Podwójna fasada – efektywny element systemu wentylacji budynku

Jednym z podstawowych sposobów zoptymalizowania efektywności energetycznej budynku oraz osiągnięcia wymaganych warunków mikroklimatu jest zastosowanie odpowiedniego rozwiązania architektonicznego – uwzględniającego oba te zagadnienia. Ważnym elementem projektu architektonicznego budynku jest zastosowanie fasad o odpowiedniej konstrukcji.

Optymalnym rozwiązaniem wydaje się zastosowanie takich fasad, które mogłyby współpracować z systemami ogrzewania i wentylacji w budynku i wspólnie tworzyłyby odpowiedni mikroklimat w pomieszczeniach, zapewniając jednocześnie jak najniższe zużycie energii.

W ostatnich latach na świecie coraz częściej w budynkach wysokich o dużym przeszkleniu stosuje się tak zwane wentylowane fasady podwójne [1–3]. Mają one zwiększać efektywność energetyczną budynku i zapewniać wysoką wartość użytkową.

Opis wentylowanej fasady podwójnej

Podwójna fasada składa się z dwóch powierzchni szklanych tworzących szczelinę, przez którą przepływa powietrze. Odległość między tymi powierzchniami może wynosić od 10 cm do 2 m. W szczelinie umieszczone są żaluzje lub rolety odpowiedniej konstrukcji, które kontrolują dopływ promieniowania słonecznego do pomieszczeń.

Przepływ powietrza w szczelinie tworzącej kanał wentylacyjny może być związany z wentylacją naturalną lub wspomaganą wentylatorem bądź wentylacją całkowicie mechaniczną. Powierzchnię wewnętrzną stanowi okno o podwójnym oszkleniu, a zewnętrzną pojedyncza tafla wzmocnionego szkła.

Rys. 1 ilustruje konstrukcję podwójnej fasady wentylowanej i sposób jej działania. Przepływ powietrza w szczelinie i strumień powietrza wentylacyjnego doprowadzanego do każdego z pomieszczeń regulowane są przez pięć rodzajów przepustnic spełniających różne funkcje, do których należą:

• przepustnice w najniższym punkcie fasady regulujące przepływ powietrza w szczelinie powodowany przez efekt kominowy i ciśnienie wiatru;
• przepustnice zewnętrzne na poszczególnych kondygnacjach otwierające szczelinę na powietrze zewnętrzne i w pewnym zakresie regulujące panującą w niej temperaturę;
• przepustnice dzielące szczelinę na kondygnacje;
• przepustnice otwierające szczelinę na pomieszczenia i regulujące strumień powietrza wpływający do pomieszczenia;
• przepustnice na szczycie fasady, które otwierają (w lecie) i zamykają (w zimie) przepływ powietrza;
• przepustnice w kratkach kontaktowych w pomieszczeniach kontrolujące układ ciśnień w budynku wraz z wentylatorem wywiewnym.

Wymiana ciepła w szczelinie fasady regulowana jest przez przepustnice, które mogą zwiększać bądź zmniejszać przepływ powietrza oraz poprzez usytuowane w szczelinie rolety kontrolować zyski ciepła od nasłonecznienia. Dzięki takiemu wyposażeniu szczelin w okresie grzewczym podwójna fasada powinna izolować budynek, wyraźnie zmniejszając jego straty ciepła i jednocześnie zwiększając zyski od nasłonecznienia w szczelinie i w samych wentylowanych pomieszczeniach.

W okresie letnim fasada powinna efektywnie chronić pomieszczenia przed zyskami ciepła od nasłonecznienia, równocześnie umożliwiając dostęp światła naturalnego, oraz zapewnić, jeśli jest to możliwe, chłodzenie pomieszczeń powietrzem zewnętrznym.

