Parametry techniczne szyby a jakość energetyczna stolarki - część 3

Jerzy Żurawski, Dolnośląska Agencja Energii i Środowiska

Stolarka budowlana, a w szczególności okna pełnią wiele różnych funkcji mających wpływ na zużycie energii w budynku. Jakość energetyczna stolarki zależna jest od bardzo wielu czynników. Wybór efektywnej energetycznie i ekonomicznie stolarki budowlanej nie jest zadaniem prostym. Najczęściej oceniamy tego typu przegrody przez wartość współczynnika przenikania ciepła U okna (U_W), drzwi lub bram garażowych(U_D). Aby prawidłowo ocenić efektywne energetycznie rozwiązania potrzeba określić szereg parametrów składowych stolarki, mających istotny wpływ na efekt końcowy.

Do podstawowych parametrów mających wpływ na efektywność energetyczna stolarki budowlanej należą: konstrukcja i geometria stolarki, izolacyjność termiczna profili, szyb, ramki dystansowej, powierzchnia przeszklenia, przepuszczalności energii promieniowania słonecznego, szczelność, sposób mocowania do budynku, zastosowanie osłony termicznej i przeciwsłonecznej wraz ze sterowaniem.

Ze względu na tak dużą ilość czynników mających wpływ na efekt końcowy niezbędne jest stosowanie wielokryterialnej oceny energetycznej stolarki, ostatecznie opisującej prognozowane, obliczeniowe zużycie energii w standardowym sezonie grzewczym. Wyniki takich analiz powinny być przedstawione w sposób prosty i czytelny np. w postaci etykiety energetycznej, która w zintegrowany sposób pozwoli oceniać ostatecznie jakość energetyczną stolarki.

W niniejszym artykule omówione zostaną zagadnienia związane z wpływem parametrów szyby na jakość energetyczną stolarki. Określenie efektywności energetycznej stolarki okiennej wymaga precyzyjnego określenia parametrów szyby.

Rysunek 1. Przykładowa etykieta energetyczna

Parametry energetyczne szyby

Do produkcji okien stosuje się aktualnie szyby zespolone dwu, trzy lub czteroszybowe. Przy wyborze okna najczęściej uwzględniana jest tylko izolacyjność termiczna szyby U_G, często mylona z izolacyjnością całego okna. Pomijane są inne parametry, mające wpływ na efektywność energetyczną szyby, a więc i okna. Ważną częścią szyby jest ramka dystansowa znajdująca się w miejscu zespolenia szyb. Nowoczesne, energooszczędne szyby posiadają specjalne powłoki niskoemisyjne, które dodatkowo zmniejszają straty ciepła przez zastaw szybowy, ale mogą mieć też istotny wpływ na inne parametry.

Rysunek 2. Schematyczna budowa szyby zespolonej (z materiałów firmy Saint-Gobain)

Efektywność energetyczna stolarki okiennej zależy przede wszystkim od parametrów szyby oraz od:

zacienienia konstrukcją budynku, czyli zależy od usytuowania stolarki w przegrodzie oraz od wybrania grubości izolacji termicznej, sposobu montażu. Wymaga indywidualnej analizy projektowej.
wielkości powierzchni szyby w oknie, a więc od geometrii okna. Standardowe rozwiązania charakteryzują się wartością mieszczą się w przedziale od 0,85 do 0,65, najczęściej 0,7 i mającą istotny wpływ na zużycie energii na ogrzewanie, chłodzenie, oświetlenie.
współczynnika przepuszczalności światła (light transmission) Lt.
współczynnika przepuszczalności energii szyby - g_G (solar faktor).

Współczynnik przepuszczalności światła

Jedną z podstawowych i najstarszych funkcji okna jest zapewnienie odpowiedniej ilości światła dziennego w pomieszczeniach użytkowanych przez ludzi. Prawo budowlane określa minimalną wielkość przegród przeźroczystych w budynkach w następujący sposób: w pomieszczeniu przeznaczonym na pobyt ludzi stosunek powierzchni okien, liczonej w świetle ościeżnic, do powierzchni podłogi powinien wynosić, co najmniej 1: 8 (12,5%), natomiast w innym pomieszczeniu, w którym oświetlenie dzienne jest wymagane ze względów na przeznaczenie - co najmniej 1:12. Zapis ten jest o tyle nieprecyzyjny, że nie określa efektywnej powierzchni przeźroczystej, a jednie powierzchnie w świetle ościeżnic, co przy stosunkowo dużej grubości ocieplenia lub ramy może mieć wypływ na ilość światła dziennego w pomieszczeniu. Okna o dobrej izolacyjności termicznej mogą charakteryzować się stosunkowo dużą powierzchnią nieprzeźroczystą wynoszącą nawet 30-40 % powierzchni liczonej w świetle ościeżnic. Efektywna powierzchnia przeźroczysta będzie znacząco mniejsza.

