Prozori - energetski efekti prozora, IGU, ostakljenje, zasenjivanje, U-faktor

Prozor podrazumeva zastakljeni otvor u zgradi. Komponente prozora uključuju: (1) materijal za stakljenje, staklo ili plastiku;   (2) ramove, stubove, distancere, (3) spoljne naprave za zasenjivanje; (4) unutrašnje naprave za zasenjivanje i (5) integralne sisteme za zasenjivanje.

Prozori: (1) zadovoljavaju ljudske potrebe za vizuelnom komunikacijom sa spoljnim svetom; (2) dozvoljavaju da sunčevo zračenje obezbedi dodatnu dnevnu svetlost i toplotu i, u nekim slučajevima, spoljni vazduh; (3) u niskim građevinama čine izlaz u slučaju požara ili ostalih opasnosti; (4) poboljšavaju eksterijer i enterijer građevine.

Pri izboru prozora, projektant mora uzeti u obzir sledeće faktore:

• (1) arhitektonski – pomoću identifikacije opcija dizajna i njegove sinteze, da bi se postiglo očuvanje energije, uključujući moguću upotrebu kako električnog osvetljenja, tako i dnevne svetlosti, sa kontrolama koje automatski smanjuju električno osvetljenje kada je dostupna dnevna svetlost;
• (2) toplotni – pomoću dizajna prilagođenog gubicima i/ili dobicima toplote i površinskim temperaturama koje su za korisnika odgovarajuće i kojima se čuva energija;  
• (3) ekonomski – pomoću određivanja početnih cena i cena životnog ciklusa alternativnih dizajna prozora, 
• (4) faktor ljudskih potreba – pomoću određivanja želja i psiholoških potreba za prozorima i odgovarajućim standardima osvetljenja, za planiranu upotrebu prostora i za komfor i odobravanje korisnika.

Energetski efekti prozora

Prozori utiču na energiju koju zgrada upotrebljava kroz četiri osnovna mehanizma – termalni prenos toplote, dobici sunčeve toplote, propuštanje vazduha i dnevna svetlost. Neto efekat sistema prozora na ukupne potrebe zgrade za energijom, uključujući grejanje, hlađenje i energiju osvetljavanja, zavisi od (1) karakteristika i orijentacije prozora, (2) vremenskih uslova i sunčevog zračenja i (3) rada termalnog sistema zgrade.

Pažljiv projekat prozora može upotrebu energije svesti na minimum. Sve u svemu, uticaji energije na prozor mogu se optimizovati pomoću (1) korišćenja dnevne svetlosti da bi se ostvarili zahtevi za osvetljenjem, (2) korišćenja dobitaka pasivne solarne toplote da bi se ostvarilo zagrevanje prostora zimi, (3) korišćenje stakala sa specijalnom provodljivošću koja će odbaciti preveliki dobitak sunčeve toplote i (4) specifikovanje dizajna izolacionih stakala i prozora sa niskom propustljivošću vazduha.

Prozor se sastoji od ostakljenja, ramova i u nekim slučajevima uređaja za zasenjivanje i zaštitu protiv insekata (komarnika).

Ostakljenje

Ostakljena jedinica može imati jedno ili  više stakala. Najuobičajeniji materijal za ostakljivanje je staklo, iako se može koristiti i plastika. Staklo ili plastika mogu biti providni, obojeni, prevučeni prevlakom, laminirani, reljefni ili tamni. Providna stakla provode više od 80% upadne sunčeve radijacije i više od 75% vidljive svetlosti.

Obojena stakla se isporučuju u više boja, sve one različito utiču na količinu solarnog zračenja i vidljive svetlosti koju oni propuštaju i apsorbuju. Neke prevlake su visoko reflektivne (kao ogledala), dok su druge projektovane da imaju veoma malu  refleksiju. Neke prevlake kao rezultat imaju da je svetlosna propustljivost 1,4 puta veća od koeficijenta solarnih dobitaka (poželjna za dobro dnevno osvetljenje uz minimiziranje opterećenja hlađenjem).

Laminirana stakla su napravljena od dva staklena panela koja su međusobno spojena. Međusloj između dva staklena panela je plastika koja može biti providna, obojena ili prevučena prevlakom. Reljefno staklo je trajno istopljena keramika koja se primenjuje kod staklenih površina u dekorativne svrhe.

