Ocena stolarki okiennej - aspekt architektoniczny i energooszczędny

Otwory w ścianach zewnętrznych budynku są zazwyczaj najsłabszym punktem w bilansie cieplnym budynku. Tymczasem odpowiednio dobrana stolarka okienna pozwala chronić przed nadmiernym nagrzewaniem pomieszczeń w okresie letnim, a jednocześnie ograniczać straty ciepła w okresie zimowym [1].

Zmieniające się wymagania w zakresie ochrony cieplnej i energetycznej budynków prowadzą do obniżania granicznej wartości współczynnika przenikania ciepła U [W/(m²·K)] nie tylko w odniesieniu do ścian czy dachu, lecz także przegród przezroczystych [2]. Jakie są podstawowe kryteria oceny stolarki okiennej na podstawie wymagań prawnych [2, 3, 4] i jakie są zasady projektowania budynków energooszczędnych?

Wymagania techniczne dotyczące stolarki okiennej

Szczegółowe wymagania dotyczące przegród przezroczystych sformułowane są w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3].

Paragraf 57 tego rozporządzenia [3] brzmi:„1. Pomieszczenie przeznaczone na pobyt ludzi powinno mieć zapewnione oświetlenie dzienne, dostosowane do jego przeznaczenia, kształtu i wielkości, z uwzględnieniem warunków określonych w § 13 oraz w ogólnych przepisach bezpieczeństwa i higieny pracy.2. W pomieszczeniu przeznaczonym na pobyt ludzi stosunek powierzchni okien, liczonej w świetle ościeżnic, do powierzchni podłogi powinien wynosić co najmniej 1:8, natomiast w innym pomieszczeniu, w którym oświetlenie dzienne jest wymagane ze względów na przeznaczenie – co najmniej 1:12”.

Wymagania w zakresie izolacyjności termicznej okien określono w załączniku 2 do rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3]. Wyznaczono wartości graniczne współczynników przenikania ciepła U_w w odniesieniu do okien w różnych budynkach, np. okna w budynku jednorodzinnym w zależności od strefy klimatycznej (tj. U_w = 1,7 W/(m²·K) dla IV, V strefy, natomiast 1,8 W/(m²·K) dla I, II, III strefy). W projekcie znowelizowanego rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [2] obniżono wartości U_w = 1,20 W/(m²·K) w pomieszczeniach ogrzewanych t_i ≥ 16°C.

Wymagania dotyczące powierzchni okien z uwzględnieniem oszczędności energii określono w załączniku 2 do rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3]:„2.1.1. W budynku mieszkalnym i zamieszkania zbiorowego pole powierzchni A₀ wyrażone w m2, okien oraz przegród szklanych i przezroczystych, o współczynniku przenikania ciepła nie mniejszym niż 1,5 W/(m²·K), obliczone według ich wymiarów modularnych, nie może być większe niż wartość A_0maks. obliczone według wzoru:

A0 _maks. = 0,15·A_z + 0,03·A_w

gdzie:

A_z – jest sumą pól powierzchni rzutu poziomego wszystkich kondygnacji nadziemnych (w zewnętrznym obrysie budynku) w pasie o szerokości 5 m wzdłuż ścian zewnętrznych,

A_w – jest sumą pól powierzchni pozostałej części rzutu poziomego wszystkich kondygnacji po odjęciu A_z.

2.1.2. W budynku użyteczności publicznej pole powierzchni A0 wyrażone w m², okien oraz przegród szklanych i przezroczystych, o współczynniku przenikania ciepła nie mniejszym niż 1,5 W/(m²·K), obliczone według wymiarów modularnych nie może być większe niż wartość A_{0 maks.} = 0,15·A_z + 0,03·A_w, jeśli nie jest to sprzeczne z warunkami dotyczącymi zapewnienia niezbędnego oświetlenia światłem dziennym, określonym w § 57 rozporządzenia.

2.1.3. W budynku produkcyjnym, magazynowym i gospodarczym łączne pole powierzchni okien oraz ścian szklanych w stosunku do powierzchni całej elewacji nie może być większe niż:

1. w budynku jednokondygnacyjnym (halowym) – 15%;
2. w budynku wielokondygnacyjnym – 30%”.

