S. Owczarek

4. PRZENOSZENIE CIEPŁA PRZEZ PRZEGRODY PRZEZROCZYSTE

4.1. Straty ciepła przez okna

W obudowie budynków, oprócz przegród pełnych (nieprzezroczy­stych), występują przegrody przezro­czyste (tradycyjnie ze szkła, obecnie również z tworzyw sztucznych), jako okna (stałe bądź otwierane), świetliki, elementy fasad.

W starym budownictwie w Polsce jedynym materiałem do wykonywania okien było drewno. Obecnie, oprócz drewnianych (najczęściej jednoramo­wych), stosowane są okna z profili z nieplastyfikowanego PCW oraz alu­miniowe (najczęściej z przekładką ter­miczną). Ramy z profili z nieplastyfi­kowanego PCW, pod względem izola­cyjności cieplnej, dorównują ramom drewnianym, pod warunkiem stoso­wania co najmniej czterech komór. Współczynnik przenikania ciepła ram drewnianych i z PCW najczęściej wy­nosi ok. 2,0 W/(m²•K). Spotyka się jed­nak specjalne rozwiązania ram z PCW z pustkami powietrznymi wypełnionymi pianką poliuretanową lub drewniane z przekładką z pianki, o współczynniku przenikania ciepła ok. 0,7 W/( m².K).

Izolacyjność cieplna okien aluminio­wych zależy głównie od grubości przekładki termicznej ustalającej odległość części metalowych (po stro­nie ciepłej i zimnej - rysunek 1). W pol­skich warunkach klimatycznych powin­na ona wynosić powyżej 16 mm.

Przekładki mogą być wykonane z różnych tworzyw sztucznych (ABS, poliamidu zbrojonego włóknem szkla­nym i nieplastyfikowanego PCW).

Tradycyjnie funkcją okien było i jest oświetlenie wnętrz, a nieszczelności przymyków okiennych zapewniały również dopływ powietrza zewnętrz­nego do wentylacji pomieszczeń w budynkach z wentylacją grawitacyj­ną. W tej ostatniej funkcji okna są obecnie zastępowane coraz częściej przez specjalne nawiewniki powietrza zewnętrznego.

Obecnie rynek nowych rozwiązań szyb i okien jest bardzo bogaty. Dąży się do podwyższania izolacyjności cieplnej tych produktów. Izolacyjność cieplna jest też eksponowanym para­metrem w reklamie wyrobu, przy czym dane techniczne w folderach czasami nie są podawane rzetelnie. Architekt i inżynier budowlany przy doborze lub kupnie okien do budynku muszą więc dysponować pewną wiedzą na temat przenikania ciepła przez okna, aby móc ocenić prawdziwość informacji dostawcy.

Rys. 1. Schemat profilu okiennego aluminio­wego z przekładkami termicznymi

W obliczeniach przenikania ciepła przez szyby i okna konieczne jest uwzględnianie kontaktu cieplnego z elementami nieprzezroczystymi ­ramiakami i ościeżnicami, ponieważ współczynnik przenikania ciepła od­nosi się do pola powierzchni okna w świetle ościeży, natomiast przenika­nie promieniowania słonecznego przez szyby odbywa się tylko przez pole powierzchni szyb i do tego pola się odnosi.

4.2. Przenikanie ciepła przez szyby i okna bez uwzględniania promieniowania słonecznego

W tradycyjnych rozwiązaniach okien stosowane były szyby pojedyn­cze grubości 3 - 6 mm, a więc o bar­dzo niskim oporze cieplnym. W przy­padku okien oszklonych opór cieplny skrzydła przyjmowano równy oporowi szyby i równy sumie opo­rów przejmowania ciepła na po­wierzchni szyb:

(1)

gdzie R_si - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni,

R_se - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni.

Przyjmując wartości liczbowe wg PN-EN ISO 6946, otrzymamy RT = 0,17 m²•K/W i - odpowiednio ­U = 5,9 W/( m²•K/W).

W przypadku okien ze skrzydłami podwójnymi lub szklonych szybami zespolonymi ze szkłem zwykłym, opór cieplny projektowanego skrzydła zakładano równy sumie oporów cieplnych szczeliny międzyszybowej i oporów przej­mowania ciepła na powierzchni szyb:

(2)

skąd, przyjmując wartości liczbowe wg PN-EN ISO 6946, otrzymano R_T = 0,35 m²•K/W i - odpowiednio ­U= 2,8 W/( m²•K/W).

