Sažetak
Korištenje energije zgrada s aspekta prozora definirano je s četiri bazna mehanizma – prijenosom topline na temelju temperaturne razlike između unutarnjeg i vanjskog zraka, solarnim dobitkom topline, propuštanjem zraka i dnevnom svjetlošću.
Utjecaj potrošnje energije prozora može se svesti na najmanju moguću mjeru (1) korištenjem dnevne svjetlosti radi zadovoljavanja zahtjeva osvjetljenja, (2) korištenjem odgovarajućih ostakljenja i strategije zasjenjivanja radi kontrole solarnih toplinskih dobitaka i minimiziranja zahtjeva za hlađenjem, (3) korištenjem odgovarajućih ostakljenja radi minimiziranja vodljivosti toplinskih gubitaka i (4) specifikacije niskog propuštanja zraka građevinske stolarije. Projektant pri odabiru mora razmatrati zahtjeve arhitekta, toplinske karakteristike, ekonomske kriterije i udobnost.
Uvod
Sljedećih godina fokus istraživanja bit će na „energy plus” kućama. Ove kuće trebale bi ponuditi ne samo najbolju toplinsku izolaciju, nego i povrat topline. Toplinska izolacija ljeti također postaje sve značajnije pitanje. Ljudi sada zahtijevaju više udobnosti u prostoru za stanovanje, toplinski valovi su u značajnom porastu čak i u srednjoj Europi. Kao rezultat toga, važnost ovojnice zgrade će rasti i ona će morati ispuniti strože zahtjeve nego do sada. Tehnička rješenja trebaju zadovoljiti ove zahtjeve koji su već raspoloživi. Arhitekti, projektanti i dizajneri općenito ih još nisu svjesni. Tako su oni samo ograničeno uključeni u proširenje detaljnih koraka planiranja i u pravilu, oni će svoje posebne zadatke dodijeliti stručnjacima za planiranje kao i proizvođačima. Za proizvođače prozora i fasada ovo znači da građevinski projekti postaju složeniji. Projektanti i izvođači detalja moraju uzeti u obzir tehničke karakteristike sličnih ovojnica zgrada osim tradicionalnih funkcija, toplinske izolacije i vremenskih utjecaja.
Potrebno je obratiti pažnju na zasjenjivanje, ventilaciju, dnevnu svjetlost, kontrolu prelamanja i proizvodnju energije koristeći PV (fotonaponske ćelije) ili visoke performanse toplinski izoliranih komponenti.
Promjene društvenog i potrošačkog ponašanja
Ove promjene su odgovorne za oglašavanje i marketing prozora i građevinskih komponenata. Potrebno je još utvrditi vrijednosti tehničkih karakteristika i U-vrijednost. Kupac se najčešće suočava sa oglašavanjem U-vrijednosti. Nije to jedina valjana karakteristika prozora.
Treba obratiti pažnju i na druge: zračnu propusnost, vodonepropusnost, otpornost na udare vjetra i zvučnu izolaciju.
Također je potrebno fokusirati se na sigurnost, kao i udobnost. Za uštedu novca je zauzet poseban stav. Sve to treba uključiti u prijateljski život s prirodom. Ovo će biti obveza koja je uključena u normu 14351-1 (norma za europske proizvode). Industrija bi trebala učiti iz ovoga i trebala bi naglasiti druge prednosti primjene novih prozora.
Za primjer: sigurnost, udobnost, praktičnost, više dnevne svjetlosti, bolja zvučna izolacija itd. Industrija sjenila poduzima zanimljive korake u tom smjeru.
Izolacija
Ukupne toplinske karakteristike zgrade kao što su zidovi, krovovi, podovi ili prozori određuju se prijenosom topline (obično opisane kao U-vrijednost). To je veličina mjere pri kojoj se protok topline kroz element održava pri razlici temperatura, njegovo mjerenje uključuje teži koncept i tehnike, i uključuje prijenos topline provođenjem, strujanjem i zračenjem.
