Efektywność energetyczna, spadek emisji CO₂, zrównoważony rozwój i ochrona przed ekstremalnymi warunkami klimatycznymi dla nowego budownictwa i modernizowanego energetycznie.

Rys. 1. Budynki i miasta muszą być zoptymalizowane pod względem efektywności energetycznej i odporne na zmiany klimatu, aby spowolnić te ekstremalne zjawiska i wstrzymać ich skutk. (Image Kwest – stock.adobe.com)

Zmiany klimatyczne są faktem, a ich konsekwencje dotykają nas wszystkich – pokazuje to liczba katastrof z ostatnich kilku lat. Rekordy ciepła z temperaturami dochodzącymi do 47°C, ulewne deszcze z powodziami, ale także niespodziewane okresy zimna z dużymi masami śniegu zagrażają ludziom i budynkom. Dlatego nie chodzi już tylko o spowolnienie zmian klimatu poprzez energooszczędne i zrównoważone produkty budowlane, ale także o ochronę przed ekstremalnymi zjawiskami klimatycznymi w przyszłości.

Oprócz redukcji emisji CO₂ należy również uwzględnić zużycie zasobów podczas produkcji (szara energia) oraz możliwość recyklingu wyrobów budowlanych pod koniec cyklu ich życia, aby wymusić przejście na gospodarkę cyrkularną.

W przypadku nowego budownictwa i modernizacji budynków – potrzebne są zatem następujące technologie:
- energooszczędne przegrody zewnętrzne budynku o wysokiej izolacyjności termicznej/cieplnej, a w przypadku elementów przezroczystych adaptacyjna ochrona przeciwsłoneczna (rolety, żaluzje, szyby o zmiennej przezroczystości itp.) w celu wykorzystania zysków słonecznych i ochrony przed przegrzaniem,
- łatwe w obsłudze urządzenia wentylacyjne w oknach lub ścianach – zapewniające mieszkańcom dopływ świeżego powietrza i zapobiegające przegrzaniu pomieszczeń poprzez chłodzenie nocne; ponadto w przypadku okien przydatne są czujniki i elementy sterujące do ochrony/ ostrzegania przed silnym deszczem i wiatrem,
- połączenie urządzeń do regulacji instalacji grzewczej z automatyką budynku – sterującą jego elementami (okna otwarte – ogrzewanie wyłączone),
- okna i drzwi w piwnicy i na parterze muszą zapewniać wystarczającą ochronę przed zalaniem spowodowanym przez lokalne ulewne deszcze i wodę pod ciśnieniem w krytycznych miejscach montażu,
- konstrukcje i materiały muszą być bardziej odporne na większe obciążenia wiatrem (huragany, burze) i temperatury powierzchni (do 70°C w okresach intensywnego nasłonecznienia i upałów), zwłaszcza przy ciemnych kolorach wyrobów,
- elementy budynku muszą być łatwo wymienialne, użyte materiały (ramy, szyby, uszczelki, okucia itp.) muszą w pełni nadawać się do recyklingu i być łatwe do oddzielenia w tym celu (deklaracja odnośnie możliwości recyklingu materiałów powinna być łatwo dostępna przez cały okres użytkowania wyrobu).

Rys. 2. Okno jako odnawialny „generator energii” dla budynku

1 Zmiany klimatyczne wymagają budynków zoptymalizowanych pod względem energetycznym
Niezbędną redukcję emisji CO₂ w sektorze budowlanym można osiągnąć jedynie poprzez radykalne oszczędności w zużyciu energii oraz zwiększone wykorzystanie energii odnawialnej. Niezbędne środki muszą w znacznie większym stopniu niż dotychczas koncentrować się na istniejących budynkach.

W końcu to właśnie tam powstaje większość emisji CO₂. Kluczowe jest zatem zwiększenie tempa remontów/ modernizacji poprawiających efektywność energetyczną z wykorzystaniem energooszczędnych elementów budowlanych, które sprawiają, że zastosowanie odnawialnych źródeł ciepła, takich jak pompy ciepła ma sens.

Dzisiaj nowoczesne okna, fasady i przeszklenia osiągnęły już taki poziom, że zyski słoneczne w okresie grzewczym po stronie wschodniej, zachodniej i południowej przewyższają straty energii przez te powierzchnie i ogrzewają budynek. Dzięki temu nowoczesne okna termoizolacyjne stają się odnawialnym źródłem ciepła (wnętrza nie potrzebują dodatkowej technologii systemowej do ogrzewania).

Szczególnie przy renowacji budynków prawidłowy montaż okna ma bardzo duże znaczenie. Chodzi tu o izolację cieplną, funkcjonalność oraz łatwość w użytkowaniu okien i ich serwis/regulację. Wiele szczegółowych informacji można znaleźć w Wytycznych do montażu okien [17].

