Apstrakt
Odavno je poznato da su prozori u stambenim zgradama glavne površine za gubitak toplote tokom zime. U skorije vreme je takođe zabeleženo da prozori znatno doprinose „dobitku toplote“ spolja tokom perioda mehaničkog hlađenja prostora.
U suptropskoj klimi na Majamiju-Florida, viša prosečna godišnja temperatura i relativna vlažnost stvaraju situaciju življenja kojom dominira potreba za hlađenjem prostora pre nego zagrevanjem.
Pošto je ocenjeno da toplotni dobitak kroz prozor čini polovinu opterećenja kondicioniranja vazduha leti, važno je razviti dizajn prozora i strategije njegovog postavljanja koje će biti povoljne za ove klimatske uslove. Te strategije se znatno razlikuju od strategija za oblasti sa umerenom klimom gde može biti poželjno pasivno grejanje.
Možda Vas zanima:
Iz tog razloga je od vitalnog značaja da takva studija razmotri svrhe i funkcionalne aspekte prozora koji čine čuvanje energije mogućim. To zahteva razumevanje i tretiranje kako ljudskog termalnog komfora, tako i njegovog odnosa sa termodinamičkim procesima toplotnih dobitaka kroz prozor uzrokovanih zračenjem, provođenjem i konvekcijom. Takođe je neophodno razmotriti dinamiku ventilacije prozora i kako se ona može upotrebiti za postizanje maksimalnih vrednosti unutrašnjeg komfora.
Za maksimalno čuvanje energije postignuto arhitektonskim dizajnom u toploj i vlažnoj klimi, moraju se istaći i analizirati dostupne strategije kao i preporuke za buduću gradnju mogućim. To zahteva razumevanje i tretiranje kako ljudskog termalnog komfora, tako i njegovog odnosa sa termodinačkim procesima toplotnih dobitaka kroz prozor uzrokovanih zračenjem, provođenjem i konvekcijom. Takođe je neophodno razmotriti dinamiku ventilacije prozora i kako se ona može upotrebiti za postizanje maksimalnih vrednosti unutrašnjeg komfora.
Perspektiva takvog istraživanja je potencijal za buduće energetske zahteve u suptropskim oblastima.
Uvod
Da bi ispitali potencijal prozora za čuvanje energije, neophodno je razumevanje funkcije prozora, klime u kojoj će biti upotrebljeni i odnos prozora i ljudskog termalnog komfora i čuvanja energije.
Da bi razumeli mogućnosti čuvanja energije neophodno je identifikovati prednosti i mane upotrebe energije uzrokovane prozorima i kako se njihove funkcionalne svrhe mogu uključiti u te stavke. Na taj način se može identifikovati dizajn prozora i upotreba kojom će se u suptropskoj klimi čuvati energija, a mogu se napraviti i preporuke.
1. Funkcija prozora
Tradicionalno, svrhe prozora su bile da obezbede:
1) vezu sa spoljašnjošću; 2) kontrolu termalnog komfora; 3) svež vazduh i 4) osvetlenje unutar zgrade. Veza sa spoljašnošću je funkcija vezana za obezbeđivanje pogleda i komunikacije sa spoljašnošću. Druge važne osobine su kontrola privatnosti, nadzor i psihološka povezanost sa oblašću oko zgrade. Sommer, Manning i drugi psiholozi su dokumentovali osnovnu potrebu postojanja prozora na zgradama [1]. Kristofer Aleksander primećuje da su „sobe bez prozora, zatvori za ljude koji moraju u njima da borave“. On ide i dalje i primećuje da socijalni uspeh ili neuspeh prostorije u velikoj meri zavisi od prostorija koje imaju osvetlenje sa dve strane. Očigledno je da se potreba za prozorima širi van granica funkcionalnosti [2].
Sposobnost prozora da obezbede termalni komfor, pre svega uključuje njihovu osobinu da budu otvoreni ili zatvoreni da bi primili ili odbili lokalne povetarce. U umerenim klimama tokom zime je važno da prozori budu zatvoreni da bi se sprečio preveliki gubitak toplote iz zgrade. Međutim, tokom leta, proleća i jeseni prozori se mogu selektivno otvarati ili zatvarati da bi se regulisale unutrašnje temperature. U suptropskoj klimi situacija je znatno drugačija. U većini domova tokom leta prozori će biti zatvoreni tokom perioda mehaničkog kondicioniranja vazduha.
