Projektowanie przegród przeźroczystych w aspekcie bilansu energetycznego budynku

Artykuł jest piątą częścią cyklu „Fizyka cieplna budowli w projektowaniu, wznoszeniu i eksploatacji budynków”. Autor przedstawia analizy w zakresie projektowania przegród przeźroczystych w aspekcie bilansu energetycznego budynku.

Designing transparent partitions in terms of the energy balance of the building

The article is the fifth part of the series „Thermal physics of buildings in the design, erection and operation of buildings”. The author presents analyses in the field of designing transparent partitions in terms of the building’s energy balance.

***

Skrzydła okienne mogą być wielopodziałowe ze słupkami, ślemionami i szczeblinami. Do ich wykonania stosowane są materiały o różnych charakterystykach cieplnych: drewno, tworzywa sztuczne, metale. Oszklenie może być dwu- lub wieloszybowe z wypełnieniem różnymi gazami. Między oszkleniem i skrzydłem okiennym umieszcza się ramki dystansowe, ostatnio o ulepszonych właściwościach.

Zobacz zasady: Nowoczesnego montażu okien

Przegrody przeźroczyste a wymagania prawne

Zasadniczą zmianą rozporządzenia WT [1] w zakresie ochrony cieplnej budynków jest zmiana wartości maksymalnych współczynników przenikania ciepła U_(max). Zaostrzeniu uległy wymagania cząstkowe w zakresie izolacyjności cieplnej ścian zewnętrznych, dachów, podłóg oraz okien i drzwi. Ponadto nie ma już znaczenia typ przegrody (wielo- czy jednowarstwowa) oraz przeznaczenie obiektu (mieszkalny, użyteczności publicznej, magazynowy, gospodarczy itp.). W TABELI 1 przedstawiono wartości maksymalne współczynników przenikania ciepła okien, drzwi balkonowych i drzwi zewnętrznych, zgodnie z załącznikiem 2 do rozporządzenia WT [1].

W rozporządzeniu WT [1] określono także dodatkowe wymagania dotyczące okien, m.in. wg załącznika 2:

• 2.1.1. We wszystkich rodzajach budynków współczynnik przepuszczalności energii całkowitej promieniowania słonecznego okien oraz przegród szklanych i przeźroczystych g liczony według wzoru:

gdzie:

g_n – współczynnik całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia,
ƒ_c – współczynnik redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne,

w okresie letnim nie może być większy niż 0,35.

• 2.1.2. Wartości współczynnika całkowitej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego dla typu oszklenia g_n należy przyjmować na podstawie deklaracji właściwości użytkowej okna. W przypadku braku danych wartość g_n określa się na podstawie TABELI 2.

• 2.1.3. Wartości współczynnika redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne f_c określa się wg TABELI 3.

• 2.1.4. Pkt 2.1.1. nie stosuje się w odniesieniu do powierzchni pionowych oraz powierzchni nachylonych więcej niż 60° do poziomu, skierowanych w kierunkach od północno-zachodniego do północno-wschodniego (kierunek północny ± 45°), okien chronionych przed promieniowaniem słonecznym elementem zacieniającym, spełniającym wymagania, o którym mowa w pkt 2.1.4., oraz do okien o powierzchni mniejszej niż 0,5 m².

Aktualne wymagania dotyczące przegród przeźroczystych, wynikające z rozporządzenia WT [1], mają na celu ochronę cieplną (współczynnik przenikania ciepła U_w) oraz ochronę przed przegrzewaniem budynku dzięki zastosowaniu urządzeń (osłon) przeciwsłonecznych. Do najpopularniejszych rozwiązań w tym zakresie można zaliczyć: okiennice drewniane, firany i zasłony, żaluzje i rolety, markizy, skriny, refleksole, folie naklejane na szyby, łamacze światła.

Przegrody przeźroczyste w aspekcie zysków od promieniowania słonecznego

Wg rozporządzenia [2] miesięczne zyski ciepła od promieniowania słonecznego przez okna, drzwi balkonowe lub powierzchnie oszklone Q_sol,H wyznacza się według wzoru:

gdzie:

C_i – udział pola powierzchni oszklenia do całkowitego pola powierzchni okna (wartość średnia jest równa 0,7),
A_i – pole powierzchni okna, drzwi balkonowych lub powierzchni oszklonej w świetle otworu w przegrodzie [m²],
I_i – energia promieniowania słonecznego padająca w danym miesiącu na płaszczyznę, w której jest usytuowane okno, drzwi balkonowe lub powierzchnia oszklona wg danych klimatycznych z najbliższej stacji meteorologicznej względem lokalizacji budynku podawanych w Biuletynie Informacji Publicznej urzędu obsługującego ministra właściwego do spraw budownictwa, lokalnego planowania i zagospodarowania przestrzennego oraz mieszkalnictwa [kWh/(m²·m-c],
F_sh,gl – czynnik redukcyjny ze względu na zacienienie dla ruchomych urządzeń zacieniających wyznaczony wg PN dotyczącej obliczania zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia [-],
F_sh – czynnik redukcyjny ze względu na zacienienie od przegród zewnętrznych wyznaczony wg normy dotyczącej obliczania zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia [-],
g_gl – całkowita przepuszczalność energii promieniowania słonecznego dla przeźroczystej części okna, drzwi balkonowych lub powierzchni oszklonej wyznaczony wg normy dotyczącej obliczania zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia [-].