Wartość współczynnika przepuszczalności światła L_t wyrażona jest w procentach i oznacza stosunek światła, które przeszło przez szybę do światła docierającego do szyby. Parametr ten może mieć istotny wpływ na zużycie energii na oświetlenie. Zależy od powierzchni szyby, powierzchni pomieszczenia, rozmieszczenia okna w ścianie, zacienienia konstrukcyjnego, zacienienia otoczenia. Uwzględnienie wpływu parametru L_t w bilansie energetycznym okna nie jest możliwe bez znajomości geometrii pomieszczenia, lokalizacji pomieszczenia i okna, zacienienia konstrukcyjnego oraz zacienienia otoczeniem. Dlatego w dalszej części czynnik ten będzie w analizach pominięty.

Należy podkreślić, że im wyższa wartość L_t tym przyjęte rozwiązanie jest energetycznie lepsze, ale i droższe. Opisując w projekcie szyby należ zadbać aby wartość Lt była prawidłowo opisana, zgodnie z oczekiwaniami projektanta. Szyby wielokomorowe będą charakteryzować się niższym współczynnikiem przepuszczalności światła.

Wysoka przepuszczalność światła L_t najczęściej wiąże się z dużą przepuszczalności energii promieniowania słonecznego - g_G co ma bardzo duży wpływ na efektywność energetyczną okna.

Przykłady szyb i ich właściwości przepuszczalności światła zamieszczono w tabeli poniżej.

Lp.	Budowa zestawu szybowego	ilość komór	ilość szyb	U_G	L_t [W/m²K]	g_G
1	4ECF-16a-4CGP	1	2	1,1	80	0,63
2	4ECF-16a-4CG1	1	2	1,0	70	0,5
3	4CGP-18a-4ECF-18a-4CGP	2	3	0,5	71	0,49
4	4CG1-18a-4ECF-16a-4CG1	2	3	0,5	55	0,37
5	6SG62/34-16a-4ECF	1	2	1	63	0,34
6	4SG62/34-16a-4ECF-16a4CGP	2	3	0,5	56	0,31
7	4CGnrG-18a-4ECF-18a-4CGnrG	2	3	0,6	73	0,62

Wartość współczynnika przepuszczalności energii - g_G

Wartość współczynnika przepuszczalności energii g_G (solar faktor) oznacza ilość całkowitej energii słonecznej przepuszczanej przez szybę (przepuszczanej bezpośrednio i odbitej) do wnętrz pomieszczenia. W Prawie budowlanym określono wartość graniczną całkowitej przepuszczalności energii przez przegrody przeźroczyste. Ograniczenie odnosi się do usytuowania na wschód, południowy wschód, zachód, południowy zachód oraz południe o określne jest zależnością:

g = g_G · f_C≤ 0,35

gdzie:

g_G – współczynnik całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego dla szklenia,

f_C – współczynnik redukcji promieniowania słonecznego ze względu na zastosowanie urządzenia przeciwsłonecznego.

Wymagań tych nie stosuje się do przegród przeźroczystych pionowych oraz pod kątem 60° skierowanych na północ, północny zachód, północny wschód oraz przegród przeźroczystych dachowych pod kątem 45° skierowanych na północ.

Współczynnik g_G należy przyjmować zgodnie z deklarowanymi danymi producenta szyb. W przypadku, gdy jest brak takich danych, w Rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie wartości g_G można przyjąć zgodnie z tabelą zamieszczoną poniżej.

Lp.	Typ szklenia	Współczynnik g_G
1	Pojedynczo szklone	0,85
2	Podwójnie szklone	0,75
3	Podwójnie szklone z powłoką selektywną	0,67
4	Potrójnie szklone	0,7
5	Potrójnie szklone z powłoką selektywną	0,5
6	Okna podwójne	0,75

Współczynnik całkowitej przepuszczalności promieniowania słonecznego a efektywność energetyczna okna

Dobrze wykorzystane własności szyby w zakresie przepuszczalności promieniowania słonecznego g_G może mieć istotny wpływ na efektywność energetyczną stolarki a także budynku na potrzeby artykułu wykonano analizy wpływu wartości g_Gna jakość energetyczną budynku. Do analiz przyjęto dom jednorodzinny o powierzchni 126 m² i „typowej” architekturze, niskoenergetyczny o zapotrzebowaniu na energię użytkową EU= 18,27 kWh/m²rok uzyskanej przy oknach o U_W = 0,9 W/m²K i szybach o g_G = 0,62. Obliczenia wykonano następnie dla okien o takim samym U_Woraz o g_G – 0,5 oraz o,33. Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli poniżej.