Drugi uobičajeni termin je toplinska otpornost (tipično prikazana kao R-vrijednost) koja je inverzna vrijednost za sve praktične namjene toplinske transmisije. R-vrijednost uglavnom predstavlja mjernu karakteristiku materijala zgrade. To je lakše za razumijevanje manje sofisticiranim stručnjacima i potrošačima.
Ukratko, veća R-vrijednost znači manji protok topline, odnosno nižu U-vrijednost, i to je pokazatelj bolje ili lošije izolacije.
Toplinska provodljivost (λ) je pokazatelj koji se koristi za mjerenje količine protoka topline kroz materijal. To se može koristiti za proračun U-vrijednosti i R-vrijednosti izolacijskih proizvoda zadane debljine izolacijskih materijala. Izolacijski materijali su testirani na malim aparatima, dok su potpuno montirane zgrade i prozori uobičajeno ispitivani „hot box“ metodom.
Prozori
Najučinkovitiji način poboljšanja prozora je zamijeniti ih novim prozorima s vrhunskim značajkama. Značajna prednost u tehnologiji prozora u posljednjih 20 do 30 godina je razvoj prozora s Low-e premazima, koji su vrlo tanki metalni filmovi. Low-e premazi imaju sposobnost smanjenja gubitka topline na prozorima i također reflektiraju sunčevu energiju. Kao što je prikazana „road map” (mapa puta), IEA (Međunarodna agencija za energiju) preporučila je da svi novougrađeni prozori u svijetu budu ekvivalentni karakteristikama dvoslojno ostakljenih Low-e prozora s niskim koeficijentom provodljivosti okvira, a u hladnim područjima ekvivalentni trostrukim staklima s dvije površine Low-e i okvirima niske toplinske provodljivosti.
Zamjenom prozora, prozori s prethodno navedenim karakteristikama poboljšavaju karakteristike zgrada. Na primjer smanjuju se solarni toplinski dobici u toplim klimama. To je puno lakše nego smanjiti U-vrijednost u hladnim klimama. Sunčeva energija se može reflektirati.
Materijali za zasjenjenje su najbolji kada se montiraju na vanjsku stranu zgrade i uključuju rolete, kapke, zasjenjenje od sunca i razne druge uređaje za zasjenjenje. Unutarnje zasjenjivanje s visoko reflektirajućim površinama kao što su svijetle bijele boje također može biti učinkovito, ali ima manji učinak ako je ugrađeno Low-e staklo.
Folije za prozore su vrlo učinkovita tehnologija i mogu značajno smanjiti dobitke sunčeve topline, a održavanje je otežano ukoliko se te folije nalaze s vanjske strane.
Novi prozori s Low-e premazima mogu smanjiti U-vrijednost. U-vrijednost prozora koji ima jednostruko staklo s Low-e premazom smanjuje se i do 40%. Ovo se izvodi kad nije moguće u prozorski okvir ugraditi dvostruku izolacijsku jedinicu, a zamjena prozora je relativno skupa.
Instalirano saćasto zasjenjenje također može smanjiti U-vrijednost prozora. Treba naglasiti da je pravilna ugradnja vrlo važna za minimiziranje protoka zraka između elemenata za zasjenjivanje i prozora. Na ovaj način je ostvareno značajno poboljšanje. Još jedna dobro poznata metoda za poboljšanje karakteristika postojećih prozora je dodavanje vanjskog prozorskog panela radi otpornosti na udar vjetra ili vanjskog panela s Low-e staklom. Karakteristika jednostrukog prozirnog stakla ugrađenog u prozorski okvir Low-e staklom je veoma blizu karakteristikama novih s dvostrukim ostakljenim Low-e prozorima s niskim koeficijentom toplinske provodljivosti okvira. Ovo je vrlo važno jer se velika količina neučinkovitih prozora s jednostrukim staklom može modificirati.
Usporedbom karakteristika sa karakteristikama novih tipskih zgrada, uočava se velika korist s aspekta cijene proizvoda i koristi dobivena renoviranjem na prethodno navedeni način.
