ELZBIETA ŚLIWIŃSKA, HENRYK NOWAK, ŁUKASZ NOWAK, MAJA STANIEC*1

WPŁYW KONSTRUKCJI ZACIENIAJĄCEJ NA KOMFORT CIEPLNY LUDZI W BUDYNKACH

O DUŻYM STOPNIU PRZESZKLENIA

EFFECT OF OVERHANG SHADING OF WINDOWS ON THERMAL COMFORT OF PEOPLE IN BUILDINGS

WITH HIGH PERCENTAGE OF GLAZING

S t r e s z c z e n i e

W artykule omówiono problemy związane z mikroklimatem wnętrz o dużym przeszkleniu. Pomiary wykazały, że poprzez zastosowanie odpowiednich konstrukcji zacieniających istnieje możliwość poprawy składowej radiacyjnej bilansu cieplnego człowieka w tych pomieszczeniach. Mimo to nie zawsze jest możliwe uzyskanie pełnych warunków komfortu cieplnego.Słowa kluczowe: budynki o dużym stopniu przeszklenia, konstrukcje zacieniające, promieniowanie słoneczne, komfort cieplny

A b s t r a c t

The paper presents problems related to the indoor climate in glazed buildings. Measurements show that overhang shading of windows is a quite good method for improving the radiation component of human thermal balance. Nevertheless, during very hot days it is not enough to maintain thermal comfort conditions.Keywords: the buildings with high percentage of glazing, overhang shading construction, solar radiation, thermal comfort

* Dr Elżbieta Śliwińska, dr hab. inż. Henryk Nowak, prof. PWr, dr inż. Łukasz Nowak, dr inż. Maja Staniec, Instytut Budownictwa, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego, Politechnika Wrocławska.

416

1. Wstęp

Mikrośrodowisko budynków jest wynikiem działania wielu czynników fizycznych, che-micznych i biologicznych, mających wpływ na ogólne odczucia komfortu i ogólną ocenę pomieszczeń. Ostatnio coraz częściej stosuje się do tego celu tzw. wskaźnik IEQ [1]. Taka ocena leży w kręgu zainteresowań pracodawców, gdyż daje informację nie tylko o wpływie mikrośrodowiska na samopoczucie i zdrowie człowieka, ale także na wydolność fizyczną i umysłową [2, 3].

Badania mikrośrodowiska budynków, szeroko zakrojone i prowadzone na całym świe-cie, a dotyczące najczęściej mikroklimatu termicznego, akustycznego, wizualnego oraz ja-kości powietrza wykazały, że wśród wszystkich czynników wpływających na IEQ najwięk-sze znaczenie mają warunki termiczne [4–8].

W budynkach o dużym przeszkleniu warunki komfortu cieplnego ludzi są zdominowa-ne przez radiacyjną wymianę ciepła. Jej skutkiem są odczucia najczęściej negatywne, i to zarówno latem jak i zimą [9–15].

Wszystko to powoduje, że okna są trudnym elementem w projektowaniu budynków. Z jednej strony są bardzo pożądane ze względu na światło dzienne, wrażenia wzrokowe oraz możliwość pasywnego wykorzystywania energii słonecznej w sezonie grzewczym, z drugiej – sprawiają kłopot ze względu na możliwość wychładzania ich powierzchni we-wnętrznej zimą oraz przegrzewania pomieszczeń latem. W ostatnich latach poświęca się tej problematyce coraz więcej uwagi, zwłaszcza w aspekcie budownictwa zrównoważonego.

Od wieków stosowanym sposobem regulacji warunków mikroklimatycznych w pomiesz-czeniach silnie nasłonecznionych są wszelkiego rodzaju przesłony. Ponieważ widok za oknem jest jednym z bardzo ważnych czynników wpływających na ogólną ocenę stanowiska pracy [16], zastosowanie dla elewacji wschodniej i zachodniej ruchomych żaluzji pionowych, a dla elewacji południowej – poziomych jest najprostszą metodą spełnienia tego zapotrzebowania.

Celem niniejszego artykułu jest próba oceny wpływu takiego zacienienia na warunki kom-fortu cieplnego ludzi w pomieszczeniach przeszklonych budynku użyteczności publicznej.

2. Badania wpływu markizy na warunki komfortu cieplnego w pomieszczeniu silnie przeszklonym

2.1. Pomiary

Badania mikroklimatu przeprowadzono w pomieszczeniach budynku C-7 Politechniki Wrocławskiej w okresach wiosny, lata i wczesnej jesieni. Jest to tzw. budynek NV, tj. z wen-tylacją naturalną. W sezonie wiosenno-letnim jedyną możliwością regulacji temperatury wewnątrz pomieszczeń jest otwieranie okien.