Za razliku od toga, izuzev u izuzetno hladnim periodima prozori će biti korišćeni da regulišu unutrašnje temperature tokom umerenih zima, jeseni i proleća u takvoj klimi.
Prozori takođe mogu biti izvor pasivnog grejanja tokom zime zbog takozvanog „efekta staklene bašte“ koji se događa kada sunčevi zraci kroz staklo prodiru u unutrašnjost [3]. Za razliku od toga u toplim i vlažnim klimama period kada je poželjno pasivno grejanje je prilično kratak, obično dva meseca ili manje. Ovakav efekat je negativan u ostatku godine u suptropskoj klimi i moraju se uložiti napori da se smanji njegova magnituda.
Važna funkcija prozora je propuštanje svežeg vazduha u prostorije. Glavni cilj je obezbeđivanje neophodnog kiseonika za disanje, hlađenje itd., i u isto vreme sprečavanje prevelikih koncentracija ugljen dioksida, ugljen monoksida i neprijatnih mirisa. Regulisanje takve „zdrave ventilacije“ se meri po broju izmena vazduha u prostoriji na sat. Preporučene minimalne vrednosti ventilacije za različite prostorije razlikuju se od države do države.
Tabela 1. Preporučene vrednosti za zgrade u Francuskoj [4].
Važno je napomenuti da je za prostorije u kojima borave pušači potreba za zdravstvenom ventilacijom veća za 20 % ili više [5].
Prozori pružaju mogućnost prijema ili usmeravanja unutrašnjeg osvetlenja pomoću dnevne svetlosti. Preporučene minimalne vrednosti unutrašnjeg osvetlenja su ustanovljene od strane General Services Administration između 10 kandela po m2 za holove i prolaze do preko 50 za oblasti u kojima je posao vezan za vizuelni rad. Korišćenjem informacija o oblasti i provodljivosti prozora, kao i sezonskih i klimatskih promena solarnog intenziteta i ostalih faktora moguće je predvideti unutrašnje osvetlenje kao rezultat prirodne dnevne svetlosti [6]
2. Klima u toplim i vlažnim oblastima
Suptropska klima je tipična za samo dve oblasti u Sjedinjenim Američkim Državama. Jedna je Južna Florida, a druga je na Havajskim ostrvima. Naime, ovi uslovi su dominantni na globalnom nivou. Veći deo Centralne Amerike, severoistočni delovi Južne Amerike, Centralna Afrika, istočni deo Indije, Indonezija i severna Australija, kao i ostrva Kariba i Južnog Pacifika pokazuju ono što je W. Koppen nazvao karakteristike tropsko-kišne klime [7]. Ove oblasti imaju tendenciju koncentrisanja blizu ekvatora, između tropskog pojasa Raka i tropskog pojasa Jarca.
Klimatski uslovi su klasifikovani pomoću velikih godišnjih dobitaka sunčevog zračenja, dosta sezonskih padavina, velikih vlažnosti i niskog opsega promena dnevne temperature. Na primer, ovaj rad će se fokusirati na situaciju u Majamiju-Florida. Majami karakteriše suptropsko morsko okruženje. Lociran na geografskoj širini 25° 49′ severno, grad ima dugo blago leto sa obiljem kiše i umereno suvu zimu. Prosečna godišnja temperatura u Majamiju iznosi 23,8 °C [8]. Zbog činjenice da je Majami lociran na Istočnoj obali Atlantika, morski uticaji imaju tendenciju da smanje dnevni opseg prosečne temperature (razlika između maksimuma i minimuma). Opseg na Majami Biču je samo 5,5 °C, dok se u unutrašnjosti razlika približava 10 °C. Najvažnija obalska meteorološka razlika pojavljuje se u broju dana u godini kada temperatura dostiže 32,2 °C ili više.
