Podstawowe własności techniczne przegród oszklonych
Izolacyjność cieplna okien
Okna to nie tylko jedne z najdroższych, ale także najsłabsze cieplnie komponenty budynku, decydujące w dużym zakresie o stratach ciepła budynków (nawet do ponad 40% sumarycznych potrzeb cieplnych) [7]. Izolacyjność cieplna jest iloczynem powierzchni okien i parametru charakteryzującego ich właściwości cieplne, jakim jest współczynnik przenikania ciepła. Do niedawna zakładano, że wartość współczynnika dla całego okna zbliżona jest wartości współczynnika przenikania ciepła przez oszklenie. Tymczasem z punktu widzenia przepływów strumieni ciepła w przegrodzie oszklonej można wskazać trzy podstawowe elementy. Są nimi nie tylko oszklenie i rama, ale także mostki cieplne powstające w miejscu połączenia elementów przegrody i różniącej się wymiarami, a szczególnie izolacyjnością cieplną (np. łączenie ramy z oszkleniem, ze ścianą w nadprożu lub z podokiennikiem) [12, 13, 14].
Powszechnie stosowana jest szyba jednokomorowa, z wypełnieniem argonem i powłoką niskoemisyjną (tzw. szyba energooszczędna 4/16/4), charakteryzująca się współczynnikiem przenikania ciepła przez centralną część oszklenia US=1,1 W/m2K. Oszklenie takie składa się z dwóch tafli szkła oddzielonych ramką dystansową. Zewnętrzna szyba posiada warstwę srebra, co powoduje zmniejszenie strat ciepła (patrz rys. 12). Dostępna jest także szyba termoizolacyjna o US=0,9 W/m2K, która składa się z dwóch tafli szkła oddzielonych ramką dystansową, przy czym obie szyby posiadają warstwę niskoemisyjną srebra. Szyba o jeszcze lepszej izolacyjności termicznej (SUPER termo → US=0,66 W/m2K) składa się z trzech tafli szkła oddzielonych ramkami dystansowymi. Wewnątrz ramki dystansowej znajduje się absorbent, który poprzez mikrootwory pochłania wilgoć z wnętrza szyby zespolonej. Zewnętrzne szyby posiadają tzw. powłokę termo, dodatkowo odbijającą ciepło. Znaczną poprawę izolacyjności cieplnej oraz akustycznej poprawić może wypełnienie przestrzeni między szybami np. argonem lub ksenonem. Całość jest zazwyczaj dwustopniowo uszczelniona butylem, poliuretanem lub tiokolem). Okna te, z profilem pięciokomorowym z wkładką termiczną, mają współczynnik przenikania ciepła US=0,85÷0,95 W/m2K. Dostępne są już jednak szyby o US=0,3÷0,4 W/m2K, zatem aktualne możliwości techniczne są ogromne (patrz rys. 10). Najnowsze rozwiązania stolarki okiennej zalecane dla budownictwa pasywnego charakteryzują się profilem co najmniej pięciokomorowym ze specjalną wkładką termiczną.
Współczynnik przenikania ciepła przez oszklenie jest zależny od liczby komór, grubości warstwy międzyszybowej, rodzaju gazu wypełniającego tę warstwę, emisyjności powłoki niskoemisyjnej, liczby szyb pokrytych powłoką niskoemisyjną.
Współczynnik przenikania ciepła przez ramę okna zależy od materiału ramy oraz ich rozwiązania konstrukcyjnego i wymiarów (szerokości i wysokości). Przykłady wartości współczynników UR dla różnych materiałów zestawiono w Tabeli 3. Ramy aluminiowe powodują więc największy wzrost współczynnika przenikania ciepła (5,9 W/m2K), szczególnie gdy wykonane są bez przekładki termicznej, zaś najmniejszy wzrost powodują ramy z drewna miękkiego (np. sosna). Dla ram drewnianych o grubości 50 mm – UR=2,0 W/m2K, a przy grubości 150 mm – około 1,1 W/m2K. Przy ramach z PVC – UR=2,2/2,0 W/m2K, odpowiednio dla okien dwu- i trójkomorowych.