Wartość miesięcznych zysków ciepła od promieniowania słonecznego przez okna, drzwi balkonowe lub powierzchnie oszklone Q_sol,H zależy od lokalizacji budynku, orientacji przegród przeźroczystych względem stron świata, rodzaju i powierzchni oszklenia oraz występujących elementów zacieniających. Wyznaczone wartości Q_sol,H uwzględnia się w procedurze obliczeniowej podstawowych parametrów charakterystyki energetycznej budynków wg rozporządzenia [2].

Przykładowe obliczenia współczynnika przenikania ciepła przegród przeźroczystych

Wielka różnorodność okien i drzwi zewnętrznych przynosi niedogodności obliczeniowe, utrudniające porównanie parametrów cieplnych tych elementów, niezbędne w projektowaniu. Normy przedmiotowe (m.in. PN-EN ISO 10077-1 [3] i PN-EN ISO 10077-2 [4]) wprowadziły parametr U_w, czyli współczynnik przenikania ciepła okna, pozwalający ustalić z pewnym przybliżeniem współczynnik strat ciepła do atmosfery H_D przez okno, drzwi i żaluzje:

gdzie:

U_w – współczynnik przenikania ciepła przez okno lub drzwi [W/(m²·K)],
A_w – powierzchnia okna, drzwi w zewnętrznym świetle ościeżnicy [m²].

Współczynnik U_w jest parametrem ustalanym indywidualnie dla każdego okna i zależy bezpośrednio od udziału powierzchni oszklenia w całym polu powierzchni okna, którego wartość można ustalić:

• na podstawie badań kompletnych, indywidualnych okien i drzwi,
• przy pomocy obliczeń tabelarycznych lub numerycznych, scharakteryzowanych wg norm przedmiotowych.

Producenci okien i drzwi zewnętrznych powinni podawać wartości U_w każdego wytworzonego elementu, uzyskane w wyniku badań lub obliczeń. Określenie współczynników przenikania ciepła okien i drzwi zewnętrznych należy do obowiązków ich producentów, niemniej poznanie procedury obliczeń współczynników U_w może być przydatne do prowadzenia wariantowania w wyborze odpowiednich rozwiązań materiałowych.

Znajomość trzech składników współczynnika U_w pozwala na obliczenie jego wartości dla okna pojedynczego z oszkleniem podwójnym lub potrójnym (w podanych normach zawarto również metody obliczeń dla innych typów okien i drzwi), z równania:

gdzie:

U_w – współczynnik przenikania ciepła konkretnego okna [W/(m²∙K)],
U_g – współczynnik przenikania ciepła oszklenia [W/(m²∙K)],
U_ƒ – współczynnik przenikania ciepła ramy (ościeżnicy i skrzydeł) [W/(m²∙K)],
Ψ_g – liniowy współczynnik przenikania ciepła połączenia rama–oszklenie z umieszczoną w tym miejscu ramką dystansową [W/(m∙K)],
A_g – pole powierzchni oszklenia [m²],
A_ƒ – pole powierzchni ramy zrzutowane na płaszczyznę okna [m²],
l_g – długość działania mostków cieplnych między ramą i oszkleniem [m].

Wartość współczynnika U_g zależy od: typu oszklenia (podwójne, potrójne), rodzaju szkła i jego emisyjności, wymiarów zestawu szybowego, gazu wypełniającego przestrzeń między szybami (powietrze, argon, krypton, ksenon). Natomiast wartość współczynnika U_ƒ zależy od rozwiązania materiałowego ram i ościeżnic okiennych (najczęściej drewno, aluminium i tworzywo sztuczne). Istotnym elementem przy określaniu strat ciepła przez przegrodę przeźroczystą jest sposób połączenia zestawu szybowego z ramą okienną (Ψ_g).

Przykład obliczeniowy 1

Obliczenie współczynnika przenikania ciepła okna jednoskrzydłowego U_w.

Przypadek I

Określono współczynnik przenikania ciepła U_w okna jednoskrzydłowego o wymiarach 150×90 cm z ramą drewnianą i szybą zespoloną jednokomorową o wymiarach 4–20–4 mm oraz przestrzenią międzyszybową wypełnioną argonem (RYS. 1–2).

Parametry obliczeniowe okna:

b_ƒ = 120 mm,
d₁ = 83 mm,
d_g = 28 mm,
d₂ = 65 mm,
d_ƒ = (83 + 65)/2 = 74 mm,
A_g = 1,26 m · 0,66 m = 0,83 m²,
A_ƒ = 1,50 m · 0,90 m – 0,83 = 0,51 m²,
l_g = 1,26 m · 2 + 0,66 m · 2 = 3,84 m

Dobór parametrów na podstawie PN-EN ISO 10077-1:2007 [3]:

U_g = 1,2 W/(m²·K),
U_ƒ = 1,65 W/(m²·K),
Ψ_g = 0,05 W/(m·K).

