Experimentální posouzení vlivu reflexní folie na teplotu a rychlost proudění vzduchu v mezeře provětrávané fasády Erik Šagát 1, a *, Libor Matějka 1,b 1 Brno University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Institute of Building Structures, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Czech Republic a sagat.e@fce.vutbr.cz, b matejka.l@fce.vutbr.cz Klíčová slova: provětrávaná fasáda, reflexní vrstva, konvekce Abstrakt. Provětrávané fasády zabezpečují odvádění vlhkosti a přebytečného tepla z obvodové konstrukce budovy, čímž v porovnání s omítanými fasádami zabezpečují lepší funkčnost vrstvy tepelné izolace a snižují přehřívání budov v letním období. Funkčnost konstrukce provětrávané fasády závisí od mnoha faktorů, jako je navrhovaný dizajn, geometrie větracích otvorů, typ nosného roštu, barva a struktura povrchu obkladu fasády a další. Rovněž se v současnosti rozšiřuje používání reflexních vrstev ve stavebních konstrukcích. Reflexní folie se uplatňují v místech, ke kterým je alespoň z jedné strany přilehlá vzduchová vrstva. Difuzní reflexní folie se uplatňují u střešních plášťů, kde zabezpečují snížení letního přehřívání podkrovních prostor budov. Tato experimentální studie je zaměřena na posouzení efektivity snižování letního přehřívání budovy při použití reflexní difuzní folie v souvrství provětrávané fasády v porovnání s klasickou difuzní folií. Z výsledků vyplývá, že použitím reflexní difuzní folie v souvrství větrané fasády lze dosáhnout zhruba dvojnásobný efekt snížení teploty povrchu fólie vůči provětrávané fasádě s klasickou folií. Lze konstatovat, že přínos provětrávané fasády ke snížení letního přehřívání v porovnání s nevětranou fasádou lze i zdvojnásobit použitím reflexní fólie v její souvrství. Úvod Provětrávané fasády se v současnosti široce uplatňují u konstrukcí opláštění budov. Především se jedná o budovy administrativní, halové objekty a občas i rodinné domy. Výhodou provětrávaných fasád je optimalizace funkce tepelné izolace z hlediska její vlhkostního režimu a snížení letního přehřívání místností vlivem oslunění fasády objektu. Podíl fasády na přehřívání místnosti budovy je závislý od poměru transparentních výplní na osluněných stranách objektu. Aby bylo smysluplné zabývat se vlivem fasády objektu na jeho přehřívání v letním období, tak je potřebné, aby byly prosklené plochy fasády vybaveny účinným exteriérovým stínícím zařízením a zasklením s nízkým solárním faktorem. Ten udává procento sluneční energie prostupující zasklením do místnosti. Konstrukce provětrávaných fasád jsou neustále zkoumány a zdokonalovány s cílem zlepšit jejich tepelně technické vlastnosti jak z hlediska odvedení par z konstrukce tak z hlediska odvedení přebytečného tepla z provětrávané mezery v letním období. Pro účely optimalizace proudění vzduchu v mezeře fasády bylo provedeno nespočet studií zaměřených například na energetické posouzení provětrávaných fasád s maloformátovým obkladem a otevřenými mezerami mezi jednotlivými díly obkladu [1]. Některé studie se zabývali problematikou proudění pomocí numerického modelování [2], [3]. Energetické hodnocení provětrávaných fasád v oblasti u pobřeží Středozemního moře bylo provedeno jak pro letní [4] tak i pro zimní období [5]. Zásadní vliv na proudění vzduchu v mezeře fasády májí i tvar a rozměry přívodního a odváděcího otvoru. Tyto otvory bývají navíc opatřeny mřížkou proti hmyzu, která může vzhledem k omezení otevřené plochy otvorů větrané mezery významně ovlivnit proudění a teploty v mezeře [6]. Dalšími faktory ovlivňující vlastnosti provětrávané fasády jsou například materiál obkladu [7], který může i významně absorbovat sluneční záření v podobě PCM materiálu [8], [9], nebo osazení energeticky aktivních prvků jako obkladu fasády [10], [11]. Analyzována byla i multifunkční provětrávaná
