Jak naturalna wentylacja zapewnia komfort cieplny i zmniejsza zużycie energii?

Mechaniczne chłodzenie, takie jak klimatyzacja, jest często stosowane w budynkach w celu kontrolowania gromadzonego we wnętrzach ciepła. Jednak dzięki stosowaniu chłodzenia, takiego jak naturalna wentylacja, zużycie energii może być zmniejszone nawet o 50% (klasyfikacja CE według normy EN).

Jak nadmierne nagrzewanie się wnętrz wpływa na budynek?

Nadmierne nagrzewanie wpływa na wzrost temperatury w pomieszczeniach, który powoduje, że użytkownicy budynku czują się niekomfortowo. Może się to zdarzyć z powodu kilku czynników: liczby osób zajmujących daną przestrzeń, elektroniki, oświetlenia, klimatu zewnętrznego, masy termicznej, wzrost nasłonecznienia przez przeszklone fasady.

Jak można wykorzystać naturalną wentylacje do kontrolowania temperatury wewnętrznej i zapewnienia komfortu cieplnego w budynku komercyjnym?

Jeśli gorące powietrze nie może zostać usunięte, przebywanie w budynku przestaje być komfortowe. Wilgotność, poziom dwutlenku węgla, zanieczyszczenia i podwyższona temperatura w pomieszczeniach mogą przyczynić się do zwiększenia liczby nieobecności i obniżenia wydajności użytkowników. Przez odpowiednie stosowanie wentylacji można uzyskać 10% wzrostu wydajności (Olesen, 2010). Raporty wykazują również zmniejszenie absencji pracowników nawet o 3,2% (Sterling), gdy użytkownikom budynku zapewnia się komfortowe środowisko wewnętrzne.

Chłodzenie wentylacyjne wykorzystuje powietrze zewnętrzne w jego rzeczywistej temperaturze w celu poprawy komfortu cieplnego osób przebywających w budynku, zużywając niewiele energii lub wcale w porównaniu z chłodzeniem mechanicznym. Do celów chłodzenia wentylacyjnego można stosować wentylację mechaniczną, hybrydową i naturalną. Jeśli chodzi o wentylację naturalną, należy wziąć pod uwagę 4 podziały:

• Wentylacja jednostronna - polega na wykorzystaniu otworów znajdujących się na tej samej lub różnych wysokościach w tej samej elewacji lub na dachu budynku 
• Wentylacja kominowa (wyporność cieplna) - polega na wykorzystaniu otworów znajdujących się na różnych wysokościach w elewacjach, na dachu budynku lub pomieszczenia 
• Wentylacja krzyżowa - polega na wykorzystaniu otworów znajdujących się na różnych elewacjach budynku lub pomieszczenia
• Wentylacja kominowa i krzyżowa - polega na wykorzystaniu otworów znajdujących się na różnych wysokościach i na różnych elewacjach budynku lub pomieszczenia

Naturalna wentylacja i wietrzenie w odniesieniu do jakości powietrza wewnętrznego w porównaniu z wentylacją mechaniczną

Wytyczne na etapie projektowania wentylacji, zwracające uwagę na to, jaki rodzaj należy zastosować.

Wentylacja jednostronna

Uważa się, że jest to prostsza konfiguracja wentylacji naturalnej, ponieważ wszystkie otwory znajdują się na tej samej elewacji oraz na tej samej lub różnej wysokości. Należy jednak wziąć pod uwagę, że ta forma wentylacji naturalnej jest najmniej wydajna pod względem przepływu powietrza i trudna do przewidzenia ze względu na wpływ pogody. Na etapie planowania wykorzystania naturalnej wentylacji trzeba będzie wziąć pod uwagę kilka czynników. Należą do nich kierunek wiatru, położenie budynku i rodzaj zastosowanego otworu.

