XLVIII KONFERENCJA NAUKOWA
KOMITETU INŻYNIERII L
DOWEJ I WODNEJ PAN
I KOMITETU NAUKI PZITB
Opole  Krynica 2002
Dariusz HEIM1
Piotr KLEMM2
WPA
YW ZASTOSOWANIA IZOLACJI TRANSPARENTNEJ
NA DYNAMICZN
WYMIAN
CIEPA
A W BUDYNKU
1. Wprowadzenie
Tradycyjne metody pasywnego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego są bardzo
silnie podatne na zmienne warunki klimatu zewnętrznego. Większość tradycyjnych przegród
przez
roczystych tj. szkło, poliwęglan, polietylen charakteryzują się słabymi własnościami
termoizolacyjnymi. Ich poprawa powoduje jednocześnie pogorszenie współczynnika
przepuszczalności promieniowania, co w efekcie obniża zyski energetyczne od
promieniowania słonecznego. Dlatego też, w nowoczesnych systemach słonecznych
uzasadnione jest stosowanie dodatkowej warstwy izolacji transparentnej  IT, charakteryzujÄ…cej
się dobrymi własnościami izolacyjnymi (=0,10 0,20W/mK) i wysokim współczynnikiem
przepuszczania promieniowania słonecznego (do 0,9 w zależności od kąta padania promieni
słonecznych). Popularne jest również stosowanie izolacji transparentnej jako zewnętrznej
warstwy dociepleniowej tradycyjnych ścian pełnych, wykonanych z materiału o dużej
pojemności cieplnej lub jako wewnętrznego wypełnienia szklanych fasad elewacyjnych.
W celu właściwej oceny efektywności zastosowania IT konieczna jest analiza cieplna,
dynamicznego zachowania się budynku dla konkretnych warunków klimatycznych danego
obszaru. Wśród wielu programów komputerowych stosowanych w analizach cieplno-
wilgotnościowych budynków, tylko niektóre posiadają możliwość uwzględnienia materiałów
o nietypowej charakterystyce fizycznej takich jak np. izolacje transparentne. SÄ… to program
HAUSSIM, oparty na modelu matematycznym zaproponowanym przez zespół Hollandsa [1],
oraz specjalny moduł programu TRANSYS oparty na modelu Platzera [2]. Innym programem
symulacyjnym jest pakiet ESP r (Environmental System Performance  r for European
Reference Program) oparty na modelu matematycznym zaproponowanym przez Clarke a [3].
Jest to program wykorzystujący zaawansowane modele matematyczne do opisu przepływu
masy i energii w budynku. W wyniku trwającej do dnia dzisiejszego działalności naukowej
grupy ESRU (Energy Systems Research Unit) oraz zaprzyjaz
nionych jednostek badawczych
możliwe jest analizowanie zachowania się budynku, w którym zastosowano materiały
i rozwią zania spotykane w nowoczesnym budownictwie energooszczędnym.
1
Mgr inż., Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika A
ódzka
2
Prof. dr hab. inż., Kat. Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika A
ódzka
122
2. Modelowanie ścian z izolacją transparentną przy użyciu pakietu ESP-r
Dla potrzeb niniejszej pracy zamodelowano przegrodę zewnętrzną pokrytą izolacją
transparentną z tworzywa sztucznego typu  plaster miodu (ang. honeycomb), składającą się z
zestawu kapilar prostopadłych do powierzchni ściany. W swoim obecnym kształcie program
ESP-r nie posiada żadnego bezpośredniego modułu lub algorytmu do obliczeń przegród
budowlanych pokrytych IT, z uwzględnieniem zmiany zastępczej przewodności cieplnej
i współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego wraz z temperaturą oraz
uwzględniającego efekt wielokrotnego odbicia na wewnętrznych powierzchniach kapilar. W
celu właściwego zdefiniowania charakterystyki fizycznej ściany akumulacyjnej z materiałem
transparentnym konieczne jest skorzystanie z jednej z następujących czterech metod
zastępczych. Możliwe jest zdefiniowanie przegrody jako: pełnej przegrody wielowarstwowej,
przez
roczystej przegrody wielowarstwowej, dodatkowej strefy z IT od zewnętrz i częścią
akumulacyjną od wewnątrz oraz jako dwóch dodatkowych stref z IT pomiędzy nimi
i przeszkleniem od zewnątrz [4]. Pierwsze dwie nie dają pełnego opisu charakteru fizycznego
przegrody, którą należy zdefiniować jako częściowo pełną a częściowo przez
roczystÄ…. Dla
potrzeb niniejszej pracy (wentylowanie przestrzeni pomiędzy IT a warstwą akumulującą)
wykorzystano metodę z uwzględnieniem pojedynczej strefy pomiędzy częścią przez
roczystÄ…
przegrody (szyba+IT+poliwęglan) a częścią pełną (warstwa absorbująca+beton+tynk) (rys. 1a).