Slično je i sa varijacijama padavina. Majami beleži prosečno godišnje taloženje padavina od samo 1,16 m, dok aerodrom udaljen 9 km ka unutrašnjosti beleži 1,49 m. Ovaj efekat ima tendenciju daljeg rasta sa približavanjem istočnim delovima Everglejdsa gde su letnji pljuskovi sa grmljavinama skoro svakodnevna pojava. Kao što se može očekivati, prosečna relativna vlažnost je visoka oko 75 %. Sunce se obično nalazi više na nebu u umerenijim klimama, sa prosečnim godišnjim prijemom solarne energije od 17.548 kJ/m2. Shodno tome, godišnji broj stepen dana grejanja kada je bilo potrebno hlađenje za period od 1969-1979 (14.699) znatno prelazi prosečni broj dana kada je bilo potrebno grejanje za isti period (188). Klimatsko proučavanje vetra je važno za upotrebu ventilacije prozora.
3. Termalni komfor u toplim i vlažnim klimama
Za maksimalno zdravlje i produktivnost neophodno je da temepratura ljudskog tela bude održavana u uskom temperaturnom opsegu od 36,8 °C. U umerenim klimama često postoji potreba za grejanjem, da bi se održala toplina tela. Međutim, u toplim i vlažnim klimama, veća prosečna temperatura i relativna vlažnost otežavaju funkciju organizma da se sam hladi.
U metaboličkom procesu telo proizvodi toplotu koja varira od 290 kJ/h pri osnovnim metaboličkim procesima do 2190 kJ/h ili više pri velikim aktivnostima. Da bi se temperatura tela održala na prihvatljivom nivou, višak toplote mora se emitovati u okruženje.
Ova razmena toplote je u isto vreme i kompleksna i pojednostavljena termodinamičkim procesima zračenja, provođenja, konvekcije i latentne toplote isparavanja.
Odrasla osoba koja sedi i odmara stvara oko 422 kJ/h. Ako nosi običnu odeću i sedi u sobi na temperaturi od 15,5 °C sa vazduhom bez strujanja i sa 50 % relativne vlažnosti, gubici ljudskog organizma su prikazani u tabeli 2. [9]
Tabela 2. Gubici toplote ljudskog organizma
Nažalost, u suptropskoj klimi su neke temperature vazduha ili vlažnost vazduha poput ovih. Pri porastu temperature i vlažnosti, više opterećenje hlađenja se prenosi na evaporativni sistem za hlađenje organizma.
Na 22,2 °C skoro polovina hlađenja mora se postići znojenjem, šta više kako temperatura vazduha dolazi u ravnotežu sa temperaturom kože nije moguć gubitak toplote putem radijacije ili konvekcije, a opterećenje hlađenja se u potpunosti prenosi na evaporativni sistem za hlađenje. Ako je pritisak pare u vazduhu dovoljno visok da se temperatura po vlažnom termometru izjednači ili pređe temperaturu kože, onda se ne dešava evaporativno hlađenje. Tokom kratkih vremenskih perioda takvi uslovi uzrokuju toplotni udar i ako potraju duže dovode i do smrti [10].
Za razliku od ovog ekstremnog primera, može se primetiti da više prosečne temperature i vlažnosti takve klime imaju tendenciju da otežavaju sposobnost realizovanja toplotnog komfora tokom većeg dela godine. Slika 1 predstavlja takozvanu „zonu komfora“ u Majamiju-Florida.
Slika 1 Zona komfora na Majamiju-Florida
Zona komfora je definisana kao korelacija između temperature, vlažnosti i brzine vazduha koji stvara oblast gde se minimalna količina telesne energije širi da bi se održala toplotna ravnoteža. Prosečne dnevne temperature i vlažnosti u Majamiju su prikazane na grafikonu zone komfora. Stoga je moguće biti u zoni komfora na 27 °C pri niskoj relativnoj vlažnosti, ili pri višoj relativnoj vlažnosti ako je prisutna brzina vetra 0,5-1,0 m/s.
Sa slike 1 očigledno je da je u Majamiju tokom većeg dela godine, naročito leti, previše toplo i vlažno za komfor. Do sada nije smišljena nijedna praktična metoda snižavanja unutrašnje vlažnosti sem mehaničkih sredstava. Isto važi i za unutrašnje temperature, izuzev da se povećani toplotni dobici u unutrašnjosti prostorije uzrokovani solarnim dobitkom i stvaranjem unutrašnje toplote mogu sniziti odgovarajućom ventilacijom kroz prozore. Ovo je naročito tačno za Majami tokom sezona rane zime, kasne jeseni i ranog proleća. To se može rezultovati znatnim uštedama električne energije koja se koristi za mehaničko kondicioniranje vazduha u tim periodima.
