Dobór wielkości powierzchni przeszklonych
Wyznaczanie odpowiedniej wielkości powierzchni przeszklonych odbywa się według kilku wymagań. Wymagania te kładą w głównie nacisk na dostarczenie przez okna odpowiedniej ilości światła dziennego, niezbędnego do użytkowania pomieszczeń zgodnie z przeznaczeniem konkretnego budynku. Przez okna także w sposób kontrolowany napływa powietrze do pomieszczeń, niezbędne do prawidłowego działania wentylacji grawitacyjnej. Ważnym zadaniem okien jest również zapewnienie odpowiedniej ilości promieniowania słonecznego we wnętrzach, które ma bezpośredni wpływ na dobry nastrój i samopoczucie oraz wydajność i jakość pracy osób przebywających w pomieszczeniach. Promieniowanie widzialne, będące częścią promieniowania słonecznego, jest najzdrowszym dla oczu rodzajem światła, natomiast towarzyszące mu promieniowanie ultrafioletowe ma niszczący wpływ na szkodliwe dla człowieka mikroorganizmy. Promienie podczerwone dostarczają do pomieszczeń energię cieplną [1].
Wśród wymagań określonych w warunkach technicznych budowlanych, związanych z oszczędnością energii, sformułowano ustalenia dotyczące maksymalnej powierzchni okien. Wpływ wielkości okien na potrzeby cieplne budynków przedstawiono na rys 1.
Pomimo tego, że wielkość powierzchni przeszklonych ma wpływ na sezonowe zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania budynków, zalecenia dotyczące ochrony cieplnej budynków należy rozpatrywać wspólnie z wymaganiami dotyczącymi warunków oświetlenia i nasłonecznienia pomieszczeń oraz miejsc pracy. Wielkość powierzchni przeszklonych ma bowiem znaczny wpływ na komfort cieplny użytkowników pomieszczenia, który zawsze powinno traktować się priorytetowo. Zbyt duże powierzchnie przeszklenia są zwykle nie tylko przyczyną nadmiernych strat ciepła, ale i przegrzewania pomieszczeń, co pozostaje w sprzeczności z prawidłowymi warunkami komfortu cieplnego. Mała powierzchnia czy liczba okien sprzyja oczywiście ograniczeniu zużycia ciepła, jednak może powodować niedoświetlenie, zwłaszcza głębokich pomieszczeń. Powoduje to wówczas konieczność korzystania w znacznie większym stopniu z oświetlenia sztucznego i potęguje zużycie energii elektrycznej.
Poważnym problemem, szczególnie w budynkach użyteczności publicznej, jest preferowanie dużych powierzchni pojedynczych skrzydeł okiennych, które w trakcie otwierania bardzo często ulegają uszkodzeniu lub wypaczeniu, co w konsekwencji prowadzi do ich – czasami znacznej – nieszczelności i bezpośrednio wpływa na straty ciepła. Wpływ nieszczelności stolarki budowlanej na straty ciepła przez okna można prześledzić na rys. 2.
Z wielkością powierzchni przeszklenia budynków wiąże się równocześnie wykorzystanie zysków ciepła pochodzących od promieniowania słonecznego. Zyski te są naturalnie większe w początkowych i końcowych miesiącach sezonu grzewczego, a także dla tych pomieszczeń, w których powierzchnie przeszklone usytuowane są na elewacji południowej. Stosunek zysków ciepła do strat poprawia się wówczas średnio o około 20% w budynkach jednorodzinnych oraz o około 10% w budynkach wielorodzinnych [2]. Różnica między dniem słonecznym a bezsłonecznym w styczniu jest widoczna w dużym chwilowym udziale energii słonecznej w ogólnym chwilowym bilansie ciepła. Może stanowić ona nawet około 30% całkowitych potrzeb energetycznych danego pomieszczenia, jednak w przekroju dobowym wartość ta spada już do około 6%. Wydajność systemu grzewczego może być wówczas mniejsza o około 3%. Pełne wykorzystanie zysków od promieniowania słonecznego jest możliwe jednak wówczas, gdy wyposażymy instalację centralnego ogrzewania w automatykę pogodową. Przy projektowaniu budynków energooszczędnych samo zwiększanie powierzchni przegród przeszklonych może spowodować w efekcie wzrost zużycia ciepła do ogrzewania budynku w globalnym bilansie ciepła, ze względu na wzmożone straty w okresie bezsłonecznym. Duże powierzchnie przeszklenia zwiększają zyski od promieniowania słonecznego, jednak częściej stają się przyczyną utraty komfortu cieplnego osób przebywających w pomieszczeniach.
