Parametrická štúdia tepelnej bilancie budovy vplyvom tienenia a transparentnosti fasády
Uvádzajú sa výsledky výpočtov tepelnej bilancie adinistratívnej budovy, to znamená výpočty potreby tepla na vykurovanie a chladenie pri parametricky meniacej sa tepelnoizolačnej úrovni výstavby, transparentnosti fasády a účinnosti tienenia v letnom období.
1. Úvod
V zimnom období pre transparentnú konštrukciu je výhodná čo najnižšia hodnota súčiniteľa prechodu tepla (Ug-hodnota) a čo najvyššia priepustnosť energie slnečného žiarenia g-hodnota zasklenia. V zimnom období čím je vyššia g-hodnota zasklenia, tým je väčší pasívny solárny zisk, ktorý znižuje potrebu tepla na vykurovanie. Z hľadiska letného obdobia však pri vysokej g-hodnote zasklenia sa zvyšuje potreba tepla na chladenie. Protiargumentom tu je tvrdenie, že klimatizovaná budova musí používať účinné tienenie. Teda realizuje sa znížená priepustnosť energie slnečného žiarenia, ktorá sa dá dosiahnuť:
- zníženou g-hodnotou zasklenia a/alebo
- prostriedkami slnečnej ochrany vnútorného priestoru v letnom období.
V praxi sa preferuje používanie tieniacich zariadení.
2. Zvyšovanie tepelnozolačných vlastností stavebných konštrukcií
Zvyšovanie tepelnej ochrany jednotlivých stavebných konštrukcií je celosvetový trend. V STN 73 0540-2: 2012 v znení Zmeny 1 sa táto tendencia premietla na tieto definované úrovne (tab. 1):
- max – maximálna prípustná hodnota,
- N – normalizovaná (požadovaná) hodnota,
- r1 – odporúčaná hodnota,
- r2 – cieľová odporúčaná hodnota.
| Konštrukcia | max | N | r1 | r2 |
|---|---|---|---|---|
| Stena | 0,46 | 0,32 | 0,22 | 0,15 |
| Strecha | 0,30 | 0,20 | 0,15 | 0,10 |
| Okno | 1,7 | 1,4 | 1,0 | 0,85 |
3. Vplyv zvyšovania tepelnozolačných vlastností na tepelnú bilaciu budov
Na príklade administratívnej budovy (AB) podľa obr. 1 budeme postupne aplikovať zlepšujúce sa tepelnoizolačné vlastnosti stavebných konštrukcií podľa tab. 1, teda od maximálnych hodnôt až po hodnoty cieľové odporúčané. Uvažujú sa normalizované klimatické podmienky na energetickú hospodárnost budov v SR pre zimné a letné obdobie. V tejto štúdii sa uvažovala priepustnosť energie slnečného žiarenia pri Uw = 1,7 a 1,4 W/(m2.K) g = 0,6 a pri Uw = 1,0 a 0,85 W/(m2.K) je g = 0,5. Tieniace súčiniteľe sa uvažovali rovnako pre všetky alternatívy FC = 1 (bez tienenia), rámový faktor Ff = 0,8. Výpočet je podľa STN EN ISO 52 016 mesačnou metódou.pri normalizovaných podmienach hodnotenia. Budova má transparentné konštrukcie dominantne na východnej a západnej fasáde.
Obr. 1 Pohľad na východnú, západnú, severnú a južnú fasádu AB
4. Kvantifikácia účinkov tienenia a transparentnosti fasády
Priepustnosť energie slnečného žiarenia cez zasklenie pri tienení (len v letnom období) sa vyjadrí:
(1)
kde je
- FC
- zmenšujúci faktor tienenia (trvalého zariadenia slnečnej ochrany) podľa STN EN ISO 52016-1, uvažuje sa 0,35 pre exteriérové tienenie zvonka,
- gg
- celková priepustnosť slnečnej energie zasklením,
- gtot
- celková priepustnosť slnečnej energie kombinovaného so zasklením.
Ovodový plášť sa charakterizuje transparentnosťou fasády t.j. pomernou plochou transparentných výplní vzťahom
(2)
kde je
- ΣAg
- plocha transparentnej výplne fasád v m2;
- A
- celková plocha fasády zahŕňajúca transparentné a netrasparentné plochy v m2.
5. Výsledky
Výsledky výpočtov tepelnej bilancie podľa jednotlivých parametrov sú na obr. 2 až 7.
Obr. 2 Potreba tepla na vykurovanie a chladenie v závislosti od úrovne tepelnoizolačných vlastností
Potreba tepla na vykurovanie výrazne klesá so zlepšujúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií. To platí od úrovne maximálnych povolených hodnôt súčiniteľov prechodu tepla až po úroveň súčiniteľov prechodu tepla budovy s takmer nulovou potrebou energie. Ale pokles potreby tepla na vykurovanie z ultranízkoenergetickej úrovne na úroveň budov s takmer nulovou potrebou je už menej výrazný. Potreba tepla na chladenie sa so zvyšujúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií mierne zvyšuje (obr. 2), čo je tepelnoizolačný paradox. Toto platí aj vtedy, ak sa použije účinné tienenie (obr. 3). Účinné tienenie však výrazne znížuje potrebu tepla na chladenie, ale tendencia mierneho zvýšenia potreby tepla na chladenie so zlepšujúcimi sa tepelnoizolačnými vlastnosťami stavebných konštrukcií sa zachováva.
Zníženie potreby tepla na chladenie je dosahované účinným tienením (obr. 3 a obr. 4). Celková tepelná bilancia zo súčtu potreby tepla na vykurovanie a chladenie závisí od tepelnoizolačných vlastností podľa obr. 4. Pokles z úrovne ultranízkoenergetickej na budovu s takmer nulovou potrebou energie nie je taký výrazný, ako to bolo pri zmene z úrovne max > N > r1.
Obr. 3 Potreba tepla na chladenie v závislosti od úrovne tepelnoizolačných vlastností a zmenšujúceho faktora tienenia
Obr. 4 Potreba tepla na vykurovanie a chladenie v závislosti od úrovne tepelnoizolačných vlastností a zmenšujúceho faktora tienenia
Tienenie sa uvažovalo s hodnotou FC = 1 v zimnom období, teda bez účinku trvalého zariadenia slnečnej ochrany a s hodnotou FC = 0,35 ktorá zodpovedá svetlým žálúziám zvonka.
Vplyv transparentnosti fasády je dokumentovaný na obr. 5 a obr. 6. Ak sa parametricky zvýši pomer transparentnej časti fasády ku celkovej ploche fasády zvyšuje sa potreba tepla na chladenie budovy. Takáto závislosť platí aj pre tepelnú bilanciu budovy v súčte potreby tepla na vykurovanie a chladenie. Teda vysoká transparentnosť fasády zhoršuje tepelnú bilanciu budovy. Pri uvažovaných normalizovaných klimatických podmienkach zvyšovanie transparentnosti fasády zhoršuje tepelnú bilanciu budov.
Obr. 5 Potreba tepla na chladenie v závislosti od úrovne tepelnoizolačných vlastností a transparentnosti fasády
Obr. 6 Potreba tepla na vykurovanie a chladenie v závislosti od úrovne tepelnoizolačných vlastností a zvyšujúcej sa transparentnosti fasády
Na obr. 7 sa dokumentuje parametrický vplyv tepelnej kapacity budovy pri zmene tepelnoizolačných vlastností z úrovne ultranízkoenergetickej výstavy na úroveň budov s takmer nulovou potrebou energie pri určení potreby tepla na chladenie budovy. Pritom sa uvažoval alternatívne zmenšujúci faktor tienenia s hodnotami FC = 1 a 0,35. Tienenie má podstatný význam na zníženie potreby tepla na chladenie budovy. Pritom platí, že vyššie hodnoty potreby tepla na chladenie budov sa dosahujú pri budove veľmi ľahkej a ľahkej ako pri budove ťažkej a veľmi ťažkej. Zároveň platí, že pri zmene tepelnoizolačnej úrovne r1 na úroveň r2 by sa mierne zvýšila potreba tepla na chladenie budov, pričom toto konštatovanie platí pre všetky úrovne tepelnej kapacity budovy. Zvyšovanie tepelnej kapacity budovy priaznivo pôsobí na mierne zníženie potreby tepla na chladenie budovy.
Obr. 7 Potreba tepla na chladenie v závislosti od úrovne tepelnoizolačných vlastností a zmenšujúceho faktora tienenia
Záver
Tepelná bilancia budov analyzovaná pomocou potreby tepla na vykurovanie a chladenie závisí od tepelnoizolačnej úrovne výstavby, zmenšujúceho faktora tienenia v letnom období, transparentnosti fasády, tepelnej kapacity budovy. Pritom závery, ktoré platia pre zimne obdobie kvantifikované potrebou tepla na vykurovanie nie sú v zhode so závermi pre letné obdobie kvantifikované potrebou tepla na chladenie. Tu platí mierne zvýšenie potreby tepla na chladenie so zvyšujúcou sa tepelnoizolačnou úrovňou výstavby. Tu zohráva kľúčový faktor účinnosť tienenia. Zmenšujúci faktor tienenia je rozhodujúim faktorom na zníženie potreby tepla na chladenie budov s celoročne upravovaným vnútorným prostredím. Účinným tienením v letnom období sa dosahuje aj lepšia tepelná bilancia v ročnom priebehu. Vplyvom zvyšujúcej sa transparentnosti fasády sa tepelná bilancia budov v stredoueurópskych klimatických podmienkach zhoršuje.
Poďakovanie
Táto práca bola podporená MŠ SR vďaka finančnej podpore projektom APVV 16-0126 a VEGA 1/0113/19.
Literatúra
- STN 73 0540-2: 2012 v znení Zmena 1: 2016 Tepelná ochrana budov. Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Časť 2: Funkčné požiadavky. SUTN Bratislava, 2012.
- Chmúrny, I.: Hodnotenie prehrievania budov v letnom období. Stavebnícka ročenka 2006, Jaga group Bratislava, 2006.
- Chmúrny, I.: Ultra thin glass membranes for advanced glazings of nZEB. Advanced Materials Research vol. 899 (2014), p. 470–473.
- STN EN ISO 52016-1 Energetická hospodárnosť budov. Výpočet potreby tepla na vykurovanie a chladenie, vnútorné teploty, citeľná a latentná tepelná záťaž. Časť 1: Výpočtové postupy (ISO 52016-1: 2017).
Increasing the thermal insulation properties of walls, roofs, floors and windows has a positive effect on reducing heat loss and energy need for heating. However, when assessing the energy need for cooling in buildings with conditioned indoor environment, this tendency to increase the thermal insulation capability may lead to an increase the energy need for cooling, when measures to reduce heat gains by transparent structures are not applied.