fasáda s více druhy energetický aktivních prvků, která obsahovala fotovoltaické panely, sluneční kolektory pro ohřev teplé vody a HVAC panel přičemž všechny tyto prvky byly osazeny na předsazený rošt formou provětrávané fasády [12]. Z hlediska letního přehřívání budov je provětrávaná fasáda výhodnější konstrukce, než nevětrané souvrství a to zejména u průčelí absorbujících vysoké hodnoty slunečného záření. Tento článek je zaměřen na aplikaci reflexní fólie v souvrství fasád jako náhradu za difuzní protivětrnou folii. Reflexní folie musí splňovat vlastnosti nahrazované fólie s přidáním nizkoemisivního povlaku. Cílem je posouzení vlivu použití reflexní folie v porovnání s klasickou folií, zejména z hlediska teplot dosažených v provětrávané mezeře a na povrchu folie. Experimentální model Sestava experimentálního modelu je složená ze dvou sekcí (sekce A a sekce B). Obě sekce mají identické rozměry, které jsou popsány na Obr. 1. Výška provětrávané části fasády je 1500 mm, což je vzdálenost mezi okny dvou podlaží. Jediným rozdílem mezi sekcemi experimentálního modelu je skladba konstrukce fasády. Konkrétně je použitý odlišný typ difuzní protivětrné folie. V případě sekce A byla použitá folie s reflexní úpravou. Experimentální model byl umístěn na jižní fasádě rodinného domu. U sekce B byla ve skladbě použitá běžná difuzní folie. Obrázek 1. Axonometrie experimentálního modelu Rozmístění měřících čidel je znázorněno na Obr. 2. Pro měření byly použity senzory sledující teplotu a rychlost vzduchu proudícího ve větrané mezeře (a), tepelně vlhkostní senzor (b) a hlavně teplotní foliové senzory měřící povrchovou teplotu (c). Tyto senzory (c) byly osazeny v počtu 4 kusů (po 2 kusy v každé sekci). Jeden senzor v sekci zaznamenává povrchovou teplotu obkladu ze strany větrané mezery a druhý povrchovou teplotu na folii (mezi folii a tepelnou izolací). Zásadní pro měření jsou hodnoty teplot z čidel mezi folii a tepelnou izolací. Z tohoto bodu je teplo přenášeno převážně vedením pevnými vrstvami i směrem do interiéru. Dále bylo sledováno i vnější prostředí v blízkosti experimentálního modelu pomocí meteostanice (d), která dokáže měřit teplotu vzduchu, vlhkost, rychlost a směr větru, srážky. Pro vyhodnocení v rámci této studie byly použity hodnoty teploty vnějšího vzduchu a povrchové teploty kolem větraném mezery.
Obrázek 2: Geometrie experimentálního modelu, a thermoanemometer, b vlhkostní senzor, c foliové teplotní čidlo pro měření povrchové teploty, d meteostanice Na Obr. 3 je znázorněný detail provětrávané fasády u odváděcího otvoru. Z tohoto detailu je zřejmá skladba konstrukce provětrávané fasády a tloušťka jednotlivých vrstev. Směrem z exteriéru jsou seřazeny vrstvy: obklad fasády z cementotřískových desek tmavě šedé barvy v tloušťce 12 mm, vzduchová mezera tl. 40 mm, reflexní (sekce A) nebo klasická (sekce B) difuzní protivětrná folie, tepelná izolace z minerálních vláken tl. 100 mm a stěna z keramických tvárnic tl. 380 mm omítnutá z exteriérové strany břízolitem a z interiérové strany vápenocementovou omítkou. Obrázek 3. Detail geometrie experimentálního modelu u odváděcího otvoru. Výsledky Pro lepší interpretaci výsledků bylo potřebné změřit emisivitu povrchů obklopujících větranou mezeru v obou případech a osluněného povrchu obkladové desky. Výsledky měření spektrální reflektance povrchů experimentálního modelu jsou znázorněny na Obr. 4. Měření potvrdilo nejvyšší reflektanci u reflexní folie na úrovni kolem 60%. Klasická folie dosáhla reflektancekolem 20% a povrchy cementotřískových obkladových desek dokonce méně než 10%.
Obrázek 4. Spektrální reflektance povrchů. Z týdenního měření byl vybrán jeden den pro interpretaci teplot v jednotlivých měřených bodech P1 až P4 a teplota venkovního vzduchu měřena meteorologickou stanicí (METEO Teplota). V bodech P1 (sekce B) a P2 (sekce A) byla měřena teplota obkladu provětrávané fasády na vnitřní straně větrané mezery. V bodech P3 (sekce B) a P4 (sekce A) byla měřena teplota na rubové straně folie. Foliové teplotní čidla byly osazeny na rub folií z důvodu zachování reflexních vlastností folie v místech měření. Obrázek 5. Průběh teplot.
