Oszczędzaj energię dzięki zmiennej ochronie termicznej (TWS)
Oszczędzanie energii potrzebnej do ogrzewania i chłodzenia budynków mieszkalnych i biurowych to konieczność w obliczu rosnących kosztów energii i redukcji emisji CO₂.

Rys.1 Żaluzje i inne osłony zewnętrzne zapewniają ochronę przed słońcem i hałasem w ciągu dnia oraz lepszą izolację termiczną i komfort cieplny w nocy

W wielu krajach priorytetem w związku z tym jest energetyczna renowacja budynków. Dlatego też racjonalne wydaje się przeanalizowanie różnych opcji technicznych i projektowych jeśli chodzi o poprawę efektywności energetycznej budynków oraz podsumowanie otrzymanych wyników. To pozwoli określić najbardziej ekonomiczny wariant pozwalający na realizację tego celu.

Oprócz znanych już i stosowanych rozwiązań w budownictwie, np. montaż nowych okien lub lepsza termoizolacja ścian zewnętrznych, stropów między kondygnacjami i dachów, izolację termiczną przegrody zewnętrznej w budynku można znacznie poprawić dzięki nowym roletom.

Dotyczy to w szczególności energetycznej renowacji okien w krajach o klimacie kontynentalnym, charaktryzującym się mroźnymi zimami i gorącym latami oraz w rejonach o niewielkim zachmurzeniu. Tutaj rolety, rolety przesuwne i składane działają na dwa sposoby.

Zimą – zmniejszają zapotrzebowanie na ogrzewanie w chłodnych godzinach nocnych jako zmienna ochrona przed ucieczką ciepła, a latem odpowiadają potrzebie chłodzenia – skutecznie zacieniają pomieszczenia.

Poniższa publikacja ma na celu wyjaśnienie, które konstruktywne aspekty należy wziąć pod uwagę i jakie będą potencjalne oszczędności w przypadku zastosowania przesłon okiennych.

Tabela 1 Osłony - przyporządkowanie klas przepuszczalności powietrza zgodnie z normą EN 13125

Fizyka budowli, a tło teoretyczne
Osłony przeciwsłoneczne zewnętrzne i wewnętrzne, takie jak rolety i okiennice przesuwne, żaluzje i zasłony tekstylne – spełniające normę EN 13659 - mogą, w określonych warunkach, służyć również jako czasowa ochrona przed ucieczką ciepłą przez przezroczyste powierzchnie (okna i przeszklenia) w zimnych godzinach nocnych.

Używanie ich w ciągu dnia jest stosunkowo rzadsze, ponieważ mieszkańcy lub użytkownicy chcą mieć naturalne światło dzienne i kontakt wzrokowy ze światem zewnętrznym.

Bardzo dokładne obliczenia możliwych oszczędności energii z tytułu montażu osłon przeciwsłonecznych muszą uwzględniać różne parametry charakterystyczna dla określonego budynku. Aby to ułatwić sytuacja w budynku jest analizowana za pomocą symulacji zgodnie z normą EN ISO 13790 w oparciu o model pojedynczego pomieszczenia zgodnie z normą EN ISO 13791. Upraszcza to określenie możliwych oszczędności energii.

Skuteczność zmiennej ochrony termicznej TWS (temporärem Wärmeschutz) zależy zatem zasadniczo od następujących czynników:
1. Szczelności TWS (nieruchoma/statyczna warstwa powietrza i opór przenikania ciepła zgodnie z EN 13125).
2. Wartości izolacji termicznej TWS (oporność cieplna i zatrzymanie promieniowania dzięki zastosowaniu na powierzchni powłok odbijających promieniowanie podczerwone).
3. Stopnia izolacji termicznej istniejącej ściany zewnętrznej i okien / przeszklenia.
4. Warunków klimatycznych (czas nasłonecznienia i temperatury zewnętrznej w sezonie grzewczym).
5. Rodzaju sterowania i czasu zamykania TWS (czas zamykania niezmienny lub dostosowany do czasu trwania światła dziennego).

Rys. 2 Istotne czynniki wpływające na zmienną izolację termiczną (TWS) jest przez ΔR.

