Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych Część 2 Szyby, profile, ramki dystansowe Kontynuując temat optymalizacji energetycznej okien przypomnę podstawowy wzór do obliczanie współczynnika przenikania ciepła całego okna, przedstawiony w bardziej szczegółowej formie. gdzie: U w - średni współczynnik przenikania ciepła okna [W/(m² * K)] Σ A g x U g - suma iloczynów pól powierzchni szyb i współczynników przenikania ciepła szyb, Σ A f x U f - suma iloczynów pól powierzchni ram i współczynników przenikania ciepła ram, Σ L g x Ψ g - suma iloczynów długości styku szyby z ramą i liniowego mostka cieplnego, A f - pole powierzchni ramy o współczynniku U f, A g L g - pole powierzchni szyby o współczynniku U g - długość obwodu styku szyby z ramką o współczynniku Ψ g Podstawowymi elementami z których składa się okno są: - rama zamontowana w ścianie tzw. ościeżnica, - skrzydło okienne część ruchoma mocowana do ramy za pomocą zawiasów, - wypełnienie ramy skrzydeł okiennych, najczęściej tafla szkła (szyba) pojedyncza lub zespolona z dwóch lub trzech szyb. Okna wykonywane są z takich materiałów jak: drewno, pcw, profile metalowe. Uwaga: pcw, pcv, u-pvc, to skróty pochodzące z różnych języków, określające ten sam materiał nieplastyfikowany polichlorek winylu. W artykule zajmę się tylko najczęściej stosowanymi obecnie oknami U-PVC, które mają lepsze właściwości termiczne niż okna drewniane i metalowe. W późniejszych częściach cyklu opisane zostaną również okna drewniane i metalowe. Z powyższego wynika, że obliczenia należy wykonać oddzielnie dla trzech podstawowych elementów konstrukcji okna, tzn. dla: 1. szyby, 2. ramy (profili) 3. ramki dystansowej na styku szyby z ramą, i następnie zsumować otrzymane wyniki. Poniżej opiszę szczegółowo te trzy podstawowe części okien na podstawie danych M&S Pomorskiej Fabryki Okien w Słupsku.
1. SZYBY Przez ostatnie 30 lat nastąpiła ewolucja parametrów szyb okiennych. Od pojedynczej szyby grubości 4 mm U g = 6,0 poprzez szyby zespolone 1-komorowe o konstrucji: szyba 4 mm, powietrze 16mm, szyba 4mm - U g = 3,0 do standardowych obecnie szyb typu termofloat z wypełnieniem komory argonem i wewnętrzną powłoką niskoemisyjną U g = 1,0. Dla domów energooszczędnych powstały pakiety 2-komorowe (3-szybowe) U g = 0,7 i U g = 0,5 tzw. supertermo. Na rys.1 pokazano stosowane rodzaje szyb i pakietów zespolonych, ich dane wymiarowe oraz parametry termiczne. Wartość współczynnika U g szyb zespolonych w zależności od typu i rodzaju oszklenia wyznacza się według normy PN-EN 673 lub mierzy za pomocą PN-EN 674. Na izolacyjność termiczną szyb zespolonych największy wpływ mają następujące czynniki: - rodzaj szkła zastosowanego w zespoleniu (dotyczy to szczególnie rodzaju powłoki niskoemisyjnej) - rodzaj i ilość gazu w przestrzeni międzyszybowej, - wielkość ramki dystansowej między szybami, - liczba komór w zestawie (jedna lub dwie komory). Pokazane na rysunku wartości L t (Light transmission) przepuszczalność światła oraz g współczynnik przepuszczalności energii słonecznej - zostaną omówione w następnych częściach tego cyklu artykułów. Rys.1 Do dalszej analizy wybrano szyby oznaczone jako 2, 4, 5 i 7.
2. RAMY (PROFILE) Umowna rama i skrzydła okna to właściwie profil wykonany z wielokomorowych kształtowników PVC-U. Historycznie profil przechodził ewolucje od 2, 3, 4 komór do obecnie będących standardem profili 5-komorowych. Dla budynków energooszczędnych stosuje się już profile 6-komorowe. Profile wewnątrz posiadają wzmocnienie stalowe lub termiczne. Fot.1 - profil 4-komorowy ze wzmocnieniem stalowym Fot.2 - profil 5-komorowy ze wzmocnieniem termicznym MS z kompozytu poliestrowoszklanego z wypełnieniem konstrukcji pianką poliuretanową.