Obecnie stosujemy przeważnie szyby zespolone, jedno- lub (rzadziej) dwukomorowe, z pokryciem po­wierzchni szkła powłokami niskoemi­syjnymi i wypełnieniem komór gazami o przewodności cieplnej niższej od przewodności cieplnej powietrza (np. argon lub krypton). Obniżamy w ten sposób przenoszenie ciepła w war­stwach powietrza tak na drodze pro­mieniowania, jak i przewodzenia. W efekcie osiąga się niższe wartości współczynnika przenikania ciepła szyb zespolonych, niż w przy­padku szklenia szkłem zwykłym.

Wartości współczynnika przenika­nia ciepła szyb zespolonych jednoko­morowych w środkowej części szyby (z dala od krawędzi) zależą od rodza­ju powłok niskoemisyjnych i rodzaju gazu wypełniającego i mogą wynosić 1,1 - 1,2 W/( m²•K/W). W praktyce cza­sem te wartości są wyższe, co może być spowodowane błędami w produk­cji szyb zespolonych (zbyt krótkim czasem przedmuchiwania i niewystarczającą koncentracją gazu).

Na rysunku 2 przedstawiono wyniki 60 pomiarów wartości współczynnika przenikania ciepła szyb zespolonych jednokomorowych w środkowej części szyby (wg badań ITB). Średnia wartość U_os wynosi 1,19 W/( m²•K/W), odchylenie średnie dla zbioru wyników 0,05 W/(m²•K), a wartość deklarowana dla populacji 1,3 W/( m²•K/W); jest ona znacznie wyższa od wartości deklarowanych przez producentów. Z tego względu przy przetargach na dostawę okien powinno się żądać np. potwierdze­nia deklaracji wynikami badań.

Na obwodzie szyby zespolone za­myka się przez wklejenie korytkowych przekładek dystansowych (najczę­ściej z aluminium, stali ocynkowanej lub stali nierdzewnej) i uszczelnienie; w korytkach dystansowych umieszcza się materiał pochłaniający parę wod­ną (np. żel krzemionkowy lub tzw. sita molekularne). Stosowane są różne rozwiązania obrzeży przekładek dy­stansowych (z aluminium, stali ocyn­kowanej, stali nierdzewnej, stali nie­rdzewnej i tworzywa sztucznego, two­rzywa sztucznego z aluminiową folią, butylu).

W wyniku wklejenia przekładki dy­stansowej i uszczelnienia na obrzeżu szyby powstaje liniowy mostek ciepl­ny, scharakteryzowany wartością li­niowego współczynnika przenikania ciepła 9 W/(m•K), którą oblicza się metodą symulacji komputerowej

numer badania.

Rys. 2. Wyniki pomiarów U_os

Wartości te mogą się znacznie różnić zależnie od rodzaju szyby zespolonej, przekładki i listwy uszczelniającej (z drewna lub z aluminium). W przy­padku ramiaków z drewna klejonego warstwowo, oszklenia szybami ener­gooszczędnymi o wartości współczyn­nika przenikania ciepła 1,16 W/( m²•K/W) i listwy uszczelniającej z drewna, linio­wy współczynnik przenikania ciepła 9 może wynosić od 0,05 W/(m•K) w przypadku tworzywa sztucznego, przez 0,057 W/(m•K) w przypadku sta­li nierdzewnej, do 0,08 W/(m•K) w przypadku aluminium.

Współczynnik przenikania ciepła szyby o polu powierzchni A i obwo­dzie P obliczamy ze wzoru:

(3)

Przykiad 1. Obliczmy współczynnik przeni­kania ciepła szyby zespolonej energo­oszczędnej o wymiarach 100x50 cm z listwą uszczelniającą drewnianą; pole powierzchni szyby wynosi A = 0,5 m², a obwód P = 3,0 m.

Przyjmijmy, że zastosowano przekładkę dystansową aluminiową; wówczas współczyn­nik przenikania ciepła wyniesie:

Powtórzmy obliczenie przyjmując, że za­stosowano przekładkę ze stali nierdzewnej:

Wyniki obliczeń potwierdzają, że wpływ mostka liniowego na obwodzie jest znaczny, choć zawsze mniejszy w przypadku lepszej przekładki dy­stansowej.

