Nowa charakterystyka energetyczna – przewodnik po normach Cz. 2.
Obliczenia słonecznych zysków ciepła

Charakterystyka energetyczna budynku zawiera ocenę zużycia energii na potrzeby ogrzewania, chłodzenia, wentylacji pomieszczeń, przygotowania ciepłej wody użytkowej, oświetlenia wbudowanego oraz pracy urządzeń wspomagających systemy techniczne budynku [1].

W przypadku systemu ogrzewania potrzeby energetyczne związane z zapewnieniem wymaganego komfortu termicznego użytkownika wynikają z ilości energii potrzebnej do pokrycia strat ciepła przez przenikanie przez przegrody oraz na podgrzanie powietrza wentylacyjnego, pomniejszonej o wygenerowane w danej strefie zyski ciepła (1). W obliczeniach potrzeb chłodniczych powstające zyski ciepła pomniejsza się o możliwe do wykorzystania straty ciepła (2).

(1)

(2)

gdzie:
Q_nd – zapotrzebowanie na energię użytkową, kWh/m-c;
Q_ht – straty ciepła przez przenikanie i wentylację, kWh/m-c;
h – współczynnik wykorzystania,
Q_gn – całkowite zyski ciepła, kWh/m-c.
Indeksy: H – ogrzewanie, C – chłodzenie.

Całkowite zyski ciepła stanowią sumę zysków od użytkowników, urządzeń, procesów technologicznych i oświetlenia sztucznego oraz zysków słonecznych. Wielkość zysków słonecznych uzależniona jest od dostępności promieniowania słonecznego w danej lokalizacji, orientacji powierzchni zbierających i ich charakterystyk w zakresie przepuszczalności, przenikania i absorpcji ciepła oraz powstającego zacienienia [1, 8].

Zyski słoneczne w bilansie potrzeb cieplnych budynku

W metodyce obliczeń charakterystyki energetycznej budynków słoneczne zyski ciepła określono zależnością (3) (tabela 1) wskazaną bezpośrednio w rozporządzeniu [9] oraz uzupełniającym odniesieniem do normy przedmiotowej PN-EN ISO 13790 [8], określającym sposób wyznaczania poszczególnych wielkości wzoru (3).

W przyjętym ujęciu zyski słoneczne wyznaczane są na podstawie udziału powierzchni elementu przezroczystego w całkowitym polu powierzchni komponentu C, całkowitego pola powierzchni komponentu A, natężenia promieniowania słonecznego I na płaszczyznę o danej orientacji i nachyleniu do poziomu, współczynnika całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego g_gl oraz współczynników zacienienia F_sh,gl i F_sh.

W zależności (3) pominięto składową zysków słonecznych powstających na powierzchniach nieprzezroczystych (8), bilansowaną w ujęciu normowym [8], oraz strumień ciepła od nasłonecznienia z przyległej przestrzeni nieogrzewanej (4). W tabeli 1 zestawiono zależności opisujące zyski ciepła od nasłonecznienia według wprowadzonej w 2014 r. metodyki obliczeń charakterystyki energetycznej budynków [9] oraz normy PN-EN ISO 13790:2009 dotyczącej energetycznych właściwości użytkowych budynków [8].

W obliczeniach zysków ciepła od promieniowania słonecznego energia promieniowania słonecznego I, w odróżnieniu do dotychczas stosowanych zasad, przyjmowana jest na płaszczyznę nachyloną do poziomu odpowiednio do ustawienia powierzchni przezroczystej generującej słoneczne zyski ciepła.

Dostępne dane typowego roku meteorologicznego [12] określają natężenie promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą oraz odpowiednio odchyloną od poziomu o kąt 30, 45, 60 oraz 90° (rys. 1) i zestawione są w statystykach miesięcznych stanowiących sumy natężenia promieniowania słonecznego z danego okresu (miesiąca).

Przy obliczeniach należy zwrócić uwagę na zróżnicowanie miana, w jakim przyjmowana jest energia promieniowania słonecznego:

• W/(m² m-c) – statystyki miesięczne typowego roku meteorologicznego,
• kWh/(m² m-c) – do wzoru (3),
• W/m² – do obliczeń wg normy PN-EN ISO 13790 i zależności (4).

Norma PN-EN ISO 13790 przy braku krajowych danych szczegółowych określa przybliżone wartości współczynników, jak np. F_w czy g_gl. Współczynniki te nie zostały sprecyzowane dla warunków polskich, a wartości przybliżone z PN-EN ISO 13790 zostały przeniesione, często niedokładnie, do polskich przepisów techniczno-budowlanych.

Jako przykład może służyć powołanie w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [10], wartości typowych całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego dla zwykłych typów oszklenia z pominięciem informacji, że przytoczone wartości odnoszą się do płaszczyzny normalnej do promieniowania słonecznego i powinny zostać skorygowane zgodnie z zależnością (9).

W tabeli 2 zestawiono typowe wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego charakterystyczne dla promieniowania słonecznego padającego pod kątem prostym do oszklenia oraz wyznaczone z nich wartości skorygowane zgodnie z zależnością (9).

Zestawione wartości odnoszą się do szkła o powierzchni czystej, niebarwionej i nierozpraszającej. Należy jednocześnie wskazać, że przy mocno rozwiniętym rynku materiałów budowlanych i dostępnych zróżnicowanych typach szkła wielkości przytoczone w tabeli powinny być traktowane jedynie w sposób przybliżony.

Współczynnik g powinien być określony na podstawie certyfikatu zastosowanego w przegrodzie oszklenia. Na rys. 2 przedstawiono wpływ zmienności współczynnika całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego g oszklenia, o współczynniku przenikania ciepła U równym 0,7 W/(m² K), na efektywne pole powierzchni nasłonecznionej, tj. powierzchnię równą polu powierzchni ciała doskonale czarnego mającego ten sam zysk ciepła od nasłonecznienia, co rozpatrywane pole powierzchni [8].

W analizie jako wynikową wielkość założono uzyskanie jednostkowego pola powierzchni nasłonecznionej A_sol. Przy zastosowaniu oszklenia o minimalnej przepuszczalności promieniowania słonecznego (0,18) wymagane całkowite pole powierzchni przegrody przezroczystej jest ponad siedmiokrotnie większe od powierzchni okna o maksymalnym współczynniku g (0,62), przy jednoczesnej niezmienności izolacyjności termicznej