Wybrane aspekty doboru okien w budynkach

Ponieważ przeszklenie okien jest w dużym stopniu przezroczyste dla promieniowania słonecznego, to okno może stanowić źródło ciepła. Rozważając zatem dobór okien w budynku, należy zwracać uwagę nie tylko na izolacyjność termiczną ich przeszklenia i profili elementów składowych ram okiennych, lecz także na zdolność do przepuszczania promieniowania słonecznego.

Niejednokrotnie generowane przez przegrodę przezroczystą zyski ciepła przewyższają straty ciepła. Chwilowe (tzn. sekundowe, godzinowe czy dzienne) przewagi zysków nad stratami nie są czymś nadzwyczajnym, a przez użytkowników budynków traktowane są nawet jako coś naturalnego. Uzyskanie przewagi zysków nad stratami w długich przedziałach czasowych (doba, tydzień, miesiąc, sezon grzewczy) wymaga jednak określonej wiedzy oraz umiejętności projektowych.

Miarą izolacyjności termicznej okna jest jego współczynnik przenikania ciepła U_w. Wyraża on ilość energii cieplnej, która w jednostkowym czasie, w warunkach ustalonego przepływu, przenika przez 1 m2 powierzchni okna, przy różnicy temperatur 1 K. Przenikanie jest efektem występowania składowych okna, które mogą je ograniczyć. Dotyczy to zwłaszcza konwekcji i radiacji. Tę pierwszą ogranicza się, wprowadzając do przestrzeni międzyszybowej gaz  szlachetny, np. argon, ksenon czy krypton. Skutkuje to obniżeniem współczynnika U_g dla szyby zespolonej jednokomorowej od 0,2 do prawie 0,5 W/(m2·K).

Radiację zmniejsza się przez stosowanie napylanych na szkło powłok niskoemisyjnych (powłok odbijających promieniowanie cieplne) od strony napływu ciepła. Zastosowanie tych zabiegów pozwala zredukować współczynnik przenikania ciepła przeszklenia U_g, składającego się z dwóch szyb, z 3,0 do blisko 1,0 W/(m2·K).

Na izolacyjność termiczną okna jako komponentu ma także wpływ izolacyjność jego ramy Uf. Ramy okienne wykonywane są najczęściej z profili drewnianych, aluminiowych i PVC. Na polskim rynku budowlanym dostępne są:

• profile drewniane: jednorodne, jednorodne (obracane) na połączenie palczaste i warstwowo klejone (trzy- lub czterowarstwowe);
• profile z tworzyw sztucznych: z włókna poliestrowo-szklanego (małogabarytowe) stosowane do produkcji stolarki okiennej o skrzydłach przesuwnych; z PVC: dwukomorowe, trzykomorowe, pięciokomorowe, sześciokomorowe, siedmiokomorowe (razem ponad 70 profili) stosowane do produkcji stolarki okiennej, witryn sklepowych, szklanych przybudówek (ogrodów zimowych);
• profile z aluminium: z mostkiem termicznym (tzw. zimne), z przekładką termiczną mocowaną śrubami, z przekładką termiczną ze sztywnego tworzywa (razem ponad 30 profili) – stosowane do produkcji [1] stolarki okiennej, witryn sklepowych, szklanych przybudówek (ogrodów zimowych) oraz ścian kurtynowych (fasad szklanych);
• profile mieszane (tzw. kompaktowe), drewno + tworzywo sztuczne + aluminium lub drewno + aluminium: stosowane do produkcji stolarki okiennej.

O izolacyjności najpopularniejszych profili PVC decyduje przede wszystkim ich geometria, liczba i ewentualne wypełnienie komór materiałem termoizolacyjnym. Obecny standard – profil pięciokomorowy – ma już swoich następców – profile sześcio- i siedmiokomorowe. Wartość współczynnika przenikania ciepła (U_w) przegrody przezroczystej (okna) kształtuje się zwykle między wartościami współczynników przenikania ciepła ramy i oszklenia, ale zawsze bliżej wartości większej. Wpływ zmiany współczynnika przenikania ciepła szyb U_g oraz ram U_f na współczynnik przenikania ciepła dla okna U_w przedstawiono w tabeli 1.