Należy zwrócić uwagę, że bardzo często producenci okien podają wartość współczynnika przenikania ciepła dla środkowej czę­ści szyby, który wynosi 1,1W/( m²•K/W).

Współczynnik przenikania ciepła okna określa się na podstawie:

• badań doświadczalnych w tzw. skrzynce grzejnej (Hot Box);

• obliczeń komputerowych przy użyciu specjalistycznych programów komputerowych.

Badaniami w skrzynce grzejnej określa się współczynnik przenikania ciepła konkretnego okna, o określo­nych wymiarach i udziale pola po­wierzchni nieprzezroczystej (ram) i pola powierzchni przezroczystej (szyb) w polu powierzchni okna; aby móc obliczyć współczynnik przenika­nia ciepła okna o dowolnym udziale powierzchni szyb i ram, wykonuje się dodatkowe pomiary i obliczenia.

Coraz częściej badania współczyn­nika przenikania ciepła okien zastę­puje się obliczeniami przy użyciu spe­cjalistycznych programów kompute­rowych, w których uwzględnia się ob. wpływ ramek dystansowych na obwodzie szyb. Problemem nie jest samo obliczenie pola temperatury, wykonywane najczęściej standardo­wo Metodą Elementów Skończonych, ale wprowadzenie do danych oblicze­niowych dość skomplikowanego obszaru przewodzenia ciepła, jakim jest przekrój okna z profili z PCW lub alu­miniowych. Potrzebne są programy specjalistycz­ne , korzystające z plików CAD-ow­skich do wprowadzenia geometrii przekroju.

Na podstawie obliczeń również podaje się dane do aprobaty technicz­nej dotyczące danej konstrukcji okna w zależności od udziału szyb i ram w polu powierzchni.

Przechodzenie promieniowania słonecznego przez szyby

Dotychczas rozpatrywano przeno­szenie ciepła wewnątrz ciał stałych wyłącznie przez przewodzenie; wy­mianę przez promieniowanie uwz­ględnialiśmy tylko na powierzchniach przegród. Taki model wymiany ciepła odpowiedni jest do przegród z materiałów nieprzezro­czystych, na powierzchni których pro­mieniowanie może być wypromienio­wane lub pochłaniane, natomiast w materiale występuje tylko przewo­dzenie ciepła.

Rozpatrzmy teraz zjawisko złożo­nej wymiany ciepła przez przegrody przezroczyste. Promienie słoneczne, pada­jące na powierzchnię przegrody przezroczystej, ulegają częściowo odbiciu, częściowo absorpcji i częściowo są przepuszczone przez przegrodę.

Oznaczając natężenie promieniowania słonecznego, padającego na szybę przez I_c, natężenie promieniowania odbitego I_cr, pochłoniętego I_ce i prze­puszczonego przez szybę I_ct, obliczamy:

• promieniowanie odbite przez po­wierzchnię szyby równe I_c ρ (p ­współczynnik odbicia);

• promieniowanie pochłonięte przez szybę równe I_c ε (ε- współczynnik absorpcji);

•promieniowanie przepuszczone przez szybę równe I_cτ (τ-współczynnik przepuszczalności).

Współczynniki odbicia, absorpcji i przepuszczalności są związane za­leżnością:

(4)

Współczynniki odbicia, absorpcji i przepuszczalności dla każdego ma­teriału przezroczystego zależą od długości fali promieniowania padają­cego (lub temperatury źródła). Absorbowanie i przepuszczanie promie­niowania przez przegrody przezroczy­ste zależy również od ich grubości.

Współczynnik przepuszczalności promieniowania zależy także od kąta padania promieniowania; dla wartości kąta padania mniejszej od 45° współ­czynnik przepuszczalności może być uważany za stały, dla większych wartości kąta pa­dania współczyn­nik szybko maleje. W rzeczywisto­ści strumień ciepl­ny przekazywany do wnętrza przez szybę poddaną promieniowaniu słonecznemu jest wyższy niż to wynika z prawa przepuszczania tego promieniowania. W wyniku ab­sorpcji promieniowania słonecznego szkło nagrzewa się i jest źródłem nagrzewania pomie­szczeń przez konwekcję i promienio­wanie niskotemperaturowe.

