Ocena energetyczna stolarki budowlanej

System oceny stolarki budowlanej został wprowadzony przez wiele państw nie tylko w UE i jest stale rozwijany. Pierwsza klasyfikacja energetyczna okien została wprowadzona w Kanadzie na początku lat 90. XX w. oraz w Australii i Nowej Zelandii.

Pierwszym krajem, który wdrożył klasyfikację energetyczną szyb izolacyjnych, była Dania. W chwili obecnej Dania stosuje również klasyfikację energetyczną okien. Kolejnymi krajami europejskimi, które wprowadziły klasyfikację energetyczną okien, były: Wielka Brytania, Finlandia, Czechy, Słowacja i Francja.

W krajach Unii Europejskiej klasyfikacja okien zależy od warunków klimatycznych. Zasady etykietowania opracowywane są indywidualnie przez kraje członkowskie Unii, jednak konieczność ich wdrażania wynika z prawa UE.

Wymagania ujete w dyrektywach 2009/125/WE oraz 2010/30/UE

Dyrektywa 2009/125/WE [1] dotyczy produktów związanych ze zużyciem energii. Do tej grupy zaliczają się również takie wyroby, jak materiały izolacyjne oraz stolarka budowlana.

Wprowadzenie tej dyrektywy w życie powinno dać impuls do opracowywania metodologii oceny stolarki budowlanej, klasyfikacji oraz etykietowania efektywności energetycznej.

Zgodnie z zaleceniami dyrektywy 2009/125/WE [1] producenci lub zrzeszenia producentów powinny opracować jednolitą metodologię oceny efektywności energetycznej wyrobu.

Zgodnie z dyrektywą, jeśli nie dojdzie do przyjęcia wspólnej metodologii, przewiduje się opracowanie metodologii oceny efektywności narzuconej przez rząd, jednak tylko wtedy, gdy przemysł nie podejmie żadnej inicjatywy do samoregulacji. Dlatego w interesie producentów stolarki powinno być opracowanie i przyjęcie wspólnej metodologii oceny efektywności stolarki.

Zgodnie z dyrektywą 2010/30/UE [2] niezbędne jest udostępnianie rzetelnych, stosownych i porównywalnych informacji dotyczących zużycia energii przez produkty związane z energią.

Określenie „produkt związany z energią” oznacza każdy towar mający wpływ na zużycie energii podczas jego używania wprowadzany do obrotu lub użytkowania i zawierający części, które mają zostać włączone do produktów związanych z energią objętych tą dyrektywą. Są one wprowadzane do obrotu lub użytkowania jako osobne części dla użytkowników końcowych i ich ekologiczność może być oceniana osobno.

Etykietowanie powinno wpływać na wybór przez użytkowników końcowych tych produktów, które zużywają mniej energii oraz mniej innych podstawowych zasobów naturalnych.

Zakres etykietowania może też w sposób pośredni mieć wpływ na zużycie energii lub innych zasobów naturalnych. Ma to także zachęcić samych producentów do podejmowania kroków w zakresie ograniczania zużycia energii oraz innych podstawowych zasobów naturalnych przez produkowane przez nich produkty.

Wprowadzenie etykietowania powinno również wpłynąć pośrednio na efektywne energetycznie korzystanie z tych produktów, przyczyniając się do osiągnięcia unijnego celu w zakresie poprawy efektywności energetycznej na poziomie 20%.

Zdaniem autorów dyrektywy 2010/30/UE [2] samo działanie sił rynkowych nie zdoła zachęcić do racjonalnego zużycia energii i innych zasobów przez te produkty, przy których nie ma informacji zawartych o ich efektywności energetycznej, np. na etykietach związanych ze zużyciem energii i innych zasobów naturalnych.

