Utrata ciepła przez powierzchnie przeszklone
Utrata ciepła przez powierzchnie przeszklone

Powierzchnie przeszklone pod względem energetycznym stanowią słaby punkt w okrywie budynku. Traci się przez nie więcej ciepła niż przez pozostałą część przegród ze względu na ich niższe parametry termoizolacyjne. Wraz ze wzrostem izolacyjności obserwuje się spadek zapotrzebowania na moc cieplną.

Dobór wielkości okien jest realizowany według kilku wymagań. Kładą one głównie nacisk na dostarczenie przez okna odpowiedniej ilości światła dziennego, niezbędnego do realizowania zadań wewnątrz pomieszczeń zgodnie z charakterem przeznaczenia budynku. Wśród wymagań związanych z oszczędnością energii sformułowano ustalenia dotyczące maksymalnej powierzchni okien oraz wielkości przeszklenia, czyli stosunku powierzchni okien P o do całkowitej powierzchni elewacji (ścian) P s. Zalecenia dotyczące ochrony cieplnej należy rozpatrywać wspólnie z wymaganiami dotyczącymi warunków oświetlenia i nasłonecznienia. Mała powierzchnia okien sprzyja ograniczeniu zużycia ciepła, powoduje jednak niedoświetlenie, zwłaszcza głębokich pomieszczeń. Zmusza to do korzystania z oświetlenia sztucznego i zwiększa zużycie energii elektrycznej. Zbyt duże okna są przyczyną nadmiernych strat ciepła w zimie oraz przegrzewania wnętrz w lecie. O wielkości temperatury w pomieszczeniach decyduje też kształt okien. Okna niskie i długie powodują większe przegrzewanie wnętrz niż wysokie i wąskie o tej samej powierzchni, zapewniające większą zmienność nasłonecznienia.

Wśród budynków użyteczności publicznej problem nadmiernego przeszklenia dotyczy w pierwszym rzędzie budynków oświatowych. Wielkość przeszklenia sięga tutaj do 60÷70%. Z badań wynika, że przeszklenie w tego typu budynkach powinno wynosić około 20% [1]. Ważnym problemem jest również preferowanie dużych powierzchni pojedynczych skrzydeł, które łatwo ulegają uszkodzeniu.

Ze względu jednak na znaczne koszty i długi czas zwrotu nakładów wymiana stolarki jest realizowana sporadycznie. Z przeszkleniem elewacji wiąże się wykorzystanie zysków słonecznych. Zyski te są większe w początkowych i końcowych miesiącach sezonu grzewczego oraz dla pomieszczeń z przeszkleniem w elewacji południowej. Stosunek zysków do strat poprawia się średnio o 20% w budynkach jednorodzinnych oraz o 10% w wielorodzinnych. Różnica między dniem słonecznym a bezsłonecznym w styczniu jest widoczna w dużym chwilowym udziale energii słonecznej w ogólnym chwilowym bilansie. Stanowi on około 30% całkowitych potrzeb energetycznych pomieszczenia. W przekroju dobowym spada jednak do 6,5%. Wydajność systemu grzewczego może być mniejsza wówczas o 3,1%. Pełne wykorzystanie zysków od promieniowania jest możliwe przy wyposażeniu instalacji c.o. w automatykę pogodową. Oszczędności w miesiącach o dużym nasłonecznieniu mogą wynieść wówczas do 40%. Przy projektowaniu budynków niskoenergochłonnych samo zwiększanie powierzchni okien może spowodować wzrost zużycia ciepła do ogrzewania w globalnym bilansie ze względu na wzmożone straty w okresie bezsłonecznym.

1. Charakterystyka przegród przezroczystych w analizowanych budynkach

Charakterystyczną cechą analizowanej struktury jest bardzo duże przeszklenie elewacji. Statystyczny opis struktury danych dotyczących wielkości przeszklenia elewacji budynków przedszkolnych zawiera tabela 1. W budynkach przedszkolnych przeszklenie elewacji kształtuje się średnio na poziomie 28%, a maksymalnie osiąga wartość 65% przy zalecanej wartości 20%.