Rys. 3. Przechodzenie promieniowania słonecznego przez pojedynczą szybę

Rozpatrzmy przechodzenie ciepła przez pojedynczą szybę (rysunek 3). Gęstość całkowitego strumienia ciepła przekazywanego do pomie­szczenia określa wzór:

(5)

Pierwszy po prawej stronie człon wzoru opisuje promieniowanie sło­neczne (wysokotemperaturowe), drugi - promieniowanie niskokotemperatu­rowe i konwekcję. W praktyce można posłużyć się współczynnikiem przepu­szczalności ciepła, który dla pojedyn­czej szyby można określić wzorem:

(6)

Norma dopuszcza ko­rzystanie z gotowych wartości liczbowych są stabelaryzowanych, np. jak w tabeli 1 wg Załącznika E do PN-B-02025.

Obecnie produkuje się różne rodzaje szkła okiennego o specjalnej charakte­rystyce absorpcyjnej lub refleksyjnej w funkcji długości fali promieniowania padającego (tzw. selektywna absorpcja lub refleksja). Przez zastosowanie od­powiednich dodatków do masy szklar­skiej uzyskuje się niewielką zmianę ab­sorpcji promieniowania w stosunku do zwykłego szkła okiennego w zakresie promieniowania widzialnego (a więc nieznaczne zabarwienie) oraz znaczny wzrost absorpcji w zakresie podczer­wieni. Stosowanie specjalnych szkieł, pochłaniających promieniowanie pod­czerwone, pozwala na dość znaczne zmniejszenie gęstości strumienia ciepl­nego przedostającego się do wnętrza pomieszczenia i zapobiega nadmierne­mu przegrzewaniu pomieszczeń w okresie letnim.

Tabela 1. Wartości obliczeniowe współczynnika przepuszczania pro­mieniowania słonecznego przez wy­brane oszklenia (wg Załącznika E do PN-B-02025)

Rodzaj oszklenia	Współczynnik przepuszczania promieniowania słonecznego TR
Pojedyncze Podwójne Potrójne lub szyba zespolona jednokomorowa z jedną powłoką nisko-emisyjną Jw., lecz przestrzeń między szybami wypełniona argonem Szyba zespolona dwukomorowa z powłoką niskoemisyjną Szyba specjalna Przeciwsłoneczna	0,82 0,70 0,64 0,64 0,55 0,55

Dane z zarządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r Dz.U. poz.1238

Lp.	Rodzaj oszklenia	Współczynnik gG przepuszczalności energii całkowitej
1	Pojedynczo szklone	0,85
2	Podwójnie szklone	0,75
3	Podwójnie szklone z powłoką selektywną	0,67
4	Potrójnie szklone	0,7
5	Potrójnie szklone z powłoką selektywną	0,5
6	Okna podwójne	0,75

W odniesieniu do układu dwu i wię­cej szyb wzory wyrażające współ­czynnik przepuszczalności ciepła komplikują się:

Bez wyprowadzenia podano wzory odnoszące się do układu dwóch szyb:

Rys.4. Przechodzenie promieniowania słonecznego przez układ dwóch szyb

Całkowity strumień ciepła przekazywany do pomieszczenia:

A całkowity współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego:

Nawet zwykłe szkło okienne krze­mianowo-sodowe przepuszcza dobrze promieniowanie widzialne, a absorbu­je w znacznej mierze długofalowe promieniowanie podczerwone. Stąd w mocno przeszklonych pomieszcze­niach, werandach itp. obserwuje się efekt szklarniowy, polegający na wni­kaniu do pomieszczenia promieniowa­nia wysokotemperaturowego od słoń­ca (temperatura fotosfery wynosi ok. 6000 K) i zatrzymaniu wypromieniowa­nia ciepła od nagrzanych przedmiotów (o temperaturze ok. 300 K).

Produkowane są również szkła refleksyjne, pokryte najczęściej cienką warstwą tlenków metali, odbi­jającą promieniowanie wysoko i niskotemperaturowe. Takie szyby za­pobiegają przegrzewaniu pomie­szczeń i zmniejszają jednocześnie przepływ ciepła między szybami przez promieniowanie, powiększając izolacyjność cieplną w porównaniu z oknami ze szkłem zwykłym. W nocy zmniejszają one znaczne straty ciepła pomieszczeń do powietrza zewnętrz­nego w porównaniu z oknami szklony­mi tradycyjnie. Stąd producenci szyb często podają ich charakterystyki optyczne, a także współczynnik prze­puszczalności ciepła TR.

