Praktyczne zastosowanie podwójnej fasady w systemie wentylacji budynku

Zintegrowanie podwójnych fasad z systemem wentylacji budynku

Sposób zintegrowania podwójnych fasad z systemem wentylacji jest bardzo istotnym zagadnieniem z punktu widzenia efektywności energetycznej całego budynku. W literaturze [1, 2] podano wiele czynników podstawowych, które należy określić na wstępnym etapie projektu instalacji wentylacyjnej budynku z podwójnymi fasadami.

Najważniejsze z nich to:

• zdefiniowanie funkcji podwójnej fasady w budynku. Opisane powinny zostać wymagania dotyczące wartości strumienia powietrza wentylującego, charakterystyki cieplnej budynku i możliwości regulacyjnych systemu,
• wybranie typu podwójnej fasady i elementów w niej zastosowanych, a także jej wymiarów,
• zaprojektowanie takiego systemu wentylacji budynku, który można połączyć z podwójnymi fasadami,
• określenie strategii regulacyjnej dla pełnego systemu wentylacji budynku.

Należy pamiętać, że system wentylacji budynku z podwójnymi fasadami może być użytkowany na trzy różne sposoby:

1. Pełny system wentylacji mechanicznej z podwójnymi fasadami niebędącymi jego częścią. Wiąże się on z wysokim zużyciem energii, istnieje jednak możliwość wybrania przez użytkownika dwóch różnych wariantów zapewnienia warunków wewnętrznych w pomieszczeniach – albo poprzez wentylację mechaniczną, albo tylko wentylację naturalną wykorzystującą podwójne fasady.
2. Ograniczony system wentylacji mechanicznej, w którym podwójna fasada jest częściowo elementem systemu albo odgrywa główną rolę w zapewnieniu stosownych warunków mikroklimatu. Podwójna fasada może pełnić funkcję wstępnego podgrzania powietrza wentylacyjnego, wywiewnego kanału wentylacyjnego oraz wstępnego chłodzenia, szczególnie w przypadku nocnego przewietrzania budynku.
3. Brak systemu wentylacji mechanicznej, podwójna fasada zapewniająca jedynie wentylację naturalną budynku. Teoretycznie jest to sytuacja idealna, pozwalająca osiągnąć oszczędności energetyczne przy najmniejszych nakładach inwestycyjnych. Należy jednak pamiętać, że w tym wypadku nie jest możliwa precyzyjna kontrola parametrów mikroklimatu w pomieszczeniach budynku.

Obserwacje istniejących budynków z wentylowanymi podwójnymi fasadami i symulacje funkcjonowania projektowanych obiektów wskazują, że najbardziej efektywnym rozwiązaniem z punktu widzenia oszczędności energetycznych i możliwości zapewnienia odpowiednich warunków mikroklimatu jest ograniczony system wentylacji mechanicznej z możliwością podgrzania lub schłodzenia powietrza nawiewanego do wymaganego poziomu.

Wówczas w okresie grzewczym powietrze wentylacyjne czerpane jest w dolnej części fasady i wstępnie podgrzewane w szczelinie, a następnie w centrali wentylacyjnej doprowadzane do odpowiedniej temperatury nawiewu. W okresach przejściowych, gdy temperatura zewnętrzna nie spada poniżej 7°C i w sposób ciągły występują zyski ciepła od nasłonecznienia, można zrezygnować z pracy nagrzewnic i wykorzystywać jedynie efekt odzysku ciepła w szczelinie fasady.

Powietrze w szczelinie jest mieszane z powietrzem zewnętrznym w taki sposób, by można było uzyskać odpowiednią temperaturę w pomieszczeniach. Gdy temperatura zewnętrzna staje się zbyt niska bądź promieniowanie słoneczne jest niewystarczające, należy w pełni wykorzystać możliwości nagrzewnicy w centrali wentylacyjnej. Działanie fasady w pomieszczeniu w okresie grzewczym pokazano na rys. 1.

