Енергоефективність світлопрозорих огороджувальних конструкцій

Утилітарних функцій у світлопрозорих огороджувальних конструкціях (далі СПОК) для будівлі не так вже й багато. Головні – доступ природного світла всередину та участь у терморегуляції. Сьогодні поговоримо саме про другий пункт. 

Не вдаючись у глибокі подробиці, простими арифметичними та трішки фізичними зусиллями спробуємо з’ясувати, що потрібно зробити, аби СПОК гарно утримувала тепло взимку та неохоче нагрівала приміщення влітку.

Відразу попередимо, що у більшості випадків ми скористаємося допомогою системних джерел інформації. Переважно цим джерелом буде книга апологета теплотехнічних досліджень будівельних конструкцій К. Ф. Фокіна «Будівельна теплотехніка огороджувальних частин будівель».

Але спочатку розберемось у двох термінах, що визначають теплотехнічні характеристики конструкцій та матеріалів, які використовуються для СПОК.

Математика зими

Перший термін — опір теплопередачі. Багатьох приватних і корпоративних клієнтів, які бажають визначитися з типом та характеристиками СПОК, плутають саме цим терміном.  Цей показник має бути малим чи великим? Якщо він малий, то як його збільшити? І що це збільшення дасть в економічному та ергономічному сенсі?

Перш ніж видати сухе визначення терміну, спитаємо читача – що він прагне отримати внаслідок встановлення хороших СПОК? Більшість скаже так: конструкція має бути естетична, ергономічна та економічна.  Тобто маємо три «Е».

Перші дві вимоги віддамо на розсуд архітекторів і дизайнерів, а ось третю візьмемо на себе. На хвильку залишимо поза увагою СПОК і наведемо приклад іншого економічного показника. 

Яка витрата палива у вашого автомобіля на 100 км? Більшість вкаже доволі точно і навіть похвалиться, що у його автомобіля витрата дуже помірна, і це реально позначається на вартості експлуатації автомобіля. Автомобіль економічний, бо споживає мало пального. Це всім зрозуміло – витрати пального можна перерахувати на гроші на певну ділянку дороги. 

Аналогічно нам хотілося б розуміти: яку кількість грошей ми втрачаємо через СПОК різного типу і що, зрештою, нам дасть подвоєння чи потроєння значення «опору теплопередачі»? Але справа в тому, що на відміну від витрат палива цей, термін ані фізичного, ані економічного сенсу не має. 

На відміну від наших теренів у Європі про жоден опір теплопередачі не чули і не знають. Тамтешньому споживачу пропонують простий термін – коефіцієнт теплопередачі (коефіцієнт теплозасвоєння). Коротко – «U-value».

«U-value» (Вт/⁰С)*м2) вимірюється кількістю теплоти, що проходитиме протягом одиниці часу через 1 м2 огородження за різниці температур повітря з одного та іншого його боку, що дорівнює 1 °С. 

Вдивляємося і бачимо, що  показник дуже схожий на витрати пального в автомобілі. З ним усе зрозуміло. Вартість теплоти ми знаємо (платимо або за кіловати, або за гігакалорії, як і за бензин), тому у разі необхідності можемо без особливих проблем порахувати, скільки грошей у прямому сенсі на опалення взимку або охолодження влітку вулиці вилітає через наші СПОК.

Ми не знаємо імені людини, яка зрозумілий показник «коефіцієнт теплопередачі» перетворила на опір теплопередачі, назвавши його «R». Зробила вона це простим, але не зовсім зрозумілим для споживача способом: взяла обернену величину від коефіцієнта теплопередачі, тобто R=1/U. Таким чином, одиницею вимірювання R буде м2*⁰С/Вт. 

Начебто нічого складного? Але покличемо на допомогу алгебру і подивимося на функцію R=1/U –  гіперболу. Добре видно, що залежність U і R нелінійна. При значеннях U, що прямують до нуля, R прямує до нескінченності. То де ж той рівень розумної достатності, коли є сенс боротися за збільшення значення опору теплопередачі?

Подивимося на графік залежності питомого теплового потоку Q (Вт/м2) за годину через СПОК від величини опору теплопередачі (м2*⁰С/Вт). Бачимо, що зі збільшенням опору теплопередачі від 0,25 до 0,5 відбувається різке зниження тепловтрат через СПОК.

У разі подальшого збільшення значення опору теплопередачі економічний ефект від зниження прямих тепловтрат вже не настільки виражений. А при значеннях опору теплопередачі більше ніж 2 м2*⁰С(К)/Вт, рівень інвестицій у СПОК для досягнення такого значення – а це вже 3-камерний склопакет – не зможе забезпечити економічну доцільність, оскільки термін окупності таких інвестицій від економії тепловтрат СПОК буде вимірюватися десятками (!) років. 

Чому ж тоді для інших захисних конструкцій значення опору теплопередачі набувають не менше 3, а то й 5 м2*⁰С/Вт? Відповідь проста. Набуття таких значень опору теплопередачі для непрозорих елементів (стін та перекриттів) досягається відносно простими та недорогими способами, і ці конструкції займають значно більшу площу, ніж СПОК.