Visoka izolacijska svojstva trostrukog ostakljenja s Low-e staklima
Više istraživača i proizvođača na prozorima s višestrukim ostakljenjem s premazima niske emisivnosti punjeni plemenitim plinovima (kripton, ksenon, argon). Napredni prozori također imaju napredne okvire i inovativne rubne brtve. Intenzivno se razvijaju visoke karakteristike prozora. Ovi prozori se promoviraju kao značajke s kojima se treba uspoređivati. Ovi prozori neznatno povećavaju troškove ulaganja, a vrlo se brzo isplate temeljem smanjenja potrošnje energije za grijanje i klimatizaciju.
Vakuumski ostakljeni sustavi viđeni su kao način za postizanje dramatičnih poboljšanja performansi. Debljine izolacijskog stakla su znatno manje u odnosu na standardna izolacijska stakla i lako se ugrađuju u okvir. Japan je rijetka zemlja s etabliranim tržištem za ove tehnologije gdje se već dugi niz godina prodaju sustavi vakuumskog ostakljenja.
Međutim, postoji ograničenje dimenzija u oštroj hladnoj klimi uzrokovano toplinskim rastezanjem. Japanski vakuum ostakljeni prozori imaju visoke karakteristike, ali njihova primjena ne premašuje konvencionalne trostruko ostakljene prozore.
Konvencionalni troslojni prozori s Low-e premazima i učinkovitim okvirima imaju karakteristike (U vrijednost od 1 W/m²K). Poboljšane inačice daju U vrijednost ≤ 0,8 W/m²K , na kojoj se inzistira u pasivnim kućama.
Valja naglasiti da su značajna sredstva uložena u razvoj vakuumskog izolacijskog stakla. Unatoč visokoj učinkovitosti vakuumskog ostakljenja, tržište u svijetu još nije dovoljno razvijeno. U SAD-u je provedeno nekoliko istraživačkih projekata u cilju razvoja procesa vakuumskog ostakljenja koji će biti kompatibilan s glavnim proizvodnim procesima u proizvodnji prozora, a bit će podoban u svim klimatskim uvjetima.
Do sada uspješan proizvod nije u potpunosti razvijen. Kina radi slično na sustavu vakuumskog ostakljenja, ali su ograničeni na primjenjivost proizvoda. Veće proizvodne skale nisu pokrenute.
Više istraživačkih i razvojnih projekata potrebno je komercijalizirati na tržištu koje je sposobno primiti visoke karakteristike vakuum ostakljenih sustava.
Solarni toplinski dobici
Napredni sustavi ostakljenja s Low-e, spektralnim selektivnim staklima značajno nadmašuju staro konvencionalno staklo. Veliki broj stanara bit će zadovoljan ovim naprednim premazima i značajnom uštedom energije. Ovi prozori sa statičkim (fiksnim) solarnim koeficijentom toplinskih dobitaka (SHGC) još uvijek su neoptimalni za energetske karakteristike za većinu klimatskih uvjeta. Na primjer, visoki solarni dobici u hladnim i mračnim klimama pružit će potrebne prednosti u zimskim mjesecima, ali također mogu dovesti do prekomjernih temperatura u zatvorenom prostoru u vrućim ljetnim danima. Za razliku od pasivnih projekata, pravilnom orijentacijom zgrade suočavamo se s izloženostima koje omogućavaju izravno sunčevo zračenje u prostor u zimskim mjesecima, može se izbjeći problem pregrijavanja, a istovremeno se osiguravaju potrebni toplinski dobici zimi. Istodobno, postoji niz zgrada za koje ova opcija nije moguća ili praktična.
Slično u toplim klimama, zgrada s umjerenim (ili odgovarajućim) prozorima, misli se na udio prozora u površini zida u kombinaciji s naprednim ostakljenjima prozora s vrlo niskim SHGC koeficijentom i visokim mogućim prijenosom svjetlosti, može osigurati prednost zbog manje potrošnje energije, ali ovi prozori mogu se i dalje suočiti s tamom (manjom osvijetljenošću). Kada izravna sunčeva svjetlost ne pada na staklo (npr. prekomjerna naoblaka / kišni dan), ovi niski koeficijenti SHGC prozora moraju zahtijevati puno umjetnog svjetla za korištenje, stoga i sveukupno povećanje potrošnje energije u zgradama.
