Oszklone balkony jako pasywne systemy szklarniowe

Systemy pasywne wykorzystywane są od lat, łącząc ochronę cieplną i akustyczną pomieszczeń z dużą atrakcyjnością architektoniczną. W większości przypadków trudno jest jednak mówić o świadomym ich projektowaniu, ponieważ podstawowe parametry decydujące o efektywności systemu na ogół dobierane są intuicyjnie przez projektantów, bez przeprowadzania szczegółowej oceny skuteczności proponowanych rozwiązań. Taki stan rzeczy nie pozwala wykorzystać w pełni potencjału szklarni w sezonie grzewczym, a w okresie letnim w nieuzasadniony sposób może zwiększyć obciążenie cieplne sąsiednich pomieszczeń mieszkalnych.

Najważniejszymi celami pracy są: analiza w jaki sposób zabudowa balkonów wpływa na wymianę ciepła i warunki termiczne w mieszkaniach w polskich warunkach klimatycznych oraz ustalenie, jakie rozwiązania są najbardziej korzystne z punktu widzenia ograniczenia całorocznego zapotrzebowania na energię.

W badaniach posłużono się (między innymi) dynamicznymi symulacjami komputerowymi, wykonywanymi z krótszym niż godzinowy krokiem obliczeniowym. Program symulacyjny poddany został walidacji doświadczalnej i porównawczej. Symulacje i obliczenia wykonano korzystając z wieloletnich uśrednionych danych klimatycznych zawartych w Typowym Roku Meteorologicznym. Ocenę możliwości przegrzewania w ekstremalnych warunkach letnich oparto na rzeczywistych danych pomiarowych z lat 2001 - 2015, zawartych w bazie danych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej - Państwowego Instytutu Badawczego.

Główna cześć pracy zawiera szczegółową ocenę wybranych wariantów obudowy szklarni w przykładowym mieszkaniu o różnej lokalizacji w budynku i położeniu względem stron świata, ze szczególnym zwróceniem uwagi na wpływ powłok spektralnie selektywnych na bilans energetyczny przestrzeni słonecznej i przyległych pomieszczeń. Analizy pozwoliły ustalić, które z rozwiązań są najbardziej korzystne z punktu widzenia minimalizacji zapotrzebowania na ciepło i chłód, a także jakiego rzędu oszczędności energetyczne można uzyskać dzięki systemom szklarniowym w polskim klimacie. Rozpoznano również warunki wewnętrzne w przestrzeni mieszkalnej sąsiadującej ze szklarnią pod kątem komfortu wewnętrznego i możliwości adaptacyjnych w okresie wysokich temperatur zewnętrznych i fal upałów odnotowywanych w lecie. Ponadto, w pracy zaproponowano własną metodę określania efektywności systemów szklarniowych z oszkleniami o zróżnicowanych właściwościach optycznych, wykorzystującą natężenie promieniowania padającego na obudowę od strony zewnętrznej.

Częścią badań nad systemami szklarniowymi był także monitoring temperatury w mieszkaniach z oszklonymi balkonami, zlokalizowanych w budynkach wielorodzinnych w Lublinie i Zamościu. Rejestracja temperatury odbywała się w okresach 9. miesięcznych w roku 2017 i 2018, obejmując część sezonu grzewczego i miesiące letnie. Na podstawie danych pomiarowych ustalono wpływ systemów szklarniowych na straty ciepła w pomieszczeniach mieszkalnych oraz oceniono warunki termiczne panujące w lecie.

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń 9

Konwersja jednostek  11

1. Wstęp 13
1.1. Wprowadzenie  13
1.2. Podstawowe cele i zakres pracy oraz metodyka badań 16

2. Systemy szklarniowe - historia i badania 19
2.1. Ogólna charakterystyka systemów szklarniowych 19
2.2. Zarys historii systemów szklarniowych 22
2.3. Badania eksperymentalne 29
2.4. Badania analityczne 37

3. Metody obliczeniowe wyznaczania zysków energetycznych pochodzących od systemów szklarniowych 42
3.1. Metoda Solar Load Ratio (SLR) 43
3.2. Metoda 5000 48
3.3. Metody ISO 13790 49 3.4. Metoda DIN 18599-2 56
3.5. Uproszczone metody godzinowe 57
3.6. Symulacje dynamiczne  59
3.7. Porównanie wybranych metod obliczeniowych 62

4. Walidacja programów obliczeniowych 71
4.1.0gólne zasady walidacji programów symulacyjnych 71
4.2. Rozwój metod walidacyjnych 75
4.2.1. Walidacja doświadczalna 77
4.2.2. Walidacja porównawcza 78
4.3. Walidacja programu BSim 81
4.3.1. Walidacja w ramach prac International Energy Agency 81
4.3.2. Walidacja własna programu na podstawie pomiarów w komorze badawczej Politechniki Rzeszowskiej 83
4.3.3. Walidacja własna na podstawie normy PN-EN ISO 15265 92

5. Analiza symulacyjna zapotrzebowania na energię w przykładowych mieszkaniach z zabudowanym balkonem 102
5.1. Dyskusja założeń przyjętych w modelu symulacyjnym 103
5.2. Dane klimatyczne wykorzystane w modelu symulacyjnym 111
5.2.1. Typowy Rok Meteorologiczny 112
5.2.2. Rzeczywiste dane klimatyczne  114

6. Wyniki symulacji 118
6.1. Sposób analizy danych 118
6.2. Zapotrzebowanie na energię w pomieszczeniach jako wskaźnik skuteczności pozyskiwania energii słonecznej  123
6.2.1. Mieszkanie w części środkowej budynku, oszklenie na trzech ścianach obudowy balkonu 123
6.2.2. Mieszkanie w części środkowej budynku, oszklenie na jednej ścianie obudowy balkonu 134
6.2.3. Mieszkanie w skrajnej części budynku, oszklenie na trzech ścianach obudowy balkonu  151
6.2.4. Mieszkanie w skrajnej części budynku, oszklenie na jednej ścianie obudowy balkonu  160

7. Efektywność systemów szklarniowych 175
7.1. Sprawność energetyczna  175
7.2. Czynnik korekty temperatury   182

8. Możliwość przegrzewania mieszkań z systemem szklarniowym 186
8.1. Kryteria oceny przegrzewania  186
8.2. Warunki w okresie letnim w wybranych wariantach mieszkań 190
8.2.1. Mieszkanie z otwartym balkonem 190
8.2.2. Mieszkanie z zabudowanym balkonem w części środkowej budynku, oszklenie na trzech ścianach obudowy 191
8.2.3. Mieszkanie z zabudowanym balkonem w części środkowej budynku, oszklenie na jednej ścianie obudowy balkonu 194
8.2.4. Mieszkanie z zabudowanym balkonem w skrajnej części budynku, oszklenie na trzech ścianach obudowy balkonu 197
8.2.5. Mieszkanie z zabudowanym balkonem w skrajnej części budynku, oszklenie na jednej ścianie obudowy balkonu 199

9. Monitoring mieszkań z zabudowanymi balkonami 202
9.1. Zakres badań  202
9.2. Wyniki monitoringu 210
9.2.1. Efekt buforowy przestrzeni oszklonej 212
9.2.2. Ocena przegrzewania pomieszczeń 220

10. Wnioski końcowe 227
10.1.Kształtowanie przestrzeni słonecznej z uwagi na całoroczny bilans energetyczny 227
10.2. Możliwość przegrzewania pomieszczeń 231
10.3. Badania doświadczalne  232
10.4. Kierunki dalszych badań 233
10.5. Podsumowanie 234

Bibliografia 235

Streszczenie 257

Abstract 259