Zalety stosowania wentylowanych fasad podwójnych można podsumować następująco:

• Izolacja akustyczna – rozwiązanie to pozwala w znacznym stopniu ograniczyć hałas pochodzący z zewnątrz.
• Izolacja cieplna – podczas sezonu grzewczego dodatkowa powierzchnia fasady zwiększa zasadniczo opór cieplny całej konstrukcji. Co więcej, przepływające powietrze i wyższa temperatura powietrza w szczelinie niż na zewnątrz obiektu zdecydowanie obniżają straty ciepła w budynku. Natomiast w okresie letnim zyski od nasłonecznienia można wyraźnie zmniejszyć, usuwając jednocześnie ogrzane powietrze poprzez otwarcie przepustnic na szczycie fasad.
• Naturalna wentylacja (lub wspomagana wentylatorem wyciągowym) – możliwość jej zastosowania jest jedną z podstawowych zalet podwójnych fasad. Wybór odpowiedniej fasady pozwala osiągnąć taki efekt naturalnej wentylacji, który zapewni wyraźne oszczędności energetyczne i korzystne warunki mikroklimatu w pomieszczeniach.
• Wentylacja nocna – w okresie letnim można wykorzystać naturalną wentylację poprzez przechłodzenie pomieszczeń za pomocą powietrza zewnętrznego. Dzięki tej operacji usuwa się zyski ciepła z dnia poprzedniego, jednocześnie zwiększając potencjał akumulacyjny całego budynku.
• Oszczędność energii – podwójne fasady mogą zapewnić znaczne oszczędności cieplne i wynikające z transportu powietrza, gdyż naturalna wentylacja może być jedynie wzmacniana (w razie potrzeby) niewielkimi wentylatorami wyciągowymi.
• Lepsza ochrona zewnętrznych osłon przeciwsłonecznych – żaluzje lub rolety instaluje się w przestrzeni szczelinowej i dzięki temu chronione są przed niekorzystnymi warunkami zewnętrznymi.
• Komfort cieplny związany z temperaturą przegrody wewnętrznej – ponieważ w okresie grzewczym powietrze w szczelinie fasady jest zawsze cieplejsze od powietrza zewnętrznego, wewnętrzna część fasady utrzymuje temperaturę blisko poziomu komfortu (w odróżnieniu od fasady pojedynczej). Natomiast w okresie letnim przez wiele godzin efekt cieplny jest odwrotny (powierzchnia chłodniejsza niż w przypadku fasady pojedynczej), co również zapewnia lepsze warunki komfortu cieplnego.

Wykorzystanie wszystkich zalet podwójnej fasady wentylowanej wiąże się niestety z dodatkowymi kosztami inwestycyjnymi. Jednak kilkuletnie obserwacje budynków z podwójną fasadą w warunkach klimatu Europy Środkowej wykazują, że dodatkowe koszty w ciągu 5–7 lat są pokrywane przez oszczędności eksploatacyjne [4].

Analiza działania podwójnej fasady wentylowanej

W warunkach klimatu środkowoeuropejskiego można wykorzystywać podwójną fasadę w dwojaki sposób. W okresie grzewczym fasada pełni funkcję kolektora słonecznego, który wstępnie ogrzewa powietrze wentylacyjne, a także swoistego kanału powietrza nawiewnego w systemie wentylacyjnym.

Drugą funkcją podwójnej fasady jest zapewnienie odpowiedniej izolacji cieplnej, zarówno w zimie, ograniczając straty ciepła budynku, jak i w lecie, zmniejszając zyski od nasłonecznienia w dzień i zapewniając efekt chłodzenia nocnego.

Najważniejszym elementem przy tworzeniu modelu obliczeń dla podwójnej fasady jest dokładne określenie wielkości przepływu powietrza w wentylowanej szczelinie. Jak wcześniej wspomniano, fasada może być wentylowana w sposób naturalny bądź mechaniczny.

Dla naturalnie wentylowanych szczelin powietrze jest wprowadzane do fasady i z niej usuwane dzięki ciśnieniu wiatru i efektowi kominowemu. Dlatego w pewnych okresach eksploatacji działanie fasady może mieć charakter dość chaotyczny, ze zmieniającym się i trudnym do określenia przepływem powietrza.

Remedium na te trudności jest wspomożenie efektu wentylacji naturalnej niewielkim wentylatorem wyciągowym lub zastosowanie w pełni mechanicznej wentylacji. Można również te trzy sposoby potraktować kompleksowo, nie wykluczając żadnego z nich.

W praktyce będzie to wyglądało w ten sposób, że fasada podłączona jest do systemu mechanicznej wentylacji z pełną obróbką temperaturową powietrza. Jednak jeśli warunki zewnętrzne pozwalają, by wentylacja naturalna sama lub z niewielkim wspomaganiem ciągu zapewniła odpowiednie parametry mikroklimatu, system mechaniczny z centralami wentylacyjnymi powietrza nie musi w ogóle być włączany.

