Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych Część 3 Bilans energetyczny okien w sezonie grzewczym Jak przedstawiono w części 1 i 2 optymalizacji energetycznej okien powszechnie używanym wskaźnikiem charakteryzującym okna jest współczynnik przenikania ciepła U w, określający straty ciepła przez przenikanie. Współczynnik ten nie opisuje jednak całego bilansu energetycznego. Poza stratami okna stanowią również istotne źródło zysków ciepła od promieniowania słonecznego. Po uwzględnieniu tych zysków może okazać się, że najkorzystniejszy bilans osiągniemy niekoniecznie w przypadku okien o najniższym współczynniku U w. Ograniczenie strat może towarzyszyć znaczący spadek pozyskiwanego ciepła za pośrednictwem promieniowania słonecznego. W przypadku budynku z instalacją klimatyzacji występuje również zapotrzebowanie na chłód w ciągu sezonu chłodniczego, co komplikuje obliczenia. Bilans energetyczny okna o znanych parametrach zależy również od warunków klimatycznych, długości sezonu grzewczego i chłodniczego oraz wykorzystania zysków ciepła w budynkach o różnej konstrukcji. Oznacza to, że współczynnik przenikania ciepła okna U w nie jest parametrem charakteryzującym w wystarczającym stopniu wpływ okna na charakterystykę energetyczną budynku. W dalszej części artykułu zajmę się tylko bilansem energetycznym okien w sezonie grzewczym STREFY KLIMATYCZNE W POLSCE Rys. 1 Podział na strefy klimatyczne wg PN-EN -12831:2006
Do obliczeń strat ciepła Polska jest podzielona na 5 stref klimatycznych. Podział ten dotyczy obliczeń projektowego obciążenia cieplnego i zapotrzebowana na moc urządzeń grzewczych. Strefa I Tz = -16 0 C Tzs = +7,7 0 C Strefa II Tz = -18 0 C Tzs = +7,9 0 C Strefa III Tz = -20 0 C Tzs = +7,6 0 C Strefa IV Tz = -22 0 C Tzs = +6,9 0 C Strefa V Tz = -24 0 C Tzs = +5,5 0 C gdzie: Tz - minimalna zewnętrzna temperatura obliczeniowa Tzs- średnia temperatura zewnętrzna sezonu grzewczego Promieniowanie słoneczne Do zewnętrznych warstw atmosfery Ziemi dochodzi promieniowanie słoneczne o mocy 1,36 kw/m 2, które przechodząc przez atmosferę ulega znacznemu osłabieniu. Rys. 2 Natężenie promieniowania słonecznego w Polsce Szczegółowe dane o nasłonecznieniu można pobrać np. ze strony Ministerstwa Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej [3]. Jest to lista 61 miast z danymi o nasłonecznieniu, temperaturze i natężeniu promieniowania słonecznego. Średnie wartości energii promieniowania słonecznego w sezonie ogrzewczym według Rozporządzenia [1] wynoszą (kwh/(m 2 rok); ściana S - 350, ściana SW - 310, ściana W - 220, ściana NW - 160, ściana N -145, ściana NE 165, ściana E - 235, ściana SE - 320, okna dachowe o nachyleniu poniżej 30 o 300.
Współczynnik przepuszczalności energii słonecznej Współczynnik przepuszczalności energii g lub tzw. Solar Factor, to procent całkowitej energii słonecznej przepuszczanej przez szybę. Rys. 3 Wartość współczynnika g można przyjąć wg Rozporządzenia [1], lub danych producentów szyb okiennych. W artykule zastosowano współczynniki według danych Fabryki Okien MS Słupsk (Optymalizacja energetyczna okien cześć 2 Rys.1). Dla cieplejszych szyb, których współczynnik przenikania ciepła U g jest mniejszy - mniejszy jest również współczynnik g. Oznacza to mniejsze straty ciepła okna przez przenikanie, co jest korzystne w sezonie grzewczym, ale również mniejsze zyski ciepła od nasłonecznienia, co jest niekorzystne w sezonie grzewczym ale korzystne w sezonie chłodniczym. BILANS OKIENNYCH ZYSKÓW I STRAT Obecnie w Polsce obowiązują dwie metody obliczenia zapotrzebowania na ciepło budynków: 1. PN-EN ISO 13790:2009 - Obliczenie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia - używana do celów projektowych i audytorskich. 2. Rozporządzenie [1] w sprawie metodologii obliczenie charakterystyki energetycznej budynku używane do wykonania świadectw charakterystyki energetycznej.