Do pomiarów wytypowano południowo-zachodnią część powtarzalnych kondygnacji budynku: dwa bliźniacze pokoje (nr 616 i 916), położone na szóstym i dziewiątym pię-trze. W pomieszczeniach tych mocno przeszklone są dwie ściany: południowa i zachodnia. W jednym z nich – na 6 piętrze – nad wszystkimi oknami od strony południowej została za-mocowana konstrukcja zacieniająca. Konstrukcja ta, złożona z 10 paneli fotowoltaicznych o łącznej długości 6,0 m i szerokości 1,2 m [17], wydatnie zmniejszała penetrację słońca

417

w okresie letnim. Przed jej montażem wykonano wiele symulacji komputerowych i obliczeń modelami teoretycznymi w celu określenia optymalnych wymiarów nadwieszeń zacieniają-cych w polskich warunkach klimatycznych. Zastosowany w konstrukcji kąt pochylenia 36° wynika bezpośrednio z powyższych analiz.

W czasie typowych sesji pomiarowych okna w obu pomieszczeniach były zamknięte a żaluzje od strony zachodniej opuszczone. Na stanowisku pomiarowym w pomieszczeniu 616 przygotowano rejestrator mikroklimatu i komfortu cieplnego firmy Innova AirTech In-struments A/S „INNOVA 1221 THERMAL COMFORET DATA LOGGER” (moduł kom-fortu cieplnego: sonda temperatury operatywnej, wilgotności i prędkości ruchu powietrza). Czujniki zostały umieszczone w odległości ok. 1 m od okna skierowanego na SSE, na staty-wie, na wysokości ok. 70 cm, co odpowiada poziomowi tułowia osoby siedzącej.

Na stanowisku pomiarowym w pokoju 916 na 9 piętrze przygotowano rejestrator firmy Ahlborn „DATA LOGGER ALMEMO 2690-8”. Jego czujniki (sonda temperatury i wilgot-ności powietrza oraz czujniki temperatury termometru kulistego) umieszczono w pozycji analogicznej do pomieszczenia 616.

Oba przyrządy umożliwiają prowadzenie pomiarów zgodnie z normą ISO 7730 i DIN 1946, część 2. Dane pomiarowe w wytypowanych pomieszczeniach rejestrowano co 10 mi-nut. W pomieszczeniu na 6 piętrze możliwa była rejestracja wyników przez cały rok. W po-mieszczeniu na 9 piętrze pomiar był możliwy przez około 4–5 dni w każdym miesiącu.

2.2. Analiza wyników

Pomiary wykazały, że wśród wszystkich czynników wpływających na odczucia kom-fortu cieplnego ludzi wyraźne różnice były widoczne w przebiegach tylko dwóch z nich: temperatury powietrza i temperatury radiacyjnej. W tym artykule omówiono przebieg temperatury operatywnej TO, gdyż w pomieszczeniach silnie przeszklonych ma ona naj-większy wpływ na bilans cieplny człowieka. Ponadto, temperatura operatywna może też być bazą do obliczeń zapotrzebowania na chłodzenie przy planowaniu klimatyzacji dla tego typu pomieszczeń.

W pomieszczeniu 616 przyrządy pomiarowe pozwalały na bezpośrednią rejestrację temperatury operatywnej TO. W pokoju 919 temperaturę operatywną obliczono na pod-stawie danych mikroklimatycznych rejestrowanych w tym pomieszczeniu. Wykorzystano poniższe zależności:

gdzie:hr – liniowy współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie:

Tr – średnia temperatura radiacyjna otoczenia:

Tg – temperatura termometru kulistego, [C°]

( ) ( )/ , C (1)c a r r c rTO h T h T h h= + + °

( ) 3 24 273,2 / 2 , W/m K (2)r s rh T T= εσ + +

( ) ( ) ( )0,254 8273 / 5,38 10 273, C (3)r g cgT T h Tg Ta - = + + - ⋅ - °

418

hcg – współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję dla kuli o średnicy D [m]:

hc – współczynnik wymiany ciepła przez konwekcję dla człowieka.

Średnią wartość współczynnika konwekcji hc dla człowieka w pomieszczeniach można, z niedużym błędem, przyjąć za równą 3,5 W/m2 K. Współczynnik wymiany ciepła przez promieniowanie zależy od temperatury – w przypadku pomieszczeń, gdzie temperatura operatywna zmienia się wraz z nasłonecznieniem, jego wartość waha się od ok. 4,5 dla ty-powych warunków bez nasłonecznienia do nawet około 7 W/m2 K w momentach najwięk-szego nasłonecznienia, gdy temperatura radiacyjna wzrasta do 50 C°.

