Energetyczno-ekonomiczny aspekt okien w budynkach niskoenergetycznych

Wprowadzenie w 2009 r. obowiązku sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej budynków spowodowało wyraźny wzrost znaczenia jakości wyrobów budowlanych w zakresie ich cech wpływających na charakterystykę energetyczną budynku. Dotyczy to również stolarki okiennej.

Czynniki, od których zależy izolacyjność okien

Izolacyjność okien wzrasta przy zastosowaniu większej liczby szyb i wypełnieniu przestrzeni międzyszybowej gazami szlachetnymi, takimi jak argon czy krypton. Inny zabieg polega na pokrywaniu szyb powłokami selektywnymi, co ma na celu zmniejszenie przepuszczalności promieni słonecznych, a dzięki temu ograniczenie przegrzewania budynku w okresie letnim (zmniejsza koszty ewentualnej klimatyzacji) i jest dodatkowo walorem estetycznym.

Trzeba też wspomnieć o pojęciu „ciepła ramka”, czyli o zastosowaniu międzyszybowych ciepłych ramek polimerowych, które także wpływają na poprawę termiki okna.

Dopuszcza się (w odniesieniu do budynku produkcyjnego, magazynowego i gospodarczego) większe wartości współczynnika U niż U_(maks.). Warunkiem jest uzasadnienie tego rachunkiem efektywności ekonomicznej inwestycji, obejmującym koszty budowy i eksploatacji budynku [3].

Daje to inwestorom dodatkowe możliwości manewru i ewentualne odłożenie w czasie dostosowania się do nowych wymagań, pod warunkiem wykazania opłacalności takiej decyzji.Nowe wymagania cieplne zostały zestawione w TABELI 1.

Współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g

Wpółczynnik U charakteryzuje straty ciepła przez okno, lecz należy zwrócić uwagę, że przez oszklenie pozyskujemy energię od promieniowania słonecznego.

Istotny jest więc współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g. Im wyższa wartość g, tym zyski od słońca większe. Im niższa wartość współczynnika U, tym trudniej zachować wysoką wartość g. Na wielkość współczynnika g ma wpływ również zastosowanie osłon przeciwsłonecznych.

Całkowitą wartość współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego według rozporządzenia z 5 lipca 2013 r. zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [3], oblicza się ze wzoru:

g = f_c·g_n

gdzie:
f_c – współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowanie urządzenia przeciwsłonecznego w okresie letnim nie może być większy niż 0,35,
g_n – współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego.

Jeśli w deklaracji właściwości użytkowych okna nie ma podanych wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego, należy skorzystać z tabeli 2.1.5. podanej w rozporządzeniu z 5 lipca 2013 r. zmieniającym rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [3], gdzie zestawiono wartości współczynnika całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g_n.

Zależą one od typu przeszklenia i wahają się od 0,5 dla okien potrójnie szklonych z powłoką selektywną do 0,85 dla okien szklonych pojedynczo.

Współczynnik redukcji promieniowania słonecznego _fc

Bardziej skomplikowany jest dobór wartości współczynnika redukcji promieniowania ze względu na zastosowanie urządzeń przeciwsłonecznych.
Poszczególne jego wartości zostały podane w rozporządzeniu z 5 lipca 2013 r. [3], a przestawiono je w TABELI 2.

Pole powierzchni okien A_o

Ze względu na możliwość zwiększonych strat ciepła oraz nadmierne przegrzewanie pomieszczeń w miesiącach letnich nie można w budynku zaprojektować zbyt dużej powierzchni okien.

Według rozporządzenia [3] pole powierzchni Ao, wyrażone w m², okien oraz przegród szklanych i przezroczystych o wartości współczynnika przenikania ciepła nie mniejszej niż 0,9 W/(m²·K), obliczone według ich wymiarów modularnych, nie może przekraczać wartości A_omaks:

A_omaks = 0,15·A_z + 0,03·A_w

gdzie:
A_z– suma pól powierzchni rzutu poziomego wszystkich kondygnacji nadziemnych (po zewnętrznym obrysie budynku) w pasie o szer. 5 m wzdłuż ścian zewnętrznych,
A_w – suma pól powierzchni pozostałej części rzutu poziomego wszystkich kondygnacji po odjęciu.

Poprawny montaż

Od kilkunastu lat w krajach zachodniej Europy standardowo stosowany jest tzw. ciepły montaż. Jest to trójwarstwowy system uszczelnienia okien, w Polsce stosowany w zasadzie wyłącznie w budynkach niskoenergetycznych (np. w budynkach o standardzie NF 15, NF 40).