Odpowiedni dobór izolacyjności cieplnej szyb zespolonych i współczyn­nika przepuszczalności ciepła TR po­zwala na uzyskanie, w warunkach kli­matycznych Europy (na­wet w Niemczech i Austrii), dodatniego bilansu cieplnego okien w sezonie ogrzewczym (z przewagą zysków ciepła od promieniowania słonecznego nad stratami przez przenikanie).

Wymaga to ni­skich wartości współczynnika przeni­kania ciepła okien i dużych wartości natężenia promieniowania słoneczne­go. Dotyczy to elewacji zorientowanych na południe.

W ta­beli 2 i 2a na podstawie załącznika do PN-B-02025 podano sumy miesięczne całkowitego promieniowania słonecz­nego na powierzchnie pionowe dla stacji aktynometrycznej Białowieża i Warszawa Bielany.

Tabela 2. Sumy miesięczne całkowitego promieniowania słonecznego [kWh/m²] na powierzchnie pionowe dla stacji aktynometrycznej Białowieża

Miesiąc	S	S-W	W	N-W	N	N-E	E	S-E
I	35,0	30,5	19,0	14,1	14,1	14,1	18,6	29,0
II	63,0	57,8	40,3	27,6	25,5	26,2	34,3	50,4
III	85,5	78,1	61,8	46,1	40,9	45,4	60,2	77,4
lV.	88,5	85,0	72,7	56,2	46,8	58,3	77,8	90,0
V	93,7	94,5	87,8	69,9	58,8	78,9	101,2	104,9
VI	92,9	98,6	97,2	81,4	69,1	86,4	105,1	104,4
VII	95,2	101,9	100,4	83,3	68,4	83,3	101,9	104,2
VIII	102,7	101,2	88,5	68,4	54,3	69,9	93,7	105,6
IX	83,5	72,7	55,4	39,6	34,6	42,5	61,9	79,2
X	64,0	50,6	32,0	21,8	20,1	23,1	37,9	56,5
XI	31,6	23,8	13,0	9,4	9,4	10,1	15,8	26,6
X11	23,1	17,9	9,7	6,7	6,7	6,7	10,4	20,1

Tabela 2a. Sumy miesięczne całkowitego promieniowania słonecznego [kWh/m²] na powierzchnie pionowe dla stacji aktynometrycznej Warszawa-Bielany

Miesiąc	S	S-W	W	N-W	N	N-E	E	S-E
I	28,3	23,8	14,1	10,4	10,4	10,4	13,4	22,3
II	46,4	41,7	28,9	19,5	28,8	18,8	24,9	37,0
III	69,9	63,2	49,1	35,7	31,2	35,7	48,4	62,5
lV.	74,9	70,6	59,8	45,4	37,4	47,5	64,8	75,6
V	84,1	84,8	78,9	62,5	52,8	70,7	90,8	93,7
VI	79,9	84,2	83,5	70,6	59,8	75,6	91,4	90,7
VII	82,6	87,8	85,6	70,7	58,8	72,2	88,5	90,0
VIII	84,8	83,3	72,9	55,1	44,6	57,3	77,4	87,0
IX	72,7	61,9	47,5	33,8	30,2	36,7	54,7	69,8
X	58,0	45,4	29,0	19,3	17,9	20,8	35,0	52,1
XI	29,5	23,0	13,0	9,4	9,4	9,4	15,1	25,9
X11	19,3	15,6	8,2	6,0	6,0	6,0	8,9	16,4

W tabeli 3 na podstawie Załącznika B do PN-B-02025 podano dane klima­tyczne dla stacji meteorologicznych Białystok i Warszawa- Bielany.