W celu przeprowadzenia profesjonalnego montażu należy uwzględnić następujące aspekty:
- ponowna ocena równowagi fizyki budynku, ponieważ nowe okna zmieniają szczelność powietrzną oraz temperaturę powierzchni elementu budowlanego i ościeża,
- identyfikacja i optymalizacja krytycznych mostków termicznych poprzez ocieplenie ościeża, jeśli współczynnik U ściany zewnętrznej UAW > 1,0 W/(m²K),
- uwzględnienie/rozważenie ewentualnych zmian elementów budynku (parapety, ościeża, rolety) z uwzględnieniem ochrony zabytków, nakładu pracy/ kosztów, unikania zabrudzeń itp,
- w przypadku wymiany więcej niż 1/3 okien w budynku lub lokalu mieszkalnym należy przygotować koncepcję wentylacji zgodnie z DIN 1946-6.

1.1 Zaostrzenie wymagań (niemieckie prawo budowlane „GEG” 2023)
Aby osiągnąć krajowe i europejskie cele klimatyczne, należy dostosować obowiązujące wymagania i przepisy do istniejących warunków. Minimalne wymagania energetyczne muszą być zorientowane na dyrektywę EPBD (European Performance of Buildings Directive), która już w 2018 roku wzywała do podwyższenia wymagań energetycznych dla budynków. Z tego powodu rząd niemiecki chce również zmienić ustawę o energii budowlanej (GEG).

W projekcie ustawy z 29.04.2022 [11] nie zaostrzono wymagań dotyczących remontów/modernizacji istniejących budynków - odbywa się to poprzez zmienione programy dofinansowania.

Planowane są natomiast następujące zaostrzenia dla przegród zewnętrznych nowych budynków:

- podniesienie standardu izolacji do standardu „Efficiency House 55” (EH55) poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na energię pierwotną budynku referencyjnego – z 75% do 55% (GEG § 15 + § 16 z załącznikiem 1 „Budynek referencyjny”). Odpowiada to redukcji o ok. 26%. Następnie w roku 2024 zaplanowano dalszą redukcję do standardu EH40 (dalsza redukcja o 27%),

- zaostrzenie wymagań dotyczących przegród zewnętrznych dla budynków mieszkalnych „HT’” z 1 do 0,7, czyli zmniejszenie strat ciepła transmitowanego przez przesłony o 30% (GEG § 16). Dla budynków niemieszkalnych zaostrzenie dopuszczalnych średnich wartości współczynników U poszczególnych grup elementów (załącznik 3a GEG).

- dostosowanie uproszczonej procedury weryfikacji GEG-easy dla budynków mieszkalnych (załącznik 5). Weryfikacja ta może być teraz stosowana tylko w przypadku odnawialnych systemów grzewczych (pompy ciepła, ciepłownictwo miejskie i centralne ogrzewanie na biomasę w połączeniu z centralnym systemem odprowadzania zużytego powietrza i systemem solarnym do przygotowania ciepłej wody użytkowej) oraz zastosowania systemu wentylacji,

- sformułowano też szczegółowe wymagania dla elementów budowlanych, na przykład dla okien i innych przezroczystych elementów budowlanych Uw ≤ 0,90 W/(m²K), okien dachowych Uw ≤ 1,0 W/(m²K), drzwi (piwnicznych i zewnętrznych) UD ≤ 1,2 W/(m²K), kopuł świetlików i podobnych elementów U ≤ 1,5 W/(m²K), specjalnych “okiennych” drzwi tarasowych (z otwieraniem/ mechanizmem uchylnym, składanym, przesuwnym lub podnoszonym) UW ≤ 1,4 W/(m²K) oraz unikania mostków termicznych ΔUWB ≤ 0,035 W/(m²K).

Tabela 4.8. Temperatury powierzchni Θsi i współczynnik temperaturowy f0,250,13 dla różnych metod rozwiązań wymiany okien (przykłady). W wierszu 2 pokazano prostą wymianę bez dodatkowych działań na konstrukcji budynku, przy której nie są spełnione wymagania dotyczące minimalnej izolacji cieplnej

Rys. 3. Możliwości optymalizacji renowacji okien ([17])

(kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

Możliwości zmniejszenia zużycia energii poprzez automatyzację budynku (ochrona przed słońcem, wentylacja, otwieranie okien, oświetlenie itp.) nie są niestety jednoznacznie sformułowane w GEG, w przeciwieństwie do EPBD, która „nagradza” zarówno zwiększony stopień cyfryzacji, monitoringu, jak również automatyzacji budynku.

W programach finansowania BEG (Federalne Finansowanie Efektywnych Budynków z przetwarzaniem poprzez KfW i BAFA) inwestycje w automatykę budynków mogą być subsydiowane jako pojedyncze działania (punkt 3.5.1 dla budynków mieszkalnych), na przykład komponenty do automatyzacji zacieniania, wentylacji i oświetlenia (czyli również m.in. czujniki jakości powietrza, kontaktrony okienne, czujniki obecności i oświetlenia itp.)

