Szczelność i izolacyjność cieplna przegród oszklonych. Część 1

Wprowadzenie
    W pomieszczeniach, zgodnie z ich przeznaczeniem, powinny być spełniane określone wymagania nie tylko komfortu cieplnego, ale także jakości powietrza wewnętrznego. Należy podkreślić, że ich spełnienie warunkuje uzyskanie pożądanych oszczędności energii w budynkach, przy czym sensowne staje się ono wówczas, gdy skutecznie ograniczone zostaną straty ciepła przez zewnętrzną powłokę budynków, a towarzyszyć temu będzie zmniejszenie ciepła dostarczanego i rozprowadzanego instalacjami grzewczymi. W praktyce oznacza to, że wzrost izolacyjności cieplnej przegród, a co z tym związane – spadek strat ciepła – jest w odpowiedni sposób skonsumowany przez dobór instalacji grzewczych i źródeł ciepła (weryfikacja mocy cieplnej grzejników, opomiarowanie, regulacja, sterowanie, itp.). Mimo, że zagadnienia te występują w obowiązujących i nowelizowanych aktach prawnych, to w praktyce stosowanych analiz ekonomicznych założone cele i stosowane rozwiązania techniczne okazać się mogą sprzeczne, a wyniki mylące. Przy zazwyczaj ograniczonych możliwościach finansowych, każde z rozwiązań stanowi konkurencję dla innych, a rozwiązanie optymalne z technicznego punktu widzenia różnić się może od rozwiązania najbardziej opłacalnego ekonomicznie. W dużej mierze dotyczy to przegród oszklonych, w stosunku do których precyzuje się znaczną listę wymagań i oczekiwań. Przegrody oszklone (okna, drzwi balkonowe, nieotwierane powierzchnie przeszklone, itp.) to elementy stanowiące w wielu przypadkach o atrakcyjności budynków, dlatego też ściany zewnętrzne w nowoczesnych budynkach często są w znacznym stopniu przeszklone. Wynika to nie tylko z aktualnych trendów w architekturze, lecz w dużej mierze z dążenia do zapewnienia właściwego oświetlenia pomieszczeń światłem dziennym (istotne dla miast o dużej gęstości zabudowy terenu). Jako przegrody zewnętrzne powinny one być wygodne w użytkowaniu, posiadać wysoką odporność na włamanie i na działanie siły naporu wiatru oraz zdolność tłumienia dźwięków. Jednak przede wszystkim powinny spełniać podstawowe wymagania z zakresu tzw. ochrony cieplnej budynków, a więc mieć dużą izolacyjność cieplną i szczelność na przepływy powietrza. Przedstawione poniżej dane są próbą kompleksowej oceny stanu obecnego i możliwości poprawy właściwości takich przegród oraz ich wpływu na procesy wymiany powietrza i zużycie ciepła do ogrzania budynków.

Klimat wewnętrzny a potrzeby cieplne
    Większość zadań, jakich realizacji oczekuje się od przegród oszklonych, ma ścisły związek z pojęciem klimatu wewnętrznego i potrzeb lub zużycia ciepła. Pojęcie klimatu wewnętrznego odbiega od tradycyjnych definicji, a sam fakt utrzymywania temperatury powietrza w zadanym paśmie tolerancji ma tu znaczenie drugorzędne. Wynika to z listy wymagań jakie stawia się budynkom i ich wyposażeniu technicznemu (patrz rys. 1) [1,2].

    Klimat wewnętrzny tworzony jest przez szereg parametrów fizycznych powietrza, ale subiektywne ich odczuwanie ma związek z dużą liczbą czynników praktycznie niemierzalnych. Dokonywane od lat badania nad ich powiązaniem z wielkościami tradycyjnie określającymi stan środowiska wewnętrznego pozwoliły sprecyzować cztery grupy czynników (rys. 2).

    Najistotniejszy wpływ na stan klimatu wewnętrznego ma komfort cieplny (czynniki uznawane tradycyjnie, których znacznie jest jednak coraz szersze) i jakość powietrza wewnętrznego (czynniki, których wpływ jest obecnie intensywnie badany). Powiązanie wartości parametrów mierzalnych z odczuwaniem warunków wewnętrznych sprowadza się do ustalania wskaźnika PPD w zależności od standardu budynków (tabela 1).