Takođe je važno razumeti da je sposobnost organizma da odbaci toplotu suvom konvencijom i latentnom toplotom isparavanja argumentovana povećanim brzinama vetra. Sa slike 1 može se videti da porast brzine vazduha od 0,5 ili 1 m/s može podići zonu komfora tako da se više temperature i vlažnosti mogu tolerisati.
Shodno tome, u toplim, vlažnim klimama od vitalnog značaja je potencirati mogućnost korišćenja povetarca. To će rezultovati povećanim unutrašnjim kretanjem vazduha, tako da se toplotni komfor može održavati bez intenzivne upotrebe energije za kondicioniranje vazduha.
Mora se shvatiti da je proces razmene toplote kod kondicioniranja vazduha neefikasniji od procesa zagrevanja prostora i stoga se većina energetski intenzivnih stanova ne nalazi na severu nego u toplim i vlažnim klimama, gde se skoro cele godine koristi kondicioniranje vazduha [11]. Ako postoji namera da se ova situacija efektivno popravi, mora se staviti naglasak na oslanjanje na prirodne tokove energije za veći deo godine za stanove u suptropskoj klimi.
Kondicioniranje vazduha bi onda bilo neophodno samo tokom najtoplijeg dela godine, što bi rezultovalo znatnim godišnjim uštedama energije. Zbog važnosti kretanja vazduha i ventilacije na ljudski toplotni komfor u toplim i vlažnim klimama, projektovanje i postavljanje prozora u takvim oblastima postaje veoma bitno. Problem kod ovog pristupa je takozvani period visoke vrednosti korisnog opterećenja leti.
Na primer, 1979. jedini dan kada je Elektrodistribucija Floride zabeležila najveću potrošnju bio je u zimskom periodu, 2. februara (8791 MWh). Međutim, iste godine, mesec sa najvećom potrošnjom električne energije bio je avgust sa 2,84•109 kWh. Ovi tipovi potrebe za električnom energijom vode direktno ka potrebi za stvaranjem dodatnog kapaciteta i potrebi za izgradnjom novih elektrana. Iz tog razloga, bilo koja strategija očuvanja energije u stanovima mora imati u vidu ta dva krucijalna perioda – period najhladnijih zimskih jutara i period najtoplijih meseci. U skladu sa tim, nisu dovoljne samo strategije za prozore koji će na godišnjem nivou znatno uštedeti energiju pomoću ventilacije.
Pri projektovanju prozora u suptropskim klimama takođe je neophodno tretirati uslove nastale usled doprinosa prozora toplotnom dobitku ili gubitku tokom perioda najvećeg opterećenja zbog grejanja zimi i kondicioniranja vazduha leti.
4. Mogućnosti i preimućstva čuvanja energije u vezi prozora
U toplim i vlažnim klimama postoji nekoliko problema vezanih za čuvanje energije u vezi prozora. Stakla imaju tendenciju propuštanja velikih količina dugotalasnog zračenja u unutrašnjosti kuće ako prozori nisu zasenjeni. Uticaj ovakvog zračenja služi za povećavanje unutrašnje temperature stana posle apsorpcije unutrašnjosti. Tokom većeg dela godine takvi gubici su nepoželjni.
Staklo ima nisku izolacionu ili „U“ vrednost. Stoga se toplota odmah provodi kroz staklo. Povećanje debljine stakla je zanemariva vrednost pri zaustavljanju prenosa toplote [12]. Na primer, staklo provodi toplotu devet puta bolje nego pleyvud.
To je problematično zato što se tokom zime toplota odmah gubi kroz površine prozora zbog zračenja i indukcije. Slično tome, u suptropskim stanovima koji imaju klimatizer toplota se brzo prenosi u unutrašnjost što dodatno povećava opterećenje na klimatizeru.
Spojevi na prozorima služe kao oblasti podložne infiltraciji ili oticanju vazduha. Kroz te spojeve hladan vazduh prodire zimi, a tokom leta kada se vazduh kondicionira topao i vlažan spoljni vazduh se infiltrira. Količina ove infiltracije je proporcionalna „zaptivenosti“ spoja, dužini pukotina na prozoru i brzini spoljnog vazduha oko pukotina.