Charakterystyka powierzchni przeszklonych w analizowanych budynkach
Generowanie strat ciepła przez okna jest istotne szczególnie w budynkach użyteczności publicznej, które charakteryzują się dużym przeszkleniem elewacji. Wśród takich budynków problem nadmiernego przeszklenia dotyczy w znacznym stopniu budynków oświatowych. Z badań wynika, że przeszklenie w budynkach oświatowych powinno wynosić około 20% [2], tymczasem budynki te charakteryzują się przeszkleniem sięgającym nawet 50-60%. Jest to nie tylko powodem nadmiernych strat ciepła, ale często prowadzi do pogorszenia warunków mikroklimatu wnętrz i obniżenia komfortu cieplnego osób, jak również komfortu pracy.
Analizę wpływu powierzchni przeszklonych na straty ciepła przeprowadzono w grupie budynków oświatowych, w głównej mierze były to budynki przedszkoli. Wszystkie rozpatrywane budynki były obiektami wolnostojącymi, zrealizowanymi w większości w technologii tradycyjnej (cegła pełna, cegła kratówka lub pustak ceramiczny). Budynki powstały w latach 1950-1990, dlatego też współczynniki przenikania ciepła dla poszczególnych przegród są wyższe od obecnie obowiązujących, według warunków technicznych budowlanych, maksymalnych wartości dla tego typu budynków. W przeważającej części budynków zamontowane były okna drewniane z szybami zespolonymi, w jednym z budynków okna zostały wymienione na plastikowe, były to jednak okna starszego typu. W niektórych budynkach występowały również okna metalowe z szybami zespolonymi oraz okna drewniane skrzynkowe. Udział poszczególnych rodzajów okien w rozpatrywanych budynkach przedstawia rys. 3.
Dla rozpatrywanej grupy budynków wyznaczono średnią wartość powierzchni okien oraz średnią wartość powierzchni okien, które znajdowały się w salach przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci. Średnio wartość powierzchni okien w budynkach kształtowała się na poziomie około 220 m2, natomiast w salach przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci na poziomie około 112 m2. Szczegółową charakterystykę powierzchni okien budynków, w których prowadzono badania przedstawiono w tabeli 1.
Prześledzono procentowy udział powierzchni okien budynków w poszczególnych elewacjach oraz procentowy udział powierzchni okien sal przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci również w poszczególnych elewacjach. Wyniki prezentuje rys. 4.
Charakterystyczną cechą w analizowanej grupie budynków oświatowych jest zwykle usytuowanie powierzchni przeszklonych w salach przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci głównie na elewacji południowej. Niestety było to często przyczyną nadmiernego przegrzewania tych pomieszczeń, a w efekcie utraty komfortu cieplnego i komfortu pracy przebywających w nich osób. Maksymalna wartość temperatury powietrza zanotowana w salach tych budynków w okresie letnim wyniosła 33,9oC.
Kolejnym rozpatrywanym parametrem była wartość przeszklenia elewacji (Pok/Ps), czyli stosunek powierzchni okien do powierzchni ścian. Oszacowano wartość przeszklenia elewacji dla budynków jako całości oraz w rozbiciu na poszczególne elewacje, a także wartość przeszklenia dla sal przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci również dla całości oraz w rozbiciu na poszczególne elewacje. Szczegółową charakterystykę przeszklenia budynków, w których prowadzono badania przedstawiono w tabeli 2.
Analizowane budynki oświatowe charakteryzowały się pokaźnym przeszkleniem elewacji, które maksymalnie osiągało wartość 60% na elewacji południowej, a dla sal przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci nawet 70%, co również miało miejsce dla elewacji południowej. Średnie przeszklenie przekraczało preferowaną dla tego typu budynków wartość 20 % i wynosiło średnio około 28% dla budynków oraz około 48% dla sal przeznaczonych do przebywania dzieci.
Analiza wpływu powierzchni przeszklonych na straty ciepła
Dla analizowanej grupy budynków oszacowano straty ciepła na przenikanie przez przegrody nieprzezroczyste (ściany – QS, podłogi na gruncie – QPg, stropy nad piwnicą – QStp, stropodachy – QStd) oraz straty ciepła na podgrzanie powietrza wymienianego w procesie wentylacji (QV). Wyniki przedstawiono w tabeli 3.
Wyznaczono również straty ciepła na przenikanie przez powierzchnie przeszklone (QOk). Wartości całkowitych strat ciepła przez okna oraz w rozbiciu na poszczególne elewacje przedstawiono w tabeli 4.
Na rys. 5 przedstawiono procentowy udział poszczególnych składników strat ciepła w całkowitym bilansie strat.
