W wydanej u schyłku XX w. fundamentalnej pracy pt. Szkło w architekturze, jej autor, Michael Wigginton, uznaje szkło za najdoskonalszy materiał wynaleziony przez człowieka.
Jego opinię przytacza rektor Politechniki Krakowskiej, prof. Wacław Celadyn w monografii pt. Przegrody przeszklone w architekturze energooszczędnej.
Przeszklenia a energooszczędność
Szkło jest materiałem przyszłościowym. Literatury fachowej na jego temat bezustannie przybywa. Problematyka przegród przeszklonych staje się coraz bardziej rozwojowa, a przez to – intrygująca. Postęp w tej dziedzinie trwa już ponad sto lat i jest „napędzany” przez intensyfikację działań prooszczędnościowych.
Energooszczędne budownictwo wymusza rozwój przegród zewnętrznych. Dochodzi do tego postęp w samej nauce. Odkrywane są nowe, bardzo ciekawe mechaniczne właściwości szkła. Wcześniej na tych łamach interesująco opisywał ten proces, prof. Bogusław Stefańczyk z Politechniki Szczecińskiej.
Wspomniane wyżej Przegrody przeszklone w architekturze energooszczędnej W. Celadyna koncentrują się nie tyle na zagadnieniach konstrukcyjnych – choć ich nie ignorują – co na kwestiach relacji pomiędzy technicznymi a przestrzenno-estetycznymi parametrami przegród. Te wzajemne powiązania są bowiem dla architekta istotniejsze. Musi on rozumieć implikacje swych decyzji.
Zbytni nacisk (ocierający się niekiedy o arbitralność) położony na jedno, niekorzystnie odbije się na drugim. Tymczasem bilans energetyczny musi się zgadzać, a nawet przynosić określone profity. Zasadnicza trudność w projektowaniu przegród przeszklonych polega na występowaniu wielu sprzężeń zwrotnych (rozpoznanych i zbadanych) obok zjawisk zaobserwowanych, ale nie w pełni poznanych.
Znaczenie przegród zewnętrznych Rola przegród zewnętrznych jest bardzo duża. Ciepło z budynku ucieka wprawdzie także przez podłogi oraz w następstwie działania systemu wentylacyjnego, a taki system w jakiejś formie funkcjonować musi. Jednak w obiektach energooszczędnych znaczenie przegród bywa pierwszoplanowe, choć dziś jest nieco inne niż dawniej, a to z tej przyczyny, że współczesna obudowa ma nie tylko chronić, także tworzyć swoistą superatę, ujawniać dodatkowe zyski ciepła z zewnętrznych źródeł o niekonwencjonalnym charakterze.
Przegroda zewnętrzna pośredniczy też w dostarczaniu światła dziennego do pomieszczeń wewnętrznych oraz ochrania przed nadmiernym przenikaniem dźwięków pochodzących z otoczenia budynku. Odgrywa ona istotną rolę w wymianie powietrza, niezbędnej dla prawidłowego funkcjonowania ludzkiego organizmu – ściany i dachy sprawują wówczas rolę filtra. Przyjął się podział przegród na pionowe (czyli ściany) i poziome (stropy, dachy płaskie oraz nachylone). Inny typ podziału to podział przegród na przepuszczające światło oraz nieprzezierne.
Wszystko, co zostało wyżej powiedziane, jest prawdziwe dla krajów naszej strefy klimatycznej. W tropikach, w strefie podzwrotnikowej przegroda tworzy tylko symboliczną granicę, gdyż musi tam dokonywać się nieustająca cyrkulacja powietrza.
Przegrody przepuszczające światło są albo przezroczyste albo prześwietlające. Te pierwsze produkowane są jako pojedyncze, podwójne lub potrójne tafle szklane. Mogą też być wykonane w formie folii z tworzyw sztucznych. Przegrody prześwietlające natomiast nie pozwalają na dokładną obserwację przedmiotów i ludzi znajdujących się wewnątrz danego obiektu. Obraz zawsze będzie nieco zamazany, ale wnętrze zostanie doświetlone.