Projekt GEG jest obecnie głosowany przez ministerstwa i ma zostać uchwalony w tym roku wraz z tzw. pakietem letnim. Dalsze podejścia, takie jak obowiązek korzystania w 65% z energii cieplnej ze źródeł odnawialnych w nowych systemach grzewczych, obowiązek stosowania dachów „słonecznych” (z modułami fotowoltaicznymi i kolektorami słonecznymi) lub zamiana oceny z energii pierwotnej na emisję gazów cieplarnianych, mają być następnie zrealizowane w kolejnej nowelizacji (2024).

1.2 Konsekwencje dla izolacyjności okien i szyb
Planowane zaostrzenie Ustawy o Energii Budowlanej (GEG) (obniżenie poziomu dla nowego budownictwa do standardu Efficiency House 55 (EH55) odpowiada zaostrzeniu o 26%. W związku z tym pojawia się pytanie, jakie wartości U dla okien, szyb i fasad mają sens, aby spełnić wyższe wymagania dotyczące przegród zewnętrznych budynku. Proste, analogiczne obniżenie wartości U – zgodnie z warunkami dla budynku referencyjnego nie jest celowe.

Rys. 4. Wartości dla budynku referencyjnego. Załącznik 1 Ustawy o energii w budownictwie 2020 (GEG) z wartościami zredukowanymi zgodnie z § 15 GEG 2020 i GEG 2023

(kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

Podstawą wymienionych standardów dotyczących izolacji termicznej jest model referencyjny wg GEG 2020 w połączeniu z ryczałtowymi redukcjami/ obniżkami określonymi przez GEG 2020 – w wysokości 25%, jak również 2023 do EH55. Dla okien, a także drzwi balkonowych tzw. francuskich i tarasowych w budynkach mieszkalnych i niemieszkalnych (o temperaturze w pomieszczeniach ≥ 19°C) „nominalna” wartość referencyjna wynosi U_W = 1,3 W/(m²K).

Dla redukcji o 25%, proste przeniesienie zaleceń skutkowałoby U_W = 0,98 W/(m²K), a dla EH55 U_W = 0,72 W/(m²K). Nie ma to sensu, zwłaszcza w przypadku EH55, ponieważ te „teoretyczne” wartości dla konstrukcji okiennych byłyby możliwe do zrealizowania tylko przy zastosowaniu specjalnych konstrukcji i specjalnych szyb.

Okna z nietypowymi szybami, np. dla podwyższonej izolacji akustycznej, odporności na włamanie lub służących jako bariery bezpieczeństwa (chroniące przed upadkiem z wysokości), nie byłyby już w ogóle możliwe.

Rys. 5. Potencjał optymalizacji energetycznej okien na przykładzie wiodących na rynku okien z PVC

 (kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

Docelowo ostatecznie jednak nie można przekroczyć maksymalnej wartości rocznego zapotrzebowania budynku na energię pierwotną. Jeżeli zainstalowane są elementy budynku (okna, drzwi itp.) o wyższej wartości U_W niż wartość referencyjna, wyższe straty ciepła muszą być zrekompensowane np. przez ulepszoną technologię obsługi budynku (automatykę budynkową) lub przez niższe wartości U innych elementów budynku (dach, ściana, podłoga itp.).

Celem GEG jest jednak opracowanie odpowiedniej i ekonomicznej kombinacji wszystkich środków dla każdego zadania budowlanego. Jeśli budynek ma idealną powierzchnię dachu i orientację do wykorzystania systemów fotowoltaicznych lub uzyskuje ogrzewanie komunalne/sieciowe ze źródeł odnawialnych, izolacja cieplna może być nieco gorsza lub odwrotnie.

Wymagania GEG 2020 dotyczące U_W = 0,98 W/(m²K) można łatwo osiągnąć stosując trójszybową szybę zespoloną o wartości Ug 0,6 W/(m²K) oraz ulepszony termicznie profil ramy (wartość U_f ). Natomiast na poziomie EH55 występuje „teoretycznie” obliczony wymóg dla okna – współczynnik przenikania ciepła o wartości U_W = 0,72 W/(m²K).

Wartość ta mogłaby zostać osiągnięta przy znacznym wysiłku i kosztach poprzez połączenie różnych optymalizacji energetycznych (ulepszone ramki dystansowe i profile ramowe, potrójna szyba zespolona o wartości Ug 0,5 W/(m²K) itp.) Inną możliwością obniżenia wartości Uw jest zastosowanie próżniowej szyby izolacyjnej (VIG) o wartości Ug 0,4-0,8 W/(m²K). Jednak i to wymaga znacznego (i kosztownego) dostosowania profili i konstrukcji okiennych.