Izolaciona staklena jedinica

Izolaciona staklena jedinica – IGU (eng. insulating glass unit) je hermetički zaptivena, sastoji se od dva ili više staklenih ploča koje su povezane po njihovom obodu distancerom koji je napunjen apsorberom vlage, distanceri ujedno održavaju rastojanje između staklenih ploča. Distancer je u najmanje dve strane (najčešće po visini) napunjen apsorberom vlage. Na slici 1 je prikazana tipična konstrukcija izolacione staklene jedinice.

Slika 1 – Izolaciona ostakljena jedinica (IGU) – konstrukcioni detalji

Ostakljenje

Uobičajeni tipovi stakla koji se koriste za izolacionu ostakljenu jedinicu (IGU) su providno, obojeno i niskoemisiono (low–e).   U cilju energetske efikasnosti i dnevne osvetljenosti i povećanja komfora, low–e staklo se sada koristi u SAD u preko 70% proizvedenih prozora. Obojena i refleksiona ostakljenja mogu se takođe koristiti radi smanjenja solarnih dobitaka kroz prozor.

Prevlake low–e mogu se takođe primeniti za tanke plastične filmove koji se koriste kod ostakljenih izolacionih jedinica (IGU). Postoje dva tipa low–e prevlaka: za visoke solarne dobitke i za niske solarne dobitke. Prva od ovih primarno redukuje provođenje toplote kroz sistem ostakljenja i namenjena je za hladne klime. Druga, za tople klime, smanjuje solarne toplotne dobitke blokirajući dovođenje infracrvenog dela solarnog spektra. Pomoću ova dva načina ostvaruju se performanse low–e sa aspekta solarnih dobitaka.

Prva je sa specijalnim višeslojnim reflektujućim prevlakama sa stanovišta infracrvenog solarnog zračenja. Druga je sa apsorpcijom infracrvenog zračenja na spoljnjem staklu. Ostvarena je zaštita unutrašnjeg stakla i enterijera zgrade od apsorbovane toplote iz spoljne jedinice, low–e tip za hladnu klimu se takođe koristi za smanjivanje provođenja toplote sa spoljnjeg panela ka unutrašnjem.

Dodavanjem argona ili kriptona, gasova koji se koriste umesto vazduha u šupljini između panela u kombinaciji sa low–e ostakljenjem, dalje se smanjuje prenos energije. Neki proizvođači konstruišu IGU sa plastičnim filmovima sa low–e koji se nalaze između staklenih ploča i sa distancerom koji ima bolje izolacione karakteristike i dvostruko zaptivanje koje poboljšava zaptivenost gasnog prostora.

Distancer

Distancer omogućava odvojenost staklenih ploča i osigurava površinu za nanošenje primarnog i sekundarnog zaptivača. Danas se koristi nekoliko tipova distancera za konstrukciju IGU (ostakljena izolaciona jedinica). Svaki tip osigurava različite karakteristike prenosa toplote u funkciji od materijala distancera i geometrije.

Prenos toplote na rubnom kraju IGU je veći nego u centralnom delu IGU, zbog većeg toplotnog fluksa kroz distantni sistem. Distantni sistem razvija se u cilju minimiziranja toplotnog protoka na rubnom delu ostakljene izolacione jedinice (IGU). Ovaj distantni sistem naziva se topli rubni distancer.

U IGU konstrukciji, topli rubni distancer se projektuje radi smanjenja prenosa toplote, zamenom materijalima koji imaju nižu toplotnu provodljivost nego aluminijum (npr. nerđajući čelik, pocinčani čelik, čelik prevučen kalajem, polimeri, ili upenjeni silikoni). Tradicionalni distanceri se najčešće prave od aluminijuma.

Spojeni ili savijeni uglovi distancera minimiziraju prolaz vlage i para ugljovodonika u vazdušni prostor kroz uglove. Zeolit ili silikogel se takođe koriste za apsorpciju vlage koja je početno uhvaćena u IGU za vreme montaže ili postepene difuzije kroz zaptivače posle izrade.

