Wspomaganie ogrzewania domu - okna dachowe

Czy tego chcemy, czy nie chcemy, okna ogrzewają pomieszczenia. I nie chodzi tutaj o okres letni, bo akurat z tego większość z nas nie jest specjalnie zadowolona, ale o zimowy, w którym zjawisko to może wyraźnie zmniejszać koszty ogrzewania.

Okna - straty ciepła czy zyski

Powiedzmy sobie od razu, że wpływ okien na standard energetyczny budynku jest bardzo złożony. Przyzwyczailiśmy się traktować je jako wprawdzie konieczny, ale najsłabszy pod względem izolacyjności termicznej element przegród zewnętrznych. I dotyczy to w jednakowym stopniu zarówno ścian jak i dachu.

Rzeczywiście dopuszczalny współczynnik przenikania ciepła U okien, zarówno obecnie, jak i kilkanaście lat temu, jest i był w stosunku do wymaganej izolacyjności ścian i dachów prawie dziesięć razy gorszy. Zgodnie z Rozporządzeniem o warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, obowiązującym do 2008 r. dla okien dopuszczalny współczynnik przenikania ciepła wynosił U = 2,6 [W/(m2K)], a dla ścian zewnętrznych i dachu - 0,3. Relacja ta podobnie wygląda w budownictwie energooszczędnym: odpowiednie wartości tego współczynnika kształtują się dla okien na poziomie U = 1,0, a dla ścian - 0,1.Na pierwszy rzut oka wydaje się więc, że zwiększanie powierzchni okien ponad normatywne minimum, czyli 0,125 m2 szyby na 1 m2 powierzchni podłogi, musi być ze względów energetycznych bardzo niekorzystne. Przyglądając się jednak temu bliżej, sprawa nie jest już tak oczywista.

Ile ciepła ze słońca

Okna mają za zadanie dostarczenie do pomieszczeń światła dziennego, a ponieważ promieniowaniu widzialnemu słońca towarzyszy promieniowanie cieplne, musi mieć ono udział w bilansie energetycznym budynku. Jednak wpływ zysków słonecznych na wysokość rachunków za ciepło do ogrzewania domu jest - z wielu pewnie powodów - powszechnie niedoceniany.

Zobaczmy zatem, ile ciepła można w warunkach Polski zyskać dzięki oknom, w zależności od kąta ich nachylenia do poziomu oraz usytuowania względem stron świata. Posłużymy się w tym celu danymi z normy PN-B-02025-2001 Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego. Norma ta nie jest już obowiązująca, ale zawarte w niej dane klimatyczne dla różnych rejonów Polski można uznać za wiarygodne.

Czas naświetlania poszczególnych stron świata zmienia się - co oczywiste - wraz z porami roku. Dotyczy to również kąta padania promieni słonecznych (zobacz nasłonecznienie domu: latem, jesienią oraz zimą).

W pogoni za słońcem najlepiej sprawdziłaby się chatka na kurzej łapce wyposażona w możliwość obracania się zgodnie z życzeniem mieszkańców. Próby stworzenia takiego modelu ludzkiej siedziby podejmowano już wielokrotnie; niektóre z nich nawet zrealizowano. Nie były jednak chyba zbyt udane, skoro póki co zdecydowana większość z inwestorów pozostaje przy tradycyjnej bryle budynku oraz jego trwałym połączeniu z gruntem.

Nie należy się jednak z tego powodu martwić. Z analizy przeprowadzonej dla Warszawy i jej okolic (tabela 1) widać, że zyski ciepła przez okna są spore. I to także wtedy, gdy okna wychodzą nie tylko na południe, wschód czy zachód, ale także - co może zaskakiwać - gdy skierowane są na północ. Zyski ciepła od strony północnej sięgają ponad 40% tych od strony południowej, co wyraźnie podważa tezę, że okien na północnej ścianie i połaci dachowej należy unikać jak ognia.

Procentowe różnice w zyskach ciepła dla okien w różny sposób nachylonych do pionu i skierowanych w różne strony świata przedstawiono w tabeli 2, przyjmując 100% dla "najcieplejszego" okna dachowego, skierowanego na południe i znajdującego się na połaci pochylonej pod kątem 45°.

Jeszcze małe wyjaśnienie. Przyjmuje się, że sezon grzewczy dla Warszawy trwa od pięciu ostatnich dni września do końca pięciu pierwszych dni maja. W naszych obliczeniach z powodu ocieplania się klimatu, a dokładniej dla uproszczenia rachunków, przyjęliśmy, że trwa on od października do kwietnia, czyli siedem miesięcy.

