Uwarunkowania środowiskowe projektowania budynków energooszczędnych i pasywnych. Aktywne i pasywne systemy słoneczne.

Jedną z najważniejszych cech nowoczesnego budownictwa jest energooszczędność, która wyraża się w projektowaniu budynków o coraz lepszych parametrach izolacyjności termicznej oraz w stosowaniu wysokoefektywnych i przyjaznych środowisku rozwiązań technicznych w zakresie urządzeń grzewczych i chłodniczych.

Coraz powszechniejsze staje się także wykorzystanie darmowej energii ze źródeł odnawialnych, takich jak słońce, wiatr, biomasa czy geotermia niskotemperaturowa. Jest to domeną zwłaszcza budynków pasywnych i o niemal zerowym zużyciu energii, a częściowo także budynków energooszczędnych. Jednak efektywność tych działań jest w dużej mierze uzależniona od szeregu czynników, które nie są wystarczająco uwzględniane przez inwestorów.

Wśród czynności poprzedzających wykonanie projektu szczególne znaczenie ma przede wszystkim wybór właściwej lokalizacji, umożliwiającej efektywne wykorzystanie dostępnych źródeł energii odnawialnej. Pominięcie tego elementu może utrudnić, a często uniemożliwić zastosowanie niektórych technologii OZE.

Kolejnymi elementami są: wybór projektu architektonicznego budynku (dostosowanego do lokalnych warunków mikroklimatycznych), odpowiednie usytuowanie budynku na działce budowlanej, właściwa orientacja względem stron świata oraz prawidłowe ukształtowanie najbliższego otoczenia budynku.

Powyższe parametry mają istotny wpływ m.in. na wartość projektowego obciążenia cieplnego oraz sezonowego zapotrzebowania na ciepło i chłód – parametrów, które decydują o świadectwie charakterystyki energetycznej obiektu i jego późniejszych kosztach eksploatacyjnych.

Wybór lokalizacji inwestycji

Polska pod względem geograficznym usytuowana jest w strefie klimatu umiarkowanego o charakterze przejściowym pomiędzy klimatem morskim i lądowym. Klimat ten kształtowany jest przez różnorodne masy powietrza, wśród których dominujący wpływ wywierają ciepłe i wilgotne masy powietrza polarno-morskiego napływające z północnego zachodu, a także napływające z północnego wschodu suche i chłodne masy powietrza polarno-kontynentalnego oraz arktycznego.

Zróżnicowanie klimatyczne Polski znajduje odzwierciedlenie w normach branżowych, m.in. PN-EN 12831:2006 do obliczania projektowego obciążenia cieplnego budynków (podział kraju na pięć stref klimatycznych o różnej temperaturze obliczeniowej) oraz PN-EN ISO 13790:2009 do obliczania zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia (uwzględnianie danych z lokalnych stacji meteorologicznych i aktynometrycznych).

W praktyce projektowej poza danymi normatywnymi i statystycznymi należy uwzględnić również warunki mikroklimatyczne, będące indywidualną cechą danej lokalizacji – usłonecznienie, wietrzność, zachmurzenie, opady, ukształtowanie topograficzne terenu, rodzaj powierzchni, roślinność, dostępność wody itp.

Poza uwarunkowaniami terenowymi i klimatycznymi bardzo ważnym elementem wyboru lokalizacji inwestycji są takie parametry, jak: koszt zakupu (lub dzierżawy) terenu, wysokość opłat związanych z jego użytkowaniem oraz dostępność systemu zaopatrzenia w media i różnego rodzaju usług wpływających na komfort życia mieszkańców (usuwanie odpadów, dostęp do mediów elektronicznych itp.). Wykaz podstawowych czynników decydujących o wyborze lokalizacji przedstawiono w tabeli 1.

Wiele aspektów związanych z możliwością wykorzystania wybranych terenów jest zawartych w uchwałach dotyczących miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego, obejmujących m.in. informacje na temat dopuszczalnych warunków zabudowy, infrastruktury technicznej, systemu zaopatrzenia w wodę, kanalizacji sanitarnej i opadowej, systemu zaopatrzenia w energię elektryczną, w gaz oraz w ciepło.