Jak najmniej tracić...
W budownictwie energooszczędnym chodzi o trzy rzeczy, co do których wszyscy naukowcy są zgodni: o pomniejsze strat, o maksymalizację zysków energii ze źródeł odnawialnych oraz optymalizację komfortu wnętrz. Znajduje to swe odniesienia także przy kształtowaniu przegród zewnętrznych. Spełniająca energetyczne wymogi przegroda musi być szczelna. Napływ – oczywiście niezbędnego – powietrza winien podlegać kontroli, co zapewniają oddzielne systemy, do tego celu specjalnie powołane.
Maksymalizacja zysków energii ze źródeł odnawialnych może nastąpić tylko w przypadku przegród przezroczystych i przeświecających, gdzie dodatkowo dochodzi efekt szklarniowy, potęgujący skuteczność termiczną przegrody.
Zdaniem profesora Celadyna, komfort wnętrz pomieszczeń z przegrodami zewnętrznymi jest powiązany w sposób kompleksowy. Na stabilność temperatury duży wpływ wywiera pojemność cieplna przegród, zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych. Dopuszczalna jest różnica najwyżej czterech stopni w skali Celsjusza pomiędzy poszczególnymi fragmentami powierzchni przegrody. Zróżnicowanie temperatury wewnętrznej powierzchni przegrody oraz ciepłoty wnętrza nie powinno przekraczać dwóch stopni.
Co tyczy się wilgotności – jednym z problemów współczesnego budownictwa jest nadmierna szczelność przegród. Udaremnia to przepływ powietrza i pary wodnej, oraz podnosi poziom wilgotności względnej pomieszczenia (powinno mieścić się w przedziale od 40 do 60%).
Przegrody szklane nie przepuszczają powietrza bez urządzeń wentylacyjnych z nimi współdziałających. Wedle opinii L. Banasia, zastoiny skażonego powietrza w narożnikach wnętrz mogą utworzyć się nawet wtedy, gdy wentylacja jest pozornie całkiem sprawna (Barnaś L., Przegrody budowlane zdrowych budynków, „Przegląd Budowlany” 11/1995).
Izolacyjność akustyczna przegród zewnętrznych powinna zawierać się w przedziale od 50 do 75 dB. Szok naftowy z 1973 r. (kilkakrotne podniesienie cen ropy przez kraje OPEC) zwrócił uwagę na problem energochłonności. Rozpoczęło się swoiste współzawodnictwo pomiędzy tradycyjnymi i współczesnymi systemami ścian na polu ich efektów termoizolacyjnych, określanych wartością współczynnika przenikania ciepła U wyrażaną w W/m2K. Parametr ten w kolejnych systemach przegród był systematycznie obniżany. Za tą tendencją podążały z pewnym opóźnieniem normy i przepisy budowlane.
O ile w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku przeciętna wartość U dla powszechnie stosowanych ścian wynosiła 0,7 W/ m2K, a dla przegród przezroczystych (okien) 2,6 W/m2K, to na początku XXI wieku wynosi w Polsce 0,3 W/m2K i dla przegród przezroczystych 1,1 W/m2K. Jak wynika z powyższych danych, ten decydujący o wielkości strat ciepła przez przegrody zewnętrzne parametr korzystnie obniżył się w ciągu tego okresu 2,5-krotnie, przyczyniając się do znacznie efektywniejszej gospodarki ekonomicznej.
Literatura fachowa nazywa przegrodę przeszkloną systemem aktywnym energetycznie. Wymaga to choćby krótkiego doprecyzowania: za „aktywne” uznawane są te systemy, przez które energia przepływa intensywnie; „bierne” to te, które stawiają określony opór.
Energia przepływa przez przegrodę pod postaciami: ciepła, światła, ruchu powietrza, fal akustycznych oraz promieniowania elektromagnetycznego. Rodzaje promieniowania Energia słoneczna do zewnętrznych przegród budynku dociera jako promieniowanie bezpośrednie lub w postaci rozproszonej (tej drugiej w Europie Środkowej jest więcej).
