Wpływ systemu regulacji zysków słonecznych na zużycie energii chłodniczej i elektrycznej oraz komfort oświetlenia światłem naturalnym

O zużyciu energii w budynku decydują wszystkie przegrody budowlane. Ich udział w bilansie energetycznym zależy od powierzchni oraz izolacyjności cieplnej. Szacuje się, że straty ciepła przez przegrody przezroczyste wynoszą 25–40% wszystkich strat [1]. Należy jednak pamiętać, że nie generują one tylko strat ciepła, ale są także źródłem zysków bezpośrednich. Parametrami, które charakteryzują jakość energetyczną oszklenia, są m.in. współczynniki przenikania ciepła okna Uw oraz całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g. O końcowej wartości współczynnika przenikania ciepła okna decyduje budowa oszklenia i ramy oraz liniowy współczynnik przenikania ciepła opisujący mostek termiczny jako efekt połączenia oszklenia z ramką dystansową i ramą. Sposób obliczania zawarty jest w normie EN ISO 10077-1 [2]. Należy pamiętać, że o stratach ciepła okna decyduje cała jego konstrukcja i sposób montażu. Podstawowe wymagania dla okien dotyczą m.in. zapewnienia odpowiedniego stosunku powierzchni okien do powierzchni podłogi w zależności od przeznaczenia pomieszczenia, maksymalnych wartości współczynnika przenikania ciepła U czy maksymalnej wartości współczynnika g dla okresu letniego i są zawarte w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [3].

We współczesnym budownictwie energooszczędnym bardzo silnie zarysowana jest tendencja do maksymalizacji wykorzystania energii promieniowania słonecznego poprzez zwiększenie udziału powierzchni elementów przezroczystych w obudowie budynku. Rozwiązania te są bardzo często przyczyną przegrzewania się pomieszczeń w okresie letnim oraz występowania niekorzystnych warunków oświetleniowych (olśnienie). W celu ograniczenia tych niekorzystnych zjawisk wprowadza się szereg rozwiązań mających poprawić komfort korzystania z takich obiektów, np. rolety, żaluzje, markizy itp. Mogą one jednak jednocześnie prowadzić do niekorzystnego rozkładu natężenia oświetlenia naturalnego w pomieszczeniu. Konieczna jest zatem optymalizacja, pozwalająca osiągnąć zadowalające rezultaty energetyczne i oświetleniowe.

Niska wartość współczynnika przenikania ciepła U powinna być powiązana z wysoką wartością g, która z kolei musi być ograniczana sezonowo w celu wyeliminowania przegrzewania budynku latem. Dla budownictwa niskoenergetycznego standardem stały się wymagania sprecyzowane przez NFOŚiGW w ramach programu wspierania budownictwa energooszczędnego, znane pod skrótową nazwą NF15 czy NF40 [8]. Zgodnie z tymi wytycznymi wymagane wartości współczynnika przenikania dla okien muszą wynosić odpowiednio U < 0,8 (1,1) W/(m² K), a dla tzw. okien aktywnych U < 0,8, natomiast g ≥ 0,45.

W niniejszym artykule autorzy podjęli próbę określenia wpływu sterowania systemem zysków słonecznych na zużycie energii chłodniczej i elektrycznej oraz komfort oświetlenia światłem naturalnym. Postawiono pytanie, czy dzięki zastosowaniu elementów zacieniających jesteśmy w stanie zapewnić prawidłowe warunki oświetleniowe światłem naturalnym oraz, czy oszczędności związane ze zmniejszeniem energii na chłodzenie w okresie letnim pokryją koszty spowodowane zwiększeniem czasu działania oświetlenia sztucznego. Należy zachować rozsądne proporcje między nakładami inwestycyjnymi na nowoczesne okna wraz z systemami zacieniającymi a spodziewanym zmniejszeniem kosztów chłodzenia czy ogrzewania.

Opis procedury badawczej

Metodą badawczą przyjętą w pracy są badania numeryczne z wykorzystaniem programów OpenStudio [5] oraz Radiance [6]. Służą one do kompleksowego modelowania obiektów budowlanych w zakresie energetyki, oświetlenia i oddziaływań środowiskowych. Właściwości optyczne oszklenia niezbędne do zadeklarowania w programie symulacyjnym zostały zweryfikowane w programie Window [4]. Obliczenia prowadzone były z dziesięciominutowym krokiem czasowym na bazie rzeczywistych danych klimatycznych dla stacji meteorologicznej Katowice, opracowanych przez [5]. Jako charakterystyczną datę ilustrującą skrajne warunki pogodowe w ciągu roku z uwagi na chłodzenie przyjęto 21 lipca, a z punktu widzenia zapewnienia minimalnego czasu oświetlenia dni równonocy wiosennej oraz jesiennej (20 marca oraz 23 września w 2018 roku) – rys. 2 i 3.

