Instytut Domów Pasywnych phi Darmstadt opracował wymogi w stosunku do okien pasywnych dla wszystkich regionów świata [Krick 2012, Krick 2012a]. Zgodnie z nimi w Europie Północnej i Wschodniej, gdzie dominuje zimny klimat, powinno się stosować polepszone ramy okienne i szczególnie dobre potrójne, a nawet poczwórne oszklenie. Na dalekiej Północy, dla klimatu arktycznego, wymagane są komponenty z poczwórnym oszkleniem (rys. 1). Niniejszy artykuł jest zapisem wystąpienia dr. inż. Benjamina Kricka, przygotowanym na FORUM Budownictwa Pasywnego w dniu 12.03. 2015 r., w czasie targów BUDMA w Poznaniu. 

 

 

2015 03 26 1

2015 03 26 2 2015 03 26 3 2015 03 26 4 2015 03 26 5 2015 03 26 6
 ENERsign: arctis*  BiTri: RUKNA1 dPHt: Delta Plus  Propassivhaus-fenster: smartwin arctic ENERsign: arctis*  

Rys. 1. Regiony klimatyczne na świecie dla certyfikowanych komponentów domu pasywnego i ram okiennych dla klimatu zimnego i arktycznego © PHI 2014

 


Wymogi w stosunku do komfortu okien na całym świecie

 

 

Można było opatrzyć certyfikatem okna pasywnego kilka okien dla klimatu zimnego i tylko jedno dla arktycznego. Wszystkie produkty mają świetnie zaizolowaną ramę. Jeśli chodzi o oszklenie, to wybiera się różne możliwości. Deutsche Passivhaus Transfer (dHPt) i Propassivhausfenster stawiają na bardzo dobre oszklenie potrójne, które ewentualnie po stronie zewnętrznej ma dodatkowo twardą powłokę. BiTri polepsza szkło potrójne dodatkową szybą, a Pazen stosuje oszklenie poczwórne. Ważna dla południowych okien jest też wartość „g” oszklenia: powyżej 55%.

 

 

Szkło dla stref klimatycznych Europy

 

 

Obecnie na rynku wszędzie jest dostępne oszklenie podwójne w wartością U aż do poniżej 1,1 W/(m²K), za które w Niemczech trzeba zapłacić ok. 55 €/m². Potrójne oszklenia z wartością U do min. 0,53 W/(m²K) bije w naszą kieszeń ceną ok. 75 €/m², za poczwórne oszklenie z wartością U ok. 0,30 W/(m²K) musimy teraz zapłacić ok. 150 €/m².

 

Ze względu na pożądany komfort termiczny, w klimacie środkowoeuropejskim wymaga się dla zamontowanych okien U wynoszącego 0,85 W/(m²K), które można osiągnąć przy pomocy oszklenia potrójnego. Inne temperatury zewnętrzne prowadzą do innych maksymalnych wartości U i – tym samym – innego oszklenia. Rys. 2 pokazuje oszklenia konieczne w różnych regionach Europy, w połączeniu z dopasowaną do szkła ramą i zoptymalizowanym montażem, dzięki czemu można osiągnąć wysokie kryterium komfortu. 

 

 

2015 03 27 1

Rys. 2. Konieczne w celu osiągnięcia kryterium komfortu termicznego oszklenia. © PHI 2014

 

 

Dla okien domu pasywnego Instytut Domów Pasywnych zgodnie z metodyką [Schnieders et.al. 2011] i bazując na aktualnych cenach rynkowych przeprowadził badania dotyczące ekonomiczności różnych ram okiennych w Europie [Krick 2014]. Do wyboru były ramy smartwin compact podwójne z potrójnym oszkleniem (4/18Ar/ 4/18Ar/4), oraz z poczwórnych oszkleniem (3/12Kr/3/12Kr/3/12Kr/3), za każdym razem w wariancie ze zoptymalizowanymi wartościami U i g. Wybrano dwa rożne typy budynków: zorientowany w kierunku południowym ostatni w rzędzie szeregowiec „Kranichstein“ i dom wielorodzinny w centrum miasta, zorientowany w kierunku wschód-zachód („Limburger“) z małymi oknami i dużym zacienieniem.