a) b)
Rys. 1. a) przekrój przez ścianę kolektorowo-akumulacyjną z izolacją transparentną,
b) model strefowy wraz ze schematem zdefiniowanej instalacji wentylacyjnej
Sposób ten pozwala dokładniej uwzględnić wymianę ciepła pomiędzy materiałem
transparentnym a powierzchnią ściany akumulacyjnej oraz zależność oporu cieplnego
szczeliny od temperatury, co jest szczególnie istotne przy tego typu analizach (duże wahania
temperatury po wewnętrznej stronie IT). Ponadto podejście to umożliwia dokładne
zdefiniowanie wymiany powietrza w analizowanej szczelinie oraz uzależnienie infiltracji od
warunków klimatu zewnętrznego (prędkości i kierunku ruchu powietrza). Zaproponowane
podejście wykorzystuje metodę Bionda i Cicero Vaina, która została zweryfikowana
eksperymentalnie przez cztery ośrodki badawcze (BBRI, CONPHOEBUS, ITW i TNO) w
ramach europejskiego programu PASSYS (Passive Solar Components and System Testing)
[5]. Wszystkie badania przeprowadzono w skali rzeczywistej dla różnych warunków klimatu
123
zewnętrznego zależnego od lokalizacji poszczególnych ośrodków (Belgia, Włochy, Niemcy,
Holandia). Dodatkowa weryfikacja eksperymentalna modelu została przeprowadzona przez
pracowników grupy ESRU na istniejących pasywnych budynkach osiedla akademickiego
Strathclyde University w Glasgow [6].
3. Model obiektu i założenia przyjęte do obliczeń
W celu przeprowadzenia analiz numerycznych budynku z izolacją transparentną, przyjęto
trójstrefowy model obiektu o wymiarach 5x8x2,5m (rys. 1b). Strefy wschodnia i zachodnia,
są to identyczne (pod względem konstrukcji) pomieszczenia pasywne z izolacją transparentną
na południowej ścianie zewnętrznej. Oba pomieszczenia dzieli zorientowana na południe
strefa buforowa. Ściany zewnętrzne obiektu zaprojektowano jako betonowe grubości 25cm i
ocieplone od zewnętrz 12cm styropianu (U=0,3W/m2K), zaś ściany wewnętrzne jako
betonowe grubości 25cm. W ścianach zewnętrznych każdego z pomieszczeń zastosowano
tradycyjne okna szklone podwójnie o współczynniku przewodzenia ciepła U=2,1W/m2K.
ÅšcianÄ™ kolektorowo  akumulacyjnÄ… stanowiÄ… dwie przegrody oraz szczelina powietrzna
pomiędzy nimi zdefiniowana jako dodatkowa strefa grubości 1cm. Dzieli ona ścianę
kolektorowo  akumulacyjną na część przez
roczystą od strony zewnętrznej oraz pełną od
strony pomieszczenia. Część pełna jest pokryta od strony szczeliny materiałem o wysokim
współczynniku pochłaniania promieniowania słonecznego. Natomiast część transparentna,
oddzielająca szczelinę od środowiska zewnętrznego, składa się z: pojedynczej szyby, izolacji
transparentnej grubości 10cm i warstwy poliwęglanu od strony wewnętrznej i ma
współczynnik przenikania ciepła równy 0,72W/m2K.
W obiekcie zdefiniowano system wentylacji naturalnej poprzez otwory okienne w ścianach
zewnętrznych i drzwiowe pomiędzy poszczególnymi strefami. Schemat połączeń dla
poszczególnym pomieszczeń oraz szczelin powietrznych przedstawiono graficznie na rysunku 1b.
