Część 2 - Szyby, profile, ramki dystansowe - w

Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych
Część 2
Szyby, profile, ramki dystansowe
Kontynuując temat optymalizacji energetycznej okien przypomnę podstawowy wzór do obliczanie
współczynnika przenikania ciepła całego okna, przedstawiony w bardziej szczegółowej formie.
gdzie:
Uw
- średni współczynnik przenikania ciepła okna [W/(m² * K)]
Σ Ag x Ug
Σ Af x Uf
Σ L g x Ψg
Af
Ag
Lg
- suma iloczynów pól powierzchni szyb i współczynników przenikania ciepła szyb,
- suma iloczynów pól powierzchni ram i współczynników przenikania ciepła ram,
- suma iloczynów długości styku szyby z ramą i liniowego mostka cieplnego,
- pole powierzchni ramy o współczynniku Uf,
- pole powierzchni szyby o współczynniku Ug
- długość obwodu styku szyby z ramką o współczynniku Ψg
Podstawowymi elementami z których składa się okno są:
- rama zamontowana w ścianie tzw. ościeżnica,
- skrzydło okienne – część ruchoma mocowana do ramy za pomocą zawiasów,
- wypełnienie ramy skrzydeł okiennych, najczęściej tafla szkła (szyba) pojedyncza lub zespolona z
dwóch lub trzech szyb.
Okna wykonywane są z takich materiałów jak: drewno, pcw, profile metalowe.
Uwaga: pcw, pcv, u-pvc, to skróty pochodzące z różnych języków, określające ten sam materiał
nieplastyfikowany polichlorek winylu. W artykule zajmę się tylko najczęściej stosowanymi obecnie oknami U-PVC, które mają lepsze właściwości termiczne niż okna drewniane i metalowe.
W późniejszych częściach cyklu opisane zostaną również okna drewniane i metalowe.
Z powyższego wynika, że obliczenia należy wykonać oddzielnie dla trzech podstawowych elementów konstrukcji okna, tzn. dla:
1. szyby,
2. ramy (profili)
3. ramki dystansowej na styku szyby z ramą,
i następnie zsumować otrzymane wyniki.
Poniżej opiszę szczegółowo te trzy podstawowe części okien na podstawie danych M&S Pomorskiej Fabryki Okien w Słupsku.
1. SZYBY
Przez ostatnie 30 lat nastąpiła ewolucja parametrów szyb okiennych.
Od pojedynczej szyby grubości 4 mm Ug = 6,0 poprzez szyby zespolone 1-komorowe o konstrucji: szyba 4 mm, powietrze 16mm, szyba 4mm - Ug = 3,0 do standardowych obecnie szyb typu
termofloat z wypełnieniem komory argonem i wewnętrzną powłoką niskoemisyjną Ug = 1,0.
Dla domów energooszczędnych powstały pakiety 2-komorowe (3-szybowe) Ug = 0,7 i Ug = 0,5
tzw. supertermo.
Na rys.1 pokazano stosowane rodzaje szyb i
pakietów zespolonych, ich dane wymiarowe
oraz parametry termiczne.
Wartość współczynnika Ug szyb zespolonych
w zależności od typu i rodzaju oszklenia wyznacza się według normy PN-EN 673
lub mierzy za pomocą PN-EN 674.
Na izolacyjność termiczną szyb zespolonych
największy wpływ mają następujące czynniki:
- rodzaj szkła zastosowanego w zespoleniu
(dotyczy to szczególnie rodzaju powłoki
niskoemisyjnej)
- rodzaj i ilość gazu w przestrzeni międzyszybowej,
- wielkość ramki dystansowej między szybami,
- liczba komór w zestawie (jedna lub dwie
komory).
Pokazane na rysunku wartości Lt (Light
transmission) przepuszczalność światła oraz
„g” współczynnik przepuszczalności energii
słonecznej - zostaną omówione w następnych
częściach tego cyklu artykułów.
Do dalszej analizy wybrano szyby oznaczone jako 2, 4, 5 i 7.
Rys.1
2. RAMY (PROFILE)
Umowna rama i skrzydła okna to właściwie profil wykonany z wielokomorowych kształtowników
PVC-U. Historycznie profil przechodził ewolucje od 2, 3, 4 komór do obecnie będących standardem profili 5-komorowych. Dla budynków energooszczędnych stosuje się już profile 6-komorowe.
Profile wewnątrz posiadają wzmocnienie stalowe lub termiczne.
Fot.1 - profil 4-komorowy ze wzmocnieniem stalowym
Fot.2 - profil 5-komorowy ze wzmocnieniem termicznym MS z kompozytu poliestrowoszklanego z wypełnieniem konstrukcji pianką poliuretanową.
Do dalszej analizy wybrano profile:
1. 4-komorowy, wzmocnienie stalowe głębokość 73 mm Uf=1,6
2. 5-komorowy, wzmocnienie stalowe głębokość 73 mm Uf=1,5
3. 5-komorowy, wzmocnienie termiczne MS głębokość 73 mm Uf=1,0
4. 6-komorowy, wzmocnienie stalowe głębokość 92 mm Uf=1,0
Dodawanie kolejnych komór daje znikome efekty przy znacznie wyższych kosztach produkcji.
3. RAMKA DYSTANSOWA
Szyby są na obwodzie połączone ramkami dystansowymi (z aluminium, stali, kompozytu poliestrowo-szklanego lub twardej pianki poliuretanowej), utrzymującymi je w stałej odległości.