 

Koszty zacienienia nie były brane pod uwagę w analizie. Rys. 3 pokazuje wyniki tych badań. Jasno widać, że oszklenie poczwórne, zastosowane w budynku referencyjnym „Kranichstein“, przy dzisiejszych cenach szkła praktycznie nigdzie w Europie nie jest optymalne, nie odpowiada też w tych miejscach ekonomicznemu optimum, gdzie ze względu na komfort termiczny (rys. 3) byłoby to konieczne. W przeciwieństwie do tego widać wyraźnie szersze zastosowanie dla szkła poczwórnego dla budynku „Limburger“. Można to wytłumaczyć niewielką wartością g szkła poczwórnego: przy dużych, skierowanych na południe płaszczyznach okien w „Kranichstein“ większa wartość g jest lepsza, niż mniejsza wartość U.

 

W już i tak mocno zacienionym i suboptymalnie ustawionym budynku „Limburger“ z wynikającym z tego niewielkim nasłonecznieniem, lepsza wartość U daje pierwszeństwo szybie poczwórnej. To samo dotyczy okna potrójnego oszklenia ze zoptymalizowaną wartością g i podwójnego szkła ciepłochronnego. W przypadku „Kranichstein“ otrzymujemy potwierdzenie, że dla południa Europy szkło potrójne to optimum. Także to znajduje wytłumaczenie w niewielkiej wartości g, ponieważ możemy dzięki temu zmniejszyć potrzebę chłodzenia. Gdyby przyjąć, że w tych regionach będzie dominować oszklenie podwójne z ochroną przeciwsłoneczną, można by zbadać również taki wariant.

 

Jak już wspominano, koszty oszklenia poczwórnego, ze względu na niewielką liczbę sztuk, są dzisiaj wyraźnie zawyżone w cennie. W przyszłości można oczekiwać wyraźnej obniżki cen. W związku z powyższym wykonuje się symulacje z możliwymi w przyszłości cenami. Zastosowano tutaj cenę szkła poczwórnego wynoszącą 100 €/(m²). Przy tym założeniu mamy taką samą różnicę kosztów pomiędzy oknem poczwórnym a potrójnym, jak w przypadku oszklenia potrójnego do podwójnego. Także te wyniki przedstawiono na rys. 4: w modelu Kranichstein tylko w większej części Skandynawii oszklenie poczwórne jest ekonomicznym optimum. To samo dotyczy dużych części Europy Wschodniej i rejonu Alp. W przypadku modelu Limburger szkło poczwórne dominuje w Europie Środkowej, a więc także w wielu regionach Niemiec. 

 

 

2015 03 28 1 2015 03 28 2 2015 03 28 5
Kranichstein, heutige Glaspreise Limburger, heutige Glaspreise

smartwin
compact
2-fach

2015 03 28 3 2015 03 28 4 2015 03 28 6
Kranichstein, künftige Glaspreise Limburger, künftige Glaspreise

smartwin
compact
3+4-fach

Rys. 4. Optimum kosztowe dla rożnych kombinacji szkła i ramy i wykroju ramy na dole dla wariantów smartwin compact. 2WS: podwójne szkło ciepłochronne; 3WS: potrójne szkło ciepłochronne. Znak „+“ oznacza optymalizację wartości g, bez plusa jest to optymalizacja wartości U. © PHI 2014

 

 (...)

 

 

Podsumowując: jeśli dla szkła poczwórnego będziemy obserwować taki sam rozwój cen, jaki widzieliśmy w przeszłości dla oszklenia potrójnego, możemy wyjść z założenia, że w przyszłości szkło poczwórne będzie szeroko stosowane. Dotyczy to szczególnie obszaru termomodernizacji budynków, gdzie można dokonać optymalizacji tylko w ograniczonym stopniu, ze względu na geometrię, ustawienie i udział powierzchni okien.