Jeśli chodzi o standardowe budynki, nadal niewiele mówi się o wytycznych dotyczących poprawnego montażu i uszczelnień okien, a klienci sugerują się częściej wyborem tańszego rozwiązania, czyli montażu tradycyjnego (z użyciem pianki lub silikonu), który skutkuje stratami ciepła oraz zawilgoceniem warstwy izolacji. W efekcie rosną koszty ogrzewania i powstaje ryzyko pojawienia się niebezpiecznego dla zdrowia zagrzybienia [4].

Podstawowym celem ciepłego montażu jest polepszenie jakości montażu dzięki wyeliminowaniu mostków termicznych, zabezpieczeniu warstwy izolacji termicznej przed degradacją i zlikwidowaniu przewiewów. Jednoczesne zabezpieczenie izolacji przed wilgocią i zapewnienie jej stałej wentylacji pozwala na utrzymanie spoiny w stanie suchym.

Przy doborze materiałów do ciepłego montażu trzeba wiedzieć o wykonaniu wewnętrznej warstwy z materiału paroszczelnego, środkowej z materiału termoizolacyjnego, a zewnętrznej z paroprzepuszczalnego. Zgodnie z zasadą: wewnątrz szczelniej niż na zewnątrz, zapewniamy spoinie optymalne warunki, które wpływają na jej trwałość i jakość.

Założenia do przykładu obliczeniowego

Do obliczeń przyjęto dom jednorodzinny, parterowy z poddaszem nieużytkowym o:

• powierzchni zabudowy – 105 m²,
• kubaturze ogrzewanej – 210 m³,
• wentylacji naturalnej.

Budowa przegród zewnętrznych:

• ściana z cegły ceramicznej gr. 25 cm, ocieplenie styropianem gr. 15 cm, współczynnik U = 0,236 W/(m²·K);
• strop pod nieogrzewanym poddaszem: płyta żelbetowa gr. 15 cm, styropian gr. 22 cm, chudy beton gr. 3 cm, 2×papa asfaltowa, współczynnik U = 0,173 W/(m²·K);
• podłoga na gruncie: płyta żelbetowa gr. 15 cm ocieplona styropianem gr. 15 cm, wylewka betonowa gr. 3 cm, posadzka dębowa gr. 2 cm, współczynnik U = 0,16 W/(m²·K).

W budynku na elewacji od strony północnej nie ma okien, natomiast na elewacjach pozostałych znajdują się po 2 okna o wymiarach 1280×1450 mm. Jako ścianę frontową przyjęto tę na kierunku południowym i tam znajdują się drzwi o wartości U = 1,7 W/(m2·K). Budynek jest nieosłonięty, dane meteorologiczne jak dla stacji Białystok.

Przyjęto do obliczeń zastosowanie 3 typów okien:

• typ 1 – okna o wartości Uw =1,7 W/(m²·K),
• typ 2 – okna o wartości Uw = 1,3 W/(m²·K),
• typ 3 – okna o wartości Uw =0,7 W/(m²·K).

Okna typu 1 przyjęto w związku z tym, że inwestorzy, którzy uzyskali pozwolenie na budowę przed styczniem 2014 r., mogą w swoich budynkach zastosować okna spełniające wymagania podane w rozporządzeniu z 6 listopada 2008 r. [5].

Okna typu 2 spełniają obecne wymagania, zawarte w rozporządzeniu z 5 lipca 2013 r. [3], natomiast okna typu 3 spełniają wymagania dotyczące budynków o standardzie NF15 dla IV i V tej strefy. Przedstawione obliczenia mają pokazać różnicę wynikającą z zastosowania założonych typów okien.

Obliczenia wykonano w jednym z przeznaczonych do tego programów komputerowych. Wyniki zamieszczono w TABELACH 3, 4 oraz na RYS. 1, 2, 3, 4, 5.

Energia użytkowa charakteryzuje samą bryłę budynku i pozwala na porównanie efektów energetycznych uzyskanych dzięki zastosowaniu okien o lepszych parametrach (TABELA 3).

W celu podania efektu istotnego z punktu widzenia użytkownika w TABELI 4 zestawiono odpowiadające energiom użytkowym wartości energii końcowej oraz ceny poszczególnych paliw. Wartości współczynników nakładu instalacji w odniesieniu do różnych źródeł ciepła przyjęto na podstawie rozporządzenia z 6 listopada 2008 r. [5].

Analizowano następujące warianty inwestycji, w odniesieniu do których obliczono wartości wskaźników NPV i SPBT:

wariant 1, polegający na zastosowaniu zamiast okien typu 1 okna typu 2,

wariant 2, polegający na zastosowaniu zamiast okien typu 1 okna typu 3.

