Prepočet „spotreby plynu“ cez okno?

Provokujúci titulok tohto príspevku sme zvolili zámerne, pretože vysvetľovanie tepelno-technickej kvality okien je nezrozumiteľné väčšine obyvateľstva. Provokujúcim titulkom a týmto článkom chceme vyvolať diskusiu, ako by sa zrozumiteľne mala vysvetľovať tepelno-technická kvalita okien, aby jej rozumeli najmä tí, ktorí kvalitu okien, a teda úsporu energií pocítia na svojich peňaženkách…

O tepelno-technických vlastnostiach okna „hovorí“ súčiniteľ prechodu tepla Uokna alebo Uw (z angl. windov – okno), udávaný v jednotkách W/(m².K). Faktom je, že väčšina ľudí si nevie z tejto fyzikálnej jednotky odvodiť alebo vypočítať energetickú úspornosť, prípadne neúspornosť okna. V tomto príspevku sa pokúsime zrozumiteľne vysvetliť, čo vám tento údaj o okne vyzradí.
Okno – okná sa skladajú z rámu, ktorý sa pripevňuje do obvodového plášťa stavby a okenného krídla, ktoré je s rámom spojené rôznym typom okovania. Okná tak môžu byť fixné, kývne, otváravé, otváravo-sklopné, vyklápacie… Do krídla sa dajú vložiť izolačné dvojsklá či trojsklá. Tieto zásadne ovplyvňujú tepelno-technickú hodnotu celého okna, pretože tvoria 70 % plochy okna. Tento fakt značí, že okno si možno vybrať z viacerých tepelno-technických možností a voľbou niektorej z možností sa ovplyvňuje spotreba tepla v stavbe. Dá sa teda povedať, že cez okno vždy unikne určité množstvo tepla (z vykurovaných miestností) a jeho výšku ovplyvňuje tepelno-technická kvalita „súčiastok“, z ktorých sa okno u výrobcu zostaví. Uvažujúci investor asi položí otázku: Ktomá navrhnúť skladbu okna tak, aby strata tepla cezeň bola ekonomicky prijateľná? V prvom rade by to mal byť projektant, ktorému by malo záležať, aby „jeho“ projekt bol energeticky úsporný. Prikazuje mu to Zákon č. 555/2005 Z.z. o energetickej hospodárnosti budov aj vyhláška 311/2009 Z.z. V druhom rade by to mal vyžadovať aj investor – stavebník amal by vytvoriť priestor (aj financiám), aby projektant vypracoval niekoľko variantov, ako sa dajú ušetriť prevádzkové náklady na energie v dome. Žiaľ, informácie z prostredia projektantov hovoria o uprednostnení nižšej ceny za projekt (aj dodávku okien) pred analýzami a hľadaním prevádzkových úspor. V druhomrade sú to výrobcovia okien, avšak toto je „náhradné“ riešenie, ktoré nemusí vždy priniesť očakávaný výsledok a zároveň je to téma na ďalší článok.

Troška oknárskej – stavebnej fyziky

Okno je komplikovaná konštrukcia, ktorou uniká cez zimu teplo a teplo vniká zasa v lete. Naša predstava o okne je teda taká, aby zimné straty boli čo najmenšie a letné prehrievania zasa minimálne. Týmto parametrom je možné vyhovieť správnou skladbou konštrukcie okna.
Už sme spomenuli, že okno sa skladá z rámu (ktorý je pripevnený do stavby ) a krídla (ktoré je ôznymi druhmi kovania upravené tak, že sa dá otvárať, sklápať…). V krídle je namontované izolačné dvojsklo či trojsklo. U tohto konštrukčného prvku platí, že sklo je najdôležitejšímprvkom skladby okna, nakoľko má najväčšiu plochu z celého okna (rám cca 30 %, zasklenie 70 %) a práve cez túto plochu budú tepelné straty aj energetické zisky v čase slnečných dní najväčšie. Izolačné sklo však musí byť navrhnuté tak, aby jeho minimálna povrchová teplota bola 12,6 °C (kritická teplota rosného bodu), keď sa okná začínajú rosiť.
Kvalitne navrhnuté okno eliminuje aj tzv. „pocit studených nôh“– ide o pocit chladu, ktorý vnímame, keď sme v blízkosti okna s nízkou tepelno-technickou kvalitou. Aj vo vzdialenosti 1 m od okna máme pocit, akoby na nás „padal“ chlad. O kvalite izolačného skla hovorí súčiniteľ prechodu tepla zasklením Ug! Znovu sa teda objavuje hodnota súčiniteľa prechodu tepla U avšak s dolným indexom g (z angl. glass – sklo). Hodnota U sa pri konštrukčnej skladbe okien objavuje ešte raz. Aj rám okna a okenného krídla má tepelno-technickú kvalitu označovanú U hodnotou. Pri okenných rámoch a krídlach sa táto hodnota označuje dolným indexom f, teda U_f (z angl. frame – rám), a táto hodnota je vyjadrením súčiniteľa prechodu tepla cez rám a krídlo okna.