Osiągnięcie tak niskich wartości współczynnika Uw spowodowałoby znaczne koszty dodatkowe i nie ma trwałego i ekonomicznego związku z możliwymi oszczędnościami w zakresie emisji CO₂. Dostępne już dziś wysoko izolacyjne okna o wartości Uw ≈ 0,8 są od wielu lat z powodzeniem stosowane w domach niskoenergetycznych, pasywnych lub plus energetycznych.

Dzięki możliwym do osiągnięcia zyskom słonecznym (głównie od południowej oraz zachodniej i wschodniej strony budynków) nowoczesne okna z efektywnymi potrójnymi szybami zespolonymi przyczyniają się w znacznym stopniu do ograniczenia emisji CO₂ w sektorze budowlanym. Dotyczy to zarówno nowych budynków, jak i renowacji już istniejących – w celu zwiększenia efektywność energetyczną budynku.

2 Ochrona przed ekstremami klimatycznymi
Nawet realizacja ambitnych celów w zakresie wysokiej redukcji emisji CO₂ nie może już zapobiec ogromnym skutkom zmian klimatu (panuje niestabilna pogoda). Wzrost ekstremów klimatycznych jest już w pełnym rozkwicie. Tornado w Kilonii, powódź w dolinie rzeki Ahr, fale upałów na południowym zachodzie, susze i pożary lasów na wschodzie Niemiec, gradobicia i chaos śnieżny w Górnej Bawarii – to przerażające, jak często dochodzi do takich wydarzeń. Powodzie i fale upałów stanowią największe zagrożenie nie tylko dla życia i zdrowia ludzi, ale także dla budynków.

W przypadku okien, drzwi i fasad wymagania stają się więc coraz bardzie wygórowane – wręcz „ekstremalne”, a konstrukcje muszą być coraz bardziej „solidne i wytrzymałe”, aby były odpowiednie też w przyszłości. Wymaga to zarówno materiałów o wystarczającej odporności na temperaturę (wysoką i niską), jak również odpowiednich konstrukcji o większej odporności na intensywne opady deszczu z powodziami lub gradobiciem i burzami włącznie.

Istnieje wiele sposobów na dostosowanie komponentów i całego budynku do zmian klimatycznych. Jednak architekci muszą również przemyśleć rozmiary, podziały i rozmieszczenie okien, a także sposoby ich otwierania.

Rys. 6. Klimat jest coraz trudniejszy dla budynków i mieszkańców

 (kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

2.1 Ochrona przed zalaniem w czasie powodzi
Powodzie od lat zdarzają się nie tylko w bezpośrednim sąsiedztwie rzek i potoków. Dzieje się tak dlatego, że wody powierzchniowe podczas lokalnych ulewnych deszczy często już bezpiecznie “odprowadzane” do odpowiednich zbiorników. Często dochodzi wówczas do powodzi I podtopień/zalania – może to dotyczyć niemal każdego budynku w Europie (wystarczy tylko niekorzystny spadek terenu w kierunku domu.

Zagrożenia podczas powodzi są wielorakie. Umiarkowane naprężenia mechaniczne występują z powodu ciśnienia wody, gdy woda podnosi się powoli (np. szyb piwniczny z oknem poniżej poziomu terenu). W przypadku wody płynącej lub unoszących się na niej przedmiotów (materiały budowlane, pływające odpady itp.) obciążenia są znacznie większe i wymagają zastosowania masywnych urządzeń ochronnych.

Tabela 1. Zestawienie obciążeń i konstrukcji

Rys. 7. Działanie wody i możliwe środki ochronne

 (kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

„Zwykłe” okna też mogą zapobiec lub ograniczyć przedostawanie się wody do domu w przypadku ulewnego zacinającego deszczu. Jednak specjalne okna “przeciwpowodziowe”, odporne na zalanie są niezbędne w przypadku wystąpienia wody “pod ciśnieniem”. [1]. Powodzie prowadzą jednak nie tylko do wnikania wody do pomieszczeń, ale także powodują różnorodne rodzaje zniszczeń/uszkodzeń.

Nawet materiały budowlane, które nie są wrażliwe na wilgoć, wykazują pewne uszkodzenia. W szczególności wilgoć, która dostała się do pustych przestrzeni w konstrukcjach okiennych i zanieczyszczenie wody fekaliami lub olejem opałowym prowadzi do uszkodzeń oraz pogorszenia jakości powietrza poprzez emisję zapachów, pleśni i innych substancji do powietrza w pomieszczeniu. W rezultacie okna mogą szybko stać się niezdatne do użytku.