 

 

Potencjał oszklenia

 

 

Zasadnicze rozważania na temat współczynnika przenikania ciepła i odstępu pomiędzy szybami oszklenia

Także w przypadku oszklenia trzema mechanizmami transportu ciepła są promieniowanie, przewodzenie i konwekcja. Strata ciepła promieniowania jest redukowana w szybach poprzez nisko emisyjną, bardzo cienką powłokę, tzw. low-e-coating. Wyznacznikiem dla wysokości redukcji jest emisyjność powłoki w niewidocznym spektrum podczerwieni ε. Dzisiaj na porządku dziennym jest emisyjność poniżej 3%. Oznacza to, że strata ciepła promieniowania szyby w obszarze podczerwieni redukowana jest o ponad 97%. Aby zredukować przewodzenie ciepła w przestrzeniach międzyszybowych stosuje się jako wypełnienie gazy szlachetne, najczęściej argon, zamiast powietrza. Jeśli chodzi o ciała stałe, to wiadomo, że ciepłochronność jest tym lepsza, im grubsze jest ocieplenie. A więc wraz z przyrostem grubości izolacji ocieplenia zmniejsza się przewodzenie ciepła. Jeśli chodzi o gazy, to od pewnej określonej grubości warstwy pojawia się konwekcja: gaz ogrzewa się na ciepłym wewnętrznym oszkleniu, zmniejsza swoją gęstość, podnosi się i tak trafia na zimną szybę zewnętrzną, tam się ochładza i zimny trafia znowu na ciepłą stronę szyby. Dzięki tym konwekcyjnym obiegom powstaje znacznie podwyższona strata ciepła. Przy czym obowiązuje tu zasada: im wyższa różnica temperatur pomiędzy szybą wewnętrzną i zewnętrzną, tym wyższa siła obrotu i wyższa strata ciepła. Z tych zależności wynikają dla każdego gazu i każdej różnicy temperatur różne optima dla grubości przestrzeni międzyszybowych. Tabela 1 zawiera optymalne odstępy pomiędzy szybami dla podwójnego, potrójnego i poczwórnego oszklenia dla klimatu umiarkowanie chłodnego.

 

 

Tab. 1. Optymalne odstępy pomiędzy szybami wg EN 673 (dla klimatu umiarkowanie chłodnego) © PHI 2014

2015 03 27 2

 

 

W chłodniejszych klimatach optimum będą stanowić mniejsze przestrzenie międzyszybowe. 

 

Poprzez promieniowanie słoneczne, różnicę temperatur pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem i emisję do zimnego nocnego nieba szkło, a tym samym też przestrzenie międzyszybowe, poddawana są wysokim wahaniom temperatur. Ma to swoje odzwierciedlenie w zmianie objętości gazu w przestrzeni międzyszybowej. W zimnie gaz się kurczy, w cieple rozszerza i naciska na zewnętrzne szyby w kierunku na zewnątrz. Powstaje tak zwany efekt pompy, który obciąża brzeg szkła i powoduje powstawanie napięć w szkle. Im większa jest przestrzeń międzyszybowa, tym wyższe są obciążenia. Przy czym liczy się tu suma przestrzeni międzyszybowych. 2x16 (czyli 32 mm) nie są traktowane jako krytyczne, wielu producentów okien od lat stawia z powodzeniem na 2x18 (36 mm) dla przestrzeni międzyszybowych. To też optimum w klimacie umiarkowanie chłodnym dla wypełnienia argonem.

 

 

Potencjał oszklenia potrójnego



 

Standard techniki stanowią obecnie szkło potrójne z 2 pokryciami na pozycji 1 i 5, to znaczy na stronach skierowanych do przestrzeni międzyszybowych obu szyb zewnętrznych. Jeśli chodzi o wartość g należałoby zastosować pokrycie środkowej szyby zamiast szyby zewnętrznej, ponieważ w przypadku pokrycia szyby środkowej wtórne oddawanie ciepła do środka byłoby większe i tym więcej energii trafiłoby do środka budynku. Jednakże pokrycie szyby środkowej wiąże się też z pewnym ryzykiem, ponieważ na skutek zwiększonej przez to pokrycie absorpcji nagrzewać się ona będzie szybciej i mocniej, co może powodować pęknięcia z powodu napięć. Obecnie producenci okien przekonują się jednak do tego, by mimo to stosować pokrytą szybę środkową. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów do coatingu z mniejszą absorbcją i poprzez stosowanie szkła białego udaje się w praktyce okiełznać problematykę napięć i pękania szkła, tak twierdzą protagoniści. Jednakże szkło białe jest bardziej kruche, a więc pęknięcia mogą też powstawać łatwiej.