W nowych oknach o typowych wymiarach i rozwiązaniach materiałowo-konstrukcyjnych, uzyskiwane są wartości UR=1,3÷1,9 W/m2K (dla ram drewnianych), UR=1,4÷2,1 W/m2K (dla ram tworzywowych) oraz UR=2÷3 W/m2K (dla ram aluminiowych z przekładką termiczną). Oprócz rodzaju materiału, z jakiego wykonane są ramy, istotny wpływ na współczynnik przenikania ciepła przez okno mieć będzie powierzchnia ramy. Przykładowo, gdy oszklenie stanowić będzie około 90% powierzchni okna dwukomorowego z ramą PCV i współczynniku szyby UR=1,1 W/m2K, nastąpi około 10% wzrost współczynnika przenikania ciepła, który może ulec dalszemu zwiększeniu (do 25%) gdy oszklenie stanowi około 75% powierzchni okna.
Znaczne straty ciepła wystąpić mogą w miejscach połączeń, np. w opaskach zespalających szyby oraz w połączeniu oszklenierama. Noszą one nazwę liniowych mostków cieplnych i zazwyczaj koncentrują się w miejscach połączeń elementów 
przegrody o różnej izolacyjności cieplnej lub wymiarach. Sytuacja taka występuje na połączeniu ramy z oszkleniem lub połączeń okna z obudową, np. ze ścianą w nadprożu lub z podokiennikiem. Wartość współczynników M zależy od materiału ramki dystansowej, grubości pakietu szyby zespolonej i kształtownika ramy okna oraz głębokości osadzenia szyby w kształtowniku ramy. W Tabeli 4 zestawiono przykładowe dane w tym zakresie.
Powszechnie przyjmuje się, że wartości te nie powinny przekraczać 0,08 W/mK (dla ram drewnianych lub tworzywowych) 0,11 W/mK (dla ram aluminiowych). Należy podkreślić, że mostki cieplne mogą powstać przez nieprawidłowe osadzenie okna w otworze okiennym. Poprawny montaż, a przede wszystkim izolacja, wykorzystująca piankę rozprężną czy system trójwarstwowy (odporny na wahania temperatury i wilgoci), jest jednym z najistotniejszych działań zmierzających do ograniczenia wpływu tych połączeń.
Wobec powyższego, przy określaniu współczynnika przenikania ciepła dla całego okna (U0) należy znać powierzchnie i wartości współczynników powyżej opisanych części składowych. Współczynnik ten obliczony może być z zależności:
gdzie AS i AR to powierzchnie odpowiednio oszklenia i ramy okiennej (m2), L jest długością liniowego mostka cieplnego równą długości styku szkła z ramą (m), US i UR to współczynniki przenikania ciepła dla odpowiednio szkła i ramy (W/m2K), zaś M jest współczynnikiem dla liniowego mostka cieplnego (W/mK).
Ilustracją wpływu izolacyjności cieplnej poszczególnych części składowych okna na jego wynikowy współczynnik przenikania ciepła są dane zestawione w Tabeli 5.
Wartość współczynnika dla całego okna (U0) może być większa od współczynnika US od 10% do około 40%. Fakt ten wymusza postępowanie opisane zależnością (2), tym bardziej, że dodatkowym uzasadnieniem może być ocena udziału w całkowitych stratach ciepła przez najbardziej popularne drewniane okna z szybą zespoloną poszczególnych komponentów, przedstawiony na rys. 12.
Jak widać z zestawienia, dominujący jest udział oszklenia ramy okiennej sięgający powyżej 85%. Pozostałość to straty ciepła wzdłuż liniowych mostków cieplnych. Biorąc jednak pod uwagę liczbę okien i sumaryczne długości liniowych mostków cieplnych, można stwierdzić, że ich udział w całkowitym bilansie strat ciepła poszczególnych budynków może być znacznie większy, co ma istotne znaczenie szczególnie przy obliczaniu potrzeb cieplnych budynków poddawanych termomodernizacji.