Pierwszeństwo powinno zostać przyznane alternatywnym sposobom działania, np. samoregulacjom ustalanym przez daną branżę, jeśli prawdopodobne jest, iż takie działanie spowoduje szybsze lub mniej kosztowne osiągnięcie celów polityki niż wprowadzenie wymogów obowiązkowych. Środki legislacyjne mogą okazać się konieczne, jeżeli siły rynkowe nie będą ewoluować w odpowiednim kierunku lub z zadowalającą szybkością.

Produkty związane z energią spełniające wymogi dotyczące ekoprojektu, ustanowione w części wykonawczej do tej dyrektywy, powinny mieć również oznakowanie „CE” zgodnie z normą PN-EN 14351-1 +  A1:2010 [3] oraz związane z nim informacje o zużyciu energii.

Ocena stolarki

Przegrody przezroczyste pełnią wiele ważnych funkcji i stanowią bardzo ważny element budynku. Zwykle stolarka stanowi ok. 20% powierzchni ściany, koszt elementu wbudowanego jest 2,5 razy wyższy od kosztu ściany, a parametry izolacyjne są ok. 5-krotnie niższe (U_ściany = 0,3 W/(m²·K), U_okna =1,8 W/(m²·K)). 

Wybór właściwego rozwiązania jest więc niezwykle istotny i dotyczy zarówno projektanta, jak i inwestora, zwłaszcza inwestora indywidualnego.

W związku z tym powinny być opracowane dwie spójne ze sobą metody oceny:

• produktowa, która pozwoli wybrać przy zakupie właściwy pod względem energetycznym wyrób,
• projektowa, pozwalająca na etapie projektowania wybrać optymalną energetycznie stolarkę do każdego typu pomieszczenia.

Stolarka jako niezależny produkt – ocena podstawowa 

Wykonanie podstawowej oceny stolarki powinno się zakończyć umieszczeniem kompletnej pod względem prawnym etykiety, na ­której zamieszczona będzie informacja o jakości energetycznej produktu. Przyjmując taką formę oceny, należy liczyć się z tym, że będzie ona zawierać informacje uśrednione o bilansie energii danego produktu w odniesieniu do wartości referencyjnych. 

Na potrzeby oceny podstawowej, gdy nie są znane szczegółowe informacje na temat geometrii stolarki, lokalizacji w budynku, samego budynku, systemu energetycznego, ocenie będzie podlegała jedynie informacja o energii użytkowej.

Ustalono, że na potrzeby oceny podstawowej należy określić takie same kryteria: 

• referencyjną geometrię stolarki – w polskich warunkach referencyjna geometria okna odpowiada wymiarom 1230×1480 mm² (okno jednoskrzydłowe),
• szczelność stolarki, określoną jako współczynnik infiltracji a,
• współczynnik przenikania ciepła stolarki U_w,
• współczynnik przepuszczalności energii słonecznej g_G,
• lokalizację budynku i związane z nią jednolite warunki klimatyczne – należy określić parametry klimatyczne średnie dla całej Polski,
• położenie względem stron świata – do bilansu przyjęto średnie nasłonecznienie (okno skierowane na wschód),
• sprawność wykorzystania zysków cieplnych – w przybliżeniu równa 1,
• długość 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.

Energia użytkowa EU_h,W 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.

W odniesieniu do budynku ogrzewanego bilans energii użytkowej EU_h,W obejmuje straty ciepła przez przenikanie, straty ciepła przez infiltrację, słoneczne zyski energii. Oblicza się go ze wzoru:

gdzie:
EU_h – bilans energii użytkowej okna na ogrzewanie (straty ciepła przez przenikanie) [kWh/(m²·rok)],
EU_s,h – energia użytkowa strat ciepła przez przegrodę przezroczystą [kWh/(m²·rok)],
EU_inf,h – energia użytkowa strat ciepła przez infiltrację [kWh/(m²·rok)],
EUz,h – energia z zysków ciepła przez przegrody przezroczyste [kWh/(m²·rok)],
η_z,h – sprawność wykorzystania zysków ciepła w okresie grzewczym; w analizach budynku referencyjnego określono średnią sprawność wykorzystania zysków wynoszącą 0,99, w przybliżeniu do obliczeń przyjęto 1,0,

