Rola jakości cieplnej okien w aspekcie użytkowym -powierzchniowa kondensacja pary wodnej

Wprowadzenie

W zagadnieniach związanych z jakością cieplną przegród budynku zwykle rozpatruje ich rolę w zapewnieniu wymaganych cieplnych i wilgotnościowych warunków użytkowania pomieszczeń lub ich stan wynikający z zachodzących w przegrodzie i na jej powierzchniach złożonych zjawisk związanych z przenikaniem ciepła, wilgoci oraz powietrza.

Niedostateczna jakość cieplna przegród budowlanych z oszkleniami (okien, drzwi, lekkich konstrukcji osłonowych) oraz ich połączeń z innymi przegrodami, może przyczyniać się do występowania niekorzystnych zjawisk takich jak:

W celu scharakteryzowania właściwości cieplnych okien podaje się wartości:

Jakość cieplną połączenia z obudową charakteryzuje liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ połączeń okna z obudową, np. z ścianą w nadprożu lub z podokiennikiem, w W/m•K oraz rozkład i minimalna wartość temperatury wewnętrznej powierzchni przegród.

Na izolacyjność cieplną okna i połączenia z obudową ma wpływ szczelność na przenikanie powietrza. W połączeniach i oknach nierozszczelnionych, w celu zminimalizowania niepożądanej infiltracji, powinna być ona jak największa. Powietrze do wentylacji pomieszczeń może być dostarczane przez okna:

Od izolacyjności cieplnej obudowy zależy ryzyko występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej. W przypadku okien (drzwi) ocena podatności na kondensację dotyczy:

W przypadku zastosowania nawiewnika wymaga się, aby jego jakość cieplna z uwagi na podatność na powierzchniową kondensację pary wodnej nie obniżała jakości cieplnej okna.

Do oceny podatności konieczne jest określenie temperatury wewnętrznej powierzchni Θ si, w °C, przy określonych wartościach temperatury środowiska zewnętrznego i wewnętrz­nego lub niezależnie od tych wartości, przy użyciu bezwymiarowej temperatury f Rsi (określanej w normach PN-EN czynnikiem lub współczynnikiem temperaturowym).

Wg normy NFRC 500-2004 podatność na kondensację okna jest oceniana w skali od 0 do 100, w zależności od udziału powierzchni występowania kondensacji i różnicy między temperaturą powierzchni oszklenia i ramy, a punktem rosy powietrza o parametrach równych: 21 °C i 30 %, 50 %, 70 % wilgotności względnej.

Rys. 0. Przykładowa etykieta wg NFRC z oceną podatności na kondensację pary wodnej.

Aktualnie obowiązujące przepisy budowlane sformułowano biorąc pod uwagę fakt, że typowe okna charakteryzują się gorszą jakością cieplną w porównaniu do nieprzezroczystych przegród budynku i w związku z tym są łagodniej traktowane w warunkach technicznych:

Podsumowując w tablicy podano przykładowy formularz z zestawieniem cech wyrobu.

Kryterium powierzchniowej kondensacji pary wodnej na oknach wg PN-EN ISO 13788:2003

Okna podobnie jak drzwi, czy lekkie ściany osłonowe, charakteryzują się małą bezwładnością cieplną i relatywnie szybko reagują na zmiany temperatury środowiska. Ich powierzchnie są zabezpieczone przed kondensacją pary wodnej jeżeli ich temperatura jest wyższa od punktu rosy powietrza (wartości temperatury, w której powietrze zawierające określoną ilość pary wodnej osiąga stan nasycenia φ - 1,0 (100%)). W odniesieniu do materiałów o budowie kapilarno-porowatej, pochłaniających wilgoć z powietrza, np. ceramicznych, wapienno-piaskowych, betonów komórkowych, gipsów i zapraw, ze względu na zjawisko tzw. kondensacji kapilarnej, stawia się wymaganie, aby temperatura powierzchni była wyższa niż wartość, w której wilgotne powietrze osiąga stan φ = 0,8 (80%)).