W godzinach nocnych podwójna fasada może być wykorzystywana jako kanał wywiewny, co daje dodatkowy efekt izolacji cieplnej budynku. Również w okresie letnim fasada może służyć jako kanał wywiewny, usuwając w dużym stopniu zyski ciepła od nasłonecznienia i zmniejszając temperaturę na powierzchni wewnętrznej fasady, co pokazano na rys. 2.

Bardzo istotną funkcję z punktu widzenia oszczędności energii chłodniczej w okresie letnim fasada podwójna powinna spełniać przy tak zwanym przewietrzaniu nocnym. Może się ono odbywać poprzez wykorzystanie jedynie efektu wentylacji naturalnej lub być wspomagane przez wentylator wywiewny. Powietrze zewnętrzne w ciągu kilku godzin nocnych, gdy jego temperatura osiąga najniższe wartości, może schłodzić zarówno samą fasadę, jak i wentylowane pomieszczenie, co pokazano na rys. 3.

Efekt cieplny działania podwójnej fasady jest często wzmacniany poprzez zastosowanie w ich wnętrzu czarno-białych rolet bądź żaluzji. Część czarna intensyfikuje zyski ciepła w szczelinie w okresie grzewczym, a biała ogranicza je latem. Działanie rolet nie powinno zakłócać dopływu światła naturalnego w godzinach dziennych. Tak jak przepustnice powietrza, mogą być one podłączone do centralnego układu regulacji systemu wentylacyjnego.

Jeśli podwójna fasada zostanie prawidłowo zintegrowana z ogólnym systemem wentylacji budynku i stworzony zostanie jednocześnie odpowiedni układ regulacji, wszystkie opisane powyżej funkcje fasady będą mogły zostać w pełni wykorzystane.

Układ automatycznej regulacji w systemie wentylacji z podwójnymi fasadami

Jak wspomniano, podstawowym problemem przy wykorzystaniu podwójnych fasad w budynku jest takie zdefiniowanie strategii regulacyjnej, by można było zużytkować zyski ciepła od nasłonecznienia w okresie grzewczym i usunąć je latem.

Według różnych autorów [2–5] możliwe jest stworzenie takiego systemu regulacji, który zapewni odpowiednie warunki mikroklimatu w pomieszczeniach przy zmieniających się parametrach powietrza zewnętrznego. Dla osiągnięcia tego efektu trzeba zsynchronizować pracę wszystkich elementów zintegrowanego systemu wentylacji (razem z podwójnymi fasadami) za pomocą układu regulacji. 

Przy opracowywaniu układu należy uwzględnić następujące zasady:

1. Użytkownicy pomieszczeń powinni mieć możliwość ingerencji w działanie systemu dla zapewnienia sobie odpowiednich warunków mikroklimatu, nawet wtedy, gdy powoduje to zwiększone zużycie energii.

2. Oszczędności w zużyciu energii mogą być osiągnięte tylko wtedy, gdy układ regulacji pozwala na maksymalne wykorzystanie warunków zewnętrznych, zanim przełączy system na pełną obróbkę powietrza w centrali wentylacyjnej.

3. Każdy element strategii regulacyjnej powinien wiązać wymagane warunki komfortu cieplnego z najniższym zużyciem energii.

4. Gdy nikogo nie ma w budynku, układ regulacji zapewnić ma jedynie oszczędności energii, podczas gdy w okresach użytkowania budynku priorytetem musi pozostać komfort przebywania ludzi w pomieszczeniach.

5. Zrealizowanie powyższych zasad będzie możliwe, jeśli układ regulacji zapewni: odpowiedni poziom temperatury w budynku, wystarczający strumień powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach oraz odpowiedni strumień światła naturalnego dochodzącego do pomieszczeń.

