Optymalizacja energetyczna okien nowych i wymienianych cz. 4 Włodzimierz Matusiak mgr inż. inżynierii środowiska audytor energetyczny. Pozycja okna w ścianie W poprzednich artykułach tego cyklu (Twój Filar nr 2/2011, 4/2011 i 1/2012) przedstawiono problematykę optymalnego doboru okien traktując je jako oddzielny element budynku. W rzeczywistości okna i drzwi zewnętrzne są wbudowane w przegrodę obiektu i stanowią przeważnie najsłabszy element tej przegrody, naruszając jej konstrukcję i przenikanie ciepła na zewnątrz. Określenie prawidłowego miejsca montażu okna w murze lub dachu to jeden z najważniejszych elementów przy projektowaniu budynku. Niewłaściwa pozycja okna i wadliwe wykonanie połączenia okna ze ścianą może całkowicie zniweczyć korzyści wynikające z zastosowania okien energooszczędnych i ocieplenia istniejącego budynku. PODSTAWOWE WARYNKI CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE MONTAŻU OKIEN Przy założeniu temperatury wewnątrz pomieszczenia 20 o C i wilgotności 50%, temperatura płaszczyzny przegrody okiennej wewnątrz wg Warunków Technicznych [1] i normy [2] powinna być większa niż 13 o C. Rys.1
Warunek ten wynika z krzywej punktu rosy (Rys. 1) Poniżej 13 o C następuje tworzenie się pleśni (czerwona izoterma), natomiast poniżej 10 o C pojawia się kondensacja pary wodnej - punkt rosy (niebieska izoterma). PODSTAWOWE WARIANTY POZYCJI OKNA Przeanalizujmy teraz kilka wariantów zamocowania okna. W tym celu przeprowadzona została symulacja komputerowa programem Planowanie i projektowanie (planning&tender) Firmy Aluplast [5]. Przyjęto mur z gazobetonu grubości 24 cm, ocieplonego warstwą styropianu grubości 15cm. Założono dodatkowo, że na zewnątrz pomieszczenia panuje temperatura -5 o C, a wewnątrz 20 o C, wilgotność wewnętrzna 50%. Na rysunkach niebieską linią przedstawiona została izoterma o temperaturze 10 o C, a czerwoną o temperaturze 13 o C. Wariant 1 (Rys.2) - okno w połowie grubości nieocieplonego muru. Izoterma 10 o C przebiega poniżej powierzchni łączenia okna z murem. Wychłodzona jest znaczna część ściany. Pojawia się zagrożenie tworzenia się pleśni w szczelinie montażowej. Wariant 2 (Rys.3) - okno w połowie grubości ocieplonego muru, ościeżnica nie jest zakryta ociepleniem. Izotermy 10 o C i 13 o C przebiegają w połowie grubości muru oraz blisko wewnętrznej powierzchni łączenia okna z murem. Wychłodzona jest znaczna część muru i szczeliny montażowej, co powoduje zagrożenie tworzenia się pleśni. Dodatkowym minusem rozwiązania z montażem okna w połowie grubości muru jest to, że przez okno osadzone głęboko w ścianie, w głąb pomieszczeń dociera mniejsza ilość naturalnego światła (zacienienie). Rys.2 Rys.3
Wariant 3 (Rys.4) - okno umieszczone równo z zewnętrzną płaszczyzną ocieplonego muru, ościeżnica jest zakryta ociepleniem. Izoterma 10 o C przebiega całkowicie poza płaszczyzną muru. Prawie cały przekrój muru i szczeliny montażowej ma temperaturę wyższą niż 10 o C. Brak zagrożenia tworzenia się pleśni. Wariant 4 (Rys.5) - okno zamocowane w zewnętrznej warstwie ocieplenia na specjalnej konsoli, ościeżnica zakryta ociepleniem. Izotermy 10 o C są przesunięte na zewnątrz, następuje małe wychłodzenie szczeliny montażowej. Nie występuje zagrożenie tworzenia się pleśni. Rys.4 Rys.5 WNIOSKI: - najlepszy efekt uzyskujemy, montując okno równo z zewnętrzną płaszczyzną muru lub w warstwie izolacji i zakrywając ościeżnicę ociepleniem warianty 3 i 4. - w wariantach 1 i 2 izoterma 13 o C przebiega niebezpiecznie blisko wewnętrznej powierzchni przyłącza, w tej sytuacji należy przypuszczać, że po obniżeniu się temperatury panującej na zewnątrz oraz podwyższonej wilgotności w pomieszczeniu, warunek minimalnej temperatury 13 o C może nie być spełniony. - wariant 4 (rys.5) jest zdecydowanie najlepszy (brak mostków cieplnych), ale kosztowny (wymaga specjalnej konsoli montażowej), dlatego stosowany jest tylko w budynkach tzw. pasywnych (zero energetycznych). MOSTKI CIEPLNE W PRZEGRODACH W zależności od wzajemnego usytuowania materiałów dobrze i źle przewodzących ciepło oraz ich zawilgocenia, temperatura powierzchni przegród może przyjmować różne wartości. W szczególności często nawet w przegrodach z grubymi warstwami izolacji występują wady detalu, stanowiące mostki cieplne.