Zaptivači

Nekoliko različitih konfiguracija zaptivača je uspešno korišćeno u modernoj konstrukciji IGU. Kod svih konfiguracija zaptivača, primarni zaptivač minimizira prolaz vlage i ugljovodonika. U konfiguraciji dvostrukog zaptivanja sekundarni zaptivač osigurava strukturalni integritet između ploča IGU.

Sekundarni zaptivač obezbeđuje dugoročnu adheziju i veći otpor prema rastvaračima, uljima i kraće potapanje u vodi. Navešćemo tipičnu konstrukciju dvostrukog zaptivanja. Primarni zaptivač napravljen je od komprimovanog poliizobutena (PIB), a sekundarni zaptivač napravljen je od silikona, polisulfida ili poliuretana.

Konstrukcija sa jednim zaptivačem zavisi isključivo od karakteristika istog, i mora da osigura odgovarajuću adheziju (lepljenje) stakala sa distancerom kao i da minimizira prolaz vlage i ugljovodonika. Konstrukcija sa jednim zaptivačem generalno je mnogo jeftinija nego sistem dvostrukog zaptivanja.

Treći tip zaptivača koji se koriste u konstrukcijama IGU i imaju značajne prednosti jesu umreženi polimeri koji osiguravaju oba zadatka: smanjenje prolaza vlage i imaju ekvivalentne strukturne osobine sistema dvostrukog zaptivanja. Ovi zaptivači obično se nazivaju dvostruko ekvivalentni materijali za zaptivanje (DSE).

Absorberi vlage

Tipični absorberi uključuju molekularna sita, silikogel ili matricu oba materijala. Absorberi se koriste da absorbuju vlagu koja je početno uhvaćena u IGU za vreme montaže ili postepene difuzije kroz zaptivače posle izrade.

Punjenje gasom

Hermetički zaptiveni prostor između staklenih ploča i IGU se najčešće puni vazduhom. U nekim slučajevima se koriste argon i kripton radi zamene vazduha u prostoru između panela. Oni se koriste radi daljeg smanjenja prenosa energije.

Ramovi

Tri glavne kategorije prozorskih ramova su: drvo, metal i polimeri. Drvo ima dobar strukturni integritet i izolacione vrednosti, ali ima malu otpornost na vremenske uticaje, vlagu, vitoperenje i organsku degradaciju (od plesni i insekata).

Metal je trajan i ima izvrsne strukturalne karakteristike, ali ima veoma siromašne toplotne osobine. Izbor metala u prozorima je gotovo ekskluzivno aluminijum, zbog lake proizvodnje, niske cene i male mase, ali toplotna provodljivost aluminijuma je 1000 puta veća nego drveta ili polimera. Siromašne toplotne osobine metalnih ramova prozora mogu se poboljšati prekinutim toplotnim mostom (nemetalna komponenta razdvaja metalne ramove koji su izloženi prema vani od površina koje su izložene ka unutra).

Polimerni ramovi se prave od ekstrudiranog vinila ili fiberglasa (staklo ojačano poliesterom) postupkom poltruzije. Njihove toplot­ne i strukturalne osobine su slične osobinama drveta, iako ramovi od vinila moraju biti ojačani za veće prozore.

Proizvođači ponekad kombinuju ove materijale navlačeći vinil na aluminijum, aluminijum na drvo, vinil na drvo, radi povećanja trajnosti, poboljšanja toplotnih karakteristika ili estetike.

Sistemi za zidne zavese za komercijalne objekte mogu biti strukturalno ostakljeni, a spoljni ram je jednostavno gumeni zaptivač ili silikon.

Tradicionalno postoji nekoliko baznih tipova prozora: krilni, fiksni sa horizontalnim i vertikalnim pomeranjem krila, sa delimičnim obrtanjem krila oko gornje horizontalne ose, sa obrtanjem oko vertikalne ose i delimičnim obrtanjem oko donje horizontalne ose, krovni i staklenici ili ubačeni prozori u vrtove.

Sistem za ostakljivanje (termoizolaciono staklo) može biti montiran ili direktno u ram (direktno ostakljenje ili direktan-set prozor, koji se ne može kretati) ili u krilo koje se može pokretati na ramu (za operativan prozor).

