Modelowanie energetycznego bilansu domu jednorodzinnego z pasywnym systemem słonecznych zysków bezpośrednich

W artykule przedstawiono główne problemy związane z zastosowaniem pasywnych systemów wykorzystania energii słonecznej w domach jednorodzinnych w skali roku. Poddano analizie kształtowanie się sezonowego zużycia energii cieplnej do ogrzewania w zimie i energii klimatyzacyjnej (elektrycznej) w okresie letnim w budynku o zróżnicowanej konstrukcji ściany południowej.

Przeanalizowano wpływ rodzaju tej ściany, tj. jej masy termicznej, zastosowania termoizolacji oraz wpływ wielkości przeszklenia ściany południowej z zadaszeniem i bez zadaszenia zacieniającego, na roczny bilans energetyczny budynku. Symulacje komputerowe przeprowadzono za pomocą programu symulacyjnego DesignBuilder. Racjonalne użytkowanie energii cieplnej w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej w wielu krajach, w tym także w Polsce, jest rozpatrywane głównie z punktu widzenia oszczędności energii w sezonie grzewczym. Wynikiem tego jest, między innymi, rozpowszechniona tendencja do maksymalnego wykorzystania zysków energii promieniowania słonecznego w zimie przez przegrody przezroczyste, głównie przez okna. Część przeszklona elewacji jest jednym z elementów mających największy wpływ na kształtowanie bilansu cieplnego budynku w skali roku oraz komfortu cieplnego i wizualnego przebywających w nim ludzi. W ostatnich latach w Polsce buduje się coraz więcej domów jednorodzinnych o dużym i bardzo dużym stopniu przeszklenia elewacji południowej. W konsekwencji, w okresie lata następuje intensywne przegrzewanie pomieszczeń, co wpływa na znaczne pogorszenie parametrów mikroklimatu i na samopoczucie użytkowników. Oczywiście, mikroklimat pomieszczeń w lecie może być skutecznie kształtowany przez urządzenia klimatyzacyjne, które obecnie w naszym kraju są coraz częściej stosowane, następuje jednak wówczas zdecydowany wzrost kosztów eksploatacyjnych. W zawiązku z tym praca urządzeń klimatyzacyjnych powinna być zoptymalizowana, co w konsekwencji sprowadza się do analizy i modelowania bilansu cieplnego poszczególnych pomieszczeń oraz budynku zarówno w sezonie ogrzewczym jak i w lecie.

Najprostszym systemem pasywnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego w budynkach jest system zysków bezpośrednich. System ten charakteryzuje się dużymi dobowymi wahaniami temperatury powietrza w pomieszczeniach, niekorzystnymi zwłaszcza w sezonie zimowym, kiedy nocą temperatura powietrza osiąga wartości poniżej zera [6]. Latem z kolei pojawia się uciążliwy problem przegrzewania pomieszczeń. Na powyższe zjawiska ma wpływ głównie zdolność przegród budowlanych do akumulacji ciepła (rola masy termicznej) [3] [4] i zastosowanie termoizolacji ścian oraz optymalny dobór wielkości przeszklenia, zwłaszcza na elewacji południowej. W artykule przeanalizowano wpływ właśnie tych parametrów na roczny bilans energetyczny domu jednorodzinnego – porównano wpływ południowej przegrody masywnej z wpływem przegrody lekkiej, przy zastosowaniu różnej wielkości przeszklenia ściany południowej oraz zadaszenia zacieniającego. Przeanalizowano dobowe wahania zysków i strat ciepła przez przegrody budowlane oraz zapotrzebowanie budynku na energię w sezonie letnim i zimowym. Analizę obliczeniową wykonano za pomocą środowiska symulacyjnego DesignBuilder (interfejs graficzny środowiska obliczeniowego EnergyPlus) dla danych meteorologicznych Krakowa. 

