Vplyv vlastností okna na potrebu tepla pri vykurovaní budov
Článok sa zaoberá vplyvom tepelnotechnických vlastností okien najmä zasklení na potrebu tepla pri vykurovaní budov. Porovnanie tradičného dvojnásobného zasklenia s modernými nízkoemisnými izolačnými zaskleniami robí okno hlavným šetriacim prvkom na fasáde spomedzi stien, striech, podláh a transparentných častí.
1. ÚVOD
Transparentná konštrukcia pri tepelnej ochrane budovy spôsobuje kvantitatívne najväčšie hustoty tepelných tokov v zimnom období a v letnom období sa môže stať hlavným zdrojom neželaných a nadmerných tepelných ziskov. Dnešné pokrokové technológie nových transparentných konštrukcií a prvkov zmenili stavebnofyzikálne vlastnosti výrazným spôsobom. Dlhé roky prakticky nemenné vlastnosti transparentných konštrukcií nadobudli progresívne optické a energetické parametre. Transparentná konštrukcia sa stáva architektonickým komponentom, ktorý sa nemohol v takejto kvalite používať v minulosti. Pokrokové technológie a inovácie umožnili umiestniť na trh výrobky, ktoré majú zvyčajne:
- nízkoemisné a selektívne zasklenia,
- dvoj a viacnásobné izolačné zasklenia,
- plynové výplne inertnými plynmi
- dištančné profily zasklení s "teplým okrajom",
- tepelnotechnicky inovované rámové konštrukcie,
- zasklenia na reguláciu priepustnosti slnečného žiarenia,
- inovované materiály na tesnenie škár,
- vetranie pomocou samoregulačných klapiek, vetracích štrbín.
2. TEPELNOTECHNICKÉ VLASTNOSTI OKIEN
Najdôležitejšou vlastnosťou je súčiniteľ prechodu tepla so symbolom U v jednotkách W/(m2.K). Udáva tepelný tok (tepelnú stratu v zimnom období) cez 1 m2 pri jednotkovom rozdiele teplot. Čím nižšia je táto hodnota, tým má konštrukcia lepšie tepelnoizolačné vlastnosti. Táto hodnota sa môže udávať pre:
- okno ako výrobok Uok,
- zasklenie Ug a rámovú konštrukciu Uf osobitne, pričom výsledná hodnota pre okno sa spočíta definovaným normalizovaným spôsobom podľa STN EN ISO 10077-1 2 .
- Obidva spôsoby sa dnes pripúšťajú v slovenských aj európskych technických normách. Požiadavky na navrhovanie okien sa dajú zjednodušene vyjadriť týmito pravidlami. V Slovenskej republike podľa STN 73 0540-2 [1] pre okná v obvodovej stene, strešné okná a dvere do priestoru s trvalým pobytom ľudí sa odporúča aby:
- pri nových budovách Uok ≤ 1,7 W/(m2.K),
- pri obnovovaných (rekonštruovaných) budovách Uok ≤ 2,0 W/(m2.K),
V ČR se podle ČSN 73 0540 - 2 požaduje u oken a jiných výplní otvorů z vytápěného prostoru (včetně rámu, který má nejvýše U = 2,0 W/(m2.K)) pro nové konstrukce UN = 1,8 W/(m2.K) a pro upravené UN = 2,0 W/(m2.K) a doporučuje pro nové konstrukce UN = 1,2 W/(m2.K) a pro upravené UN = 1,35 W/(m2.K). Je tedy patrné, že požadované parametry stran součinitele prostupu tepla oken jsou v české i slovenské normě srovnatelné.
Celá otvorová konštrukcia ostatných budov má vyhovovať požiadavkám na zamedzenie povrchovej kondenzácie vodnej pary. Ak nie je možné kondenzácii predísť konštrukčnými opatreniami alebo úpravou prostredia, treba zabezpečiť vhodnú úpravu konštrukcie na zachytenie a odvod kondenzátu.