Wartość miesięcznych zysków od nasłonecznienia Ponieważ głównym tematem artykułu są zyski energii od promieniowania słonecznego, przedstawię podstawowy wzór do obliczania tych zysków. Q = Σ i C i. A i. I i. g. k α. Z (Σ kwh/miesiąc dla całego sezonu grzewczego) [1] (1.25) gdzie: C - udział pola powierzchni płaszczyzny szklonej do całkowitego pola powierzchni okna [%], A - pole powierzchni okna lub drzwi balkonowych w świetle otworu w przegrodzie [m 2 ] I - wartość energii promieniowania słonecznego w rozpatrywanym miesiącu na płaszczyznę pionową, w której usytuowane jest okno według danych dotyczących najbliższego punktu pomiarów promieniowania słonecznego [kwh/(m 2 m-c], g - współczynnik przepuszczalności energii promieniowania słonecznego przez szklenie [%], k a - współczynnik korekcyjny wartości I ze względu na nachylenie płaszczyzny przegrody do poziomu, Z - współczynnik zacienienia budynku ze względu na jego usytuowanie oraz przesłony na elewacji. Analiza zysków i strat ciepła okna Do szczegółowej analizy wybrano wariantowe położenie lokalizacyjne przykładowego budynku opisanego w części 2 optymalizacji (Rys.2) w poszczególnych strefach: 1. Strefa I - lokalizacja Ustka, 2. Strefa II - lokalizacja Zielona Góra, 3. Strefa III - lokalizacja Warszawa, 4. Strefa IV - lokalizacja Białystok, 5. Strefa V - lokalizacja Suwałki. Do optymalizacji wybrano 4 warianty konstrukcyjne okien referencyjnych 1230x1480 mm. Wariant Szyba Rama Ramka U w Rodzaj U g g Profil U f rodzaj Ψ okna 1 4-16Ar-4T 1,0 63% 5 komorowy głębokość wzmocnienie 73mm 1,5 ciepła 0,055 1,27 stalowe 2 3T-16Ar-3-16Ar-3T 0,5 50% wzmocnienie stalowe 1,5 ciepła 0,055 0,80 3 4-16Ar-4T 1,0 63% wzmocnienie termiczne 1,0 bardzo ciepła 0,037 1,07 4 3T-16Ar-3-16Ar-3T 0,5 50% wzmocnienie Tabela 1 termiczne 1,0 bardzo ciepła 0,037 0,71 Obliczeń dokonano programem komputerowym Audytor OZC 4.8Pro Firmy Sankom Warszawa. Wyniki przedstawiono w tabelach 2-6 oddzielnie dla metody obliczeń wg PN-EN ISO 13790:2009 i Rozporządzenia [1]
Oznaczenia w tabelach 2-6: Q T straty ciepła okien przez przenikanie (kwh/sezon grzewczy) Q sol zyski ciepła od nasłonecznienia (kwh/sezon grzewczy) Q sol -Q T - wynikowy bilans energii Kolorem czerwonym zaznaczono najkorzystniejsze warianty. Obliczenia nie zawierają wpływu zacienienia (Z przyjęto 1,0) ponieważ jest ono indywidualne dla każdego budynku, oraz współczynnika wykorzystania zysków ciepła η H gn. Te zagadnienia omówiono w dalszej części artykułu. Strefa I Słupsk (stacja meteo Ustka) Dane okna PN-EN ISO 13790 Rozporządzenie [1] Wariant U w U g g Q T Q sol Q sol -Q T Q T Q sol Q sol -Q T 1 1,27 1,0 63% 3181 5158 1978 2875 2986 111 2 0,80 0,5 50% 2336 4111 