Tabela 3. Średnie wieloletnie temperatury powietrza zewnętrznego i liczba dni ogrzewania dla stacji meteorologicznej Białystok

Mie- Siąc	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Te(m)	-4,8	-4,2	-0,3	6,6	12,4	16,5	17,6	16,6	12,2	7,1	2,3	-2,0
Ld(m)	31	28	31	30	10	0	0	0	10	31	30	31

Tabela 3a. Średnie wieloletnie temperatury powietrza zewnętrznego i liczba dni ogrzewania dla stacji meteorologicznej Warszawa-Bielany

Mie- Siąc	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Te(m)	-3,4	-2,6	1,4	7,5	12,9	17,0	18,1	17,4	13,2	8,4	3,3	-0,8
Ld(m)	31	28	31	30	5	0	0	0	5	31	30	31

Przykiad 2. Sprawdźmy bilans cieplny zorientowanego na południe okna o po­wierzchni m² i współczynniku przenikania cie­pła 2,0 W/(m² •K) z 65% udziałem powierzch­niowym szyby o współczynniku przepuszcza­nia promieniowania 0,64 przy określonych w tabelach 2 i 3 danych klimatycznych. Załóż­my, że temperatura powietrza wewnętrznego wynosi 20°C. Analizowany okres to 7 miesięcy (od października do kwietnia).

Straty ciepła przez przenikanie określa wzór:

Zyski ciepła od promieniowania słonecznego

W Polsce północno-wschodniej zy­ski ciepła od promieniowania sło­necznego przez szyby nie zrównowa­żą strat ciepła przez przenikanie przez okna.

Na przełomie lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego wieku zainteresowano się izolacjami z tzw. materiałów transparentnych, które pozwalały na lepsze wykorzystanie ciepła promieniowania słonecznego również przez przegrody pełne, zwła­szcza ściany. Takie rozwiązania ścian są już stosowane w Europie Zachod­nie i mają przed sobą dużą przy­szłość.

Klasyczne izolacje cieplne są wyko­nywane z materiałów w zasadzie nie­przezroczystych dla promieniowania słonecznego i stosuje się je w prze­grodach pełnych. Całkowitą wymianę ciepła przez przegrodę z materiałów nieprzezroczystych przy padaniu na nią promieniowania słonecznego przedstawiono schematycznie na ry­sunku 1.

Rys. 5. Wymiana ciepła na powierzchni przegrody nieprzezroczystej

Promieniowanie padające na po­wierzchnię przegrody ulega częścio­wo odbiciu, w przeważającej części jest oddawane z powierzchni przegro­dy do otoczenia na drodze konwekcji i promieniowania długofalowego, a w bardzo małej części - do wnętrza pomieszczenia. Bez wyprowadzenia podaje się wzór na ilość ciepła Q_i, które przenika w długim przedziale czasu do wnętrza pomieszczeń w wy­niku nasłonecznienia zewnętrznej po­wierzchni

(7)

w którym:

S - suma natężenia całkowitego pro­mieniowania słonecznego padające­go na zewnętrzną powierzchnię prze­grody w rozpatrywanym przedziale czasu.

Przyjmując wartości h_se = 25 W/(m²•K) i U = 0,30 W/(m²•K), otrzymamy stosu­nek ciepła od promieniowania sło­necznego zyskiwanego przez po­mieszczenie w stosunku do promie­niowania padającego na zewnętrzną powierzchnię przegrody równy 0,012; a więc wykorzystujemy na cele ogrze­wania zaledwie nieco ponad 1 % pro­mieniowania słonecznego. Poprawa izolacyjności cieplnej ścian i dachów w wyniku stosowania izolacji przeciw­działa pozyskiwaniu ciepła od pro­mieniowania słonecznego. W celu zwiększenia wykorzystania energii słonecznej od końca lat siedemdzie­siątych ubiegłego wieku podejmowa­no próby zastosowania w przegro­dach zewnętrznych materiałów izola­cji cieplnej częściowo przepuszczają­cych promieniowanie słoneczne. Cał­kowitą wymianę ciepła przez przegro­dę z izolacją z materiałów transpa­rentnych (półprzezroczystych), przy padaniu na nią promieniowania sło­necznego, przedstawiono schema­tycznie na rysunku 5a. Promieniowanie padające na powierzchnię przegrody ulega częściowo odbiciu, w przewa­żającej części ulega absorpcji na po­wierzchni masywnej ściany i stąd w znacznej części jest oddawane do wnętrza pomieszczenia, a w bardzo małej części jest oddawane z ze­wnętrznej powierzchni przegrody do otoczenia.

Produkowane i stosowane są trzy rodzaje materiałów transparentnych:

• oszklenie zespolone trzy szybowe z wypełnieniem kryptonem;

Rys. 5a. Wymiana ciepła na powierzchni przegrody z izolacją transparentną

• granulat z aerożelu krzemionko­wego, umieszczany między dwiema szybami i stanowiący specyficzny ro­dzaj szyby zespolonej;

• struktury komórkowe lub kapilar­ne z poliwęglanów, osłonięte od ze­wnątrz cienkim tynkiem z kuleczek szklanych.