Dodatkowo zdefiniowano funkcje sterujące przepływem powietrza w zależności od temperatury
wynikowej w pomieszczeniach. Dla temperatur poniżej 20°C okreÅ›lono jedynie nieszczelnoÅ›ci na
obwodzie otworów okiennych i drzwiowych, dające wielkość strumienia powietrza wentylacyjnego
na poziomie okoÅ‚o 1wym/h, w zależnoÅ›ci od prÄ™dkoÅ›ci i kierunku wiatru. Powyżej 20°C
określono powierzchnie otwarć równe 0,2m2 zapewniające efektywne przewietrzanie
pomieszczeń przy strumieniu powietrza wentylacyjnego zapewniającym od 4 do 8wym/h. Dla
okresu sezonu grzewczego we wszystkich strefach budynku zdefiniowano ogrzewanie
zapewniajÄ…ce temperaturÄ™ powietrza w pomieszczeniu równÄ… 20°C. Natomiast zyski wewnÄ™trzne
a) b)
Rys. 2. Historia zmian temperatury zewnętrznej i promieniowania bezpośredniego
dla wybranego tygodnia a)zimy, b)lata
124
od oświetlenia, osób i urządzeń przyjęto równe zero, tak aby wyeliminować wpływ pewnych
szczególnych założeń na ogólny wynik analiz numerycznych.
W celu określenia dynamicznego zachowania się budynku pod wpływem zmiennych
warunków atmosferycznych, przeprowadzono serie symulacji dla dwóch charakterystycznych
okresów czasowych, długości 7 dni każdy. Na podstawie rzeczywistych przebiegów parametrów
klimatu w roku 1981 (rok chłodny) i 1983 (rok ciepły) dla Warszawy, wybrano okresy od 15 do
21 stycznia dla zimy oraz od 3 do 9 lipca dla lata charakteryzujÄ…ce siÄ™ ekstremalnymi
warunkami ze względu na temperaturę zewnętrzną i bezpośrednie promieniowanie słoneczne.
4. Sformułowanie problemu i wybór wariantów
Ze względu na cieplno  optyczne właściwości izolacji transparentnych przegrody nimi pokryte
są zwykle narażone na zjawiska przegrzewania w okresach bezpośredniego oddziaływania
promieniowania słonecznego. W ekstremalnych przypadkach temperatury na powierzchniach
Å›cian akumulujÄ…cych mogÄ… osiÄ…gać wartoÅ›ci przekraczajÄ…ce nawet 100°C, co może mieć
niekorzystny wpływ na trwałość materiałów z jakich wykonana jest przegroda. Z drugiej zaś
strony, zbyt małe zyski ciepła osiągane dzięki zastosowaniu warstwy transparentnej mogą
powodować spadek opłacalności tego typu rozwiązań. W celu właściwego określenia
parametrów przegrody oraz jej zaprojektowania dla konkretnych warunków klimatycznych,
konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych analiz. Niniejsza praca ma na celu pokazanie
wpływu wybranych rozwiązań na procesy cieplne zachodzące w budynku i jego elementach dla
pewnego wybranego przypadku. Należy pamiętać, że przedstawione wyniki analiz mają
charakter szczególny, zaś każdorazowa zmiana modelu budynku, jego geometrii, konstrukcji,
usytuowania i sposobu eksploatacji wymaga odrębnej analizy.
Stosowanie izolacji transparentnych staje się ostatnio popularne również w naszym kraju,
o czym świadczą prace [7,8,9]. W związku z tym, otrzymane wyniki obliczeń mogą stać się
również pomocne w dalszych pracach nad zastosowaniem materiałów transparentnych oraz
wskazać rozwiązania najbardziej korzystne z energetycznego punktu widzenia.
Dla potrzeb niniejszej pracy przyjęto następujące rozwiązania południowej ściany
kolektorowo-akumulacyjnej, w strefie wschodniej i zachodniej analizowanego obiektu:
1) ściana z izolacją transparentną i szczeliną powietrzną nie wentylowaną,
2) jak w (1) z dodatkową żaluzją między szybą zewnętrzną a IT,
3) ściana z izolacją transparentną i wentylowaną szczeliną powietrzną,
4) jak w (3) z dodatkową żaluzją między szybą zewnętrzną a IT,
5) ściana pełna z tradycyjną izolacją z wełny mineralnej zamiast IT.
Dla przypadków 2 i 4, zastosowanie dodatkowej żaluzji powoduje dziesięciokrotne obniżenie
wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego. Żaluzja zamykana
jest automatycznie, gdy temperatura w szczelinie powietrznej przekracza 30°C.