Ovi projekti obično zahtijevaju simulaciju zgrada (Softver za ocjenu godišnjeg utjecaja energije) uključujući ukupno grijanje, hlađenje kao i potrošnju energije za rasvjetu.
Automatsko vanjsko zasjenjenje ima dobre energetske karakteristike, ali može biti skupo za instalaciju i održavanje, uzrokovano radnim motorima i kontrolom sustava. Automatski sustavi zasjenjenja se široko koriste u Europi, gdje su cijene visoke, a stopa prodora klimatizacijskih sustava vrlo niska. Osnova zdravog stanovanja je zdrava zgrada. Sve se više inzistira na ovojnici zgrade (kvalitetna izolacija i izbor prozora), što značajno smanjuje korištenje klimatizacijskih sustava.
Vidimo da u doba korone treba obratiti pažnju na mikrobiološku i virološku kvalitetu zraka. Ovu komponentu treba hitno uvesti u rekonstrukciju starih, kao i projektiranje novih zgrada. Temelj zdravog stanovanja je prirodna ventilacija. U nekim zgradama to nije moguće, zbog nemogućnosti otvaranja prozora.
Adekvatan izbor ovojnice, kao i zasjenjenje prozora, značajno smanjuje potrošnju energije za hlađenje. Na nekim lokacijama, izborom uređaja za zaštitu od sunca nije potrebno hlađenje, unutarnje rolete nude dobru kontrolu vidljive svjetlosti, ali ne postižu nizak solarni faktor (SHGC ili SF).
Sve ove opcije mogu se integrirati s automatskim zatamnjivanjem, radi uštede energije za rasvjetu. Učinkovito automatsko upravljanje za sve dinamičke sustave je navedeno kao upotrebljivo za razvoj, što će rezultirati smanjenim troškovima instalacije. Danas su to široko rasprostranjena rješenja i predstavljaju zrelost tržišta u različitim regijama. Istraživanja pokazuju da potrošači i operateri u zgradama preferiraju dodatne opcije. Jedno od takvih rješenja je osigurati kontrolu optimalnih toplinskih dobitaka u svim klimatskim uvjetima i svim godišnjim dobima i dnevnim uvjetima, tzv. dinamičko solarno ostakljenje. Dinamičko solarno ostakljenje omogućuje promjenjiv prijenos svjetlosti i topline kroz staklo.
Posljednjih 40 godina provode se intenzivna istraživanja, a danas je na tom području učinjen značajan napredak.Trenutni lideri na dinamičkom tržištu solarnog ostakljenja prodali su značajne količine u posljednjih petnaest godina i otvorili velike nove tvornice u 2018. godini.
Izgrađeno je nekoliko demonstracijskih zgrada s proizvodima s ovih proizvodnih linija i nekoliko tvrtki za istraživanje i razvoj, uključujući i druge tvrtke koje su izgradile nove tvornice elektrokromatskih premaza na staklu, koje su upravo ušle na tržište. Privatni sektor je proteklih godina mnogo ulagao u nove tehnologije.
Termokromatski premazi koji mijenjaju optička svojstva temelje svoj rad na temperaturi stakla. Ovo je još jedna mogućnost koja je također dostupna na tržištu.
Ovi premazi nemaju aktivnu kontrolu, što može ograničiti njihovu optimalnu uštedu. To su jednostavni elementi s manjim dijelovima sustava. Temperaturna točka vitraža može se tonirati. Različite klime, mogu se ostvariti značajne uštede u usporedbi sa statičkim ostakljenjem.
Prozori – propustljivost zraka zbog nepravilne ugradnje
Prozori, osobito u starim zgradama, odgovorni su za najveći dio propuštanja zraka. Novi prozori koji se otvaraju općenito imaju puno bolje brtvljenje od postojećih starih. Postoji zabrinutost da stari prozori imaju veće propuštanje zraka. To je uglavnom uzrokovano toplinskim ciklusom od izlaganja visokim temperaturama pod utjecajem izravnih sunčevih uvjeta ljeti i velikim temperaturnim razlikama tijekom hladnih zimskih dana. Materijali, poput vinila, koji su postali dominantni jer imaju nisku toplinsku vodljivost, nažalost imaju visoki koeficijent toplinskog istezanja.