Usłonecznienie obszaru

Lokalizacja budynków powinna zapewniać dobre warunki insolacyjne (insolacja oznacza w tym przypadku średnią moc promieniowania słonecznego przypadającą na jednostkę powierzchni) oraz maksymalnie dużą liczbę godzin słonecznych w roku. Sytuacja taka jest korzystna ze względów bioklimatycznych, a także z uwagi na możliwość wykorzystania energii promieniowania słonecznego w aktywnych i pasywnych systemach konwersji fototermicznej oraz fotoelektrycznej. Ponadto duża liczba godzin słonecznych ogranicza czas użytkowania oświetlenia sztucznego.

W Polsce roczne globalne nasłonecznienie na płaszczyznę poziomą mieści się w przedziale 950–1150 kWh/(m² · rok), przy czym jego rozkład jest nierównomierny – około 80% całkowitej rocznej sumy napromieniowania przypada na okres wiosenno-letni (od kwietnia do września).

Dodatkowe, występujące regionalnie zmiany nasłonecznienia mogą być wywoływane zjawiskami mikroklimatycznymi, zachmurzeniem oraz zanieczyszczeniem powietrza. Najkorzystniejsze warunki występują w południowej części województwa lubelskiego, a najmniej korzystne – w rejonie Górnego Śląska oraz na obszarze leżącym na styku Polski, Czech i Niemiec. Szacunkowy potencjał ekonomiczny energii słonecznej w Polsce wynosi 87 PJ/rok [2] (wartość ta różni się w zależności od cytowanego źródła).

Opierając się na statystykach typowych lat meteorologicznych (uzyskanych z lokalnych stacji aktynometrycznych), można określić różnicę w sumie całkowitego miesięcznego i rocznego natężenia promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą dla różnych części Polski.

Przykładowe wyniki otrzymane na podstawie porównania przeprowadzonego dla miast wojewódzkich pokazano na rys. 1 i 2. W przedstawionym porównaniu uwzględniono także średnie roczne wartości temperatury zewnętrznej i prędkości wiatru.

Stosunkowo duża dostępność energii promieniowania słonecznego na terenie całego kraju powoduje, że jej wykorzystanie w budynkach jest coraz większe i obejmuje bezpośrednie oraz pośrednie metody konwersji. Do konwersji bezpośredniej zalicza się:

• metody fototermiczne, realizowane w niskotemperaturowych aktywnych systemach solarnych (kolektory słoneczne) oraz w systemach pasywnych (architektura słoneczna budynków),
• metody fotoelektryczne, realizowane w systemach fotowoltaicznych (ogniwa).

Z kolei efektem pośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego jest energia wiatru, wody, biomasy oraz energia otoczenia wykorzystywana w pompach ciepła.

Aktywne i pasywne systemy solarne

W aktywnym systemie solarnym pozyskiwanie energii, jej rozdział i magazynowanie następuje poprzez wykorzystanie takich elementów, jak: kolektory słoneczne, zbiorniki magazynujące, urządzenia zabezpieczające oraz elementy automatyki kontrolno-pomiarowej. Energia jest wykorzystywana do podgrzewania wody użytkowej i ogrzewania mieszkań.

Rozróżnia się dwa podstawowe typy kolektorów słonecznych stosowanych w instalacjach domowych: płaskie i próżniowe. O wyborze typu kolektora decyduje w głównej mierze przewidywany sposób jego wykorzystania (charakter pracy w ciągu roku, zakładany współczynnik pokrycia solarnego), dostępne moce oraz współczynniki sprawności.

Do podstawowych parametrów określających sprawność kolektora zalicza się sprawność optyczną (czyli najwyższą sprawność wynikającą z konstrukcji danego kolektora – h₀) oraz współczynniki strat a₁ i a₂ (pozwalające obliczyć, jak ze wzrostem temperatury kolektora w stosunku do temperatury otoczenia rosną jego straty cieplne).

Wraz ze wzrostem temperatury pracy kolektora (T_m) i obniżeniem temperatury otoczenia (T_a) zwiększa się ilość ciepła traconego przez urządzenie. Także zmniejszające się promieniowanie słoneczne powoduje, że przy zadanej stałej różnicy temperatur T_m – T_a moc kolektora spada. Dla umownego stanu pracy, przy którym temperatura absorbera jest równa 60°C, temperatura otoczenia to 20°C, a średnia moc promieniowania słonecznego osiąga wartość 800 W/m², współczynniki sprawności kolektorów różnego typu mogą wynosić przykładowo:

• dla kolektora płaskiego: h_0,05 = 0,558,
• dla próżniowego kolektora płaskiego: h_0,05 = 0,625,
• dla próżniowego kolektora rurowego: h_0,05 = 0,664 [3].

