Tu jesteś:
| Przepływ energii przez okno |
W dobrze izolowanym domu, z odzyskiem ciepła z wentylacji szczególną uwagę trzeba zwrócić na okna. Oprócz różnej konstrukcji okien ich orientacja względem stron świata i pochylenie odgrywa istotną rolę w bilansie energetycznym budynku.Okna są bowiem równie dobrym kolektorem słonecznym, przynoszącym zyski energetyczne w pomieszczeniach, ale także miejscem o największym przepływie ciepła do środowiska zewnętrznego - są newralgicznym punktem przy projektowaniu i wykonaniu budynku.Przepływ energii przez okno, do lub z pomieszczenia, jest wynikiem oddziaływania środowiska zewnętrznego, opisanymi parametrami takimi jak: temperatura powietrza, temperatura nieboskłonu i natężenie promieniowania słonecznego. Charakter zmian przepływu energii przez przezroczyste przeszklenie i ramę różni się. Na rysunkach 1 a-h przedstawiono zmiany przepływu energii Q=f(th) przez przeszklenie (z uwzględnieniem oddziaływania ramy) w ciągu reprezentatywnego dnia kolejnych miesięcy roku. Wartość energii przepływającej przez przeszklenie uwzględnia zarówno przepływ ciepła przez część centralną szyb i obrzeże, jak i transport energii promieniowania słonecznego przez te oba ośrodki. Przepływ energii odbywa się do lub z wnętrza pomieszczenia. Rysunek 2 a-h przedstawia przepływ energii przez pionowe przeszklenia. Uwzględnione jest zorientowanie pomieszczeń w czterech podstawowych kierunkach (stronach świata) i różna wielkość okien. Szczególną cechą przepływu energii do lub z pomieszczenia przez przeszklenie jest silna zależność zmian przepływu energii w czasie dnia od zmian natężenia promieniowania słonecznego półsferycznego docierającego do rozważanych przeszkleń w danym czasie.
Zmniejszenie pochylenia powierzchni (np. stosowanie okna połaciowego) powoduje zwiększenie przepływu energii do wnętrza w ciągu dnia (w związku ze zwiększeniem dostępności promieniowania słonecznego). Przy pochylonej powierzchni przeszklenia największy przepływ energii występuje dla orientacji południowej.  Rys. 1 a-b. Dobowy rozkład przepływu energii przez pionową szybę (okno 1x1 m2) o orientacji: południowej, wschodniej Nocą przy pochylaniu powierzchni okna ma miejsce nieznaczny wzrost strat ciepła w porównaniu z przeszkleniem pionowym. Zjawisko to jest związane m.in. z większą wymianą ciepła przez promieniowanie cieplne z nieboskłonem (o temperaturze niższej od temperatury bezpośredniego otoczenia), jest to tzw. „chłodzenie nocne” obudowy budynku.  Rys.1 c-d. Dobowy rozkład przepływu energii przez pionową szybę (okno 1x1 m2) o orientacji: zachodniej i północnej  Rys. 1 -f Dobowy rozkład przepływu energii przez pionową szybę (okno 2x2 m2) o orientacji południowej i wschodniej  Rys.1 g-h. Dobowy rozkład przepływu energii przez pionową szybę (okno 2x2 m2) o orientacji zachodniej i północnej Zjawisko „chłodzenia nocnego” jest szczególnie intensywne dla dachów i przeszkleń poziomych, dla których wymiana ciepła przez promieniowanie zachodzi przede wszystkim z nieboskłonem (gdy nie ma wyższych budynków w otoczeniu, wtedy tylko z nieboskłonem). Współczynnik „widoku” nieboskłonu maleje ze wzrostem pochylenia powierzchni.