Wartości wskaźników NPV i SPBT obliczono na podstawie wzorów:

gdzie:
ΔN – różnica wartości nakładu dla odpowiednich typów okien,
ΔQ – różnica wartości zapotrzebowania na energię dla odpowiednich typów okien,
c_i – cena energii z wybranego źródła,
ΔK – przewidywane wpływy finansowe w kolejnych latach [zł/rok],
n – liczba lat funkcjonowania przedsięwzięcia inwestycyjnego; przyjęto 15 lat,
r – stała stopa dyskonta; przyjęto 3%.

Do obliczeń przyjęto planowany czas zwrotu inwestycji wynoszący 15 lat oraz stopę dyskonta równą 3%. Wyniki przedstawiono w TABELACH 5 i 6.

Jak wynika z RYS. 1, przy zastosowaniu lepszych okien następuje znaczne zróżnicowanie zapotrzebowania bryły budynku na energię użytkową. Wraz ze wzrostem parametrów cieplnych zastosowanych okien w budynku, zapotrzebowanie na energię użytkową spada nawet dwukrotnie dla okien typu 3.

Zmiany w wielkości energii końcowej (ta, za którą płacimy) zależą od rodzaju paliwa i sprawności instalacji grzewczej budynku, dlatego zróżnicowanie jej wartości nie jest aż tak znaczne jak w przypadku energii użytkowej.

Na podstawie analizy RYS. 3 i 4 można zauważyć, że dla okien typu 2 i 3 zyski od słońca przeważają straty przez okna, jedynie dla okna typu 1 wartości te są zbliżone.

Takie wyniki uzyskano dzięki korzystnej orientacji budynku (południowej) i wyeliminowaniu okien na elewacji północnej. Istotne znaczenie w tym wypadku ma także współczynnik wykorzystania zysków słonecznych, który w sezonie wynosi 0,933. Polepszanie izolacyjności cieplnej okna powoduje obniżenie strat, przy jednoczesnym obniżeniu zysków (przy czym straty maleją szybciej niż zyski).

W budynku poddanym analizie dominujące są straty wentylacyjne, natomiast w odniesieniu do nich straty przez okna są dwa razy mniejsze (okna typu 1, 2), a w odniesieniu do okien typu 3 – nawet 4-krotnie mniejsze.

PODSUMOWANIE

Przy wyborze okien do budynku należy zwrócić uwagę na to, że:

• izolacyjność okien zależy od udziału szyby w całkowitej powierzchni okna i liczby podziałów (np. szprosów). Im mniej podziałów i większy udział szyby, tym lepsze właściwości izolacyjne okien;
• najlepszym rozwiązaniem są okna o najniższej wartości współczynnika przenikania ciepła U oraz o stosunkowo wysokiej wartości współczynnika przepuszczalności promieniowania słonecznego g. Trzeba też zdawać sobie sprawę, iż wzrost liczby szyb w profilu okiennym obniża wartość współczynnika przenikania ciepła U okna, lecz jednocześnie powoduje obniżenie wartości współczynnika g (zmniejszenie ilości przepuszczanej do pomieszczenia energii słonecznej);
• lokalizacja i orientacja okien w budynku wpływają na wielkość zysków od słońca. Zaleca się umieszczanie znacznej liczby okien od strony południowej, unikanie zaś otworów okiennych od strony północnej (zwracając uwagę na eliminację nadmiernych zysków ciepła).

Na efektywność energetyczną i ekonomiczną inwestycji polegającej na montażu okien o lepszych parametrach termicznych wpływa w istotnym stopniu również rodzaj ogrzewania (paliwo i jego cena).

Z przytoczonego przykładu obliczeniowego wynika, iż czasy zwrotu dodatkowego nakładu na lepsze okna są dość długie, jednak oszczędności energetyczne, jakie taka zmiana przynosi, są znaczące w bilansie energetycznym budynku. Przy odpowiedniej trwałości okien oraz w warunkach ciągle rosnących cen energii inwestycja staje się opłacalna.

Okna o bardzo dobrych parametrach termicznych mogą przy odpowiednim rozmieszczeniu w budynku względem stron świata być pozytywnym składnikiem bilansu cieplnego budynku.

Autorzy składają podziękowania za współpracę firmie Prestige z Łap, która udostępniła dane do obliczeń

Literatura

1. PN-EN ISO 10077-1:2007, „Właściwości cieplne okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła”.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2002 r. nr 75, poz. 690, ze zm.).
3. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2013 r., poz. 926).
4. Strona internetowa: www.empol.pl.
5. 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).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!