Zawartość pary wodnej w powietrzu określa się podając:

Wartość ciśnienia cząstkowego pary wodnej w stanie nasycenia może być, zgodnie z ww. normą obliczona wg wzorów:

Rys. 1 Zależność punktu rosy od wilgotności względnej powietrza o temperaturze 20°C

W ww. normie temperatura wewnętrznej powierzchni Θ si, określana jest bezwymiarowo, przez podanie wartości f Rsi, która jest równa różnicy temperatury powierzchni 6 S, i temperatury środowiska zewnętrznego Θ e, podzielona przez różnicę temperatury środowiska wewnętrznego Θ ii zewnętrznego Θ e.

Wartość fii Si charakteryzuje jakość cieplną z uwagi na temperaturę powierzchni okna w sposób niezależny od wartości temperatury środowisk. W odniesieniu do dowolnego zestawu wartości 6, i 0 e, wartość temperatury powierzchni, w warunkach ustalonych, może być obliczona wg poniższego wzoru (przykłady podano na rys. 2):

Rys. 2 Kryterium z uwagi na ochronę przed powierzchniową kondensacją pary wodnej jest podane w następującej postaci:

Rozkład wartości f Rsi, przy określonej wartości oporu R, hzależy od jakości cieplnej:

Do ww. kryterium konieczne jest określenie minimalnej wartości f Rsiw odniesieniu do wewnętrznej powierzchni okna.

Wartość dopuszczalną JRsi.dop określa się z uwzględnieniem intensywności wentylacji i emisji wilgoci w pomieszczeniu. W odniesieniu do zewnętrznych przegród budowlanych i typowych warunków wymiany ciepła w użytkowanym pomieszczeniu mieszkalnym, przyjmuje się w różnych krajach europejskich wartości ./Rsi.dop od 0,65 do 0,75.

2.1. Określanie minimalnej wartości

Można przyjąć, że w centralnej części szyby zespolonej pole temperatury ma charakter jednowymiarowy. W odniesieniu do tego miejsca wartość /«,, może być obliczona na podstawie wartości współczynnika przenikania ciepła oszklenia U gwg wzoru:

R,

J lisi

U..

Normowa wartość oporu przejmowania ciepła R,,jest równa 0,13 nr-K/W.

2.2. Określanie parametrów powietrza do wyznaczenia wartości f rsi.dop

Warunki eksploatacji mogą być scharakteryzowane przez podanie wartości następujących parametrów powietrza wewnętrznego:

Zgodnie z normą wartości tych parametrów określane są w następujący sposób:

- jako wartość stałą, jeżeli jej niezmienny poziom jest zapewniony dzięki działaniu
klimatyzacji,

- lub oblicza się wg wzoru:

Pi

<Pi =

Pi.sat^i,

w którym /?,; s,/6y oblicza się wg wzorów (2) i (3).

Wartość ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu wewnętrznym p, oblicza się wg wzoru:

Pi =p e+Ap (9)

w którym:

p e - ciśnienie cząstkowe pary wodnej w powietrzu zewnętrznym, w Pa,

Ap - nadwyżka ciśnienia cząstkowego pary wodnej w pomieszczeniu, w Pa.

Wilgotność powietrza wewnętrznego można również określić posługując się, wyrażoną w kg/m 3, wilgotnością powietrza wewnętrznego na jednostkę objętości v i5 określoną wg wzoru:

v 7-=v e+Av (10)

w którym:

v e - wilgotność powietrza zewnętrznego na jednostkę objętości, Av - nadwyżka wilgotności na jednostkę objętości.

Wartości nadwyżek Ap lub Av uzależnione są od emisji wilgoci w pomieszczeniu i intensywności jego wentylacji. Są one określane w następujący sposób:

- na podstawie danych normowych w odniesieniu do założonej klasy wilgotności pomieszczenia, rys. 4.

Rys. 4. Nadwyżka ciśnienia cząstkowego, wg normy, w odniesieniu do następujących klas wilgotności pomieszczeń, w budynkach w krajach Europy Zachodniej, następującego przeznaczenia:

na podstawie obliczeń, wg wzoru:

Av =

w którym:

G - strumień emisji wilgoci w pomieszczeniu, kg/h,

n - krotność wymiany powietrza, h" 1, V- objętość pomieszczenia, m 3.