Charakter zmian przepływu ciepła w nocy jest bardziej łagodny niż w ciągu dnia i jest ściśle związany z rozkładem temperatury powietrza zewnętrznego. Gdyby miał miejsce gwałtowny spadek temperatury w nocy wymiana ciepła uległaby oczywiście intensyfikacji. Straty ciepła osiągają maksimum przed wschodem Słońca (zgodnie z założonym rozkładem temperatury powietrza atmosferycznego). W przypadku ramy okiennej przebieg zmian przepływu ciepła z lub do pomieszczenia odwzorowuje charakter zmian stanu termicznego otoczenia, zdeterminowany przede wszystkim zmianami temperatury powietrza zewnętrznego w ciągu doby, a także choć w mniejszym stopniu oddziaływaniem promieniowania słonecznego. Ten nieznaczny wpływ przede wszystkim uwidacznia się mniejszymi stratami ciepła przez ramę do otoczenia przy lepszych warunkach nasłonecznienia, tj. przy „lepszej” orientacji ramy i mniejszym jej pochyleniu. Jednakże, przy mniejszym pochyleniu, w nocy straty cieplne są nieznacznie większe, co jak już wspomniano, jest m.in. wynikiem większej wymiany ciepła przez promieniowanie z pozornym nieboskłonem. Charakterystyczną cechą przepływu ciepła przez ramę jest jego zależność od zmian temperatury otoczenia atmosferycznego. Rama charakteryzuje się określoną pojemnością cieplną, oddziaływanie środowiska zewnętrznego na wnętrze pomieszczenia jest przesunięte w czasie (kilka godzin). Przez większą część roku występują straty ciepła z pomieszczenia przez ramę do otoczenia zewnętrznego. Przepływ ciepła z zewnątrz do pomieszczenia występuje tylko okresowo latem. Należy zaznaczyć, że rama jest przestrzennie najbardziej złożonym elementem okna, jej powierzchnie zewnętrzne (i wewnętrzne) są różnie ułożone względem siebie, w konsekwencji oddziaływanie promieniowania słonecznego dotyczy różnie zorientowanych i pochylonych (względem Słońca) powierzchni ramy.  Rys. 2 a-b Pole temperatury: rama i obrzeże, okno południowe pionowe 1x1m2, 1200, III, VI  Rys. 2 c-d Pole temperatury: rama i obrzeże, okno południowe pionowe 1x1m2, 1200, X, XII W styczniu, w przypadku całej zewnętrznej części okna, tzn. przeszklenia i ramy, ich stan termiczny jest ściśle związany ze zmieniającymi się warunkami otoczenia zewnętrznego. Jak już wspomniano, w zimie napromieniowanie jest niewielkie, parametrem środowiska zewnętrznego decydującym o procesach cieplnych zachodzących w ramie jest temperatura powietrza zewnętrznego i nieboskłonu. Temperatura zewnętrznej części ramy zmienia się podobnie jak temperatura powietrza zewnętrznego. Podobnie zmienia się również temperatura części centralnej zewnętrznej szyby i jej obrzeża, przy czym są one wyższe od temperatury zewnętrznej powierzchni ramy. Okno tłumi oddziaływanie środowiska zewnętrznego. Różnice temperatur pomiędzy poszczególnymi elementami okna od wewnątrz są większe niż od zewnątrz. Temperatura wewnętrznej powierzchni ramy jest wyższa od temperatury części centralnej przeszklenia, która jest z kolei cały czas nieznacznie wyższa od temperatury obrzeża. Na temperaturę obrzeża szyby wewnętrznej okna poprzez ramę wyraźnie wpływają zjawiska zachodzące w otoczeniu zewnętrznym, które są przekazywane przez ramę zachowującą się jak swoisty mostek cieplny.
Należy więc zaznaczyć, że nawet jeśli poziom natężenia promieniowania słonecznego jest mały to korzystanie jedynie z różnicy temperatur pomiędzy szybami i ich otoczeniem przy opisie przepływu energii przez okno znacznie upraszcza obraz zachodzących zjawisk i prowadzi do nieuwzględnienia wszystkich składników bilansu energetycznego pomieszczenia. Temperatura przeszklenia zewnętrznego może ulegać istotnym wahaniom w krótkim okresie czasu, jeśli występują duże i nagłe zmiany w jej napromieniowywaniu. Wahania temperatury szyby zewnętrznej z pewnym opóźnieniem czasowym „przenoszą się” na szybę wewnętrzną. Szyba zewnętrzna „reaguje” względnie szybko na zmiany zachodzące w środowisku zewnętrznym zdeterminowane temperaturą powietrza zewnętrznego i natężeniem promieniowania słonecznego. Natomiast „reakcja” szyby wewnętrznej jest stłumiona, wyraźna jest rola konstrukcji okna w wymianie energii pomiędzy ośrodkiem zewnętrznym i wewnętrznym. W lecie temperatura ramy od strony wewnętrznej oscyluje względnie blisko temperatury pomieszczenia wewnętrznego. Temperatura szyby wewnętrznej w części centralnej w ciągu dnia jest z reguły niższa od temperatury otoczenia zewnętrznego, w nocy wyższa. Temperatura obrzeża przeszklenia jest bardzo zbliżona do temperatury części centralnej szyby, przy czym w nocy temperatura ta jest nieznacznie wyższa, a w ciągu dnia niższa. Zwiększanie rozmiaru okna nie wpływa na rozkład temperatury w elementach okna. Natomiast pochylanie powierzchni okna ma wpływ na rozkład temperatury. Przy zmniejszeniu pochylenia temperatura poszczególnych elementów okna zmienia się w ciągu dnia w sposób względnie łagodny, co wynika z napromieniowywania tych powierzchni promieniowaniem bezpośrednim przez dłuższy okres czasu, niż w przypadku powierzchni pionowych. Wzrasta wyraźnie temperatura przeszklenia, co jest związane ze wzrostem pochłaniania promieniowania słonecznego w wyniku lepszej dostępności promieniowania słonecznego przy tak pochylonych powierzchniach. Najwyższe temperatury powierzchni zewnętrznej osiąga szyba południowa (przy pionowych przegrodach jest to szyba zachodnia). Temperatura szyby wewnętrznej przez dłuższy okres czasu jest wyższa od temperatury otoczenia zewnętrznego, co wskazuje na wzrost tendencji do przegrzewania pomieszczeń z oknami połaciowymi. Ponadto, jak już wspomniano analizowany wzrost temperatury jest efektem tylko wzrostu temperatury otoczenia zewnętrznego i pochłaniania energii promieniowania słonecznego w szybach.
|