5. Wyniki obliczeń i ich analiza
W celu dokładnej analizy cieplnego zachowania się budynku i jego przegród pokrytych
materiałem transparentnym przedstawiono historię temperatury suchej wynikowej w wybranych
okresach dla ściany zdefiniowanej wg wariantu 1 w strefie wschodniej (rys. 3). Z rysunku 3a
(zima) wynika, że temperatura wynikowa w szczelinie oraz temperatura na powierzchni warstwy
absorbującej zmieniają się w ciągu doby o 10-12K. Jednocześnie w okresie nocy temperatura na
powierzchni nie spada poniżej 18°C, zaÅ› wynikowa w szczelinie poniżej 16°C. Jest to w
głównej mierze spowodowane przenikaniem ciepła z sąsiadującego pomieszczenia w okresie
125
nocy (rys. 6a). Natomiast w okresie dnia zmienia się kierunek przepływu ciepła co powoduje
wzrost temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody w strefie wschodniej, o około 1K
powyżej temperatury wynikowej w pomieszczeniu. Natomiast dla wybranego tygodnia
okresu lata (rys. 3b), temperatura wynikowa w pomieszczeniu oscyluje okoÅ‚o 30°C, co
pomimo stałego wietrzenia daje wartości niedopuszczalne z uwagi na komfort cieplny jego
użytkowników. Jej obniżenie (rys. 5b), nawet o około 5K uzyskać możemy dzięki
zastosowaniu rozwiązań chroniących przed przegrzewaniem, takich jak żaluzje lub
dodatkowe wentylowanie szczeliny powietrznej. Przedstawione zmiany temperatury
wynikowej w szczelinie (rys. 4) wskazują na duża efektywność zastosowania przesłony jako
elementu chroniącego przed przegrzewaniem (spadek temperatury o około 12K) w przypadku
gdy dodatkowe wentylowanie szczeliny powoduje obniżenie temperatury jedynie o około 3K.
a) b)
Rys. 3. Historia zmian temperatury w wariancie 1, dla a) zimy, b) lata
ż
Ä™
ż
Ä™
a) b)
Rys. 4. Historia zmian temperatury wynikowej w szczelinie dla a) zimy, b) lata
126
Wynika to z wielokrotnie mniejszej ilości energii absorbowanej w przegrodzie z zamkniętą
przesłoną (rys. 7a). Niewielki wpływ wentylowania szczeliny może wynikać również z jej
niewystarczającej szerokości, o czym świadczyć mogą duże różnice pomiędzy temperaturą
zewnętrzną a temperaturą w szczelinie (rys. 5b). W najbliż szej przyszłości planowane są
dalsze prace mające na celu określenie wpływu szerokości szczeliny i sposobu jej
wentylowania na rozkład temperatury w ścianie. Zalety stosowania IT w stosunku do
tradycyjnej ściany akumulacyjnej z pojedynczą szybą od strony zewnętrznej przedstawia
historia zmiany energii cieplnej przenikającej przez zewnętrzną (przez
roczystą) część ściany
Ä™
Ä™
ż
ż
Å‚
Å‚
Ä™
ż
a) b)
Rys. 5. Historia zmian (lato) a) różnicy pomiędzy temperaturą wynikową w szczelinie
a temperaturą zewnętrzną b) temperatury wynikowej w pomieszczeniach
a) b)
Rys. 6. Historia zmian energii cieplnej przenikającej przez zewnętrzną część
ściany kolektorowo-akumulacyjnej dla a) zimy, b) lata
127
ż ż
Ä™
a) b)
Rys. 7. a) Historia zmian energii promieniowania słonecznego zaabsorbowa-
nej w szczelinie ściany kolektorowo-akumulacyjnej nie wentylowanej w lecie,
b) Tygodniowe zapotrzebowanie na energiÄ™ dla strefy wschodniej E
i zachodniej W
akumulacyjnej (rys. 6). Nawet w przypadku zimy (temperatura zewnÄ™trzna od  4 do  16°C),
zyski energetyczne w ciÄ…gu dnia dochodzÄ… do 55W, zaÅ› straty w okresie nocy nie
przekraczają 35W. Natomiast w przypadku samej szyby, bilans energetyczny zysków i strat
jest cały czas ujemny. Ma to odzwierciedlenie w zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania
obiektu w zimie (rys. 7b). Różnice pomiędzy nie wentylowaną ścianą z IT a pojedynczą
szybą wynoszą od 12 do 20% w zależności od orientacji poszczególnych pomieszczeń
względem stron świata. Przy zastosowaniu izolacji tradycyjnej (wełna mineralna) o grubości
zapewniającej współczynnik przenikania ciepła ściany równy współczynnikowi ściany
zaizolowanej IT, różnice te maleją odpowiednio do 8 i 16%.