Pomimo suszenia, czyszczenia i naprawy elementów budowlanych, często wymagany jest gruntowny remont i wymiana niektórych elemetów. Dotyczy to w takim samym stopniu konstrukcji budynku. Przy renowacji budynku i doposażeniu go w konstrukcje przeciwpowodziowe wymagane jest fachowe planowanie/projektowanie, które często wiąże się również z koniecznością dostosowania budynku do zagrożeń zależnych od otoczenia, w którym się znajduje.

Obok specjalnych szyb do akwariów i przeszkleń morskich – odpornych na działanie wody spiętrzonej (pod ciśnieniem) - istnieją okna przeciwpowodziowe - odporne na warunki istniejące w czasie powodzi.

Są to specjalne konstrukcje, które oprócz zwykłych wymagań dotyczących funkcjonalności lub izolacji termicznej i akustycznej – pełnią rozszerzone funkcje ochronne i są dostępne przede wszystkim jako małoformatowe okna do piwnic. Rozwój wielkoformatowych konstrukcji okien przeciwpowodziowych i drzwi tarasowych, które mogą być stosowane jak „normalne” okno lub drzwi na parterze, dopiero się rozpoczyna.

Można sobie również wyobrazić skuteczne systemy kombinowane okien i tymczasowych elementów ochronnych, które są aktywowane i uruchamiane w przypadku zagrożenia. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie ze strony osób, które chcą zabezpieczyć i chronić swoje budynki przed katastrofą powodziową, można spodziewać się dynamicznego rozwoju tego rynku.

Wpływ na to mają też ubezpieczyciele i ich gotowość do ubezpieczania domów, które wyposażone są w elementy zabezpieczające przed szkodami wynikającymi z naturalnych zagrożeń.

Rys. 8. Zasady projektowania i badania okien odpornych na powodzie [1]

 (kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

2.2 Ochrona cieplna
Aktualne prognozy wskazują na znaczny wzrost fal upałów z temperaturami rzędu 30°C i więcej. Jest to sytuacja krytyczna – budynki nagrzewają się szybko z powodu niewystarczającej ochrony przeciwsłonecznej i braku nocnej wentylacji, a ludzie nie mogą wystarczająco zregenerować sił (zwłaszcza w nocy) [4]. Dotyczy to zwłaszcza grup wrażliwych na ciepło (niemowlęta, małe dzieci, osoby starsze/chore, osoby niepełnosprawne).

W Niemczech nie ma wprawdzie oficjalnych statystyk dotyczących szkód wywołanych upałami, ale w bardzo gorących dniach między 23 lipca a 9 sierpnia 2018 r. nadmierna śmiertelność wyniosła 8 000 osób, według danych z 15 państwowych urzędów statystycznych w Niemczech.

W związku z tym Niemiecka Służba Meteorologiczna (DWD) opracowała dwustopniowy system ostrzegania (ciężki stres cieplny z temperaturą odczuwalną powyżej 32°C przez dwa dni z rzędu oraz ekstremalny stres cieplny powyżej 38°C). Istotna dla zagrożenia dla zdrowia jest nie tylko zmierzona temperatura powietrza, ale „temperatura odczuwalna” („model klimatyczny Michela”), która uwzględnia również poziom ruchu, ubiór i wilgotność (parność/ duszność).

Odpowiednia połączenie dobrych standardów izolacji, zacienienia i wentylacji (wykorzystanie wentylacji nocnej) może znacznie zmniejszyć zagrożenie cieplne. W połączeniu z chłodzeniem pasywnym (sufit chłodzący/podłoga chłodząca) oznacza to, że w klimacie umiarkowanym (Europa Środkowa) w większości przypadków można zrezygnować z aktywnych systemów chłodzenia (klimatyzacji). [12].

Rys. 9. Średnia roczna liczba dni gorących w Niemczech (dni z temperaturą maksymalną co najmniej 30°C). Źródło: DWD & EWK 2020

2.2.1 Ochrona przed słońcem
Istotnym parametrem dla osłon przeciwsłonecznych (zacienienia słonecznego) jest wartość gtotal, która reprezentuje właściwości izolacyjne szyby w połączeniu z osłoną zacieniającą i tym samym realistycznie opisuje relacje budynek – fizyka budowli.

Często stosowana w praktyce wartość Fc dla osłon przeciwsłonecznych tylko w ograniczonym stopniu opisuje jakość techniczną. Aby sprostać wyższym przyszłym obciążeniom, wartość gtotal powinna być bardzo niska w miesiącach letnich. W zimie natomiast pożądana jest wysoka wartość gtotal, aby uzyskać zyski słoneczne.

Sztywne nieruchome osłony przeciwsłoneczne nie są już wystarczające w obliczu obecnych wyzwań. Potrzebne są zmienne systemy adaptacyjne, które elastycznie dopasowują się do pozycji słońca i wielkości promieniowania słonecznego, na przykład przełączane szyby (switchable) o zmiennej wartości g lub zacienienie selektywne względem kąta padania promieni słonecznych. Ale również „klasyczne” urządzenia zacieniające, takie jak zewnętrzne żaluzje czy rolety, które można – dzięki automatyce – optymalnie dopasować do sytuacji cieplnej w budynku.