Rys. 3 Umiejscowienie szczelin/połączeń zgodnie z EN 13125

Współczynnik przenikania ciepła ΔUW
Aby dokonać dokładnej oceny możliwych oszczędności energii na poziomie budynku, należy wziąć pod uwagę dane klimatyczne, projekt istniejącego budynku, okna i technologię ogrzewania. Jednak często zdarza się, że klient ma tych informacji będąc w punkcie sprzedaży, ale nawet gdyby je pracowicie zdobył to ich analiza jest zbyt czasochłonna podczas wstępnej oceny.

Dlatego sensowne jest rozważenie głównie poprawy współczynnika przenikania ciepła ΔUW, ponieważ jest to znany parametr dla architektów, producentów i budowniczych.

Bezpośrednie obliczenie możliwej oszczędności energii nie jest możliwe, ponieważ poprawa jest oczywiście skuteczna tylko wtedy, gdy TWS jest aktywowany. Do określenia temperatury powierzchni wewnętrznej oczywiście pomocny jest współczynnik ΔUW,TWS.

Poprawa efektywności energetycznej dzięki TWS zależy od oporu cieplnego ΔR zewnętrznej osłony przeciwsłonecznej, który jest w dużej mierze zależny od przepuszczalności powietrza zewnętrznego osłony przeciwsłonecznej i wielkości jej izolacji termicznej.

Suma szczelin obwodowych etot (szczeliny boczne, górne i dolne) wynika z zależności:

e_tot = e₁ + e₂ = e₃          [etot]=mm        (1)

W zależności od etot, osłony przeciwsłoneczne zewnętrzne są podzielone na 5 klas zgodnie z EN 13125 (Tabela 2). Najwyższą szczelność (klasa 5) można osiągnąć tylko wtedy, gdy szczeliny w pancerzu rolety (przepuszczające światło i powietrze) są zamknięte, a listwy/pręty zazębiają się lub zachodzą na siebie, a obwodowe spoiny są mniejsze niż 3 mm.

Szczelność można określić w tabeli na podstawie normy EN 13125 lub dokładnie zmierzyć zgodnie z normą EN 12835. Norma EN 13125 określa minimalne klasy szczelności dla niektórych konstrukcji, np. dla żaluzji składanych to klasa 1, żaluzje zewnętrzne z listwami łączonymi lub stałymi w pozycji zamkniętej należą do klasy 2.

Opór cieplny pancerza rolety Rsh lub innej zewnętrznej osłony przeciwsłonecznej musi zostać określony przez producenta. Jego wartość można określić za pomocą testów wykorzystując metodę komory cieplnej zgodną z normą EN ISO 12567-1 lub za pomocą obliczeń przeprowadzonych według normy EN ISO 10077-2. Otrzymany wynik należy podać z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.

Obie procedury weryfikacyjne może przeprowadzić ift Rosenheim. Powłoka wewnętrznej osłony przeciwsłonecznej od strony okna odbijająca promieniowanie podczerwone (cieplne) jest uwzględniana przez współczynnik k, który zależy od emisyjności ε powłoki, a następnie mnożony jest przez ΔR.

Tabela 2 Okno referencyjne do oceny zmiennej ochrony termicznej TWS

Konstruktywna implementacja
Konstrukcja TWS (rolety, żaluzje itp.) powinna nie tylko poprawiać izolacyjność cieplną, ale także przejmować inne ważne funkcje dodatkowe, np. ochronę przeciwsłoneczną, antywłamaniową oraz ochronę przed wpływem warunków atmosferycznych, np. zacinającym deszczem, gradem lub wiatrem.

Na wartość izolacyjności cieplnej TWS wpływa opór cieplny materiału (pancerz rolety) oraz szczelność zewnętrznej osłony przeciwsłonecznej zamontowanej na zewnętrznej ścianie, oknie lub elewacji. Dzięki temu pomiędzy TWS a oknem powstaje nieruchoma/ spokojna warstwa powietrza.