Wraz z przegrodami o dobrej izolacyjności cieplnej obecnie powszechnie stosuje się szczelne okna, uniemożliwiające dopływ właściwego strumienia powietrza wentylacyjnego. W wyniku wzrostu wilgotności w pomieszczeniach, mostki cieplne w przegrodach objawiają się lokalnym wykraplaniem pary wodnej i rozwojem pleśni. Mostki te występują głównie w ościeżach otworów okiennych i drzwiowych, na nadprożach okiennych i podokiennikach oraz w węzłach konstrukcyjnych ścian. Przez stosowaniu zewnętrznej izolacji cieplnej można wyeliminować część tych mostków, jednak w dalszym ciągu zagrożenie stwarzają detale ościeży otworów, nadproży okiennych i podokienników. Na podstawie norm [2] i [3] oraz literatury [4] w tabeli 1 przedstawiono liniowe współczynniki przenikania ciepła dotyczące okien. Tabela 1. Wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ przy różnych rozwiązaniach usytuowania ościeży w murze. Wartość Ψ, Lp. Charakterystyka rozwiązania detalu izolacji W/(m K) 1 2 3 4 5 6 Ościeże okienne - osadzenie okna w izolacji, izolacja muru zachodzi na ościeżnicę. 0,00 Ościeże okienne - osadzenie okna w styk do izolacji, izolacja muru zachodzi 3 cm na ościeżnicę. 0,05 Ościeże okienne - osadzenie okna w styk do izolacji, izolacja muru nie zachodzi na ościeżnicę. 0,19 Ościeże okienne - osadzenie okna na wewnętrznej krawędzi muru, ościeże bez izolacji. 0,39 Nadproże okienne - osadzenie okna w styk do izolacji, izolacja muru zachodzi 3 cm na ościeżnicę. 0,06 Nadproże okienne - osadzenie okna na wewnętrznej krawędzi 0,20 muru, izolacja zachodzi 3 cm na ościeżnicę. 7 Nadproże okienne - osadzenie okna w styk do izolacji. 0,29 8 9 10 11 Nadproże okienne - osadzenie okna na wewnętrznej krawędzi muru, nadproże bez izolacji poziomej. 0,60 Podokiennik - osadzenie okna na styk z izolacją, kamienny podokiennik wewnętrzny, od zewnątrz izolacja cieplna 3 cm. 0,07 Podokiennik - osadzenie okna na wewnętrznej krawędzi muru, wierzch muru przykryty izolacją grubości 3 cm. 0,22 Podokiennik - osadzenie okna na wewnętrznej krawędzi muru, wierzch muru nie przykryty izolacją. 0,57
Z tabeli 1 widać, że liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ przyjmuje bardzo różne wartości liczbowe w zależności od rozwiązania detalu izolacji. Mostki cieplne w nadprożach i podokiennikach są znacznie większe od mostków ościeży pionowych. PRZYKŁAD OBLICZENIOWY Rozpatrzmy teraz fragment ściany zewnętrznej grub. 51 cm (dwie cegły pełne ceramiczne z obustronnym tynkiem) o powierzchni 10 m 2 (w osiach przegród), z oknem o wymiarach 1,5 m na 1,5 m. Współczynnik przenikania ciepła U k ze wzoru (1) normy [3] L U k U c [W/(m 2. K)] (1) A w którym: U c - współczynnik przenikania ciepła bez uwzględnienia mostków cieplnych liniowych, Ψ liniowy współczynnik przenikania ciepła mostka liniowego, L długość mostka liniowego, A pole powierzchni ściany. Rozpatrzono 4 warianty pozycji okna w ocieplonym murze. Wariant 1 - mur ocieplony, okno w połowie grubości muru ψ=0,39 (rys.6) Rys.6 Wariant 2 - okno zamocowane przed ociepleniem, równo z płaszczyzną muru ψ=0,19 (rys.7) Rys.7