Rys. 10. Całkowity współczynnik przepuszczalności energii gtotal jako istotny parametr do obliczania ochrony przeciwsłonecznej

 (kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

Urządzenia chroniące przed słońcem (zacieniające) muszą spełniać następujące wymagania:
- kontrola promieniowania słonecznego w celu zapewnienia komfortowej temperatury w pomieszczeniach,
- dobre wykorzystanie światła dziennego w celu ograniczenia sztucznego oświetlenia i poprawy stanu zdrowia,
- ochrona przed olśnieniem i unikanie bezpośredniego światła słonecznego, zwłaszcza na stanowiskach pracy VDU,
- ochrona prywatności i unikanie “zanieczyszczenia otoczenia” światłem w nocy,

- unikanie wysokich temperatur powierzchni od strony pomieszczenia,
- wystarczająca stabilność na oddziaływanie wiatru i śniegu oraz tworzenie się lodu.

Wybór osłon przeciwsłonecznych musi zatem opierać się nie tylko na aspektach estetycznych, ale także skupiać się na właściwościach energetycznych, oświetleniowych i mechanicznych, a także użyteczności.

Należy unikać stosowania osłon przeciwsłonecznych w ciemnych kolorach, ponieważ mogą one nagrzewać się do ponad 80°C. W przypadku silnego promieniowania słonecznego powinno być możliwe całkowite zaciemnienie, aby maksymalnie zredukować dopływ energii przez powierzchnie przezroczyste.

W przypadku letniej izolacji cieplnej obliczeniowa weryfikacja dla nowych budynków jest wymagana przez prawo budowlane. Dla budynków mieszkalnych z niewielkim udziałem okien wystarcza jeszcze uproszczona weryfikacja współczynnika zysku ciepła słonecznego (solar factor), zgodnie z DIN 4108-2. Ale w przypadku większych powierzchni szklanych należy przeprowadzić dokładniejsze obliczenia - zgodnie z normą EN 13363. [2].

Celem projektowania musi być optymalne wykorzystanie zysków słonecznych w okresie grzewczym w zimie i uniknięcie przegrzania w lecie. Projektant musi zawsze zwracać uwagę na współdziałanie szkła i osłon przeciwsłonecznych. W tym przypadku należy zastosować wartość gtotal zgodnie z normą EN 52022-1 lub EN 52022-3.

Rys. 11. Uproszczone oszacowanie wartości Fc dla zewnętrznych osłon przeciwsłonecznych w zależności od parametrów oszklenia i współczynnika przenikania promieniowania słonecznego systemu osłonowego

(kliknij na zdjęcie aby je powiekszyć)

2.2.1 Chłodzenie nocne
Drugą możliwością obniżenia temperatury w pomieszczeniach jest chłodzenie nocne – nawet w najprostszej formie przez wentylację okienną (otwieranie okien), bez „wspomagania” technologią systemową. Jest to możliwe w całej Europie Środkowej, zwłaszcza na obszarach wiejskich, ponieważ temperatury nocne są wystarczająco niskie ze względu na zielone otoczenia (las, drzewa, łąki, jeziora itp.).

W przypadku wentylacji nocnej konieczny jest wysoki współczynnik wymiany powietrza (n ok. 2-5) za pomocą wentylacji krzyżowej/poprzecznej przez otwarte okna lub nawiewniki mechaniczne

W budynkach mieszkaniowych wielorodzinnych wymiana powietrza jest dodatkowo wspomagana przez „efekt kominowy”. Dla poprawy komfortu i bezpieczeństwa okna mogą być wyposażone w czujniki ostrzegawcze lub zawierać automatyczny system zamykający okna w przypadku wystąpienia burzy i deszczu.

Również działania strukturalne w miastach mogą przyczynić się do poprawy mikroklimatu i obniżenia temperatury w nocy. Mannheim jest tu jednym z pionierów i opracował konkretne środki w ramach „koncepcji adaptacji do wpływu klimatu” i planu działania w zakresie „dozowania” ciepła. [3].

Trzecie, skuteczne naturalne chłodzenie opiera się na zasadzie chłodzenia ewaporacyjnego, które było już stosowane w czasach „przedelektrycznych” w krajach

Orientu, Afryki i Azji. Tutaj nawilżane są większe powierzchnie (ściany, tkaniny, podłogi, szachty/”wieże wiatrowe” itp.). Poprzez odparowanie wody pobierane jest ciepło z otaczającego powietrza, a wilgotne powierzchnie ulegają ochłodzeniu. Jednak wymaga to również zwiększonej wymiany powietrza w celu usunięcia wilgoci.