    Sprecyzowanie wymagań dla każdej z grup pozwala nie tylko na wybór odpowiednich przegród, ale także rozwiązań podstawowego wyposażenia technicznego. Wszystko to ma również wpływ na stan ochrony cieplnej budynków oraz potrzeb i zużycia ciepła. W praktyce problematyka ochrony cieplnej skupia się głównie na sukcesywnie rosnących wymaganiach w zakresie izolacyjności cieplnej przegród, określanej wartościami współczynników przenikania ciepła powierzchni zewnętrznej powłoki budynków. Ilustracją zmian mogą być jednostkowe potrzeby cieplne na ogrzanie budynków, ustalone w oparciu o wyniki obliczeń (rys. 3) [3]. Pomimo zachowania wspomnianej tendencji i uzyskiwania coraz mniejszych ich obliczeniowych wartości, nadal są one wyższe niż w innych krajach.

    W wyniku tych zmian następuje nie tylko obniżenie potrzeb cieplnych, ale także zmiana proporcji strat ciepła przez poszczególne typy przegród. Przykładem takich zmian jest rys. 4, który przedstawia zależność względnego spadku obliczeniowych potrzeb cieplnych na przestrzeni okresu ewolucji wymagań odnośnie izolacyjności cieplnej przegród [4].

    Pomijając już możliwość znacznego zmniejszenia potrzeb cieplnych, za charakterystyczne uznać należy wprowadzenie zróżnicowania wymiany powietrza od wartości zbliżonej do sugerowanej przez akty prawne (≈1/h), do wartości uznawanej za absolutnie minimalną z uwagi na stan higieniczny powietrza (≈0,5/h). Nastąpić może zatem silne uzależnienie bilansu potrzeb cieplnych od izolacyjności cieplnej i powietrznej (szczelności) przegród, głównie przegród oszklonych, przy czym nie uwzględniano tu pogłębienia tej zależności na skutek występowania mostków termicznych oraz okresów uchylania okien. Jedynie bezwzględnie konieczne utrzymanie wymiany powietrza na poziomie co najmniej 0,5/h, pozwoli na realizację postulatów z rys. 4 (patrz prognozy). Oczywistym jest, że dane te nie w pełni są reprezentatywne dla zużycia ciepła, a stanowią jedynie ocenę bilansów potrzeb cieplnych (analizy nie obejmują wpływu wewnętrznych zysków ciepła i zysków ciepła z tytułu promieniowania słonecznego). Są one jednak wystarczające do stwierdzenia istotności wpływu przegród oszklonych zarówno na odczucia komfortu cieplnego i jakości powietrza wewnętrznego, jak i oceny zużycia ciepła do ogrzania budynków. Za wskazane uważać należy zatem omówienie ich głównych parametrów technicznych w odniesieniu do powyżej przedstawionej problematyki.

Podstawowe własności techniczne przegród oszklonych
    Znaczenie przegród oszklonych dla kształtowania walorów użytkowych pomieszczeń i realizacji postulatu ograniczenia zużycia ciepła do ich ogrzewania jest niewspółmiernie wyższe niż ma to miejsce w przypadku innych elementów i komponentów budowlanych [7]. Ilustracją głównych cech przegród oszklonych, wynikających ze stawianych im zadań jest schemat z rys. 5. Straty ciepła występują w wyniku przepływu powietrza przez istniejące w konstrukcji okien szczeliny i przenikanie ciepła przez ich konstrukcję.

