Efekty energetyczne stosowania półprzezroczystych fasad zintegrowanych z ogniwami fotowoltaicznymi

Jednym z trendów nowoczesnego budownictwa są duże przeszklone fasady. Są one przedmiotem zainteresowania przede wszystkim architektów, którzy dzięki szerokiej gamie rozwiązań techniczno-technologicznych mogą tworzyć obiekty o nietypowych kształtach oraz wykończeniu. Rozwiązania takie robią szczególne wrażenie w wypadku wieżowców. Duże powierzchnie przeszklonych fasad są źródłem naturalnego oświetlenia, ale także zysków ciepła, które w zimie mogą rekompensować w pewnym stopniu jego straty, natomiast w lecie oddziaływać w sposób niekorzystny, powodując przegrzewanie pomieszczeń. Mogą zatem stanowić element zwiększający koszty eksploatacyjne związane z chłodzeniem pomieszczeń.

Interesującym pomysłem na ograniczenie wad przeszklonych fasad może być ich integracja z ogniwami fotowoltaicznymi. Rozwiązanie takie może istotnie wpływać na parametry środowiska wewnętrznego i komfort użytkowników związany z możliwością regulacji temperatury powietrza w pomieszczeniach czy oświetlenia światłem naturalnym. Ogniwa fotowoltaiczne (PV) są przede wszystkim źródłem „czystej” i odnawialnej energii elektrycznej, która może być zastosowana do zasilania obiektu budowlanego, co pozwala na ograniczenie konsumpcji energii pochodzącej ze źródeł konwencjonalnych [1, 2, 3].

Połączenie ogniw z obiektem budowlanym to przykład rozwiązania nawiązującego do zasady zrównoważonego rozwoju czy budownictwa ekologicznego. Podstawowym elementem technologii BIPV (building integrated photovoltaics) jest moduł fotowoltaiczny, który w celu uzyskania odpowiedniej ilości energii jest łączony w większe struktury – panele, a te w instalacje PV. Wyprodukowana energia jest dostarczana do instalacji w budynku lub do sieci energetycznej poprzez falowniki (zmiana prądu stałego w zmienny) lub może zostać zmagazynowana w akumulatorach.

Najczęściej stosowane moduły PV to rozwiązania oparte na technologiach krzemowych: monokrystaliczne (m-SI) oraz polikrystaliczne (p-SI). Na rynku dostępne są również moduły szkło-szkło oraz laminaty szkło-folia. Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa w kolorze ciemnoniebieskim i czarnym, rzadziej zielonym, czerwonym czy złotym. Ta druga grupa ogniw jest droższa i charakteryzuje się niższymi sprawnościami. Występują także rozwiązania w technologiach cienkowarstwowych, w postaci krzemu amorficznego (a-SI, kolor brunatny) lub mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu (CIGS, kolor czarny; CdTe, CIS, c-SI). Pomimo niższych sprawności mają one bardziej jednorodną budowę i wykazują mniejszą wrażliwość na wysoką temperaturę niż materiały krystaliczne. Szklane moduły cienkowarstwowe są częściowo przezroczyste (30–50%), gdyż ze wzrostem transparentności maleje sprawność modułu i określane są terminem semitransparentne. Niedawno udało się wyprodukować przezroczysty panel fotowoltaiczny, który pochłania energię i zapewnia oświetlenie światłem naturalnym [1, 2, 3].

Moduły fotowoltaiczne mogą być zastosowane w budynku w miejscu przeszkleń jako zewnętrzne systemy ochrony przeciwsłonecznej, w postaci zadaszeń nad otworami okiennymi i drzwiowymi, żaluzji poziomych czy pionowych. Ponadto do ich montażu można wykorzystać balustrady czy fragmenty elewacji pomiędzy oknami. Moduły PV mogą być rozmieszczone w sposób regularny, można z nich także tworzyć różne wzory. Coraz częściej znajdują zastosowanie jako element fasad wentylowanych. Konstrukcja taka pozwala na sterowanie przepływem powietrza bezpośrednio za modułami fotowoltaicznymi. Daje to możliwość kontrolowania ich temperatury i utrzymywania wysokiej wydajności [1, 2, 3].

W niniejszym artykule autorzy podjęli próbę określenia aspektu energetycznego szklanej fasady zintegrowanej z ogniwami fotowoltaicznymi na przykładzie budynku biurowego. Uzyskane wyniki badań symulacyjnych odnoszą się do dwóch wariantów eksploatacji – z przepływem powietrza w przestrzeni podwójnej fasady i bez niego.

