System bierny wykorzystuje promieniowanie słoneczne bezpośredni

System bierny wykorzystuje promieniowanie słoneczne bezpośredni

Wpływ rozwiązań energooszczędnych na architekturę
jednorodzinnych budynków mieszkalnych
Anna Borzyszkowska
Opiekun naukowy
Studenckie Koło Naukowe BIOARCHITEKTURA
dr inż. arch. Grzegorz Wojtkun
Wydział Budownictwa i Architektury
Politechnika Szczecińska
1. STRESZCZENIE:
Przełom XX i XXI wieku przyniósł zdecydowany postęp w dziedzinie rozwiązań
energooszczędnych w budownictwie mieszkaniowym. Wiązało się to niewątpliwie ze wzrostem
świadomości społecznej w zakresie ochrony środowiska naturalnego oraz coraz bardziej realną
groźbą wyczerpania się jego zasobów. Stąd też w ostatnim czasie można zaobserwować liczne
działania mające na celu racjonalne gospodarowanie energią oraz próby pozyskiwania jej ze źródeł
odnawialnych za pomocą zarówno prostych jak i wysokorozwiniętych środków technicznych.
2. WSTĘP
Lata 90. ubiegłego stulecia przyniosły zdecydowany postęp w dziedzinie rozwiązań
energooszczędnych w budownictwie mieszkaniowym. Wiązało się to niewątpliwie ze wzrostem
świadomości społecznej w zakresie ochrony środowiska naturalnego oraz coraz bardziej realną
groźbą wyczerpania się jego zasobów. Stąd też w ostatnim czasie można zaobserwować liczne
działania mające na celu racjonalne gospodarowanie energią oraz próby pozyskiwania jej ze źródeł
odnawialnych. Wszystko to spowodowało, że stosowane obecnie w mieszkalnictwie rozwiązania
techniczno-technologiczne charakteryzują się niską energochłonnością, ale co najważniejsze
umożliwiają stosowanie systemów wspomagających. Jak się okazuje promieniowanie słoneczne
jest jednym z najbardziej dostępnych i rozpowszechnionych źródeł energii odnawialnej.
Wykorzystuje się je do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej w
dwóch rodzajach systemów:
-
pasywnym – który umożliwia pozyskanie energii cieplnej w wyniku przewodzenia,
konwekcji i promieniowania,
-
aktywnym – który umożliwia pozyskiwanie i transport energii za pomocą kolektorów
dachowych, pomp cieplnych i wodnych.
Biorąc pod uwagę fakt, że w naszych warunkach klimatycznych rozwiązania bierne spełniają
minimum stawianych im wymagań, a w trakcie eksploatacji budynku nie pociągają za sobą
konieczności podejmowania jakiegokolwiek wysiłku ekonomicznego i organizacyjnego, to wydają
się szczególnie użyteczne. Stąd też w niniejszej pracy zostały one szerzej potraktowane.
3. SYSTEMY BIERNE W KSZTAŁTOWANIU BUDYNKÓW MIESZKALNYCH
W
systemach
biernych
(lub
inaczej
pasywnych)
promieniowanie
słoneczne
jest
wykorzystywane przede wszystkim do bezpośredniego ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych. W
tym celu dąży się do takiego ukształtowania bryły i usytuowania budynku względem stron świata
aby jak największa jego powierzchnia była wystawiona na działanie promieni słonecznych. Efekt
ten można jeszcze poprawić stosując różnego rodzaju przewodniki, np. szkło. Ten ostatni sposób
polega na przepuszczaniu promieniowania krótkofalowego przez przeszklenia, które jest następnie
pochłaniane i kumulowane w przystosowanych do tego celu elementach budynku (stropy, ściany),
a następnie emitowane do pomieszczeń w postaci promieniowania termicznego. Stąd też system
bierny generuje trzy rodzaje „zysku” energetycznego:
-
bezpośredni – w którym kluczową rolę odgrywa usytuowane pomieszczeń z dużymi
przeszkleniami na stronę południową,
-
pośredni – w którym wykorzystuje się dodatkowe elementy umieszczone za przeszkleniem
odbierające promieniowanie słoneczne, np. ciężkie i lekkie ściany termiczne, baseny itp.,
-
zysk kompilacyjny – poprzez atria, szklarnie, werandy itp.
W polskich warunkach klimatycznych sprawność energetyczna systemów pasywnych waha się od
20 do 60,0%. Jednak biorąc pod uwagę, fakt, że ich stosowanie jest związane jedynie z
początkowym okresem procesu inwestycyjnego (etap projektu architektonicznego), to takie
osiągnięcie można uznać za co najmniej zadowalające.