Jeśli przepływ powietrza wymuszany jest mechanicznie, znana będzie wartość strumienia powietrza w szczelinie. Natomiast przy wentylacji naturalnej przepływ powietrza może być jedynie szacowany, dokładne przeliczenie jego wielkości jest bowiem skomplikowanym procesem obejmującym parametry o bardzo dużej zmienności.

Dodatkowo może się okazać, że przepływ powietrza w szczelinie dla pewnych warunków zewnętrznych powinien być redukowany do wartości odpowiadającej wymaganym strumieniom w poszczególnych pomieszczeniach.

Znajomość temperatury powietrza w szczelinie jest zawsze bardzo istotnym czynnikiem, szczególnie wtedy, gdy przepływające powietrze wykorzystywane jest bezpośrednio do wentylowania pomieszczeń. Temperatura i przepływ powietrza w szczelinie są parametrami, które wzajemnie na siebie wpływają i nie można ich wartości określić niezależnie.

Generalnie można przyjąć, że temperatura powietrza w szczelinie może być regulowana przez wielkość przepływu powietrza. Rozważania te pokazują, jak ważne dla uzyskania odpowiednich efektów cieplnych jest działanie zespołu przepustnic zainstalowanych na podwójnej fasadzie.

Nie istnieją niestety inżynierskie narzędzia analityczne, które umożliwiałyby policzenie w prosty sposób efektów działania podwójnej fasady wentylowanej. Obecnie wykorzystywane są programy symulacyjne i modele pozwalające zwymiarować systemy podwójnej fasady i określić wszystkie efekty energetyczne związane z ich eksploatacją.

Takie programy symulacyjne zostały wykonane dla różnych modeli wentylowanych fasad podwójnych [5–8], a na potrzeby artykułu skorzystano ze wskazówek zawartych w [9–10]. Dla prostego opisu efektów cieplnych, jakie można uzyskać dzięki wentylowanej fasadzie podwójnej, zastosowano pojedynczy wskaźnik jej działania.

W okresie grzewczym, gdy fasada działa jak kolektor słoneczny, powietrze wentylacyjne jest w niej wstępnie podgrzewane i proces ten opisany może być poprzez wskaźnik sprawności odzysku ciepła wewnątrz fasady (h_s,i). Miarą zapotrzebowania na ciepło do podgrzania powietrza jest różnica między temperaturą wymaganą w pomieszczeniu (T_p) a temperaturą powietrza zewnętrznego (T_z).

Natomiast miarą podgrzania powietrza przez fasadę jest różnica między temperaturą w szczelinie fasady na każdym piętrze (T_s,i) a temperaturą powietrza zewnętrznego. Stosunek tych dwóch miar daje wskaźnik sprawności odzysku ciepła w fasadzie i wyraża się następującym wzorem:

W okresie letnim odzysk ciepła jest zbędny, a zadaniem podwójnej fasady jest ochrona pomieszczenia przed zyskami ciepła od nasłonecznienia, czyli stanowi ona dodatkową warstwę izolacyjną, przez którą efektywnie można odprowadzać powstające zyski. Można również wykorzystać fasadę wentylowaną na potrzeby chłodzenia pomieszczeń, jeśli temperatura powietrza zewnętrznego jest odpowiednio niższa od temperatury w pomieszczeniach.

Ten efekt chłodzenia jest najbardziej widoczny przy przewietrzaniu nocnym, gdy temperatura zewnętrzna jest najniższa. W tej sytuacji również można zastosować wskaźnik sprawności odzysku ciepła, ale odzyskujemy wtedy ciepło z pomieszczeń, a nie ze szczeliny fasady, jak ma to miejsce w sezonie grzewczym.