Naměřené teploty u bodů P1 a P2 se lišili pouze minimálně. Předpokládaná vyšší teplota povrchu obkladu u sekce A s reflexní folií, kterou by způsobilo odražené teplo od folie se nepotvrdila. Z průběhu teplot v bodech P3 a P4 je vidět značný vliv reflexní folie na teplotu povrchu vnitřního pláště budovy. Rozdíl teplot mezi povrchem obkladu a klasické folie je v poledních hodinách kolem 6 8 C. Teplota povrchu s reflexní folií je ještě o přibližně 5 C nižší. Na základě těchto měření lze konstatovat, že přínos reflexní folie ve skladbě provětrávané fasády ke snížení letního přehřívání budovy je téměř tak zásadní jako přínos samotné konstrukce provětrávané fasády. Závěr Na základě výsledku měření lze konstatovat, že použití reflexní folie ve skladbě provětrávané fasády má významný vliv na snížení přehřívání interiéru budov. Reflexní folie na povrchu vnitřního pláště budovy odráží tepelné záření od vnějšího opláštění. Snížení teploty vnitřního pláště v porovnání s použitím běžně užívané difuzní folie je téměř tak významné jako snížení teploty při použití provětrávané fasády s běžnou folií v porovnání s neprovětrávanou fasádou. Reflexní folie použitá při experimentálním měření dosahovala hodnoty reflektance kolem 60%, což představuje ještě nemalý prostor pro optimalizací vlastností této vrstvy. V každém případě je potřebné počítat i s degradací reflexních schopností folie v čase a to zejména vlivem oxidace povrchu u folií bez ochranné vrstvy na vrstvě reflexní a dále i vlivem znečištění. Předpokládá se, že usazování nečistot na folii ve svislé poloze provětrávané fasády bude podstatně nižší, jako je tomu u šikmých střech se skládanou krytinou, u kterých dochází ke značnému zanesení povrchu folie během několika let. To je základní předpoklad pro správné fungování folie v průběhu její životnosti. Poděkování Tento článek byl podpořen projektem FAST-S-14-2418 a projektem LO1408 "AdMaS UP - Advanced Materials, Structures and Technologies", podporovaným Ministerstvím školství, mládeže a tělovýchovy v rámci Národního programu udržitelnosti I. Materiálově byl projekt podpořen firmami: TART, s.r.o. Brno, která dodala reflexní difuzně otevřenou folii, CIDEM Hranice, a.s. divize CETRIS, která dodala fasádní obkladové desky a Saint- Gobain Construction Products, s.r.o. Bratislava, divize ISOVER, která dodala tepelněizolační desky do experimentálního modelu provětrávané fasády. Literatura [1] M. J. Suárez, C. Sanjuan, A. J. Gutiérrez, J. Pistono, E. Blanco, Energy evaluation of an horizontal open joint ventilated façade, Applied Thermal Engineering, Vol. 37, 2012, pp. 302-313. [2] A. de Gracia, L. Navarro, A. Castell, Luisa F. Cabeza, Numerical study on the thermal performance of a ventilated facade with PCM, Applied Thermal Engineering, Volume 61, Issue 2, 3 November 2013, Pages 372-380, ISSN 1359-4311. [3] C. Balocco, A simple model to study ventilated facades energy performance, Energy and Buildings, Vol. 34, Iss. 5, 2002, pp. 469-475. [4] C. Marinosci, G. Semprini, G.L. Morini, Experimental analysis of the summer thermal performances of a naturally ventilated rainscreen façade building, Energy and Buildings, Volume 72, April 2014, Pages 280-287, ISSN 0378-7788. [5] F. Peci López, M. Ruiz de Adana Santiago, Sensitivity study of an opaque ventilated façade in the winter season in different climate zones in Spain, Renewable Energy, Volume 75, March 2015, Pages 524-533, ISSN 0960-1481.
[6] E. ŠAGÁT, L. MATĚJKA, Numerical Study of the Influence of Insect Grille on Airflow in Ventilated Facade Constructions, Advanced Materials Research, ISSN 1022-6680, Vol. 1041 (2014) pp. 31-34. [7] F. Stazi, A. Vegliò, C. Di Perna, Experimental assessment of a zinc-titanium ventilated façade in a Mediterranean climate, Energy and Buildings, Volume 69, February 2014, Pages 525-534, ISSN 0378-7788. [8] A. de Gracia, L. Navarro, A. Castell, Á. Ruiz-Pardo, S. Álvarez, L. F. Cabeza, Solar absorption in a ventilated facade with PCM. Experimental Results, Energy Procedia, Vol. 30, 2012, pp. 986-994. [9] A. de Gracia, A. Castell, C. Fernández, L. F. Cabeza, A simple model to predict the thermal performance of a ventilated facade with phase change materials, Energy and Buildings, Volume 93, 15 April 2015, Pages 137-142, ISSN 0378-7788. [10] J. Cipriano, G. Houzeaux, D. Chemisana, Ch.Lodi, J. Martí-Herrero, Numerical analysis of the most appropriate heat transfer correlations for free ventilated double skin photovoltaic façades, Applied Thermal Engineering, Vol. 57, Iss. 1-2, 2013, pp. 57-68. [11] L. Gaillard, Ch. Ménézo, S. Giroux, H. Pabiou, R. Le-Berre, Experimental Study of Thermal Response of PV Modules Integrated into Naturally-ventilated Double Skin Facades, Energy Procedia, Vol. 48, 2014, pp. 1254-1261. [12] D. Brandl, T. Mach, M. Grobbauer, C. Hochenauer, Analysis of ventilation effects and the thermal behaviour of multifunctional façade elements with 3D CFD models. Energy and Buildings, Volume 85, December 2014, Pages 305-320, ISSN 0378-7788