Przeszklenia - przegrody przezroczyste cz. I

Ściany zewnętrzne w nowoczesnych budynkach często są w znacznym stopniu przeszklone. Wynika to nie tylko z aktualnych trendów w architekturze, lecz w dużej mierze także z dążenia do zapewnienia właściwego oświetlenia pomieszczeń światłem dziennym. Ten ostatni aspekt jest szczególnie istotny w dużych miastach, gdzie występuje duża gęstość zabudowy terenu. Ograniczenie zużycia energii do kształtowania klimatu wewnętrznego w budynku o przeszklonej elewacji (na poziomie akceptowalnym ze względu na koszty jego eksploatacji), wymaga zastosowania energooszczędnych rozwiązań technicznych przegród przezroczystych.

Mechanizm przepływu ciepła przez przegrody przezroczyste, do których zalicza się okna, drzwi balkonowe oraz nieotwierane powierzchnie przeszklone, jest bardziej złożony niż przez przegrody nieprzezroczyste. Oprócz przenikania ciepła spowodowanego różnicą temperatury środowisk po obu stronach przegrody, przez powierzchnie przezroczyste przenika do wnętrza budynku promieniowanie słoneczne, co sprawia że powierzchnia taka w dzień może być jednocześnie źródłem strat i zysków ciepła. W sezonie ogrzewczym zyski ciepła od promieniowania słonecznego stanowią istotną pozycję w bilansie energetycznym przeszklonego budynku, a ich maksymalizacja jest elementem projektowania budynków energooszczędnych. W okresie letnim zyski te stają się największym składnikiem w bilansie cieplnym budynku i są podstawową przyczyną przegrzewania pomieszczeń nie wyposażonych w instalacje klimatyzacyjne. W przypadku otwieranych okien i drzwi balkonowych źródłem dodatkowych strat lub zysków ciepła jest powietrze zewnętrzne infiltrujące przez szczeliny w przylgach. Zatem izolacyjność cieplna przegród przezroczystych, określana w taki sam sposób jak dla przegród nieprzezroczystych przy użyciu współczynnika przenikania ciepła, nie jest wystarczająca do określana ilości ciepła rzeczywiście przenikającego przez tego typu przegrodę. Ostatnio w Zjednoczonym Królestwie do kompleksowej oceny energetycznej okien wprowadzono indeks energetyczny wyrażający ilość ciepła przenikającą przez okno w ciągu roku obliczaną z uwzględnieniem wszystkich wyżej wymienionych sposobów przepływu ciepła. Jak pokazały analizy przeprowadzone w USA jakość energetyczna obok ceny, wyglądu i funkcji jest istotnym kryterium, jakim kierują się klienci przy wyborze okien. Dotychczas w Polsce jakość energetyczna przegród przezroczystych utożsamiana jest jedynie z ich izolacyjnością cieplną.

2. Izolacyjność cieplna przegród przezroczystych
2.1. Wymagania Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej okien, drzwi balkonowych i świetlików wprowadzone zostały w Polsce dopiero w początku lat 80. ubiegłego wieku, a więc znacznie późnij niż dla przegród nieprzezroczystych. Znamienne jest to, że od tego czasu uległy one bardzo niewielkim zmianom, polegającym między innymi na wprowadzeniu osobnych wymagań w odniesieniu do okien połaciowych. Obecnie obowiązujące maksymalne dopuszczalne wartości współczynnika przenikania ciepła okien i drzwi balkonowych i świetlików, które podane są w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie podane są w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, zależą od rodzaju budynku, a w niektórych przypadkach także od strefy klimatycznej, w której usytuowany jest budynek i projektowej wartości temperatury wewnętrznej w pomieszczeniach (tablica 1). Wymagania te stosuje się również do części przezroczystych ścian zewnętrznych budynków.

Tablica 1. Maksymalne wartości współczynnika przenikania ciepła okien drzwi balkonowych 

Postęp, jaki dokonał się w okresie ostatnich kilku lat w dziedzinie okien i drzwi, przejawiający się przede wszystkim wprowadzeniem energooszczędnych szyb zespolonych z wypełnieniem gazowym i powłoką niskoemisyjną, pozwala na wytwarzanie okien charakteryzujących się znacznie mniejszymi wartościami współczynnika przenikania ciepła niż wymagana obecnie w przepisach, a zatem należy oczekiwać zaostrzenia wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej okien w ramach najbliższej nowelizacji rozporządzenia w sprawie warunków technicznych.

2.2. Sposób określania
W przegrodzie przeszklonej można wyróżnić część przezierną, czyli oszklenie i nieprzezierną, czyli ramę, w której oszklenie jest osadzone. Wartość współczynnika przenikania ciepła przegród budowlanych określa się albo metodą badań fizykalnych, albo przy pomocy obliczeń, przy czym w odniesieniu do przegród przeszklonych, w których wyróżnia się dwie różniące się izolacyjnością cieplną części, czyli oszklenie i ramę, w której oszklenie jest osadzone, często stosowana jest metoda, w której wykorzystywane są zarówno wyniki obliczeń i badań. Okna i ściany metalowo szklane są konstrukcjami bardziej złożonymi od przegród nieprzezroczystych, dlatego w obydwu przypadkach, tzn. badań i obliczeń, konieczne jest zastosowanie bardziej złożonych procedur i narzędzi badawczych. Wartość współczynnika ciepła kompletnego okna o określonej konstrukcji i wymiarach określa się metodą skrzynki grzejnej wg PN-EN ISO 12567-1:2002, w odniesieniu do typowych okien montowanych w przegrodach pionowych, a w odniesieniu do okien dachowych i innych komponentów przeszklonych wystających poza lico budynku wg PN-EN ISO 12567-2:2006. Ostatnio częściej stosowane jest wykorzystywanie do wyznaczania tego współczynnika metod komputerowej symulacji przepływu ciepła, które stosuje się do obliczania współczynnika przenikania ciepła ram okiennych Uf oraz liniowego współczynnika przenikania ciepła Y powstającego na połączeniu ramy okna z oszkleniem. Do wyznaczania obu tych wartości stosuje się metodę podaną w PN-EN ISO 10077-2:2005. Wartości współczynnika przenikania ciepła oszklenia Ug określa się albo metodą obliczeniową wg PN-EN 673:1999, albo częściej metodą badań fizykalnych wg PN-EN 674:1999 lub PN-EN 675:1999. W przypadku, kiedy znane są wartości Uf, Ug, i Y, współczynnik przenikania ciepła całego okna lub drzwi balkonowych o dowolnych wymiarach, kształcie i podziałach określa się wg PN-EN ISO 10077-1:2006(U) ze wzoru:

w którym:
Ag - pole powierzchni oszklenia, m²,
Af - pole powierzchni jw., m²,
L - długość liniowego mostka cieplnego równa długości styku oszklenia z ramą, m.

2.3. Współczynnik przenikania ciepła przez ramę okna U_f Wartość współczynnika U_f zależy od: - materiału, z którego wykonane są kształtowniki ramy, - ich rozwiązania konstrukcyjnego i wymiarów, tzn. szerokości i wysokości kształtowników, - szczelności okna na przenikanie powietrza. Obniżenie wartości tego współczynnika należy do priorytetowych celów projektantów systemów okien i drzwi balkonowych i osiągane jest w różny sposób. W oknach z profili drewnianych do wyrobu kształtowników stosowane są gatunki drewna charakteryzującego się mniejszą gęstością, a w oknach z kształtowników tworzywowych zwiększa się liczbę komór oraz stosuje się ceowniki stalowe do zapewnienia odpowiedniej sztywności profili. W przypadku ram aluminiowych czynnikami mającymi istotny wpływ na wartości Uf są wymiary i kształt przekładek termicznych oddzielających zewnętrzną część ramy od wewnętrznej. Zwiększenie odległości między tymi elementami poprawia izolacyjność cieplną ramy. Korzystne jest również nie pokrywanie lakierem powierzchni kształtowników aluminiowych między przekładkami termicznymi. Okna szczelne charakteryzują się lepszą izolacyjnością cieplną od rozszczelnionych. W nowoczesnych systemach okien i drzwi balkonowych, z typowymi rozwiązaniami materiałowo-konstrukcyjnymi, uzyskiwane są następujące wartości współczynnika U_f: 1,3–1,9 W/(m²K) dla kształtowników drewnianych, 1,4–2,1 W/(m²K) dla kształtowników tworzywowych, 2,0–3,0 W/(m²K) dla kształtowników aluminiowych z przekładką termiczną.

2.4. Współczynnik przenikania ciepła przez oszklenie U_g Współczesne okna szklone są szybami zespolonymi. Na wartość współczynnika przenikania ciepła szyby zespolonej wpływ mają: liczba komór, grubość warstwy międzyszybowej, gaz wypełniający te warstwę, emisyjność powłoki niskoemisyjnej, liczba szyb pokrytych powłoką niskoemisyjną (tylko w przypadku szyb dwukomorowych). Obecnie powszechnie stosowana jest szyba jednokomorowa, z wypełnieniem argonem i powłoką niskoemisyjną, tzw. szyba energooszczędna 4/16/4 charakteryzująca się współczynnikiem przenikania ciepła przez centralną część oszklenia Ug = 1,1 W/(m²K).

2.5. Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ Liniowy mostek cieplny powstaje w miejscu połączenia elementów przegrody o różnej izolacyjności cieplnej lub o różnych wymiarach. Sytuacja taka występuje na połączeniu ramy z oszkleniem. Jednak największy wpływ na wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Y ma ramka dystansowa umieszczona między szybami, na krawędzi szyby zespolonej. Zatem wartość współczynnika Ψ zależy od: - rozwiązań materiałowych ramki dystansowej, - grubości pakietu szyby zespolonej i kształtownika ramy okna, - głębokości osadzenia szyby w kształtowniku ramy. Wg PN-EN ISO 10077-1:2006(U), w przypadku typowych ramek wykonanych z aluminium zastosowanych w szybach z powłoką niskoemisyjną wartości współczynnika Yg nie powinny przekraczać: 0,08 W/(mK) dla ram drewnianych lub tworzywowych, 0,11 W/(mK) dla ram aluminiowych z przekładkami termicznymi, a w przypadku ramek o polepszonej izolacyjności cieplnej, wykonanych ze stali nierdzewnej lub z polimerów konstrukcyjnych: 0,06 W/(mK) dla ram drewnianych lub tworzywowych, 0,08 W/(mK) dla ram aluminiowych z przekładkami termicznymi. Stosując metodę obliczania współczynnika Ψ wg PN-EN ISO 10077-2:2005 w przypadku obydwu rodzajów ramek otrzymuje się nieco niższe wartości współczynnika Y. Mała wartość współczynnika Ψ w porównaniu z wartościami U_f i U_g jest powodem niedoceniania jego wpływu na izolacyjność cieplną okna. Jednak w ocenie izolacyjności cieplnej okna nie można go pomijać, ponieważ w typowym oknie stosowanym w budynkach mieszkalnych zwiększa on straty ciepła przez okno o około 15%.

Przegrody przezroczyste cz. II