 

Kolejną, interesującą możliwością jest zastosowanie szyb o grubości 2 albo 3 mm, poddawanego wstępnej obróbce termicznej. W ten sposób można też znacznie zredukować łączny ciężar oszklenia, zmniejsza się także obciążenie na krawędzi, ponieważ samo szkło może lepiej wyrównać deformacje. Szyby z cienkiego szkła, ze względu na ich dużą elastyczność w trakcie produkcji, są trudniejsze w obróbce i do tej pory nie są zbyt rozpowszechnione na rynku. Są też częściowo droższe, niż zwykłe szkło, niemniej jednak ta technologia kryje w sobie pewien potencjał redukcji ceny.

 

W ten sposób można, prowadząc obliczenia zgodnie z EN 673 lub 410, na przykładzie szkła Glaströsch, dojść z [GLACE] do następujących par wartości: U optymalizuje z powłoką „ZERO E“, budowa szyby (3:/18Ar/3/18Ar/:3): Ug=0,48 W/(m²K), g=46%. G optymalizuje z pokryciem „TRIII E“, budowa szyby (3/18Ar/:3/18Ar/:3): Ug=0,64 W/(m²K), g=69%: 

 

Dodatkowo istnieje możliwość pokrycia zewnętrznej strony powłoką tzw. hardcoating. Hardcoating to niskoemisyjna powłoka, które – nawiasem mówiąc – wykazuje emisyjność tylko pomiędzy 10% a 30%. Jednakże powłoki takie, inaczej, niż to jest w przypadku softcoatings, są bardziej odporne na obciążenia mechaniczne. Naniesione po zewnętrznej stronie szyby zewnętrznej podnoszą temperaturę, ponieważ zmniejszają oddawanie promieniowania do zimnego nocnego nieba. W ten sposób zmniejsza się pocenie zewnętrznej strony szkła. Dodatkowo poprawia się wartość U. Do tej pory nie uwzględniano tego w normie EN 673, a Instytut Domów Pasywnych w ramach projektu 3ENCULT znalazł możliwość, by w przybliżeniu oszacować efekt. Ponieważ jest trudno, a więc także drogo, pokryć szkło po obu stronach. Hardcoating w połączeniu z powłoką na środkowej szybie wydaje się być sensowny. Powłoka „Free Vision T“ z Glastrosch o emisyjnosci wynoszącej 22% daje w połączeniu z szybą o budowie (:3/18Ar/:3/18Ar/:3) następujące wartosci: U zoptymalizowane przez powłokę „ZERO E“: Ug=0,45 W/(m²K), g=50%. G zoptymalizowane przez pokrycie „TRIII E“: Ug=0,60 W/(m²K), g=68%.

 

 

Potencjał oszklenia poczwórnego

 

 

