Część 1 - Podstawowe funkcje okna i współczynnik - w

Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych
Część 1
Co roku wymienia się w Polsce miliony okien – nowe okna mają być „cieplejsze” i powinny
zmniejszać zużycie energii potrzebnej na ogrzanie mieszkań. Czy faktycznie każdy wybór
nowego okna przy wymianie daje taki efekt? Z mojego doświadczenia wynika, że tak nie jest.
Na pewno nowoczesne okna są szczelne i ta ich cecha przekłada się na oszczędność energii
cieplnej. Trzeba przy tym pamiętać, że jednocześnie w pomieszczeniu minimalizuje się strumień powietrza wentylacyjnego, co ogólnie jest dla lokatora szkodliwe. Szczelność okna to
jednak nie wszystko, co decyduje o jego efektywności.
Temat jest rozległy i dotyczy nie tylko starych budynków ale jest również ważny na etapie
projektowania okien w nowych obiektach.
W kolejnych częściach cyklu artykułów
przedstawię szczegółową problematykę dotyczącą doboru takich okien,
które spełniają swoje funkcje w sposób najbardziej ekonomiczny i ekologiczny.
Podstawowe funkcje okna - rozważania przyjęto dla okna w pokoju mieszkalnym.
Okno ma trzy podstawowe funkcje i odpowiadające tym funkcjom kryteria:
1. Dostarczenie odpowiedniej ilości naturalnego światła – kryterium tej funkcji jest norma, aby
wielkość okna stanowiła minimum 1/8 powierzchni podłogi pomieszczenia,
2. Okno jest przegrodą zewnętrzną budynku i powoduje straty ciepła na zewnątrz – kryterium
tej funkcji jest minimalizacja tych strat poprzez zastosowanie materiałów o możliwie najmniejszym współczynniku przenikania ciepła [U],
3. Okno poprzez otwieranie, uchylanie, rozszczelnianie lub montaż nawiewników powinno
doprowadzać do pomieszczenia odpowiednią ilość powietrza wentylacyjnego, kryterium tej
funkcji jest norma objętości powietrza wentylacyjnego w budynku mieszkalnym.
Z powyższych funkcji podstawowych wynikają funkcje pochodne;
4. Okno jest przegrodą zewnętrzną i powinno minimalizować hałasy z zewnątrz,
5. Szyba okna to nie tylko straty ciepła ale również zyski ciepła od promieniowania słonecznego – pożyteczne zimą a szkodliwe latem.
Bardzo istotne jest również to, żeby koszt okna wykonanego dla ww. funkcji był możliwie niski.
Z opisu funkcji okna wynika, że często są one wzajemnie sprzeczne i dobór okna nie jest sprawą
łatwą. Niniejszy cykl artykułów został pomyślany jako forma poradnika dla lokatorów, zarządców
nieruchomości, projektantów, certyfikatorów i audytorów energetycznych - w zakresie optymalizacji doboru okien i ich montażu w przegrodach budowlanych oraz obliczenia współczynników przenikania ciepła dla istniejących okien i przegród, w które są wbudowane. Szczególną uwagę poświęcę w tym cyklu mostkom cieplnym występującym w oknach i ościeżach okiennych.
Współczynnik przenikania ciepła okna – Uw
Na początek przeprowadźmy takie optymalizacje okien, które pozwolą na uzyskanie najlepszego
współczynnika przenikania ciepła jak najmniejszym kosztem.
Projektując okno, należy pamiętać, że jego konstrukcja wpływa nie tylko na walory estetyczne budynku i ilość światła, jaka dostaje się do wnętrza domu. W istotny sposób decyduje również
o przenikaniu i stratach ciepła. Izolacyjność cieplną okien określa się za pomocą współczynnika
przenikania ciepła U, który wyraża się w jednostkach W(m2 * K) i definiuje się jako ilość ciepła
przenikającą w ciągu 1 godziny przez 1m2 płaskiej przegrody przy różnicy temperatury powietrza
po obu jej stronach wynoszącej 1K (1°C). Jednoznacznie należy stwierdzić, że im mniejsza wartość
U, tym większa izolacyjność termiczna okna.
Producenci okien i projektanci aż do 2007 roku, kiedy wydano PN-EN ISO 10077-1:2007
„Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji - Obliczanie współczynnika przenikania ciepła”, przyjmowali, że współczynnik przenikania ciepła okna to współczynnik szyby - to był błąd.
Niestety, pojawia się również obecnie w zestawieniach stolarki okiennej, stanowiących załącznik
do projektu budynku. Wprawdzie to właśnie izolacyjność termiczna szyby w dużej mierze wpływa
na to, czy okno możemy określić jako „ciepłe”, czy też nie, jednak parametrem stanowiącym podstawę do ocen i porównań powinien być tylko współczynnik Uw. Dlatego też nawet w obrębie jednego budynku, w którym zaprojektowane zostały okna o takich samych parametrach cieplnych
szyb, każde z okien może mieć zupełnie inny współczynnik przenikania ciepła.
Według obowiązującej aktualnie normy PN-EN ISO 10077-1:2007 - obliczanie współczynnika
przenikania ciepła wykonuję się według poniższego wzoru.
