Bilans cieplny stolarki okiennej

Przegrody przezroczyste w budynkach mogą być wykonane z dowolnego materiału oraz oszklone odpowiednio do wymagań budynku i wizji architekta. Wiąże się to z określonymi parametrami materiałowymi i konstrukcyjnymi.

Funkcje przegród przezroczystych

Przegrody przezroczyste dostarczają do wnętrza pomieszczeń światło dzienne i energię promieniowania słonecznego. Stanowią ochronę przed hałasem i atakiem zewnętrznym. Pełnią także funkcję dekoracyjną i estetyczną. Przede wszystkim jednak chronią pomieszczenia budynku przed zmiennymi warunkami klimatycznymi, takimi jak temperatura, wiatr, opady atmosferyczne czy zapylenie.

Wszystkie wymienione czynniki ochronne są istotne z punktu widzenia komfortu użytkownika. Najważniejszą jednak zaletą przegród przezroczystych w pomieszczeniach jest ich izolacyjność cieplna. Energooszczędność (wysoka izolacyjność cieplna) jest bowiem gwarantem większego komfortu cieplnego pomieszczeń i niższych kosztów ogrzewania.

Określanie efektywności cieplnej

Energooszczędność okien można ocenić na podstawie wartości współczynnika przenikania ciepła całego okna U_w. Parametrami obliczeniowymi są tu współczynniki przenikania ciepła elementów współpracujących ramy okiennej i szyby (U_f i U_g), liniowe współczynniki przenikania ciepła Ψ_g oraz wymiary geometryczne elementów konstrukcyjnych.

W odniesieniu do ram okiennych, w zależności od materiału, wartości U_f zmieniają się w przedziale 0,8–3,7 [W/(m²·K)]. Dla szyb zespolonych niskoemisyjnych wartości U_g wynoszą 0,5–2,7 [W/m²·K], a wartości liniowych współczynników przenikania ciepła Ψ_g – 0,04–0,2 [W/(m·K)] [1].

Okna są jednymi z nielicznych przegród budowlanych, które oprócz strat ciepła potrafią generować także zyski. Niejednokrotnie zyski te przewyższają straty. Z tego powodu najodpowiedniejszą i najbardziej miarodajną oceną efektywności cieplnej okien w budynkach jest bilans ciepła i oparte na nim metody.

Efektywność cieplną przegród przezroczystych określa się na podstawie ich parametrów konstrukcyjnych, parametrów klimatu zewnętrznego i mikroklimatu wewnętrznego. Każdą przegrodę przezroczystą można rozpatrywać w wielu aspektach w zależności od poszczególnych efektów jej pracy (strat lub zysków ciepła) albo sumarycznych efektów (bilansu ciepła lub równoważnego współczynnika przenikania ciepła).

Bilans ciepła okna (przegrody przezroczystej), straty ciepła oraz zyski ciepła w sezonie grzewczym oblicza się za pomocą wzorów:

gdzie:

(m) – numer kolejnego miesiąca w sezonie grzewczym,

Q_h – bilans ciepła okna w sezonie grzewczym,

Q_zo – straty ciepła przez okno w sezonie grzewczym,

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

A_w – pole powierzchni okna,

A_g – pole powierzchni szyby w oknie,

U_w – współczynnik przenikania ciepła okna:

U_g – współczynnik przenikania ciepła szyby,

U_f – współczynnik przenikania ciepła ramy,

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

A_f – pole powierzchni ramy okiennej,

T_i – temperatura powietrza w pomieszczeniu; T_i = 20°C,

T_e(m) – temperatura powietrza zewnętrznego w miesiącu (m),

Ld(m) – liczba dni grzewczych w miesiącu (m),

Lk(m) – liczba dni kalendarzowych w miesiącu (m),

I(m) – suma miesięczna całkowitego promieniowania słonecznego na jednostkę powierzchni w miesiącu (m) [Wh/m2],

g – współczynnik przepuszczania promieniowania słonecznego szyb,

C_g – współczynnik zaszklenia okna,

Z – współczynnik zacienienia elewacji.

Dodatni bilans ciepła okna oznacza przewagę strat ciepła nad zys­kami od słońca, a ujemny – przewagę zysków ciepła nad stratami.

Zakres badań 

Obliczenia bilansu ciepła pomieszczenia zostały wykonane w odniesieniu do sezonu grzewczego na podstawie przykładowych danych klimatycznych zawartych w normie PN-B-02025:2001 [2], a zebranych w stacji meteorologicznej nr 39 (Rzeszów) i stacji aktynometrycznej nr 14 (Święty Krzyż). Dane klimatyczne zostały przedstawione w tabeli 1. Obliczenia wykonano z uwzględnieniem czterech podstawowych orientacji stron świata (S, W, N, E).