3.1. Układ funkcjonalno-przestrzenny budynku
3.1.1. Zasada strefowania pomieszczeń mieszkalnych
Istotny wpływ na wielkość zysków cieplnych z promieniowania słonecznego ma sposób
rozwiązania układu funkcjonalno-przestrzennego budynku. Stąd też pomieszczenia w nim
przewidziane powinny być przyporządkowane do jednej z poniższych stref temperaturowych:
I. T ≤ 16 C° – pomieszczenia pomocnicze, przedsionki, korytarze, cieplarnie,
II. T = 18-20C° – sypialnie, garderoby, pomieszczenia wc,
III. T = 20-22C° – pokoje dzienne, pracy, zabaw, kuchnie.
Pomieszczenia charakteryzujące się podobnymi parametrami temperaturowymi powinny
sąsiadować ze sobą w pionie lub poziomie, aby dodatkowo wyeliminować straty ciepła.
3.1.2.Usytuowanie pomieszczeń względem stron świata
Z uwagi na wymagania higieniczno-sanitarne wynikające z Warunków technicznych jakim
powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, a także na konieczność zapewnienia
odpowiedniego komfortu zamieszkania (mikroklimat) pomieszczenia w budynku powinny być
lokalizowane względem stron świata w następujący sposób:
-
strona północna (nawietrzna) – strefa buforowa skupiająca pomieszczenia o możliwie
najmniejszej ilości otworów oraz te, które nie wymagają ogrzewania, np. garaż, komórka,
schowek, warsztat (również kuchnie, sypialnie) itd.,
-
strona południowa (zawietrzna) – strefa przewodząca i akumulacyjna, tzn. skupiająca
pomieszczenia z większą ilością okien, np. pomieszczenia pobytu dziennego, cieplarnie itp.
Pomieszczenia lokalizowane od strony południowej powinny być jednoprzestrzenne bez
wyraźnych podziałów, które mogłyby zakłócić cyrkulację powietrza do części północnej
budynku. Stąd też partię wejściową umieszcza się zazwyczaj prostopadle do osi północpołudnie.
3.1.3. Rola przegród ściennych
Przegrody budowlane wystawione na działanie promieni słonecznych powinny umożliwiać
swobodne przenikanie ciepła do elementów akumulacyjnych w budynku. Rolę taką mogą pełnić
tafle szklane, dzięki którym uzyski termiczne sięgają nawet 20,0% globalnej sumy zysków ciepła
w przyjętej kubaturze. Proporcje wielkości ich powierzchni do podłóg powinny wahać się w
granicach od 1 : 6,0 do 1 : 6,5 (np. dla pokojów dziennych, jadalni). Przegrody takie najczęściej są
trójszybowymi układami (z zastosowaniem powłok selektywnych) wypełnionymi gazem, tzw.
kolektory słoneczne. Dodatkowym elementem wspomagającym kumulację ciepła wewnątrz
budynku mogą być folie refleksyjne, rolety, żaluzje itp.
3.1.4. Konstrukcja przegród
W przypadku stosowania biernych systemów energooszczędnych preferuje się masywne i
jednorodne struktury ponieważ ich „sprawność” akumulacyjna blisko dziesięciokrotnie
przewyższa technologie lekkie (lekkie konstrukcje i ściany izolowane termicznie od zewnątrz).
Budynki takie wolniej się nagrzewają, ale za to dłużej utrzymują ciepło, a tym samym są
niepodatne nawet na duże wahania temperatury na zewnątrz.
4.1. Lokalizacja budynku
4.1.1.Usytuowanie budynku względem stron świata
W celu ochrony pomieszczeń mieszkalnych przed przegrzaniem w porze letniej oraz
nadmiernym wychłodzeniem zimą powinno się sytuować budynek mając na uwadze jego
położenie względem stron świata. Największe uzyski ciepła od promieniowania słonecznego
generują przegrody zewnętrzne skierowane na południe, stąd też uznaje się za uzasadnione
eksponowanie dłuższego boku budynku na tę stronę świata (minimum 6 godzin dziennie).
4.1.2.Analiza „róży” wiatrów
Analiza
„róży” wiatrów
dla
danej
lokalizacji
pozwala
na
oszacowanie
wpływu
przemieszczających się mas powietrza na straty ciepła w budynku. Z tego względu powinno się go
sytuować w miejscach osłoniętych naturalnymi przeszkodami, np. za szpalerem drzew, nasypem
ziemnym, czy innymi obiektami.
4.1.3. Kształt budynku
Jednym z najistotniejszych czynników decydujących o sprawności systemów pasywnych
stosowanych w budynku jest jego kształt. Za optymalne z tego punktu widzenia uważa się takie
rozwiązania, których podstawę stanowi koło lub kwadrat, a ich wysokość nie przekracza długości
największego boku lub średnicy. Stąd też im bardziej zwarta bryła tym mniejsza jest powierzchnia
jej ścian zewnętrznych, a tym samym mniejsze straty cieplne.