Opis analizowanego systemu

Charakterystyczne dla budynków pasywnych jest występowanie dużych okien od strony południowej, aby umożliwić jak największy dostęp energii promieniowania słonecznego do pomieszczeń w zimie, występowanie zadaszenia zacieniającego, które ogranicza przegrzewanie budynku w okresie letnim, masywne ściany kumulujące energię słoneczną oraz odpowiednio przygotowany teren wokół budynku [3]. Przeszklenie od strony południowej umożliwia akumulację energii promieniowania słonecznego w przegrodach masywnych, tj. w ścianie i w podłodze. Podczas intensywnego nagrzewania się ściana południowa pochłania i magazynuje energię promieniowania słonecznego na okres zależny od pojemności cieplnej przegrody [4], a następnie oddaje ciepło w sposób pośredni do pozostałej części budynku [6]. Podczas wzrostu nasłonecznienia oraz temperatury otoczenia niemal natychmiast rośnie temperatura powietrza w budynku. Wahania te można ograniczyć stosując masywne przegrody kumulujące ciepło i oddające je do pomieszczenia dopiero po kilku godzinach, np. nocą i wtedy można ograniczyć dogrzewanie budynku, ograniczając zapotrzebowanie na energię [6]. Problemem są również dni o mniejszym nasłonecznieniu, wtedy z powodu większych przegród przezroczystych występują też dużo większe straty ciepła. Okna, które pasywnie pozyskują energię promieniowania słonecznego, jednocześnie powodują wzrost strat ciepła spowodowany gorszym współczynnikiem przenikania ciepła w stosunku do ścian. Ważne jest więc odpowiednie dobranie parametrów okien i ich powierzchni oraz zabezpieczenie ościeży okiennych przed występowaniem mostków termicznych, aby straty ciepła były jak najmniejsze[1].

Przedmiot symulacji komputerowych

Symulacje komputerowe zostały przeprowadzone za pomocą środowiska symulacyjnego DesignBuilder, dla danych klimatycznych w formacie IWEC dla Krakowa, udostępnionych przez ASHRAE, wg następujących założeń:

• analizie poddano dom jednokondygnacyjny (rys.3. i 4.) o wysokości kondygnacji 3,5 m i o wymiarach rzutu 10x10 m, o jednakowej konstrukcji trzech ścian we wszystkich wariantach obliczeniowych, tj. zachodniej, północnej i wschodniej: Porotherm 0,3 m i izolacja 0,15 m ze styropianu oraz przeszkleniu elewacji 30%, bez zadaszenia, stropodach masywny zaizolowany termicznie o współczynniku przenikania ciepła U = 0, 25 W/(m2 K);
• rozważano trzy warianty ściany południowej: masywną betonową, o dużej masie termicznej, bez izolacji cieplnej, ścianę ceramiczną z Porothermu z izolacją ze styropianu oraz bardzo lekką ścianę ze styropianu, o małej masie termicznej; we wszystkich wariantach ścian były analizowane dwie wielkości przeszklenia – 30% i 60% z zadaszeniem i bez; izolowana cieplnie ściana z Porothermu oraz ściana ze styropianu są o tym samym współczynniku przenikania ciepła U;
• rodzaj przeszklenia w budynku: zestaw szyb zespolonych dwuwarstwowych 2x3 mm z wypełnieniem warstwą powietrza 13 mm, o współczynniku przenikania U=1,8 W/(m2K);
• przyjęto poziome zadaszenie zacieniające: wysięg 1,5 m; wysokość nad oknem 0,5 m;
• stałe ogrzewanie budynku do temperatury powietrza 22OC, powyżej temperatury 24OC uruchamiany jest system chłodzenia, wentylacja naturalna utrzymana na poziomie wymiany 1/h;
• analizowany okres bilansu energetycznego - sezon letni (chłodzenie) i zimowy (ogrzewanie).

Wyniki symulacji

Poniżej przedstawiono wyniki symulacji komputerowych dla analizowanego domu jednorodzinnego. W tabeli 1. zamieszczono wyniki rocznego bilansu energetycznego, w osobnych kolumnach zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, zapotrzebowanie na energię do chłodzenia oraz podsumowanie. W generalnym rozrachunku widać, że najwięcej energii budynek zużywa przy zastosowaniu ściany żelbetowej, najmniej dla ściany z Porothermu z izolacją.

Roczne zapotrzebowanie na energię w zależności od rodzaju ścian 

Z analizy danych wynika, że przy zastosowaniu południowej ściany o największej masie, a jednocześnie najsłabszym (największym) współczynniku przenikania ciepła U osiągnięto największe zapotrzebowanie na energię do ogrzewania, ale za to najmniejsze zapotrzebowanie na energię do chłodzenia. Różnica w zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania budynku ze ścianą żelbetową w porównaniu do budynku ze ścianą styropianową (dla tego samego przeszklenia i zadaszenia) wynosi 24% na korzyść ściany lekkiej, natomiast latem – różnica w zapotrzebowaniu na energię do chłodzenia wynosi 17%, ale już na korzyść ściany masywnej. Biorąc pod uwagę koszty klimatyzacji, które są ok. 3 razy większe od koszów ogrzewania, zastosowanie ściany południowej masywnej w skali roku jest droższe o 15% od przegrody lekkiej. Z przebiegu rozkładu tygodniowego zapotrzebowania na energię w zimie widać, że przy zastosowaniu południowej ściany masywnej, w ciągu dnia wymagane są największe zasoby ciepła na ogrzewanie budynku, za to wieczorem i w nocy mniej korzystnie wypadają przegrody lekkie. 