Na rysunku 1 (1a–1f) przedstawiono porównanie przebiegów temperatury operatyw-nej w pomieszczeniu z markizą (TO_616) i w pomieszczeniu bez osłon przeciwsłonecznych (TO_916) dla sześciu sesji pomiarowych sezonu wiosenno-letniego. W celu odniesienia do warunków komfortu cieplnego, na rysunku tym zamieszczono również przebieg optymal-nej dla użytkowników budynku temperatury operatywnej OOT (tj. odpowiadającej wskaź-nikowi PMV = O), obliczonej dla aktywności 1,2 m (prace biurowe w pozycji siedzącej) i izolacyjności odzieży 0,8 clo w sesjach wiosennych i jesiennej oraz 0,6 clo – latem.

Wyniki pomiarów wykazują, że w pomieszczeniach o silnym przeszkleniu i niewielkiej masie termicznej bardzo trudno jest uzyskać warunki komfortu cieplnego. W większość dni pomiarowych sezonu wiosenno-letniego temperatura operatywna przekraczała warto-ści optymalne (tj. OOT) w godzinach okołopołudniowych. W pomieszczeniu bez osłony przeciwsłonecznej – nawet o 20 stopni.

W pomieszczeniu z markizą sytuacja przedstawiała się lepiej – w godzinach maksymal-nej radiacji słonecznej temperatura operatywna nie różniła się więcej niż o 5–7 stopni od wartości optymalnych. W dniach o bardzo czystym nieboskłonie była o ok. 10 oC niższa niż w pomieszczeniu bez osłony przeciwsłonecznej.

W okresie wiosennym i jesiennym w godzinach nocnych, a także w chłodne dni o więk-szym zachmurzeniu, temperatura operatywna w obu pomieszczeniach często spadała poni-żej wartości optymalnej. Można sądzić, że gdyby była możliwa akumulacja nadmiaru cie-pła przez przegrody budowlane o dużej pojemności cieplnej, to pozwoliłaby ona na poprawę warunków komfortu cieplnego zarówno w dzień, jak i w nocy.

Aby sprawdzić skuteczność dziennego otwierania okien porównano przebiegi tempe-ratury operatywnej w dwa pogodne dni sierpniowe o zbliżonej temperaturze powietrza na zewnątrz i podobnej prędkości wiatru (1–4 m/s) z kierunków zmiennych. Pierwszego dnia wszystkie okna były zamknięte. Drugiego dnia (23 sierpnia) w obu pomieszczeniach otwar-to na cały dzień (od 7:00 do 20:00) po jednym dużym oknie od strony południowej.

Z obserwacji wielkości mierzonych widać, że chociaż otwarcie okna pozwoliło uzyskać niższą temperaturę operatywną w godzinach południowych w pokoju niezacienionym o kil-ka stopni, to jednak ciągle przekraczała ona wartość optymalną (OOT) o ponad 10 C°. Na-tomiast otwarcie okna w pokoju z markizą wprawdzie nie spowodowało znaczącej obniż-ki temperatury TO, to jednak była ona w godzinach okołopołudniowych o ok. 6–14 stopni niższa niż w pomieszczeniu bez zacienienia. Stąd wniosek, że w takich warunkach pogodo-wych markiza jest dużo bardziej skuteczna w poprawie warunków komfortu niż wietrzenie.

( ){ }0,25 0,6 2max 1,4 / i 6,3 W/m K (4)cg ah Tg Ta D v= -

419

Rys. 1. Przebieg temperatury operatywnej w czasie sesji wiosenno-letnich w pomieszczeniu z markizą (TO_616) i bez zacienienia (TO_916). Dla porównania – Optymalna Temperatura

Operatywna OOT dla 1,2 m i 0,8 clo wiosną i jesienią oraz 1,2 m i 0,6 clo latem (typowe dane dla osób przebywających w tym budynku)

Fig. 1. Comparison of the Operative Temperature in the room with overhang shading (TO_616) and without shading (TO_916) with Optimal Operative Temperature OOT

for sedentary activity (1,2 m) and typical seasonal clothing (0,6 and 0,8 clo)

1a – początek maja 1b – początek czerwca

1c – początek lipca 1d – początek sierpnia

1e – początek września 1f – początek października

420

3. Wnioski

W pomieszczeniach silnie przeszklonych zwykłymi szybami trudno jest zachować wa-runki komfortu cieplnego w czasie ładnej pogody sezonu wiosenno-letniego. Użytkowni-cy starszych budynków nieklimatyzowanych mają niewielkie możliwości regulacji mikro-klimatu – w praktyce jest to otwieranie okien oraz używanie wszelkiego rodzaju przesłon, o ile budynki takie wyposażenie mają.

Otwieranie okien jest mało skutecznym sposobem regulacji mikroklimatu w dni upalne. Pozwala wprawdzie lekko opóźnić wzrost temperatury w pomieszczeniu i lekko obniżyć jej wartość maksymalną, jednak jest to dalece niewystarczające dla uzyskania warunków komfortu cieplnego.

