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 od 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

Współczynniki redukcyjne wynikające z zacienienia elementami nieruchomymi

Ilość promieniowania słonecznego docierającego do wnętrza budynku przez element przezroczysty może być w ciągu roku optymalizowana poprzez zastosowanie ruchomych bądź stałych elementów zacieniających. Jednym z najprostszych rozwiązań jest wprowadzenie poziomych płaszczyzn, których głębokość dobierana jest tak, aby zapewnić dostępność promieniowania słonecznego do powierzchni przezroczystych w sezonie ogrzewczym i jednocześnie ograniczyć je latem (rys. 4).

Powstające zacienienie ogranicza ilość zysków słonecznych, co uwzględnia się przez czynnik zacienienia Fov w zależności (13) opisującej współczynnik zacienienia od przegród stałych powiązanych z budynkiem i od tzw. horyzontu, tj. elementów otoczenia, które mogą wpłynąć na zacienienie powierzchni zbierających.

   (13)

gdzie:
F_hor – częściowy czynnik korekcyjny dla horyzontu;
F_ov – częściowy czynnik korekcyjny dla elementów poziomych;
F_fin – częściowy czynnik korekcyjny dla pilastrów i innych elementów pionowych.

Częściowy czynnik zacienienia od elementów poziomych F_ov [8] określony jest wzorem:

    (14)

gdzie:
F_ov,dir – współczynnik redukcji promieniowania bezpośredniego;
F_ov,dif – współczynnik redukcji promieniowania rozproszonego.

Współczynniki redukcyjne we wzorze (14) określa się na podstawie zależności (15) i (16). Współczynnik redukcji promieniowania bezpośredniego jest wartością zmienną w skali doby i roku, zależną od kąta wzniesienia słońca. Współczynnik redukcji promieniowania rozproszonego F_ov,dif jest wartością stałą dla danego elementu zbierającego.

W celu uproszczenia obliczeń czynnika zacienienia od elementów poziomych budynku można skorzystać z metody miesięcznej, dla której w normie PN-EN ISO 13790 [7] zostały przywołane wartości czynnika F_ov w zależności od kąta a powstającego pomiędzy środkiem przegrody przezroczystej a styczną do krawędzi elementu zacieniającego (rys. 5). Wartości te są jednak wyznaczone dla szerokości geograficznych nieobejmujących terenu Polski (45°N, 55°N oraz 65°N) i słuszne są jedynie dla sezonu grzewczego [8].

Czynnik korekcyjny zacienienia do pilastrów i pionowych elementów zacieniających budynku F_fin określa się na podstawie tablic zawartych w [7], które są rozpisane dla szerokości geograficznych 45°N, 55°N oraz 65°N i tak jak w przypadku czynnika F_ov mają zastosowanie tylko do obliczeń dotyczących sezonu ogrzewczego.

 (16)

 (17)

gdzie:

a – kąt pomiędzy środkiem przegrody zbierającej a poziomym elementem zacieniającym, °;
S_h – kąt wzniesienia słońca (rys. 6).

Zacienienie od horyzontu F_hor, opisane zależnością (18) [8], uwzględnia się w przypadku, gdy kąt wzniesienia słońca jest niższy niż kąt pomiędzy środkiem liczonej elewacji a zacieniającym ją obiektem (rys. 6).

  (18)

gdzie:

R_dir – bezpośrednie promieniowanie słoneczne na elewację, Wh/m²;
R_tot – całkowite promieniowanie słoneczne na elewację, Wh/m².

Dane o elementach klimatu typowego roku meteorologicznego [12] nie zawierają niezbędnych informacji do obliczenia czynnika zacienienia od elementów horyzontu (18). Dla uproszczenia przyjąć można za bezpośrednie promieniowanie słoneczne na elewację R_dir wartość zaczerpniętą z danych meteorologicznych, określoną jako promieniowanie bezpośrednie na powierzchnię poziomą (IDH) [12].

W zestawieniach elementów klimatu typowego roku meteorologicznego promieniowanie całkowite zostało rozróżnione ze względu na strony świata oraz kąt nachylenia powierzchni zbierającej do poziomu.