Badaniem objęto 68 katalogowych okien i drzwi balkonowych o wymiarach standardowych. Składowe wymiarów geometrycznych (szerokości elementów współpracujących) wynosiły: ­ościeżnica + skrzydło – 115 mm, skrzydło + słupek + skrzydło – 190 mm, skrzydło + skrzydło (słupek ruchomy) – 150 mm, skrzydło + próg okna (drzwi balkonowych) – 145 mm, szczeblina w drzwiach balkonowych – 80 mm.

W obliczeniach przyjęto współczynnik przenikania ciepła ramy Uf = 1,6 [W/(m2·K)], który odpowiada ramom drewnianym i z tworzywa sztucznego. Zastosowano cztery rodzaje szyb zespolonych o parametrach przedstawionych w tabeli 2.

Współczynnik zacienienia elewacji (Z) przyjęto równy 0,9 (płaszczyzna szyby cofnięta jest w głąb budynku względem płaszczyzny ściany o co najmniej kilkanaście centymetrów).

Wyniki badań

Bilans ciepła Q_h typowych okien z oszkleniem o wartości U_g = 1,1 [W/(m²·K)] w odniesieniu do czterech orientacji oraz bilans ciepła ściany konwencjonalnej o tej samej powierzchni i współczynniku przenikania ciepła U = 0,3 [W/(m²·K)] przedstawiono w tabeli 3. W tabeli 4 zaprezentowano okna o najwyższej efektywności cieplnej spośród czterech stosowanych szyb.

Jeśli chodzi o orientację południową (S), najefektywniejsze okazały się okna z szybą o wartości U_g = 1,1 [W/(m²·K)], w pozostałych kierunkach okna z szybą o U_g = 0,7 [W/(m²·K)]. Na ciemnym tle widać jednostkowy bilans ciepła (odniesiony do 1 m² okna) mniejszy od bilansu ciepła przegrody konwencjonalnej o tej samej powierzchni i o współczynniku przenikania ciepła U_k = 0,3 [W/(m²·K)]. Jednostkowy bilans ciepła ściany wyniósł 28 kWh.

Podsumowanie

Efektywność cieplna okien zależy od parametrów zastosowanej szyby i ramy, sumy promieniowania słonecznego padającego na okno (orientacji geograficznej) oraz współczynnika zaszklenia (najważniejszego wskaźnika efektywności cieplnej okien).

Analizie poddano 68 typów okien i drzwi balkonowych zorientowanych względem czterech stron świata. Zastosowano w nich cztery rodzaje szyb o wartościach współczynnika przenikania ciepła U_g = 0,7; 1,0; 1,1 i 1,5 [W/(m²·K)]. Bilans ciepła okien został porównany z bilansem ciepła ściany konwencjonalnej o tej samej powierzchni i współczynniku przenikania ciepła U = 0,3 [W/(m²·K)].

Na podstawie uzyskanych wyników obliczeń bilansu ciepła przegród przezroczystych można stwierdzić, że:

• ujemny bilans ciepła (najbardziej oczekiwany) występuje w wielu oknach o orientacji południowej;
• warunkiem ujemnego bilansu ciepła okna jest odpowiednia izolacyjność okna (U_w), orientacja geograficzna i minimalna wartość współczynnika zaszklenia na poziomie C_g = 0,60;
• ze względu na kierunki świata najwyższą efektywność mają okna południowe o współczynniku przenikania ciepła szyby U_g= 1,1 [W/(m²·K)];
• na kierunkach od zachodniego przez północny do wschodniego najwyższą efektywność mają okna o współczynniku przenikania ciepła szyby U_g= 0,7 [W/(m²·K)];
• wiele okien ma niższy bilans ciepła od ściany konwencjonalnej; warunkiem jest wysoka izolacyjność okna, orientacja od wschodu przez południe do zachodu i odpowiednio wysoka wartość współczynnika zaszklenia C_g (min. 0,52 w orientacji południowej i aż 0,68 w orientacji wschodniej i zachodniej);
• okna południowe mogą mieć wyższy (gorszy) bilans ciepła niż ściana konwencjonalna, jeżeli współczynnik zaszklenia C_g £ 0,53.

Literatura

1. A. Starakiewicz, L. Lichołai, „Wpływ parametrów konstrukcyjnych przegród przezroczystych na ich izolacyjność cieplną”, X Polska Konferencja Naukowo­‑Techniczna „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, Łódź 2005.
2. PN-B-02025:2001, „Obliczanie sezonowego zapotrzebowana na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego”.
3. PN-EN ISO 10077-1:2002, „Właściwości cieplne okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Metoda uproszczona”.
4. Strony internetowe: www.rehau.com.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!