gdzie:
A_W – pole powierzchni okna [m²],
C – udział pola powierzchni płaszczyzny szklonej w całkowitym polu powierzchni okna; zależy on od wielkości i konstrukcji okna,
I – wartość energii promieniowania słonecznego w rozpatrywanym miesiącu na płaszczyznę pionową, w której usytuowane jest okno o powierzchni A_W; przyjęto średnie promieniowanie słoneczne na terytorium Polski w odniesieniu do kierunku wschodniego E,
g – współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego przez oszklenie,
k_α – współczynnik korekcyjny wartości I ze względu na nachylenie płaszczyzny połaci dachowej do poziomu; przyjęto jak dla ściany pionowej k_α = 1,0,
Z – współczynnik zacienienia budynku ze względu na jego usytuowanie oraz przesłony na elewacji budynku, do analiz przyjęto Z = 1,0, okno bez przesłony.

Bilans energii użytkowej w budynku ogrzewanym i chłodzonym EU_c+h obejmuje: straty ciepła przez przenikanie w okresie grzewczym, straty ciepła przez infiltrację w okresie grzewczym, słoneczne zyski energii w okresie grzewczym, straty ciepła przez przenikanie w okresie chłodniczym, straty ciepła przez infiltrację w okresie chłodniczym, słoneczne zyski energii w okresie chłodniczym i oblicza się ze wzoru:

gdzie:
EU_c+h – energia użytkowa na ogrzewanie i chłodzenie [kWh/(m²·rok)],
EU_s,c – energia użytkowa strat ciepła przez przenikanie w okresie chłodniczym [kWh/(m²·rok)],
EU_inf,c – energia użytkowa strat ciepła przez infiltrację w okresie chłodniczym [kWh/(m²·rok)],
EU_z,c – energia słonecznych zysków ciepła w okresie chłodniczym [kWh/(m²·rok)],
η_z,h – sprawność wykorzystania zysków ciepła w okresie grzewczym,
η_z,c – sprawność wykorzystania zysków ciepła w okresie chłodniczym.

Wartość obliczeniowa energii użytkowej EU_h,W będzie określać ilość energii wynikającą z użytkowania okna w teoretycznym pomieszczeniu o powierzchni odpowiadającej aktualnym wymaganiom prawnym i w średnich dla Polski warunkach klimatycznych. Będzie ona wykazywać w bilansie energetycznym, czy okna są przyczyną strat ciepła, czy zysków.

Wartość ujemna będzie oznaczać, że w czasie eksploatacji bilans ciepła przez stolarkę okienną będzie niekorzystny. Jeżeli bilans będzie dodatni, oceniana stolarka okienna będzie generować w sezonie grzewczym zyski ciepła.

Ocena dotycząca budynków ogrzewanych i chłodzonych może dawać inne wyniki i wymaga opracowania oddzielnej metodologii.

Analiza energetyczna przegród przezroczystych

Straty ciepła przez przenikanie obliczono na podstawie wzoru przyjętego na podstawie rozporządzenia w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu [4]:

gdzie:
Sd – liczba stopniodni, średnioważona dla obszaru Polski w okresie grzewczym i letnim [dzień·K/rok],
U_W – współczynnik przenikania ciepła stolarki okiennej [W/(m2·K)],
A_W – pole powierzchni okna [m2].
Liczbę stopniodni oblicza się z zależności:

gdzie:
t_wo – obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego, określona zgodnie z polską normą dotyczącą temperatur ogrzewanych pomieszczeń w budynkach [°C],
t_e(m) – średnia wieloletnia temperatura miesiąca m, a w wypadku stropów nad nieogrzewanymi piwnicami lub pod nieogrzewanymi poddaszami – temperatura wynikająca z obliczeń bilansu cieplnego budynku [°C],
L_d (m) – liczba dni ogrzewania w miesiącu m, przyjęta zgodnie z danymi klimatycznymi i charakterystyką budynku dla danej lokalizacji,
L_g – liczba miesięcy ogrzewania w sezonie grzewczym.