Konfiguracji systemu solarnego dokonuje się na podstawie obliczeń projektowych, obejmujących z jednej strony określenie zapotrzebowania na ciepło, z drugiej – szczegółową analizę warunków słonecznych na danym terenie.

Oprócz właściwego doboru elementów systemu istotne jest odpowiednie rozmieszczenie kolektorów względem stron świata (kąt odchylenia od kierunku południowego b, zwany inaczej deklinacją) oraz w stosunku do pozycji horyzontalnej (kąt nachylenia a z płaszczyzną podłoża, tzw. inklinacja).

Na rys. 3 przedstawiono stopień zmniejszenia ilości ciepła dostarczanego przez kolektory słoneczne w zależności od ich usytuowania (dla przykładowej lokalizacji w okolicach Krakowa).

Prawidłowo zaprojektowany system solarny jest w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na ciepło w ograniczonym stopniu. Przybliżony stopień pokrycia przez kolektory słoneczne potrzeb energetycznych przykładowego budynku energooszczędnego i pasywnego zlokalizowanego w okolicach Krakowa przedstawiono na rys. 4.

W ujęciu całorocznym instalacje solarne projektuje się w taki sposób, aby solarny stopień pokrycia mieścił się w przedziale 40–70%.

Pasywne systemy ogrzewania solarnego do wytwarzania ciepła w budynku wykorzystują bezpośrednio lub pośrednio energię promieniowania słonecznego.

W pierwszym przypadku promieniowanie słoneczne, które przenika przez przegrody przezroczyste (okna), jest absorbowane w masywnych elementach budynku (ściany, podłogi), a następnie w wyniku transportu ciepła przekazywane do chłodniejszego powietrza wypełniającego pomieszczenie.

W odróżnieniu od aktywnych systemów solarnych w tym przypadku nie są wykorzystywane urządzenia mechaniczne i elektryczne, co zapewnia oszczędność kosztów takiego ogrzewania.

Dostęp promieniowania słonecznego zapewnia także dobre oświetlenie powierzchni mieszkalnych, co prowadzi do dalszej redukcji kosztów (ograniczenie czasu użytkowania oświetlenia elektrycznego). Jednocześnie, żeby nie dochodziło do przegrzewania budynku w lecie, montuje się nad przegrodami przezroczystymi specjalny nawis (wysunięta część dachu), zapewniający odpowiedni cień (rys. 5).

Elementy bezpośredniego pasywnego systemu solarnego:

• przegrody przezroczyste zapewniające dostęp promieniowania słonecznego, zwłaszcza od strony południowej,
• absorbery – powierzchnie ścian i podłóg oraz inne elementy pochłaniające ciepło,
• masy termiczne – materiały, które przechowują zaabsorbowane ciepło (różnica pomiędzy absorberem i masą termiczną, tworzącymi z reguły jeden element budowlany, polega na tym, że absorber stanowi warstwę wierzchnią, za którą znajduje się masa termalna),
• system dystrybucji, dzięki któremu ciepło słoneczne krąży w pomieszczeniu, oparty na zjawiskach naturalnego transportu ciepła: przewodzeniu, konwekcji oraz promieniowaniu,
• elementy budowlane zapewniające odpowiednie zacienienie w miesiącach letnich (okapy dachowe) oraz urządzenia elektroniczne (np. czujniki temperatury) kontrolujące stan powietrza w budynku.

Ilość ciepła, jaka dociera do budynku w postaci zysków od nasłonecznienia, uzależniona jest przede wszystkim od powierzchni okien, ich standardu energetycznego oraz orientacji względem stron świata.

Na rys. 6 przedstawiony został stopień zmniejszenia zysków solarnych w zależności od powierzchni i usytuowania okien. Punktem odniesienia dla przeprowadzonego porównania była wartość zysków od nasłonecznienia dla okien o powierzchni 15 m² skierowanych na południe.