Kod prozora kod koga krilo može da se pokreće, sistem zaptivanja protiv vremenskih uticaja nalazi se između rama i krila i smanjuje vazdušnu i vodenu propustljivost.

Zasenjivanje

Uređaji za zasenjivanje omogućeni su u širokom rangu proizvoda i imaju različit uticaj na izgled i propusnost energije.

Uređaji za zasenjivanje uključuju unutrašnje i spoljašnje roletne, unutrašnje i spoljašnje zavese, kapke, draperije i obrtne uređaje za zasenivanje. Uređaji za zasenjivanje na spoljašnjem ostakljenju smanjuju solarne toplotne dobitke efikasnije nego unutrašnji uređaji.

Unutrašnji uređaji su lakši za rad i podešavanje. Neki proizvodi pomažu izolaciji spoljašnjih prostora od vanjskih dok drugi vraćaju dolazeću solarnu radijaciju što smanjuje osetljivost i toplotnu neugodnost. Prepusti i vegetacija biljaka mogu značajno uticati na zasenjivanje.

Izračunavanje toka energije prozora

Tok energije kroz prozor ostvaruje se na tri načina:

• konduktivnim i konvektivnim prenosom toplote uzrokovanog razlikom temperatura između spoljašnjeg i unutrašnjeg vazduha
• radijacionom razmenom toplote dugotalasnog zračenja (iznad 2.500nm) između prozora i okoline i između staklenih slojeva
• kratkotalasnim (ispod 2.500nm) sunčevim upadnim zračenjem na prozor, ili direktno od sunca reflektovano od zemlje i susednih objekata.

Pojednostavljeni proračun je zasnovan na činjenici da su temperature neba, zemlje i okolnih objekata (stoga i njihova radijaciona emisija) vezani za temperaturu spoljnjeg vazduha. Razmena zračenjem je tada aproksimirana pretpostavkom da su površine koje zrače (uključujući i nebo) na istoj temperaturi kao i spoljašnji vazduh.

Sa tom pretpostavkom, osnovna jednačina za trenutni tok energije q kroz prozor je:

q = UO AT (tout - tin) + ET (AG · FG – AFrm · FFrm) – (1)

gde je:

• UO – koeficijent prolaza toplote prozora
• tout – spoljna temperatura vazduha
• tin – unutrašnja temperatura vazduha
• AT – ukupna površina prozora
• AG – površina stakla (prozirna)
• AFrm – površina rama (neprozirna)
• FG – koeficijent solarnog toplotnog dobitka stakla
• FFrm – koeficijent solarnog toplotnog dobitka rama
• ET – ukupno upadno zračenje.

Veličine UO, FG i FFrm se često smatraju konstantama, međutim one blago variraju kao funkcija promenljivih okoline, od kojih su najvažnije temperatura i brzina vetra. Koeficijenti solarnog toplotnog dobitka takođe u velikoj meri zavise od ugla pod kojim pada sunčeva svetlost.

Glavno opravdanje za jednačinu (1) je njena jednostavnost, koja se postiže sakupljanjem svih povezanih radijacionih, konduktivnih i konvektivnih procesa prenosa energije preko U i F.

Ove veličine polako variraju jer: (1) konvektivni prenos toplote je funkcija temperaturne razlike ili brzine slobodnog toka, (2) promena temperature uzrokovana vremenskim uticajima ili klimom je mala na apsolutnoj (Kelvin) temperaturnoj skali i kontroliše veličinu radijacionog prenosa toplote i (3) prozorski sistemi uvek uključuju dva toplot­na otpora u seriji.

Koeficijent prolaza toplote

U odsustvu sunčeve svetlosti, infiltracije vazduha i kondenzacije vlage, prvi član u jednačini (1) predstavlja veličinu toplotnog prolaza toplote kroz sistem prozora. Većina sistema se sastoji od prozirnih višestrukih staklenih jedinica i neprozirnog krila i rama (naziva se zajedničkim imenom ram). Putanje prenosa toplote jedinice stakla uključuju jednodimenzionalni doprinos centra stakla i dvodimenzionalni doprinos rubnog dela. Doprinos rama je primarno dvodimenzionalan.