Wybrane efekty wpływu szczelności i izolacyjności cieplnej przegród oszklonych
Oceny warunków użytkowania budynków dokonywać można za pomocą różnych narzędzi i kryteriów. Są to m.in. badania ankietowe, których wyniki dotyczące budynków zarówno termomodernizowanych, jak i noworealizowanych, jednoznacznie wskazują na negatywny odbiór tych warunków, przy czym zdecydowana większość respondentów zgłasza niedostateczną lub brak wymiany powietrza, zawilgocenie oraz zbyt wysoką lub niską temperaturę powietrza [2, 5, 6, 11]. Istnieje zbyt duża lista przyczyn takiego stanu rzeczy aby wszystkie z nich omawiać w niniejszym opracowaniu. Dlatego też zdecydowano się jedynie na podkreślenie charakterystycznego przykładu dla budownictwa ogólnego, jakim są popularne rozwiązania kanałowej wentylacji naturalnej, w działaniu których podstawowe znaczenie ma dopływ powietrza zewnętrznego, realizowany przez nieszczelności w oknach lub otwory nawiewne. Brak lub nieświadomość wagi tego procesu, przy celu nadrzędnym, jakim jest ograniczenie zużycia energii, może powodować nie tylko brak oczekiwanej poprawy parametrów klimatu wewnętrznego, ale wręcz ich niekorzystne lub nawet niebezpieczne zmiany. Na podstawie ocenionych powyżej jedynie dwóch z szeregu parametrów technicznych przegród oszklonych stwierdzić można, że nadal istnieje zbyt mała świadomość ich wpływu i nie w pełni wykorzystane są możliwości ograniczania zużycia ciepła do ogrzewania, z jednoczesną poprawą klimatu wewnętrznego. Za istotne, zarówno dla jakości powietrza wewnętrznego i potrzeb cieplnych, uważać należy wpływ dużej szczelności okien na wartość wymiany powietrza. Poniżej zebrano wybrane dane ilustrujące efekty w powyższym zakresie dla jednego z badanych budynków mieszkalnym (rys. 13). Wyposażony jest on w system wentylacji naturalnej z indywidualnymi kanałami wywiewnymi o wymiarach 14×14 cm umieszczonymi w kuchniach (K) i łazienkach (Ł). Współczynnik przenikania powietrza dla okien wynosi 1,0 m3/mh dla 1daPa, zaś dla głównych drzwi wejściowych do budynku i do mieszkań jest 2 razy większy (z pomiarów).
Oprócz pomiarów dokonano także badań symulacyjnych wykorzystując w tym celu cyfrowe modele matematyczne [8, 9, 10, 11, 12]. Badania skoncentrowano dla mieszkania położonego na parterze budynku (największa długość kanałów i wypór cieplny) oraz dla miesiąca stycznia, jako okresu reprezentatywnego dla spodziewanego i pozytywnego działania zastosowanej wentylacji. Wyniki przedstawiono na rys. 14.
Wskazują one nie tylko na znacznie mniejszą wymianę powietrza niż wymagane jest to aktami prawnymi (0,1÷0,4/h), ale także ujawniają charakterystyczną cechę wentylacji naturalnej, jaką jest odwrotne działanie jednego z kanałów wywiewnych (w rozpatrywanym przypadku dotyczy to kanału kuchennego). Bezpośrednim efektem małych wymian powietrza jest kumulacja wysokich stężeń zanieczyszczeń, a przede wszystkim stężenia dwutlenku węgla (uważanego za miernik intensywności wentylacji). Na rys.15 przedstawiono przykład zmienności stężeń CO2 w pokoju P1 położonym w obrębie badanego mieszkania. Stężenia te wahają się od około 400 ppm (w trakcie nieobecności użytkowników) do ponad 5500 ppm (przy obecności 3 użytkowników w pokoju). Strumienie powietrza napływającego przez okna o współczynniku przenikania powietrza równym kresowi górnemu dopuszczalnego zakresu zmian (1 m3/mh), nie są zatem w stanie zapewnić odpowiedniej wymiany powietrza, a tym samym jego jakości.