Tabela 1. Przeszklenie elewacji w budynkach przedszkoli

Wybrane miary

statystyki opisowej

Wszystkie przedszkola

Cały budynek

Sale przedszkolne

P o/P s

płn.

płd.

wsch.

zach.

P o/P s

płn.

płd.

wsch.

zach.

Średnia arytmetyczna

0,28

0,23

0,36

0,23

0,25

0,40

0,46

0,47

0,32

0,36

Wartość maksymalna

0,65

0,46

0,75

0,85

0,51

0,75

0,70

0,75

0,59

0,61

Odchylenie standardowe

0,10

0,10

0,12

0,13

0,12

0,16

0,18

0,14

0,12

0,14

Współczynnik asymetrii

–0,5

–0,9

–0,4

0,6

–0,2

–1,1

–0,7

–0,8

0,4

0,6

Wybrane miary

statystyki opisowej

Budynki typowe

Budynki zaadaptowane

Cały budynek

Sale

Cały budynek

Sale

P o/P s

płd.

P o/P s

płd.

P o/P s

płd.

P o/P s

płd.

Średnia arytmetyczna

0,28

0,37

0,48

0,52

0,15

0,19

0,17

0,21

Wartość maksymalna

0,38

0,60

0,70

0,70

0,27

0,26

0,28

0,29

Odchylenie standardowe

0,05

0,09

0,09

0,10

0,06

0,05

0,07

0,05

Współczynnik asymetrii

–0,8

–0,4

–1,0

–0,7

Maksymalne przeszklenie 85% wystąpiło na elewacji wschodniej. W przypadku typowego budynku przedszkolnego maksymalne przeszklenie było równe 60% dla elewacji południowej. Znacznie większe było średnie przeszklenie samych sal przedszkolnych. W typowych budynkach przedszkoli wynosiło ono średnio 48%, a maksymalne 70%. Średnie przeszklenie sali przedszkolnej wynosiło 40%, a maksymalne 75%. Dla porównania średnie przeszklenie budynków mieszkalnych zaadaptowanych na przedszkola wynosiło około 15% [1] przy maksymalnej wartości 27%, a sal w tych budynkach 17% przy maksymalnej wartości 29%. Badana zbiorowość wykazywała w zakresie wskaźnika Po/Ps asymetrię lewostronną, bardzo silną zwłaszcza w przypadku stosunku powierzchni okien do powierzchni ścian w salach przedszkolnych. Podobna sytuacja rysowała się odnośnie do typowych budynków przedszkolnych.

Następną analizowaną cechą był stosunek powierzchni okien P o do powierzchni użytkowej budynku P u oraz stosunek powierzchni okien P o do kubatury ogrzewanej analizowanych obiektów. Wskaźnik P o/P u, mający ograniczać nadmierną wielkość przegród przezroczystych w budynkach, jest zalecany na poziomie 15%. W badanej grupie przedszkoli został on przekroczony wyraźnie dla sal przedszkolnych (tab. 2).

Tabela 2. Przeszklenie elewacji w budynkach przedszkoli

Wybrane miary

statystyki opisowej

Wszystkie przedszkola

Typowe budynki przedszkolne

P o/P u

P o/P u

P o/V

P o/V

P o/P u

P o/P u

P o/V

P o/V

Całość

Sale

Całość

Sale

Całość

Sale

Całość

Sale

Średnia arytmetyczna

0,22

0,31

0,05

0,10

0,23

0,36

0,05

0,14

Wartość maksymalna

0,36

0,79

0,12

0,25

0,35

0,79

0,9

0,37

Odchylenie standardowe

0,06

0,12

0,02

0,04

0,06

0,12

0,01

0,06

Współczynnik asymetrii

–1,1

0,2

1,5

1,7

–1,1

0,09

1,4

Średnio wskaźnik P o/P u kształtował się na poziomie 22%, przy czym w salach wyniósł około 31%, a maksymalnie osiągnął on wartość 79%. Klasyczny współczynnik asymetrii przekroczył tu wartość – 1, co wskazuje na silną lewostronną asymetrię rozkładu, gdzie pokaźna część jednostek badanej zbiorowości jest większa od średniej. W przypadku sal przedszkolnych asymetria jest jednak słaba i prawostronna.