Opis procedury badawczej

Założenia analiz

Metodą badawczą przyjętą w pracy są badania numeryczne z wykorzystaniem programu ESP-r [4]. Obliczenia prowadzone były z 60-minutowym krokiem czasowym na bazie rzeczywistych danych klimatycznych (Katowice, uśrednionych dla lat 2003–2017). Baza klimatyczna [5] została zaimplementowana do programu ESP-r. Parametry optyczne przeszkleń wykorzystanych do budowy podwójnej fasady zostały wyznaczone w programie Window [6]. Analizy obejmowały określenie zużycia energii na grzanie i chłodzenie pomieszczenia, czasu pracy instalacji chłodzenia i ogrzewania, mocy generowanej przez ogniwa fotowoltaiczne oraz temperatury powietrza w fasadzie. Parametry cieplne i wymagania wentylacyjne przyjęto zgodnie z charakterem obiektu [7]:

• temperatura powietrza pomieszczeń biurowych i komunikacja pozioma odpowiednio zima/lato: tZ = 20°C, tL = 26°C;
• temperatura powietrza klatki schodowej: 12°C;
• ilość powietrza w pomieszczeniach V. = 20 m3/osobę;
• liczba osób n = 10.

Przedmiot analiz

Przedmiotem pracy jest fasada przezroczysta w budynku biurowym 8-kondygnacyjnym. Obiekt zamodelowano jako układ pięciu stref: dwie klatki schodowe, komunikacja pozioma, toalety oraz strefy pomieszczeń biurowych. Do szczegółowej analizy przyjęto powyższy układ stref na czwartej kondygnacji. W tabeli 1 ze­stawiono współczynniki przenikania ciepła przegród nieprzezroczystych.

Przedmiotowa fasada została zorientowana w kierunku zachodnim. Podstawową konstrukcję fasady zamodelowano jako przestrzeń wydzieloną przegrodą ze szkła wzmocnionego o grubości 8 mm, z typowym układem przeszklenia zespolonego złożonego z dwóch tafli szkła o grubości 6 mm i przestrzeni o grubości 16 mm wypełnionej argonem. Przeszklenie zespolone stanowiło w tym przypadku ścianę wewnętrzną sąsiadującą z pomieszczeniem biurowym. Charakterystykę cieplno-optyczną konstrukcji przedstawiono w tabeli 2. Rozwiązanie to zmodyfikowano, dodając do tafli szkła zewnętrznego ogniwa fotowoltaiczne i tworząc półprzezroczystą przegrodę zewnętrzną. Zmieniło to charakterystykę optyczną oszklenia, którą przedstawiono w tabeli 3. Końcowy model obiektu przyjęty do obliczeń przedstawiono na rys. 1, a schemat fasady na rys. 2.

Rozpatrywano dwa przypadki użytkowania przyjętego rozwiązania: W0 – bez obiegu powietrza w przestrzeni podwójnej fasady, W1 – z obiegiem powietrza (por. rys. 3). Przepływające powietrze, odbierając ciepło od ogniw fotowoltaicznych w sezonie grzewczym, kierowane było do pomieszczenia biurowego, natomiast latem wydmuchiwane na zewnątrz.

Wyniki badań i ich analiza

W efekcie przeprowadzonych obliczeń otrzymano szczegółowy obraz energetyczny obiektu. Prezentację wyników ograniczono do syntetycznego przedstawienia najważniejszych parametrów dla stycznia i lipca jako miesięcy reprezentatywnych z punktu widzenia celu badań. Na rys. 4 i 5 zobrazowano zużycie energii na chłodzenie i ogrzewanie w analizowanym pomieszczeniu. Na podstawie analizy uzyskanych wyników stwierdzono, że zastosowanie sterowanego obiegu powietrza w szklanej fasadzie zintegrowanej z ogniwami fotowoltaicznymi (PV) powoduje zmniejszenie zużycia energii dla chłodzenia oraz ogrzewania. Zarówno zużycie energii na chłodzenie w lipcu, jak i na ogrzewanie w styczniu zmniejszyło się o 18%. Skróceniu uległ również czas pracy systemu chłodniczego i grzewczego dla wariantu W1 w porównaniu do W0 – rys. 6. W przypadku systemu ogrzewania różnica wynosi 23 godz., a dla systemu chłodzenia 38 godz.

Energia wygenerowana przez ogniwa PV w styczniu dla wariantu W0 wynosi 233,0 kWh, a dla W1 233,58 kWh. W lipcu zaś dla wariantu W0 – 712,41 kWh, a dla W1 – 716,49 kWh. Na rys. 7 i 8 przedstawiono wartości mocy generowanej przez ogniwa dla analizowanych miesięcy. W styczniu możemy zaobserwować wyższe chwilowe wartości mocy w przypadku wariantu z obiegiem powietrza, co może być spowodowane wyższą sprawnością ogniw PV związaną z przepływem powietrza przez podwójną fasadę, a tym samym chłodzeniem ogniw.