Oprócz stworzenia warunków sprzyjających występowaniu niepożądanych mikroorganizmów biologicznych (pleśnie, grzyby), konsekwencją tego może być pojawianie się innych zagrożeń użytkowników, co dotyczy głównie pomieszczeń z gazowymi urządzeniami do przygotowania posiłków, ciepłej wody lub centralnych ogrzewań mieszkaniowych. Duże stężenia CO2 powodują wypieranie tlenu z powietrza wewnętrznego, a tym samym stwarzają warunki do wystąpienia niecałkowitych procesów spalania gazu. W wyniku tego dochodzić może do wzrostu stężenia produktów częściowego spalania gazu (tlenków azotu, a szczególnie toksycznego tlenku węgla) oraz ich swobodnej migracji w obrębie mieszkań [2, 4, 8, 11, 15, 16, 17].
Innym efektem jest zmiana struktury potrzeb cieplnych, której przykładem są dane zestawione na rys.16 [5, 6]. Niewielka wymiana powietrza powoduje, że ponad trzykrotnie spada udział potrzeb cieplnych na cele wentylacyjne.
Ponadto mimo wzrostu izolacyjności cieplnej przegród pełnych i oszklonych, ich udział w bilansie strat ciepła rośnie w stosunku do przypadku z wymianą powietrza przyjmowaną przy obliczeniach strat ciepła (WP=1/h) i sięga około 60%. Warto w tym miejscu podkreślić, że mniejsze wartości sił napędowych procesu naturalnej wentylacji w budynkach jednorodzinnych (mała wysokość budynków i długość kanałów wentylacyjnych) powodują, że wymiana powietrza w tych budynkach koresponduje z jej brakiem (0,02÷0,05/h) [15, 16]. W tej sytuacji dochodzi nie tylko do dalszego pogłębiania zależności strat ciepła od izolacyjności cieplnej przegród pełnych i oszklonych, ale przede wszystkim do możliwości wystąpienia silnych zagrożeń użytkowników.
Powyższe efekty można nieco ograniczyć stosując szczelne okna wyposażone w otwory nawiewne, a szczególnie otwory regulowane poziomem wilgotności powietrza wewnętrznego. Dowodem są dane zebrane na rys. 17 i rys. 18. Wymiana powietrza w mieszkaniach badanego budynku wynosi średnio 1/h (patrz rys. 17) i jest zbliżona do wartości zalecanych przez akty prawne przy obliczeniach zapotrzebowania ciepła na cele wentylacyjne, wobec czego nie ma obawy przed zwiększeniem potrzeb cieplnych.
Strumienie powietrza wentylacyjnego są znacznie większe niż miało to miejsce poprzednio (rys. 15), zaś średnie stężenia dwutlenku węgla wynoszą około 1000 ppm (patrz rys. 18), co również odpowiada wartościom uznanym za pozytywne.
Eliminacja omawianych powyżej efektów za pomocą okien wyposażonych w otwory nawiewne, może jednak być także postrzegana negatywnie. Zastosowanie tych otworów to zaprzeczenie idei tworzenia bariery skutecznie odizolowującej użytkowników przed wpływami otoczenia zewnętrznego, a zatem idei wyrażanej terminem ochrona cieplna budynków. Barierą taką jest zewnętrzna powierzchnia powłoki budynków, która przy jednoczesnej konieczności zapewnienia w pomieszczenia odpowiedniego komfortu cieplnego i jakości powietrza, wymaga stosowania szczelnych okien o jak największej izolacyjności cieplnej. Należy jednak przypomnieć, że stolarka okienna to jeden z najdroższych elementów budowlanych, co szczególnie ma miejsce w odniesieniu do okien o wysokiej izolacyjności cieplnej, która może zostać wydatnie zwiększona przez zastosowanie różnego rodzaju wewnętrznych i zewnętrznych osłon w postaci żaluzji, rolet, zasłon, okiennic, itp. Wobec tego znacznie istotniejszy jest drugi z aspektów, a mianowicie opłacalność ekonomiczna tego typu rozwiązań warunkująca ich praktyczne zastosowanie. Nawet pobieżna analiza podstawowych wskaźników ekonomicznych wskazuje, że czas zwrotu nakładów związanych z kupnem i montażem okien o pożądanych właściwościach w zakresie izolacyjności cieplnej wynosi od około 15 do ponad 20 lat. Ich opłacalność może ulec poprawie dopiero po parokrotnym wzroście cen paliw i energii w stosunku do stanu obecnego, przy czym istotny jest rodzaj źródła produkcji energii (wykorzystywane paliwa oraz sprawność produkcji i transportu ciepła) [5, 7, 8, 18]. Nie oznacza to jednak, że okien takich nie należy stosować, ponieważ każdy właściciel mieszkania lub budynku może kierować się także innymi kryteriami niż ekonomiczne. Wybierając szczelne i o wysokiej izolacyjności cieplne okna należy jednak mieć świadomość zapewnienia wysokiej jakości ich montażu oraz możliwość wystąpienia braku realizacji niezbędnej wymiany powietrza i pojawianiem się w pomieszczeniach warunków szkodliwych nie tylko dla zdrowia użytkowników.