1775 2111 2369 258 3 1,07 1,0 63% 2822 5175 2353 2550 2986 436 4 0,71 0,5 50% 2175 4111 1936 1967 2369 403 Tabela 2 Strefa II Zielona Góra Dane okna PN-EN ISO 13790 Rozporządzenie [1] Wariant U w U g g Q T Q sol Q sol -Q T Q T Q sol Q sol -Q T 1 1,27 1,0 63% 3089 5455 2367 2892 3239 347 2 0,80 0,5 50% 2267 4344 2078 2122 2600 478 3 1,07 1,0 63% 2747 5469 2722 2564 3239 675 4 0,71 0,5 50% 2111 4350 2239 1978 2572 594 Tabela 3 Strefa III Warszawa Dane okna PN-EN ISO 13790 Rozporządzenie [1] Wariant U w U g g Q T Q sol Q sol -Q T Q T Q sol Q sol -Q T 1 1,27 1,0 63% 3097 5783 2686 2917 3397 480 2 0,80 0,5 50% 2275 4605 2330 2142 2697 555 3 1,07 1,0 63% 2747 5800 3053 2586 3397 811 4 0,71 0,5 50% 2117 4614 2497 1994 2697 703 Tabela 4
Strefa IV Białystok Dane okna PN-EN ISO 13790 Rozporządzenie [1] Wariant U w U g g Q T Q sol Q sol -Q T Q T Q sol Q sol -Q T 1 1,27 1,0 63% 3436 5308 1872 3144 3080-64 2 0,80 0,5 50% 2522 4228 1705 2481 2444-36 3 1,07 1,0 63% 3047 5322 2275 3067 3080 14 4 0,71 0,5 50% 2347 4236 1889 2150 2444 294 Tabela 5 Strefa V Suwałki Dane okna PN-EN ISO 13790 Rozporządzenie [1] Wariant U w U g g Q T Q sol Q sol -Q T Q T Q sol Q sol -Q T 1 1,27 1,0 63% 3569 5008 1439 3569 2930-639 2 0,80 0,5 50% 2622 3989 1367 2403 2325-78 3 1,07 1,0 63% 3167 5022 1855 2903 2930 28 4 0,71 0,5 50% 2442 3992 1550 2236 2322 86 Wnioski z obliczeń zawartych w tabelach 2-6 Tabela 6 1. Występują znaczne różnice w wynikach w zależności od zastosowanej metody obliczeń (PN-EN ISO 13790) i Rozporządzenia certyfikacyjnego [1], co sugeruje, że obydwie metody nie są dokładne. Praktycznie można się spodziewać, że rzeczywiste wyniki będą pośrednie w stosunku do obu metod. 2. W strefach I, II i III bilans cieplny okien jest zdecydowanie dodatni. Najkorzystniejsze wyniki daje zastosowanie okien U w =1,07 według wariantu 3, czyli okno 2-szybowe typu termofloat U g =1,0 profil 5 komorowy ze wzmocnieniem termicznym U f =1,0 i bardzo ciepła ramką Ψ =0,037 (np. typu Swiss Pacer). 3. W strefach IV i V wyniki nie są jednoznaczne, eliminują jednak wykonanie ram z zimnych profili ze wzmocnieniem stalowym, na korzyć ciepłych profili ze wzmocnieniem termicznym. W strefach tych celowe jest zastosowanie wkładów 3-szybowych (2- komorowych) U g = 0,5 g=50%. 4. Dane z tabeli 2 dotyczące również przykładu z części 2 optymalizacji pokazują, że brak szczegółowych obliczeń zysków ciepła od nasłonecznienia, może doprowadzić do błędnego doboru okien. W przykładzie tym stosując kryteria ekonomiczne dobrano okna 3-szybowe U w = 0,71 g=50%. Stosując kryteria ekologiczne należało zastosować okna 2-szybowe U w =1,07 o większej przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g=63%.
