Projektowanie okien ze względu na komfort oświetlenia naturalnego jest wyborem odpowiedniej kombinacji wielkości i rozmieszczenia okien oraz charakterystyki zastosowanego szkła.
Obudowa zewnętrzna budynku, czyli ściany elewacyjne oraz dach, oddziela jego wnętrze od warunków otoczenia. Stanowi element zatrzymujący energię lub transformujący ją z jednej formy na drugą. Nazywana jest interfejsem energetycznym między warunkami zewnętrznymi a potrzebami użytkowników w zakresie środowiska fizycznego wnętrz. Dlatego sposób jej rozwiązania formalnego i materiałowego ma znaczenie dla bilansu energetycznego budynku i komfortu jego użytkowania. Szczególnie ważne jest zachowanie odpowiedniej proporcji między powierzchniami transparentnymi i pełnymi.
Choć przeszklenia osiągają coraz lepsze parametry termoizolacyjne, wciąż mają mniej korzystną charakterystykę termiczną niż prawidłowo zaizolowane ściany pełne. Stwarzają ryzyko nadmiernej utraty ciepła w okresach grzewczych. Wprawdzie pozwalają na wykorzystanie energii słońca dzięki efektowi szklarniowemu, ale wymaga to szklenia o wysokich parametrach termoizolacyjnych oraz uzupełnienia o inne elementy, na przykład masywne ściany lub stropy akumulujące ciepło, systemy ochrony przeciwsłonecznej, i prawidłowego wentylowania pomieszczeń. Przy źle rozwiązanych lub zorientowanych względem słońca przeszkleniach o znacznej powierzchni zyski słoneczne nie rekompensują strat ciepła wskutek przemarzania. Dodatkowo efekt szklarniowy może prowadzić do przegrzewania pomieszczeń w gorące dni, a więc skutkować wzrostem zapotrzebowania na chłodzenie (np. skłania do montażu indywidualnych urządzeń klimatyzacyjnych w budynkach wielorodzinnych).
Fot. K. Wiśniewska
Wraz z zaostrzaniem przepisów, wzrostem cen energii i świadomości ekologicznej społeczeństwa coraz częściej stosuje się przeszklenia trójszybowe z tzw. powłokami funkcyjnymi, np. niskoemisyjnymi, przeciwsłonecznymi czy solar-control. Dzięki nim parametry termiczne i świetlne przegrody, nawet całkowicie przeszklonej, utrzymują się na dostatecznym, wymaganym przepisami poziomie. Są to jednak rozwiązania kosztowne zarówno ekonomicznie, jak i ekologicznie. Produkowane są dużymi nakładami energii i są mało podatne na recykling. Bardzo często wymagają także instalacji zewnętrznych systemów ochrony przeciwsłonecznej. Dążąc więc do realizowania idei zrównoważonego rozwoju, która mówi o szukaniu pola wspólnego dla względów społecznych, ekologicznych i ekonomicznych, należy podejmować odpowiedzialne i przemyślane decyzje projektowe dotyczące powierzchni i rozmieszczenia przeszkleń w budynkach.
Wpływ wielkości przeszkleń na potrzeby budynku w zakresie ogrzewania i chłodzenia
Wpływ wielkości przeszklenia elewacji na zapotrzebowanie budynku na energię grzewczą obrazują badania symulacyjne przeprowadzone dla obiektu biurowego w Würzburgu (Niemcy), a więc w warunkach klimatycznych zbliżonych do polskich. Publikują je Gerhard Hausladen, Michael de Saldanha i Petra Liedl w książce „Climate Skin, Building-skin Concepts that Can Do More with Less Energy”. Przedmiotem badań było pomieszczenie o powierzchni 22,5 m² i powierzchni ściany zewnętrznej 13,5 m², o średnim obciążeniu termicznym, przeznaczone dla dwóch osób pracujących przy stanowiskach komputerowych. Przyjęto dwa warianty szklenia: dwuszybowego (U = 1,1 W/m²K) i trójszybowego (U = 0,7 W/m²K) oraz dwie orientacje: północną i południową. Dla każdego z nich określono zapotrzebowanie na energię niezbędną do ogrzania pomieszczenia w ciągu roku przy przeszkleniu sięgającym 30, 50 i 70% powierzchni ściany zewnętrznej. Wyniki badań przedstawiają wykresy (rys. 1). Im większe okna, tym trudniej ogrzać pomieszczenie. Przy szkleniu dwuszybowym różnica między 30 a 70% przeszkleniem powodowała wzrost wydatków energetycznych o ok. 12 kWh/m² rocznie dla obu orientacji fasady (czyli o 40% więcej dla fasady południowej i o 35% więcej dla północnej). Przy szkleniu trójszybowym – o 5 kWh/m² rocznie (o 19% więcej) dla fasady południowej i 7 kWh/m² rocznie (o 20% więcej) dla fasady północnej.