[1]
Gdzie:
Uw (window) - średni współczynnik przenikania ciepła okna [W/(m² * K)]
Uf (frame) - współczynnik przenikania ciepła ramy,
[W/(m² * K)]
Ug (glass) - średni współczynnik przenikania ciepła szyby,
[W/(m² * K)]
Ψg - liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka na styku szyby z ramą okna, [W/(m * K)]
Af (frame) - pole powierzchni ramy o współczynniku Uf, [m²]
Ag (glass)– pole powierzchni szyby, [m²]
lg - długość liniowego mostka cieplnego na styku szyby z ramą, [m]
A = Ag + Aw - powierzchnia całkowita okna, [m²]
Na zdjęciu pokazano układ okien po ich wymianie z drewnianych na PCV w typowym
wielorodzinnym budynku mieszkalnym.
Pierwotnie zgodnie z projektem był to zestaw
3 typowych okien; O36 (1765x1435mm) +
O35 (1465x1435mm) + OB5 (865x2195mm).
Jak widać, po wymianie, na każdej kondygnacji występują różne okna, co świadczy
o braku jakiejkolwiek organizacji tej wymiany, każdy lokator wstawił okna według własnego gustu.
Na 3 i 5 kondygnacji zachowano pierwotny
podział okien według projektu, co można
uznać za zasadne z powodów architektonicznych, na kondygnacjach 2 i 4 jest to podział
zbliżony do projektu, na 1 i 6 kondygnacji
podział jest całkowicie odmienny.
W tym przypadku do analizy wybrałem
okna na 1 i 3 kondygnacji jako przypadki
o najbardziej odmiennych podziałach.
Wartość Uw można określić dwoma sposobami:
1 - laboratoryjnie, na podstawie badań konkretnego okna,
2- obliczeniowo, na podstawie wzoru, zgodnie z PN EN ISO 10077-1
Ponieważ badanie laboratoryjne wstawionych
okien jest niemożliwe - zastosowano wzór z
normy
przyjmując standartowe dane konstrukcyjne
okien:
- profil okna (frame) 4-komorowy, Uf= 1,76
[W/(m² * K)]
- szyba thermofloat 4/16Ar/4 Ug (glass) = 1,0
[W/(m² * K)]
- ramka na styku szyby i okna aluminiowa Ψ
= 0,07 [W/(m * K)]
Fot. 1
Analiza 1 - okno na 3 kondygnacji
Fot.2
Wymiary okna
- O36 (1765x1435mm) A=2,53 m2 , Ag = 1,53 m2, Af= 1,00 m2, l (ramka)= 7,3m
- O35 (1465x1435mm) A=2,10 m2 , Ag = 1,33 m2, Af= 0,77m2, l (ramka)= 6,7m
- OB5 (865x2195mm) A=1,90 m2 , Ag = 1,10 m2, Af= 0,80m2, l (ramka)= 6,0m
razem A = 6,53 m2, Ag = 3,96m2, Af= 2,57m2, l (ramka) = 20,0m
Po obliczeniach wg wzoru [1] Uw tego okna wynosi ok. 1,51 [W/(m² * K)] czyli aż 50% więcej
niż Ug szyby.
Szacunkowy koszt tego okna (bez montażu i parapetów) wynosi ok. 1950 zł
Analiza 2 - okno na 1 kondygnacji
Fot.3
Wymiary okna
- O30
(865x1435mm) A=1,24 m2 , Ag = 0,87 m2, Af=0,37 m2, l (ramka)= 3,9m
- okna stałe (2365x1435mm) A=3,39 m2 , Ag = 2,76 m2, Af= 0,63m2, l (ramka)= 6,9m
- OB5
(865x2195mm) A=1,90 m2 , Ag = 1,10 m2, Af= 0,80m2, l (ramka)= 6,0m
razem A=6,53 m2, Ag = 4,73m2, Af= 1,80m2, l (ramka)= 16,8m
Po obliczeniach wg wzoru [1] Uw tego okna wynosi ok. 1,39 [W/(m² * K)] czyli o ok. 8% mniej
niż okna z Fot. 2.
Szacunkowy koszt tego okna (bez montażu i parapetów) wynosi ok. 1580 zł czyli o ok. 370 zł mniej
niż okno z Fot. 2.
Wykonane powyżej kalkulacje są szacunkowe, bez dokładnych pomiarów i mają za cel jedynie analizę porównawczą. Kalkulacje współczynnika Uw okien można wykonać również za pomocą programów komputerowych np. Kalkulator Energetyczny Fabryki Okien w Słupsku dostępny na
www.ms.pl
Jakie wnioski?
1. Im więcej szyby w oknie, tym niższy (lepszy) współczynnik przenikania ciepła.
2. Im mniej ramy w oknie i części rozwieranych, tym okno jest tańsze i cieplejsze.
3. Okna należy projektować tak, aby miały jak największą powierzchnię szyby - wtedy wymiar
całkowity może być mniejszy.
4. Okna wieloskrzydłowe stosować tylko w koniecznych przypadkach.
5. Jeżeli jest możliwe mycie okien z balkonów i tarasów, należy stosować okna stałe (nieotwierane), a dla wietrzenia przeznaczyć tylko ok. 1/3 części okna.
6. Z powyższych wniosków wynika, że z przedstawionych na Fot.1 okien, najlepiej jest zoptymalizowane okno na parterze, jest ono najtańsze a jednocześnie najcieplejsze i daje najwięcej światła, no i jest chyba najładniejsze. Ponieważ wygląd tego okna znacznie odbiega
od pierwowzoru, zmiana powinna być uzgodniona z odpowiednimi władzami, z czym niestety mogą być problemy.
W następnej części (2) zostanie przedstawiona optymalizacja energetyczna okien pod względem
rodzajów ram okiennych, szyb i ramek łączących szyby z ramą.
Włodzimierz Matusiak
mgr inż. inżynierii środowiska
audytor energetyczny
[email protected]
www.w-matusiak.pl