Tabela 3. Analiza zapotrzebowania na ciepło dla budynku o F=126 m² i Uw = 0,9 W/m²K przy zmiennej wartości g_G.

Budynek o F=126 m³ energooszczędny z szybą o g:	U_W [W/m²K]	EU [kWh/m²rok]	wzrost zużycia energii użytkowej
szyba o g = 0,62	0,9	18,27	0%
szyba o g= 0,5	0,9	20,47	12%
szyba o g = 0,33	0,9	24,04	32%

Budynek o F=126 m³ energooszczędny z szybą o g:

U_W

[W/m²K]

[kWh/m²rok]

wzrost zużycia energii użytkowej

szyba o g = 0,62

0,9

18,27

szyba o g= 0,5

0,9

20,47

12%

szyba o g = 0,33

0,9

24,04

32%

Zastosowanie szyb o mniejszej wartości g_G ma istotny wpływ na pogorszenie charakterystyki energetycznej budynku. Przy g_G = 0,5 wzrost EU, EK, i EP wynosi 12% a przy g_G = 0,33 aż o 32%. W omawianym przypadku bilansie energetycznym udział chłodzenia był pomijalny dlatego budynek analizowany był w zakresie energii na ogrzewanie. Niezbędne jest szacowanie wpływu przepuszczalności promieniowania słonecznego również w całym sezonie użytkowym. Wyniki analiz mogą być inne dla pomieszczeń ogrzewanych i chłodzonych.

Z tego powodu niezbędne jest wprowadzenie oceny energetycznej stolarki, pomocnej przy podejmowaniu decyzji zarówno dla projektantów oraz inwestorów. Konieczne jest wprowadzenie takiego samego systemu oceny energetycznej dla projektantów i inwestorów będącego etykietowaniem energetycznym stolarki.

Przykład oceny energetycznej stolarki o U_W = 1,3 W/m²K oraz zmiennej wartości g wykonano na potrzeby artykułu.

Tabela 4. Teoretyczna analiza wpływu g_G na jakość energetyczną okna w pomieszczeniach ogrzewanych.

Lp.	Ug [W/m²K]	g	Uw [W/m²K]	Efektywność energetyczna EE h na ogrzewanie [kWh/m²rok]	Poprawa efektywności energetycznej okna na ogrzewanie wyrażona w %	Klasa energetyczna na ogrzewanie
1	1,1	0,63	1,23	-79,68	22%	D
2	1,1	0,6	1,23	-82,13	20%	D
3	1,1	0,55	1,23	-86,54	16%	D
4	1,1	0,5	1,23	-91,4	11%	D
5	1,1	0,45	1,23	-96,77	6%	E
6	1,1	0,4	1,23	-102,77	0%	E

Tabela 5. Teoretyczna analiza wpływu g_G na jakość energetyczną okna w pomieszczeniach ogrzewanych i chłodzonych.

Lp.	Ug [W/m²K]	g	Uw [W/m²K]	Efektywność energetyczna EE h+c na ogrzewanie i chłodzenie [kWh/m²rok]	Poprawa efektywności energetycznej okna na ogrzewanie i chłodzenie wyrażona w %	Klasa energetyczna na ogrzewanie i chłodzenie
1	1,1	0,63	1,23	-114,51	7%	D
2	1,1	0,6	1,23	-115,36	6%	E
3	1,1	0,55	1,23	-116,45	5%	E
4	1,1	0,5	1,23	-118,00	4%	E
5	1,1	0,45	1,23	-120,08	2%	E
6	1,1	0,4	1,23	-122,74	0%	E

Wyniki symulacji przedstawione w tabelach 4 i 5 są teoretyczne. Rzeczywiste parametry szyby: L_t, g_G, U_G mają wpływ na współczynnik przenikania ciepła okna i nie są liniowe, jak przedstawiono w tabelach 4,5. Dla lepszego, zbliżonego do rzeczywistych wartości wykonano analizy energetyczne dla dwóch grup produktów tak aby spełnić wymagania prawne w zakresie U_W ≤ 1,3 W/m²K oraz ≤ 0,9 W/m²K. Obliczenia współczynnika przenikania ciepła wykonano dla okna o wymiarach 1,48 x 1,23 m² oraz dla ramki dystansowej o y = 0,04 W/mK. Szczegóły zamieszczono w tabelach poniżej.