Elektrodistribucija Floride je procenila da prozori čine oko polovine prosečnog računa za kondicioniranje vazduha. To je očigledno oblast gde korektivne mere moraju imati značajne rezultate.
Slika 2 ilustruje značaj toplotnih dobitaka u kJ/h za prozore za zgrade leti, kako ih je izračunao Olgyay.[13] Primetićemo veliko zračenje prozora i dobitke usled provođenja. Takođe postoji veliki procenat infiltracije zbog dužine pukotina na prozorima.
Slika 2 Značaj toplotnih dobitaka za zgrade
Glavna prednost čuvanja energije putem prozora je njihova mogućnost obezbeđivanja ulaska vetra radi hlađenja. Kao što se vidi sa slike 1, povećano kretanje vazduha ka unutrašnjosti kuće ima tendenciju da poveća toleranciju na visoke temperature bez kondicioniranja vazduha.
Jedno od najefektivnijih sredstava korišćenja takve ventilacije u toplim i vlažnim klimama je dizajniranje prozora za maksimalnu ventilaciju prostorija i za upotrebu mehaničkih ventilatora za cirkulaciju vazduha da bi se povećala konvekcija u unutrašnjosti, ako se vetar pokaže neadekvatan.
5. Zračenje
Metode kontrole zračenja za prozore mogu se kategorisati u pet tipova:
- Prirodni uređaji: orijentisanost zgrada, drveće i žbunje, senke od drugih zgrada, topografija,
- Spoljni delovi: balkoni, hodnici sa svodovima, baldahini, platneni zakloni, tremovi, tende i rešetke od letava,
- Pokrivke prozora: fiksni zastori ili sa lamelama, spoljni zastori, venecijaneri, zavese,
- Tretiranje prozora: toplotno apsorbujuće staklo, toplotno reflektujuće staklo, obojeno staklo,
- Unutrašnjost prozora: zastori, roletne, venecijaneri, reflektivne draperije [14].
Ploča providnog stakla koja se obično koristi za prozore provodi veliki procenat energije solarnog zračenja u unutrašnjost. Međutim, postoje obojene i reflektivne prevlake koje mogu efektivno smanjiti provodljivost. Tabela 3 navodi karakteristike različitih tipova stakla.
Tabela 3. Provođenje zračenja za različite tipove prozorskih stakala
6. Sredstva za ometanje prolaza sunčevog zračenja
Još jedno važno sredstvo za ometanje prolaska sunčevog zračenja do prozora može biti vegetacija oko kuće. Korišćenjem solarnih uglova, drveće ili žbunje se može posaditi tako da je sunčevo zračenje većim delom dana sprečeno da prodire u unutrašnjost zgrade kroz prozore. Prozori sa vegetacijom imaju brojne jedinstvene prednosti za toplu klimu, naročito zato što ona postaje sve efektivnija kako raste, a i efekat hlađenja raste sa evapotranspiracijom biljaka [20]. Ostala spoljna sredstva za prozore uključuju zastore ili panele sa lamelama koji se kače na prozore i platnene zastore koji se ponašaju kao pokrivke. Unutrašnja sredstva uključuju lagane ili reflektujuće draperije, venecijanere i tzv. „mreže za sunce“. „Mreže za sunce” se mogu upotrebiti spolja ili iznutra i one su modifikovane mreže protiv insekata koje su dizajnirane da smanje prodor sunčeve svetlosti do 70% [16]. Međutim, mora se primetiti da su sva unutrašnja sredstva za blokiranje u osnovi manje efektivna od spoljašnjih.
Brojni filmovi, boje i prevlake mogu se upotrebljavati na prozorima za smanjenje ukupne provodljivosti solarne energije. Obojeno staklo reflektuje do 30 % sunčeve toplote, reflektujuće staklo može reflektovati do 75% takvog zračenja i smanjiti opterećenje kondicioniranja vazduha do 25%. Pošto je takvo staklo uglavnom skuplje od običnog stakla, preporučuje se da stanovi na istoku i zapadu koje je teško zaseniti raznim sredstvima imaju prioritet u upotrebi ovog tretmana. To je tačno i za upotrebu zastora ili zasenjivanja vegetacijom.