Oszklenie poczwórne jest sensowne tylko wtedy, jeśli także do trzeciej przestrzeni międzyszybowej użyjemy kolejnej powłoki. Zostanie ono jak gdyby przyłączone do zwróconych na zewnątrz stron wewnętrznych trzech szyb. Ze względu na napięcia temperaturowe mogą być tu ewentualnie konieczne szyby hartowane. Z powodu łącznej przestrzeń międzyszybowej wynoszącej w sumie 36 mm jasne jest, że zastosowanie argonu nie przyniesie już pożądanego efektu. Dla kryptonu przestrzeń międzyszybowa wynosząca 3x12 (36 mm) jest jednakże optimum. Tutaj mamy łączną grubość szkła wynoszącą 36 + 4x3 mm = 48 mm. Jest to kompatybilne z powszechnymi pakietami szkła 4/18/4/18/4 mm. Możliwe do osiągniecia są następujące pary wartości: powłoka „ZERO E“, Ug=0,30 W/(m²K), g=43%. Powłoka „TRIII E“: Ug=0,42 W/(m²K), g=62%. Także w przypadku oszklenia potrójnego możliwe jest polepszenie wartości U przez zastosowanie pokrycia, tzw. hardcoating. Zalecane jest to ze względu na jeszcze niższą temperaturę powierzchni i związaną z tym możliwą zwiększoną „produkcją” kondensatu na zewnętrznej powierzchni. Uwagę zwraca tutaj niewielkie pogorszenie w zakresie wartości g w porównaniu do oszklenia potrójnego z taką samą powłoką. Można to wytłumaczyć w ten sposób, że tylko określone spektralne części promieniowania słonecznego są blokowane i są one już bardzo mocno redukowane przez 2 warstwy oszklenia potrójnego, w związku z tym efekt 3 powłoki nie jest już taki spektakularny. W porównaniu z argonem dostępność kryptonu jest mniejsza, a nakład energii pierwotnej większy. To znajduje odzwierciedlenie w wyższej cenie kryptonu, która – w przypadku stosowania oszklenia poczwórnego na skalę masową – będzie jeszcze rosnąć. Poczwórne oszklenie z kryptonem jest w związku z powyższym rozwiązaniem przejściowym. Ze względu na opisaną konwekcję argon nie nadaje się do stosowania w oszkleniach poczwórnych. Ma jednakże pewne zalety: mniejsze koszty w porównaniu z kryptonem, lepszy bilans energii pierwotnej i, co spowodowane jest budową szyby, lepsze wartości U dla ramy, wartości Ψ dla brzegu szyby i wyższe temperatury brzegu szyby. W ramach projektu EuroPHit Instytut Domów Pasywnych szuka koncepcji dla poczwórnego oszklenia z argonem. Jedną możliwością byłoby „złapanie“ rozszerzającego się szkła w pewnego rodzaju balonie powietrznym, który mógłby być zintegrowany z wpustem. Wychodząc z założenia, że odstęp pomiędzy szybami wynosiłby 3x20 (60 mm), to różnica temperatur, przy szybie o wymiarach 1,2 m szer. i 2,5 m wys. spowodowałaby konieczność wprowadzenia objętości wyrównawczej, wynoszącej 4,7 l. W odniesieniu do szerokości szkła odpowiadałoby to zapotrzebowaniu na miejsce we wpuście okiennym wynoszącemu 65 mm, o wysokości zaś 31 mm i na szkle 11 mm. Wydaje się to dużo. Jednak wiemy, że przestrzenie międzyszybowe do sumy 32 mm nie są problematyczne. Pozostaje więc przestrzeń międzyszybowa wynosząca 28 mm, którą należałoby wyrównać. Odpowiadałoby to objętości tylko 2,2 l lub wysokości balonu powietrznego wynoszącej 31 mm po wąskiej stronie, a 15 mm na dłuższej stronie, albo 5 mm wokół. Wydaje się to być do zrobienia. Wyrównać trzeba by także ciśnienie tylko w środkowej komorze. Zgodnie ze zdaniem producentów szkła przy dzisiejszych cenach szkła ten zabieg kosztowo byłby porównywalny do kryptonu. Tutaj jednakże też możemy oczekiwać redukcji cen. 

 

Dla oszklenia poczwórnego przy 20 mm wypełnieniu argonem możemy osiągnąć takie same wartości termiczne, jak dla wypełnienia kryptonem 12 mm.

 

 

Potencjał szkła połączonego

 

 

Kolejną możliwością jest połączenie 2 podwójnych oszkleń lub jednego podwójnego i jednego potrójnego. Jeśli zastosujemy jeszcze przy połączeniu dwóch oszkleń podwójnych hardcoating w przestrzeni pomiędzy nimi, możemy osiągnąć U w wysokości około 0,45 W/(m²K), z dodatkową powłoką zewnętrzną typu hardcoating także wartości U około 0,42 W/(m²K). Przy połączeniu oszklenia podwójnego z potrójnym można osiągnąć U około 0,30 W/(m²K). Zaletą tych wariantów byłoby, że w powstałych przestrzeniach międzyszybowych można by umieścić elementy zacieniające. Problematyczne może być tworzenie się kondensatu oraz zabrudzenia w tej przestrzeni międzyszybowej. Można by tego uniknąć przy pomocy folii blokujących parę adaptujących się do wilgotności albo wklejanej taśmy o tych samych właściwościach w połączeniu ze zmniejszoną ilością materiałów higroskopijnych, działających jak bufor dla wilgoci. W celach serwisowych należałoby móc otwierać przestrzeń międzyszybową, co znacznie podrożyłoby konstrukcję.