6. Wnioski
Przeprowadzone obliczenia i analizy pozwalają na sformułowanie następujących wniosków:
1. Ściany zewnętrzne budynku pokryte IT są narażone na wysokie wahania temperatury w
części środkowej przegrody, pomiędzy materiałem izolacyjnym a powierzchnią
absorbującą, bez względu na warunki klimatu zewnętrznego (lato - zima). W okresie
zimy, dla analizowanego przypadku, maksymalna temperatura powierzchni absorbujÄ…cej
nie przekracza 30°C zaÅ› w lecie może dochodzić nawet do 60°C.
2. Akumulacyjne własności i charakter zmian jakim poddawana jest ściana, mają znaczący
wpływ na historię temperatury wynikowej w budynku. W okresie zimy zyski od
promieniowania słonecznego poprawiają bilans energetyczny nawet o 16% w stosunku
do tradycyjnej izolacji nieprzez
roczystej. Jednak w okresie lata zaobserwowano
niekorzystne zjawiska okresowego przegrzewania pomieszczeń, kiedy temperatura
wynikowa przekraczaÅ‚a 30°C pomimo ich przewietrzania.
3. Zastosowanie dodatkowej przesłony obniżyło o około 3-4K temperaturę wynikową w
pomieszczeniu. Znacznie mniejszy efekt (poniżej 1K) dało wentylowanie przestrzeni


128
pomiędzy IT a warstwą akumulującą, co może być spowodowane niedostateczną
szerokością szczeliny.
4. Oszczędności w zapotrzebowaniu na energię cieplną pomieszczeń wynoszą odpowiednio
8 i 16% w zależności od ich orientacji względem stron świata. Jednak dodatkowe
przewietrzanie przestrzeni pomiędzy IT a absorberem w okresie zimy, powoduje spadek
zysków ciepła i zmniejszenie się oszczędności odpowiednio do poziomu 5 i 9%.
Literatura
[1] HOLLANDS K. G. T., RAITHBY G. D., RUSSEL F. B., WILKINSON R. G., Coupled
radiative and conductive heat transfer across honeycomb panels and through single
cells, Int. J. Heat and Mass Transfer, 27 (11), pp. 2119-2131, 1984.
[2] PLATZER W. J., Calculation procedure for collectors with a honeycomb cover of
rectangular cross section, Solar Energy, Vol. 48, No 6, pp. 381-393, 1992.
[3] CLARKE J. A., Energy simulation in building design, 2nd edition, Butterworth
Heinemann, Oxford 2001.
[4] JOHNSTON D. K., Transparent insulation material: An advanced building envelope
component, MSc. Thesis, Department of Mechanical Engineering, University of
Strathclyde, Glasgow 1993.
[5] JENSEN S. O., The PASSYS Project: Subgroup model validation and development 
Final Raport Part I and II, Commission of the European Communities, DGXII, EUR
155115 EN, 1986-1992.
[6] STRACHAN P. A., JOHNSTONE C. M., Solar Residences with Transparent Insulation:
Predictions from a Calibrated Model, Proc. North Sun '94, Glasgow, pp. 347-353, 1994.
[7] MIKOÅš J., Budownictwo ekologiczne, wydanie II zmienione i rozszerzone,
Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej, Gliwice 2000
[8] FOIT H., Zyski ciepła od promieniowania słonecznego przez nieprzez
roczyste
przegrody zewnętrzne z izolacją transparentną pokrytą tynkiem przez
roczystym,
Materiały VIII Konferencji  Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce , s. 78 88, A
ódz
2000.
[9] POGORZELSKI J. A., Izolacje transparentne, Materiały Budowlane  Technologie,
Rynek, Wykonawstwo. Miesięcznik Techniczno Ekonomiczny, styczeń 2002.
INFLUENCE OF TRANSPARENT INSULATION MATERIALS
APPLICATION ON THERMAL PERFORMACE OF THE BUILDING
Summary
Computer models of transparently insulated walls are required in order to determine the
effects, this component have on thermal building behaviour and energy demand. The
Transparent Insulation Material has been treated as an extra zone in this problem. Some
simulation results concerning the resultant temperature and energy exchange in three zones
building with natural ventilation are presented. They have been obtained by means of
advanced numerical technique, using real climatic data for selected summer and winter
weeks, for Warsaw. The final results of closed, blinded and ventilated intelligent facades are
compared each with the other. It gives some initial guidelines for designers however more
analyses for different cases are required in the future.