Ako su na raspolaganju samo ograničeni izvori istočne i zapadne prozore treba tretirati prvo, pod uslovom da prozori na jugu već imaju adekvatnu zaštitu. Shodno tome, prozore na severu treba tretirati poslednje.
7. Provođenje
Kao što je prethodno navedeno, staklo je dobar provodnik toplote. To vodi do prekomernih gubitaka energije, bilo za zagrevanje, bilo za kondicioniranje vazduha. U stvari, staklo ima tako lošu izolacionu vrednost da i povećanje njegove debljine neće rešiti problem. Uobičajeno rešenje je upotreba dve ili više ploča razdvojenih šupljinom ispunjenom vazduhom.
„U“ vrednost stakla je toplotna provodljivost (vazduh-vazduh) za letnje uslove u kJ/h po kvadratnom metru po °C. Tabela 4 navodi „U“ vrednost za različite tipove prozorskih stakala, kako za jednostruko staklo, tako i za izolaciono [13].
Tabela 4. „U“ vrednosti za razne tipove prozorskih stakala
*HR = staklo visokih karakteristika ili low-e
Vrednost provodljivosti toplote za prozore može se smanjiti smanjenjem brzine vetra duž stakla. Pošto je odličan provodnik, staklo odmah provodi toplotu spolja u prostor gde se vrši kondicioniranje vazduha. Međutim, ako je na površini prisutan sloj mirnog vazduha, stepen konvekcije toplote je smanjen i prozor dobija dodatnu izolacionu vrednost. Na primer „U“ vrednost jednostrukog stakla za brzinu vetra od 3,36 m/s se smanjuje za 30 % ako vani nema vetra. Iz tog razloga se kondukcioni gubici mogu smanjiti korišćenjem vegetacije za sprečavanje prodora vetra i za smanjenje brzine vetra u blizini površine prozora kada se vrši kondicioniranje vazduha ili zagrevanje.
U situaciji prirodnog hlađenja u suptropskoj klimi ne treba razmatrati faktor provođenja prozorskih površina. Međutim, ostaje činjenica da u industrijalizovanim oblastima upotreba kondicioniranja vazduha u prostorima tokom jednog dela godine ne označava da će građevinska praksa koja uključuje izolaciono staklo biti korisna za duži period vremena. Dodatno treba razmatrati činjenicu da je provodljivost drvenog rama nešto manja od provodljivosti metalnog rama i da je iz tog razloga poželjnije drvo. Kod proizvodnje prozora u zadnjih dvadeset godina nameću se ramovi od tvrdog PVC-a, jer imaju dobre mehaničke i toplotne osobine i relativno su jeftini.
8. Infiltracija
Pri zagrevanju zimi ili kondicioniranju vazduha leti, sav vazduh koji kroz strukturu uđe spolja doprinosi opterećenju zagrevanja ili hlađenja. To uključuje i vazduh koji ulazi kroz otvore na prozorima i vratima i vazduh koji ulazi kroz spojeve same strukture. Ovaj tip opterećenja može biti naročito veliki u situaciji kondicioniranja vazduha zato što je spoljni vazduh mnogo vlažniji od unutrašnjeg vazduha. Kada se takav vazduh hladi i višak vlage se kondenzuje napolju, on odaje toplotu od latentne toplote isparavanja vode u vazduh koji se infiltrira. To zauzvrat postaje dodatno opterećenje na uređaj za kondicioniranje vazduha. Olgyay procenjuje da infiltracija vazduha čini do 9 % ukupnog dnevnog toplotnog dobitka tipičnog rama na kući u Majamiju, tokom leta. [13]. Infiltracija vazduha duž prozora dešava se između rama i zida i između krila i rama.
Važno je maksimalno ograničiti dužinu otvora da bi se obezbedila sredstva smanjenja brzine spoljnog vazduha pri kondicioniranju vazduha i da bi se obezbedila upotreba prozora koji su otporni na vremenske uticaje, u cilju smanjenja stepena infiltracije.
Radi smanjenja stepena infiltracije prozori moraju biti otporni na vremenske uticaje.
Brzina vetra duž prozora može se smanjiti za 30-40 % korišćenjem vegetacije, naročito žbunja i lišća lociranih u blizini prozora [17]. Ovo bi se moglo postići sadnjom vegetacije koja će blokirati vetrove tokom zime i leta, ali i omogućiti povetarce radi ventilacije tokom proleća i jeseni.