Straty ciepła przez infiltrację obliczono ze wzoru:

gdzie:
a – współczynnik przepływu powietrza przez szczeliny okien lub drzwi [m³/(m·h·daPa^2/3)],
1 – długość zewnętrznych szczelin przylgowych okien lub drzwi, przed termomodernizacją i po jej przeprowadzeniu [m],
t_wo – obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego, określona zgodnie z polską normą dotyczącą temperatur ogrzewanych pomieszczeń w budynkach; przyjęto two = 20°C w sezonie grzewczym oraz two = 24°C w okresie chłodniczym,
t_e (m) – średnia wieloletnia temperatura miesiąca m, przyjęta jako średnioważona temperatura miesiąca dla obszaru Polski w okresie grzewczym oraz chłodniczym [°C]. W odniesieniu do okresu chłodzenia przyjęto wartość na podstawie analiz wykonanych przez Dolnośląską Agencję Energii i Środowiska.

Obliczeń współczynnika przenikania ciepła można dokonać na podstawie normy PN-EN ISO 10077-1:2007 [5] według wzoru:

gdzie:
A_g, U_g – suma iloczynu powierzchni i współczynnika przenikania ciepła szyby,
A_f, U_f – suma iloczynu powierzchni i współczynnika przenikania ciepła ramy,
Ψ_m, l_m – suma iloczynu wartości mostka liniowego na ramce dystansowej oraz jego całkowitej długości,
Aw – powierzchnia okna,
Ψ – mostek liniowy na połączeniu stolarki z budynkiem,
L – długość połączenia okna z budynkiem (obwód okna).

Wartość Ψ mostka liniowego na połączeniu stolarki z budynkiem można przyjmować na podstawie katalogu mostków cieplny zgodnie z normą PN-EN ISO 14683:1008 [6] lub „Katalogiem mostków cieplnych” opracowanym przez ITB [7].

Dokonano analizy wpływu mostków cieplnych na wartość współczynnika przenikania ciepła okna. Oszacowano, że udział mostków cieplnych w bilansie energetycznym wynosi 5–10% wartości U_w okna, przy czym w odniesieniu do stolarki o niskiej wartości U_w wpływ mostka liniowego spowodowanego złym montażem stolarki wynosi ok. 5% wartości U_w. Przy ocenie stolarki uwzględniono wpływ mostka liniowego jako dodatek 5% do wartości U_w.

Określenie charakterystyki energetycznej okna

Wzór na obliczenie bilansu energii dla stolarki budowlanej przedstawia się następująco:

gdzie:
U_w – współczynnik przenikania ciepła okna obliczony ze wzoru:

A_g, U_g – powierzchnia i współczynnik przenikania ciepła szyby [m², W/(m²·K)]
A_f, U_f – powierzchnia i współczynnik przenikania ciepła ramy [m², W/(m²·K)],
l_g, Ψ_g – długość i współczynnik liniowy przewodzenia ciepła na połączeniu szyb ramką dystansową [m, W/(m·K)],
L – długość infiltracji [m],
A_w – powierzchnia okna [m²],
W_a – wpływ zacienienia od węgarków, zazwyczaj wynosi 0,95,
a – współczynnik infiltracji,
C – stosunek powierzchni szyby do powierzchni okna obliczony ze wzoru:

g_G – współczynnik przepuszczalności promieniowania słonecznego.