Zmniejszenie transmisji ciepła dzięki powłoce odbijającej podczerwień jest możliwa dla osłon wewnętrznych, biorąc pod uwagę następujące czynniki:
1. nakładania warstwy odbijającej promienie podczerwone w miejscach o słabej konwekcji, zwykle stroną zwróconą w stronę okna
2. optymalnego zabezpieczenia elementów o mniejszej izolacji termicznej.
3. zabezpieczenia warstwy przed zanieczyszczeniem
4. ochrony warstwy przed uszkodzeniem podczas czyszczenia lub eksploatacji

W przypadku osłon zewnętrznych nie można brać pod uwagę powłoki odbijającej promieniowanie podczerwone zgodnie z EN 13125 oraz z powodu zabrudzenia w okresie użytkowania.

Renowacja starszego okna o UW = 2,8 W/(m²∙K) przy pomocy urządzenia TWS umożliwia poprawę wartości U o około 0,85 W/m²K, a okna nowoczesnego o UW = 1,3 W/(m²∙K), odpowiadającego wymogom EnEV 2009, o około 0,2 W/(m²∙K). Może to znacznie poprawić komfort cieplny, szczególnie wieczorem i w nocy. Możliwe oszczędności energii zależą naturalnie od klimatu, i można je również odczytać z rys. 4 dla różnych typów okien.

Rys. 4 Oszczędność energii dzięki roletom aluminiowym przy Rsh = 0,02 m²K/W i klasie szczelności 4 dla różnych typów okien i lokalizacji (obliczenia dla innych konstrukcji i lokalizacji można uzyskać w ift Rosenheim)

Oszczędność energii w różnych regionach klimatycznych
Aby precyzyjnie obliczyć potencjalne oszczędności energii na poziomie budynku, konieczne jest poznanie danych klimatycznych (czas nasłonecznienia, temperatury zewnętrzne), projektu istniejącego budynku i okien (standard izolacji, masy akumulacyjne) oraz technologii ogrzewania (redukcja nocna). Oczywiście nie można tu brać pod uwagę lokalnych zjawisk, takich jak „zimne zapadliska”, obszary mgły lub większe prędkości wiatru.

Biorąc pod uwagę wpływy klimatyczne (globalne promieniowanie, dane dotyczące wiatru i temperatury, a także położenie słońca), na podstawie danych z Meteonorm [10]) można dość precyzyjnie określić możliwe oszczędności wykorzystywanej energii.

Symulacja efektów odbywa się zgodnie z EN ISO 13790 na podstawie modelu pojedynczego pomieszczenia - według EN ISO 13791. Wyniki badań mogą być udostępniane przez ift Rosenheim jako usługa dla klientów mających obiekty znajdujące się w różnych regionach klimatycznych.

Możliwe oszczędności energii są związane z powierzchnią okna. Nie bierzemy w tym przypadku pod uwagę możliwego wpływu budynku, w tym strat ciepła w wyniku wentylacji lub wewnętrzne źródła ciepła. Należy też pamiętać, że im lepsza izolacja cieplna przegrody zewnętrznej budynku i okna lub przeszklenia, tym mniejszy wpływ TWS.

Jako przykład podano oszczędności dla budynków zbudowanych w Würzburgu, Mińsku, Moskwie i Kijowie. Istniejące okno musi mieć określone parametry techniczne, ponieważ poprawa dzięki TWS maleje wraz z niższymi wartościami UW. Symulacje zostały zatem określone dla typowych i często używanych typów okien (patrz tabela 2).

Wnioski
Rolety zewnętrzne i inne zewnętrzne osłony przeciwsłoneczne skutecznie i efektywnie zapobiegają przegrzewaniu w okresie letnim, a tym samym znacznie oszczędzają zużycie energii przez system klimatyzacji.

Natomiast wartość U, zwłaszcza starszych okien i przeszkleń, można znacznie poprawić, stosując odpowiednie materiały i rozwiązania. Oprócz oszczędności energii, również komfort cieplny we wnętrzu ulega znacznej poprawie, ponieważ temperatura powierzchni wewnętrznej okna wyraźnie wzrasta.