Widmo promieniowania słonecznego składa się z trzech części różniących się długością fali: promieniowania ultrafioletowego (7% udziału w całości), promieniowania widzialnego (47%) oraz cieplnego (podczerwonego). To pierwsze odgrywa niewielką rolę, można je pominąć, gdyż prawie nie przenika przez szkło. Podczerwone przenika, przy czym jest to proces złożony.
Część promieniowania odbija się od szklanej powierzchni i powraca do środowiska zewnętrznego. Druga część ulega wchłonięciu przez szkło: proces ten zwiemy absorpcją. Trzecia część dociera do wnętrza. Wzajemne proporcje poszczególnych części zależą od tego, jakie dane szkło posiada własności oraz od kąta padania promieni słonecznych.
Promieniowanie dochodzące do wnętrza charakteryzowane jest przez trzy wskaźniki:
- współczynnik przepuszczania TR,
- współczynnik zaciemnienia Z,
- współczynnik zysków słonecznych S.
Wartości tego ostatniego zależą od rodzaju elewacji, od ich usytuowania względem stron świata. Dla elewacji północnej S wynosi 0,95 W/m2K, dla południowej – 2,4 W/m2K, dla dwóch pozostałych – po 1,65 W/m2K. Jeśli promieniowanie słoneczne przenika do wnętrza obiektu w sposób długotrwały, dochodzi do powstania efektu szklarniowego.
Przez przegrody ciepło także może uciekać. W celu przeciwdziałania temu zjawisku, tafle szklane pokrywane są powłoką o niskiej emisyjności. Ważny jest też skład zestawu termoizolacyjnego. Najczęściej do wypełnienia szczelin między taflami szkła składającymi się na jeden zestaw używa się gazów szlachetnych: argonu, kryptonu i ksenonu. Optymalne dla nich minimalne odległość między szybami wynoszą: dla argonu 15 mm, dla kryptonu 11 mm, dla ksenonu 8 mm.
Wpływ światła dziennego
Światło dzienne jest niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania ustroju ludzkiego; nawet polarnikom, pracującym w warunkach nocy arktycznej, zdarzają się psychiczne kryzysy, a jest to przecież materiał ludzki wyselekcjonowany nie tylko pod względem predyspozycji intelektualnych, także – siły duchowej.
Przepuszczane przez przegrodę do wnętrza budynku światło dociera tam tylko częściowo. Transmisja światła w szkle wyrażona są za pomocą odpowiedniego współczynnika, określanego jako „τ”. Rozmiary strat zależą od rodzaju przegrody. Dla szkła izolacyjnego wynosi on zazwyczaj 0,65 (W. Celadyn). Dla szkła pojedynczego o sześciomilimetrowej grubości współczynnik „τ” kształtuje się w sposób rozmaity, w zależności od zabarwienia (D. Button, B. Pye).
W przypadku przegród szklanych, zwykle dochodzi do nierównomiernego oświetlenia wnętrza, co trzeba ocenić negatywnie. Problem ten w mniejszym stopniu występuje, gdy w budynku zastosowane zostały przegrody przeświecające. A to z tej racji, iż rozpraszają one promieniowanie słoneczne. Zarówno światło dzienne, jak i sztuczne, wywiera niekorzystne zmiany w strukturze materiałów przez nie oświetlanych. Zniekształcają ich obraz.
Definiowane jest to jako zjawisko blaknięcia (D. Button, B. Pye za W. Celadynem). Aby je zminimalizować, zmniejszyć jego niedobre oddziaływanie, należy przy konstruowaniu przegród użyć szkła laminowanego względnie refleksyjnego. Owe gatunki szkła w znacznym stopniu ograniczają przenikanie światła niebieskiego oraz ultrafioletowego. Właśnie te rodzaje światła odpowiadają za zjawisko blaknięcia. Istotna jest również odpowiednia orientacja przestrzenna przegrody.