Dobowy strumień zysków wilgoci w modelowym mieszkaniu w budynku wielorodzinnym, zamieszkałym przez rodzinę 4-osobową, zawierającym kuchnię gazową, łazienkę oraz oddzielne WC (wg oszacowań COBR TI „Instal"), przedstawia się następująco:

łącznie 12170 g/d.

Z badań i ekspertyz dotyczących wentylacji w mieszkaniach wynika, że decydujący wpływ na jej intensywność (krotność wymiany powietrza) mają lokatorzy. Mogą oni ograniczać wentylację np.:

- unikając regularnego, okresowego „przewietrzania" pomieszczeń i używania tzw.
mikrouchyłu skrzydeł okiennych,

W czasie bardzo silnych mrozów ograniczanie wymiany powietrza wentylacyjnego jest reakcją na fakt, że napływ do pomieszczenia powietrza zewnętrznego staje się dla lokatorów nieprzyjemnie odczuwalny.

Często stwierdza się przypadki złej wentylacji w mieszkaniach, w których stosuje się opłatę za ciepło do ogrzewania ustalaną na podstawie odczytów z podzielników.

Orientacyjnie można przyjąć, że krotność wymiany powietrza we współczesnych mieszkaniach, w najzimniejszym okresie sezonu grzewczego, nie jest większa niż 1 h" 1 , a przy znacznym ograniczeniu intensywności wentylacji przez lokatorów spada poniżej 0,5 h" !.

Przykładowo obliczono wg wzoru (11) i przedstawiono na rys. 5 wartości Av w zależności od krotności wymiany powietrza w mieszkaniu o kubaturze 210 m 3 i o wyżej opisanej emisji. Uzyskane wartości Av odpowiadają wszystkim ww. normowym klasom wilgotności.

0.2 0.4 0.6 O.i

n, rrr'

Rys. 5

Na rys. 6 przedstawiono wyniki przykładowych obliczeń wartości fRsi.dop, przy przyjęciu następujących założeń:

3. Rzeczywiste cieplne i wilgotnościowe warunki w pomieszczeniach mieszkalnych

Jak wcześniej wspomniano rzeczywiste cieplne i wilgotnościowe warunki w pomieszczeniach mieszkalnych kształtowane są w istotny sposób przez lokatorów, którzy mają decydujący wpływ na emisję wilgoci i dostosowanie do niej intensywności wentylacji.

Na podstawie wyników badań autora i danych Zakładu Fizyki Cieplnej ITB zestawiono (rys. 7) wyniki pomiarów wilgotności powietrza wewnętrznego w czterech mieszkaniach, w budynkach wzniesionych po 2000 r. Podano wartości średnie i maksymalne zarejestrowane w okresach kilkunastodniowych, charakteryzujących się podobnymi warunkami zewnętrznymi (średnia wartość temperatury powietrza zewnętrznego około 3°C ) i przy zbliżonej temperaturze powietrza wewnętrznego (średnia wartość około 21°C ). Warunki panujące w mieszkaniach można ocenić w następujący sposób:

4. Wartości /L na powierzchni okien

■ Oszklenie (centralna część)

Obliczone wg wzoru (7) wartości f Rs, w odniesieniu do centralnej części oszklenia o danych wartościach współczynnika U gprzedstawiono na rys. 8. W przypadku oszkleń o niskim U H, (mniejszym niż 1,2 W/(m 2-K)), uzyskanym dzięki zastosowaniu szyby pokrytej powłoką niskoemisyjną i dodatkowo wypełnieniu przestrzeni międzyszybowej gazem szlachetnym, uzyskuje się wartości f Rsinie przekraczające wartości dopuszczalnych, podanych na rys. 6. Istotnie większe ryzyko występowania powierzchniowej kondensacji pary wodnej w centralnej części oszklenia istnieje natomiast w przypadku zastosowania oszkleń wykonanych ze zwykłych szyb, które charakteryzują się współczynnikiem U gwiększym niż 2,7 W/(m 2-K).