Rys. 1. Wpływ stopnia przeszklenia elewacji na potrzeby grzewcze budynku przy orientacji południowej (po lewej) i północnej (po prawej). Przyjęto dane: pomieszczenie biurowe o pow. 22,5 m² (2 osoby + 2 stanowiska komputerowe), powierzchnia elewacji 13,5 m², U przeszkleń = 1,1 W/m2K dla szklenia 2-szybowego i 0,7 W/m²K dla 3-szybowego, g = 0,5/0,6, U ściany pełnej = 0,2 W/m2K, warunki klimatyczne – Würzburg (Niemcy); wg G. Hausladen, M. de Saldanha, P. Liedl.
Badania pokazują wyraźnie, że należy unikać znacznych przeszkleń elewacji północnych.70% przeszklenie elewacji południowej powoduje podobne koszty energii grzewczej co 30% przeszklenie od północy. Okazuje się także, że zastosowanie szklenia trójszybowego jest najbardziej uzasadnione w przypadku elewacji o dużym stopniu przeszklenia. Im mniej okien, tym ich znaczenie dla oszczędności na ogrzewaniu jest mniejsze.
Powierzchnia przeszklenia elewacji wpływa również na charakterystykę termiczną latem w pomieszczeniach poddawanych intensywnej insolacji (nasłonecznieniu).Opisane wyżej pomieszczenie poddano symulacjom temperaturowym dla dni letnich (temp. powietrza 28–30°C) przy wariantach przeszklenia 30, 50, 70 i 90%. Wykres na rys. 2a pokazuje rozkład temperatur przy braku osłon przeciwsłonecznych. Przy temperaturze powietrza zewnętrznego równej 30°C temperatura w pomieszczeniu przekroczyła 26°C dla wszystkich wariantów przeszklenia. Przy szkleniu 90% temperatura na zewnętrz i w środku była zbliżona. Jednak w ciągu kilku bardzo gorących dni, gdy ciepło kumuluje się wewnątrz, pomieszczenie o dużym przeszkleniu może osiągnąć wyższą temperaturę niż otoczenie (taką tendencję widać na wykresie dla 1 sierpnia). Temperatura w badanym pomieszczeniu była średnio o 3°C wyższa dla przeszklenia 90% niż dla 30%. Każde 20% więcej względem tej mniejszej wartości powodowało wzrost temperatury o ok. 1°C. Oznaczało to wzrost potrzeb energetycznych związanych z chłodzeniem o 1 kWh/m² rocznie.
Wykres na rys. 2b pokazuje rozkład wartości temperatury przy zastosowaniu zewnętrznego systemu zacieniającego (działającego przy obciążeniu energetycznym fasady 180 W/m²). Jak widać, ma on ogromne znaczenie dla przeciwdziałania przegrzewaniu – tym większe, im większa jest powierzchnia okien. Dla szklenia 90% temperaturę zredukowano aż o ok. 4°C, a dla szklenia 30% – o 1,5°C.
Na przegrzewanie latem narażone są nie tylko elewacje południowe, ale także elewacje wschodnie i zachodnie.Przyjmują one mniejsze wartości energii słonecznej, ale dosięga je promieniowanie niższe, wnikające głębiej do wnętrza budynku. Nie chronią przed nim takie elementy, jak płyty balkonowe, daszki czy wysunięte okapy, które mogą być skuteczną ochroną przed wysokim promieniowaniem południowym. Choć dawki promieniowania na ściany wschodnie i zachodnie są podobne, przeszklone pomieszczenia od zachodu osiągają wyższe temperatury. Słońce ogrzewa je bowiem w porach popołudniowych, gdy ciepło kumuluje się w nich już od godzin porannych. Wschodnie słońce dociera zaś do pomieszczeń wychłodzonych nocą. Gerhard Hausladen, Michael de Saldanha i Petra Liedl podają, że aby temperatura w opisanym pomieszczeniu przekraczała wartość 28°C nie więcej niż przez 100 godzin w roku, elewacja południowa może być przeszklona maksymalnie w około 85%, wschodnia w 55%, a zachodnia w 48%.