Zaletą izolacji cieplnych ze struktur kapilarnych poliwęglanowych jest przepuszczanie z małymi stratami promieniowania słonecznego o na­chyleniu bliskim zera, podczas gdy promieniowanie od słońca wysoko ponad horyzontem ulega pochłania­niu wewnątrz izolacji.

Na rysunku 3 przedstawiono panel izolacji transparentnej Sto Therm Solar, który przykleja się do podłoża np. z betonu zwykłego lub cegły, umieszczając między płytami „trady­cyjnej" izolacji (fotografia).

Rys. 6. Panel Sto Therm Solar na zewnętrznej powierzchni ściany budynku doświadczalnego. Widoczny aktynometr do pomiaru natężenia promieniowania słonecznego.

Izolacje transparentne należy sto­sować na masywnej ścianie akumula­cyjnej, której zadaniem jest nagrzewa­nie się od bezpośredniego promienio­wania słonecznego w dzień pogodny i oddawanie ciepła do wnętrza w dni pochmurne; może to być ściana beto­nowa, kamienna lub ceglana grubości 12 - 25 cm. Zasada działania prze­zroczystej termoizolacji jest następu­jąca:

• promienie światła padające na powierzchnie przenikają przez system (tynk szklany) do przezroczystej płyty kapilarnej lub zostają częściowo odbi­te (w zależności od kąta padania promieniowania):

• promieniowanie dociera przez płytę kapilarnaą do warstwy absorbującej i zostaje przekształcone w ciepło,

• dzięki dobrej przewodności materiału ściennego, ciepło zostaje odprowodzaone do wnętrza pomieszczenia,

• materiał ścienny służy jednocześnie jako akumulator.

Płyta kapilarna ma dobre właściwości izolacji cieplnej (przewodność cieplna 0,08 W(mK)). Należy podkreślić, że panele izolacji transparentnej stosuje się łącznie z klasycznym systemem izolacji (udział powierzchniowy izolacji transpararentnej wynosi 10-30%).

Najlepsze wykorzystanie systemu izolacji transparentnej uzyskuje się tam, gdzie promieniowanie słoneczne jest największe: elewacja południowa, lecz również na elewacji wschodniej i zachodniej. Na rysunku 4 podano zyski ciepła do pomieszczenia (na metr kwadratowy izolacji i rok) w zależności od orjentacji (Sto-Ispo).

Rys. 7. Zyski ciepła do po pomieszczenia w zależności od orjentacji elewacji (dane firmy Sto).

Izolacje transparentne, znajdują dość szerokie zastosowanie w krajach o zbliżonym do Polski klimacie (Austria, Niemcy), zarówno w budynkach nowych, jak i podadanych termorenowacji, mimo jeszcze stosunkowo wysokiego czasu zwrotu nakładów. Jest to ekologiczne źródło energii, toteż stosowaniu tych izolacji towarzyszą w krajach „dawnej” Unii Europejskiej ulgi podatkowe.

4.3. Przepływ ciepła przez okna. Temperatura szyb okiennych

Strumień przepływu ciepła przez okno

Z rozwiązania równania przepływu ciepła w stanie ustalonym przez przegrodę nieprzezroczystą jednostkowy strumień przepływu ciepła wyrażony jest wzorem:

(8) --> [Author:MB]

gdzie

- temperatura powietrza zewnętrznego,

- temperatura powietrza w pomieszczeniu,

- gęstość promieniowania słonecznego padająca na daną ściankę,

-opór przenikania ciepła od powietrza zewnętrznego do wnętrza pomieszczenia,

- absorpcyjność promieniowania słonecznego ściany

- współczynnik wnikania ciepła od strony zewnętrznej.

t - czas

Powyższe wielkości pokazano na rysunku 8.