Wentylacja krzyżowa

Wentylacja krzyżowa to specyficzna konfiguracja wykorzystywania wentylacji naturalnej, w której otwory w tym samym pomieszczeniu lub przestrzeni znajdują się na różnych fasadach lub dachach budynku komercyjnego. Ten rodzaj naturalnej wentylacji opiera się na wykorzystaniu sił wiatru do wytworzenia przepływu powietrza w całej przestrzeni. Wentylacja krzyżowa może osiągnąć wysokie współczynniki przepływu powietrza przy wzrastającej prędkości wiatru.

Efekt kominowy

Aby umożliwić efekt kominowy, otwory powinny być umieszczone na różnych wysokościach, przy czym okna fasadowe powinny dostarczać powietrze, a świetliki i okna dachowe działać jako wyloty powietrza. Ten rodzaj naturalnej wentylacji opiera się na różnicy temperatur pomiędzy wnętrzem budynku a zewnętrzną jego stroną, tworząc gradient temperatury wewnątrz budynku oraz na wysokości komina (pionowa różnica wysokości pomiędzy nawiewem a wywiewem).

Dzięki wyporowi termicznemu (ciepłe powietrze unosi się) zimne powietrze dostające się do budynku przez dolne otwory, w miarę jak się ociepla, jest wciągane do góry i opuszcza budynek z dużą prędkością przez górne otwory.

Budynek komercyjny z atrium pokazujący przepływ wentylacji kominowej

Powszechne przyczyny nagrzewania się budynków komercyjnych:

• Nadmierne nasłonecznienie - budynek nagrzewa się przez jego położenie skierowane ku słońcu 
• Masa termiczna - budynki o ciężkiej strukturze (na przykład oparte na betonie) gromadzą ciepło w ciągu dnia i oddają je do przestrzeni, co sprawia, że wolniej się wychładzają 
• Materiały – materiał strukturalny budynku wpływa na sposób przekazywania i magazynowania ciepła
• Temperatura powietrza zewnętrznego – ciepłe powietrze wprowadzane jest do pomieszczenia
• Wewnętrzne gromadzenie się ciepła - działania takie jak gotowanie, maszyny i ciepło emitowane przez ludzi.

Jak działa chłodzenie nocne?

Nocne chłodzenie wykorzystuje niższe temperatury nocne do szybkiej wymiany gorącego powietrza z pomieszczeń na chłodniejsze powietrze z zewnątrz. Powietrze zewnętrzne schładza masę termiczną budynku, która w ciągu dnia działa jak radiator. W nocy ze struktury budynku uwalniane jest ciepło, które ma być usunięte przez chłodzenie nocne, co ostatecznie schładza budynek. Okna i świetliki dachowe umożliwiają napływ dużych ilości chłodnego powietrza do budynku, zwłaszcza jeśli można zastosować wentylację kominową i/lub krzyżową,

4 dodatkowe korzyści z chłodzenia nocnego:

• Pasywne rozwiązanie możliwe do zastosowania w większości budynków 
• Zmniejszenie zależności od energii 
• Niższa emisja dwutlenku węgla dzięki mniejszej zależności od systemów mechanicznych 
• Efektywność kosztowa

To, jak skuteczna jest ta metoda wentylacji, zależy od geometrii i właściwości termicznych budynku, a także od temperatur zewnętrznych i prędkości wiatru. Chłodzenie za pomocą naturalnej wentylacji może zmniejszyć, a czasem zastąpić stosowanie chłodzenia mechanicznego (klimatyzacji).

W jaki sposób chłodzenie za pomocą naturalnej wentylacji jest wprowadzane do budynków komercyjnych w celu poprawy komfortu cieplnego i wspierania zrównoważonego projektowania?

Naturalna wentylacja jest wprowadzana na etapie planowania projektu budynku. Świetliki i okna dachowe mogą być wyposażone w osłony przeciwsłoneczne, które zapewniają dodatkowy komfort cieplny poprzez ograniczenie ilości energii słonecznej, która może dostać się do budynku. Zacienienie oraz rozmieszczenie okien i świetlików dachowych pozwala użytkownikom budynku lepiej zarządzać komfortem cieplnym i dostosowywać się do zmian temperatury.