    Podążając konsekwentnie za stwierdzeniem, że są one przegrodami zewnętrznymi, powinny skutecznie odizolowywać wnętrza budynków od zmian klimatu i wpływów otoczenia zewnętrznego oraz współdziałać przy tworzeniu pożądanego klimatu wewnętrznego. Do podstawowych parametrów technicznych, oprócz zapewnienia oświetlenia wnętrz światłem dziennym i izolacyjności akustycznej, należą skuteczne ograniczenie strat ciepła oraz, nie zawsze poprawnie rozumiana i realizowana, wysoka szczelność na przepływy powietrza. Z tego też względu za sensowne wydaje się najpierw omówienie zagadnień związanych ze szczelnością przedmiotowych przegród oraz z wymianą powietrza.
    Szczelność przegród oszklonych. Wymiana powietrza jest niezbędna dla zdrowia, komfortu i bezpieczeństwa osób przebywających w pomieszczeniach, jak również dla ochrony przed wzrostem zanieczyszczeń powietrza i wpływem wilgoci. Oczywistym jest, że z racji konstrukcji, ilości przenikającego powietrza przez okna są zazwyczaj większe niż przez przegrody pełne, lecz jednocześnie trzeba bezwzględnie pamiętać, że okna nie powinny być traktowane jako element systemu wentylacyjnego. Dlatego też za wskazane uznać można przypomnienie zasad wymiany powietrza, a szczególnie popularnej kanałowej wentylacji naturalnej (zwanej grawitacyjną). Zgodnie z nimi zużyte powietrze, zawierające zanieczyszczenia emitowane przez źródła wewnętrzne, powinno być usuwane z pomieszczeń wyposażonych w otwory podłączone do kanałów wywiewnych. Ta część wymiany powietrza, mimo że drugorzędna, jest silnie akcentowana w aktach prawnych, które zalecają dobór pola powierzchni kanałów dla wysoce umownych warunków [5, 6, 9]. Absolutnie pierwszorzędną funkcją każdego systemu wentylacyjnego, a w tym również układu naturalnego, jest doprowadzanie powietrza zewnętrznego (czasami zwanego świeżym). Oczekuje się, że powietrze to napłynie przez nieszczelności pomiędzy stałymi i ruchomymi częściami okien, a więc ościeżnicami a skrzydłami uchylnymi, lub przez otwory nawiewne umieszczone w górnych częściach ścianach zewnętrznych czy skrzydeł okiennych. Najczęściej, nie tylko ze względu na ceny, stosowane są konstrukcje okien pozbawione otworów nawiewnych. Jedną z istotnych w tym przypadku informacji powinno być podawanie szczelności okien, rozumianej jako ich zdolność do tłumienia przepływu powietrza z otoczenia zewnętrznego do wnętrza (infiltracja powietrza) lub odwrotnie (eksfiltracja powietrza), w funkcji różnic ciśnień po obu stronach okien. Objętościowy strumień powietrza jaki przenika przez wskazane powyżej szczeliny jest zazwyczaj opisany zależnością:



gdzie S₀ to szczelność okna będąca iloczynem współczynnika przenikania powietrza (a₀) i sumarycznej długości szczelin (ΣL₀) liczonej wzdłuż części otwieranych okien (m), ∆p jest różnicą ciśnień pojawiającą się po obu stronach okien (Pa, daPa), zaś bezwymiarowy wykładnik α określa charakter ruchu powietrza w szczelinach od laminarnego do burzliwego (przyjmuje on wartości z zakresu 1,0>α>0,5, a dla ruchu powietrza w szczelinach zachodzącego w strefie przepływów przejściowych α ≅ 0,67).
    Układ ciśnień występujący w miejscu lokalizacji okien na przegrodach zewnętrznych budynku, a tym samym kierunek przepływu powietrza, określa w powyższym równaniu człon „sgn(∆p)”. Dla wyższych ciśnień na zewnętrznej niż wewnętrznej płaszczyźnie okna przyjmuje on wartość dodatnią (infiltracja powietrza), zaś w odwrotnym przypadku wartość ujemną, co oznacza eksfiltrację powietrza. Najistotniejszym wskaźnikiem jest współczynnik przenikania powietrza (a₀), będący strumieniem powietrza przenikającym przez jednostkową długość szczelin w warunkach jednostkowej różnicy ciśnień, który traktowany jest jako jeden z głównych składników ochrony cieplnej budynków (patrz porównana przedstawione w Tabeli 1). Zgodnie z krajowymi zaleceniami, wartości tych współczynników powinny zmieniać się w granicach 0,5÷1,0 m³/mh dla ∆p = 1daPa, niezależnie od strefy klimatycznej, a przede wszystkim wyposażenia, położenia oraz wielkości i kształtu budynku, współdecydujących o układach ciśnień na przegrodach budynków. Pomijając już arbitralnie wprowadzoną w kraju jednostkową różnicę ciśnień (1daPa zamiast 1Pa), z danych zestawionych w tabeli 1 wynika, że za istotną uważa się zależność wartości tych współczynników głównie od średnich różnic ciśnień ustalających się wzdłuż wysokości budynków. Współczynniki a₀ odnoszone są zazwyczaj do wartości różnic ciśnień charakterystycznych głównie dla wysokości, a czasami także i położenia budynków (Holandia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania). Ma to miejsce także w przypadkach ustalania jednakowych wymagań dla wszystkich budynków (Dania, USA). Jedynie w trzech krajach (Finlandia, Francja, Szwecja) uwzględnia się możliwość przenikania powietrza przez powłokę zewnętrzną budynków, łącznie z przegrodami pełnymi, odnosząc wartości współczynników do jednostkowej powierzchni powłoki zewnętrznej budynków.

    Głównym wnioskiem wypływającym z porównań jest jednak stwierdzenie, że krajowe wymagania należą do najostrzejszych, co oznacza konieczność jak najszybszej weryfikacji nadal pokutujących przekonań o nieszczelnych oknach w krajowym budownictwie. Pozytywną zmianą w tym zakresie jest wprowadzenie konieczności stosowania otworów nawiewnych w przypadku, gdy współczynnik przenikania powietrza ma wartość mniejszą niż 0,3m³/mh dla 1daPa. Jest to jednak wymaganie czysto teoretyczne, skoro producenci okien nie podają szczelności oferowanych produktów i nie dokonywane są pomiary diagnostyczne.