Shodno tome, ukupni stepen prenosa toplote kroz prozorski sistem može se izračunati uz poznate doprinose prenosa toplote centra stakla i rubnog dela stakla i rama. Kada su prisutne lajsne za distanciranje staklenih ploča, poput dekorativnih rešetki, i one utiču na prenos toplote i mora se razmotriti njihov doprinos. Koeficijent prolaza toplote prozora može se izračunati ako su poznati koeficijenti prolaza toplote pojedinih elemenata prozora

UO = (Ucg · Acg + Ueg · Aeg + Uf  · Af)/Apf – (2)

gde se oznake cg, eg i f odnose na centar stakla, ivice stakla i ram. Apf je gruba površina otvora u zidu ili na krovu za prozor umanjena za instalacioni zazor.
 
U slučajevima gde prozor ima staklene površine u samo jednom pravcu (tipični prozori), zbir površina jednak je projektovanoj površini. Krovni prozori, prozori za staklenike/vrtove, prozori brodova i izbočeni prozori zbog svoje proširenosti izvan oblasti zida/krova imaju veću površinu za toplotne gubitke nego prozori sa sličnim opcijama stakla i sličnim materijalom za ramove. Shodno tome, U–faktori za takve proizvode su veći.

U–faktor centra stakla

Toplotni tok duž centra višestruke staklene jedinice mora uzeti konvektivni i radijacioni prenos toplote u gasnom prostoru. Konvektivni prenos toplote se procenjuje na osnovu visokog odnosa prirodne konvekcije za vertikalne vazdušne slojeve i vazdušne slojeve pod nagibom. Radijacioni prenos toplote (ignorišući apsorpciju gasa) se kvantifikuje korišćenjem fundamentalnijeg pristupa Rubin (1982) i Winght (1982) koji su utvrdili kompjuterske metode za rešavanje kombinovanog problema prenosa toplote.

Vrednosti za Ucg pri unutrašnjim i spoljašnjim uslovima zavise od konstrukcionih karakteristika takvog zastakljivanja, kao što je broj staklenih ploča, dimenzije prostora ispunjene gasom, orijentacija u odnosu na vertikalu, zračenje na svakoj površini, i  kompozicija gasa kojim se puni prostor između staklenih ploča. Za određivanje prenosa toplote staklene jedinice koristi se kompjuterski program Window 4,0 iz laboratorije Lorens Berkli. Slika 2 (na strani pored) prikazuje uticaj širine gasnog prostora na Ucg za različite jedinice stakla.

Prikazani su U–faktori za vazduh, argon i kripton koji služe za punjenje kao i faktori za visoke (neprevučene) i niske (prevučene) vrednosti površinske emisije. Širine gasnog prostora veće od 13mm nemaju bitnog uticaja na Ucg, pošto dužina najkraće putanje toplotnog toka kroz ram raste.

Niskoemisiona prevlaka kombinovana sa punjenjem kriptonom značajno smanjuje prenos toplote kod jedinica sa malom širinom prostora između staklenih ploča. Vrednost Ucg za nagnute prozore (sa povećanim toplotnim tokom) jeste veća od vrednosti za vertikalne prozore, zato što su veći koeficijent unutrašnjeg filma i koeficijent vazdušnog prostora, naročito kada prostor između staklenih ploča iznosi 13mm.

Slika 2: U-faktor centra stakla za vertikalne jedinice sa dvostrukim i trostrukim zastakljenjem

U–faktor rubnog kraja stakla

Jedinice izolacionog stakla obično imaju kontinuirane distancere duž obima stakla i omogućavaju zalivanje ivica. Aluminijumski distanceri dosta povećavaju konduktivni prenos toplote između dodirne površine unutrašnje i spoljašnje površine stakla i tako degradiraju lokalne toplotne karakteristike staklene jedinice.

Laboratorijska merenja koja je obavio Peterson (1997) pokazala su da je ova oblast proizvodnje smanjena na 65mm široku traku po obimu staklene jednice.