Podobny efekt ma zazielenienie powierzchni dachów oraz ścian wewnętrznych i zewnętrznych, wyraźnie przyczyniając się do chłodzenia i poprawy mikroklimatu. Nawet jeśli te środki nie zawsze pozwalają uniknąć stosowania elektrycznych urządzeń klimatyzacyjnych, to wysokie zużycie energii podczas ich pracy można znacznie ograniczyć.

2.3 Ochrona przed burzami, tornadami i silnymi wiatrami
W Europie obciążenia wiatrem projektuje się według Eurokodu 1 [14], który uwzględnia wpływ kształtu budynku, jego położenie oraz topografię otoczenia na wielkość obciążenia.

Przy określaniu obciążeń wiatrem stosuje się charakterystyczne podstawowe prędkości wiatru z rocznym prawdopodobieństwie przewyższenia 2%, co odpowiada średniemu okresowi nawrotu dla silnych burz wynoszącym 50 lat. Ze względu na zmiany klimatyczne należy jednak założyć częstsze występowanie i bardziej gwałtowne burze w przyszłości. Wzrasta również niebezpieczeństwo lokalnie występujących tornad z powodu silnych różnic temperatur.

Największym zagrożeniem podczas silnych burz jest wysokie i szybko zmieniające się ciśnienie powietrza (obciążenia parciem/ssaniem wiatru) oraz latające - porwane przez wiatr przedmioty (dachówki, okładziny, drobne element budynków itp.), które uderzając w okna i fasady szybko niszczą szklane powierzchnie. W rezultacie w budynku/pomieszczeniu szybko powstaje nadciśnienie, które prowadzi do “wybuchowego” zniszczenia budynku.

Dachy są podnoszone, szyby lub okna są wyrywane wypychane z ich mocowań, przez co konstrukcja budynku ulega znacznemu uszkodzeniu lub zniszczeniu. W USA istnieje również „test huraganu” [16], w którym elementy drewniane (łaty dachowe i drewno konstrukcyjne o małym przekroju) są „wystrzeliwane” w kierunku okna/fasady, aby sprawdzić ich wytrzymałość. W przeciwieństwie do USA w obecnie obowiązujących normach i przepisach budowlanych w Niemczech oraz w normach UE nie ma jednak wymagań dotyczących tego potencjalnego zagrożenia.

Jednostki normalizacyjne dostrzegły obecnie ten problem i rozpoczęły opracowanie normy ISO [15], w którym uczestniczy ift Rosenheim. W przeciwieństwie do USA nowa norma UE obejmuje również wpływ tego zjawiska nie tylko na przeszklone element okien i fasad. Podłożem tego jest różnica między odmiennymi metodami wznoszenia budynków – amerykańską metodą lekkiego budownictwa szkieletowego, a europejską metodą budownictwa masywnego. W tej ostatniej stosuje się w większości masywne materiały budowlane (dachówki, cegły, okładziny ceramiczne itp.), które również „fruwają” podczas burz/huraganów.

Rys. 12. Badanie elementów konstrukcji w celu sprawdzenia odporności na działanie huraganu zgodnie z [16] w ift Rosenheim

Celem normy jest opracowanie odpowiednich wymagań, metod badań i klasyfikacji w celu późniejszej oceny konstrukcji, które wytrzymują obciążenia podczas burzy, aby chronić życie i zdrowie lepiej niż w przypadku dotychczasowych okien i fasad. Procedura badawcza obejmuje poddanie elementów konstrukcyjnych ciągłemu obciążeniu wiatrem – do 3500 cykli obciążeniowych (parcie i ssanie) – odpowiadającym prędkości wiatru do 230 km/h.

W zdefiniowane części metalowe i profile drewniane są następnie „wystrzeliwane” elementy testowe z różną prędkością, a następnie ponownie poddawane obciążeniom parcia/ssania wiatru. Konstrukcja jest odpowiednia tylko wtedy, gdy okna/fasady (w tym powierzchnia szkła) nie ulegną zniszczeniu podczas tego testu, aby zapobiec grożącemu nadciśnieniu w budynku.

W tym celu okna i fasady muszą mieć odpowiednie oszklenie (bezpieczne szkło laminowane – LSG), wystarczająco stabilne profile, wzmocnione połączenie oszklenia z ramami okiennymi za pomocą klejenia lub wzmocnionych okuć, a także staranne mocowanie (solidny montaż w ścianie budynku). Instytut ift Rosenheim jest w stanie przeprowadzić badania zgodnie z amerykańską normą dotyczącą huraganów oraz przyszłą normą ISO. [16] i w ten sposób ocenić wytrzymałość okien i fasad, które zapewniają ochronę także podczas huraganów, silnych burz czy tornad.

Jörn P. Lass, Jürgen Benitz-Wildenburg, Michael Rossa, Xaver Hilz, IFT Rosenheim

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.

