Переваги зовнішніх сонцезахисних систем та їх застосування в сучасних фасадах

Ерік Раскер,
Компанія Reynaers Aluminium

Останнім часом архітектори почали ширше використовувати сонцезахисні козирки як економічний засіб, що надає родзинку дизайну та підвищує привабливість зовнішнього вигляду будівлі. Сонцезахисний козирок складається з алюмінієвих ламелей, які кріпляться до зовнішньої стіни будівлі й таким чином забезпечують захист приміщень від нагрівання сонячними променями та від яскравого сонячного світла. Ефективне затінення засклених ділянок будівлі може забезпечити значну економію на системах охолодження та кондиціонування повітря, а також підвищує комфорт людей, які перебувають у будівлі.
Дана стаття присвячена зростаючому інтересу до інтеграції зовнішніх сонцезахисних систем у комплексні фасади з метою підвищення комфорту та продуктивності роботи людей у будівлі, зменшення експлуатаційних витрат власників будівель і оздоровлення планети шляхом зниження загального споживання енергії.

Навіщо «контролювати сонце»?

У всі часи людина прагнула контролювати сонце. Якщо простий контроль світла завжди здавався очевидним і легко досяжним, то контроль сонячної енергії та питання використання енергії в будівлях, з іншого боку, є відносно недавнім явищем. Причому не лише з технологічної точки зору, а й, відносно нещодавно, з боку урядів та їхніх законодавчих органів.

На початкових етапах ці «постанови» мали на меті лише вирішити проблему втрат енергії через погану ізоляцію, але за останні десять років прийшло розуміння, що проблема будівництва будівель з низьким енергоспоживанням значно серйозніша, ніж просто якісна ізоляція та необмежений доступ сонячних променів.

У результаті були прийняті постанови регулювальних органів, що контролюють енерговиділення.

Хорошим прикладом є директиви EPBD (Директиви щодо енергетичних характеристик будівель), ухвалені в європейських країнах.

Наводимо витяг з документа CEN/BT WG 173 EPBD N04 rev. (рис. 1).

pass, solar heating — пасивне нагрівання від впливу сонячних променів
passive cooling — пасивне охолодження
nat. vent, flow — природний вентиляційний потік
daylight — денне світло
renewable energy — відновлювана енергія
lighting needs — потреба в освітленні
vent, system needs — потреба у вентиляції
hot water demand — потреба в гарячій воді
cooling demand — потреба в охолодженні
heating demand — потреба в нагріванні/опаленні
building part — частина будівлі
system part — частина системи
transformation — трансформація
R.E. contribution in prim, energy or CO2 terms — внесок відновлюваної енергії (у первинній енергії або CO2)
consumption primary energy, CO2 emission — споживання первинної енергії, викиди CO2
delivered energy — підведена енергія
internal heat gains — внутрішні тепловиділення
system loses — втрати в системі
building energy demand — потреба будівлі в енергії
system energy demand — потреба системи в енергії
generated energy — згенерована енергія
production in prim, energy or CO2 terms — вироблення первинної енергії або CO2
calculation direction — напрям розрахунків

Рис. 1

«Теплі» країни, які спочатку не виявляли інтересу до проблеми ізоляції будівель, нині розробляють норми, покликані контролювати енерговиділення.

Чому саме сонцезахисні навіси?

Ми можемо жити і в будівлях з повністю «відкритим» фасадом, але, окрім надмірного освітлення всередині приміщень, це також значно збільшить потребу в нагріванні або охолодженні будівлі.

Щоб повністю уникнути потрапляння сонячних променів усередину будівлі, потрібно було б жити в цегляних або цементних будинках без скла та/або вікон. Окрім того, що з часом людина почувалася б некомфортно, це створило б суттєву потребу в енергії для освітлення такої будівлі. Підраховано, що в сучасних західних будівлях споживання енергії на освітлення може сягати третини загального енергоспоживання будівлі.

Системи сонцезахисних навісів можуть бути вирішенням цієї дилеми, яка водночас є однією з найбільших складностей під час їх проєктування.

Мета — досягнення належного контролю проникнення сонця та світла.

Рис. 2

У якому положенні повинні встановлюватися сонцезахисні навіси?

Сонцезахисні жалюзі можуть встановлюватися з внутрішнього боку, у міжскляному просторі та зовні.

Існують різні моделі жалюзі, які дають різні показники ефективності залежно від типу самих жалюзі та типу скла.

Однак загалом ефективність навісів або жалюзі зростає в міру їх переміщення з внутрішньої позиції до зовнішньої: більша частина енергії, яку поглинають внутрішні сонцезахисні жалюзі, виділяється в приміщення і повинна відводитися вентиляцією або механічним охолодженням, тоді як у випадку зовнішніх жалюзі ця поглинена енергія переважно віддається в навколишнє середовище (рис. 2).

external retractable device — зовнішній висувний пристрій
mid-pane device: Venetian blind — міжскляний пристрій: венеціанські жалюзі
internal retractable device — внутрішній висувний пристрій

Рис. 3

Рис. 4. Положення сонця в різну пору року. Приклад: (Брюссель, 50,8° північної широти)

Рис. 5

Як можна контролювати сонце?