Nekoliko proizvođača to uzima u obzir pri razvoju prozora, ali ne svi proizvođači. Pitanje je utječe li to na trajnost i koliko dugo?
Mjere učinka pokazuju “starost” ili dugoročno predviđanje propuštanja zraka, na temelju čega se mogu osigurati očekivane uštede energije. Neki dizajni prozora, uglavnom u Europi, uključuju brtvene sustave za zaključavanje koji imaju vrlo nisku propusnost zraka i performanse su dugoročno općenito dobre.
Međutim, budući da su prozori “zategnuti” (nizak protok zraka), proizvođači u prozore ugrađuju ventilacijske kanale. Vrlo su učinkoviti „Duco“ kanali, ventilacija kroz zatvoreni prozor. Ugrađuju se na izolacijsko staklo koje se skraćuje za 60 do 80 mm. Primjenom ovih uređaja može se osigurati kontrolirana ventilacija, zaštita od insekata i odgovarajuća zvučna izolacija. Nažalost, kod nas je ovaj uređaj relativno skup.
Integrirani krovni sustavi
Povećano je zanimanje povezano s krovnim prostorom, uključujući solarne ćelije (PV), integrirani PV u zgradi (B/PV), solarne toplinske sustave i rashladne krovove. Na primjer, dobro uspostavljen učinkovit pristup je ugradnja krovnih prozora u zgradama kako bi se osigurale prednosti dnevnog svjetla. Ovi sustavi bi trebali biti dizajnirani tako da minimiziraju utjecaj rashladnog opterećenja koji također maksimizira uštedu osvjetljenja.
Kroz projekte umjetne rasvjete ovi sustavi mogu biti vrlo učinkoviti. Ako se implementiraju ispravno i s poboljšanim tehnologijama ostakljenja, mogu ponuditi niske U vrijednosti s povećanim protokom vidljive svjetlosti i naprednim tehnologijama koje se izrađuju za specifične tipove zgrada, projekte i klime.
Različiti materijali za izradu prozorskih okvira
Prozor je vrlo dinamičan dio ovojnice zgrade. Istodobno djeluje i kao prijamnik koji sunčevu energiju propušta u svemir te je ujedno štiti od vanjskih utjecaja i gubitaka topline. Gubici topline kroz prozore dijele se na prijenosne i gubitke provjetravanjem. Ukupni toplinski gubici kroz prozore predstavljaju preko 50% toplinskih gubitaka naše zemlje.
Toplinski gubici kroz prozore su nekoliko puta (oko deset puta) veći od onih kroz zidove, pa je jasno koliko je energetska učinkovitost prozora važna u ukupnim energetskim potrebama zgrade. Na starijim zgradama koeficijent Uw prozora kreće se od 3,50–4,00 W/m²K. Europsko zakonodavstvo propisuje sve niže vrijednosti. Koeficijent prolaza topline za pasivne kuće je Uw ≤ 0,8 W/m²K. Hrvatski standard propisuje koeficijent prolaza topline za prozore Uw = 1,4 W/m²K .
Staklo i profili prozora (prijenosni toplinski gubici) sudjeluju u ukupnim toplinskim gubicima prozora. Na slici 1 prikazan je presjek prozora, profili od PVC-U.
Prozorski profili, neovisno o materijalu od kojeg su izrađeni, moraju osigurati dobro brtvljenje, prekid toplinskog mosta u profilu, lako rukovanje kao i nizak koeficijent prolaza topline. Pri određivanju kumulativnog koeficijenta prolaza topline Uw potrebno je navesti pojedinačne koeficijente prolaska topline ostakljenja, okvira kao i linearni koeficijent prolaza topline Ψ (W/mK) koji je karakteriziran vrstom „distancer“ lajsne. Danas se ostakljenje izrađuje kao izolacijsko staklo s dva ili tri stakla s različitim plinovitim ispunama ili premazima koji poboljšavaju toplinske karakteristike. Na slici 2 prikazan je presjek prozora čiji su profili izrađeni od aluminija.