Pri hľadaní odpovede na úvodnú otázku z článku je potrebné zrozumiteľne vysvetliť používané matematické vyjadrenie tepelno-technickej kvality U okna. Na klasifikovanie tepelno-technickej kvality sa používa označenie U_okna = napríklad 1,3 W/(m².K). Toto je zápis fyzikálneho vzorca (súčiniteľa prechodu tepla), ktorý hovorí, koľko W tepla uniká v okamihu cez 1 m² plochy okna, ak je rozdiel teploty medzi exteriérom a interiérom 1 °C. Tento údaj o okne je základným hodnotiacim kritériom, s ktorým „pracujú“ rôzne počítačové programy vypočítavajúce „spotrebu – stratu“ tepla cez plochu okien. Výslednú hodnotu U okna ovplyvňujú, v predchádzajúcom texte spomínané, tepelno-technické vlastnosti použitých rámov a zasklenia. Tieto sa overujú v skúšobných ústavoch meraniami a výpočtami. Keďže okno – okná sa skladajú z rôznych okenných systémov, odlišujúcich sa tepelnoizolačnými vlastnosťami U_f, a rôznych izolačných skiel U_g, ale aj rôznych rozmerov (1 x 1 m, 2 x 1 m, atď..), musí sa výsledná tepelno-izolačná hodnota celého okna vypočítať alebo laboratórne zmerať. Obe metódy sú rovnocenné, avšak výpočtovámetóda je pre projektantskú prax výhodnejšia, pretože je rýchla. Vzorec pre výpočet súčiniteľa prechodu tepla sa riadi normovanou výpočtovou metodikou, ktorá zohľadňuje, že na stavebný trh vstupujú výrobcovia rôznych typov profilov pre výrobu rámových konštrukcií okien a že do jednej rámovej konštrukcie sa môžu aplikovať rozličné druhy zasklenia. Zároveň sa predpokladá, že konkrétne komponenty okna (rámy aj sklá) majú zo zákona o preukazovaní zhody autorizovanou osobou určené hodnoty súčiniteľa prechodu tepla:

– zasklenia U_g vo W/(m².K)

– rámovej konštrukcie U_f vo W/(m².K).

Potom sa výsledná hodnota súčiniteľa prechodu tepla okna určí výpočtom podľa európskej normy STN EN ISO 10077-1, prijatej do systému slovenských technických noriem podľa tohto vzorca:

Kde A_f je plocha rámov v m2,

A_g – plocha zasklenia v m2,

?_g – lineárny stratový súčiniteľ vo W/(m.K) distančného rámika izolačného dvojskla či trojskla,

I_g – obvod zasklenia v krídle (m).

Zo vzorca vyplýva, že výslednú hodnotu okna ovplyvňuje pomerná plocha zasklenia a rámovej konštrukcie, geometria okna, konštrukcia okna (jednokrídlové, dvojkrídlové), počet a dĺžka priečnikov, združovanie okien, tepelno-technické vlastnosti zasklenia, rámu a okraja izolačného zasklenia. A tak okno rozmerov 1 m x 1 m s dvojsklom bude mať inú hodnotu U_okna ako okno rozmerov 2 m x 1 m s trojsklom či okno združené z niekoľkých kusov. Pretože existuje veľmi veľa materiálov, z ktorých sa okná vyrábajú, čo má za následok, že veľa je aj konštrukčných riešení, a aby sa dala tepelnoizolačná kvalita okien porovnávať (napr. ako spotreba automobilov), európske „oknárske“ autority zaviedli pojem „okenná jednotka“ a táto sa používa pri skúšaní okien v celej EÚ. Ide o okno referenčného rozmeru 1,23 (šírka) x 1,48 (výška) a aj v našej legislatíve je tento pojem zavedený (STN – HN 14351-1+A1). Pre toto okno sa vypočítavajú a merajú vo všetkých skúšobniach hodnoty Uokna, konkrétnej konštrukčnej skladby. Takto sa vie zmerať či vypočítať a následne vyhotoviť dôveryhodný protokol o dosiahnutých tepelnotechnických vlastnostiach konkrétneho konštrukčného riešenia a okná sa dajú tepelno-technicky porovnávať.