Tabelaryczne zestawienie przykładowych wartości czynnika F_hor dla wybranych szerokości geograficznych, strony świata oraz kąta a powstającego pomiędzy rozpatrywaną powierzchnią zbierającą a przeszkodą w otoczeniu budynku (rys. 6) zamieszczone są w normie PN-EN ISO 13790 [8]. Jednak podane wartości są właściwe tylko dla danej lokalizacji i sezonu ogrzewczego, ponadto szerokości geograficzne, dla których zestawienie jest zasadne (45°N, 55°N, 65°N), nie obejmują terenu Polski, która leży w obrębie szerokości geograficznych 49°N i 54°N.

Należy również zwrócić uwagę, jak bardzo czynnik F_hor zależy od lokalnych warunków nasłonecznienia, które zmieniają się dla każdego miesiąca. Zatem w obliczeniach charakterystyki energetycznej należałoby obliczać czynnik F_hor indywidualnie dla rozpatrywanej lokalizacji.

Zgodnie z normą PN-EN ISO 13790 [8] współczynnik zacienienia od horyzontu F_hor modyfikuje tylko bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Pozostałe dwa czynniki, tj. F_ov oraz F_fin, mają wpływ zarówno na promieniowanie bezpośrednie, jak i rozproszone. Jednocześnie norma [8] wskazuje, że przyjęte cząstkowe czynniki redukcji promieniowania słonecznego łącznie mogą zbyt mocno obliczeniowo ograniczać ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni zbierającej.

Zastosowanie ruchomych urządzeń ochrony przeciwsłonecznej

Poza stałymi elementami budynku i otoczenia wpływającymi na ograniczenie dostępności promieniowania słonecznego na płaszczyźnie zbierającej ilość docierającego promieniowania można regulować urządzeniami ruchomymi pozwalającymi na bieżące dostosowywanie zacienienia do aktualnych warunków nasłonecznienia. Współczynnik zacienienia od ruchomych elementów zacieniających [8] oblicza się z zależności:

   (19)

gdzie:
f_sh,with – bezwymiarowy czas, w którym należy zastosować zacienienie;
g_gl+sh – współczynnik całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego, gdy stosowana jest przesłona.

Ważony udział czasu zacienienia f_sh,with (również f_with) oblicza się oddzielnie dla sezonu wymagającego chłodzenia (20) oraz sezonu grzewczego (21):

     (20)

     (21)

gdzie:
I_sol,>300 – suma wartości godzinowych natężenia promieniowania słonecznego dla wszystkich godzin miesiąca z natężeniem przewyższającym 300 W/m², Wh/(m² m-c);
I_sol,>500 – suma wartości godzinowych natężenia promieniowania słonecznego dla wszystkich godzin miesiąca z natężeniem większym niż 500 W/m², Wh/(m² m-c);
I_sol– suma natężenia promieniowania słonecznego w danym okresie, Wh/(m² m-c).

Dane określające ważony udział czasu zastosowania zacienienia ruchomego f_with zawarte w normie PN-EN ISO 13790 [7] są przykładem średnich miesięcznych wartości określonych dla trzech europejskich miast, tj. Paryża, Rzymu oraz Sztokholmu. Dla innych lokalizacji budynku należy określić właściwe współczynniki f_with na podstawie lokalnych danych klimatycznych.

W tabeli 3 porównano wartość czynnika redukcji zacienienia f_with w sezonie grzewczym dla polskich warunków klimatycznych (Hel, Warszawa Okęcie, Nowy Sącz) z wartościami normowymi określonymi dla Paryża. Tabela 4 zawiera zestawienie współczynnika f_with dla sezonu chłodniczego określonego dla stacji meteorologicznych Hel, Warszawa–Okęcie oraz Nowy Sącz.

Całkowitą przepuszczalność energii promieniowania słonecznego przegrody przezroczystej z uwzględnieniem elementów zacieniających g_gl,sh, wyznacza się zgodnie ze wzorem (22) [10].

Współczynnik redukcji promieniowania słonecznego f_c, charakteryzujący zastosowane ruchome urządzenie zacieniające, dobiera się na podstawie informacji od producenta lub przedstawionych w [8, 10].