Wymagania w zakresie współczynnika przepuszczalności energii całkowitej okna oraz przegród szklanych i przezroczystych określono również w załączniku 2 do rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3]:„2.1.4. We wszystkich rodzajach budynków współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna oraz przegród szklanych i przezroczystych g_c liczony wg wzoru:

g_c = f_c·g_G

gdzie:

g_G – współczynnik przepuszczalności energii całkowitej dla rodzaju oszklenia,

f_c – współczynnik korekcyjny redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenie przeciwsłoneczne nie może być większy niż 0,5, z wyłączeniem okien oraz przegród szklanych i przezroczystych, których udział f_G w powierzchni ściany jest większy niż 50% powierzchni ściany – wówczas należy spełnić nierówność: g_c·f_G ≤ 0,25, gdzie:

f_G – udział powierzchni okien oraz przegród szklanych i przezroczystych w powierzchni ściany”.

W wymienionym załączniku podano wartości współczynników g_G, f_c w zależności od parametrów rodzaju oszklenia i typu zasłon.

Ocena stolarki okiennej 

Na podstawie analizy wielu projektów i realizacji budynków jednorodzinnych można zauważyć, że stolarka okienna stanowi ok. 20% powierzchni ściany zewnętrznej. Zgodnie z wartościami granicznymi współczynnika przenikania ciepła według rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3] U_ściany = 0,30 W/(m²·K), U_okna = 1,70–1,80 W/(m²·K). Straty ciepła przez okna są zatem ok. 5-krotnie większe. Oznacza to, że niezwykle ważne jest dokonanie oceny stolarki okiennej przy wyborze optymalnego rozwiązania. Należy to zrobić na etapie planowania, projektowania, a także budowy.

Według Żurawskiego [5] podstawowe kryteria oceny stolarki okiennej dotyczą następujących zagadnień:

• geometrii stolarki okiennej – w polskich warunkach optymalne wymiary to: 1230×1480 mm²,
• szczelności stolarki, określonej jako współczynnik infiltracji a,
• współczynnika przenikania ciepła stolarki okiennej Uw [W/(m²·K)], z uwzględnieniem zmieniających się wymagań rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3],
• współczynnika przepuszczalności energii słonecznej gG,
• lokalizacji budynku i związanych z nią jednolitych warunków klimatycznych,
• położenia stolarki względem stron świata (zmienne wartości współczynnika I [kW/(m²·miesiąc)]),
• sprawności wykorzystania zysków cieplnych – w przybliżeniu równej 1,
• długości sezonu grzewczego – obliczono średnią dla Polski, która wynosi we wrześniu 7,1 dni, następnie od października do końca kwietnia oraz 10,1 dnia grzewczego w maju,
• izolacyjności akustycznej stolarki okiennej.

Niezbędne w ocenie stolarki jest określenie jej energii użytkowej. Energia użytkowa stolarki [kWh/(m²·rok)] to roczne zapotrzebowanie na energię użytkową na pokrycie strat ciepła przez przenikanie przez przegrody zewnętrzne, na podgrzanie powietrza wentylacyjnego z uwzględnieniem zysków ciepła od nasłonecznienia oraz wewnętrznych zysków ciepła. W odniesieniu do przegród przezroczystych energia użytkowa obejmuje energię niezbędną do: pokrycia strat ciepła przez przenikanie i infiltrację przez nieszczelności okienne z uwzględnieniem zysków ciepła od słońca.

Bilans energetyczny stolarki okiennej według rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej [4] obejmuje:

gdzie:

H_tr – współczynnik strat ciepła przez przenikanie [W/K],

θ_int,H – temperatura wewnętrzna dla okresu ogrzewania w budynku [°C],

θ_e – średnia miesięczna temperatura powietrza zewnętrznego dla najbliższej stacji meteorologicznej [°C],

t_M – liczba godzin w miesiącu,

gdzie:

b_tr,i – współczynnik redukcyjny obliczeniowej różnicy temperatur – według tabeli 6 rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej [4],

A_i – pole powierzchni i-tej przegrody otaczającej przestrzeń ogrzewaną, obliczane według wymiarów zewnętrznych; wymiary okien i drzwi przyjmuje się jako wymiary otworów w ścianie [m²],