 

 

Potencjał oszklenia szkła próżniowego

 

 

Z Chin słychać wiadomości o pojawieniu się szkła próżniowego o wartości U wynoszącej 0,35 W/(m²K), które produkuje się tam dla lodówek. W szkle próżniowym szczególnie problematyczny jest mostek na krawędzi szkła, który prowadzi do niskich temperatur na krawędzi i wysokich strat ciepła. Przy mniejszych formatach szyby efekt ten może znieść poprawę wartości U w stosunku do oszklenia potrójnego, albo nawet doprowadzić do wyższych wartości U. Aby temu zapobiec można drastycznie zwiększyć głębokość osadzenia szyby w profilu ramy. W ramach projektu Instytutu Domów Pasywnych EuroPHit opracowano koncepcję dla kombinacji szkła próżniowego w ramie. Rezultaty badań dla okna otwieranego do wewnątrz i na zewnątrz pokazuje rys. 5.

 

 

2015 03 29 1

Rys. 5. Badania w ramach projektu EuroPHit: rama okienna ze szkłem próżniowym. Po lewej okno otwierane do wewnątrz, po prawej na zewnątrz. © PHI 2013

 

 

dr inż. Benjamin Krick
PHI, Darmstadt

 

 

Tekst wystąpienia udostępnił Polski Instytut Budownictwa Pasywnego i Energii Odnawialnej im. Güntera Schlagowskiego
Informacje o domach pasywnych znajdą Państwo także w Internecie, na stronach International Passive House Association i w powiązanej z nim Passipedia.org.
Patrz także www.pibp.pl 

 

 

Źródła
[Feist 2011] Feist W.: Tagungsband zur 15. Internationalen Passivhaus Tagung in Innsbruck, 2011 [Materiały konferencyjne z 15 Konferencji Dom Pasywny w Hannoverze]
[Feist 2012] Feist W.: Tagungsband zur 16. Internationalen Passivhaus Tagung in Hannover, 2012 [Materiały konferencyjne z 16 Konferencji Dom Pasywny w Hannoverze]
[GLACE] http://www.euroglas.com/service/berechnungen/glace.html
[Krick 2011] Krick B.: Neue Zertifizierungskriterien für Passivhaus geeignete transparente Bauteile, in: [Feist 2011] [Nowe kryteria ceryfikacji dla komponentów domu pasywnego]
[Krick 2011a] Krick B.: Zertifikatskriterien und Berechnungsvorschriften für Passivhaus geeignete transparente Bauteile, Passivhaus Institut Darmstadt (2011) [Kryteria certyfikacji i przepisy dotyczące obliczeń dla przezroczystych elementów domu pasywnego]
[Krick 2012] Krick B., Feist W.: Anforderungen an Passivhaus geeignete transparente Bauteile in verschiedenen Regionen der Erde, in: [Feist
2011] [Wymogi odnośnie do przezroczystych elementów budowlanych w różnych regionach świata]
[Krick 2012a] Krick B.: Zertifikatskriterien und Berechnungsvorschriften für Passivhaus geeignete transparente Bauteile, Passivhaus Institut Darmstadt (2012) [Kryteria certyfikacji i przepisy dotyczące obliczeń dla przezroczystych elementów domu pasywnego]
[Krick 2014] Krick B.: Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen zum Fenster smartwin compact der Firma Propassivhausfenster, zu veröffentlichen, Passivhaus Institut Darmstadt, 2014 [Badania ekonomiczności okien smartwin compact]
[Schnieders et.al. 2011] Schnieders, Feist, Schulz, Krick, Rongen, Wirtz: Passivhäuser für verschiedene Klimazonen, Passivhaus Institut Darmstadt, Rongen Architekten, Wassenberg, 2011 [Domy pasywne dla różnych stref klimatycznych]

 

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 3/2015

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.