    Jedynym miarodajnym kryterium oceny szczelności okien są pomiary. Badania takie mogą być wykonywane zarówno drogą laboratoryjną, jak i w obiektach istniejących za pomocą różnego rodzaju technik ciśnieniowych. Sposób pierwszy, wykorzystujący proste komory ciśnieniowe, może być stosowany przez producentów okien, którzy oferując do sprzedaży swe wyroby powinni oprócz informacji o izolacyjności cieplnej okien, zamieszczać pełne dane dotyczące ich szczelności. Jednak oczywistą drogą do stwierdzenia jaką wartość ma ten współczynnik jest sposób drugi, polegający na wykonaniu szczelnej obudowy okna w budynku istniejącym i przeprowadzaniu badań zmian strumienia powietrza przenikającego przez nieszczelności w miarę zmian różnic ciśnień. Na rys. 6 przedstawiono zasadę takich pomiarów, ilustrując je wybranymi wynikami badań jednego z mieszkań (okno i drzwi wejściowe) po roku od termomodernizacji budynku wielorodzinnego [10, 11].
 
    W trakcie modernizacji wymieniono jedynie zużyte okna na nowe konstrukcje drewniane, zaś drzwi wejściowe pozostawiono. Widoczna jest dwukrotnie mniejsza szczelność drzwi niż okna, a ponadto współczynnik przenikania powietrza przez użytkowane okno na przestrzeni około 1 roku odpowiada górnej granicy dopuszczalnego zakresu jego zmian i wynosi około 1m³/mh dla 1daPa. Na rys. 7 dodatkowo zestawiono wyniki podobnych badań dla kilkunastu egzemplarzy okien o ramach drewnianych i plastykowych. Wartości wykładników potęgowych α są zbliżone do proponowanych przez akty prawne (0,67), jednak za istotny uważać można duży zakres wartości współczynników przenikania powietrza dla poszczególnych egzemplarzy okien o takiej samej konstrukcji, które wahają się w granicach 0,08÷3,6 m³/mh (∆p = 1Pa) lub 0,6÷10,5 m³/mh (∆p = 1daPa).

    Tak duże zróżnicowanie wskazuje na brak reprezentatywności współczynników przenikania powietrza dla poszczególnych typów okien i jest prawdopodobnie efektem różnej jakości ich montażu w przegrodach. Ponadto zamieszczone w tabeli 2 wyniki tego typu badań wskazują na stopniowe zużywanie okien i możliwość zmiany ich szczelności. Długotrwałe ich użytkowanie może spowodować kilkakrotne zmniejszenie szczelności (średnio od 2 do 4 razy w stosunku do egzemplarzy nowych i w zależności od materiału ram).

     W krajowych aktach prawnych (EN 13829:2001/PN-EN ISO13829:2002) dla określania przepuszczalności powietrznej przegród otaczających pomieszczenia zalecana jest inna metoda. Ogólnie mówiąc polega ona na wytworzeniu w badanej przestrzeni pomieszczenia lub budynku pod- lub nadciśnienia przez uprzednio skalibrowany wentylator umieszczony w panelu zastępującym drzwi i ściśle dopasowanym do otworów drzwiowych. Ilustracją zasady takich pomiarów jest schemat przedstawiony po lewej stronie rys.8. Badania polegają na pomiarach różnicy ciśnień wytwarzanych przez wentylator pomiędzy wnętrzem i warunkami zewnętrznymi oraz przepływu powietrza wymuszanego przez wentylator [10,11]. Mogą być one wykonane dla wybranych wartości różnic ciśnień i pomiarze odpowiadających im strumieni powietrza; zazwyczaj stosuje się jednak test polegający na ustaleniu pojedynczej wartości równej około 50 Pa i pomiarze strumienia powietrza.