Na podstawie wielokrotnych symulacji działania wentylowanej fasady podwójnej określono zależność sprawności odzysku ciepła od warunków zewnętrznych (temperatura, promieniowanie słoneczne i ciśnienie wiatru, wymiary szczeliny, wymiary otworów wlotowych i wywiewnych, wysokość budynku). Na potrzeby symulacji wybrano cztery systemy wentylowanych fasad podwójnych z odpowiednio ustawionymi przepustnicami:

• Podwójna fasada z regulowanym strumieniem powietrza w szczelinach (S1). Jest to wielopiętrowa fasada z zamkniętym otworem wywiewnym na szczycie budynku. Przepustnica w otworze wlotowym reguluje strumień powietrza w szczelinie tak, by wystarczył on dla zapewnienia efektu wentylacji wszystkich pomieszczeń. Dodatkowo wspomagający wentylator wyciągowy może pomóc w zapewnieniu dopływu odpowiedniej ilości powietrza do pomieszczeń.
• Fasada z nieregulowanym strumieniem powietrza w szczelinie (S2). Przepustnice między kondygnacjami w szczelinie są otwarte bądź w ogóle nie są zainstalowane. Szczytowa część szczeliny w fasadzie jest otwarta, pozwalając na usunięcie przepływającego powietrza na zewnątrz.
• Fasada z przepustnicami na każdym piętrze otwartymi na zewnątrz (S3). Otwarte przepustnice zewnętrzne pozwalają na wymianę ciepła pomiędzy szczeliną a powietrzem zewnętrznym. Stwierdzono, że może to być najlepszy system w okresie letnim, kiedy wymagane jest chłodzenie. Jednak w okresie grzewczym z powodu otwartych przepustnic zewnętrznych na każdym piętrze efekt wstępnego podgrzania powietrza będzie dużo mniejszy niż w innych systemach z zamkniętymi przepustnicami zewnętrznymi.
• Przepustnice zewnętrzne otwarte na każdej kondygnacji, ale kondygnacje są oddzielone jedna od drugiej (S4). W tym przypadku fasada na każdej kondygnacji stanowi własny obieg powietrza. Ten system jest najprostszy w regulacji, ponieważ taki sam obieg stosowany jest na każdym piętrze i w ten sposób unika się dużego gradientu temperatury na różnych poziomach szczeliny w fasadzie. Można przyjąć, że na każdym piętrze temperatura w szczelinie ma podobną wartość.

Dla wszystkich czterech systemów wentylowanej fasady obliczono wartości sprawności odzysku ciepła w przypadku budynku cztero- i dziesięciopiętrowego. Na wykresach podano średnie wartości wskaźników sprawności w zależności od szerokości szczeliny – na rys. 2 dla budynku dziesięciopiętrowego, a na rys. 3 dla czteropiętrowego.

Na wykresach tych można zauważyć, że najwyższe wartości sprawność odzysku ciepła osiąga przy najwęższych szczelinach (najwięcej przy szczelinie o szerokości 0,05 m). Informacja ta ma znaczenie jedynie teoretyczne, ponieważ za pomocą takiej szczeliny nie można dostarczyć strumienia powietrza, który byłby wystarczający na potrzeby wentylacyjne.

Najwyższe wartości sprawności odzysku ciepła uzyskuje się w systemie S1 z fasadą o regulowanym strumieniu powietrza, a najniższe w systemie S4, gdy fasada na każdym piętrze tworzy osobny obieg powietrza.

Wyniki symulacji pokazują również, że wartości wskaźników sprawności są większe dla wyższych budynków – zależność ta dotyczy wszystkich systemów z wyjątkiem S4.

Analizy oparte na przedstawionych wynikach licznych symulacji działania wentylowanej podwójnie fasady pozwoliły wyciągnąć następujące wnioski:

• Wymiary szczeliny (szerokość i wysokość) mają największy wpływ na przepływ powietrza i wymianę ciepła w podwójnej fasadzie. A co za tym idzie, wymiary szczeliny są najważniejszymi parametrami przy projektowaniu fasady.
• W wypadku wysokich budynków z fasadami o wąskich szczelinach mogą wystąpić problemy z zapewnieniem odpowiedniego strumienia powietrza dla celów wentylacyjnych.
• Podwójna fasada z regulowanym strumieniem powietrza działająca przy zamkniętym otworze wywiewnym i jednym regulowanym otworze wlotowym wydaje się interesującym rozwiązaniem dla wstępnego podgrzewania powietrza. Przykładowo dla budynku czteropiętrowego ze szczeliną fasady o szerokości 0,2 m sprawność odzysku ciepła wynosi ok. 40%. Jednak zgodnie z wynikami symulacji sprawność może zostać zwiększona do 72%, jeżeli odpowiednio regulowany będzie strumień powietrza w szczelinie.
• Możliwy do zrealizowania jest podział szczelin w fasadzie wysokich budynków na oddzielne części dla wydzielonych trzech lub czterech kondygnacji. Te wydzielone części powinny być zaopatrzone w osobne otwory wlotowe i wywiewne. Jeżeli podział zostanie wykonany dla każdego piętra, sprawność odzysku ciepła spadnie do 35%.
• Dla potrzeb chłodzenia w okresie letnim, a szczególnie nocnego przewietrzania pomieszczeń fasada musi być zaopatrzona w przepustnice zewnętrzne na każdej kondygnacji i w czasie chłodzenia muszą być one w pełni otwarte.