Jedną ze skuteczniejszych metod w tym zakresie jest zastosowanie zacienienia w formie markizy. Jest ona w stanie znacząco obniżyć temperaturę operatywną w pomieszczeniu. Mimo to w dni upalne ten sposób również nie daje wystarczającej stabilizacji temperatury operatywnej, awłaszcza w budynkach charakteryzujących się niewielką masą termiczną.

Rys. 2. Wpływ chłodzenia przez otwarcie okien na przebieg temperatury operatywnej w pomieszczeniu z markizą (TO_616) i bez zacienienia (TO_916)

Fig. 2. Effect of cooling by opening the windows (August 23th) on the Operative Temperature in the room with overhang shading (TO_616) and without shading (TO_916)

421

O z n a c z e n i a

IEQ – wskaźnik jakości środowiska pomieszczeń (Indoor Environmental Quality)Ta – temperatura powietrza, C° TO – temperatura operatywna, C° Tg – temperatura termometru kulistego, C°TR – średnia temperatura radiacyjna otoczenia (średnia temperatura promieniowania), C°OOT – Optymalna Temperatura Operatywna (Optimal Operative Temperature)

Artykuł został opracowany w ramach realizacji programu POIG „Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju”; Pakiet Tematyczny (PT): PT 7. Oszczędność energii i problemy zrównoważonego rozwoju w budownictwie. Temat badawczy TB 7.2.

L i t e r a t u r a

[1] Lai A.C.K. , Mui K.W., Wong L.T. , Law L.Y. , An evaluation model for indoor environmental quality (IEQ) acceptance in residential buildings, Energy and Buildings, vol. 41, 2009, 930-936.

[2] Sensharma N.P. , Woods J .E. , Goodwin A.K. , Relationship between the in-door environment and productivity: a literature review, ASHRAE Transactions, 1998, 1A, 104.

[3] Akimoto T. , Tanabe S. , Yanai T. , Sasaki M., Thermal comfort and productivity – Evaluation of workplace environment in a task conditioned office, Building and Envi-ronment, vol. 45, 2010, 45-50.

[4] Clausen G. , Carr ick L. , Fanger P.O. , Kim S.W., Poulsen T. , Rindel J .H. , A comparative study of discomfort caused by indoor air pollution, thermal load and noise, Indoor Air, 3(4), 1993, 255-262.

[5] Brager G.S. , de Dear R.J . , Thermal adaptation in the built environment: a litera-ture review, Energy Build, 27(1), 1998, 83-96.

[6] Wagner A. , Gossauer E. , Moosmann C. , Gropp T. , Leonhart R. , Thermal comfort and workplace occupant satisfaction. Results of field studies in German low en-ergy office buildings, Energy Build, 39(7), 2007, 758-769.

[7] Astolf i A. , Pel lerey F. , Subjective and objective assessment of acoustical and over-all environmental quality in secondary school classrooms, J Acoust Soc Am, 123(1), 2008, 163-173.

[8] Frontczak M., Wargocki P. , Literature survey on how different factors influence hu-man comfort in indoor environments, Building and Environment, vol. 46, 2011, 922-937.

[9] Fanger P.O. , Komfort cieplny, Arkady, 1970.[10] McIntyre D.A. , Indoor climate, Applied Science Publishers, London, 1980.[11] Lyons P.R. , Window performance for human thermal comfort, ASHRAE Transac-

tions, 2000, 594–602.[12] Fanger P.O. , Toftum J . , Extension of the PMV model to non-air-conditioned build-

ings in warm climates, Energy and Buildings, 34, 2002, 533-536.

422

[13] Arens E. , Zhang H. , Huizenga C. , Partial- and whole-body thermal sensation and comfort – Part II: Non-uniform environmental conditions, Journal of Thermal Biology, 31, 2006, 60–66.

[14] Atmaca I . , Kaynakl i O. , Yigi t A. , Effect radiant temperature on thermal comfort, Energy and Buildings, 42, 2007, 3210-3220.

[15] Hodder S.G. , Parsons K. , The effects of solar radiation on thermal comfort, Inter-national Journal of Biometeorology, 2007/01, 233-250.

[16] Menzies G.F. , Wherret t J .R. , Windows in the workplace: examining issues of envi-ronmental sustainability and occupant comfort in the selection of multi-glazed windows, Energy and Buildings, 42, 2005, 623-630.

[17] Nowak H. , Włodarczyk D. , Nowak Ł. , Śl iwińska E. , Staniec M., Efektyw-ność aktywnych i pasywnych systemów słonecznych w energooszczędnych budynkach użyteczności publicznej w Polsce, Czasopismo Techniczne, 2010, 143-152.