Współczynnik redukcji promieniowania słonecznego  f_c, charakteryzujący zastosowane ruchome urządzenie zacieniające dobiera się na podstawie informacji podanych od producenta lub przedstawionych w [8, 10] w zależności od tego, czy zostały one zastosowane wewnątrz, czy na zewnątrz przegrody przezroczystej (rys. 7).

     (22)

gdzie:
f_C– współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne;
g_n – współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania dla typu szklenia.

Podsumowanie

W bilansowaniu energetycznym budynku [10], w procedurze określenia jego charakterystyki energetycznej słoneczne zyski ciepła obliczane są jedynie z elementów zbierających obudowy z pominięciem wpływu powierzchni nieprzezroczystych.

Takie ujęcie metodyki obliczeń, jak również przyjęcie miesięcznego kroku obliczeniowego może prowadzić do istotnego niedoszacowania zapotrzebowania na energię do celów chłodzenia. Powoduje to, że wyniki obliczeń zapotrzebowania na chłodzenie w ujęciu rozporządzenia [10] nie mogą być wykorzystywane bezpośrednio w procesie projektowym.

Zakres przygotowania danych szczegółowych dotyczących elementów klimatu i współczynników z nich wynikających, jak czynniki zacienienia czy bezwymiarowy czas wykorzystania ruchomych osłon przeciwsłonecznych, jest niewystarczający do prawidłowego obliczenia zysków słonecznych w sezonie grzewczym i chłodniczym.

Prezentowane w powołanej w metodyce obliczeń normie przedmiotowej PN-EN ISO 13790 [8] przykładowe wartości opracowane zostały dla konkretnych lokalizacji z uwzględnieniem charakterystycznych dla nich warunków klimatycznych, odmiennych od warunków panujących na terenie Polski.

Interpolacja liniowa wartości przykładowych jest błędna z uwagi na silne uwarunkowanie danych przez elementy klimatu lokalnego. Ponadto należy ponownie podkreślić, że wartości zebrane w normie PN-EN ISO 13790 są słuszne jedynie dla sezonu grzewczego i nie mają zastosowania do obliczeń potrzeb chłodniczych – ich wykorzystanie może być przyczyną istotnego niedoszacowania zysków ciepła od nasłonecznienia, czego konsekwencją są obliczenia zbyt małego zapotrzebowania na energię do chłodzenia pomieszczeń.

Należy również zwrócić uwagę na niedokładne przenoszenie informacji z normatywów do aktów prawnych w zakresie budownictwa [10]. Pominięcie informacji o konieczności skorygowania wartości całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego przezroczystego elementu zbierającego powoduje przeszacowanie zysków słonecznych, co skutkuje niedoszacowaniem potrzeb cieplnych budynku w sezonie ogrzewczym.

Literatura

1. Chwieduk D., Możliwość wykorzystania energii promieniowania słonecznego w budownictwie w Polsce, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, z. 40, Pierwsza Międzynarodowa Konferencja Energii Słonecznej i Budownictwa Ekologicznego Energia Odnawialna – Innowacyjne idee i technologie dla budownictwa, Rzeszów 2006.

2. Kurtz-Orecka K., Siwińska A., Nowa charakterystyka energetyczna – przewodnik po normach. Cz. 1. Straty ciepła przez przenikanie i wentylację, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2014.

3. PN-EN ISO 6946:2008 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania.

4. PN-EN ISO 10077-1:2007 Cieplne właściwości okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Metoda uproszczona.

5. PN-EN ISO 10077-2:2012 Cieplne właściwości okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 2: Metoda komputerowa dla ram.

6. PN-EN 12831:2006 Instalacje ogrzewcze w budynkach. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.

7. PN-EN ISO 13789:2008 Cieplne właściwości użytkowe budynków. Współczynnik przenoszenia ciepła przez przenikanie i wentylację. Metoda obliczania.

8. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.

9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 3 czerwca 2014 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub samodzielnej części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU 2014, poz. 888).

10. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2013, poz. 926).

11. Gawin D., Sabiniak H. red., Świadectwa charakterystyki energetycznej. Praktyczny poradnik, ArCADiasoft Chudzik sp.j., Łódź 2010.

12. Typowy rok meteorologiczny, www.mir.gov.pl.