Obliczenie współczynnika U_w wykonano według normy PN-EN ISO 10077-1:2002 [1]:

gdzie:

U_g – współczynnik przenikania ciepła szyby,

U_f – współczynnik przenikania ciepła ramy,

A_f – pole powierzchni ramy okiennej,

A_w – pole powierzchni okna,

A_g – pole powierzchni szyby w oknie,

l_g – całkowity widoczny obwód oszklenia,

Ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła wynikający z połączonych efektów cieplnych szyby, rozpórki i ramy.

Przykładowe współczynniki Ψ_g dla dostępnych na rynku okien w zależności od przyjętej ramy zestawiono w tabeli 2. Na bilans ciepła przegrody przezroczystej Q_h składają się straty i zyski ciepła, które w sezonie grzewczym oblicza się z przedstawionych wzorów według normy PN-B -02025:2001 [2]:

gdzie:

Q_zo – straty ciepła przez okno w sezonie grzewczym:

Q_s – zyski ciepła od słońca przez okno w sezonie grzewczym:

(m) – numer kolejnego miesiąca w sezonie grzewczym,

U_w – współczynnik przenikania ciepła okna,

T_i – temperatura powietrza w pomieszczeniu;

T_i = 20°C,

T_e(m) – temperatura powietrza zewnętrznego w m-tym miesiącu [°C],

L_d(m) – liczba dni grzewczych w m-tym miesiącu [doby],

L_k(m) – liczba dni kalendarzowych w m-tym miesiącu [doby],

S(m) – suma miesięczna całkowitego promieniowania słonecznego na jednostkę powierzchni w m-tym miesiącu [Wh/m2], TR – współczynnik przepuszczania promieniowania słonecznego szyb,

z_g – współczynnik zaszklenia okna,

Z – współczynnik zacienienia elewacji.

O ile o wielkości strat ciepła przez okno decyduje przede wszystkim jego współczynnik przenikania ciepła, o tyle do określenia zysków cieplnych od promieniowania słonecznego wymagana jest znajomość kilku parametrów: współczynnika przepuszczania promieniowania słonecznego szyb TR, współczynnika zaszklenia okna z_g oraz współczynnika zacienienia elewacji Z.

Współczynnik TR określa, jaka część miesięcznej sumy całkowitego promieniowania słonecznego przenika przez powierzchnię okna do wnętrza pomieszczenia. Dla szyby zespolonej jednokomorowej przyjmuje się przeważnie wartości TR od 0,77 przy U_g = 2,6 W/(m2·K) do 0,62 dla U_g = 1,1 W/(m2·K). 

W przypadku braku szczegółowych danych dotyczących TR wartości obliczeniowe można znaleźć w normie PN-B-02025:2001 [2]. Podano w niej również zasady ustalania wartości współczynnika zacienienia elewacji Z. Niestety, nie uwzględniono możliwości zacienienia okna wskutek jego głębokiego osadzenia w ościeżach, które może doprowadzić do przeszacowania zysków od promieniowania słonecznego. Przeprowadzone symulacje dla okna 150×150 cm (szerokość ramy i słupka przyjęto równe 12 cm, z_g = 0,6405) potwierdziły możliwość zacienienia okna w następujących miesiącach: wrześniu, październiku, marcu i kwietniu (tabela 3).

Średnie wartości współczynnika zacienienia Z w godz. 10–14 (na ten przedział czasowy przypada ok. 90% promieniowania słonecznego) dla elewacji południowej i środkowego dnia miesiąca przedstawiono w tabeli 3. Zacienienie od ościeży może ograniczyć powierzchnię „grzejną” okna nawet do 26% (kwiecień – głębokość 0,3 m). Pogrubioną czcionką zaznaczono wartości zacienienia, gdy pozostawało ono w obrębie ramy okiennej.

Literatura

1. PN-EN ISO 10077-1:2002 „Właściwości cieplne okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Metoda uproszczona”.
2. PN-B-02025:2001 „Obliczanie sezonowego zapotrzebowana na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!