Prenos toplote ivice stakla je dvodimenzionalni i zahteva detaljno modeliranje da bi se mogao precizno odrediti. Na osnovu detaljnog dvodimenzionalnog modelovanja Arasteh (1999) je razvio sledeću korelaciju za  izračunavanje  U–faktora  ivice  stakla,   kao  funkciju   tipa  distancera  i U–faktora centra stakla:

Ueg = A + B ·  Ucg2  + C · Ucg2  – (3)

gde su A, B i C koeficijenti korelacije, koji su navedeni u tabeli 1 za metal, izolacione (uključujući drvo) i spojene distancere stakla i za kombinaciju izolacionih i metalnih distancera. Konstante korelacije za kombinaciju izolacionih i metalnih distancera su izvedene pomoću kompjuterskih simulacija, koje su pokazale da se 85% dobrih osobina trostrukog zastakljivanja može pripisati izolacionim distancerima.

Približne vrednosti U–faktora ivice stakla kao funkcije U–faktora centra stakla prikazane su na slici 3.

Slika 3: Veza između U–faktora i ivice stakla za različite distancere

Pretpostavlja se da je ivica distancera jednaka sa linijom koja ograničava vidno polje ostakljenja. Prikazane su krive za aluminijumske distancere sa zaptivačima (metalnim) i nemetalnim (izolacionim) distancerima, uključujući staklena vlakna, drvo i butil. Vrednosti za ivice stakla i čelične distancere padaju između vrednosti krivih vezanih za metalne i izolacione distancere.

Ovaj efekat ivice ne događa se kod jednostruko zastakljenih jedinica. Za visoko izolaciono ostakljivanje, prenos toplote rubnog kraja može znatno uticati na povećanje ukupnog koeficijenta prolaza toplote U. Iz tog razloga, za ovaj efekat je potrebno uzeti u obzir podatke o ispitivanjima ili specifične kompjuterske proračune dizajna.

U – faktor rama

Elementi rama prozora se sastoje od svih strukturnih članova izuzev jedinice stakla i uključujući elemente krila, stuba, podprozorske daske, spojnice i ostalih distancera staklenih ploča.

Procenjivanje prolaza toplote kroz ram je komplikovano zbog:

 
• raznolikosti konfiguracija prozora i ramova
• različitih kombinacija materijala koji se koriste za izradu ramova
• različitih dimenzija prozora koji se koriste za stanove i poslovne objekte
• i, u nešto manjem stepenu, zbog širine jedinice za zastakljivanje i tipa distancera.

Unutrašnji distanceri ili rešetke imaju malo uticaja na U–faktor prozora, pod uslovom da postoji bar 3mm razmaka između distancera i svake ploče stakla.

Tip prozora se odnosi na kofiguraciju dizajna (npr. prozori sa krilima, klizni ili fiksni prozori, vrata koja vode u vrt, krovni prozori itd.). Materijali koji se obično koriste za elemente rama uključuju drvo, aluminijum i vinil. Takođe su dostupni prozorski ramovi od staklenih vlakana.

Proizvođači ponekad kombinuju te materijale kao jedinice za navlačenje (npr. navlačenje vinila na aluminijum, navlačenje aluminijuma na drvo) da bi povećali trajnost i estetiku. Aluminijumske jedinice su dostupne kao jedinice od čvrstog materijala, tako i kao jedinice sa prekinutim termičkim mostom.
Kod jedinica sa prekinutim termičkim mostom se ubacuju plastični umeci koji smanjuju konduktivni prenos toplote kroz elemente rama. Vinil jedinice takođe mogu biti strukturno ojačane čeličnim profilima i/ili mogu imati unutrašnje šupljine ispunjene penastim izolacionim materijalima.

Kompjuterskim simulacijama utvrđeno je da se toplotni gubitak rama kod mnogih prozora kontroliše jednom komponentom ili kontrolom otpornosti, a promene ove komponente mogu značajno uticati na toplotni gubitak rama. U–faktor rama sa termičkim prekidom u velikoj meri kontroliše se pomoću dubine termičkog prekida materijala u pravcu toka toplote. Za aluminijumske ramove bez termalnog prekida koeficijent unutrašnjeg filma osigurava najveći otpor prenosu toplote. Za vinil i drvene prozorske ramove, kontrolisani otpor jeste najkraće rastojanje između spoljašnjih i unutrašnjih površina, što obično zavisi od debljine zaptivene staklene jedinice.