Rys. 2. Wpływ stopnia przeszklenia elewacji południowej na temperaturę w pomieszczeniu w dni letnie (30 VII – 1 VIII). Przyjęto następujące dane: pomieszczenie biurowe o pow. 22,5 m² (2 osoby + 2 stanowiska komputerowe), powierzchnia elewacji 13,5 m², U przeszkleń = 1,1 W/m2K (szklenie 2-szybowe), g = 0,6, U ściany pełnej = 0,3 W/m2K, warunki klimatyczne – Würzburg (Niemcy); po lewej – wariant bez osłony przeciwsłonecznej, po prawej – wariant z osłoną przeciwsłoneczną; kolory linii odpowiadają powierzchni przeszklenia względem ściany pełnej: zielony – 30%, czerwony 50%, pomarańczowy 70%, żółty 90%, czarny – temperatura powietrza zewnętrznego; wg G. Hausladen, M. de Saldanha, P. Liedl.
Wielkości przeszkleń a warunki oświetlenia wnętrz światłem dziennym
Okna zapewniają wnętrzom dostęp światła dziennego i kontakt wizualny z otoczeniem, co wpływa na psychofizyczny komfort przebywania w danym budynku. Mają także wpływ na zapotrzebowanie budynku na energię użytkową, gdyż im efektywniejsze wykorzystanie naturalnego światła, tym mniejsze zużycie energii na oświetlenie sztuczne. Warunki naturalnego oświetlenia wnętrz zależą w dużej mierze od wielkości i rozmieszczenia okien w pomieszczeniu. Badania opisanego wcześniej pomieszczenia wykazały, że przy przeszkleniu o powierzchni 30% w stosunku do powierzchni całej ściany elewacyjnej, tylko stanowisko pracy ustawione bezpośrednio przy oknie otrzymuje wystarczające wartości promieniowania świetlnego przy rozproszonym promieniowaniu słonecznym (badano elewację południową). Powiązanie widokowe z otoczeniem jest słabe. Przy szkleniu 50% warunki oświetlenia poprawiły się, zwłaszcza w narożnikach pomieszczenia przy ścianie elewacyjnej. Zyskał też komfort wizualny związany z większym otwarciem na świat zewnętrzny. Przy szkleniu 70% pomieszczenie zostało oświetlone jeszcze lepiej, a co szczególnie cenne, bardziej równomiernie na całej swojej głębokości (stanowisko pracy ustawione w głębi pomieszczenia uzyskało wystarczające parametry oświetlenia). Powiększenie szklenia do 90% wiązało się z usunięciem pełnej ściany podokiennej i nie przyniosło znaczącej poprawy warunków świetlnych. W widoczny sposób otworzył się jednak widok na zewnątrz. Przy intensywnym, bezpośrednim promieniowaniu słonecznym praktycznie dla wszystkich badanych wielkości okna następował efekt olśnienia, ale dla szklenia 30% miał niewielki zakres (jedynie strefa przyokienna). Dla większych wartości obejmował znaczną część wnętrza, powodując konieczność stosowania osłon przeciwsłonecznych. Rysunek 3 przedstawia rozkład współczynnika wykorzystania światła dziennego DF (daylight factor) w pomieszczeniu na całej jego głębokości w zależności od wielkości okien. Przyjęto dwa warianty przeszklenia: o współczynniku przepuszczalności światła TL (light transmission) równym 0,4 i 0,8.
Dla warunków komfortu wizualnego ważne jest także położenia okna i jego proporcje. Przy szerokim, horyzontalnym przeszkleniu światło rozkłada się bardziej równomiernie w pasie przyokiennym niż przy tak samo dużym oknie, ale ustawionym wertykalnie. Dla strefy w głębi pomieszczenia ma zaś znaczenie położenie krawędzi górnej okna. Im wyżej się znajdzie, tym lepiej jest oświetlona słońcem. Najlepsze otwarcie widokowe powstaje zaś wówczas, gdy możliwie duża powierzchnia transparentna znajduje się na linii wzroku człowieka stającego i poniżej niej.