Współczynnik wykorzystania zysków ciepła (η H gn ) Bilans energetyczny okna o znanych parametrach zależy nie tylko od warunków klimatycznych, ale również od charakterystyki energetycznej budynku, długości trwania sezonu grzewczego, oraz możliwościach wykorzystania zysków ciepła w budynkach o różnej konstrukcji. Bilans ten można zapisać w postaci: Q H,nd = Q H,ht - η H gn. Q H,gn [1] (1.8) gdzie: Q H,nd - ilość ciepła niezbędna na pokrycie potrzeb ogrzewczych budynku Q H,ht - straty ciepła przez przenikanie i wentylację Q H,gn - zyski ciepła wewnętrzne i od słońca η H gn - współczynnik efektywności wykorzystania zysków w trybie ogrzewania W tabeli 7 przedstawiono miesięczne straty i zyski ciepła oraz obliczony komputerowo współczynnik efektywności wykorzystania zysków ciepła dla przykładowego budynku obliczeniowego w I strefie klimatycznej oraz optymalnych okien według wariantu 3 (tabela 1). Miesiąc L d,m θ e, m Q tr Q ve Q sol Q int η H, gn Q H,nd Styczeń 31-0,3 1,43 1,46 0,51 0,76 1,000 1,62 Luty 28 0,2 1,26 1,29 0,71 0,69 0,998 1,16 Marzec 31 3,3 1,18 1,20 1,25 0,76 0,959 0,46 Kwiecień 30 5,1 1,02 1,04 1,91 0,74 0,759 0,05 Maj 31 9,7 0,74 0,74 2,60 0,76 0,441 0 Wrzesień 30 12,9 0,50 0,50 1,68 0,74 0,412 0 Październik 31 9,3 0,77 0,77 1,04 0,76 0,816 0,07 Listopad 30 5,2 1,02 1,03 0,61 0,74 0,992 0,71 Grudzień 31 2,1 1,26 1,29 0,44 0,76 0,999 1,35 W sezonie 273 7,9 9,18 9,32 10,75 6,71 0,750 5,41 Tabela 7 Współczynnik η H gn zależy głównie od pojemności cieplnej ogrzewanej strefy budynku, zależnej z kolei od materiałów budowlanych użytych do konstrukcji tej strefy. Budynki o konstrukcji lekkiej mają mniejszą pojemność cieplną niż budynki o ciężkiej konstrukcji i w mniejszym stopniu mogą akumulować okresowe zyski ciepła. Wniosek z tego jest taki, że w budynkach lekkich (nowoczesnych) można stosować okna o mniejszym Współczynniku przepuszczalności energii promieniowania słonecznego g (3-szybowe). W budynkach ciężkich o konstrukcji tradycyjnej i prefabrykowanej należy stosować okna 2-szybowe (1-komorowe).
Zyski słoneczne a orientacja stron świata Jest oczywiste, że największe zyski wystąpią przez okna w przegrodach skierowanych na południe. Średnie wartości energii promieniowania słonecznego w sezonie ogrzewczym według Rozporządzenia [1] wynoszą (kwh/(m 2 rok): ściana S=350, ściana SW=310, ściana W= 220, ściana NW=160, ściana N=145, ściana NE=165, ściana E= 235, ściana SE= 320, okna dachowe o nachyleniu poniżej 30 o = 300. W zawiązku z tym należy ograniczyć powierzchnie okien w elewacjach N, NE i NW lub stosować okna ciepłe 3-szybowe o minimalnych powierzchniach szyb wynoszących normatywnie 1/8 powierzchni oświetlanego pomieszczenia. W pozostałych elewacjach i oknach połaciowych należy stosować okna o dużym współczynniku przepuszczalności energii g (2-szybowe). Dodatkowo w elewacjach S, SE i SW można ponad normatywnie zwiększyć powierzchnie szyb. System ten został wykorzystany w tzw. domach pasywnych, gdzie budynek jest ogrzewany zyskami ciepła. Zacienienia okien Zacienienia okien jest indywidualne dla każdego budynku. Zależy od jego lokalizacji w stosunku do stron świata, pozycji okna w przegrodzie i ukształtowania elewacji. Zacienienia zmniejszające zyski ciepła od nasłonecznienia mogą wystąpić z powodów: 1. zbyt głębokie osadzenie okna w murze - współczynnik zacienienia Z=0,80-0,95, 2. bliskie usytuowanie budynku w stosunku do pobliskiej zabudowy Z=0,90-0,96, 3. zasłonięcie elementami elewacji: loggie, balkony, daszki Z=0,80-0,95. Fot.1 Na Fot. 1 pokazano przykładowo elewację budynku gdzie okna są w znacznym stopniu zacienione z powodu daszków i zbyt głębokiego osadzenia okien w murze, co zmniejsza znacznie zyski ciepła od promieniowania słonecznego.