9. Dinamika ventilacije prozora
Sposobnost prozora da doprinesu čuvanju energije u toplim i vlažnim klimama pre svega zavisi od njihove sposobnosti da obezbede ventilaciju tokom svih meseci izuzev onih najtoplijih, kada je poželjno kondicioniranje vazduha. Ova ventilacija se može koristiti za obezbeđivanje toplotnog komfora tokom perioda koji leže na periferiji zone komfora sa slike 1. Na Majamiju- Florida to uključuje veći deo zime, kasnu jesen, do polovine proleća. Korišćenjem sredstava za mehaničku cirkulaciju vazduha poput plafonskih ventilatora, ovaj period prirodne kontrole komfora može se produžiti za mesec dana u bilo kom pravcu. Ventilacija potpomaže toplotnom komforu.
Efekat hlađenja koji ventilacija ima na ljude nastaje usled otklanjanja toplote iz tela pomoću konvekcije suvog vazduha i povećava se u količini evaporativnog hlađenja. Oba ova mehanizma zavise od razlika temperatura vazduha i kože, i, što je još važnije za prirodno hlađenje od brzine vazduha kada prolazi duž kože. Takođe, kao što su dokumentovali Houghten i Magloglou, pri većim vlažnostima koje su za očekivati u suptropskoj klimi, brzina vazduha postaje još kritičnija ako treba, da se desi odgovarajuće evaporativno hlađenje [20]. Takođe treba napomenuti da vrednosti izmena vazduha nisu dovoljni pokazatelji hlađenja ventilacijom leti. Od veće važnosti je da se maksimalne brzine vazduha postižu u okviru životnih zona. To je posebno kritično pošto u većini oblasti brzine lokalnog vetra imaju najnižu vrednost u najtoplijim mesecima [18]. Protok vazduha kroz prozor nastaje usled dva prirodna fenomena. Prvo, razlike pritisaka na spoljnoj strani zgrade uzrokovane vetrovima ili povetarcima, uvešće ventilaciju. Drugo, razlika između temperatura sa unutrašnje i spoljašnje strane zgrade uzrokovaće da se vazduh kreće kroz ulaze i izlaze.
Pri korišćenju prirodnih sila vetra za ventilaciju, neophodno je razmotriti prosečnu brzinu vetra i preovlađujući pravac vetra, kao i dnevne i sezonske varijacije oba. Takođe treba primetiti da obližnje zgrade, brežuljci ili druge prepreke imaju tendenciju da smanje rezultirajuće brzine vetra [15]. Značajna je i očigledna činjenica da brzine vetra znatno variraju od prosečnih, mada postoji malo oblasti gde brzine vetra padaju ispod polovine ovog proseka tokom većine sati mesečno. Kao posledica toga, ako je sistem prirodne ventilacije dizajniran za polovinu prosečne sezonske brzine, on bi trebao da bude efektivan tokom većeg dela dizajniranog perioda.
Zaključna razmatranja i preporuke
Prozori u toploj i vlažnoj klimi mogu biti izvor znatnog gubitka energije ili neto dobitka za godišnju upotrebu energije. Da bismo realizovali dobre osobine čuvanja energije prozora u takvoj klimi, moraju se napraviti odgovarajuće odredbe za kontrolu zračenja koje će u isto vreme osigurati karakteristike odgovarajuće ventilacije. Pošto se mnogo domova u industrijskim oblastima oslanja na kondicioniranje prostora tokom većeg dela letnjeg i hladnog zimskog perioda, od suštinskog značaja je da prozori u novim zgradama takođe efektivno smanje dobitke kondukcijom i infiltracijom leti, a gubitke zimi.
Važne karakteristike prozora dizajniranih za takvu klimu su:
- Korelacija širine pokrivke koja se nadnosi nad prozorom solarni uglovi u odnosu na lokaciju prozora zbog efektivne kontrole zračenja leti, a u isto vreme i zbog omogućavanja pasivnog zagrevanja tokom jednog ili dva zimska meseca.
- Upotreba vegetacije ili ostalih načina zasenjivanja (mreže, rešetke od letava itd.) za kontrolu dobitaka zračenjem kroz prozore na istoku, jugu i zapadu. Upotreba vegetacije u ulozi prepreka za vetar koja smanjuje toplotne dobitke uzrokovane vetrom zbog kondukcije i infiltracije pri kondicioniranju vazduha.
