Systemy wentylacji fasad podwójnych. Na czym polega sterowanie przepływem powietrza?

Fasady z podwójną skórą mogą być wentylowane naturalnie, mechanicznie lub hybrydowo (połączenie obu powyższych rozwiązań). Czym się charakteryzują systemy wentylacji fasady podwójnej? Jak kontrolować przepływ powietrza w takiej fasadzie?

Spis treści

1. Zewnętrzna kurtyna powietrzna
2. Systemy pasywne
3. Różnica ciśnień
4. Wentylacja naturalna a mechaniczna
5. Modelowanie i kontrola systemu

Przepływ naturalny, zwany też pasywnym, eliminuje konieczność konserwacji i przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii. Jednocześnie, źle zaprojektowana i nieodpowiednio dostosowana do lokalizacji geograficznej wentylacja naturalna jest mało skuteczna. W systemie pasywnym ruch powietrza napędzany jest ruchem otaczającego wiatru bądź wypornością termiczną (różnica ciśnień).

Procesy te jest dość trudno kontrolować. Znacznie większą elastyczność pod tym względem zapewnia wentylacja mechaniczna (tzw. system aktywny). Natężenie przepływu powietrza jest tu indukowane przez wentylatory, co pozwala na łatwe manipulowanie i kontrolowanie przepływu powietrza, a tym samym wpływa na wydajność.

Ruch powietrza wewnątrz budynku możliwy jest za pośrednictwem wymienników ciepła. Trzeba jednak pamiętać, że odbywa się to kosztem większego zużycia energii elektrycznej urządzeń zasilających i wymuszających przepływ powietrza. Warunkiem efektywności jest również odpowiednie zarządzanie i optymalizacja systemu mechanicznego.

Zewnętrzna kurtyna powietrzna

Do najczęściej stosowanych trybów pracy systemów mechanicznych należy tzw. kurtyna powietrzna zewnętrzna, której celem jest odprowadzenie ciepła nagromadzonego we wnęce. Wykorzystywana jest zwykle w okresie letnim lub przez większą część roku w klimacie z przewagą upałów. Co ciekawe, badania nad potencjałem mechanicznie wentylowanej fasady w celu zarządzania ciepłem zgromadzonym w postaci energii słonecznej wykazały, że efektywne wykorzystanie tego ciepła, wbrew pozorom, nie wymaga intensywnej pracy wentylatorów.

Drugi tryb pracy to fasada nawiewna, która z kolei wykorzystuje energię pochodzącą z promieniowania słonecznego do wstępnego podgrzewania świeżego powietrza do celów wentylacji. Z reguły tę opcję stosuje się w zimie oraz w obiektach zlokalizowanych w chłodniejszym klimacie. 

Systemy pasywne

Konieczność oszczędzania energii i zrównoważonego rozwoju w budynkach powoduje duże zainteresowanie systemami pasywnymi. Zdaniem niektórych ekspertów, znaczne oszczędności energii można osiągnąć tylko wtedy, gdy fasady dwupowłokowe umożliwiają wentylację okien lub znacznie wydłużają okres, w którym można wykorzystać naturalną wentylację.

Uważa się, że stosowanie wentylacji pasywnej (otwieranie okien) w wewnętrznej powierzchni znacznie zmniejsza obciążenie systemu HVAC, zapewniając świeże powietrze i komfort chłodzenia osobom przebywającym w budynku. Poza tym może to być również wykorzystywane do pasywnego nocnego chłodzenia konstrukcji budynku. Powietrze wewnątrz wnęki jest ogrzewane przez promieniowanie słoneczne i następnie wyprowadzane na zewnątrz. W przypadku naturalnie wentylowanej podwójnej fasady jest ono usuwane na dwa sposoby: za pomocą naporu wiatru i/lub efektu kominowego.

Różnica ciśnień

W prawidłowo zaprojektowanej fasadzie podwójnej ruch powietrza następuje na skutek różnicy ciśnień między wlotem i wylotem. Przy czym, ciśnienie wiatru zazwyczaj dominuje nad natężeniem przepływu powietrza. Bez wiatru wnęka może być nadal wentylowana, za sprawą efektu kominowego.

Zjawisko to występuje ze względu na różnicę gęstości między cieplejszym powietrzem wewnątrz komory powietrznej a chłodniejszym na zewnątrz. Gdy powietrze wędruje do dolnego wlotu, jest ogrzewane, staje się mniej gęste i bardziej wyporne termicznie. W rezultacie powietrze przepływa od wlotu do wylotu, jednocześnie odprowadzając ciepło.

Niezbędne jest, aby ścieżka powietrza i otwory zewnętrzne były odpowiednio zwymiarowane i skonfigurowane dla zrównoważenia efektu kominowego i prędkości wiatru. Zaniedbanie w tym zakresie spowoduje, że podgrzany strumień powietrza we wnęce będzie miał tendencję do promieniowania do wnętrza, a otwarcie okien warstwy wewnętrznej latem spowoduje napływ gorącego powietrza. 

