Main_final

BUDOWNICTWO
ZEROENERGETYCZNE

TECHNOLOGIE DOSTĘPNE I ZDROWE

Polska Energetyka Słoneczna Nr 3 2003 dr inż. Eugeniusz Rylewski

Okna i związana z nimi obecnie wentylacja grawitacyjna powoduje około 880 kWh strat energetycznych na rok na jednego Polaka. Przez zastosowanie wentylacji z rekuperacją ciepła można otrzymać porównywalne zyski w wysokości do 800 kWh na rok. Artykuł analizuje różne alternatywy wykorzystania systemów okien i wentylacji.

W chwili, kiedy instalowanie kolektorów słonecznych zwłaszcza dla ciepłej wody użytkowej staje się powszechne, zobaczmy jak wykorzystywane są nasze kolektory okienne. W Polsce, średnia powierzchnia mieszkalna na mieszkańca wynosi 18,1 m2 na osobę. Jeżeli przyjąć współczynnik powierzchni okien do powierzchni mieszkalnej na poziomie 15 % na mieszkańca przypada 2,7 m2 okien. W skali całego państwa na 38 milionów mieszkańców daje to 102,6 milionów m2 okien tylko w budynkach mieszkalnych, nie licząc budynków użyteczności publicznej. Biorąc pod uwagę tylko strony korzystne słonecznie od wschodu do zachodu ze średnim promieniowaniem słonecznym padającym na metr kwadratowy powierzchni pionowej na poziomie 300 kWh/m2

na sezon grzewczy przy przepuszczalności 60 % i zdyskontowaniu na zaciemnienie przez przegrody w wysokości 85 % otrzymujemy 102,6 milionów x 0,6 x 0,85 x 300 kWh = 15,7 miliardów kWh energii słonecznej do wykorzystania rocznie.

 Zobaczmy, co się dzieje z tą energią.

 

1. Stan obecny.
Dość znaczną cześć okna zajmują ramy - około 35 %. Ta liczba jest często wyższa nawet w takich potęgach przemysłowych jak Stany Zjednoczone lub Federacja Rosyjska mimo tego, że państwa te posiadają klimaty surowe. Przepuszczalność energii przyjmujemy 77 % dla dwóch zwykłych szyb. Izolacyjność U= 2,8 W/m2K. Klimat 4000 stopniodni.
Pierwszy bilans uproszczony dla okna szczelnego.

Straty 2,7 m2 x 2,8 W/m2K x 96 kWhK/W =
- 726 kWh/a
  Zyski słoneczne 2,7 m2 x 0,65 x 0,77 x 300 kWh/m2a =
+ 405 kWh/a
  Bilans
- 321 kWh/a

 

 To niestety nie wszystko. Powyżej założyliśmy, że 100 % energii, która wchodzi do mieszkania jest wykorzystana. Byłoby tak gdybyśmy nie używali okna do wentylacji. Tak zwana wentylacja naturalna lub grawitacyjna marnuje dużą cześć nie tylko zysków słonecznych, ale i zysków wewnętrznych pochodzących z aktywności ludzi w pomieszczeniu. Część jaka efektywnie jest do naszej dyspozycji jest szacowana przez niektórych naukowców na poziomie 30 %. Jeśli przyjmiemy nawet 40 % energii faktycznie wykorzystanej wtedy ten uproszczony bilans będzie wyglądał następująco.

 

Straty 2,7 m2 x 2,8 W/m2K x 96 kWhK/W =
- 726 kWh/a
  Zyski słoneczne 405 x 0,4 =
+ 162 kWh/a
  Bilans
- 564 kWh/a


2. Bilans kompletny okna.

Straty przez okno =
- 726 kWh/a
  Straty wentylacji 21 m3/h x 0,33 x 96 kWhK/W =
- 672 kWh/a
  Zyski słoneczne =
+ 162 kWh/a
  Zyski wewnętrzne 880 x 0,4 =
+ 352 kWh/a
  Bilans całkowity
- 884 kWh/a


W celu dokonania pełnej analizy okna umieśćmy statystycznego Polaka w pomieszczeniu, w którym znajduje się 2,7 m2 okna. Zyski wewnętrzne załóżmy na poziomie 880 kWh/a i wentylację 21 m3/h.

3. Instalacja wentylacji z odzyskiem ciepła.
Zobaczmy, co można uzyskać, jeżeli uszczelnimy istniejące okno i zamontujemy wentylację z 70 % odzyskiem ciepła tzn., że powietrze wychodzące przekazuje 70 % swojego ciepła powietrzu wchodzącemu. W tym przypadku możemy przyjąć wykorzystanie 100 % zysków słonecznych i wewnętrznych.