Do obliczeń przyjęto dane geometryczne stolarki referencyjnej przedstawione w tabeli 1.
Po wprowadzeniu stałych dotyczących charakterystyki geometrycznej stolarki o wymiarach 1,23×1,48 m² i szerokości ramy w rozwinięciu wynoszącej 11 cm, wzór do określenia charakterystyki energetycznej okna przedstawia się następująco: 

Na podstawie opracowanego wzoru określono wartość wskaźnika oceny energetycznej okna E_h,W. W odniesieniu do różnych wartości A_f, A_g, U_f, U_g, a, g_G wykonano obliczenia wartości E_h,W, a wyniki przedstawiono w tabeli 2.

W ocenie energetycznej okna powinno się przewidzieć również zamieszczenie wymaganych normą PN-EN 14351-1 + A1:2010 [3] niezbędnych informacji, które obejmują oprócz wartości współczynników U_w, a oraz g_G dodatkowe informacje: klasę odporności na obciążenie wiatrem, klasę odporności na ugięcie ramy, klasę odporności na obciążenie śniegiem, reakcję na ogień, wodoszczelność, odporność na uderzenie, nośność urządzeń zabezpieczających, właściwości akustyczne oraz przenikalność światła.

Stolarka jako element wbudowany – ocena szczegółowa

Ocena stolarki jako elementu budynku powinna uwzględniać znacznie szerszy zakres parametrów:

• geometrię stolarki odpowiadającą badanemu oknu, stolarce,
• szczelność stolarki określoną za pomocą współczynnika infiltracji a,
• współczynnik przenikania ciepła stolarki UW,
• współczynnik przepuszczalności energii słonecznej gG,
• współczynnik przenikania ciepła pozostałych elementów budynku i ich wpływ na długość sezonu grzewczego i chłodniczego,
• zaprojektowanie stolarki ze względu na liniowe mostki cieplne występujące na połączeniu stolarki i budynku,
• wybór systemu mocowania stolarki ze względu na szczelność i mostki liniowe,
• wpływ sprawności systemu grzewczego w budynku ogrzewanym,
• wpływ sprawności systemu grzewczego i chłodniczego w budynku ogrzewanym i chłodzonym,
• wpływ urządzeń pomocniczych na ogrzewanie i chłodzenie,
• lokalizację budynku,
• położenie względem stron świata,
• dodatkowe rozwiązania (np. rolety),
• elementy zacieniające (np. łamacze światła) i osłaniające (np. refleksole) wraz z automatyką sterującą.

Ocena szczegółowa powinna być wykonywana w odniesieniu do stolarki znajdującej się zgodnie z projektem w konkretnej lokalizacji budynku i pomagać projektantowi w zweryfikowaniu przyjętych rozwiązań projektowych, a także wskazaniu rozwiązań optymalnych ze względu na bilans energii i koszty.

Ocena energetyczna szczegółowa stolarki powinna być oparta na obliczeniach dotyczących energii końcowej.

Energia końcowa EK [kWh/(m²·rok)] to roczne zapotrzebowanie na energię końcową przez system grzewczy, wentylacyjny, chłodzenia, przygotowania c.w.u., urządzenia pomocnicze, a w wypadku budynków użyteczności publicznej z uwzględnieniem sprawności odpowiednich systemów dostarczających energię na ogrzewanie oraz chłodzenie wraz z energią końcową niezbędną do funkcjonowania systemu grzewczego oraz chłodniczego. W odniesieniu do budynków tylko ogrzewanych energię końcową wyznacza się ze wzoru:

gdzie:
EK_h – energia końcowa na ogrzewanie [kWh/(m²·rok)], 

EK_s,h – energia końcowa ze strat ciepła przez przegrodę przezroczystą [kWh/(m²·rok)],
EK_inf,h – energia końcowa strat ciepła przez infiltrację [kWh/(m²·rok)],
EU_z,h – energia słonecznych zysków ciepła przez przegrody przezroczyste [kWh/(m²·rok)].

Energia pomocnicza EK_pom. to energia niezbędna do utrzymania w ruchu systemów technicznych ogrzewania i wentylacji, chłodzenia oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Jako energia pomocnicza wykorzystywana jest energia elektryczna, która w przyjętej metodzie oceny jest energią końcową, przeliczona na energię pierwotną. 