Na nisku vrijednost Ug stakla utječu sljedeći čimbenici: debljina i broj međuprostora, Ug vrijednost se smanjuje većim brojem međuprostora i većom širinom tih međuprostora. Za dvostruko izolacijsko staklo se najčešće koristi kombinacija 4 Low-e + 16 Argon + 4. Ovom kombinacijom se može ostvariti vrijednost Ug koeficijenta od 1 W/m²K. Mala se poboljšanja mogu ostvariti ako se argon zamijeni ksenonom ili kriptonom. U suvremenim kućama se rijetko koristi punjenje zrakom. Kod trostrukog ostakljenja najčešće se koristi kombinacija 4 Low-e + 16 Argon + 4 + 16 Argon + 4 Low-e. Ova kombinacija daje debljinu izolacijske jedinice od 44 mm.
Ovom kombinacijom se može ostvariti Ug vrijednost od 0,5 W/m²K. Vrlo je važna ovakva kombinacija stakla jer se praktički eliminira kondenzacija s unutarnje strane stakla. Stoga je važno osigurati nizak koeficijent prolaska topline i na okviru i na staklu.
Najveći doprinos smanjenju koeficijenta prolaska topline očekuje se primjenom vakuumskog stakla. Ukupna debljina ovog stakla ne prelazi 9 mm. Daljnjim razvojem ovog stakla značajno bi se smanjile dimenzije profila. Time bi se također smanjila težina i cijena prozora. Osnovni problem je kako osigurati kvalitetan vakuum kako bi se spriječila deformacija izolacijskog stakla. Ovaj proizvod je u daljnjem razvoju. Mehanizam se također može primijeniti na izolaciju zidova. Dovoljne su dvije ploče od prikladnog plastičnog materijala, gdje se između ploča izvlači zrak. U vakuumu nema prijenosa topline kondukcijom i konvekcijom, već samo zračenjem.
Za okvire prozora koriste se različiti materijali: drvo, čelik, aluminij, PVC-U, kao i kombinacija materijala (drvo-aluminij, aluminij-PVC-U). Zbog relativno visokog koeficijenta toplinske vodljivosti aluminija (λ = 160-230 W/mK), profili se izrađuju s prekinutim toplinskim mostom. Između aluminijskih profila ugrađuje se odgovarajući plastični profil. Debljina staklene ploče ima neznatan utjecaj na prijenos topline. Posebnu pozornost treba obratiti na brtvljenje (primarno i sekundarno brtvilo) pri izradi staklene izolacijske jedinice. Prilikom punjenja „distancer“ lajsne paziti da se koristi zeolit 3A. Ne koristiti veće dimenzije, treba adsorbirati samo vodenu paru, ali ne i argon. U posljednje vrijeme koriste se kontinuirane, neprekinute „distancer“ lajsne, samo jedan kraj je otvoren. Na taj način se osigurava znatno manje “curenje” argona. Nije točno dokazano koliko je argon stabilan između ploča, da ne dolazi do “curenja”.
Posebnu pozornost treba posvetiti ugradnji prozora. Prostor između okvira i zida može biti jedan od glavnih uzroka prolaska zraka i vlage.
Slika 3 prikazuje presjek prozora s drvenim okvirima. Drveni okviri izrađuju se debljine 68-93 mm. Ako želimo značajno smanjenje koeficijenta prolaska topline, tada koristimo lamelirane profile.
Poboljšanje toplinskih karakteristika prozora i drugih staklenih površina može se postići na sljedeće načine:
• brtvljenje prozora i vrata
• provjera i popravak okova na prozorima i vratima
• izolacija rolo kutija, ukoliko su kutije unutarnje
• smanjenje gubitaka topline kroz prozore, ugradnjom roleta i postavljanjem zavjesa i sl.
• zamjena prozora i vrata, toplinski kvalitetnijim.
Pridržavati se propisa koji inzistira na koeficijentu prolaza topline prozora Uw ≤ 1,4 W/m²K.
Autor članka: Prof. dr Dragan Škobalj