Wartość współczynnika przenikania ciepła okna U_w = 1,52 W/(m²∙K).

Analizowane okno nie spełnia podstawowego kryterium cieplnego wg rozporządzenia WT [1] obowiązującego od 31.12.2020 r.:

Przypadek II

Określono współczynnik przenikania ciepła U_w okna jednoskrzydłowego o wymiarach 150×180 cm z ramą drewnianą i szybą zespoloną jednokomorową o wymiarach 4–8–4–8–4 mm oraz przestrzenią międzyszybową wypełnioną argonem (RYS. 3–4).

Parametry obliczeniowe okna:

b_ƒ = 120 mm,
d_g = 28 mm,
d₂ = 65 mm,
d_ƒ = 90 mm,
A_g = 1,26 m · 1,56 m = 1,97 m²,
A_ƒ = 1,50 m · 1,80 m – 1,97 = 0,73 m²,
l_g = 1,26 m · 2 + 1,56 m · 2 = 5,64 m

Dobór parametrów na podstawie PN-EN ISO 10077-1:2007 [3]:

U_g = 0,5 W/(m²·K),
U_ƒ = 1,58 W/(m²·K),
Ψ_g = 0,05 W/(m·K).

Wartość współczynnika przenikania ciepła okna U_w = 0,89 W/(m²∙K).

Analizowane okno spełnia podstawowe kryterium cieplne wg rozporządzenia WT [1] obowiązującego od 31.12.2020 r.:

Wartość współczynnika przenikania ciepła okna U_w [W/(m²∙K)] zależy od wielu czynników: rodzaju zestawu szybowego, rozwiązania materiałowego ram okiennych, połączenia zestawu szybowego z ramą okienną, wielkości i podziału stolarki okiennej. Szczegółowe obliczenia i analizy w tym zakresie zaprezentowano także w pracy [6]. Istotnym elementem projektowym i wykonawczym jest kształtowanie połączenia ściany zewnętrznej z oknem w aspekcie wymagań cieplno-wilgotnościowym, opisane szczegółowo m.in. w pracach [7, 8].

Procedura sprawdzenia warunku przed przegrzewaniem w okresie letnim

Istotnym elementem projektowania przegród przeźroczystych jest zapewnienie odpowiedniego komfortu cieplnego w pomieszczeniach, czyli sprawdzenie warunku przed przegrzewaniem w okresie letnim opisanym w rozporządzeniu WT [1] oraz na wstępie artykułu.

Przykład obliczeniowy 2

Sprawdzenie warunku przed przegrzewaniem w okresie letnim dla wybranych okien wraz z elementami zacienienia. Wartości współczynników g_n oraz ƒ_c przyjęto na podstawie TABEL 2 i 3. Wyniki obliczeń zestawiono w TABELI 4.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń (TABELA 4) można stwierdzić, że w analizowanych przypadkach warunek w zakresie ochrony przed przegrzewaniem w okresie letnim został spełniony.

Podsumowanie

Przegrody przeźroczyste w aspekcie bilansu energetycznego budynku generują straty ciepła przez przenikanie oraz stanowią zyski ciepła w wyniku promieniowania słonecznego. Dodatkowo pełnią funkcję doświetlenia pomieszczeń przeznaczonych na stały pobyt ludzi, a w okresie letnim wymagających zabezpieczenia przed przegrzewaniem.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2017 r., poz. 2285 z późn. zm.; DzU z 2022 r., poz. 248).
2. Rozporządzenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 6 września 2019 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU z 2019 r., poz. 1829).
3. PN-EN ISO 10077-1:2007, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczenie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Postanowienia ogólne”.
4. PN-EN ISO 10077-2:2005, „Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczenie współczynnika przenikania ciepła. Część 2: Metoda komputerowa dla ram”.
5. M. Piwowarski, „Analiza porównawcza parametrów fizykalnych złączy przegród przeźroczystych w świetle nowych wymagań cieplnych”, praca magisterska napisana pod kierunkiem dr. inż. Krzysztofa Pawłowskiego, Bydgoszcz 2019.
6. W. Jezierski, J. Borowska, „Wpływ parametrów fizykalnych elementów stolarki okiennej na współczynnik przenikania ciepła okien”, „IZOLACJE” 3/2018, s. 38–42.
7. K. Pawłowski, „Projektowanie przegród zewnętrznych budynków o niskim zużyciu energii. Obliczenia fizykalne przegród zewnętrznych i ich złączy w świetle wymagań obowiązujących od 1 stycznia 2021 r.”, Grupa MEDIUM, Warszawa 2021.
8. W. Jezierski, J. Borowska, „Wpływ sposobu osadzania stolarki okiennej na współczynnik przenoszenia ciepła ściany osłonowej z oknem”, „IZOLACJE” 6/2018, s. 44–48.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!