U_i– współczynnik przenikania ciepła i-tej przegrody pomiędzy przestrzenią ogrzewaną a otoczeniem zewnętrznym [W/(m²·K)], obliczany w odniesieniu do przegród przezroczystych według aprobat technicznych lub zgodnie z normą PN-EN 14351-1:2012 [6],

Ψ_i – liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka cieplnego [W/(m·K)], przyjęty według normy PN-EN ISO 14683:2008 [7] lub obliczany zgodnie z normą PN-EN ISO 10211:2008 [8],

• miesięczne zyski ciepła od słońca (przenikającego do przestrzeni ogrzewanej przez przegrody przezroczyste):

gdzie:

Q_S1 – miesięczne zyski ciepła od promieniowania słonecznego przez przegrody przezroczyste zamontowane w przegrodach pionowych [kWh/miesiąc],

Q_S2 – miesięczne zyski ciepła od promieniowania słonecznego przez przegrody przezroczyste zamontowane w połaciach dachowych [kWh/miesiąc],

gdzie:

C_i – udział pola powierzchni płaszczyzny szklonej do całkowitego pola powierzchni okna, zależny od wielkości i konstrukcji okna; wartość uśredniona – 0,7,

A_i – pole powierzchni okna lub drzwi balkonowych w świetle otworu w przegrodzie [m2],

I_i – wartość energii promieniowania słonecznego w danym miesiącu na płaszczyznę pionową, w której usytuowane jest okno o powierzchni Ai, według danych najbliższego punktu promieniowania słonecznego [kWh/(m2·miesiąc)],

g – współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego przez oszklenie – według tabeli 7 rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej [4],

k_α – współczynnik korekcyjny wartości Ii ze względu na nachylenie płaszczyzny połaci dachowej do poziomu, dla ścian pionowych kα = 1,0 – według tabeli 8 rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej [4],

Z – współczynnik zacienienia budynku ze względu na jego usytuowanie oraz przesłony na elewacji budynku – według tabeli 9 rozporządzenia w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej [4].

Podsumowując, należy przy wyborze rozwiązania pamiętać nie tylko o stratach ciepła, lecz także o jego zyskach. Trzeba poszukiwać rozwiązań zmniejszających oddziaływanie letnich wysokich temperatur na budynek, a więc stosować odpowiednią izolację termiczną oraz osłony przeciwsłoneczne. Koszty chłodzenia budynku latem mogą bowiem okazać się wyższe niż koszty ogrzewania zimą.

Energooszczędna stolarka okienna

Na energooszczędność okna wpływają właściwości jego elementów, czyli szyby i profili, a także wielkość okna i zastosowane w nim podziały – im większe okno, tym niższa wartość współczynnika przenikania ciepła U_w [W/(m²·K)], im mniejsza liczba podziałów w oknie (a tym samym większy udział szyby w całej jego powierzchni), tym niższa wartość współczynnika U_w.

Energooszczędność szyb uzyskuje się dzięki:

• zastosowaniu szyb zespolonych – standardem rynkowym są obecnie zestawy dwuszybowe (jednokomorowe) o współczynniku przenikania ciepła U_g = 1,1 W/(m²·K);
• dodaniu dodatkowej (trzeciej) szyby oraz nanoszeniu na tafle szkła specjalnych powłok oraz wypełnieniu przestrzeni między nimi gazem szlachetnym; w ten sposób uzyskuje się wartość współczynnika przenikania ciepła U_g = 0,5 W/(m²·K);
• zastosowaniu powłok niskoemisyjnych – dzięki temu następuje zmniejszenie wartości współczynnika przenikania ciepła U_g;
• zastosowaniu gazu szlachetnego zamiast powietrza, co wpływa na zmniejszenie wartości współczynnika przenikania ciepła o ok. 0,3 W/(m²·K); zastosowanie gazów cięższych od argonu (kryptonu i ksenonu) jest bardziej korzystne, jednak również bardziej kosztowne;
• zastosowaniu szkła absorpcyjnego (barwionego w masie – o odcieniu brązowym, grafitowym, niebieskim, zielonym): zmniejsza ono nagrzewanie pomieszczeń przez absorpcję (pochłanianie) promieniowania cieplnego, które jest następnie emitowane na obie strony szyby w postaci ciepła; montowane jest w zestawach szybowych od zewnątrz; powoduje lekkie zacienienie wnętrza i działa jak kolorowy filtr (może powodować zmiany postrzegania barw), a także podnosi walory estetyczne elewacji;
• zastosowaniu szkła refleksyjnego (powstaje jak niskoemisyjne w wyniku naniesienia na szkło powłoki z metali lub ich tlenków); dzięki obecności powłoki szkło odbija większość energii słonecznej – początkowo powłoki refleksyjne odbijają znaczną część promieni widzialnych; współczesne rozwiązania mają różną refleksyjność w zakresie promieni widzialnych (światła) – od bardzo wysokiej do neutralnej (10%), zapewniającej dużą przepuszczalność światła;
• zastosowaniu szkła dwufunkcyjnego (powłoki dwufunkcyjne uszlachetniają szkło oraz łączą zalety powłok niskoemisyjnych i refleksyjnych); szkło dwufunkcyjne dobrze sprawdza się latem i zimą, ponieważ pozwala na kontrolę przepływu energii słonecznej latem i redukcję strat ciepła zimą; dzięki temu zmniejszone jest wykorzystanie sztucznego oświetlenia ze względu na maksymalny udział światła naturalnego, a w efekcie znacznie obniżone zużycie energii w budynku;
• zastosowaniu ramki dystansowej – ramka łączy pojedyncze tafle szyb; ponadto aluminium zastępowane jest stalą szlachetną i tworzywem sztucznym, co znacznie obniża wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ.

Dostępne na rynku profile są również udoskonalane pod kątem uzyskania większej energooszczędności. W wypadku profili z PVC udoskonalenie to polega na zwiększeniu liczby komór, innych sposobach wzmocnienia profili – zastąpieniu zimnego metalu przekładkami z tworzywa sztucznego i włókien szklanych, zastosowaniu pianki poliuretanowej czy wklejeniu szyb w profile. W wypadku profili z drewna energooszczędność profilu uzyskuje się dzięki zwiększeniu grubości ram (do 90 mm), doborowi gatunku drewna (profile wykonywane są z dwóch gatunków drewna, np. dębu i sosny) oraz dociepleniu profili – zastosowaniu przekładek z pianki poliuretanowej.

Analiza parametrów stolarki okiennej wybranego budynku jednorodzinnego

Do analizy wybrano niepodpiwniczony budynek jednorodzinny z poddaszem użytkowym zlokalizowany w Bydgoszczy, wykonany w technologii tradycyjnej. Obiekt charakteryzuje się zwartą, ale dynamiczną bryłą. Zgodnie z ideą energooszczędności duże powierzchnie oszkleń wraz z wyjściem na taras usytuowano na elewacji południowo-zachodniej, co pozwoliło na zwiększenie zysków ciepła przez promieniowanie słoneczne.

Zaprojektowany taras na poddaszu użytkowym minimalizuje ilość promieni słonecznych, jakie natrafią na stolarkę drzwiową na parterze, co wynika z kąta padania promieni słonecznych w okresie lato–zima. Od strony północnej wielkość i liczba okien są minimalne – spełniają wymagania rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3]. Taki układ funkcjonalny jest zgodny z zasadami projektowania budynków energooszczędnych (orientacja, grupowanie pomieszczeń oraz podział wnętrza są prawidłowe) (rys. 1–2, rys. 3).

Przeprowadzono analizę porównawczą stolarki okiennej w dwóch wariantach (tabela 1):

• wariant I – stolarka drewniana w systemie tradycyjnym, spełniającym wymagania rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3],
• wariant II – stolarka drewniana w systemie energooszczędnym.

Na podstawie koncepcji projektowej analizowanego budynku sprawdzono podstawowe obowiązujące wymagania dotyczące stolarki okiennej. Analiza wykazała, iż powierzchnia okien spełnia wymogi wynikające z konieczności zapewnienia minimalnego oświetlenia światłem dziennym pomieszczeń (wg rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [3]), określonego jako 1:8 powierzchni okien liczona w świetle ościeżnic do powierzchni podłogi. Analizowana stolarka okienna charakteryzuje się współczynnikiem przenikania ciepła Uw poniżej wartości granicznej sformułowanej w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [3] na poziomie Uw = 1,80 W/(m²·K) dla II strefy klimatycznej – Bydgoszcz (tabela 2).