Świetliki dachowe mogą być również wyposażone w szyby elektrochromowe. To inteligentne szkło kontroluje doświetlenie, łączy ludzi z otoczeniem - a w przypadku nowej siedziby ACTIS, europejskiego lidera w dziedzinie izolacji refleksyjnej - zmniejsza zależność od klimatyzacji o 628 godzin w ciągu jednego roku.

Modułowe świetliki jako część nowego budynku w siedzibie głównej Actis w Limoux, Francja

Zautomatyzowane chłodzenie naturalne w centrum projektu szkoły

Szkoła Hessenwald w Niemczech jest przykładem energooszczędnej, współczesnej architektury. W centrum szkoły znajduje się trzypiętrowe atrium z wentylacyjnymi świetlikami/dachówkami. Przegrzewaniu się budynku w miesiącach letnich zapobiega zastosowanie masy termicznej w odsłoniętych stropach oraz automatyczne chłodzenie nocne za pomocą paneli na elewacji i wentylacyjnych świetlików modułowych w atrium. W rezultacie dyrektor szkoły, Markus Bürger, opisuje to jako "klimat, w którym człowiek czuje się komfortowo, kształtowany przez wspaniałą architekturę, warunki oświetleniowe i przyjemną temperaturę".

Łączenie wewnątrz i na zewnątrz: wywiad z Alexandrem Vohlem, partnerem Wulf Architekten GmbH na temat projektowania z wykorzystaniem światła dziennego i świeżego powietrza w Hessenwaldschule

Czy powinienem zastosować strategię chłodzenia pasywnego?

Pasywne systemy chłodzenia zapewniają dobre środowisko termiczne dla użytkowników budynku i zmniejszają potrzebę wysokiego zużycia energii, które częściej występuje w mechanicznych systemach chłodzenia, takich jak klimatyzacja.

Do 2050 roku globalne zapotrzebowanie na chłodzenie w budynkach komercyjnych wzrośnie o 275% (O' & Donovan, 2020). Spowoduje to wzrost zapotrzebowania na klimatyzację, a w konsekwencji wyższe zużycie energii i wzrost poziomu dwutlenku węgla. Chłodzenie za pomocą naturalnej wentylacji jest niezawodnym sposobem na zmniejszenie zapotrzebowania na klimatyzację bez utraty komfortu użytkowania.

Jak zapewnić dobry komfort cieplny użytkownikom budynku komercyjnego przy zastosowaniu naturalnego chłodzenia wentylacyjnego?

Włączając strategię naturalnego chłodzenia wentylacyjnego do planów budynków komercyjnych, należy wziąć pod uwagę kilka czynników związanych z komfortem cieplnym. Obejmują one lokalny klimat - temperatury zewnętrzne w ciągu dnia i w nocy, liczbę słonecznych dni w roku, prędkość wiatru i inne. Użytkowanie budynku, materiały, lokalizacja okien i potencjał zacienienia słonecznego również odgrywają rolę przy włączaniu skutecznej strategii naturalnej wentylacji do planów projektowych budynków komercyjnych.

Połączenie tych kluczowych czynników z przemyślanym planowaniem projektu i wyborem produktów będzie miało pozytywny wpływ na udane wdrożenie chłodzenia wentylacyjnego w budynku.

Dowiedz się więcej o naszych rozwiązaniach świetlików dachowych, które zapewniają wentylację, zapewniając użytkownikom budynków komercyjnych komfort termiczny.

Źródła:

FAIA, 2019. Sustainable Workplaces for Human Health and Productivity, Global, FAIA.

O' Donovan, A. et al. 2021. Passive control strategies for cooling a non-residential nearly zeroenergy office: Simulated comfort resilience now and in the future, Cork: Elsevier.

Olesen, B,W 2010. Productivity and Indoor Air Quality, Technical University of Denmark.

Sterling, E & A The Impact of Different Ventilation Levels and Flourescent Lighting Types on Building Illness: An Experimental Study, Canadian Journal of Public Health.