Podsumowanie Jak wynika z obliczeń bilans energetyczny okien w sezonie grzewczym jest zdecydowanie dodatni dla większości terytorium Polski (strefy I, II i III). Oznacza to, że szyby dostarczają w sezonie grzewczym do wnętrza pomieszczeń więcej ciepła w wyniku nasłonecznienia niż go tracą przez przenikanie na zewnątrz. Są więc swego rodzaju płaszczyznowymi grzejnikami działającymi okresowo w czasie słonecznych dni. W związku z tym powinny być projektowane w nowych budynkach lub starych do wymiany na zasadach podobnych do grzejników centralnego ogrzewania. WNIOSKI KOŃCOWE Szyby okien pozwalają wykorzystać odnawialną energię promieniowania słonecznego zmniejszając zużycie paliw nie ekologicznych. W związku z tym przy projektowaniu okien w nowych budynkach lub wymianie okien w budynkach istniejących należy przestrzegać następujących zasad: 1. Każdy budynek należy traktować i obliczać indywidualnie ze względu na jego lokalizację w danej strefie klimatycznej, architekturę i konstrukcję oraz orientację w stosunku do stron świata, 2. W większości przypadków optymalne do stosowania są okna 2-szybowe typu termofloat 4/16/4T w ramie z profili 5-komorowych ze wzmocnieniem termicznym oraz bardzo ciepłą ramką, 3. Stosowanie okien z szybami 2-komorowymi Ug=0,50 g=50% powinno być uzasadnione dokładnym bilansem zysków i strat ciepła, 4. Należy ograniczać powierzchnie okien w elewacjach N, NE i NW lub stosować okna ciepłe 3-szybowe o minimalnych powierzchniach szyb wynoszących 1/8 powierzchni oświetlanego pomieszczenia, 5. W pozostałych elewacjach i oknach połaciowych należy stosować okna o dużym współczynniku przepuszczalności energii g (2-szybowe), 6. W elewacjach S, SE i SW dla zwiększenia zysków ciepła od nasłonecznienia, można zwiększyć ponad normatywnie powierzchnie szyb, sprawdzając czy bilans zysków pokryje straty z tytułu większego przenikania ciepła przez okno w stosunku do ściany, 7. Konstrukcja budynku powinna być w miarę ciężka z materiałów ceramicznych o dużej pojemności cieplnej pozwalającej akumulować okresowe zyski ciepła, 8. Architektura budynku oraz jego orientacja w stosunku do stron świata powinna minimalizować zacienienia okien zmniejszające zyski ciepła od nasłonecznienia. 9. Wszystkie powyższe warunki i zasady powinny być analizowane przez projektantów w obowiązkowej charakterystyce energetycznej załączanej do projektu budowlanego, w taki sposób aby przez odpowiedni dobór okien, konstrukcję budynku i jego lokalizację - uzyskać najkorzystniejszy bilans zysków i strat. 10. Indywidualni nabywcy powinni żądać od producentów szczegółowych danych w zakresie konstrukcji okna, takich jakie pokazano przykładowo w tabeli 1.
Dla osiągnięcia optymalnego wykorzystania w budynkach odnawialnej energii słonecznej, co jest jednym z celów polityki energetycznej Unii Europejskiej, na etapie projektowania powinna występować współpraca inwestora, architekta, konstruktora budynku i audytora energetycznego. Należy się liczyć z tym, że uzyskanie korzystniejszego bilansu energetycznego może zwiększyć koszty budowy, mniejsze będą jednak koszty jego ogrzewania. Uwagi ogólne Przeprowadzone powyżej obliczenia są szacunkowe i służą jedynie do analizy porównawczej. Przy projektowaniu okien należy wykonać indywidualne kalkulacje dla danego budynku i jego charakterystyki energetycznej, korzystając z danych producentów okien. Literatura: 1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku Dz.U. 2008 nr 201 poz. 1240. 2. PN-EN ISO 13790:2009 - Obliczenie zużycia energii do ogrzewania i chłodzenia. 3. http://www.transport.gov.pl -Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków. 4. Energia i Budynek Nr 11/2011 Certyfikacja energetyczna okien w Polsce. 5. www.wikipedia org.pl/wiki.promieniowanie słoneczne 6. Fot.1 galeria zdjęć www.ms.pl. Włodzimierz Matusiak mgr inż. inżynierii środowiska audytor energetyczny