Straty przez okno =
- 726 kWh/a
  Straty wentylacji 672 x 0,3 =
- 202 kWh/a
  Zyski słoneczne =
+ 405 kWh/a
  Zyski wewnętrzne 880 x 1,0 =
+ 880 kWh/a
  Bilans całkowity
+ 357 kWh/a


Mimo, że okno ma te same szyby bilans zmienia się z negatywnego na pozytywny.

 Ten bilans bardzo pozytywny może być jeszcze ulepszony, jeśli wybierzemy okna z mniejszą powierzchnią ram w stosunku do całego okna i dodamy izolację ram. Bilans około + 830 KWh/a może być w ten sposób osiągnięty.

4. Wymiana okna z oddzielną wentylacją
Skompletujmy instalację wentylacji z odzyskiem ciepła wymieniając okno z szybami o współczynniku
U = 3 W/m2K na okno z szybami U = 1,1 W/m2K. Współczynnik przenikania energii słonecznej będzie oczywiście niższy.

Straty przez okno 2,7 m2 x 1,3 W/m2K x 96 kWhK/W =
- 337 kWh/a
  Straty wentylacji 672 x 0,3 =
- 202 kWh/a
  Zyski słoneczne 2,7 m2 x 0,65 x 0,61 x 300 kWh/m2a =
+ 323 kWh/a
  Zyski wewnętrzne 880 x 1,0 =
+ 880 kWh/a
  Bilans całkowity
+ 664 kWh/a

 

5. Bilans dla okiennicy RymSol zamkniętej
Pierwsza na świecie izolacja, która pochłania energię słoneczną RymSol jest prawdziwą diodą termiczną. W wersji okiennic wewnętrznych słońce przechodząc przez okno powoduje wzrost temperatury powierzchni o kolorze ciemnym, znajdującej się za oknem. To powoduje cyrkulację powietrza w kanałach wewnętrznych i powoduje ogrzanie drugiej powierzchni, która znajduje się wewnątrz mieszkania. Ta powierzchnia przekazuje następnie energię do wewnątrz. Gdy nie ma słońca np. nocą konstrukcja kanałów nie pozwala na cyrkulację powietrza w przeciwnym kierunku. Powietrze ulega stagnacji w dwóch strefach i okiennica staje się izolacją. Pierwsze badania w laboratorium szwajcarskim EMPA potwierdzają nasze wyniki.

Straty przez okno 2,7 m2 x 0,4 W/m2K x 96 kWhK/W =
- 104 kWh/a
  Straty wentylacji 21 m3/h x 0,33 x 96 kWhK/W x 0,3 =
- 202 kWh/a
  Zyski słoneczne 2,7 m2 x 0,65 x 0,4 x 300 kWh/m2a =
+ 211 kWh/a
  Zyski wewnętrzne 880 x 1,0 =
+ 880 kWh/a
  Bilans całkowity
+ 785 kWh/a

 

Ten bilans okiennicy cały czas zamkniętej zdarza się przy nieobecności mieszkańców (rodzice w pracy - dzieci w szkole). Przy okiennicy otwartej podczas dnia penetracja energii słonecznej jest większa co kompensuje większe straty ciepła i prowadzi do takiego samego wyniku.

Weźmy pod uwagę dom wakacyjny, który jest używany przez kilka tygodni a resztę roku trzeba ogrzewać (Francja jest pierwszym krajem na świecie pod względem ilości takiej powierzchni na mieszkańca). Przyjmijmy, że straty są trzy razy mniejsze (32 kWhK/W zamiast 96 kWhK/W) i wentylacji 12 m3/h, aby uniknąć gromadzenia się zanieczyszczeń oraz zbyt dużej wilgotności.

Straty przez okno 2,7 m2 x 0,4 W/m2K x 32 kWhK/W =
- 35 kWh/a
  Straty wentylacji 12 m3/h x 0,33 x 32 kWhK/W x 0,3 =
- 38 kWh/a
  Zyski słoneczne 2,7 m2 x 0,65 x 0,45 x 300 kWh/m2a =
+ 237 kWh/a
  Zyski wewnętrzne =
0 kWh/a
  Bilans całkowity
+ 164 kWh/a

 

6. Bilans domów wakacyjnych używanych okresowo.

Analiza okien i związanej z nimi tzw. wentylacji grawitacyjnej pokazuje ogromne straty energetyczne 880 kWh/a na każdego Polaka. Te straty mogą być zamienione w zyski prawie tej samej wielkości. Inwestycję tą, która zwraca się po kilku latach eksploatacji, można przeprowadzać przez cały rok bez względu na warunki klimatyczne.