Wariant 3 okno przed ociepleniem, ościeżnica zakryta 3 cm ociepleniem ψ=0,05 rys.(8) Rys.8 Wariant 4 - okno zamocowane w ociepleniu, ościeżnica zakryta ociepleniem ψ=0,00 rys.(9) Rys.9 W tabeli 2 podano, jak w funkcji pozycji okna w murze zmieniają się: współczynnik przenikania ciepła U c, liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ w ościeżu i wynikowy współczynnik przenikania ciepła U k ściany z uwzględnieniem liniowych mostków cieplnych Tabela 2. Mur - dwie cegły pełne A=10m 2 Okno 1,5m x 1,5 m Wariant Mur Ościeże Nadproża Podokienniki ΣψL/ Ściana A U c L - m ψ L - m ψ L m Ψ U k 1 rys.6 0,22 3,0 0,39 1,5 0,60 1,5 0,57 0,29 0,51 2 rys.7 0,22 3,0 0,19 1,5 0,20 1,5 0,22 0,12 0,34 3 rys.8 0,22 3,0 0,05 1,5 0,06 1,5 0,07 0,04 0,26 4 rys.9 0,22 3,0 0,00 1,5 0,00 1,5 0,00 0,00 0,22
Jak widać z tabeli 2 przy ociepleniu ścian z oknami nie jest możliwe uzyskanie obowiązującego według Warunków Technicznych [1], współczynnika przenikania ciepła ściany zewnętrznej U <=0,30 [W/(m 2. K)], jeżeli ościeżnice okien nie są zakryte ociepleniem. PODSUMOWANIE Podsumowując, w praktyce zaleca się stosować następujące zasady: - w przypadku wymiany okna w starym budynku, w murze bez izolacji cieplnej, powinno ono zostać zamontowane w połowie jego grubości, - w przypadku docieplenia istniejącego budynku, bardzo ważne jest również ocieplenie ościeży okiennych i drzwiowych minimum 3 cm izolacji, - w przypadku ocieplania ścian, połączonego z wymianą okien w budynku, można zastosować okna o poszerzonych ościeżnicach, co umożliwia pogrubienie izolacji w ościeżu do 6 cm, - w budynkach nowo budowanych, z zewnętrzną warstwą ocieplenia, zalecana pozycja montażu to, jak najbliżej izolacji, sytuacja idealna to montaż w warstwie ocieplenia, - ważnym elementem jest również wykonanie ocieplenia tak, aby jak najwięcej zakrywało ramę okna, - konieczne jest również ocieplenie podokiennika (pod parapetem) lub zastosowanie gotowych, typowych podokienników izolacyjnych. WNIOSKI KONCOWE Określenie miejsca montażu okien w murze należy przede wszystkim do obowiązków projektanta budynku. Jest to jeden z jego ważniejszych obowiązków, bo wskutek niewłaściwego połączenia okna z murem, można całkowicie zniweczyć korzyści wynikające z zastosowania okien o bardzo dobrych wartościach izolacyjności cieplnej. Istotne znaczenie ma tu właściwe zaplanowanie temperatury na powierzchni wewnętrznej przegrody, aby uniknąć kondensacji pary wodnej i tworzenie się pleśni we wnękach okien i zaparowania szyb, co jest niestety bardzo częstym zjawiskiem. Konieczne jest również szczegółowe obliczenie liniowych mostków cieplnych i dodanie ich do współczynnika przenikania ciepła muru U c tak, aby współczynnik U k ściany nie przekroczył wymaganej izolacyjności cieplnej wg Warunków Technicznych [1]. UWAGI OGÓLNE W tytule artykułu wymieniłem tylko okna, jednak problem dotyczy również drzwi zewnętrznych i okien połaciowych. Przedstawione obliczenia są szacunkowe i służą jedynie do analizy porównawczej. W artykule nie zajmuję się szczegółami zamocowania okien do przegrody czyli tzw. przyłączem budowlanym, co jest oddzielnym również bardzo ważnym zagadnieniem opisanym w poradnikach producentów okien.
LITERATURA [1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. nr 75 poz.690) [2] PN-EN ISO 13788: Cieplno - wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. [3] PN-EN ISO 6946:2008 Elementy budowlane i części budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepłą. [4] J.A. Pogorzelski Instrukcja ITB nr 389/2003 Katalog mostków cieplnych - budownictwo tradycyjne [5] Program komputerowy Planowanie i projektowanie (planning&tender) Firmy Aluplast [6] Profiokno Wydawnictwo Firmy Aluplast nr.3/2011 WŁODZIMIERZ MATUSIAK