Názorný príklad vám pomôže

Snáď vám trocha oknárskej teórie pomohlo v základnej orientácii. Nakoľko však sme si vedomí, že hodnotu Uokna prevažná väčšina z nás, zákazníkov ešte stále považuje „len“ za zápis fyzikálnych jednotiek, ktoré si nevieme predstaviť v reálnom objeme spotreby tepla, pokúsime sa vám na príklade porovnania tepelných strát prepočítaných na spotrebu m3 plynu dvoch konštrukčných skladieb okna ukázať, ako sa straty líšia (ako keď porovnáte spotrebu pri dvoch autách na 100 km). Výpočet spotreby tepla oknom – čitateľa musíme upozorniť, že pre lepšiu názornosť v tomto príspevku porovnávame len tepelnú spotrebu – stratu (nie solárne zisky!) okna v referenčnom rozmere (š) 1,23 m x (v) 1,48 m.
Prvé okno je okno drevené MAKROWIN 88G2 s certifikátom pre pasívne domy (drevený rám s integrovanou izoláciou (š) 88 mm, izolačné trojsklo, plastový dištančný rámik, U_okna 0,685 W/(m².K). Druhé okno – štandardné, cenovo najviac uprednostňované zákazníkmi drevený rám, (š) 68 mm, izolačné dvojsklo, hliníkový dištančný rámik, Uokna 1,7 W/(m².K).
Lokalita Bratislava, mesiac – január, priemerná teplota 1,6 °C (údaj z HMÚ BA). Už sme čitateľovi definovali, že údaj U_okna je okamžitá tepelná strata. Výpočet tepelných strát stavieb sa však počíta na 1m² „obalu“ stavby (teda aj okna) za rok v jednotkách kWh/m²/rok.
Počítačové programy preto musia vo svojej štruktúre mať zakomponovaný koeficient, ktorý prevádza okamžitú tepelnú stratu na požadovaný údaj reálnej straty za konkrétne časové obdobie. Preto bol zavedený pojem hodinostupne. Tento údaj súčasne zohľadňuje kolísanie teploty v mesiaci, počas dňa aj hodín. Hodinostupne (označujú sa ako G_t) sú v každom mesiaci iné (odvíjajú sa z priemernej dennej teploty počas mesiaca a lokality). V našom prípade (január) predstavujú 16,070 kKh (kiloKelvinhodiny). Pre porovnanie: január – oblasť Žilina 17,33 kKh. Aby sme zistili skutočnú spotrebu tepla cez plochu okna, musíme plochu referenčného okna (1,23 x 1,48 = 1,82 m²) vynásobiť okamžitou spotrebou U_okna= 0,685 W/(m².K), vypočítanou podľa už vysvetľovaného vzorca v časti o fyzike okna. Takto získanú hodnotu (1.246 W/K) musíme vynásobiť hodnotou – hodinostupňami za január (16,070 kKh). Dostaneme výsledok, že tepelná strata prvým oknom je za mesiac január 20,03 kWh. Tento údaj, kWh, musíme „previesť“ na reálne m³ plynu. Z faktúr SPP je možné získať údaj, že 1 m³ plynu predstavuje pre oblasť Bratislava 10,602 kWh energie. Tepelná strata oknom je za mesiac január 20,03 kWh. Keď si tento údaj vydelíme hodnotou 10,602 kWh (SPP), zistíme, že reálna strata oknom pre pasívny dom je 1,889 m³ plynu za mesiac. Teraz si porovnáme „pasívne okno“ s oknom „štandardným“, cenovo najviac žiadaným zákazníkmi. Metodika výpočtu spotreby (strát) Uokna druhej konštrukčnej skladby s izolačným dvojsklom a konštrukčnou hĺbkou rámu 68 mm – U_okna IV68 = 1,7 W/(m².K) je totožná ako v prvom príklade. Plocha okna je totožná, hodinostupne totožné – iba tepelné straty predstavujú cez okno až 49,72 kWh [1,82m² x 1,7 W/(m².K) x 16,07 kKh]. Prevedením straty 49,72 kWh na m³ plynu (10,602 kWh) získame údaj, že okno č. 2 „spotrebuje“ za mesiac január 4,68 m³ plynu. Rozdiel spotreby plynu je +2,8 m³ v neprospech okna druhej konštrukčnej skladby, čo predstavuje spotrebu o 148 % vyššiu, ako má kvalitné drevené okno. Náš modelový príklad výpočtom platí aj pre okná z plastu, hliníka…
Aby sme vám to názorne ukázali, požiadali sme o „pomoc“ oknársky softér firmy Rehau, ktorý je dostupný na internete tejto spoločnosti. Znova porovnáme dve konštrukčné skladby plastových okien. Prvou je skladba okna pre pasívny dom – profil Rehau Geneo PHZ, stavebná hĺbka 80 mm, Uf = 0.79W/(m².K), izolačné trojsklo, polymérový dištančný rámik, Ug = 0.60 W/(m².K).
Výpočtová tepelnoizolačná hodnota Uokna bola softvérom vypočítaná: U_okna = 0.76 W/(m².K).