2. Ocena wpływu przegród przezroczystych na zużycie ciepła

Znaczne przeszklenie budynków przedszkoli nie w pełni znalazło odzwierciedlenie w pokaźnym jego wpływie na zużycie ciepła do ich ogrzewania. Zależność pomiędzy stosunkiem powierzchni okien P o do całkowitej powierzchni elewacji (ścian) P s a rzeczywistym zużyciem ciepła do ogrzewania budynków przedszkoli w rozpatrywanym sezonie grzewczym wyraźniej rysowała się dla grupy typowych budynków przedszkolnych.

Współczynnik determinacji kształtował się w przypadku tej zależności na niskim poziomie, świadcząc o niewyraźnym powiązaniu pomiędzy analizowanymi parametrami. Podobna sytuacja wystąpiła w przypadku analizowania powiązania pomiędzy stosunkiem powierzchni okien P o do powierzchni użytkowej budynku P u a rzeczywistym zużyciem ciepła do ich ogrzewania .

Również tutaj współczynnik determinacji kształtował się na niskim poziomie.

Przy analizowaniu potrzeb cieplnych budynku bardziej celowe mogłoby być prześledzenie wpływu stosunku powierzchni okien P o do kubatury, którą ogrzewano V (tab. 1), na zużycie ciepła. W tym przypadku zmiany zużycia ciepła odniesione do kubatury ogrzewanej były uzależnione od zmian wskaźnika P o/V w 54% .

Wskaźnik P o/V dla badanej grupy budynków wyniósł średnio około 5% zarówno w przypadku analizowania typowych budynków przedszkoli, jak i całej zbiorowości. Maksymalnie osiągnął wartość 12% dla całej zbiorowości i 9% dla budynków typowych. Wyższe wartości tego wskaźnika zanotowano w przypadku rozpatrywania samych sal przedszkolnych, maksymalnie 37% dla sal przedszkolnych zlokalizowanych w budynkach typowych.

Znaczne przeszklenie w skojarzeniu z południowym, a często jak w przypadku przedszkoli równoczesnym wschodnim i zachodnim jego umiejscowieniem, nie zawsze wpływało korzystnie na prawidłowe kształtowanie się warunków mikrośrodowiska w ich wnętrzu. Szczególnie dawało się to odczuć w czasie miesięcy letnich i zimowych. W lecie silnie operujące promienie słoneczne były przyczyną znacznego przegrzewania sal. W okresie tym notowano w salach wysokie wartości temperatur przekraczające zwykle 30°C. Badania prowadzone przez Page i Crowa [2] w budynkach szkół wykazały, że w salach o przeszkleniu 70% temperatura w lecie wzrastała nawet o około 10 do 12°C, podczas gdy w salach o przeszkleniu 30% wzrost temperatury był nieznaczny. Przegrzewaniu w okresie lata i jednocześnie wychładzaniu wnętrz w zimie sprzyjało również rozpowszechnione kształtowanie bryły budynków przedszkoli w formie w znacznym stopniu rozczłonkowanej o charakterze pawilonowym i dodatkowo lekkiej konstrukcji przegród.

Pewien bezpośredni wpływ na zwiększanie strat ciepła przez okna może mieć również sam ich kształt. Typowe okna w budynkach przedszkolnych charakteryzują się zblokowaniem ich na jednej znacznej powierzchni przeszklenia z dużą ilością skrzydeł. Pojedyncze skrzydła, zwykle otwieralne, mają pokaźne rozmiary, przez co przy częstym otwieraniu w związku ze źle działającą wentylacją nierzadko ulegają uszkodzeniu. W efekcie prowadzi to do ich wypaczenia i znacznej nieszczelności, a co za tym idzie do nadmiernych strat ciepła.

Odpowiednie zorientowanie budynku w stosunku do stron świata wpływa zazwyczaj korzystnie na oszczędność energii w związku z intensyfikacją zysków ciepła od promieniowania słonecznego, głównie przez przegrody przezroczyste. Równocześnie sprzyja to kształtowaniu przyjaznych warunków komfortu w zakresie prawidłowego oświetlenia pomieszczeń światłem dziennym i ich nasłonecznienia. Na podstawie badań stwierdzono, że wartość zysków ciepła od słońca waha się zazwyczaj w granicach od 5 do 15%. Jednak przy uwzględnieniu współczynnika wykorzystania zysków ciepła w obliczeniach wskaźnika E wartość zysków od słońca jest niewielka, w granicach 1÷3%.