Wentylacja naturalna a mechaniczna

System wentylacji naturalnej wiąże się z jeszcze jednym ograniczeniem. W środowisku miejskim otoczenie zewnętrzne może być źródłem nadmiernego hałasu i zanieczyszczeń. Z tego względu system wentylacji naturalnej jest bardziej zalecany w obszarach podmiejskich o umiarkowanej pogodzie, gdzie przepływ powietrza we wnęce jest zbliżony do warunków panujących w pomieszczeniach.

Mechanicznie wspomagane systemy zwykle wykorzystują wentylację podpodłogową lub sufitową do dostarczania bądź odprowadzania powietrza z wnęki, aby zapewnić wymaganą dystrybucję świeżego powietrza. Systemy wentylacji wspomaganej mechanicznie wiążą się z większą szczelnością budynku, dzięki czemu zapewniają lepszą ochronę przed hałasem ulicznym niż systemy wentylacji naturalnej.

W obszarach o trudnych warunkach pogodowych lub złej jakości powietrza, wspomagana mechanicznie wentylacja może utrzymywać warunki w strefie buforowej prawie na stałym poziomie, zmniejszając wpływ powietrza zewnętrznego na środowisko wewnętrzne.

Przeczytaj również:

• Fasada podwójna. Poznaj zalety i wady podwójnych fasad przeszklonych
• Skóra, która żyje! Poznaj oryginalne fasady reagujące na otoczenie
• Fasada double-skin - przykłady budynków z wielowarstwową elewacją

Modelowanie i kontrola systemu

Projektowanie fasad z podwójną skórą to skomplikowane zadanie, ponieważ wymaga uwzględnienia wielu, wzajemnie na siebie wpływających czynników. Opiera się to głównie na:

• symulacjach przepływu powietrza;
• obliczaniu temperatury na różnych wysokościach;
• symulacjach światła dziennego.

Modelowanie przepływu powietrza we wnęce fasady dwupowłokowej jest konieczne do zidentyfikowania temperatur na różnych wysokościach wnęki. Rozkład przestrzenny temperatury ma duże znaczenie przy podejmowaniu decyzji dotyczących:

• projektu fasady:

– rodzaju konstrukcji (np. korytarzowej, skrzynkowo-okiennej itd.);

– wymiarów (szerokość otworów, wysokość i szerokość wnęki);

• przeszklenia:

– rodzaju pakietów szybowych (pojedyncze/podwójne szyby do warstwy wewnętrznej i zewnętrznej);

– rodzaju szyb (szkło przezroczyste, przeciwsłoneczne, niskoemisyjne itp.);

• urządzeń zacieniających:
• rodzaju urządzeń zacieniających (żaluzje, rolety itp.);
• pozycjonowania urządzeń zacieniających (zewnętrzne/wewnętrzne/pośrednie);
• właściwej kombinacji typu szyby i urządzeń zacieniających dla każdej orientacji i rodzaju fasady;
• strategii HVAC:

– pochodzenia i przeznaczenia powietrza wewnątrz wnęki;

– rodzaju wentylacji (naturalna/mechaniczna/hybrydowa);

– nocnego chłodzenia/odpowietrzania.

Kluczowe na etapie integracji systemów fasad dwupowłokowych w budynkach jest zdefiniowanie odpowiedniej strategii kontroli. Pozwala to na korzystne spożytkowanie zysków słonecznych w okresie grzewczym i zapewnia komfort cieplny przez cały rok.

Ryzyko przegrzania obiektów w miesiącach letnich jest szczególnie wysokie wtedy, gdy projekt fasady dwuwarstwowej nie jest odpowiednio połączony ze strategią systemu HVAC. Sprawny system sterowania musi być dostosowany do zarządzania szybko zmieniającymi się warunkami zewnętrznymi. Osiągnięcie tych celów możliwe jest tylko wtedy, gdy udziały wszystkich urządzeń będą zsynchronizowane przez zintegrowany system sterowania.

Na etapie projektowania pomocne jest w tym zakresie przestrzeganie następujących założeń:

• użytkownicy muszą mieć wpływ na działanie systemu;
• aby oszczędzać energię, system sterowania powinien maksymalnie wykorzystywać warunki zewnętrzne przed przełączeniem na system klimatyzacji mechanicznej;
• należy dążyć do zapewnienia wysokiego komfortu przy jak najniższym zużyciu energii;
• na czas nieobecności użytkowników obiektu system powinien skupiać się tylko na oszczędzaniu energii, a podczas ich obecności – również na zapewnianiu komfortu.

Reasumując, układ sterowania z wykorzystaniem elementów pasywnych i aktywnych ma za zadanie nie tylko utrzymywać odpowiedni poziom temperatury w pomieszczeniach, lecz także dostarczać wymaganą ilość powietrza wentylacyjnego oraz zapewniać optymalną ilość światła docierającego do wnętrza budynku.

inż. Marianna Leśniewicz, absolwentka Wydziału Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej