Abstrakt
Klimatske promene nisu samo tema o kojoj se raspravlja širom sveta, možemo ih lično iskusiti tokom perioda toplotnih talasa, vetrova, oluja i uragana, velikih suša i poplava. Jedan od osnovnih pristupa rešavanju ovog problema je poboljšana energetska efikasnost zgrade. Uloga koju igra toplotna izolacija je jednako važna, kako leti, tako i zimi. Države na severu koriste energiju za grejanje, dok se u državama na jugu većina energije koristi za hlađenje i klimatizaciju.
1. Uvod
Ušteda energije je centralni zadatak Evropske ekonomije. Obaveza je takođe smanjenje emisije CO2. Potrebno je uspostaviti nezavisnost od fosilnih goriva, izbegavanje korišćenja nuklearnih tehnologija i smanjenje rizika od klimatskih promena. Promet energije ne može biti uspešan bez očuvanja energije, to je ono što zahteva direktiva EPBD 2010. (Direktiva o energetskim karakteristikama zgrada). Omotač zgrade igra ključnu ulogu u ovom polju, jer koncept inteligentnog omotača zgrade može značajno uticati na bilans energije i komfor stanovanja u zgradama. Naglašena toplotna izolacija nije dovoljna. Potrebno je maksimalno koristiti solarnu energiju i koristiti pasivno hlađenje. Takođe, potrebno je optimizovati staklene jedinice, izvršiti kontrolu svetlosti i ostvarenje hlađenja korišćenjem fotonaponskih ćelija. Korišćenje megatronskih komponenata za komunikaciju sa uslugama zgrada kao i siste- mom za grejanje dobija sve veći značaj.
Energetski efikasne tehnologije i know–how iz Nemačke imaju dobru internacionalnu reputaciju i traže se širom sveta. Ove tehnologije su: toplotno optimizovani prozorski profili, ostakljenja, ugradnja komponenata zgrade ili vakuum paneli, energetski dobici sa ostakljenjem, fotonaponske ćelije, solarna senila koja smanjuju rashladna opterećenja, kontrola dnevne svetlosti, decentralizovana ventilacija, skladištenje energije korišćenjem fazno promenljivih materijala.
Možda Vas zanima:
2. Osnov i motivacija
Trenutno važeće i buduće specifikacije Uredbe o uštedi energije (EnEV), kao i rastući energetski troškovi stvaraju konstantnu potrebu za energetski efikasnijm tehnikama. Šta više, Vlada Nemačke je sponzorisanjem obezbedila dodatne mere – inicijative. Pošto prethodno navedeno stvara potrebu za proizvodnjom pojedinih građevinskih proizvoda koji su u skladu sa strožijim propisima, kako za nove strukture, tako i za segmentnu obnovu zgrade, elementi prozora i spoljnih vrata moraju pratiti ovaj razvoj i moraju se poboljšati vrednosti koeficijenata prolaza toplote (Uw vrednosti) za pomenute konstrukcije (slika 1).
Rigorozniji standardi će u budućnosti zahtevati znatno poboljšanje koeficijenta prolaza toplote za prozorske ramove (Uf vrednosti) uz poboljšanja karakteristika ostakljenja. Sve više se koriste novi materijali i kompozitne konstrukcije, u cilju optimizacije toplotne zaštite drvenih prozorskih profila.
3. Koncepti i pristupi toplotnoj izolaciji
Opcije i rešenja za prozorske konstrukcije koje obezbeđuju visok nivo toplotne izolacije do sada, predstavljaju nepovoljna i nefleksibilna rešenja u većini slučajeva i fokusiraju se isključivo na toplotnu zaštitu. Iz tog razloga je potrebno razviti koncepte za optimizaciju toplotne zaštite drvenih prozorskih profila, kao i predloge za usaglašavanje sa sve većim zahtevima. Za razliku od zahteva za tehničke karakteristike prozora, potrebno je, između ostalog, podrobno ispitati konstrukcione detalje i aspekte dizajna u cilju izvođenja specifikacija za drvene prozore.
Ograničenja konstrukcija od čvrstog drveta kao i mogućnosti uključivanja izolacionih materijala mogu se prikazati korišćenjem različitih proračuna i izmenom kritičnih parametara. Trenutno su u razvoju novi prozorski sistemi od drveta, a ispituju se i njihove karakteristike nakon veštačkog starenja.
Podrobnije se analiziraju određeni koncepti u cilju savršenije toplotne izolacije, povećanjem debljine prozorskih profila. Razmatraju se poboljšanja u okviru procesa korišćenjem modifikovanih tipova drveta, za ratliku od predloga i preporuka za primenjeno uključivanje izolacionih materijala. U tu svrhu detaljno su ispitani uticaji održive upotrebe i karakteristike prozorskih konstrukcija kao i kritične osobine za upotrebu proizvedenih drvenih prozora.
Za razliku od poboljšanja koja se mogu postići kod popularnih i odobrenih varijanti prozora, u budućnosti će veliku ulogu igrati inovativne varijante. Na raspolaganju su podaci za Uf na osnovu merenja i proračuna za „integrisan” tip prozora sa specijalnom tehnikom ostakljivanja. „Integrisani” tip označava prozorski ram kod koga je posebnim izolacionim materijalom smanjen koeficijent prolaza toplote.
4. Osnovne karakteristike
U skladu sa trenutnim nalazima, kao i uvidom u zahteve sledećeg stadijuma Pravilnika za uštedu energije (EnEV), kao i trenutno važećih zahteva KfW, drveni prozori mogu ispuniti zahteve. Debljina rama od najmanje 90 mm u sprezi sa trostrukim izolacionim staklom mogu se smatrati novim standardom u skorijoj budućnosti. Tokom razvijanja ovakvog sistema važno je uspostaviti kontinuiranu koordinaciju sa proizvođačima okova, zaptivki i alata i sa odgovarajućim dobavljačima u što ranijoj fazi razvoja.
Uključivanje izolacionih materijala u prozorske profile obezbeđuje jednostavno a efikasno rešenje koje zahteva mali napor tokom proizvodnje u cilju poboljšanja toplotnih karakteristika poprečnih preseka od čvrstog drveta.
Ako je potrebno, izolacioni materijali mogu se uvesti u spoljni žleb, bez obzira na oblik prozora. Koncept je veoma fleksibililan i mogu ga primeniti proizvođači koji primenjuju ručnu proizvodnju.
Upotreba modifikovanog drveta ili drveta niske gustine i toplotne provodljivosti takođe zahteva poboljšavanje toplotnih karakteristika drvenih prozora. To se može iskoristiti za poboljšanje toplotnih karakteristika, npr. srednjeg dela prozorskih ivica. Kombinacija sa plastičnim izolacionim materijalima u ovom slučaju daje prednosti u projektovanju, proizvodnji i skladištenju.
Takođe je moguće poboljšati i ostale komponente prozora (npr. srednji stub, drvene spojnice itd.). Toplotno modifikovano drvo može se smatrati veoma perspektivnim materijalom u skladu sa nalazima odgovarajućih analiza. Uslovni uspeh može se očekivati i kod drugih toplotno modifikovanih vrsta drveta. U cilju konačnog ustanovljavanja i verifikovanja održivosti proizvodnje prozora moraju uslediti detaljni testovi i analize, a potrebna je verifikacija u praksi korišćenog materijala.
Takođe se primenjuje veliki potencijal za razvoj inovativnih sistema ostakljenja ili inte- gralnih konstrukcija prozora. Integralna rešenja olakšavaju ograničavanje vidnog polja i na taj način obezbeđuju poboljšavanje kako konstrukcionih, tako i toplotnih karakteristika.
Dostupni su izvesni koncepti za projektovanje drvenih prozora sa visokim nivoom toplotne izolacije. Proizvođači drvenih prozora mogu primeniti pomenute koncepte tako što će ih prilagoditi individualnom proizvodnom portfoliju i učiniti ih „pogodnim” za energetske zahteve u budućnosti.
5. Kratak pregled korisnih informacija
a) Osnova
Trenutno važeći i budući zahtevi (EnEV, KfW) će zahtevati značajno poboljšavanje koeficijenta prolaza toplote prozorskih ramova (Uf vrednosti) uz poboljšavanje ostakljenja.
b) Drveni prozor u budućnosti
Moraju se zadovoljiti zahtevi nivoa EnEV (2012) kao i trenutni zahtevi KfW. Debljina rama od 90 mm u sprezi sa trostruko ostakljenom jedinicom izolacionog stakla može se smatrati novim standardom.
c) Razvoj novih prozorskih sistema
Tokom razvoja novih prozorskih sistema, važno je stalno sarađivati sa svim dobavljačima uključenim u proces (npr. sa proizvođačima okova, zaptivki, alata i dr.) u što ranijem stadijumu samog razvoja.
d) Poboljšanja toplotnih karakteristika
Poboljšanjem toplotnih karakteristika npr. kroz uvođenje izolacionih materijala u drvene ramove ili upotrebom modifikovanih vrsta drveta nude se jednostavna i efikasna rešenja koja mogu primeniti proizvođači koji imaju ručni proizvodni proces i kada je za vreme proizvodnje potrebno uložiti relativno mali napor.
e) Inovativne prozorske konstrukcije
Veliki potencijal razvoja vodi poreklo od inovativnih sistema ostakljenja ili konstrukcija integralnih prozora. Smanjenjem vidnog polja poboljšavaju se konstrukcione i toplotne karakteristike.
f) Primena rezultata istraživanja
Sada su dostupni izvesni koncepti i predlozi za primenu pomoću kojih se mogu projektovati portfoliji proizvoda pogodnih za buduće energetske zahteve.
6. Prozorski profili
Unapređenja prozorskih profila (Uf) su moguća pre svega u sledećim oblastima:
- korišćenje novih materijala i prevlaka sa smanjenom toplotnom provodljivošću i manjom emisivnošću
- optimizacija geometrije profila (broj komora, poboljšavanje zona toplotne izolacije)
- poboljšavanje prozorskih sistema (površina koje su zaptivene, pokrivanje uglova, dvostruko ostakljeni prozori)
- smanjenje širine profila (veći udeo stakla)
- poboljšavanje širine profila (veći udeo stakla)
- razvoj novih metoda ostakljivanja
- ugaone zaptivke sa poboljšanim toplotnim karakteristikama
Drveni prozori se mogu poboljšati povećavanjem strukturne dubine i korišćenjem kompozitnih profila gde se drvo laminira materijalima koji imaju nižu toplotnu provodljivost, npr. sa tvrdim poliuretanskim penama i plutom koja dobro prianja za drvo, ima dovoljnu čvrstoću, λ – vrednosti između 0,040 i 0,050 W/mK, koji obezbeđuju bolju toplotnu izolaciju od drveta (0,13 W/mK). Druga svar je izbegavanje stvaranja toplotnih mostova na lajsni. To se može sprečiti toplotnim prekidima profila (poboljšanje za 0,1 – 0,2 W/m²K). Savremeni drveni prozori koji se mogu naći na tržištu su spolja pokriveni aluminijumskom „sekcijom” (drvo/metal prozori). Toplotne karakteristike, međutim, zavise od poprečnog preseka unutrašnjeg drvenog profila. Zbog spoljnog aluminijumskog profila nije moguće koristiti ψ- vrednost za drvene prozorske profile u skladu sa EN ISO 10077 – 1, ovde je potreban poseban dokaz.
U tabeli 1 su date vrednosti koeficijenata prolaza toplote za određene vrste i debljine prozorskih profila od drveta.
Analizom tabele 1 mogu se utvrditi značajna odstupanja između tabelarnih, računskih i izmerenih vrednosti. Izračunate i izmerene vrednosti imaju značajno manja odstupanja. Kod tabelarnih vrednosti se uočavaju značajno veće vrednosti, sigurno se radi o drvenim profilima koji imaju povećani koeficijent toplotne provodljivosti. Značajna poboljšanja su ostvarena korišćenjem kompozitnih materijala, rezultati računanja (Uf= 0,7 W/m2K) i rezultati merenja (Uf= 0,65 W/m2K). Prilikom analize proizvodnje koristiti merenja jer su oni najmeritorniji. Na ovaj način je drvene profile moguće koristiti kao osnov za pasivne kuće. Na slici 2 data je zavisnost koeficijenta prolaza toplote rama od debljine rama, kao i jednostavno rešenje preseka rama i krila.