Druhou skladbou okna, ktorú budeme porovnávať, je verzia okna, označovaná ako Basic-dizajn. Rám je široký 64 mm, U_f = 1.6 W/(m².K), izolačné dvojsklo, hliníkový dištančný rámik U_g =1.1 W/(m².K).
Výpočtová tepelnoizolačná hodnota Uokna bola softvérom vypočítaná: U_okna = 1.5 W/(m².K).

Ďalší krok nášho modelového príkladu je porovnanie „spotreby“ plynu týchto dvoch plastových okien. Aby sme zistili skutočnú výšku tepelných strát, musíme zopakovať metodiku výpočtu ako u drevených okien, t.j. plochu referenčného okna (1.82m²) musíme vynásobiť hodnotou U_okna=0.76 W/(m².K) a túto vynásobiť hodinostupňami za mesiac január (16,07 kKh). Výsledok je údaj tepelnej straty 22.22 kWh. Po prevode na m³ plynu (10.62) dostávame údaj, že prvé okno „spotrebuje“ za mesiac 2.09 m³ plynu. Túto istú metodiku použijeme aj pre okno s názvom Basic a dostaneme údaj „spotreby“ plynu vo výške 4.13 m³ (!). Rozdiel v neprospech „slabšieho“ okna je 2.04 m³ (!), čo predstavuje spotrebu o 100 % vyššiu, ako má kvalitné okno.

Kto „počtuje“, ten ušetrí

Porovnanie „spotreby“ referenčných okien (drevo, plast) v dvoch konštrukčných skladbách (štandardné okno a okno pre „pasívny“dom), ktorú sme vypočítali v predchádzajúcich častiach príspevku, jednoznačne hovorí, že zo strany investorov – stavebníkov je potrebné venovať oveľa viac pozornosti údaju U_okna, ako mu venujú doteraz. Ukázali sme vám, že okno s vyššou tepelno-technickou kvalitou (okno pre „pasívny“ dom v oboch materiálových skladbách) „ušetrí“ mesačne až 2,8 m³ plynu. Za celú vykurovaciu sezónu, ktorá trvá 6 – 7 mesiacov v roku, teda ušetríme jedným oknom cca 16,8 – 19.6 m³ plynu. Rodinné domy mávajú 8 -10 okien. Ak teda na kvalitnejších oknách ročne ušetríme cca 168 -196 m³, čo je asi 10 % celoročnej spotreby plynu (slovenské RD majú „štandardnú“ ročnú spotrebu 2000 – 2500 m³ plynu), tak za desať rokov prevádzky ušetríme plyn približne na jednoročnú prevádzku. Za 30 rokov užívania (toľko je odhadovaná morálna životnosť okien, fyzická je ešte vyššia), nám kvalitné okná určite niekoľkonásobne vrátia rozdiel ceny, ktorú dnes zaplatíme pri zakúpení tepelnotechnicky kvalitnejších okien, ako by sme zaplatili za štandardné okná. Ceny plynu, napriek dočasným poklesom, budú len a len stúpať (kde budú za 30 rokov, to dnes nedokáže povedať nikto), a tak sa investorom – stavebníkom určite oplatí uprednostňovať vyššiu tepelno-technickú kvalitu okien. Tie sú síce drahšie, ako je cena štandardných okien, avšak z dlhodobého hľadiska majú podstatne lepšie parametre ekonomickej návratnosti.

Ing. Pavel Kleskeň, Ing. Dušan Majer, Makrowin, s.r.o.
Publikované v časopise Dom a Byt

Čítaj celý článok kliknutím na .pdf dokument.

Prepočet spotreby okna