W analizach rozpatrywano pomieszczenie wydzielone z kubatury budynku o charakterze sali konferencyjno-szkoleniowej, zlokalizowane na I piętrze. Sposób eksploatacji budynku, tj. funkcjonowanie systemu chłodzącego, aktywność użytkowników, działanie systemu oświetlenia oraz generowanie zysków wewnętrznych przez zainstalowane urządzenia, został scharakteryzowany za pomocą harmonogramów dobowych, z uwzględnieniem wolnych dni kalendarzowych (weekendy, wakacje) – tabela 1.

W przypadku oświetlenia sterowanie odbywa się z priorytetem pomiaru natężenia światła dziennego przez czujniki zlokalizowane w pomieszczeniu, rejestrujące wartość tego natężenia na poziomie blatów roboczych (hBL = 0,8 m). Wartość progową natężenia oświetlenia przyjęto jako 500 lx [7]. Pomieszczenie podzielono na dwie strefy, a czujniki umieszczono w połowie szerokości każdej z nich – rys. 1.

System regulacji zysków słonecznych stanowią żaluzje, których funkcjonowanie uzależnione jest od wartości natężenia promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię okna. Wartość progowa została ustalona jako 100 W/m². Pomieszczenie charakteryzuje się wysokim stopniem przeszklenia ściany zewnętrznej, którego powierzchnia wynosi 24,78 m², co stanowi 57% całkowitej powierzchni ściany. Wybrano pomieszczenie narażone na ekstremalne oddziaływania środowiskowe ze ścianą zewnętrzną zorientowaną na południe.

Zewnętrzna fasada pomieszczenia jest jedyną powierzchnią wystawioną na działanie środowiska zewnętrznego. Wszystkie inne powierzchnie (sufit, podłoga, ściany wewnętrzne) są traktowane jako adiabatyczne. Współczynnik przenikania ściany zewnętrznej wynosi UŚZ = 0,23 W/(m² K). W celu określenia bilansu energetycznego dotyczącego zapotrzebowania energii na chłodzenie oraz oświetlenie przyjęto następujące założenia i parametry:

• rodzaj pomieszczenia: sala konferencyjno-szkoleniowa,
• wymiary pomieszczenia: 12,5×6,5×3,5 m, podzielonego względem szerokości na dwie jednakowe strefy,
• wymiary fasady: 12,5×3,5 m, o powierzchni całkowitej oszklenia F = 24,78 m²,
• zyski ciepła od wyposażenia elektrycznego: 4 W/m²,
• zyski ciepła od ludzi: 0,5 W/m²,
• moc oświetlenia: 10 W/m²,
• krotność wymian powietrza w pomieszczeniu n = 4/h,
• liczba osób p = 40.

Na rys. 1 przedstawiono widok elewacji analizowanego budynku oraz model pomieszczenia z rozmieszczeniem punktów pomiarowych.

Przegroda przezroczysta została przyjęta jako zestaw trójszybowy, w którym komory są wypełnione argonem, składający się z szyb zwykłych, a od wewnętrznej strony z powłoką niskoemisyjną – tabela 2. Żaluzje poziome umieszczone na zewnątrz, w postaci cienkich lameli aluminiowych o szerokości listwy 25 mm oraz grubości listwy 1 mm, wpływają wyłącznie na transmisję promieniowania słonecznego, natomiast z uwagi na prawie zerowy opór cieplny oraz wentylację nie stanowią elementu polepszającego wartość współczynnika przenikania ciepła całego okna. Kąt nachylenia żaluzji w stanie zamkniętym wynosi 45°.

Wyniki badań i ich analiza

Analizy przeprowadzono dla całego roku, ale w artykule przedstawiono jedynie wybrane wyniki, z uwzględnieniem sezonu chłodniczego (1 kwietnia–30 września) oraz dni projektowych (21 stycznia i 21 lipca), a także równonocy (20 marca oraz 23 września w 2018 r.). Na rys. 4 przedstawiono zużycie energii elektrycznej na oświetlenie, a na rys. 5 zużycie energii chłodniczej oraz grzewczej w pomieszczeniu dla sezonu chłodniczego.

Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że zużycie energii na chłodzenie pomieszczenia bez zastosowania żaluzji jest 2,5-krotnie wyższe niż w przypadku zastosowania żaluzji w rozpatrywanym czasie, tj. od 1 kwietnia do 30 września. Natomiast zużycie energii na ogrzewanie pomieszczenia jest ok. 1,3 razy wyższe w przypadku stosowania żaluzji niż przy ich braku. 

Zużycie energii elektrycznej na oświetlenie w przypadku wprowadzenia żaluzji jest w tym samym czasie ok. 1,5 razy wyższe niż dla wariantu bez żaluzji. Jest to związane z systemem regulacji zysków słonecznych, dla którego przyjęto wartość progową natężenia promieniowania słonecznego padającego na szybę 100 W/m².

Na rys. 6 i 7 przedstawiono natężenie oświetlenia w punktach pomiarowych P1, P2 dla wariantu z żaluzjami oraz bez nich w dniach 21 lipca i 23 września. Z uwagi na czytelność rysunków ograniczono się do zilustrowania godzin występowania światła naturalnego.

Dodatkowo w celach orientacyjnych przedstawiono wartości natężenia oświetlenia w dniach 21 stycznia oraz 20 marca – rys. 8 i 9.

Na podstawie analizy uzyskanych wyników można zauważyć znacząco wyższe wartości natężenia oświetlenia 21 lipca i 23 września dla wariantu bez żaluzji, szczególnie w godzinach 800–1600. Na rys. 10 przedstawiono przykładowe funkcjonowanie systemu sterowania żaluzjami.

W uzyskanych wynikach widać wyraźnie zależności pomiędzy oświetleniem pomieszczenia a usytuowaniem słońca na nieboskłonie i kątem ustawienia lameli żaluzji.

Autorzy przeanalizowali także rozkład natężenia oświetlenia w pomieszczeniu w dniach równonocy wiosennej i jesiennej – rys. 11, 12, 13 i 14. Zilustrowano godziny, w których światło dzienne oświetla największą powierzchnię pomieszczenia. Na ich podstawie można stwierdzić, że nie w każdym punkcie pomieszczenia uzyskano minimalną wartość natężenia wymaganą przez normę [7], tj. 20 marca o godz. 14⁰⁰ oraz 23 września o godz. 10⁰⁰ dla wariantu z żaluzjami.

Podsumowanie

Na podstawie analizy uzyskanych wyników stwierdzono, że zastosowanie żaluzji powoduje zwiększenie zużycia energii na oświetlenie, ale zmniejszenie zużycia energii na chłodzenie w sezonie chłodniczym w porównaniu z wariantami bez żaluzji.

Sumaryczne zużycie energii dla pomieszczenia wyposażonego w żaluzje wyniosło 27,46 kWh, a w przypadku ich braku 24,17 kWh. W tym miejscu nasuwa się pytanie o celowość stosowania rozwiązań tego typu. Odpowiedź jest ukryta w zastosowanym algorytmie sterowania. Z przeprowadzonych badań jednoznacznie wynika, że musi on być bardziej rozbudowany i uwzględniać więcej parametrów wejściowych.

Dodatkowo nasuwa się wniosek, aby pomieszczenia o dużych przeszkleniach oraz znacznych szerokościach (głębokościach) wyposażać w wielostrefowe układy oświetleniowe z niezależnym sterowaniem.

Wypadkowa efektywność energetyczna tego typu rozwiązań jest trudna do określenia bez przeprowadzenia badań symulacyjnych. Należy zatem zalecać ich wykonywanie w trakcie projektowania obiektu, aby nie narażać inwestora na zwiększone koszty realizacji, które nie przyniosą spodziewanych efektów energetycznych.

Otrzymane wyniki zachęcają do dalszych analiz w zakresie przyjęcia innych parametrów optyczno-energetycznych oszklenia, a także rozpatrzenia nie tylko fasady skierowanej na południe, ale również o innej orientacji. Ciekawe wydaje się uwzględnienie w analizach także okresu grzewczego.

Literatura

1. Laskowski L., Ochrona cieplna i charakterystyka energetyczna budynków, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
2. EN ISO 10077-1 Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji – obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Cz. 1. Postanowienia ogólne.
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.)
4. https://windows.lbl.gov/software/window (dostęp: 10.06.2019).
5. www.openstudio.net (dostęp: 10.06.2019).
6. https://www.radiance-online.org (dostęp: 10.06.2019).
7. PN-EN 12464-1:2012 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Cz. 1. Miejsca pracy we wnętrzach.
8. http://www.nfosigw.gov.pl/download/gfx/nfosigw/pl/nfoopisy/803/1/5/wytyczne_do_pp.pdf (dostęp: 10.06.2019).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!