    Uzyskane wyniki pozwalają ocenić szczelność przegród otaczających badane przestrzenie. Przykładem takich ocen są wyniki badań zestawione po prawej stronie rys. 8, na podstawie których stwierdzić można około 3-krotne zwiększenie szczelności przegród zewnętrznych budynku poddanego termomodernizacji. Istnieją pewne sposoby oceny na podstawie takich badań szczelności okien, jednak główne znaczenie omawianej metody wiąże się z oszacowaniem potencjalnych możliwości wentylacyjnych badanych przestrzeni. Jak widać z rys. 8 ocieplenie i uszczelnienie przegród zewnętrznych, a także częściowa wymiana okien, spowodowała obniżenie strumieni powietrza wentylacyjnego. W praktyce uzyskano spadek średniej wymiany powietrza w badanych mieszkaniach z około 1/h do 0,3/h, co potwierdzono badaniami wykonanymi metodą gazu znacznikowego [10, 11], także zalecaną do stosowania aktami prawnymi (EN 12569:2001/PN-EN ISO12569:2004). W tym miejscu należy zwrócić uwagę na małą reprezentatywność średniej wymiany powietrza dla poszczególnych mieszkań, czy pomieszczeń, czego przykładem są dane z rys. 9. Wykonano je metodą testów znacznikowych dla wybranych pomieszczeń jedynie na czterech piętrach badanego budynku, powtarzając pomiary dla różnych warunków pogodowych (temperatura zewnętrzna wahała się w zakresie +2÷8^oC, prędkość wiatru działającego pod kątem około 600 do ściany fasadowej nie przekraczała 3 m/s). Wymiana powietrza zmienia się od 0,01/h do około 0,40/h, przy czym za istotne uznać należy małe jej wartości w pomieszczeniach łazienek.

    Wynikające stąd konsekwencje zarówno dla strat ciepła jak i klimatu wewnętrznego (jakości powietrza) przedstawione zostaną w dalszej części opracowania.

Literatura
[1] Rollos, R., Cox, C., Classification of performance criteria for the office and dwelling indoor environment, Proceedings of the International Conference on Healthy Buildings, Budapest, 1994.
[2] Nantka, M.B., Współczesne problemy klimatu wewnętrznego pomieszczeń i budynków, „Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej”, Seria: „Budownictwo”, nr 46, Opole 2002.
[3] Nantka, M.B., Ogrzewanie i rozliczanie zużycia ciepła w budynkach, Materiały Sympozjum Szkoleniowego PZiTS, Katowice 2006.
[4] Nantka, M.B., Renewable Energy Sources and Their Co-operation with Heat Systems, Materiały X Międzynarodowego Sympozjum PAN, 2004.
[5] Nantka, M.B., Wentylacja w budownictwie ogólnym – przegląd, działanie, problemy i mity, Materiały Forum Instalacyjnego, Targi Poznańskie 2004.
[6] Nantka, M.B., Kanałowa wentylacja naturalna w budynkach termomodernizowanych i nowowznoszonych, Materiały Jubileuszowej Konferencji Naukowo-Technicznej PZiTS, Katowice 2008.
[7] Nantka, M. B., Poprawa własności przegród oszklonych w aspekcie ograniczania strat ciepła budynków, COW, nr 9, 1993.
[8] Nantka, M.B., Relacje pomiędzy szczelnością okien a realizacją zadań wentylacji budynków wielorodzinnych, COW, nr 1/2, 2004.
[9] Nantka, M.B., Airtightness and Natural Ventilation in Dwellings, “International Journal of Ventilation”, vol. 4, no. 5, London 2005.
[10] Nantka, M.B., Indoor Conditions in Silesian Buildings with Natural Ventilation, “Indoor&Built Environment”, vol. 15, no. 6, London 2006.
[11] Nantka, M.B., Indoor Climate and Energy Consumption in Buildings with Natural Ventilation, “Architecture, Civil Engineering, Environment”, no. 3, Gliwice 2008.
[12] Laskowski, L., Ochrona cieplna i charakterystyka energetyczna budynku, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
[13] Klemm, P., Budownictwo ogólne – Fizyka budowli, tom 2, Arkady, Warszawa 2005.
[14] Kurtz, K., Gawin, D., Ochrona cieplna budynków w polskich przepisach normalizacyjnych i prawnych, Prywatna Wyższa Szkoła Businessu, Administracji i Technik Komputerowych, Warszawa 2007.
[15] Nantka, M.B., Skibińska, D., Stan powietrza w budynku z wentylacją naturalną, „Rynek Instalacyjny”, nr 9, 2006.
[16] Nantka, M.B., Bieniek, M., Stan higieniczny powietrza w budynku jednorodzinnym, COW, nr 11, 2007.
[17] Nantka, M.B., Indoor Air Quality and Health Hazard in Dwellings with Natural Ventilation and Gas Appliances, Proceedings of 3rd International Conference on Energy and Gas, Gliwice, 2005.
[18] Nantka, M.B., Termoizolacyjność i szczelność przegród oszklonych, „Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej”, Seria: „Budownictwo”, nr.46, 2002.

więcej informacji: Świat Szkla 10/2008