Na podstawie uzyskanych wyników dotyczących chwilowych wartości temperatury powietrza (por. tabela 4) można stwierdzić, że temperatura powietrza w fasadzie bez obiegu powietrza (W0) jest nieznacznie wyższa niż w fasadzie z przepływem powietrza, zarówno w styczniu, jak i lipcu. Minimalne wartości temperatury w fasadzie wynoszą dla W0 i W1 w styczniu odpowiednio: –2,9°C oraz –5,8°C (rys. 9), natomiast w lipcu: 14,8°C oraz 13,6°C (rys. 11). Wartości te mają odzwierciedlenie w wyższym zapotrzebowaniu na energię grzewczą (rys. 4) czy w dłuższym czasie pracy instalacji (rys. 6).

Maksymalne wartości temperatury w fasadzie wynoszą dla W0 i W1 w styczniu odpowiednio: 22,8°C oraz 19,7°C, a w lipcu: 54,9°C oraz 44,2°C. Temperatura powietrza zewnętrznego w styczniu waha się w granicach teS = –16,2–12,2°C, przy średniej teśrS = –1,7°C, natomiast w lipcu teL = 6,5–32,1°C, przy średniej teśrL = 19,4°C. Z uwagi na większą czytelność uzyskanych wyników w zakresie przebiegu temperatur w fasadzie miesiąc podzielono na cztery krótsze okresy, co ilustrują rys. 10 i 12.

Podsumowanie

Przeanalizowano dwa warianty szklanej fasady zintegrowanej z ogniwami fotowoltaicznymi (PV): W0 – bez obiegu powietrza, W1 – z obiegiem powietrza. Na podstawie analizy uzyskanych wyników stwierdzono, że zastosowanie szklanej fasady zintegrowanej z PV powoduje zmniejszenie zużycia energii zarówno w przypadku chłodzenia w lipcu, jak i ogrzewania w styczniu dla wariantu z obiegiem powietrza (W1). Zużycie energii na chłodzenie zmniejszyło się o 5%, a na ogrzewanie o 19%. Można zatem przypuszczać, że przepływające powietrze schładza ogniwa PV, nie dopuszczając tym samym do obniżenia ich sprawności pod wpływem wzrostu temperatury w fasadzie.

Zaobserwowano także skrócenie czasu pracy obu systemów dla wariantu W1 w porównaniu do wariantu W0. Jednak różnice te są nieznaczne, nie przekraczają doby w przypadku systemu ogrzewania.

Ilość energii wygenerowanej przez ogniwa PV w styczniu jest praktycznie identyczna w obu przypadkach (W0 oraz W1). Wynosi ona odpowiednio 233,0 oraz 233,58 kWh. Natomiast w lipcu większa ilość energii została wygenerowana przez ogniwa PV dla wariantu W1 (716,49 kWh). W wariancie W0 uzyskano o ok. 4 kWh mniej energii niż w W1 (W0: 712,41 kWh).

Uzyskane wyniki odnoszą się do przyjętych przez autorów parametrów materiałowych oraz sposobu eksploatacji obiektu. Przyjęcie innej wymiany powietrza w przestrzeni wentylowanej czy też innych parametrów ogniw fotowoltaicznych może skutkować poprawą bądź pogorszeniem efektywności energetycznej przedstawionego rozwiązania.

Zatem dalszym, ciekawym kierunkiem rozważań może być optymalizacja energetyczna zastosowanej konstrukcji poprzez zastosowanie innych materiałów, wprowadzenie przepływu powietrza zwiększającego chłodzenie ogniw itp. Interesujące mogą się również okazać wyniki dla różnej orientacji geograficznej przedmiotowej fasady oraz wpływ wysokości obiektu na ilość zaoszczędzonej i wygenerowanej energii.

Literatura

1. Jastrzębska Grażyna, Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie, WKŁ, Warszawa 2014.
2. Muszyńska-Łanowy Magdalena, Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort, Cz. 1, „Świat Szkła” 11/2010.
3. Muszyńska-Łanowy Magdalena, Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort, Cz. 2, „Świat Szkła” 1/2011.
4. https://www.esru.strath.ac.uk/programs (dostęp: 5.09.2019).
5. https://openstudio.net (dostęp: 5.09.2019).
6. https://windows.lbl.gov/software/window (dostęp: 5.09.2019).
7. 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.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!