Rys. 3. Rozkład współczynnika wykorzystania światła dziennego DF (daylight factor) ma głębokości pomieszczenia w zależności od wielkości okien na elewacji południowej. Przyjęto dwa warianty przeszklenia: o współczynniku przepuszczalności światła TL (light transmission) równym 0,4 i 0,8. Przyjęto dane: pomieszczenie biurowe o pow. 22,5 m², powierzchnia elewacji 13,5 m², grubość ramy okiennej 8 cm, stopień odbicia światła przez sufit 80%, przez ściany wewnętrzne 80%, przez podłogę 20%, natężenie światła zewnętrznego 10 000 lx; kolory linii odpowiadają powierzchni przeszklenia względem ściany pełnej: zielony – 30%, czerwony 50%, pomarańczowy 70%, żółty 90%, linia ciągła TL = 0,8, linia przerywana TL = 0,4; wg G. Hausladen, M. de Saldanha, P. Liedl.
Na charakterystykę naturalnego światła we wnętrzach mają wpływ również parametry szklenia, które regulują dostęp promieniowania: współczynnik przepuszczalności energii słonecznej g i uwzględniony na rys. 3 współczynnik przepuszczalności światła TL. Prawidłowe projektowanie okien ze względu na komfort oświetlenia naturalnego jest więc wyborem odpowiedniej kombinacji wielkości i rozmieszczenia okien oraz charakterystyki zastosowanego szkła. Rysunek 4 obrazuje, przy jakich przykładowych kombinacjach wymienionych parametrów można uzyskać wartość natężenia oświetlenia 300 i 500 lx przy różnych głębokościach wnętrza (od 1 do 5 metrów w głąb pomieszczenia).
Optymalizacja wielkości przeszkleń
Projektując przeszklenia elewacji budynku, oprócz kryteriów estetycznych, konstrukcyjnych i ekonomicznych należy uwzględnić także opisane kryteria użytkowe. Z punktu widzenia energooszczędności budynku powinny spełniać następujące warunki:
l minimalizacja strat cieplnych w budynku – im mniej przeszkleń, zwłaszcza na ścianach o orientacjach słabo nasłonecznionych, tym mniejsze straty termiczne w okresach grzewczych;
l maksymalizacja pozyskiwania energii cieplnej ze słońca za pomocą efektu szklarniowego zachodzącego przy przenikaniu energii słonecznej przez powierzchnie przeszklone – im większe powierzchnie szklenia na elewacjach intensywnie nasłonecznionych, tym większe zyski energii;
l eliminacja zjawiska przegrzewania wnętrz w okresach intensywnej insolacji – im większe okna na elewacjach intensywnie nasłonecznionych, tym większe nadwyżki ciepła latem;
l zapewnienie odpowiedniego stopnia oświetlenia wnętrz budynku światłem dziennym w sposób gwarantujący komfort wizualny (odpowiednie natężenie światła i jego rozkład w pomieszczeniach) i minimalizujący zapotrzebowanie budynku na światło sztuczne, minimalizacja efektu olśnienia w dni o intensywnym promieniowaniu słonecznym – zarówno za małe, jak i za duże okna nie są wskazane (należy dobierać odpowiednie parametry szklenia i systemy przeciwsłoneczne).
Wielu specjalistów z zakresu budownictwa energooszczędnego uznaje, że w naszym klimacie najważniejszy jest pierwszy cel, czyli ochrona budynku przed przemarzaniem.Natomiast podchodzą sceptycznie do koncepcji wprowadzania dużych powierzchni przeszklonych, nawet jeśli teoretycznie zdolne są do pozyskiwania energii słonecznej.
Jednak jak dowodzą liczne przykłady budynków o obniżonym zapotrzebowaniu na energię, prawidłowo zaprojektowane przeszklenia o dużych powierzchniach mogą skutecznie wykorzystywać energię cieplną ze słońca. Coraz bardziej podkreślane są także względy związane z komfortem wizualnym i maksymalnym wykorzystaniem światła dziennego.
Rys. 4. Zakres oświetlenia pomieszczenia światłem naturalnym o natężeniu 300 i 500 lx (głębokość zakresu oświetlenia 1–5 m) dla różnych kombinacji wielkości okien i parametrów szklenia; wg G. Hausladen, M. de Saldanha, P. Liedl.