Ponieważ Polska to nie Warszawa, zyski ciepła w sezonie grzewczym określiliśmy też dla miast reprezentujących najcieplejszy, najzimniejszy i najbardziej zimowy rejon Polski. Jak wynika z tabeli 3 we wszystkich tych miastach zyski ciepła przez okna są jeszcze większe niż w położonej centralnie Warszawie.

Jakie szyby

Przedstawiona energia słoneczna mogłaby przedostać się przez okna do wnętrza domu tylko wtedy, gdyby szyby były w 100% przepuszczalne dla światła. Tak oczywiście nie jest. W zależności od rodzaju szyb pewna jej część ulega odbiciu. Ilość energii słonecznej przepuszczana przez szyby zależy od współczynnika przepuszczania promieniowania słonecznego, oznaczanego jako g lub TR (tabela 4).

Ile ciepła z okien

Mając już te wszystkie dane, spróbujmy sprawdzić, jakie znaczenie mogą mieć zyski ciepła przez okna w ogólnym zapotrzebowaniu na ciepło do jego ogrzewania - na przykładzie zlokalizowanego w okolicach Warszawy domu parterowego z użytkowym poddaszem o powierzchni 200 m2.

Przyjmiemy, że szyby okien w tym domu mają powierzchnię 0,125×200 = 25 m2, z czego na parter przypada 13 m2, a na poddasze 12 m2.

Dalej zajmiemy się już tylko oknami połaciowymi. Załóżmy, że dach tego domu jest dwuspadowy, a jego połacie nachylone są do poziomu pod kątem 45° i skierowane na południe i północ (na podstawie danych z tabeli 1 łatwo udowodnić, że wynik naszych dalszych obliczeń byłby podobny, gdyby połacie dachu skierowane były na wschód i na zachód). Załóżmy wreszcie, wbrew logice energetycznej, że liczba okien na obu połaciach dachowych jest taka sama, a one same są wyposażone w zwykły zestaw dwuszybowy (wsp. g = 0,75).

Suma zysków ciepła słonecznego przez okna połaciowe w sezonie grzewczym wyniesie:

(381×6 + 162×6)×0,75 = 2443,5 kWh.

Gdyby dom był wybudowany jedynie zgodnie z przepisami, potrzebowałby do ogrzewania około 135 kWh/m2/rok. Oznacza to, że jego całkowite zapotrzebowanie na ciepło wyniosłoby:

135×200 = 27 000 kWh.

Udział zysków słonecznych przez same okna dachowe wyniósłby więc około 9%.

Gdyby jednak nasz przykładowy dom był wybudowany zgodnie ze standardami budynków niskoenergetycznych, to potrzebowałby do ogrzewania tylko 30 kWh/m2/rok, a więc jego roczne zapotrzebowanie na energię do ogrzewania wyniosłoby jedynie:

30×200 = 6000 kWh.

Zyski słoneczne w takim domu byłyby jednak nieco niższe niż poprzednio, bo należy przyjąć, iż okna w nim wyposażone byłyby w potrójne szyby, z których dwie miałyby powłoki niskoemisyjne. Okna takie mogłyby więc dostarczyć ciepła z energii słonecznej w ilości:

(381×6 + 162×6)×0,5 = 1629 kWh.

W ogólnym bilansie zapotrzebowania na ciepło w takim domu jego udział wyniósłby ponad 27%! A przecież nie należy zapominać, że w tym domu są jeszcze okna pionowe, przez które wprawdzie zyski słoneczne są nieco mniejsze, niż z połaciowych, ale przecież też grzeją.

***

Jak z tego widać, zyski cieplne przez okna dachowe są nie do pogardzenia, zwłaszcza że ogrzewają mniejszą kubaturę niż te na parterze. Warto też zdawać sobie sprawę z tego, że im gorsze pod względem cieplnym szyby, tym więcej ciepła możemy mieć przez okna. Z drugiej jednak strony ciepło przez nie ucieka szybciej niż przez ściany; powinny więc mieć jak najlepszą izolacyjność termiczną. Jak to pogodzić? Jak duże mogą być straty ciepła przez okna? W jaki sposób je ograniczyć? Czy może lepiej zrezygnować z "okiennych" zysków ciepła na rzecz ograniczania strat? W końcu przy jakich rodzajach szyb bilans zysków i strat jest najkorzystniejszy?

Na te wszystkie pytania odpowiedź znajdziesz w artykule:

Bilans zysków i strat ciepła

Zapisz się na NEWSLETTER. Co tydzień najnowsze wiadomości o budowie, remoncie i wykańczaniu wnętrz w Twojej poczcie e-mail: Zobacz przykład