Literatura (wciąż uzupełniana i poszerzana)

[1] ift Guideline FE-07/1, Okna i drzwi odporne na zalanie (Flood-resistant windows and doors), ift Rosenheim

[2] Uproszczona metoda oceny izolacji cieplnej w lecie według DIN 4108-2:2013 (Limits of the methods for assessing summer thermal insulation according to DIN 4108- 2:2013), Peggy Freudenberg, Oda Budny, Ernst & Sohn Verlag, Bauphysik 44 (2022), Heft 1.

[3] Plan działań na rzecz ciepła w Mannheim (Mannheim Heat Action Plan), City of Mannheim (Departments of Climate, Nature, Environment as well as Youth Welfare Office and Health Department), Mannheim 9/2021

[4] Etykieta cieplna (Der Hitzeknigge), Federal Environment Agency (UBA), Dessau-Roßlau 2021

[5] Miasto ‘odporne” na ciepło - koncepcja naukowa optymalizacji letniej izolacji cieplnej budynku wielorodzinnego w stylu wilhelmińskim w Oststadt w Erfurcie (Heat Resilient City – Scientific concept for optimising the summer thermal insulation of a Wilhelminian style multi-family house in Erfurt’s Oststadt), Leibniz Institute for Ecological Spatial Development e. V., and HTW University of Applied Sciences Dresden, Dresden 9/2020

[6] EN ISO 14040:2021-02 Zarządzanie środowiskowe -- Ocena cyklu życia -- Zasady i struktura

[7] EN ISO 14044:2021-02 Zarządzanie środowiskowe -- Ocena cyklu życia -- Wymagania i wytyczne

[8] EN 15804:2020-03 Zrównoważoność obiektów budowlanych -- Deklaracje środowiskowe wyrobu -- Podstawowe zasady kategoryzacji wyrobów budowlanych

[9] Co wiemy o dzisiejszym klimacie (What we know about the climate today), German Climate Consortium, Berlin 6/2021

[10] Rozporządzenie UE w sprawie wyrobów budowlanych (EU Construction Products Regulation) (CPVO) (Regulation (EU) No 305/2011 of the European Parliament and of the Council), Brussels 3/2011

[11] Referowany projekt ustawy o energetyce budowlanej GEG 2023 z dnia 29 kwietnia 2022 r. z zaznaczonymi zmianami (Referent Draft Building Energy Act GEG 2023 of 29 April 2022 with marked amendments), ENEV- Online, Institute for Energy-Efficient Architecture with
Internet Media, Melita Tuschinski, https://geg-info.de/geg_novelle_2023/index.htm

[12] Sustainable building air conditioning in Europe Concepts for avoiding heat islands and for a comfortable indoor climate (Sustainable building air conditioning in Europe Concepts for avoiding heat islands and for a comfortable indoor climate), Federal Environment Agency (UBA), Dessau-Roßlau, 6/2022

[13] informacja techniczna ift FI-NA02/4 Zielona powłoka budynku - zrównoważony rozwój dla produktów budowlanych (ift Technical Information FI-NA02/4 Green Envelope – Sustainability for Building Products), ift Rosenheim 7/2022

[14] EN 1991-1-4:2010-12 Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-4: Oddziaływania ogólne - Obciążenia wiatrowe; wersja niemiecka EN 1991-1-4:2005 + A1:2010 + AC:

[15] ISO TC 162 WG4+WG5 – Okna, drzwi i ściany osłonowe – Wpływ gruzu przenoszonego przez wiatr podczas wichury (ISO TC 162 WG4+WG5 – „Windows, Doors and Curtain Walling – Impacted by wind-borne debris in windstorms).

[16] ASTM E1996-20 - Standardowa specyfikacja działania zewnętrznych okien, ścian osłonowych, drzwi i systemów ochrony przed uderzeniami dotkniętych przez zanieczyszczenia przenoszone przez wiatr podczas huraganów (ASTM E1996-20 - Standard Specification for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls, Doors, and Impact Protective Systems Impacted by Windborne Debris in Hurricanes)

[17] Wytyczne dotyczące projektowania i wykonania montażu okien i drzwi wejściowych dla budynków nowych i remontowanych (Guideline for the planning and execution of the installation of windows and entrance doors for new buildings and renovations). Gütegemeinschaft Fenster, Fassaden und Haustüren e.V., Frankfurt and ift Rosenheim (Institut für Fenstertechnik e.V.), Frankfurt 3/2020

[18] Opracowanie środowiskowych deklaracji produktu dla przezroczystych elementów budowlanych - okien i szkła - dla oceny zrównoważonego rozwoju budynków (Development of Environmental Product Declarations for Transparent Building Elements - Windows and Glass - for the Assessment of the Sustainability of Buildings), Research Report, ift gemeinnützige Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft mbH, Rosenheim 11/2011

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 8/2022