Wzdłuż ramki powstaje liniowy mostek cieplny o długości Lg i współczynniku Ψg.
Fot.3
Ψg zależy od materiału z którego jest wykonana ramka oraz rodzaju szyby i profilu skrzydła okna.
Do dalszej analizy wybrano ramki z produkcji M&S:
1. ramka aluminiowa
Ψ = 0,060 W/m*K
2. ciepła ramka MS
Ψ = 0,055 W/m*K
*
3. ramka SWISSPACER Ψ = 0,037 W/m*K
4. OPTYMALIZACJA ENERGETYCZNA
Dla sprawdzenia opłacalności zastosowania okien wykonanych z różnych trzech podstawowych
elementów: szyby, ramy i ramki w wielu wariantach, przeprowadzono symulacje komputerowe
zapotrzebowania na energie cieplną dla pokrycia strat przez przenikanie na zewnątrz i zysków ciepła od promieniowania słonecznego do wewnątrz budynku przez okna.
Obliczenia przeprowadzono dla przedstawionego na rys.2 jednorodzinnego budynku mieszkalnego
wyposażonego w instalację centralnego ogrzewania zasilanego z miejskiej sieci ciepłowniczej
w Słupsku, grupa odbiorców II. Obliczenia przeprowadzono programem komputerowym Audytor
OZC 4.8Pro.
Rys.2
Zastosowano tzw. okno referencyjne (służące do analiz porównawczych) wg normy PN-EN 143511+A1:2000, czyli okno jednoskrzydłowe o wymiarach 1230x1480 mm (Fot.4) .
W budynku występuje 9 okien referencyjnych.
Fot.4
W tabeli 1 przedstawiono wybrane warianty konstrukcji okien i odpowiadające im dane techniczne,
energetyczne i ekonomiczne.
Tabela 1
Wariant
Konstrukcja okna
Szyba
Straty
Straty
Koszt
Koszt
SPTB
okien zł
lat
Rama
Ramka
Uw
ciepła
mocy
ciepła
istniejące
(2)Ug=3,0
drew.Uf=1,6
(1)Ψ=0,60
2,50
GJ/rok
12,18
kW
2,75
zł/rok
779,57
wariant 1
(4)Ug=1,0
(1)Uf=1,6
(2)Ψ=0,55
1,30
7,02
2,03
478,02
5261,76
17,4
wariant 2
(4)Ug=1,0
(2)Uf=1,5
(2)Ψ=0,55
1,27
6,88
2,01
469,80
4902,66
15,8
wariant 3
(7)Ug=0,5
(3)Uf=1,0
(2)Ψ=0,55
0,80
5,53
1,73
385,00
5231,67
13,3
wariant 4
(4)Ug=1,0
(4)Uf=1,0
(3)Ψ=0,37
1,07
5,69
1,89
416,58
6388,20
17,6
wariant 5
(7)Ug=0,5
(3)Uf=1,0
(2)Ψ=0,55
0,80
6,18
1,81
422,30
6040,44
16,9
wariant 6
(7)Ug=0,5
(3)Uf=1,0
(3)Ψ=0,37
0,71
5,12
1,68
361,50
5533,92
13,2
Obliczenia Uw i koszt okien wykonano na podstawie danych przekazanych przez M&S.
Za podstawę optymalizacji przyjęto SPTB (prosty czas zwrotu poniesionych nakładów finansowych).
Z tabeli 1 wynika, że najlepszym ekonomicznie jest wariant 6,
czyli okna z profili 5-komorowych ze wzmocnieniem termicznym MS,
szybą 2-komorową Ug=0,50 (rys.1 poz.7)
oraz ramką dystansową SWISSPACER Ψ=0,037 W/m*K.
5. WNIOSKI KOŃCOWE
1. Przy wymianie okien w istniejących budynkach opłaca się inwestować w nowoczesne technologie produkcji okien. Zwiększone koszty zwrócą się szybciej niż okna tańsze, ale powodujące większe straty ciepła i koszty ogrzewania i wynikające stąd większe emisje zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego ze źródeł ciepła.
2. Przy projektowaniu nowych obiektów dobór okien należy przeprowadzić bardzo starannie
opierając się na analizie ekonomicznej i ekologicznej.
3. Stosowanie tzw. ciepłych ramek dystansowych jest opłacalne tylko w oknach wieloskrzydłowych, gdzie występuje duży obwód ramek i liniowych mostków cieplnych.
6. UWAGI OGÓLNE
Przeprowadzone obliczenia są szacunkowe i służą jedynie do analizy porównawczej i mogą być
stosowane w małych istniejących obiektach. Przy projektowaniu dużych obiektów należy wykonać indywidualne kalkulacje korzystając z danych producentów okien.
1. Obliczenia w uproszczony sposób traktują zyski ciepła od nasłonecznienia poprzez szyby do
wewnątrz pomieszczeń. Zyski te i zastosowanie odpowiednich szyb w zależności od usytuowania budynku w stosunku do położenia geograficznego i stron świata będą tematem następnego artykułu z tej serii.
2. Temat nie obejmuje zmian współczynnika przenikania ciepła okna w zależności od jego
usytuowania w przegrodzie i wynikających stąd mostków cieplnych. Będzie to tematem kolejnego artykułu.
3. Autor dziękuje Pani Wioletcie Chrzan z M&S Pomorska Fabryka Okien w Słupsku za pomoc przy opracowaniu artykułu.
Fotografie – z archiwum M&S
Rysunek - autora
Włodzimierz Matusiak
mgr inż. inżynierii środowiska
audytor energetyczny