7. Prozori sa dva prozorska krila u jednom ramu
Ovi prozori imaju dva prozorska krila u jednom ramu. Unutrašnje krilo se obično sastoji od jedinice izolacionog stakla a spoljno krilo je jednostruko ostakljeno. Dva krila se mogu razdvojiti radi čišćenja i održavanja. Prostor između krila se može koristiti za postavljanje zastora, kontrole svetlosti i ventilacione uređaje. Ventilacija ka spolja se odvija kroz male spojeve (< 2 mm) bez negativnih uticaja na toplotnu izolaciju. Prozori sa dva prozorska krila u jednom ramu su poboljšali toplotnu izolaciju za 0,2–0,3 W/m²K i akustičku izolaciju za oko 3–5 dB.
8. Ostakljenje
Do sada je industrija proizvodnje stakla svojim inovacijama inicirala razvoj toplotnih karakteristika prozora, te se iz istog razloga može očekivati da trostruko ostakljena jedinica uskoro postane standardni sistem ostakljivanja. Izolaciono staklo mora obavljati mnogo funkcija poput sigurnosno/bezbednosne, zvučne izolacije ili zaštite od požara. Trenutno savremeno vakuum staklo ima koeficijent prolaza toplote (Ug= 0,8–1,0 W/m²K), a daljim poboljšanjima može se dostići vrednost od oko 0,5 W/m²K. Prednosti su mala težina i debljina između 8 i 10 mm. Iz tog razloga, vakuum staklo može da zameni jednostruko ostakljenje, na primer u istorijskim spomenicima.
Dalja poboljšanja mogu se postići uključivanjem dvostruko ili trostruko ostakljenim jedinicama. Po pravilu vrednosti za linijski koeficijent prolaza toplote ψ se poboljšavaju za 0,002 W/mK po mm dodatnog pokrivanja ivica stakla elementom rama. Zato je moguće poboljšati Uw–vrednost prozora sa pokrivanjem ivice od 25 mm za vrednost ΔUw= 0,05 W/m²K.
9. Ugradnja
Osim dobrih toplotnih karakteristika komponenti zgrade, takođe je važno da su ti elementi pravilno ugrađeni i da je sprečena pojava toplotnih mostova. Na prenos toplote, između ostalog, utiče i položaj ugradnje, kao i pravilno postavljanje izolacionih slojeva. EnEV nudi tri rešenja za verifikaciju toplotnih mostova:
a) nije potrebna posebna verifikacija. Standardna razlika ΔWB = 0,1 W/m²K može se dodati na U – vrednost toplotno–provodljivih površina omotača
b) detaljnim projektovanjem u skladu sa DIN 4108, dodatak 2, vrednost ΔWB se smanjuje na 0,05 W/m²K.
c) precizne ψ–vrednosti mogu se odrediti u skladu sa DIN V 4108–6, korišćenjem kataloga toplotnih mostova ili metodom računanja u skladu sa DIN EN ISO 10211–2.
10. Sunce
Energija koja se dobija od sunca je 3000 puta veća od svetskih energetskih potreba. Građevinska tehnologija ima zadatak da ovaj izvor iskoristi, u tom pogledu od koristi mogu biti prozori, fasade i staklo.
Da bi se odredile energetske karakteristike prozora i stakla, potrebno je uvesti indeks ravnoteže u buduće propise i pravilnike, kao što je već bio slučaj sa Propisima o toplotnoj izolaciji 95 (ekvivalentna U–vrednost Ueq). Odlučujući faktori su U–vrednost stakla i ukupni prolaz sunčevog zračenja g, pa se iz tog razloga može očekivati dalji razvoj.
Sasvim je moguće da fotonaponske ćelije i solarni kolektori obezbeđuju dovod energije u zgradu, što se može predstaviti decentralizovanom proizvodnjom energije za buduće pogone, kao i kontrolne uređaje i uređaje za zasenjivanje.
Inteligentna, kontrolisana upotreba uređaja za zasenjivanje, upotreba sistema za skladištenje toplote kao i sistema kontrole svetlosti omogućava optimalnu upotrebu bez pregrevanja unutrašnjosti zgrade.