Rys.8. Schemat ściany przewodzącej i absobującej ciepło

Wyrażeniem (8) --> [Author:MB] definiowano strumień ciepła wymieniany między wewnętrzną powierzchnią ściany nieprzezroczystej przewodzącej i pomieszczeniem. W ścianie przezroczystej (okno) wielkość ta jest powiększona o strumień promieniowania krótkofalowego słońca. Oznaczając przez P współczynniki przepuszczalności promieniowania przez oszklenie okna otrzymano:

(9)

Strumień ciepła przez całą powierzchnię okna jest wyrażony iloczynem powierzchni
i strumienia jednostkowego q:

(10)

Wyrażenia (9) i (10) przyjęto za podstawę do definiowania strumienia strat i zysków nieprzezroczystej i przezroczystej okna budynku.

Strumień strat q_t i zysków q_z na powierzchni nieprzezroczystej okna przyjęto w postaci:

(11)

gdzie:

g^s, ၬ^s - grubość i współczynnik przewodności materiału części nieprzezroczystej okna.

Strumień strat q_t i zysków q_z na powierzchni przezroczystej okna przyjęto według wzorów:

(12)

w których

(13)

g, ၬ - grubość i współczynnik przewodzenia ciepła materiału części przezroczystej ściany.

Współczynnik ၬ dla szkła okiennego wynosi według normy 0,8 W/(mK) W obliczeniach wykonanych, R_o będziemy przyjmować z opisów technicznych produkowanych okien.

Współczynniki przejmowania ciepła

Współczynnik przejmowania ciepła przez powierzchnię wewnętrzną szyby ၡ_w zależy od temperatury wewnętrznej szyby i temperatury pomieszczenia. Norma cieplna zaleca stosowanie współczynnika ၡ_w =8,3 W/(m² K).

Współczynnik przejmowania ciepła na powierzchni zewnętrznej często proponowany jest jako funkcja liniowa prędkości wiatru w otoczeniu okna, według zależności:

(14)

W normie PN-82/B-02020 zaleca się stosowanie ၡ_w =20 W/(m² K).

Temperatura po stronie wewnętrznej i zewnętrznej okna

Temperatura szyb bez uwzględnienia ich absorpcyjności.

Rys. 9. Schemat zmienności temperatur w poprzek szyby okna.

W rozważaniach przyjęto oznaczenia:

- temperatura powietrza zewnętrznego,

- temperatura powietrza w pomieszczeniu,

- temperatura szyby od wewnątrz pomieszczenia,

- temperatura szyby zewnątrz pomieszczenia

- opór przenikania ciepła przez przegrodę,

- współczynnik wnikania ciepła od strony zewnętrznej.

- współczynnik wnikania ciepła od strony wewnętrznej

- opór przenikania ciepła dla okien z jedną szybą wyrażany wzorem:

(15)

Opór całkowity dla okien zespolonych wzorem wyrażającym sumę oporów poszczególnych warstw

(16)

gdzie

- grubości poszczególnych szyb okna,

ၬ_s - współczynnik przewodzenia materiału szkła.

L - grubości pustek powietrznych okna,

ၬ_s­ - współczynnik przewodzenia powietrza.

Gęstość strumienia ciepła w poszczególnych warstwach: warstwy zewnętrznej przyściennej przylegającej do szyby, tafli szklanej, warstwy przyściennej wewnętrznej są określone wzorami:

(17)

(18)

(19)

W stanie ustalonym strumienie te są równe. Stąd otrzymano równania:

(20)

(21)

(22)

Rozwiązując (20) i (22) ze względu na
i porównując obydwie strony otrzymano wartość temperatury
:

(23)

gdzie:

(17)

Następnie podstawiając do wyrażenia na
otrzymano:

(24)

Przykład 1: Grube szkło 4 cm.

T_w=22 ^oC. T_z=0 ^oC. a_z=25 W/(m²·K), a_w=8 W/(m²·K)

Stąd

(25)

Przykład 2. szkło okienne 4 mm

Temperatura okna z uwzględnieniem absorpcyjności szyb

W przypadku uwzględnienia absorpcyjności szyb, gęstość strumienia ciepła w poszczególnych warstwach okna: warstwy przyściennej zewnętrznej, tafli szklanej, warstwy przyściennej wewnętrznej, są określane następującymi wyrażeniami:

(25)

(26)

(27)

Z porównania strumieni otrzymano następujące trzy równania:

(28)

(29)

(30)

Rozwiązując równania (28-30) otrzymano temperatury zewnętrzne i wewnętrzne szyby okiennej.

(31)

(32)

1

14

Sprawdzić numerację wzorów.

Uwaga na numer.

---