Przegrody przezroczyste cz. I

Ściany zewnętrzne w nowoczesnych budynkach często są w znacznym stopniu przeszklone. Wynika to nie tylko z aktualnych trendów w architekturze, lecz w dużej mierze także z dążenia do zapewnienia właściwego oświetlenia pomieszczeń światłem dziennym. Ten ostatni aspekt jest szczególnie istotny w dużych miastach, gdzie występuje duża gęstość zabudowy terenu. Ograniczenie zużycia energii do kształtowania klimatu wewnętrznego w budynku o przeszklonej elewacji (na poziomie akceptowalnym ze względu na koszty jego eksploatacji), wymaga zastosowania energooszczędnych rozwiązań technicznych przegród przezroczystych.

Mechanizm przepływu ciepła przez przegrody przezroczyste, do których zalicza się okna, drzwi balkonowe oraz nieotwierane powierzchnie przeszklone, jest bardziej złożony niż przez przegrody nieprzezroczyste. Oprócz przenikania ciepła spowodowanego różnicą temperatury środowisk po obu stronach przegrody, przez powierzchnie przezroczyste przenika do wnętrza budynku promieniowanie słoneczne, co sprawia że powierzchnia taka w dzień może być jednocześnie źródłem strat i zysków ciepła. W sezonie ogrzewczym zyski ciepła od promieniowania słonecznego stanowią istotną pozycję w bilansie energetycznym przeszklonego budynku, a ich maksymalizacja jest elementem projektowania budynków energooszczędnych. W okresie letnim zyski te stają się największym składnikiem w bilansie cieplnym budynku i są podstawową przyczyną przegrzewania pomieszczeń nie wyposażonych w instalacje klimatyzacyjne. W przypadku otwieranych okien i drzwi balkonowych źródłem dodatkowych strat lub zysków ciepła jest powietrze zewnętrzne infiltrujące przez szczeliny w przylgach. Zatem izolacyjność cieplna przegród przezroczystych, określana w taki sam sposób jak dla przegród nieprzezroczystych przy użyciu współczynnika przenikania ciepła, nie jest wystarczająca do określana ilości ciepła rzeczywiście przenikającego przez tego typu przegrodę. Ostatnio w Zjednoczonym Królestwie do kompleksowej oceny energetycznej okien wprowadzono indeks energetyczny wyrażający ilość ciepła przenikającą przez okno w ciągu roku obliczaną z uwzględnieniem wszystkich wyżej wymienionych sposobów przepływu ciepła. Jak pokazały analizy przeprowadzone w USA jakość energetyczna obok ceny, wyglądu i funkcji jest istotnym kryterium, jakim kierują się klienci przy wyborze okien. Dotychczas w Polsce jakość energetyczna przegród przezroczystych utożsamiana jest jedynie z ich izolacyjnością cieplną.

2. Izolacyjność cieplna przegród przezroczystych
2.1. Wymagania Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej okien, drzwi balkonowych i świetlików wprowadzone zostały w Polsce dopiero w początku lat 80. ubiegłego wieku, a więc znacznie późnij niż dla przegród nieprzezroczystych. Znamienne jest to, że od tego czasu uległy one bardzo niewielkim zmianom, polegającym między innymi na wprowadzeniu osobnych wymagań w odniesieniu do okien połaciowych. Obecnie obowiązujące maksymalne dopuszczalne wartości współczynnika przenikania ciepła okien i drzwi balkonowych i świetlików, które podane są w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie podane są w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, zależą od rodzaju budynku, a w niektórych przypadkach także od strefy klimatycznej, w której usytuowany jest budynek i projektowej wartości temperatury wewnętrznej w pomieszczeniach (tablica 1). Wymagania te stosuje się również do części przezroczystych ścian zewnętrznych budynków.

Przegrody przezroczyste cz. II

Z przeprowadzonej analizy wynika, że w przypadku okien jednoramowych uzyskanie współczynnika U na poziomie niższym od 1,0 W/(m²K) jest obecnie technicznie możliwe tylko w przypadku zastosowania szyby zespolonej dwukomorowej. W ostatnich 20 latach udało się zmniejszyć współczynnik przenikania ciepła okien o około 70% (z 2,6 do 0,8 W/(m²K)).

3. Przegrody przeszklone
Ściany i przekrycia we współczesnych budynkach mogą być wykonane z szyb zespolonych, najczęściej osadzonych w mocowanej do konstrukcji budynku ramie słupowo-ryglowej (w przypadku ścian) lub kratownicy przestrzennej złożonej z elementów trójkątnych (w przypadku przekryć dachowych). Słupy i rygle wykonane są z kształtowników metalowych (aluminiowych lub stalowych), rozdzielonych, pełniącymi rolę izolacji cieplnej, przekładkami polimerowymi. W jednorodzinnych budynkach mieszkalnych stosowane są również elementy drewniane lub drewniano-metalowe. W ścianach konstrukcja może być ukryta za oszkleniem, tak aby była niewidoczna od zewnątrz. W takim przypadku, układane z niewielkimi odstępami dylatacyjnymi, szyby zespolone są mocowane do konstrukcji specjalnymi łącznikami mechanicznymi lub klejone ("oszklenie strukturalne"). Rozkład izoterm w przypadku punktowego mocowania oszklenia do konstrukcji nośnej przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2 Rozkład izoterm wg przykładowych wyników obliczeń programem PHYSIBEL SOLIDO w modelu punktowego mocowania oszklenia, po lewej - od wewnątrz, po prawej od zewnątrz