11. Zaštita od sunca
Pored energije koja se potroši zimi, potrebno je izvršiti analizu potrošnje energije potrebne za hlađenje leti, koja se ne sme podceniti, pošto prelazi energiju potrebnu za grejanje multiplikativnim faktorom, u zavisnosti od klime, specifikacije zgrade, tehnologije upotrebe i klimatizacije vazduha. Iz tog razloga EnEV, DIN V 18599 i DIN 4108–2 sadrže odgovarajuće propise. Važni faktori za smanjenje toplotnog opterećenja su zaštita od sunca leti kao i ventilacija, idealno u obliku kontrolisane noćne ventilacije. Dok se low–e staklo ponaša dobro, ono često ne može da zadrži prodor toplote spolja ka unutra a takođe i da potpuno zadrži toplotu u zimskom režimu unutra, tako da je potrebno dodatno zasenjivanje. Do sada je slaba tačka spoljnih uređaja za zasenjivanje bio vetar, posebno kada duva većom brzinom, novi uređaji podnose veću brzinu strujanja vetra (35 m/s).
Prozori sa dva krila u jednom ramu i dvostruki omotači zgrada omogućavaju integraciju sistema za zasenjivanje i ventilaciju u oblastima koje su zaštićene od vremenskih uslova, ali to predstavlja dodatni trošak pri izgradnji. Alternativu predstavljaju uređaji za zaštitu od sunčevog zračenja koji se mogu lako ugraditi na standardne prozore.
Ti sistemi nude dobre osobine zasenjivanja, ne menjaju izgled fasada i nude prednosti:
- uređaji za zaštitu od sunca se nalaze van zone koja je izložena vremenskim uslovima,
- po uslovima energetskih karakteristika ti sistemi se porede sa spoljnim uređajima za zaštitu od sunca
- mogu se prilagoditi sezonskim i dnevnim uslovima
- potrebno je čistiti samo staklene površine
- jednostavna koordinacija između proizvođača fasada, izolacionog stakla i uređaja za zaštitu od sunca
Za trajni rad bez greške ovih sistema moraju se uzeti u obzir sledeće stavke:
- nema curenja gasa
- nema apsorpcije vlage kroz ugaonu zaptivku
- nema stvaranja magle (skupljanje emitovanih materijala na unutrašnjoj površini staklene ploče)
- instalirani uređaj mora trajno funkcionisati
- nema lomljenja stakla, izračunato za odgovarajuće debljine stakla (klimatska opterećenja)
Uređaji za zasenjivanje ne smeju ograničavati ulaz dnevne svetlosti da se ne bi veštački osvetljavao unutrašnji prostor jer to zahteva dodatne uređaje i dodatnu potrošnju energije. Minimalna vrednost za vizuelno funkcionisanje je 50 lx, optimalno osvetljavanje je u opsegu od 2000 lx do 4000 lx.
Po najnovijim naučnim istraživanjim postoji treći receptor svetlosti na mrežnjači koji kontroliše uticaj svetlosti na ljudski organizam i ne reaguje na osvetljenje ispod 1000 lx. Tako dva zahteva, za intenzitet osvetljenosti i zaštitu od blještenja moraju biti ispunjena više nego pre. To se može postići ugaono–selektivnim elementima za zaštitu od sunca koji koriste zakone fizike prelamanja svetlosti (prizma) ili refleksija (ogledala–reflektori). Ovo sprečava blještenje pri osvetljavanju prostorije direktno iznad vidnog polja difuznom svetlošću.
U tabeli 2 su dati podaci za solarni faktor (g), svetlosnu propustljivost (τ), koeficijent prolaza toplote (Ug) za pojedine vrete izolacionih stakala.
Pri izboru prozora, potrebno je utvrditi ekvivalentni koeficijent prolaza toplote (Uq), koji uzima u obzir i uticaj koeficijenta prolaza toplote kao i uticaj sunčevog zračenja koji se manifestuje koeficijentom g.
Potrebno je da ekvivalentni koeficijent prolaza toplote bude manji ili jednak 0,3 W/m²K. Izraz (1) definiše ekvivalentni koeficijent prolaza toplote.