Podsumowanie

Stwierdzono, że zastosowanie wentylowanej fasady podwójnej może zwiększyć efektywność energetyczną budynku i poprawić warunki mikroklimatu w jego wnętrzu. Wyszczególnione w artykule zalety stosowania tego typu fasady w budynkach o dużych przeszkleniach pozwalają w wielu przypadkach uzasadnić wybór takiego rozwiązania.

Wentylowana fasada zaopatrzona jest w szereg przepustnic, których odpowiednie ustawienie tworzy kilka kombinacji jej działania. Decyzja dotycząca wyboru rozwiązania z podwójną fasadą zależy od efektu, jaki chcemy uzyskać w systemie wentylacyjnym budynku. Może być nim ogrzanie powietrza wentylującego, usunięcie zysków ciepła od nasłonecznienia czy też przechłodzenie pomieszczeń poprzez wentylację naturalną w godzinach nocnych.

Obecnie brakuje prostych narzędzi inżynierskich, które mogą być pomocne przy projektowaniu i analizie działania wentylowanej fasady podwójnej. Istnieje natomiast wiele programów symulacyjnych wykorzystujących modele budynków z podwójnymi fasadami, z których korzystają projektanci. Wygodnym wskaźnikiem określającym pracę wentylowanej fasady jest wskaźnik sprawności odzysku ciepła, który można użyć zarówno dla opisania efektu podgrzania powietrza, jak i efektu przechłodzenia pomieszczeń za pomocą powietrza zewnętrznego.

Rozważania na temat działania wentylowanej fasady podwójnej zawarte w artykule dotyczą w dużej mierze wentylacji naturalnej bądź wspomaganej jedynie wentylatorem wyciągowym. Zastosowanie fasady podwójnej w systemie mechanicznej wentylacji z pełną obróbką powietrza (ogrzewanie i chłodzenie) to nieco szerszy temat (szczególnie z punktu widzenia sposobów regulacji), który zostanie omówiony w kolejnym artykule.

Literatura

1. Loneour X., Deneyer A., Blasco M., Flamant P., Ventilated double facades – Classification & illustrations of façade concepts, Belgium Building Research Institute, 2004.
2. Oesterle E., Lieb R-D., Lutz M., Heusler W., Double Skin Facades – Integrated Planning, Prestel Verlag: Munich, Germany, 2001.
3. Poirazis H., Double Skin Façades: a literature review, Report for the IEA SHC Task 34 ECBCS Annex 43, 2006.
4. Shameira M.A., Alghoub K., Sopianb K., Perspective of Double Skin Facade systems in buildings and energy savings, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” No. 15 (2011).
5. Gratia E., De Herde A., Natural Ventilation in a Double­‑Skin Façade, „Energy and Buildings” No. 36 (2004).
6. Saelens D., Carmeliet J., Hens H., Energy performance assessment of multiple skin facades, „International Journal of HVAC & R Research” No. 9 (2003).
7. Saelensa S., Roels H., Hens P., Strategies to improve the energy performance of multiple-skin facades, „Building and Environment” No. 43 (2008).
8. Hoseggen R., Wachenfeldt B.J., Hanssen S.O., Building simulation as an assisting tool in decision making case study: with or without a double skin facade?, „Energy and Buildings” No. 40 (2008).
9. Bugaj A., Stec W., Double skin façade – a tool of ventilation, Proceedings of 10th International Conference Air Conditioning & Heating, Wrocław 2002.
10. Stec W., van Paassen A.H.C., Defining the Performance of the Double Skin Facade with the Use of the Simulation Model, Proceedings of Building Simulation 2003, Netherlands.