W przeprowadzonych obliczeniach uwzględniono dodatkowo straty ciepła, jakie występują w sezonie grzewczym przez okna o całkowitym współczynniku przenikania ciepła U_OK = 1,1 kWh/(m² · rok).

W celu optymalnego wykorzystania energii promieniowania słonecznego w budynkach energooszczędnych i pasywnych powierzchnie dzienne skoncentrowane są po stronie południowej, a ściany w tej części budynku charakteryzują się dużym przeszkleniem.

Analizując zmienne w skali roku kąty padania promieni słonecznych, można przyjąć, że najbardziej korzystnym rozwiązaniem jest umiejscowienie na ścianie południowej pasa okien (zamiast np. całkowitego przeszklenia tej przegrody). Dzięki temu w znaczny sposób ogranicza się przegrzewanie pomieszczeń oraz zwiększa komfort ich użytkowania.

W przypadku ścian skierowanych na pozostałe strony świata, szczególnie ścian północnych, powinny one charakteryzować się znaczną izolacyjnością cieplną oraz minimalną powierzchnią otworów przeszklonych.

W przypadku systemu pasywnego wykorzystującego zyski solarne w sposób pośredni energia cieplna zawarta w promieniowaniu słonecznym jest akumulowana w przegrodach zewnętrznych, a następnie odzyskiwana w chwili, kiedy istnieje na nią zapotrzebowanie.

System ten charakteryzuje się brakiem bezpośredniego oddziaływania słońca na wnętrze budynku. Jego podstawowym elementem jest ściana kolektorowa, której zadaniem jest absorpcja, gromadzenie, rozprowadzanie i magazynowanie energii (rys. 7). Zewnętrzna faktura oraz barwa ściany kolektorowej sprzyjają pochłanianiu promieni słonecznych, natomiast duża pojemność cieplna materiału konstrukcyjnego umożliwia magazynowanie ciepła.

W celu zmniejszenia jego strat w nocy stosuje się podwójne oszklenie dla osłonięcia ściany od wpływów zewnętrznych.

Klasycznym przykładem ściany kolektorowej jest ściana Trombe’a-Michela. Wśród innych rozwiązań wyróżnić można ścianę wodną, ścianę z cegły słonecznej oraz ścianę diodową.

Innym rodzajem systemu pasywnego są szklarnie wkomponowane w bryłę budynku i wykorzystujące tzw. efekt szklarniowy – promienie słoneczne, przechodząc przez powierzchnię przeszkloną, przekształcają się w energię termiczną i zostają uwięzione we wnętrzu. Szklarnie mogą być skierowane we wszystkich kierunkach świata, przy czym od południa pochłaniają największą ilość światła, a od północy stanowią bufor cieplny.

Systemy fotowoltaiczne

Drugą z metod bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego jest metoda fotoelektryczna, wykorzystywana w fotowoltaice. System fotowoltaiczny składa się z ogniw (modułów) PV, elementów dostosowujących parametry wytwarzanego prądu do potrzeb odbiorników (falownik, kontroler napięcia) oraz magazynów energii (akumulatorów).

Najpopularniejszym materiałem do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem.

Sprawność ogniw wykonanych z krzemu monokrystalicznego i produkowanych na skalę masową wynosi ok. 17% (w warunkach laboratoryjnych dochodzi do 24%). Moc pojedynczych ogniw nie przekracza z reguły 1–2 W, stąd dla uzyskania większego napięcia (prądu) łączy się je szeregowo lub równolegle w moduły fotowoltaiczne. Powstałe w ten sposób zespoły ogniw (na rynku dostępne są elementy o powierzchni od 0,3 do 1 m²) osiągają moc rzędu 30–100 Wp (watów mocy szczytowej, z ang. Watt peak).

Moc szczytowa to moc dostarczana przez moduły w warunkach umownych, przy mocy promieniowania słonecznego 1000 W/m² i temperaturze otoczenia równej 25°C.

W praktyce panele fotowoltaiczne pracują w warunkach innych niż podane przez producenta warunki znamionowe, dlatego ilość produkowanej przez nie energii elektrycznej jest mniejsza.

W przypadku planowania instalacji fotowoltaicznej należy wziąć także pod uwagę szacunkową wartość strat związanych ze zmianami temperatury (6,4%), kątem odbicia promieni słonecznych (2,9%) oraz spadkiem napięcia na przewodach, w falowniku i innych elementach (14,0%).