Zalecenia dotyczące optymalnej relacji powierzchni okien do całkowitej powierzchni elewacji nie są więc ściśle określone i zależą od tego, który z wymienionych celów uznamy za priorytetowy. Profesor Laskowski twierdzi, że najbardziej racjonalne energetycznie jest utrzymanie udziału okien w sumarycznej powierzchni ściany na poziomie
20–30% z możliwością zwiększenia go do 40% dla elewacji południowych, przy czym łącznie wszystkie ściany powinny utrzymywać poprzednio podany przedział. Zalecenia te wydają się za bardzo restrykcyjne. Jak wykazują przytaczane badania, udział okien na poziomie 30% daje dość niski komfort oświetlenia światłem dziennym, nawet dla najlepiej oświetlonych słońcem elewacji południowych. Ich autorzy twierdzą, że bez zastosowania pasywnych lub aktywnych metod chłodzenia pomieszczeń latem możliwe jest osiągnięcie komfortu termicznego wnętrz przy udziale okien w elewacji południowej przeszklonej do 50%, zakładając, że przy przeszkleniach powyżej 30% istnieje zewnętrzny system zacieniający (przy średnim obciążeniu termicznym budynku).
Większe przeszklenia, nawet do 100%, wskazane są w przypadku struktur szklarniowych nastawionych na maksymalne zyski cieplne z energii słonecznej. Ich wprowadzanie ma sens energetyczny jedynie przy orientacjach południowych lub zbliżonych z odchyleniem do 15°. Wymaga także starannego procesu projektowego uwzględniającego symulację wpływu wybranego rozwiązania na ogólny bilans energetyczny budynku.
Zalecenia dotyczące elewacji wschodnich i zachodnich najczęściej określają optymalny udział okien na poziomie 30%.Możliwe jest podniesienie go maksymalnie do 50%, ale konieczne jest wprowadzenie dostosowanych do niskiego promieniowania zewnętrznych osłon przeciwsłonecznych (np. markizy, rolety, zamykane żaluzje).
Elewacje północne powinny mieć możliwie małe przeszklenia. Nie powinny przekraczać 30% całkowitej powierzchni ścian, a według najbardziej restrykcyjnych zaleceń nawet 20 lub 25%.
Od niedawna przepisy techniczno-budowlane regulują kwestie wielkości przeszkleń elewacji ze względu na oszczędność energii. Podane w nich wzory uzależniają ich udział w sumarycznej powierzchni elewacji od współczynnika przepuszczalności energii g szklenia oraz współczynnika korekcyjnego fc redukcji promieniowania ze względu na zastosowane urządzenia przeciwsłoneczne. Maksymalna powierzchnia okien AOmax uzależniona jest także od układu przestrzennego budynku. Zależność tę opisuje następujący wzór:
AOmax = 0,15 Az + 0,03Aw
gdzie: Az – jest sumą pól powierzchni rzutu poziomego wszystkich kondygnacji nadziemnych (w zewnętrznym obrysie budynku) w pasie o szerokości 5 m wzdłuż ścian zewnętrznych; Aw – jest sumą pól powierzchni pozostałej części rzutu poziomego wszystkich kondygnacji po odjęciu Az.
Projektowanie przeszkleń jest złożonym zagadnieniem, tym bardziej że na opisane zalecenia nakłada się wiele innych uwarunkowań architektonicznych i urbanistycznych, na przykład: zacienianie i przesłanianie przez sąsiednią zabudowę, przewidywanie przyszłych przekształceń funkcjonalnych i przestrzennych w obrębie budynku i jego sąsiedztwa, dążenie do stworzenia odpowiedniej relacji budynku względem przestrzeni miasta (powiązania widokowe, otwarcie na przestrzenie publiczne). Choć nie wszystkie wiążą się bezpośrednio z kwestiami energooszczędności, jednak bez ich uwzględnienia niemożliwa jest realizacja szeroko pojętej idei zrównoważonego rozwoju.
dr inż. arch. Katarzyna Zielonko-Jung
Wydział Architektury Politechniki Warszawskiej
Budynek racjonalnie niskoenergetyczny to taki obiekt, który przede wszystkim bardzo mało energii potrzebuje, a nie taki, który bardzo dużo energii z otoczenia pozyskuje, gdyż z reguły równie dużo jej z powrotem traci.
prof. Leszek Laskowski