Zależy to jednak od starannego i przemyślanego projektu oraz wykonania, a także obliczenia oszczędności energii i przetestowania izolacji termicznej przez uznany instytut badawczy. Biorąc pod uwagę wpływy klimatyczne (globalne promieniowanie, dane dotyczące wiatru i temperatury, a także położenie słońca), przy pomocy danych klimatycznych z Meteonorm [10]) można dość precyzyjnie określić możliwe oszczędności.

Zmienna izolacja termiczna (TWS), która jest montowana w starym oknie z pojedynczą szybą (typ 1), pozwala zaoszczędzić ponad 140 kWh/a na metr kwadratowy powierzchni okna, w zależności od klimatu (dane dla innych typów okien można odczytać z rys. 4).

W budynku mieszkalnym z oknami o powierzchni 30 m² jest to około 4200 kWh rocznie, co odpowiada około 420 litrom oleju opałowego. Przy modernizacji okien ze starą szybą izolacyjną (typ okna 2) uzyskuje się nadal 60 kWh/a na metr kwadratowy powierzchni okna lub 1800 kWh (dla powierzchni 30 m²). Jednocześnie TWS optymalizuje bezpieczeństwo i odporność na włamanie. 

Przedstawicielem Instytutu ift Rosenheim w Polsce jest Andrzej Wicha:  Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.

Manuel Demel
ift Rosenheim

Jürgen Benitz-Wildenburg
ift Rosenheim

Przepisy, literatura i źródła
[1] EN ISO 10077 - 1: Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji - Obliczanie współczynnika przenikania ciepła - Część 1: Postanowienia ogólne
EN ISO 10077-2: Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji -- Obliczanie współczynnika przenikania ciepła -- Część 2: Metoda komputerowa dla ram
[2] EN 13125: Żaluzje i zasłony -- Dodatkowy opór cieplny -- Przyporządkowanie do wyrobu klasy przepuszczalności powietrza
[3] Demel, M.; Praca magisterska; Stworzenie rekomendacji aplikacyjnych dla zależnego od lokalizacji zastosowania etykiety energetycznej w Europie. Uniwersytet w Stuttgarcie, Katedra Fizyki Budowli, 2013.
[4] Komentarz do EN 14351-1: Okna i drzwi - Norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne - Część 1: Okna i drzwi zewnętrzne bez właściwości dotyczących odporności ogniowej i/lub dymoszczelności. Publikacja ift Rosenheim
[5] EN 13659: Żaluzje łącznie z żaluzjami listewkowymi zewnętrznymi -- Wymagania eksploatacyjne łącznie z
[6] Informacje techniczne ift „Budynek z energooszczędnymi systemami ochrony przeciwsłonecznej”
[7] ISO 18292: Charakterystyka energetyczna systemów okiennych w budynkach mieszkalnych - Procedura obliczeniowa.
[8] EN ISO 13790: Energetyczne właściwości użytkowe budynków - Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia
[9] EN ISO 13791: Cieplne właściwości użytkowe budynków - Obliczanie temperatury wewnętrznej pomieszczenia w lecie, bez mechanicznego chłodzenia - Kryteria podstawowe i procedury walidacji
[10] Meteonorm wersja 7 - Globalna baza danych meteorologicznych; www.meteonorm.com; © METEOTEST, Fabrikstrasse 14, CH-3012 Berno, Szwajcaria.
[11] Raport końcowy z projektu badawczego „Zmienna izolacja termiczna okien”, ift Rosenheim
[12] Plan działania „Zmienna ochrona cieplna i przeciwsłoneczna” IBH 798/09, biuro inżynierskie prof. dr. Hauser GmbH; Stowarzyszenie (producentów) tekstyliów technicznych, rolet/okiennic i osłon do ochrony przed słońcem.
[13] EN 12835: Żaluzje powietrznoszczelne - Badanie przepuszczalności powietrza
EN 12216: Żaluzje, zasłony zewnętrzne, zasłony wewnętrzne - Terminologia, słownik i definicje
EN 13120: Zasłony wewnętrzne - Wymagania eksploatacyjne łącznie z bezpieczeństwem
EN 13561:Zasłony zewnętrzne i markizy - Wymagania eksploatacyjne łącznie z bezpieczeństwem

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 5/2021