- Nijansiranje u skladu sa orijentacijom prozora ili upotreba mreža za prozore okrenute istoku i zapadu radi smanjenja dobitaka zračenjem koji se ne mogu sprečiti nadnetim pokrivkama ili skoro posađenim drvećem ili žbujem.
- Duplo zastakljeni prozori, zbog smanjenja toplotnih dobitaka i gubitaka kondukcijom.
- Izbor tipova prozora koji redukuju dužinu otvora i imaju dobru otpornost na vremenske uticaje i manje gubitke usled infiltracije.
- Prozori sa potpunom ventilacijom koji se otvaraju tako da je cela površina prozora u mogućnosti da primi povetarce.
- Prozori koji ne upravljaju protoke vazduha nagore.
- Visina podprozorskih daski lociranih tako da protoci vazduha budu kanalisani u životni prostor, uz osiguravanje da se takvi prozori neće zasenjivati nadnesenim pokrivkama.
Planiranje prozora u prostorijama za adekvatnu unakrsnu ventilaciju. - Osiguravanje adekvatne ventilacije u kuhinji i spavaćim sobama.
Sledeći navedene preporuke, može se poboljšati veći deo energetskih gubitaka vezanih za prozore. Takođe, poboljšanjem karakteristika ventilacije prozora, tokom umerenih sezona može se izbeći znatno trošenje energije vezano za kondicioniranje prostora. To se može proširiti upotrebom plafonskih ventilatora i cirkulacione opreme.
Literatura
[1] P. Manning, T. Sommer, Office Design: A study of Environment. „Pilkington Research Unit, Dept. of Building Science, University of Liverpool, 1995.
[2] Christopher Alexander et.al., A. Pattern Language, p. 747-751, Oxford University Press, New York, 1999.
[3] Jeffrey Aronin, Climate and Architecture, p.67, Reinhold Publishing Corp., New York, 2001.
[4] B. Givoni, Man, Climate and Architecture, p.267, Applied Science Publishers Ltd., London, 1999.
[5] T.C. Angus, Control of Indoor Climate p.68, Oxford Pergamon Press, 2009.
[6] Libbey-Owens-Ford Co., How to Predict Interior Daylight Illumination, Toledo, 2006.
[7] Koppen, Handbuch der Klimatologie, Vol I, Gebruder Borntrueger, Berlin, 2004.
[8] NOAA, „Local Climatological Data – Miami, Fla“, Asheville, N.C. (197a).
[9] Robert H. Emenck, “Comfort Factors Affecting Cooling Design“, Progresive Architecture (dec. 1991).
[10] S. Berber, „A geographical Analysis of Potential Energy savings in Residential Buildings“, Proceedings from the First national Conference on Technology for Energy Conservation, 2012.
[11] R. Hastings, R. Crenshaw, Window Design Strategies to Conserve Energy, US Department of Commerce, 1997.
[12] G. Conklin, The Weather Conditioned House, p.97, Reinhold Publishing, New York, 2008.
[13] Victor Olgyay, Design with Climate, p.146, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 2015.
[14] David Egan, Concepts in Thermal Comfort, p.26, Prentice Hall, New Jersey, 2005.
[15] John Parker, „Precision Landscaping for energy Conservation“, Proceedings from Third National Conference on Technology for energy Conservation, Tucson, Arizona, 2008.
[16] ASHRAE Handbook of Fundamentals, p.337, ASHRAE, New York, 2012.
[17] B. Givoni, „Laboratory Study of the Effect of Window Size and Location on Indoor Air Motion“, Architectural Science Review, p.42-43, June 2013.
[18] F.C. Houghten, „Cooling Effect on Human Beings Produced by Various Air Velocities, ASHRAE Transactions, Vol. 1”, 1984.
[19] Robert Reed, „Design for Natural Ventilation in Hot-Humid Weather, „Conference on Housing and Building in Hot-Humid and Hot-Dry Climates, p.75, Vashington, D.C., 2013.
[20] Libbcy-Owens-Ford Co., „Heat Gain Calculator, Toledo, 2003.
Autori: Prof. dr D. Škobalj, Ž. Đokić, dipl.inž.