4.1.4. Materiały nawierzchniowe, okładzinowe i kolorystyka budynku
Barwa i rodzaj materiałów nawierzchniowych oraz okładzinowych stosowanych w budynku
odgrywają niebagatelną rolę. Odpowiednio je dobierając można zwiększyć lub zmniejszyć
chłonność termiczną obiektu, np. beton oraz materiały kamienne w jasnej tonacji odbijają,
natomiast nawierzchnie bitumiczne, trawiaste i ziemne pochłaniają promieniowanie słoneczne.
4.1.5. Rodzaj i rozpowszechnienie rozwiązań przegród kumulacyjnych
Obecnie do najbardziej rozpowszechnionych przegród akumulacyjnych należą tzw. ściany
Trombe’a, wodne, z cegły słonecznej oraz sadzawki dachowe. Wszystkie one działają na podobnej
zasadzie, tzn. absorbują promieniowanie słoneczne padające na ich zewnętrzną część, a następnie
w postaci energii termicznej przesyłają (przenikanie) do wnętrza budynku i tam je
wypromieniowują. Oprócz przegród akumulacyjnych stosowane są również rozwiązania
kubaturowe, np. cieplarnie. Pełnią one wiele funkcji (całoroczne uprawy roślin, nawilżanie
powietrza itp.), ale przede wszystkim stanowią istotny element architektoniczny.
5. ROZWIĄZANIA TECHNICZNE WSPOMAGAJĄCE SYSTEMY BIERNE
Rozwiązania wspomagające bierne systemy pozyskiwania energii cieplnej coraz częściej stają
się ich integralną częścią. Należą do nich kolektory słoneczne, wymienniki ciepła, zbiorniki
akumulacyjne wyposażone w pompy cieplne, baterie fotowoltaniczne, turbiny wodne i wiatrowe,
instalacje do uzyskiwania oraz poboru biogazu, energii ze źródeł niskotemperaturowych oraz
składów przemysłowych itp. Z reguły umieszcza się je w piwnicach lub szklarniach, a także w
naturalnych, otwartych zbiornikach na zewnątrz budynku, tj. rzekach, jeziorach, gruncie. Obecnie
za najbardziej efektywne rozwiązania w tym zakresie uważa się instalacje solarne zespolone z
pompami ciepła zasilanymi z dwóch źródeł energii, np. ze zbiornika wewnątrz budynku i
zewnętrznego zagłębionego w gruncie. Ze względów praktycznych elementy systemów aktywnych
stanowią zazwyczaj trwałą część budynku.
6. PRZYCZYNY STOSOWANIA SYSTEMÓW DO POZYSKIWANIA ENERGII ZE ŻRÓDEŁ
ODNAWIALNYCH
6.1. Wady i zalety
Pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych mimo dość odległej proweniencji i oczywistych
korzyści ekonomicznych nie przyczyniło się jednak dotychczas do upowszechnienia się tego typu
sposobów gospodarowania zasobami naturalnymi. Niewątpliwie przyczyn tego stanu rzeczy należy
upatrywać w łatwości i dostępność surowców kopalnych, a także niedoskonałości technicznej i
niskiej sprawności energetycznej systemów ekologicznych. Do najpoważniejszych mankamentów
rozwiązań alternatywnych należy zaliczyć:
-
wysokie koszty aparatury technicznej w systemach czynnych,
-
trudności w stosowaniu systemów biernych w przypadkach adaptacji istniejących
obiektów,
-
małą zdolność akumulacyjną,
-
znaczne gabaryty,
-
długi okres amortyzacji.
Do podstawowych zalet systemów pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych należą:
-
oszczędność surowców kopalnych,
-
powszechność występowania źródeł i niewyczerpalność zasobów alternatywnych,
-
redukcja szkodliwych emisji do środowiska naturalnego,
-
rekompensata wyższych kosztów inwestycyjnych poprzez niskie koszty uzysku,
-
uniezależnienie się od wahań cen energii.
7. WNIOSKI
Wobec licznych zagrożeń jakie niesie ze sobą gwałtowny rozwój cywilizacji zwrócenie się w
stronę rozwiązań energooszczędnych wydaje się obecnie pilną koniecznością. Ich stosowanie i
rozwój być może pozwoli w przyszłości zatrzymać postępującą degradację środowiska
naturalnego, a tym samym oddalić lub nawet wyeliminować stale piętrzące się na całym świecie
trudności ekonomiczno-społeczne.
8. LITERATURA
Wołoszyn, M. A. (1991). Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie jednorodzinnym
Mikoś, J. (1996). Budownictwo ekologiczne
Majerska-Pałubicka, B. (2001). Rozwiązania energooszczędne w architektonicznym projektowaniu
obiektów handlowych
Lisik, A. (red.), (1998). Odnawiane źródła energii w architekturze
Klugmann, E. (1999). Alternatywne źródła energii. Energetyka fotowoltaiczna.