Latem sytuacja jest odwrotna i to zastosowanie ściany masywnej zmniejsza koszty energii chłodzenia domu. Z przebiegu wykresu zużycia energii klimatyzacyjnej (elektrycznej) wybranego tygodnia widać, że i w ciągu dnia i wieczorem w budynku najniższe zapotrzebowanie na energię występuje właśnie dla ściany żelbetowej. Dzięki swym zdolnościom akumulacyjnym ściana masywna długo się nagrzewa, przez co komfort cieplny wewnątrz budynku oraz właściwe parametry mikroklimatu pomieszczenia są odczuwalne znacznie dłużej niż w przypadku ścian z Porothermu czy styropianu.

Roczne zapotrzebowanie na energię w zależności od wielkości przeszklenia

Ważnym elementem bilansu energetycznego każdego budynku jest wielkość przeszklenia, zwłaszcza na elewacji południowej oraz zadaszenie zacieniające. Okna stanowią swego rodzaju kolektor słoneczny mający na celu wyrównanie strat ciepła. Jednak należy pamiętać o sezonie letnim, w którym uzyskuje się efekt odwrotny. Żeby właściwie zaprojektować dom jednorodzinny należy przeanalizować, jaka jest optymalna wielkość okien tak, by zimą umożliwiały jak największy dostęp promieniowania słonecznego, latem natomiast nie powodowały zbyt dużego wzrostu temperatury powietrza w pomieszczeniu

Na rys. 9. przedstawiono wyniki obliczeń do analizy wpływu wielkości przeszklenia w ścianie południowej na bilans energetyczny w skali roku. Zwiększając wielkość przeszklenia dwukrotnie, tj. z 30% do 60%, w przegrodzie masywnej zapotrzebowanie na energię do ogrzewania budynku obniża się o ok. 17%, natomiast w pozostałych lekkich przegrodach nieznacznie rośnie o ok. 1÷2%. Wynika to z wartości współczynnika przenikania ciepła U, który jest korzystniejszy dla okna w stosunku do ściany żelbetowej, ale mniej korzystna w stosunku do ścian lekkich. W sezonie letnim dla wszystkich przegród budynku obserwujemy wzrost zapotrzebowania na energię do chłodzenia, dla żelbetu jest to wzrost o ok. 19%, natomiast dla Porothermu i styropianu o ok. 8÷9%.

Roczne zapotrzebowanie na energię w zależności od zadaszenia

Stosowanie zadaszenia zacieniającego jest niezbędne w okresie letnim, w którym promieniowanie słoneczne bezpośrednio wpływa na wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniu, zwłaszcza przy dużych powierzchniach przeszklenia (60%), tworząc dyskomfortowe warunki dla człowieka. Zadaszenie powinno być odpowiednio zaprojektowane, tak żeby zimą umożliwiało jak największy dostęp promieniowania słonecznego, a latem, aby zabezpieczało przed przegrzaniem pomieszczenia. Wyniki przeprowadzonej analizy obliczeniowej przedstawiono na rys. 10 i 11. 

Dla analizowanych przegród o 30% przeszkleniu dobudowanie zadaszenia, niezależnie od rodzaju ściany, ma podobny wpływ na bilans energetyczny – zapotrzebowanie na energię do chłodzenia obniża się o ok. 17%. Przy dwukrotnie większym przeszkleniu obserwuje się spadek zapotrzebowania na energię grzewczą rzędu 24%. Nie mniej jednak samo zapotrzebowanie na energię klimatyzacyjną dla większych okien również jest większe. Wraz ze wzrostem wielkości okien, rosną różnice w bilansie energetycznym budynku.