Pre zasklenie obnovovaných a nových budov sa odporúča použiť zasklenie, ktorého súčiniteľ prechodu tepla Ug ≤ 1,5 W/(m2.K).
Vyššie hodnoty súčiniteľa prechodu tepla ako sú odporúčané hodnoty môžu mať stavebné konštrukcie nových budov, ak sa splní energetické kritérium t.j. normalizovaná potreba tepla na vykurovanie.
3. URČOVANIE SÚČINITEĽA PRECHODU TEPLA PODĽA EURÓPSKYCH NORIEM
Súčiniteľ prechodu tepla okien alebo dverí sa určuje zo vzťahu [2]:
kde:
Uf - je súčiniteľ prechodu tepla rámu a krídla vo W/(m2.K),
Af - plocha rámovej konštrukcie premietnutá na plochu rovnobežnú so zasklením v m2
Ug - súčiniteľ prechodu tepla zasklenia vo W/(m2.K),
Ag - plocha zasklenia v m2,
ψg - lineárny stratový súčiniteľ vo W/(m.K),
lg - obvod zasklenia v krídle (m).
Lineárny stratový súčiniteľ ψg vyjadruje vplyv styku zasklenia a krídla na tepelný tok. V mieste tohto styku vzniká tepelný most v dôsledku deformovaného teplotného poľa v blízkosti dištančného profilu (zvyčajne kovového). Tento sa vyjadruje prídavným tepelným tokom vo W na 1 m styku pri jednotkovom rozdiele teplôt vnútorného a vonkajšieho vzduchu. Udávané hodnoty súčiniteľa prechodu zasklenia sú teda bez vplyvu dištančného profilu a udávané hodnoty súčiniteľa prechodu tepla rámovej konštrukcie sú bez vplyvu zasklenia.
Súčiniteľ prechodu tepla zasklenia na báze
|
Lineárny stratový súčiniteľ nadobúda hodnoty:
|
3. HODNOTENIE POTREBY TEPLA NA VYKUROVANIE
Výpočet potreby tepla na vykurovanie Qh je založený na tepelnej bilancii budovy podľa STN EN 832 [3] s uvažovaním:
|
a) z obostavaného objemu budovy Vb v m3; základom na výpočet sú pôdorysné rozmery vymedzené vonkajším povrchom obvodových stien jednotlivých vykurovaných podlaží;
b) z mernej plochy bytových podlaží Ab v m2, ktorá je súčtom pôdorysných plôch jednotlivých vykurovaných podlaží určených podľa bodu a);
c) uvažuje sa referenčná vykurovacia sezóna s počtom denostupňov D = 3 422 K.deň a faktor využitia tepelných ziskov sa uvažuje s hodnotou η = 0,95;
e) merná potreba tepla na vykurovanie v kWh/m3 na celú vykurovaciu sezónu sa určí zo vzťahu
;
f) merná potreba tepla na vykurovanie v kWh/m2 na celú vykurovaciu sezónu sa určí zo vzťahu
;
g) uvažuje súčet teplovýmenných plôch ΣAi na teplovýmennom obale budovy, ktoré uzatvárajú vykurovaný objem zo všetkých strán; teplovýmenný obal zahŕňa všetky vonkajšie konštrukcie a vnútorné konštrukcie (strop nad nevykurovaným suterénom alebo podlaha na teréne a prípadne deliace konštrukcie v susednej nevykurovanej budove);
h) faktor tvaru budovy v 1/m sa určí zo vzťahu
faktor budovy = .
Obytné budovy spĺňajú energetické kritérium [1], ak majú v závislosti na faktore tvaru budovy potrebu tepla E1 ≤ E1,N, alebo E2 ≤ E2,N
kde E1,N alebo E2,N je normalizovaná hodnota potreby tepla v kWh/(m3.rok) alebo kWh/(m2.rok) podľa obr. 1.