Zgodnie z oczekiwaniami, najniższą wartość wskaźnika E uzyskano w przypadku, gdy ściana z największą powierzchnią okien była skierowana na południe. Wartość zysków ciepła od słońca miała małe znaczenie w bilansie cieplnym budynków przedszkolnych ze względu na brak zaworów termostatycznych czy automatyki pogodowej. Operujące promienie słoneczne były raczej przyczyną znacznego przegrzewania sal w budynkach i pogarszania się warunków środowiska wnętrz.

Podsumowanie i wnioski

Powierzchnia przeszklenia sal w typowych budynkach przedszkolnych wahała się od 30 do 70% i średnio wynosiła 48% przy zalecanej wartości 20%. Różnica pomiędzy przeszkleniem sal w dawnych budynkach mieszkalnych zaadaptowanych na przedszkola a sal w grupie budynków typowych wynosi średnio 31%. Znaczna powierzchnia okien wyraźniej wpływała na warunki mikroklimatu wnętrz niż na zużycie ciepła. Sale były dostatecznie oświetlone światłem dziennym, a zmierzony i wyznaczony teoretycznie współczynnik oświetlenia dziennego równy 3,1 w całej badanej zbiorowości i 4,6 w typowych budynkach przedszkoli był wyższy od zalecanej wartości minimalnej wynoszącej 2% dla czynności dokładnych. Wpływ wielkości przeszklenia elewacji był w większym stopniu powiązany z rzeczywistym zużyciem ciepła niż z wartością wyznaczonego sezonowego zapotrzebowania. Zmiany wartości ciepła zużytego do ogrzewania budynków w rozpatrywanym sezonie grzewczym były w około 23% zdeterminowane zmianami wielkości przeszklenia. Zmniejszenie przeszklenia do wartości 20% spowodowałoby oszczędność energii cieplnej rzędu około 5÷10%. Jednak przy analizowaniu zmniejszania zużycia ciepła do ogrzewania budynków bardziej racjonalne byłoby stosowanie w miejsce przeszklenia wskaźnika P o/V.

Potencjalne możliwości oszczędności energii w budynkach tkwią również w samym sposobie usytuowania budynku w stosunku do stron świata. Typowe budynki przedszkolne są usytuowane w ten sposób, by okna sal przeznaczonych do długotrwałego przebywania dzieci były skierowane na południe lub, jeśli to możliwe, dodatkowo na wschód bądź zachód. Prawidłowe usytuowanie budynku pozwala na ewentualne wykorzystanie potencjalnych zysków ciepła pochodzących od promieniowania słonecznego w sezonie grzewczym. Ważna w omawianym przypadku jest także kwestia ograniczenia strat ciepła związanych z niekorzystnym działaniem wiatrów, wiejących w Częstochowie w sezonie grzewczym głównie z kierunku wschodniego i południowo-wschodniego. Większość budynków przedszkolnych w małym stopniu osłonięta jest od wiatru. Znaczne osłonięcie budynku może być natomiast przyczyną nadmiernego zacienienia, niezbyt korzystnego przy chęci maksymalnego pozyskiwania energii od nasłonecznienia. Ogród przedszkolny umieszcza się zazwyczaj w południowej części działki, tak by zapewnić bezpośrednie jego połączenie z salami przedszkolnymi. Na jego terenie rozplanowuje się zieleń. W większości przedszkoli stwierdzono jednak brak znacznego zacienienia z którejkolwiek ze stron. Najwięcej przedszkoli było zacienionych przeważnie z jednej strony. Obiektami zacieniającymi były w głównej mierze drzewa.

Literatura

[1] Lis. P., Lis A., Wybrane możliwości ograniczania strat ciepła przez okna, Okno 2003, 9(32), 1, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22–26.

[2] Lis A., Material-construction indexes in correlation to thermal requirements of building, Vestnik Brestskogo Gosudarstvennogo tehničeskogo universiteta, Stroitel’stvo i arhitektura, Brest 2004, 179–182.

dr inż. Anna Lis