Straty i zyski energii przez przegrody

Materiał, z którego wykonane są przegrody znacząco wypływa nie tylko na bilans energetyczny domu, ale również na komfort cieplny człowieka. Im ściana ma wyższy współczynnik przenikania ciepła U, czyli więcej ciepła jest przez nią tracone, tym większy dyskomfort cieplny odczuwa osoba stojąca w pobliżu takiej przegrody. Wynika to z dużych wahań temperatury pomiędzy powierzchniami danej przegrody. Można zauważyć, że zimą zyski słoneczne dla dwa razy większych okien są ok. 2 razy wyższe i wówczas zadaszenie ma mały negatywny wpływ na bilans cieplny. Latem sytuacja wygląda nieco inaczej. Dla dużego przeszklenia (60%) zyski słoneczne są niemal dwukrotnie mniejsze przy zastosowaniu zadaszenia, co korzystnie wpływa na zapotrzebowanie na energię do chłodzenia budynku. Natomiast dla przeszklenia 30% różnica w zyskach słonecznych wynosi ok. 30%

Szczegółowa analiza wybranego tygodnia sezonu grzewczego wyraźnie wskazuje na duże różnice w wynikach pomiędzy ścianą z żelbetu i pozostałymi – ze styropianu i z porothermu. Pierwsza przegroda w ciągu dnia ma dwa razy większe straty energii przez ściany w stosunku do pozostałych. W nocy bilans jest już dodatni, nie mniej jednak ściana masywna również wypada najgorzej. Podsumowując wyniki dla całej doby można zauważyć, że amplituda strat ciepła przez przenikanie przez ściany jest wyraźnie większe dla żelbetu, bo o ok. 22% od porothermu i aż o ok. 40% od styropianu.

Roczne zapotrzebowanie na energię w zależności od temperatury powietrza wewnętrznego w budynku

Nieznaczne podniesienie wartości temperatury powietrza wewnętrznego w budynku w sezonie ogrzewczym, w granicach 1÷2oC, może spowodować znaczy wzrost zużycia energii grzewczej, a tym samym wzrost kosztów eksploatacji budynku. Z przeprowadzonej symulacji obliczeniowej programem DesignBuilder wynika, że pozornie nieznaczne podniesienie temperatury powietrza wewnętrznego, w analizowanym domu jednorodzinnym, z 20 do 22oC spowoduje znaczący wzrost obliczeniowego zużycia energii do ogrzewania, w granicach nawet do kilkudziesięciu procent (rys. 16.), co ma bezpośrednie przełożenie na istotny wzrost kosztów ogrzewania budynku. Zatem, jest to potwierdzenie intuicyjnego wniosku, że każdy pozornie nieznaczny wzrost temperatury powietrza w domach jednorodzinnych, w granicach od 1 do 2oC w sezonie ogrzewczym, ma swoje konsekwencje w kosztach eksploatacyjnych. Dokładne określenie wzrostu kosztów ogrzewania z tego tytułu jest możliwe po uwzględnieniu stosowanego rodzaju nośnika energii do ogrzewania budynku.