Energia pomocnicza jest przeznaczona:

• w systemie ogrzewania do napędu: pomp obiegowych, pomp lądujących bufor, palnika, pomp obiegów wtórnych, sterowników i napędów wykonawczych,
• w systemie wentylacji mechanicznej oraz chłodzenia do napędu: wentylatorów, urządzeń do odzysku ciepła, sterowników i napędów wykonawczych.

Ocena szczegółowa pozwala uwzględnić wszystkie elementy mające wpływ na jakość energetyczną stolarki budowlanej oraz przegród przeszklonych i pozwala określić jej udział w ogólnym bilansie energetycznym budynku. Metoda szczegółowa powinna być stosowana przez projektantów oraz audytorów na etapie projektowania i umożliwiać wybór optymalnych rozwiązań pod względem efektywności energetycznej.

Prozycja podziału na klasy

Rozwiązania proponowane na podstawie obecnych przepisów określających minimalne wymagania w zakresie izolacyjności termicznej charakteryzują się ujemnym bilansem energetycznym. Uznano więc za celowe wskazanie progu, przy którym bilans energetyczny jest równy zeru. Na podstawie zużycia ciepła w budynku ze stolarką o wartości Uw = 1,8 W/(m²·K) określono procentową różnicę w zużyciu energii w zależności od strefy klimatycznej w Polsce. Wyniosła ona w odniesieniu do strefy I–IV ok. 10% (tabela 3). Strefa V (obszary o najniższej wartości temperatury obliczeniowej) stanowi mały udział w powierzchni kraju, dlatego nie uwzględniono jej w porównaniach (prawdopodobnie 99% sprzedawanej stolarki będzie wykorzystywane w warunkach stref I–IV).

Za wartość referencyjną przyjęto klasę D, dla której bilans energii będzie zbliżony do zera. Ze względu na przyjęte do obliczeń średnie dane klimatyczne dotyczące Polski, przedział dla klasy D przyjęto dla wartości bilansu od –5 do 10 kWh/(m²·rok). Podział na klasy energetyczne stolarki przedstawiono w tabeli 4.

Propozycję etykiety energetycznej okna przedstawiono na rys. 1–2.

PODSUMOWANIE

Stolarka budowlana jest istotnym elementem budynku wpływającym na jego bilans energetyczny. Pożądane jest stworzenie spójnego systemu oceny energetycznej stolarki dla inwestorów i profesjonalistów, który pozwoliłby prawidłowo i jednolicie opisywać produkt. Wprowadzenie etykiet energetycznych na sprzedawane wyroby pozwoliłoby ponadto inwestorom dokonać oceny energetycznej kupowanego produktu oraz ukierunkowało wybór na rozwiązania energo­oszczędne.

LITERATURA

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (DzUrz L 285 z 31.10.2009 r., s. 10–35).
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/30/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie wskazania poprzez etykietowanie oraz standardowe informacje o produkcie, zużycia energii oraz innych zasobów przez produkty związane z energią (DzUrz L 153 z 18./06.2010, s. 1–12).
3. PN-EN 14351-1 + A1:2010, „Okna i drzwi. Norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne. Część 1: Okna i drzwi zewnętrzne bez właściwości dotyczących odporności ogniowej i/lub dymoszczelności”.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2009 r. w sprawie szczegółowego zakresu i form audytu energetycznego oraz części audytu remontowego, wzorów kart audytów, a także algorytmu oceny opłacalności przedsięwzięcia termomodernizacyjnego (DzU z 2009 r. nr 43, poz. 346).
5. PN-EN ISO 10077-1:2007, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Postanowienia ogólne”.
6. PN-EN ISO 14683:2008, „Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości orientacyjne”.
7. Instrukcja ITB nr 389/2003, „Katalog mostków cieplnych. Budownictwo tradycyjne”, Warszawa 2003. 

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!