Ueq = Uw – g • SF ≤ 0,3 W/m²K (1)
gde su:
Uw – koeficijent prolaza toplote prozora, W/m²K
g – faktor solarnih dobitaka, %
SF – površina prozora, m³
Jednačinu (1) treba primeniti za prozor dimenzija
A x B = 1,23 m x 1,48 m, gde su:
A = 1,23 m – širina prozora
B = 1,48 m – visina prozora
Na slici 3 je dat prikaz priliva i gubitaka toplotne energije kroz prozorsku jedinicu.
12. Ventilacija
Prostorije u kojima se boravi moraju se provetravati, iz zdravstvenih razloga i zbog građevinske fizike. Količina svežeg vazduha potrebnog po osobi iznosi 10 do 25 m³/h, u zavisnosti od vrste fizičkih aktivnosti.
Sa stanovišta građevinske fizike, za otklanjanje vlage iz vazduha nastale radom postrojenja, kuvanjem i pranjem, neophodni su uređaji za ventilaciju, jer vlaga iz vazduha može uzrokovati kondenzaciju i dovesti do stvaranja buđi ako su temperature okolnih površina suviše niske.
Mora se uzeti u obzir uska povezanost sistema grejanja, temperature unutar prostorije i toplotne izolacije zgrade. Gubici toplote ventilacijom u zgradama sa niskom godišnjom potrošnjom energije (oko 60 kWh/m²god) mogu preći 50%, tako da se energetska efikasnost može poboljšati dodavanjem sistema za regeneraciju toplote za izlazni vazduh na centralizovane ili decentralizovane jedinice za ventilaciju.
Uređaji za slobodnu ventilaciju u stambenim zgradama još 1982. godine zavise od sledećih faktora:
- veličine otvaranja (dimenzije, oblik, položaj)
- pogonske fizičke sile (vetar i razlike pritisaka prouzrokovane različitim temeparaturama)
- faktora koji se odnose na prostoriju (dimenzije, izvori toplote, nameštaj)
Nove konstrukcije nepropusne za vazduh i izmenjeno ponašanje ventilaciji poslednjih godina doveli su do većih opterećenja vlagom unutar prostorija, a to je dovelo do neophodnih izmena vazduha i ograničavanja provetravanja. Jedna od tema razgovora u Nemačkoj obrađena je tokom revizije standarda DIN 1946–6, 2006–12 „Ventilacija i klimatizacija deo 6: ventilacija za stambene zgrade”, kada je postavljeno pitanje da li bi slobodnu ventilaciju trebalo dozvoliti samo u ulozi pomoći za postizanje minimalnog broja vazdušnih izmena, kada je to moguće bez učešća korisnika.
EN DIN 1946–6 definiše četiri stadijuma u količini protoka spoljnog vazduha.
- Ventilacija kao zaštita od nastanka vlage – ventilacija nezavisno od korisnika (minimalni rad)
- Minimalna ventilacija – ventilacija nezavisno od korisnika koja zadovoljava minimum zahteva za kvalitet sobnog vazduha
- Osnovna ventilacija – ventilacija potrebna za zaštitu zgrade i zadovoljavanje higijenskih i zdravstvenih zahteva (normalan rad)
- Osnovna ventilacija – pojačana ventilacija u periodima maksimalnog opterećenja (rad pod opterećenjem)
Ako dimenzija i proporcije zgrade, kao i unutrašnji raspored dozvoljavaju unakrsnu ventilaciju, moguće je postići potreban broj izmena vazduha samo provetravanjem. Jedna od opcija da bi se pomenuto postiglo je umetanje spoljnih i terminalnih uređaja u prozore.
Zaključak
Smanjenja potrošnje energije u zgradama za 2/3 je ekonomski izvodljivo sa postoječim tehnologijama. Prozori, fasade i ostakljenje će se dalje razvijati u inteligentne komponente zgrade, omogućavajući automatsko prilagođavanje spoljnim klimatskim faktorima, zahtevima korisnika i funkciji zgrade. Poput naše kože i odeće, budući omotač zgrade će pružati komfor korisnicima, uz minimalnu potrošnju energije. Osim pitanja o ekonomskoj efikasnosti koja se menja iz godine u godinu sa porastom cena energije, moramo sa suščiti sa pitanjem održivosti, zato što priroda ne poznaje finansijske parametre, nego samo sopstvenu ravnotežu energije.
Piše: Dr Dragan Škobalj, Žarko Đokić, dipl. ing.