Do dalszej analizy wybrano profile: 1. 4-komorowy, wzmocnienie stalowe głębokość 73 mm U f =1,6 2. 5-komorowy, wzmocnienie stalowe głębokość 73 mm U f =1,5 3. 5-komorowy, wzmocnienie termiczne MS głębokość 73 mm U f =1,0 4. 6-komorowy, wzmocnienie stalowe głębokość 92 mm U f =1,0 Dodawanie kolejnych komór daje znikome efekty przy znacznie wyższych kosztach produkcji. 3. RAMKA DYSTANSOWA Szyby są na obwodzie połączone ramkami dystansowymi (z aluminium, stali, kompozytu poliestrowo-szklanego lub twardej pianki poliuretanowej), utrzymującymi je w stałej odległości. Wzdłuż ramki powstaje liniowy mostek cieplny o długości L g i współczynniku Ψ g. Fot.3 Ψ g zależy od materiału z którego jest wykonana ramka oraz rodzaju szyby i profilu skrzydła okna. Do dalszej analizy wybrano ramki z produkcji M&S: 1. ramka aluminiowa Ψ = 0,060 W/m*K 2. ciepła ramka MS Ψ = 0,055 W/m*K 3. ramka SWISSPACER * Ψ = 0,037 W/m*K 4. OPTYMALIZACJA ENERGETYCZNA Dla sprawdzenia opłacalności zastosowania okien wykonanych z różnych trzech podstawowych elementów: szyby, ramy i ramki w wielu wariantach, przeprowadzono symulacje komputerowe zapotrzebowania na energie cieplną dla pokrycia strat przez przenikanie na zewnątrz i zysków ciepła od promieniowania słonecznego do wewnątrz budynku przez okna. Obliczenia przeprowadzono dla przedstawionego na rys.2 jednorodzinnego budynku mieszkalnego wyposażonego w instalację centralnego ogrzewania zasilanego z miejskiej sieci ciepłowniczej w Słupsku, grupa odbiorców II. Obliczenia przeprowadzono programem komputerowym Audytor OZC 4.8Pro.
Rys.2 Zastosowano tzw. okno referencyjne (służące do analiz porównawczych) wg normy PN-EN 14351-1+A1:2000, czyli okno jednoskrzydłowe o wymiarach 1230x1480 mm (Fot.4). W budynku występuje 9 okien referencyjnych. Fot.4
W tabeli 1 przedstawiono wybrane warianty konstrukcji okien i odpowiadające im dane techniczne, energetyczne i ekonomiczne. Tabela 1 Konstrukcja okna Straty Straty Koszt Wariant Szyba Rama Ramka U w ciepła mocy ciepła istniejące (2)U g =3,0 drew.u f =1,6 (1)Ψ=0,60 2,50 GJ/rok 12,18 2,75 kw 779,57 zł/rok Koszt okien zł SPTB lat wariant 1 (4)U g =1,0 (1)U f =1,6 (2)Ψ=0,55 1,30 7,02 2,03 478,02 5261,76 17,4 wariant 2 (4)U g =1,0 (2)U f =1,5 (2)Ψ=0,55 1,27 6,88 2,01 469,80 4902,66 15,8 wariant 3 (7)U g =0,5 (3)U f =1,0 (2)Ψ=0,55 0,80 5,53 1,73 385,00 5231,67 13,3 wariant 4 (4)U g =1,0 (4)U f =1,0 (3)Ψ=0,37 1,07 5,69 1,89 416,58 6388,20 17,6 wariant 5 (7)U g =0,5 (3)U f =1,0 (2)Ψ=0,55 0,80 6,18 1,81 422,30 6040,44 16,9 wariant 6 (7)U g =0,5 (3)U f =1,0 (3)Ψ=0,37 0,71 5,12 1,68 361,50 5533,92 13,2 Obliczenia U w i koszt okien wykonano na podstawie danych przekazanych przez M&S. Za podstawę optymalizacji przyjęto SPTB (prosty czas zwrotu poniesionych nakładów finansowych). Z tabeli 1 wynika, że najlepszym ekonomicznie jest wariant 6, czyli okna z profili 5-komorowych ze wzmocnieniem termicznym MS, szybą 2-komorową U g =0,50 (rys.1 poz.7) oraz ramką dystansową SWISSPACER Ψ=0,037 W/m*K. 5. WNIOSKI KOŃCOWE 1. Przy wymianie okien w istniejących budynkach opłaca się inwestować w nowoczesne technologie produkcji okien. Zwiększone koszty zwrócą się szybciej niż okna tańsze, ale powodujące większe straty ciepła i koszty ogrzewania i wynikające stąd większe emisje zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego ze źródeł ciepła. 2. Przy projektowaniu nowych obiektów dobór okien należy przeprowadzić bardzo starannie opierając się na analizie ekonomicznej i ekologicznej. 3. Stosowanie tzw. ciepłych ramek dystansowych jest opłacalne tylko w oknach wieloskrzydłowych, gdzie występuje duży obwód ramek i liniowych mostków cieplnych. 6. UWAGI OGÓLNE Przeprowadzone obliczenia są szacunkowe i służą jedynie do analizy porównawczej i mogą być stosowane w małych istniejących obiektach. Przy projektowaniu dużych obiektów należy wykonać indywidualne kalkulacje korzystając z danych producentów okien. 1. Obliczenia w uproszczony sposób traktują zyski ciepła od nasłonecznienia poprzez szyby do wewnątrz pomieszczeń. Zyski te i zastosowanie odpowiednich szyb w zależności od usytuowania budynku w stosunku do położenia geograficznego i stron świata będą tematem następnego artykułu z tej serii.
2. Temat nie obejmuje zmian współczynnika przenikania ciepła okna w zależności od jego usytuowania w przegrodzie i wynikających stąd mostków cieplnych. Będzie to tematem kolejnego artykułu. 3. Autor dziękuje Pani Wioletcie Chrzan z M&S Pomorska Fabryka Okien w Słupsku za pomoc przy opracowaniu artykułu. Fotografie z archiwum M&S Rysunek - autora Włodzimierz Matusiak mgr inż. inżynierii środowiska audytor energetyczny