Obr. 1 - Normalizované hodnoty potreby tepla na vykurovanie v STN 73 0540 [1]
5. VPLYV OKIEN NA POTREBU TEPLA NA VYKUROVANIE
Vplyv vlastností otvorových konštrukcií na potrebu tepla na vykurovanie sa dokumentuje na vplyve hodnoty súčiniteľa prechodu tepla okien bytového domu a rodinného domu podľa obr. 2 a obr. 3. Predpokladá sa, že nepriesvitné konštrukcie strechy a podláh vyhovujú z hľadiska tepelného odporu požiadavkám STN 73 0540-2. Pre rozličné tepelné odpory stien v rozsahu od R = 2 až do 3,5 m2.K/W sa analyzuje potreba tepla na vykurovanie tak, aby sa splnila požiadavka energetického kritéria. Vidíme, že splnenie požiadavky energetického kritéria sa dá dosiahnuť iba s oknami s nízkoemisným zasklením. Ak má budova okná na báze dvoch čírych skiel, nedá sa splniť pri nových budovách požiadavka na potrebu tepla na vykurovanie.
Obr. 2 - Vplyv vlastnosti okien na potrebu tepla bytového domu
Obr. 3 - Vplyv vlastnosti okien na potrebu tepla rodinného domu
Dominantou transparentnej konštrukcie je sklo. Sklo sa dnes využíva na konštrukciu progresívnych nízkoemisných a selektívnych izolačných zasklení, ktorých vlastnosti sa podstatne líšia od bežného číreho dvojskla.
Pri efektívne izolovaných nepriesvitných fragmentoch stien sa dosahuje U = 0,3 W/(m2.K). Tradičné dvojsklo s čírymi sklami má Ug = 2,7 až 2,9 W/(m2.K). Teda takmer desaťnásobne vyšší tepelný tok (tepelná strata v zimnom období) sa šíri prechodom tepla cez tradičné zasklenie ako cez stenu. Uplatnenie nízkoemisných zasklení s výplňou inertným plynom tento veľký rozdiel podstatne eliminuje. Je určitým tepelnoizolačným paradoxom navrhovanie nových budov s nepriesvitnými obvodovými konštrukciami stien a striech so súčiniteľmi prechodu tepla U = 0,2 až 0,5 W/(m2.K) a ich kombinovanie s tradičným zasklením na báze dvoch čírych skiel. Takýto prístup je nesprávny a odporuje dnešným požiadavkám noriem. Nie je v súlade s trendom šetriť energiu na vykurovanie. Izolačné nízkoemisné dvojsklá s výplňou inertným plynom sú najefektívnejšou cestou v súčasnosti šetriť energiu potrebnú na vykurovanie. Uplatnenie týchto moderných zasklení je pritom efektívne tak v novej výstavbe ako aj rekonštrukciách budov. Pri navrhovaní z hľadiska tepelnej ochrany sa predpokladá použitie nízkoemisných zasklení do okien nových budov ale aj obnovovaných (rekonštruovaných) budov.
Poznámka recenzenta:
V ČR se podle ČSN 73 0540 - 2 požaduje u oken a jiných výplní otvorů z vytápěného prostoru (včetně rámu, který má nejvýše U = 2,0 W/(m2.K)) pro nové konstrukce UN = 1,8 W/(m2.K) a pro upravené UN = 2,0 W/(m2.K) a doporučuje pro nové konstrukce UN = 1,2 W/(m2.K) a pro upravené UN = 1,35 W/(m2.K). Je tedy patrné, že požadované parametry stran součinitele prostupu tepla oken jsou v české i slovenské normě srovnatelné.
Použité zdroje:
[1] STN 73 0540 1 až 4 Tepelnotechnické vlastnosti stavebných konštrukcií a budov. Tepelná ochrana budov. ÚNMS SR, 2002
[2] STN EN ISO 10077-1 Tepelnotechnické vlastnosti okien, dverí a okeníc. Výpočet súčiniteľa prechodu tepla, ÚNMS SR, Júl 2002
[3] STN EN 832 Tepelnotechnické vlastnosti budov. Výpočet potreby energie na vykurovanie. Budovy na bývanie, ÚNMS SR, Júl 2001.