W efekcie ilość energii elektrycznej możliwej do wyprodukowania w module fotowoltaicznym będzie mniejsza niż podawana teoretycznie.

Na rynku dostępny jest obecnie szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości, wytwarza się też specjalne jednostki, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków.

Dla uzyskania jeszcze większych mocy moduły fotowoltaiczne łączy się w panele, które mogą pracować przy dowolnym napięciu (od 12 do kilkuset woltów, dzięki odpowiedniemu połączeniu modułów). Poziom prądu pojedynczej jednostki, w odróżnieniu od napięcia, ściśle zależy od poziomu promieniowania słonecznego [4].

Dalsze zwiększenie mocy paneli możliwe jest przez zastosowanie np. soczewek Fresnela, które dzięki swojej konstrukcji pozwalają skupić promieniowanie słoneczne na powierzchni paneli [5,6].

Podobnie jak w przypadku kolektorów słonecznych, prawidłowe usytuowanie modułów PV ma bardzo duże znaczenie dla ich wydajności.

Optymalne ustawienie to pochylenie paneli pod kątem 30–40° oraz skierowanie ich w kierunku południowym. Tak zlokalizowana instalacja fotowoltaiczna jest w stanie wyprodukować w polskich warunkach klimatycznych ok. 950–1025 kWh energii elektrycznej rocznie z 1 kWp mocy zainstalowanej (STC). Wskaźnik ten waha się w zależności od technologii wykorzystanych paneli fotowoltaicznych, inwertera i lokalizacji.

Na rys. 8 przedstawiono porównanie wielkości produkcji energii elektrycznej w różnych miesiącach dla okolic Krakowa. Rozważono zastosowanie trzech różnych technologii paneli PV, zakładając ich pochylenie pod kątem 35° oraz skierowanie na południe.

Otrzymane wyniki pokazują, że najwyższą wydajność zapewniają cienkowarstwowe moduły wykonane z tellurku kadmu CdTe, które osiągają moc 85 W przy sprawności panelu na poziomie 12,5%. Wysoki koszt produkcji sprawia jednak, że rozwiązanie to nie cieszy się dużą popularnością na rynku.

Poza tradycyjnymi możliwościami wykorzystania energii promieniowania słonecznego w systemach z kolektorami słonecznymi i panelami fotowoltaicznymi w niedalekiej przyszłości dużą popularność mogą zyskać także układy z koncentratorami promieniowania słonecznego.

Wysokotemperaturowe ciepło może być w łatwy sposób przekonwertowane na inne formy energii – np. pracę mechaniczną. W takim przypadku umieszcza się w pobliżu ogniska koncentratora gorący tłok silnika Stirlinga lub wymiennik olejowy układu ORC. Koncentratory promieniowania słonecznego umożliwiają także pozyskanie dużej ilości światła, które może być wykorzystywane do oświetlania pomieszczeń. Możliwe jest również wykorzystanie tego typu układów do napędu chłodziarek sorpcyjnych oraz zwiększenia wydajności ogniw fotowoltaicznych [7].

Część druga w RI 4/2015

Literatura

1. Lisik A. red., Odnawialne źródła energii w architekturze, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002.
2. Polska Izba Gospodarcza Energii Odnawialnej, www.pigeo.org.pl.
3. Korner W., Kirchhoff W., Schabbach T., Schulung Solarthermie. Beratung. Planung. Installation, Verlag Forderverein fur Neue Technik Photovoltaik und Regenerative Energien im Handwerk e.V., Kassel 1997.
4. Bożek E., Swat A., Sornek K., Filipowicz M., Analiza wydajności energetycznej modułu fotowoltaicznego w skoncentrowanym promieniowaniu słonecznym, „Instal” nr 10/2014
5. Szubel M., Sornek K., Filipowicz M., Soczewki Fresnela – nowoczesne elementy optyczne, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2012.
6. Szubel M., Sornek K., Filipowicz M., Soczewki Fresnela – przykłady zastosowań, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2012.
7. Filipowicz M., Wajss P., Tomski M., Szubel M., Sornek K., Gastoł M., Bożek E., Wykorzystanie skoncentrowanego promieniowania słonecznego w warunkach polskich, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2012.
8. World Energy Technology Outlook 2050 – WETO H2, European Commission, Bruksela 2005.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!