Straty ciepła przez powierzchnie przeszklone mają pokaźny udział w całkowitym bilansie strat analizowanej struktury budynków. Stanowią one koło 23% całkowitych strat ciepła. Największe straty w analizowanych budynkach przypadają na podgrzewanie powietrza wymienianego w procesie wentylacji pomieszczeń i wynoszą około 30%.
Na rys. 6 przedstawiono udział strat ciepła przez okna w całkowitych stratach dla budynków oraz udział strat ciepła przez okna w całkowitych stratach ciepła dla okien w rozbiciu na poszczególne elewacje.
Udział strat ciepła przez powierzchnie przeszklone – zarówno w odniesieniu do całkowitych strat ciepła w analizowanych budynkach, jak i do całkowitych strat ciepła przez okna – osiągnął najwyższą wartość dla elewacji południowej, co wynikało z największej wartości powierzchni przeszklonych usytuowanych właśnie na tej elewacji. Część z tych strat została zbilansowana wartością zysków ciepła. Dla analizowanej struktury wartość zysków ciepła uzyskana przez przegrody przezroczyste wyniosła średnio 39 330 kWh/rok.
Prześledzono wpływ powierzchni okien na kształtowanie się strat ciepła w analizowanej strukturze budynków. Dla uzyskanej zależności określono współczynnik determinacji, świadczący o sile związku pomiędzy tymi parametrami. Zależność tą przedstawiono na rys. 7
Współczynnik determinacji dla wyznaczonej zależności wyniósł 0,9206, co wskazuje na ścisły związek pomiędzy wartością powierzchni okien, a kształtowaniem się wielkości strat ciepła. Zmiany powierzchni okien w około 90% wpływały na zmiany wartości strat ciepła.
Prześledzono również wpływ wielkości przeszklenia elewacji na kształtowanie się strat ciepła w budynkach. Uzyskaną zależność wraz z określonym dla niej współczynnikiem determinacji przedstawia rys. 8.
Współczynnik determinacji wyniósł w tym przypadku 0,5015, co również potwierdza istnienie związku pomiędzy tymi parametrami.
Podsumowanie
Analizowane budynki oświatowe charakteryzują się znaczną wartością powierzchni przeszklonych, szczególnie na elewacjach południowych. Szczegółowo wielkości przeszklenia kolejno dla wszystkich analizowanych budynków prezentuje rys. 9. Przedstawiono na nim zarówno przeszklenie elewacji dla całych budynków oraz osobno dla sal przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci.
Właściwie we wszystkich budynkach powierzchnia przeszklenia elewacji utrzymywała się na poziomie powyżej 20%. Nie pozostawało to bez wpływu na wartość generowanych strat i zysków ciepła przez te przegrody. Straty ciepła przez przegrody przezroczyste dla rozpatrywanej struktury budynków stanowiły około 20% całkowitych strat ciepła w całkowitym bilansie strat. Uzyskano wyraźną zależność pomiędzy wielkością strat ciepła a wielkością okien. Określony dla tej zależności współczynnik determinacji wyniósł 0,92.
Pewien bezpośredni wpływ na zwiększanie strat ciepła przez okna może mieć również sam ich kształt. Okna w typowych budynkach oświatowych zblokowane są zwykle na jednej powierzchni przeszklenia z dużą ilością skrzydeł. Pojedyncze skrzydła, zwykle otwieralne, mają znaczne rozmiary, przez co przy częstym otwieraniu nierzadko ulegają uszkodzeniu. W efekcie prowadzi to do ich wypaczenia i nieszczelności, a co za tym idzie do wzrostu strat ciepła.
Wszystkie sale przeznaczone do przebywania dzieci były dostatecznie oświetlone światłem dziennym, a oszacowany współczynnik oświetlenia dziennego był wyższy od zalecanej wartości minimalnej, dlatego też wielkość przeszklenia w analizowanych budynkach można byłoby utrzymywać na znacznie niższym poziomie, co przyczyniłoby się nie tylko do ograniczenia strat ciepła, ale także poprawy warunków mikroklimatu wnętrz i komfortu cieplnego przebywających w nich osób.
Politechnika Częstochowska
Literatura
1. Śliwowski L., Mikroklimat wnętrz, Budownictwo ogólne, Fizyka budowli, Red.: P. Klemm, T 2, Arkady, Warszawa 2007, rozdz. 3.
2. Lis P., Lis A., Przeszklenie elewacji i usytuowanie budynku a potrzeby cieplne związane z ogrzewaniem pomieszczeń, Sbornik trudov VII Meždunarodnogo naučno-metodičeskogo seminara, Perspektivy razvitiâ novyh tehnologij v stroitel’stve, Brestskij Gosudarstvennyj Tehničeskij Universitet Brest 2001, 64-68.
więcej informacji: Świat Szkla 10/2008
