpośredni do pomieszczeń budynku. Okno jest właśnie najprostszym i powszechnie stosowanym elementem rozwiązań zysków bezpośrednich obudowy budynku, który został przedstawiony ideowo na rys. 3.1.
Jakiekolwiek pomieszczenie zaopatrzone w okno tworzy system pasywny wykorzystujący w sposób bezpośredni energię promieniowania słonecznego. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez okno...
stanowiące przezroczystą osłonę odbiornika energii promieniowania słonecznego, którym jest wnętrze pomieszczenia (budynku).

Następnie promieniowanie jest pochłaniane i magazynowane przez przegrody wewnętrzne budynku, a także przedmioty znajdujące się w pomieszczeniu, przez krótszy lub dłuższy okres czasu w zależności od ich pojemności cieplnej.

Przegrody wewnętrzne i inne obiekty wewnątrz pomieszczenia wskutek pochłonięcia energii promieniowania słonecznego stają się Źródłem promieniowania cieplnego wpływając na komfort cieplny pomieszczenia.

Rys. 3.1. Idea wykorzystania systemu zysków bezpośrednich

Ilość energii dopływającej do wnętrza pomieszczenia zależy od wielkości okna, jego usytuowania, zastosowanych materiałów i konstrukcji okna, a także od jego zacieniania, związanego z otoczeniem zewnętrznym (np. drzewa, mur, inny budynek) i specjalnie zaprojektowanymi elementami architektury zewnętrznej (np. okapy, zadaszenia).
Regulacja (zmniejszenie) strumienia dopływającej energii promieniowania słonecznego dopływającego do wnętrza może być regulowana przez zasłanianie okien zasłonami, żaluzjami, roletami.

Zwiększenie zysków promieniowania uzyskuje się przede wszystkim poprzez zwiększenie powierzchni okien i innych szklanych osłon (głównie od strony południowej). Jednakże, wzrost powierzchni okien powoduje także zwiększenie strat cieplnych.

Chociaż system zysków bezpośrednich ma największą sprawność chwilową pozyskiwania energii, to niekontrolowany wzrost temperatury pomieszczenia może być niepożądany i uciążliwy dla mieszkańców.

Okna z jednej strony powinny być jak najbardziej przezroczyste zapewniając bardzo dobrą przepuszczalność dla promieniowania słonecznego, z drugiej strony zapewniać względnie dobrą izolacyjność.

Podstawy fizyczne zjawisk związanych z przechodzeniem promieniowania słonecznego przez przezroczyste przegrody zostały opisane w kolejnym punkcie tego rozdziału. Przejście promieniowania słonecznego przez okno jako całość, czyli zespół elementów tworzących określoną konstrukcję i wykonanych z różnych materiałów jest zjawiskiem złożonym i wymaga szczegółowych rozważań.

Własności optyczne i parametry cieplne okna zależą przede wszystkim od materiału zastosowanego na szyby okienne i ramę, a także od konstrukcji okna, w tym: ilości szyb, sposobu ich łączenia z ramą, materiału łączenia, sposobu osadzania okien itp.

Okna mogą mieć różną konstrukcję. Podstawowymi elementami okna są oszklenie i rama okienna. W naszych warunkach klimatycznych okna mają najczęściej dwie szyby, pomiędzy którymi znajduje się przestrzeń powietrzna lub wypełnienie gazowe (np. argon, krypton).

Okna zawsze wyposażone są w stałą ramę i zwykle w skrzydło ruchome. Pomiędzy szybami występuje rozpórka. Stosuje się różne materiały na ramy okienne (np. drewno, plastik, aluminium) i różne na rozpórki (np. drewno, aluminium, stal). Rama może mieć budową jednorodną lub komorową. Okno może być tzw. oknem podwójnym (dwa niezależne oszklenia) lub zespolonym (co najmniej dwa oszklenia tworzące jedną całość). Przestrzeń powietrzna może być wentylowana lub nie, w przypadku okien zespolonych przestrzeń gazowa jest zawsze niewentylowana.

Badania i wdrożenia nowych technologii okiennych spowodowały, że wymiana ciepła przez oszklenia została znacznie ograniczona.

Obecnie uzyskuje się względnie niskie współczynniki przenikania ciepła przez tzw. centralną część oszklenia, przede wszystkim dzięki stosowaniu pokryć niskoemisyjnych i wypełnieniu wewnętrznej przestrzeni między oszkleniami gazem szlachetnym (o niskiej przewodności cieplnej).

Natomiast punktem newralgicznym pozostaje obrzeże oszklenia kontaktujące się z ramą.

Efekt cieplny istnienia rozpórek pomiędzy szybami, może być znaczny zwłaszcza jeśli są one metalowe. Wzajemne oddziaływanie ramy, oszklenia i rozpórki jest uwzględnione w sposób uproszczony m.in. w normie ISO 10077-1.

Do wyznaczenia charakterystyk cieplnych okien wykorzystuje się badania eksperymentalne i obliczenia symulacyjne. W 1989 roku opracowano w Laboratorium w Berkeley program komputerowy Window 3.1 opisujący w układzie jednowymiarowym zjawiska wymiany ciepła zachodzące w pionowym oszkleniu. Program ten był wykorzystywany do obliczania współczynnika przenikania ciepła przez okna.

W wyniku dalszych badań w Laboratorium w Berkley na początku lat 90-tych stwierdzono, że wymiana ciepła przez część centralną oszklenia ma rzeczywiście wyraŹny charakter jednowymiarowy, natomiast wymiana ciepła przez obrzeże oszklenia, w wyniku oddziaływania z ramą, ma charakter dwuwymiarowy.

W konsekwencji do wspomnianego programu numerycznego dodano opis dwuwymiarowej wymiany ciepła na obrzeżu oszklenia i w ramie (opracowano nową wersję programu Windows 4). Taki model wymiany ciepła stał się podstawą do opracowania zależności na współczynnik przenikania ciepła przez okno zalecanej do stosowania przez ASHRAE, a następnie przez właściwą normę ISO 15099. Współczynnik ten oblicza się z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych dla części centralnej oszklenia, krawędzi oszklenia i ramy.

Przegrody szklane i okna są podstawowym elementem architektury słonecznej, dlatego też na świecie prowadzi się bardzo intensywne badania dotyczące zarówno samych stosowanych materiałów, jak i konstrukcji okien, przezroczystych osłon, czy też całych przeszklonych fasad. W zakresie energetyki słonecznej wyodrębniła się dziedzina zwana „materiały słoneczne” (solar materials) związana z wykorzystaniem przezroczystych i nieprzezroczystych materiałów stosowanych w technologiach słonecznych. W literaturze można znaleŹć szereg ciekawych rozważań związanych z wykorzystaniem okien i innych przeszklonych osłon w rozwiązaniach architektury słonecznej budynków. Do najciekawszych prac należą publikacje Granqvista, Hollandsa, Eamesa i innych.

Komentarze (0) >>

Write comment