■ Oszklenie przy styku z ramą okna

Jest to miejsce zwiększonego ryzyka wystąpienia kondensacji pary wodnej. Elementem pogarszającym jakość cieplną tej części okna jest ramka międzyszybowa. Najbardziej podatny na kondensację jest dolny styk oszklenia z ramą okna, ponieważ:

Mniej podatne na powierzchniową kondensację pary wodnej są oszklenia z tzw. ..ciepłymi" ramkami, w których ogranicza się lub eliminuje zastosowanie dobrze przewodzących ciepło metali. Pozwalają one uzyskać w obszarze styku oszklenia z ramą wartości /«„.„„„ zbliżone do dopuszczalnych z uwagi na ochronę przed kondensacją pary wodnej. Zestawienie wartości orientacyjnych, określonych na podstawie wyników symulacji komputerowej przepływu ciepła zamieszczono w tablicy 1. Na rys. 9 przedstawiono przykładowy rozkład izoterm w poziomym przekroju przez ramę okna drewnianego, z szybą zespoloną, o U g= 1,1 W/(m 2-K), z ramką aluminiową.

Zwykle nie ma znaczącego ryzyka wystąpienia kondensacji pary wodnej w centralnej części ram drewnianych i z kształtowników PVC, które zazwyczaj charakteryzują się wartościami współczynnika przenikania ciepła od około 1,2 W/(m 2-K) do 1,6 W/(m 2-K), a w odniesieniu do najsłabszych rozwiązań nie więcej niż 2,0 W/(m 2-K).

Niższe wartości f Ksiuzyskuje się na powierzchni ram z kształtowników aluminiowych z przekładką cieplną. Współczynnik przenikania ciepła ram zawiera się, w odniesieniu do typowych rozwiązań, od około 2,0 W/(m 2-K) do 3,2 W/(m 2-K). Na rys. 10 pokazano rozkład izoterm w poziomym przekroju przez aluminiową ramę drzwi, z szybą zespoloną o U g = 1,1 W/(m 2-K), z ramką aluminiową. Podatność na powierzchniową kondensację pary wodnej wewnętrznej powierzchni ramy jest w pokazanym przypadku zbliżona do podatności powierzchni oszklenia przy styku z ramą okna.

Rys. 10

■ Połączenie ramy okna z obudową

Przy poprawnym wykonaniuzizolacji cieplnej między ramą okna i obudową oraz zapewnieniu szczelności na przenikanie powietrza uzyskuje się w styku ramy z obudową dopuszczalne wartości /«„. Przykładowe wyniki symulacji komputerowej w przekroju przez podokiennik i próg okna drewnianego zamieszczono na rys. 11. Po lewej pokazano rozwiązanie, w którym przestrzeń pod parapetem wypełniono izolacją cieplną. Po prawej przestrzeń pod parapetem pozostaje niewypełniona i możliwe jest jej intensywne wentylowanie powietrzem zewnętrznym. Przy poprawnym rozwiązaniu z izolacją cieplną w połączeniu okna z podokiennikiem uzyskuje się wysoką wartość fu,,,,,,,,,. Na rysunku po lewej, podatność na powierzchniową kondensację pary wodnej wewnętrznej powierzchni w narożu przy krawędzi progu i parapetu jest zbliżona do podatności powierzchni oszklenia przy styku z skrzydłem okna.

wartość /„,„„„, w styku ramy i obudowy wartość f Rsi,„„„ w styku ramy i obudowy
równa jest około 0,8 równa jest około 0,5

Rys. 11

■ Nawiewnik w oknie

Nawiewniki w oknie są montowane w jego górnej części:

Bardziej podatne na powierzchniową kondensację pary wodnej są nawiewniki nadszybowe, wykonane z kształtowników aluminiowych z przekładką cieplną, która w typowych rozwiązaniach daje nieduży, kilkumilimetrowy odstęp między zewnętrznym i wewnętrznym kształtownikiem aluminiowym nawiewnika. W pomieszczeniach, w których zastosowano okna z takimi nawiewnikami, w celu uniknięcia kondensacji pary wodnej na wewnętrznej powierzchni nawiewników, należy zachowywać niską wilgotność względną powietrza.

Rys. 12

5. Podsumowanie

■ Współczesne typowe rozwiązania techniczne okien umożliwiają utrzymanie w tzw.
warunkach obliczeniowych wymaganej temperatury z uwagi na zabezpieczenie przed
powierzchniową kondensacją pary wodnej w: centralnej części oszklenia i ramy oraz w
połączeniach z obudową.