Коли сонячні промені падають на вікно, частина з них відбивається, частина проникає всередину, а частина поглинається склом. Остання частка сонячної радіації перетворюється на тепло, яке потім випромінюється з обох боків скла. Загальна кількість енергії у відсотковому вираженні, що проходить крізь вікно, називається фактором абсолютного сонячного проникнення або величиною g і є показником сонцезахисної ефективності даного скла.

Коли скло захищене сонцезахисною системою, кількість сонячних променів, що проходять крізь скло та сонцезахисну систему, значно зменшується, а кількість відбитих променів зростає.

Положення сонця змінюється щогодини та щодня. Для зовнішньої стіни, орієнтованої на південь, сонце досягає своєї найвищої точки 21 червня о 12:00 сонячного часу, а найнижчої — 21 грудня також о 12:00 сонячного часу. Для візуалізації цього динамічного процесу різного положення сонця використовується сонячна діаграма, яка графічно відображає екліптичні криві та часові криві.

Існують комп’ютерні програми для автоматичного моделювання цього процесу.

Рис. 6. Карта світу з оглядом градусів довготи

Розрахунок кутів тіні відносно орієнтації зовнішньої стіни

На стадії проєктування надзвичайно важливо зменшити пряме проникнення сонячних променів у будівлю. Тут необхідний розумний баланс між сонцезахистом і максимальним проникненням природного денного світла, що суттєво покращує візуальний комфорт в офісних або житлових приміщеннях.

На стадії проєктування надзвичайно важливо зменшити пряме проникнення сонячних променів у будівлю.
Тут необхідний розумний баланс між сонцезахистом і максимальним проникненням природного денного світла, що суттєво покращує візуальний комфорт в офісних або житлових приміщеннях.

Очевидно, що орієнтація різних зовнішніх стін має вирішальне значення під час вибору та визначення розмірів сонцезахисту.

Одним з інструментів, що допомагає у виборі та визначенні розмірів сонцезахисних систем, є розрахунок відповідних кутів тіні для кожної зовнішньої стіни.

Кути тіні розраховуються з урахуванням сонячного азимуту (положення сонця відносно осі Землі, виражене в горизонтальній площині), кута підйому сонця та висоти скла, поверхня якого зазнає впливу сонячних променів.

Нижче наведено діаграми, отримані в результаті розрахунків, що показують кути тіні для різних європейських столиць залежно від орієнтації зовнішньої стіни та пори року (рис. 7):

shadow angles summer — кути тіні, літо
east facade — східний фасад
south facade — південний фасад
west facade — західний фасад
Lat.N — північна широта
Longt.E — східна довгота

Рис. 7. Приклади прямого сонячного проникнення на зовнішніх стінах різної орієнтації для 50,8° північної широти для горизонтальних і вертикальних сонцезахисних систем.

У результаті отримуються такі значення сонячного проникнення для конкретного місця розташування — у цьому випадку для Брюсселя (рис. 8 а, б, в).

Рис. 8 а

Рис. 8 б

Рис. 8 в

Програмне забезпечення для виконання розрахунків

Компанія Reynaers Aluminium NV розробила програмне забезпечення, яке дає змогу легко розрахувати кути тіні та відповідну ефективність сонцезахисних систем. Це означає, що можна точно визначити розміри сонцезахисної системи для кожної окремої стіни.

Після введення необхідних параметрів програма негайно видає 2D-ілюстрацію.

SHADING — жалюзі
Blade width — ширина ламелі
Vertical shift — вертикальне зміщення
Horizontal shift — горизонтальне зміщення
Left overhang — лівий винос
Right overhang — правий винос
Slope blade — нахил ламелі
Horizontal spacing — горизонтальний крок
Vertical spacing — вертикальний крок
Total projection — загальний винос
Colour — колір
TIME — час
Month — місяць
Day — день
Hour — година
Solar altitude angle — кут висоти сонця
Solar azimuth angle — кут сонячного азимуту
Perp. incidence angle — кут перпендикулярного падіння
CALCULATION — розрахунок
Accuracy — точність

Рис. 9. Загальні річні показники роботи для західного фасаду з горизонтальними сонцезахисними жалюзі в Брюсселі

Рис. 10. Моделювання положення жалюзі на фасаді в різний час доби

Рис. 11. Загальні річні показники роботи для західного фасаду з вертикальними сонцезахисними жалюзі в Брюсселі

Рис. 12. Моделювання положення жалюзі на фасаді в різний час доби

Висновки

Системи сонцезахисних жалюзі за умови правильного проєктування можуть суттєво впливати на планування та контроль енергоспоживання будівель.

Було розкрито деякі основні принципи розрахунку ефективності сонцезахисних жалюзі та наведено прості приклади для ілюстрації реальної користі цих систем.

Подальше моделювання стосується рівня освітленості житлових і робочих приміщень і разом із наведеними вище моделями та розрахунками дає змогу вже сьогодні проєктувати коректні та ефективні сонцезахисні системи.