Na rys. 4 przedstawiono przykładowe rozwiązanie układu automatycznej regulacji dla systemu wentylacji wykorzystującej podwójne fasady [6]. Instalacja wentylacji mechanicznej podłączona do podwójnej fasady składa się z takich podstawowych elementów, jak: kanały nawiewne i wywiewne, centralna nagrzewnica i centralna chłodnica, wentylator ze zmiennym strumieniem powietrza oraz centralny regulator połączony z przepustnicami powietrznymi i czujnikami temperatury i ciśnienia.

Zasadniczymi elementami wykonawczymi są przepustnice powietrza i inne urządzenia ruchome: 

• przepustnice dA, dB, dC, dD regulują wielkość strumienia i kierunek powietrza wentylacyjnego;

• przepustnica dE reguluje wielkość strumienia powietrza nawiewanego do pomieszczenia i powinna być zamknięta, gdy pomieszczenie nie jest użytkowane;

• przepustnica dF reguluje wielkość strumienia powietrza wpływającego do szczeliny fasady;

• przepustnica dG zamykana jest w okresie grzewczym i otwierana w okresie letnim;

• okno dW reguluje wielkość strumienia powietrza wpływającego ze szczeliny do pomieszczenia w okresie grzewczym i latem podczas przewietrzania nocnego;

• roleta dSB w kolorze czarnym reguluje w pewnym zakresie temperaturę w szczelinie w okresie grzewczym;

• roleta dSW w kolorze białym redukuje zyski ciepła od nasłonecznienia.

W układzie regulacji zainstalowano:

• czujnik ciśnienia w szczelinie fasady na pierwszej kondygnacji – kontroluje on przepustnicę zapewniającą odpowiedni dopływ powietrza do szczeliny fasady;

• czujnik ciśnienia w centralnym kanale powietrznym – reguluje on wydajność powietrzną wentylatora zapewniającego odpowiedni strumień powietrza nawiewanego bądź wywiewnego;

• czujnik powietrza zewnętrznego;

• czujnik powietrza w szczelinie – określający, czy temperatura powietrza jest odpowiednia, by go wykorzystać do celów wentylacyjnych;

• czujnik temperatury w kanale powietrznym – regulujący temperaturę nawiewu powietrza, gdy w pełni działa system wentylacji mechanicznej;

• czujnik użytkowania pomieszczenia – odcina on pomieszczenie od systemu wentylacji w razie nieobecności użytkowników.

Istnieje wiele trybów działania układu automatycznej regulacji dla systemu wentylacji wykorzystującej podwójne fasady. Przykładowo w okresie grzewczym, gdy temperatura powietrza zewnętrznego znacznie spadnie, przepustnica dF kontroluje minimalny przepływ powietrza w szczelinie fasady. 

Jednocześnie by można było absorbować więcej zysków ciepła od nasłonecznienia, wykorzystuje się częściowo rolety w czarnym kolorze, co powoduje dodatkowy wzrost temperatury w szczelinie. Wytworzony efekt kominowy w fasadzie zapewnia odpowiedni strumień powietrza. Wentylator jest wyłączony i zużyte powietrze usuwane jest w sposób naturalny, płynąc drogą A-B-C-D. 

Czujnik ciśnienia w kanale wywiewnym kontroluje strumień powietrza. W przypadku gdy strumień ten jest zbyt mały, włączony zostaje wentylator o zmiennym przepływie powietrza, przy jednoczesnym zamknięciu przepustnicy dD i otwarciu przepustnicy dC.

Wywiewne powietrze podąża wówczas drogą A-B-C-E-F. Jeżeli nie wystąpią zyski ciepła od nasłonecznienia w szczelinie fasady, wentylator może być wykorzystany jako nawiewny przy zamkniętych przepustnicach dA, dF, dC i otwartych dB i dH. Powietrze nawiewane ogrzewane jest wtedy za pomocą centralnej nagrzewnicy, a szczelina fasady stanowi kanał wywiewny. 

Powietrze może być zawracane ze szczytu fasady i ponownie użyte do wentylacji budynku. Gdy pojawiają się znaczące zyski ciepła, powodując wyraźną różnicę temperatury między powietrzem w szczelinie i powietrzem zewnętrznym, układ włącza wentylator ponownie w trybie wywiewu. 

Może się zdarzyć, że temperatura zewnętrzna i odzysk ciepła w szczelinie spowodują, że nawet przy pełnym otwarciu przepustnicy dF wartość temperatury w szczelinie staje się za wysoka i wtedy rolety czarne powinny zostać zupełnie zwinięte.

W okresie letnim, gdy temperatura powietrza w szczelinie osiąga wartości wyższe niż powietrza w pomieszczeniach, fasada staje się kanałem wywiewnym, a wentylator pracuje w trybie wentylatora nawiewnego. Nawiewane powietrze chłodzone jest w chłodnicy centralnej, a wywiewane usuwa zbędne zyski z fasady. 

System ten można również wykorzystać w lecie do przewietrzania nocnego poprzez wentylację naturalną, wykorzystując jedynie kanał w szczelinie fasady przy zamknięciu pozostałych przepustnic, a także korzystając z wentylatora wywiewnego, otwierając przepustnice na drodze A-B-C-E-F.

Koszty i efekty finansowe zastosowania podwójnych fasad

W dostępnej literaturze poświęconej zastosowaniu podwójnych fasad w systemach wentylacji budynków niewiele miejsca poświęca się dodatkowym kosztom wykonania oraz utrzymania i konserwacji wentylowanych fasad. Z całą pewnością są one wyższe niż w przypadku fasad pojedynczych. 

Jednak powszechnie przyjmuje się, że przy prawidłowo zaprojektowanej podwójnej fasadzie i odpowiednim zintegrowaniu jej z systemem wentylacji budynku możliwe staje się wyraźne zredukowanie zużycia energii na potrzeby grzania, chłodzenia i transportu powietrza wentylacyjnego. 

Wielkość, o jaką zmniejszą się dzięki temu koszty eksploatacyjne budynku, zależy od wielu parametrów, które mają dwojaki charakter. Po pierwsze, są to parametry związane z samym budynkiem, takie jak: rozwiązanie architektoniczne i typ budynku, jego orientacja względem stron świata, godziny użytkowania oraz wymagania dotyczące systemu wentylacyjnego. 

Po drugie, są to parametry związane z lokalizacją budynku, takie jak: lokalny klimat i warunki pogodowe, dostępność światła dziennego oraz otoczenie budynku i wiążące się z nim częściowe przesłonięcie przez inne obiekty. Wszystkie te elementy należy szczegółowo przeanalizować przed podjęciem decyzji o zastosowaniu podwójnych fasad w budynku, a także w trakcie projektowania systemu wentylacji.

W jednej z publikacji [7] autor przeanalizował 78 budynków z podwójnymi fasadami oddanych do użytku w ostatnich 10 latach w dziewięciu krajach europejskich. Na tej podstawie oszacował koszty inwestycyjne oraz utrzymania i konserwacji fasad podwójnych i standardowych. 

Koszty inwestycyjne dla standardowych fasad wynoszą 300–500 euro/m², a dla fasad podwójnych 600–800 euro/m². Natomiast roczne koszty utrzymania w wypadku fasad standardowych wynoszą 2,5–3,5 euro/m², a dla fasad podwójnych 4,0–7,5 euro/m².

Mimo istnienia pewnej liczby budynków z podwójnymi fasadami eksploatowanych od wielu lat, trudno znaleźć w dość bogatej literaturze technicznej informacje na temat efektów oszczędności energii, wyrażone choćby wartością prostego okresu zwrotu (SPBT). Publikowane tego typu dane dotyczą teoretycznych analiz ekonomicznych opartych na symulacjach działania systemów wentylacji w budynkach z podwójnymi fasadami. 

Podawane wartości prostego okresu zwrotu, czyli czasu, jaki jest potrzebny, żeby wartość oszczędności energetycznych związanych z zastosowaniem podwójnych fasad pokryła dodatkowe koszty inwestycyjne i koszty konserwacji, mieszczą się w przedziale od 4,7 do 10 lat [8]. Niestety wartości te mają charakter jedynie pewnych wskaźników i trudno je porównywać, gdyż dotyczą bardzo różnych budynków, w których w indywidualny sposób eksploatuje się system wentylacyjny.

I tak w niektórych budynkach fasady podwójne wykorzystuje się jedynie jako element wentylacji naturalnej w okresie grzewczym i nie uwzględnia się możliwości nocnego przewietrzania budynku latem. W innych systemach z kolei podwójne fasady podłączone są do systemu wentylacji mechanicznej i, co za tym idzie, czas ich pracy w ciągu roku jest najdłuższy.

Wszystkie obserwacje dotyczące działania podwójnych fasad w systemach wentylacyjnych budynków wskazują, że ze względu na klimat i pogodę największą oszczędność energii można uzyskać w krajach środkowoeuropejskich, w tym w Polsce. Stwierdzono również, że najlepszymi obiektami z punktu widzenia oszczędzania energii i zapewnienia odpowiednich warunków mikroklimatu są budynki o użytkowaniu czasowym, na przykład biurowce.

Oszczędności energii sprowadzają się do efektów uzyskiwanych w okresie grzewczym i letnim, gdy wymagane jest chłodzenie pomieszczeń. Dla warunków klimatycznych środkowej Europy, gdy dostępne jest ciepło z promieniowania słonecznego, oszczędności energii grzewczej sięgają 35–55% rocznego zapotrzebowania budynku [6–9].

Oszczędności te wynikają ze wstępnego podgrzania powietrza w systemie wentylacji mechanicznej, jak również wykorzystania wprost podgrzanego powietrza (bez konieczności użycia nagrzewnicy) przez wentylację naturalną, gdy temperatura powietrza zewnętrznego przyjmuje stosunkowo wysokie wartości (powyżej 7°C). 

W okresie letnim oszczędności energii potrzebnej na chłodzenie pomieszczeń uzyskuje się w pewnej mierze, usuwając zyski ciepła od nasłonecznienia poprzez wykorzystanie wymuszenia (naturalnego bądź mechanicznego) przepływu powietrza w podwójnej fasadzie. Jednocześnie trzeba przyznać, że jest to działanie i tak konieczne, ponieważ bez odprowadzania powietrza temperatura w szczelinie fasady może znacznie wzrosnąć i zamiast oszczędzania energii konieczne będzie chłodzenie. 

W warunkach klimatu środkowoeuropejskiego znaczące efekty oszczędności energii chłodniczej można uzyskać dzięki wykorzystaniu podwójnych fasad do przewietrzania nocnego, najlepiej poprzez wentylację naturalną. Dzięki tej operacji usunąć można tzw. rezydualne zyski ciepła przesunięte w czasie z godzin dziennych, jednocześnie zwiększając możliwości akumulacji zysków ciepła przez budynek następnego dnia. 

Oszczędność energii chłodniczej w okresie letnim szacuje się na ok. 40% [9]. Przy zastosowaniu odpowiedniej regulacji opartej na przewidywaniu warunków pogodowych oszczędności te mogą wzrosnąć do ok. 60% sezonowego zapotrzebowania na energię chłodniczą.

Należy również zaznaczyć, że pojawiają się nieliczne sceptyczne głosy na temat zasadności stosowania podwójnych fasad w systemach wentylacyjnych budynku. Jednak z drugiej strony, szczególnie w Europie Środkowej i Północnej zauważa się coraz więcej realizacji, w których w pełni wykorzystuje się podwójne fasady i według ich użytkowników osiągane są znaczne oszczędności energetyczne przy jednoczesnym zapewnieniu satysfakcjonujących warunków mikroklimatu.