Podsumowanie i wnioski

W ostatnich latach wymagania w zakresie ochrony cieplnej budynków istotnie się zaostrzyły, w związku z czym niezbędne jest projektowanie budynków energooszczędnych (tj. lepszych o około 30 % od budynków standardowych) oraz przeprowadzanie weryfikacji energetycznej budynków istniejących. Bardzo pomocnym narzędziem do tego typu symulacji jest program DesignBuilder, który umożliwia kompleksową analizę energetyczną budynku w skali roku. Pozwala on na wprowadzenie praktycznie każdego rodzaju systemu ogrzewczego i klimatyzacyjnego, a następnie obliczenie zapotrzebowania na energię, która dostarczana jest do pomieszczeń w celu utrzymania wymaganej temperatury powietrza w różnych porach roku. Niniejszy artykuł wpisuje się w niezmiernie ważny i aktualny problem oszczędności energii w budynkach mieszkalnych z zastosowaniem pasywnych systemów pozyskiwania energii promieniowania słonecznego na potrzeby kształtowania bilansu energetycznego budynków w skali roku [2]. Jedną z możliwości kształtowania bilansu zysków słonecznych budynku w ciągu roku jest zastosowanie różnego rodzaju konstrukcji zacieniających [5]. Są to głównie nadwieszenia (poziome elementy osłaniające nad oknami), skrzydła zacieniające (elementy pionowe przy oknach) oraz żaluzje (stałe bądź regulowane). Konstrukcje zacieniające mają bardzo duży wpływ na ilość energii promieniowania słonecznego docierającego do pomieszczeń oraz na roczny bilans cieplny budynku. Bardzo skuteczne w tym zakresie są nadwieszenia zacieniające, które są stosowane najczęściej na elewacjach południowych. Konstrukcje te, o różnym wysięgu i odległości od górnej krawędzi okna, pozwalają na pasywną kontrolę nad zyskami słonecznymi przenikającymi przez przegrody przezroczyste budynku. W okresie lata, kiedy tarcza słoneczna pozostaje wysoko nad linią horyzontu, odpowiednio dobrane nadwieszenie horyzontalne blokuje znaczną część energii promieniowania słonecznego, działając jak system pasywnego chłodzenia i zabezpieczając pomieszczenia przed przegrzewaniem. To samo nadwieszenie przy niskiej wysokości kątowej Słońca w zimie nie powinno zbytnio ograniczać zysków ciepła od promieniowania słonecznego przez okna i wspomagania cieplnego bilansu budynku. Zewnętrzne konstrukcje zacieniające oprócz oczywistego wpływu na roczny bilans cieplny budynku wpływają również na kształtowanie rozkładu natężenia światła dziennego w pomieszczeniach. Wpływają zatem znacząco na parametry mikroklimatu pomieszczeń i komfort cieplny oraz wizualny użytkowników [5]. Zadaszenie zmniejsza zapotrzebowanie na chłodzenie aż dwukrotnie dla dużego przeszklenia (60%), dla mniejszego (30%) natomiast o ok. 30%. W pracy przeanalizowano również wpływ masy przegród oraz zmiennego przeszklenia elewacji na roczny bilans energetyczny domu jednorodzinnego. Jak można się było spodziewać, zastosowanie ściany południowej jako masywnej w porównaniu do ścian lekkich jest korzystne tylko z uwagi na zapotrzebowanie na energię do chłodzenia, czyli w okresie lata, które przy zastosowaniu ściany masywnej jest o 17 % mniejsze od pozostałych. Gruba ściana żelbetowa długo się nagrzewa, dlatego też latem dłużej jest chłodna i w budynku nie ma potrzeby stosowania klimatyzacji. Zimą ściana żelbetowa bez izolacji (oczywiście w praktyce taka ściana w naszych warunkach klimatycznych nie może być stosowana, przyjęto ją jedynie dla porównania) traci dużo więcej ciepła niż pozostałe przegrody, ponieważ jej współczynnik przenikania ciepła jest zdecydowanie najmniej korzystny. Przeprowadzona analiza obliczeniowa wykazała, że generalnie wzrost wielkości przeszklenia elewacji południowej ma niekorzystny wpływ na roczny bilans energetyczny budynku. Zimą słońce wpływa dodatnio na zyski energetyczne, ale latem w konsekwencji występuje efekt znacznego przegrzewania pomieszczeń, co wpływa na wzrost zużycia energii na klimatyzację – dla masywnej ściany aż o 19%, dla pozostałych o 8-9%. Z tego powodu korzystne jest umieszczenie zadaszenia nad oknami od strony południowej. Geometrię zadaszenia, tj. wysięg oraz odległość od górnej krawędzi okna, powinno się dobierać poprzez analizę symulacyjną rocznego zapotrzebowania budynku na energię dla danej lokalizacji budynku. Bardzo pomocnym narzędziem obliczeniowym w tym zakresie jest stosowany przez autorów niniejszej pracy program DesignBuilder. W analizach obliczeniowych warto również uwzględnić stosunek zapotrzebowania budynku na energię do chłodzenia i ogrzewania – jest to ok. 12 % (rys. 9.). Im jest on wyższy, tym większe znaczenie ma zużycie energii do chłodzenia budynku, która obecnie jest ok. 3 razy droższa od energii do ogrzewania.

Bibliografia

[1] Feist W., Podstawy budownictwa pasywnego, Polski Instytut Budownictwa Pasywnego, 2006.

[2] Kisilewicz T.: Wpływ decyzji architektoniczno-konstrukcyjnych na zapotrzebowanie budynku na energię. Energodom 2004, Kraków 2004.

[3] Mikoś J., Budownictwo ekologiczne, Politechnika Śląska, Gliwice 2000.

[4] Praca zbiorowa, Budownictwo Ogólne, T. 2, Fizyka Budowli, Arkady, Warszawa 2008.

[5] Włodarczyk D., Nowak H.: Wpływ wymiarów nadwieszeń zacieniających na zużycie energii grzewczej i klimatyzacyjnej w budynku biurowym. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 2007.

[6] Wnuk R.: Instalacje w domu pasywnym i energooszczędnym, Przewodnik Budowlany, 2007.

Autor: Monika Kucypera, Henryk Nowak