Podsumowanie i wnioski końcowe
Rosnąca niepewność energetyczna i wymagania jakości życia zmuszają do różnych działań, wśród których dominujące znaczenie ma ograniczenie zużycia ciepła oraz zapewnienie bezpiecznych i zdrowych warunków użytkowania budynków. Podjęta już i realizowana w tym zakresie działalność oznacza m.in. wzrost wymagań odnośnie izolacyjności cieplnej i szczelności przegród oraz stosowania podstawowego wyposażenia technicznego o lepszych, niż miało to miejsce dotychczas, własnościach cieplnych i ruchowych. W opracowaniu zajęto się głównie przegrodami oszklonymi, starając się o jak najbardziej kompleksowy sposób analizy tych przegród, z uwagi na dominujący ich udział w potrzebach cieplnych i wentylacyjnych pomieszczeń oraz realizacji potrzeb w zakresie jakości życia. W oparciu o zestawione dane stwierdzono, że:
● bezdyskusyjne i powszechnie uznawane są sukcesywnie rosnące wymagania odnośnie zmniejszenia zużycia energii oraz zakresy zmian głównych parametrów klimatu wewnętrznego w budynkach, czego przejawem może być ciągły proces nowelizacji i dostosowywania aktów prawnych do zmieniających się warunków energetyczno-paliwowych oraz oczekiwań użytkowników;
● realizacja tych wymagań nie jest zadawalająca, co dotyczy zarówno budynków nowych, jak obiektów poddawanych termomodernizacji, przy czym istotna jest tu problematyka wentylacji budynków (szczególnie budynków mieszkalnych stanowiących olbrzymią część zasobów budowlanych), będąca nadal jedną z najbardziej zaniedbanych dziedzin;
● mimo rosnącej świadomości w zakresie wpływu przegród oszklonych na bilanse strat ciepła oraz, w znacznie mniejszej mierze, na warunki użytkowania pomieszczeń, działania praktyczne są nadal dalekie od pożądanych, a tendencja wzrostu ich wpływów zamiast ulec zanikowi, utrzymuje się, a nawet narasta;
● obserwowany jest znaczny wzrost możliwości w zakresie wyboru przegród oszklonych o dużej izolacyjności cieplnej i zazwyczaj towarzyszącej jej znacznej szczelności na przepływy powietrza, z reguły dużo większej niż precyzują to akty prawne – co należy uznać za pożądane, ponieważ realizują one w ten sposób wymagania stawiane wszystkim przegrodom zewnętrznym;
● jedną z funkcji okien jest stworzenie użytkownikom możliwości przewietrzania pomieszczeń, lecz, nie negując tak oczywistych zachowań, za niestosowne uznać można ich utożsamianie z wentylacją pomieszczeń – jest to jedynie działanie uzupełniające dla zorganizowanej wymiany powietrza;
● kanałowa wentylacja naturalna (grawitacyjna) przy występującym w praktyce braku napływu powietrza zewnętrznego nie jest w stanie spełnić głównego zadania, jakim jest usuwanie powietrza zanieczyszczonego w każdych warunkach i doprowadzenie na jego miejsce powietrza zewnętrznego (lub świeżego);
● zadanie to w części może zostać spełnione, gdy okna zaopatrzone zostaną w otwory nawiewne, które należałoby wprowadzić jako prawny nakaz stosowania w budynkach z urządzeniami gazowymi do przygotowania posiłków, ciepłej wody i ogrzewania, wyposażonych w kanałową wentylacją naturalną i poddawanych modernizacji cieplnej.