W przypadku przegrody z szyb zespolonych o jej charakterystyce energetycznej decydują: - współczynnik przenikania ciepła (z uwzględnieniem wpływu mocowania oraz ramek międzyszybowych), - współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego, zwykle podawany wraz z charakterystykami optycznymi w zakresie światła widzialnego.
W przypadku najczęściej obecnie stosowanych rodzajów szklano-metalowych lekkich ścian osłonowych, w budynkach użyteczności publicznej, można przyjmować orientacyjnie, że wartość współczynnika przenikania ciepła nie przekracza wartości określonej wg wzoru:

gdzie:
A_g^*- jest powierzchnią jej przeszklonej części [m²],
A_p^* - jest jej pozostałą częścią [m²]

4. Perspektywy zwiększenia izolacyjności cieplnej okien
Z rysunku 1 wynika, że największe potencjalne możliwości zwiększenia izolacyjności cieplnej całego okna związane są ze zmniejszeniem współczynnika przenikania ciepła Ug. Na podstawie ostatnio opublikowanych wyników badań można przyjąć, że dla szyb zespolonych jednokomorowych z jedną powłoką niskoemisyjną i wypełnieniem argonem przestrzeni międzyszybowej osiąga się wartość współczynnika U_g na poziomie 1,0 W/(m²K). Dalsze zwiększenie izolacyjności cieplnej oszklenia możliwe jest tylko dzięki zastosowaniu szyb zespolonych dwukomorowych. Okna z takimi szybami są rozwiązaniami ponadstandardowymi, stosowanymi w budynkach energooszczędnych i pasywnych, w związku z czym nie były one do tej pory przedmiotem ani badań, ani obliczeń cieplnych wykonywanych w celu udzielenia aprobat technicznych. Wg PN-EN ISO 10077-1:2006(U) dla szyby dwukomorowej 4/12/4/12/4, z powłoką niskoemisyjna na dwóch szybach i wypełnieniem przestrzeni międzyszybowej argonem współczynnik Ug jest równy 0,8 W/(m²K), a w przypadku wypełnienia kryptonem 0,5 W/(m²K). Wartości te należy aktualnie traktować jako minimalne technicznie osiągalne. Działania zmierzające do obniżenia wartości współczynnika Uf polegają głównie na zastosowaniu w profilach okiennych materiałów charakteryzujących się większą izolacyjnością cieplną. Na przykład, w oknach tworzywowych wzmocnienia stalowe zastępowane są wzmocnieniami z konglomeratu poliestrowo-szklanego wypełnionymi pianką poliuretanową. Ostatnio stosowane są także wielokomorowe kształtowniki bez wzmocnień, lub z komorami wypełnionymi materiałem termoizolacyjnym (styrodurem lub pianką poliuretanową). Efektem zastosowania wzmocnień z włókna szklanego w kształtownikach trójkomorowych o wysokości 73 mm jest obniżenie współczynnika Uf do 1,2 W/(m²K). Stosując materiały termoizolacyjne z ramach okiennych można jeszcze bardziej zmniejszyć wartość Uf, w normie PN-EN ISO 10077-1:2006(U) minimalną wartość tego współczynnika przyjęto na poziomie 0,8 W/(m²K). Efektywne zmniejszenie liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ do 0,040, 0,045 W/(mK) osiąga się dzięki zastosowaniu tzw. ciepłej ramki dystansowej, wykonanej z polimerów konstrukcyjnych. Wartości współczynnika U typowego dla budynków mieszkalnych okna, uzyskane dzięki wprowadzeniu wymienionych wyżej rozwiązań technicznych, obniżających wartości współczynników U_g, U_f i Ψ, zestawiono w tablicy 2.

Tablica 2. Współczynnik przenikania okna w zależności od izolacyjności cieplnej jego części składowych

Z przeprowadzonej analizy wynika, że w przypadku okien jednoramowych uzyskanie współczynnika U na poziomie niższym od 1,0 W/(m²K) jest obecnie technicznie możliwe tylko w przypadku zastosowania szyby zespolonej dwukomorowej. Z podanych obliczeń wynika, że w ostatnich 20 latach udało się zmniejszyć współczynnik przenikania ciepła okien o około 70% (z 2,6 do 0,8 W/(m²K)). Podane wyżej przykłady, dotyczące okien jednoramowych, nie wyczerpują wszystkich możliwości zwiększenia izolacyjności cieplnej okien. Dalsze obniżenie współczynnika przenikania ciepła okien możliwe jest na przykład w oknach zespolonych szklonych szybami zespolonymi.

---