Współczynnik przepuszczalności energii całkowitej okna oraz przegród szklanych i przezroczystych gc (przy zastosowaniu białych żaluzji o lametach nastawnych) wynosi dla stolarki w systemie tradycyjnym gc = 0,23, natomiast w systemie energooszczędnym gc = 0,15. W dwóch analizowanych wariantach został spełniony warunek w zakresie współczynnika przepuszczalności energii całkowitej okna, ponieważ gC < 0,5.

Analiza w zakresie bilansu energetycznego stolarki okiennej wymaga opracowania wielu danych technicznych stolarki okiennej (określenia wartości współczynnika przenikania ciepła okna Uw [W/(m²·K)], pola powierzchni okien Ai [m²] – wymiary okien i drzwi przyjmuje się jako wymiary otworów w ścianie, liniowego współczynnika przenikania ciepła na styku ściana–okno w przekrojach: ościeżnica, podokiennik, nadproże Ψ [W/(m²·K)], długości mostka cieplnego li [m]), uwzględnianych w miesięcznych stratach ciepła.

Podsumowanie i wnioski

Na podstawie przeprowadzonych analiz można sformułować następujące wnioski praktyczne:

• wszystkie kryteria oceny stolarki okiennej powinny być uwzględniane na etapie planowania i projektowania budynków, ponieważ wpływają na mikroklimat wnętrza i komfort użytkowy budynku;
• odpowiedni dobór parametrów technicznych i właściwości stolarki okiennej wpływają na koszty eksploatacyjne obiektu;
• znaczne powierzchnie przeszklone należy sytuować na elewacji południowej lub południowo-wschodniej. Trzeba jednak pamiętać o zabezpieczeniach w zakresie przegrzewania pomieszczeń w okresie letnim, a więc stosować powłoki na zewnętrznej powierzchni szyb zespolonych oraz rolet lub żaluzji wewnątrz pomieszczenia lub markiz, łamaczy światła, okiennic na zewnątrz budynku;
• stolarka okienna projektowana w budynku powinna spełniać szczegółowe wymagania sformułowane w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [3] w zakresie minimalnego stopnia oświetlenia światłem dziennym, współczynnika przenikania ciepła U_w [W/(m²·K)] oraz współczynnika przepuszczalności energii całkowitej okna oraz przegród szklanych i przezroczystych g_c;
• bardzo istotnym aspektem projektowym i wykonawczym jest poprawne osadzenie stolarki okiennej w ścianie zewnętrznej (poprawne zaprojektowanie i wykonanie złącza dwóch przegród: ściana–okno), np. w ścianie dwuwarstwowej przedłużenie warstwy izolacji cieplnej na ościeżnicę powoduje zmniejszenie start ciepła oraz minimalizowanie ryzyka rozwoju pleśni i grzybów pleśniowych na wewnętrznej powierzchni przegrody na styku okno–ściana zewnętrzna. Zasadne staje się stosowanie „szkoły projektowania złączy budowlanych” prezentowanej szczegółowo w pracy „Praktyczna fizyka cieplna budowli” [9].

Literatura

1. M. Meller, P. Siwiński, „Szkło budowlane”. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej, Koszalin 2002.
2. Projekt rozporządzenia ministra transportu, budownictwa i gospodarki morskiej zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1238).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej (DzU z 2008 r. nr 201, poz. 1240).
5. J. Żurawski, „Ocena energetyczna stolarki budowlanej”, „IZOLACJE”, nr 4/2012, s. 18–23.
6. PN-EN 14351-1:2012, „Okna i drzwi. Norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne. Część 1: Okna i drzwi zewnętrzne bez właściwości dotyczących odporności ogniowej i/lub dymoszczelności”.
7. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
8. PN-EN ISO 10211:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Strumienie ciepła i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe”.
9. A. Dylla, Praktyczna fizyka cieplna budowli. Szkoła projektowania złączy budowlanych”, Wydawnictwo Uczelniane UTP, Bydgoszcz 2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!