Podsumowanie

Zastosowanie podwójnej fasady w systemie wentylacyjnym budynku może przynieść korzyści tylko wtedy, gdy cały system jest w pełni zintegrowany i odpowiednio regulowany. 

Stwierdzono, że najbardziej efektywnym rozwiązaniem z punktu widzenia oszczędności energetycznych i możliwości zapewnienia korzystnych warunków mikroklimatu w pomieszczeniach jest przyjęcie takiego systemu wentylacji budynku, w którym podwójna fasada może być częściowo elementem systemu albo odgrywać główną rolę w procesie wentylacji.

Podwójna fasada może zapewniać wstępne podgrzanie powietrza wentylacyjnego, pełnić funkcję wywiewnego kanału wentylacyjnego oraz wstępnego chłodzenia, szczególnie w przypadku nocnego przewietrzania budynku. W takim systemie wentylacyjnym istnieje zawsze możliwość podgrzania lub schłodzenia powietrza nawiewanego do wymaganej temperatury. 

Wykorzystanie wszystkich funkcji podwójnej fasady opisanych powyżej wymaga stworzenia nieco bardziej skomplikowanego układu regulacji niż wykorzystywany jest w konwencjonalnych systemach wentylacyjnych. Oszczędności w zużyciu energii mogą być osiągnięte tylko wtedy, gdy układ regulacji pozwala na maksymalne wykorzystanie warunków zewnętrznych, zanim przełączy system na pełną obróbkę powietrza w centrali wentylacyjnej.

Zaobserwowano, że klimat i warunki pogodowe w krajach środkowoeuropejskich, w tym w Polsce, sprzyjają uzyskaniu wyraźnych oszczędności energetycznych w systemach wentylacyjnych budynków z podwójnymi fasadami. Stwierdzono również, że najlepszymi obiektami z punktu widzenia oszczędzania energii i zapewnienia odpowiednich warunków mikroklimatu są budynki o czasowym użytkowaniu, na przykład biurowce.

W artykule jedynie zasygnalizowano niektóre zagadnienia dotyczące praktycznego zastosowania podwójnej fasady w systemach wentylacyjnych budynków. Pełny obraz przedstawionego rozwiązania będzie można uzyskać po dokładnej analizie wieloletnich obserwacji działania systemów wentylacyjnych tego typu.

Literatura

1. Stec W., van Paassen A.H.C., Integration of the Double Skin Façade with the buildings, Energy in Built Environment, Energy Technology, TU Delft, Mekelweg 2, 2628 CD, Delft, The Netherlands, 2003.
2. Oesterle E., Lieb R.-D., Lutz M., Heusler W., Double Skin Facades – Integrated Planning, Prestel Verlag, Munich 2001.
3. Manz H., Simmler H., Experimental and numerical study of a mechanically ventilated glass double façade with integrated shading device, Proceedings of the Building Physics Conference, Belgium 2003.
4. Flamant G., Heijmans N., Guiot E., Gratia E., Bruyere I., Ventilated Double Facades. Determination of the energy performances of ventilated double facades by the use of simulation integrating the control aspects. Final report, Belgian Building Research Institute, Dept. of Building Physics, Indoor Climate and Building Services, 12/2004.
5. Poirazis H., Double skin facades for office buildings; a literature review, Division of Energy and Building Design, Department of Construction and Architecture, Lund Institute of Technology, Lund University, Sweden 2004.
6. Bugaj A., Stec W., Application of double skin façade in the ventilation system, Proceedings of 10th International Conference Air Conditioning & Heating, Wrocław 2002.
7. Jager W., Double Skin Facades – Sustainable Concepts, Presentation of Hydro for Syd Bygg 2003, Malmö, Sweden.
8. Cakmanus I., Optimization of Double Skin Façades for Buildings, Proceedings of Clima WellBeing Indoors Conference 2007, Ankara, Turkey.
9. Stec W.J., van Paassen A.H.C., Symbiosis of the double skin façade with the HVAC system, „Energy and Buildings” No. 37 (2005).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!