Bardzo często jedynym kryterium wyboru okien, oprócz względów estetycznych, są kryteria ekonomiczne. Nie negując ich wagi zwrócić uwagę należy, że w przypadku tak wielofunkcyjnych elementów budowlanych jakimi są przegrody oszklone, równie decydujące są parametry techniczne, a przede wszystkim wysoka termoizolacyjność i szczelność na przepływy powietrza z uwzględnieniem możliwości wymiany powietrza.
Politechnika Śląska
Literatura
[1] Rollos, R., Cox, C., Classification of performance criteria for the office and dwelling indoor environment, Proceedings of the International Conference on Healthy Buildings, Budapest, 1994
[2] Nantka, M.B., Współczesne problemy klimatu wewnętrznego pomieszczeń i budynków, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Seria: Budownictwo, nr 46, Opole 2002
[3] Nantka, M.B., Ogrzewanie i rozliczanie zużycia ciepła w budynkach, Materiały Sympozjum Szkoleniowego PZiTS, Katowice 2006
[4] Nantka, M.B., Renewable Energy Sources and Their Co-operation with Heat Systems, Materiały X Międzynarodowego Sympozjum PAN, 2004
[5] Nantka, M.B., Wentylacja w budownictwie ogólnym – przegląd, działanie, problemy i mity, Materiały Forum Instalacyjnego, Targi Poznańskie 2004
[6] Nantka, M.B., Kanałowa wentylacja naturalna w budynkach termomodernizowanych i nowowznoszonych, Materiały Jubileuszowej Konferencji Naukowo-Technicznej PZiTS, Katowice 2008
[7] Nantka, M. B., Poprawa własności przegród oszklonych w aspekcie ograniczania strat ciepła budynków, COW, nr 9, 1993
[8] Nantka, M.B., Relacje pomiędzy szczelnością okien a realizacją zadań wentylacji budynków wielorodzinnych, COW, nr 1/2, 2004
[9] Nantka, M.B., Airtightness and Natural Ventilation in Dwellings, International Journal of Ventilation, vol.4, no.5, London 2005
[10] Nantka, M.B., Indoor Conditions in Silesian Buildings with Natural Ventilation, Indoor & Built Environment, vol.15, no.6, London 2006
[11] Nantka, M.B., Indoor Climate and Energy Consumption in Buildings with Natural Ventilation, Architecture, Civil Engineering, Environment, no 3, Gliwice 2008
[12] Laskowski, L., Ochrona cieplna i charakterystyka energetyczna budynku, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005
[13] Klemm, P., Budownictwo ogólne – Fizyka budowli, tom 2, Arkady, Warszawa 2005
[14] Kurtz, K., Gawin, D., Ochrona cieplna budynków w polskich przepisach normalizacyjnych i prawnych, Prywatna Wyższa Szkoła Businessu, Administracji i Technik Komputerowych, Warszawa 2007
[15] Nantka, M.B., Skibińska, D., Stan powietrza w budynku z wentylacją naturalną, Rynek Instalacyjny, nr 9, 2006
[16] Nantka, M.B., Bieniek, M., Stan higieniczny powietrza w budynku jednorodzinnym, COW, nr 11, 2007
[17] Nantka, M.B., Indoor Air Quality and Health Hazard in Dwellings with Natural Ventilation and Gas Appliances, Proceedings of 3rd International Conference on Energy and Gas, Gliwice, 2005
[18] Nantka, M.B., Termoizolacyjność i szczelność przegród oszklonych, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Seria: Budownictwo, nr.46, 2002
więcej informacji: Świat Szkła 2/2009
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