Tabela 6. Analiza wpływu g_G na jakość energetyczną okna dla przegród spełniających minimalne wymagania prawne zlokalizowanych w pomieszczeniach ogrzewanych.

Lp.	Typ szyby	Model	Ug [W/m²K]	g	Uw [kWh/m²rok]	Zmiana wartości Uw wyrażona w %	Efektywność energetyczna EE h na ogrzewanie [kWh/m²rok]	Poprawa efektywności energetycznej okna na ogrzewanie wyrażona w %
1	Therm	4/16Ar/4LE	1,1	0,63	1,23	-5%	-76,63	7%
2	Therm	4/16Ar/4LE	1	0,56	1,16	-11%	-79,29	4%
3	Therm	8/16Ar/4LE	1,1	0,58	1,23	-5%	-83,84	-2%
4	Therm	6/16Ar/6S1	1	0,53	1,23	-5%	-88,42	-7%
5	Therm	4GS/16Ar/4GS	1,2	0,67	1,3	0%	-82,6	0%
6	ClimaPlus	One 4/16/4	1,1	0,42	1,23	-5%	-100,26	-21%

Tabela 7. Analiza wpływu g_G na jakość energetyczną okna dla przegród spełniających wymagania Uw ≤ 0,9 W/m²K zlokalizowanych w pomieszczeniach ogrzewanych.

Lp.	Typ szyby	Model	Ug [W/m²K]	g_G	Uw [kWh/m²rok]	Zmiana wartości Uw wyrażona w %	Efektywność energetyczna EE h na ogrzewanie [kWh/m²rok]	Poprawa efektywności energetycznej okna na ogrzewanie wyrażona w %
7	Therm	4LE/12Ar/4/12Ar/4LE	0,7	0,51	0,96	-39%	-65,24	-20%
8	Therm	8LE/12Ar/4/12Ar/4LE	0,7	0,47	0,96	-39%	-65,74	-21%
9	Therm	4LE/16Ar/4/16Ar/4LE	0,7	0,61	0,96	-39%	-58,35	-7%
10	Therm	4S1/12Kr/4/12Kr/4LE	0,4	0,41	0,76	-10%	-56,34	-4%
11	ClimaQ	4/12/4/12/4/12/4	0,3	0,33	0,69	0%	-54,4	0%
12	ClimaTop	4/18/4/18/4	0,6	0,62	0,89	-29%	-52,41	4%
13	ClimaTop	4/12/4/12/4	0,7	0,62	0,96	-39%	-57,89	-6%

Powyższe analizy nasuwają następujące wnioski:

o jakości energetycznej stolarki nie decyduje jedynie izolacyjność termiczna szyby, a co za tym idzie i okna,
okna o najlepszej wartości U_W ale o niskiej wartości g_G może nie być rozwiązaniem energetycznie i ekonomicznie optymalnym,
dobrze, gdy przegrody przeźroczyste charakteryzują się zmienną wartością g_G zależną od pory roku oraz od lokalizacji względem stron świata.
w okresie letnim, w przypadku występowania koniczności chłodzenia współczynnik przepuszczalności energii słonecznej g_G powinien być niski.
optymalna wartość g_G zależy od lokalizacji budynku - nasłonecznienia, zacienienia otoczenia, zastosowania dodatkowych urządzeń zacieniających oraz związanych z tym kosztów inwestycyjnych.
w okresie grzewczym wartość g_G powinna być jak najwyższa tak, aby umożliwić wykorzystanie darmowej energii słonecznej do ogrzewania pomieszczeń.
zastosowanie właściwych rozwiązań narzuca konieczność metodologii oceny energetycznej stosowanej przy etykietowaniu energetycznym stolarki już na etapie projektowania.

Podsumowanie

Analiza efektywności energetycznej okien w odniesieniu do parametrów technicznych części przeźroczystych-szyb jest zadaniem złożonym. Oszacowanie wpływu szyb na jakość energetyczną okna nawet dla projektantów i specjalistów jest zadaniem niełatwym. Wsparciem jest etykietowanie energetyczne stolarki, w którym poddawane są wszystkie parametry mające wpływ na jakość energetyczną okna i jest do pobrania z: http://www.cieplej.pl/soft/etenstol/setup.exe