Systemy przeszklone nie posiadają dobrych właściwości akustycznych. Nie ma tu większego znaczenia, czy w budynku zastosowano zestawy termoizolacyjne czy zwykłą pojedynczą szybę.
Standardowe okna odznaczają się akustyczną izolacyjnością na poziomie zaledwie trzydziestu decybeli. Natomiast przegrody nie przepuszczające światła redukują hałas o pięćdziesiąt decybeli.
Znaczenie południowej orientacji fasady
W architekturze energooszczędnej twórcze działania mają charakter dwutorowy. Pierwszy kierunek to dążność do maksymalizacji zysków z promieniowania słonecznego. Koresponduje z nim proces minimalizacji strat cieplnych płynących z wnętrza budynku.
W Polsce okres grzewczy trwa sześć miesięcy, od początku października do końca marca. Najwięcej energii otrzymuje wtedy fasada południowa, na której kumulują się zyski ogrzewania wewnętrznego i energii słonecznej.
Fakt ten został dostrzeżony w krajach technologicznie przodujących. Niektórzy naukowcy poszli za przysłowiowym – intelektualnym – ciosem i wymyślili budynek energooszczędny obracający się; aby jak najwięcej – i przez jak najdłuższy czas – tego podarowanego przez Naturę ciepła słonecznego pochłonąć. Okazało się jednak, iż tak skonstruowany budynek okazał się być ekonomicznie nieopłacalny. Energetyczne profity nie zrównoważyły wcześniej poniesionych kosztów.
Zyski energetyczne, wynikające z promieniowania słonecznego, nauka uwzględnia w postaci współczynnika przenikania ciepła przez przegrodę Ueq.F.
Wracając jeszcze do pomysłu budynków zmieniających swoje położenie w stosunku do naszej gwiazdy, w swoim czasie przyjmowanego z wielkimi nadziejami, cios zadały jej prace badawcze B. J. Brinkwortha związane z ruchomymi kolektorami słonecznymi. Wynikło z nich, że mimo wszystko najkorzystniejsze jest zapewnienie fasadom stałej, optymalnej orientacji do Słońca. Dla fasad południowych w sezonie grzewczym najlepszy jest kąt nachylenia rzędu 60 stopni. Odbicia promieni od powierzchni są wtedy najmniejsze.
Również fasady zorientowane w kierunku południowo-wschodnim oraz południowo-zachodnim przy najkorzystniejszym dla nich nachyleniu (od 40 do 60 stopni), przynoszą pokaźne zyski cieplne, wynoszące 83% tego, co dają fasady zorientowane na południe.
Taka nachylona fasada musi przynajmniej częściowo spełniać warunki tradycyjnie przypisywane konstrukcjom poziomym, gdyż w zasadzie staje się ona dachem przeszklonym. Kąt nachylenia – jak zauważono wcześniej – przegrody przeszklonej wywiera wpływ zarówno na wysokość strat cieplnych, jak i na intensywność oświetlenia wnętrza obiektu wzniesionego przez człowieka, przy czym wygląda to inaczej w dzień słoneczny i w dzień pochmurny. Prostopadłe ustawienie przegrody dobre jest zimą, ale złe latem – pojawia się problem nadmiaru oświetlenia, który trzeba zwalczać przy pomocy osłon i filtrów.
Silne wiatry odbierają przegrodzie ciepło. Oddziaływanie wiatru jest tym potężniejsze, im przegroda wyższa. Nie ma tu większego znaczenia, jakie jest ustawienie przegrody wobec kierunku wiatru. Pod tym względem niskie budynku znajdują się w uprzywilejowanej sytuacji.
Za prawidłowe trzeba uznać ograniczenie powierzchni przeszklonych wyłącznie do ich fragmentów termicznie aktywnych. Redukcja przegrody przeszklonej o jej część nieaktywną, prowadzi do zmniejszenia kosztów zużycia energii konwencjonalnej. A o to wszystkim chodzi – od wielu lat.
Jerzy Grundkowski
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacj: Świat Szkła 2/2012