Для розуміння впливу значення опору теплопередачі на фактичний стан справ із теплотехнікою СПОК поставимо кілька реперних точок.

Звичайне скло (одинарне без склопакета): R=0,17 м2*⁰С/Вт. Втрати становлять близько 200 Вт/м2 на годину через СПОК за перепаду температури вулиця-приміщення на 43 градуси. 

Простий однокамерний склопакет R= 0,37 м2*⁰С/Вт. Втрати становлять близько 120 Вт/м2. 

Тобто покращили значення опору теплопередачі трохи більше ніж у 2 рази – заощадили 80 Вт/м2 на годину.

Підвищуємо опір теплопередачі до рівня R=0,75 м2*⁰С/ Вт (максимум, що можна «вичавити» сьогодні з однокамерного склопакета). Втрати становлять близько 60 Вт/м2 на годину. Тобто збільшили опір теплопередачі в 2 рази, а втрати знизилися лише на 25%.

А у разі збільшення опору теплопередачі ще в 2 рази, до рівня R=1,5 м2*⁰С/Вт (якісний двокамерний склопакет, який збільшує вартість конструкції щонайменше у півтора раза), втрати сягають близько 38 Вт/м2. Тобто економія за подвоєння значення опору теплопередачі становить лише 22 Вт/м2 на годину. Порівняйте з першими показниками економії: 80 Вт/м2, 60 Вт/м2... та лише 22 Вт/м2. Якщо ви порахуєте економію від високих значень опору теплопередачі до СПОК, ми впевнені, що отримані цифри вас дуже розчарують.

Крім того, споживачу важливе ще дещо. За якого значення опору теплопередачі він буде захищений від такого неприємного явища, як конденсат (запотівання) на склі? 

За максимального рівня вологості до 60% (лазні та сауни не беремо до уваги) для відсутності конденсату у разі перепаду температур вулиця-приміщення на 43 градуси (так вимагають нормативи), тобто мороз за вікном -20, а у нас 23 градуси в приміщенні, опір теплопередачі має бути не нижчим від значення 0,66 м2*⁰С/Вт.

Для з'ясування цього значення ми скористалися формулою розрахунку опору  теплопередачі   R=1/U.

αint = 8 – коефіцієнт тепловіддачі внутрішньої поверхні захисних конструкцій, Вт/(м2°С), затверджений за ДБН В-2.6-31-2006 додаток Е. Результат онлайн розрахунку наведено на рисунку.

Отож, для унеможливлення запотівання або утворення конденсату за достатньо критичних рівнів різниці температур, достатньо однокамерного або двокамерного склопакета зі значенням опору теплопередачі не більше 0,7 м2*⁰С/Вт. А прямі втрати через таку СПОК будуть близько 70 Вт/м2. Знаючи площу СПОК, легко можна  порахувати рівень витрат на компенсацію втрат СПОК у найбільш критичні періоди температурних перепадів.

Важливо: європейські норми беруть до уваги перепад температур вулиця-приміщення всього на 15 градусів (а у нас цілих 43). Тому застосування значень коефіцієнта теплопередачі, зазначених у європейських сертифікатах, для порівняльної оцінки теплових характеристик СПОК, що виробляються в Україні, є некоректним.

Математика літа

Отже, ми розібралися з тим, як захиститися від холоду. Тепер спробуємо врятуватися від спеки. 

Слід зазначити, що клімат в Україні континентальний, і влітку бувають досить високі температури. Вони не такі критичні, як мороз (обпечених набагато менше, ніж обморожених), але для забезпечення комфортності перебування в приміщенні ми використовуємо системи кондиціонування. На допомогу їм – спеціальні рефлекторні види стекол, які значно знижують кількість теплової енергії Сонця, що потрапляє до наших приміщень через СПОК. 

Будь-який спеціаліст у галузі кліматичних технологій скаже, що вартість охолодження на 1 градус удвічі дорожча, ніж вартість нагрівання того ж приміщення на 1 градус.

Якщо подивитися на карту сонячної радіації, ми побачимо, що Україна розташована в зоні отримання приблизно 100 кілокалорій на 1 кв.см на рік за умови падіння променів під кутом 80-90 градусів до поверхні Землі. Перерахуємо площу 1 кв.м у квадратні сантиметри та отримаємо значення 10 000 кв.см. Сумарна кількість сонячної радіації, отриманої на рік на 1 кв.м, дорівнює 10 000 000 калорій або 10 000 мегакалорій, що в перерахунку (1мКал = 1,16 кВт) дає 8600 кВт.

Влітку кількість сонячної радіації на 25% більша, ніж взимку. Тобто можна прийняти, що влітку кількість сонячної радіації на 1 кв. м буде 3,75 квт. З урахуванням того, що максимальна активність сонця проявляється з 10 до 16 години влітку, то питоме надходження сонячної радіації буде в межах 600-800 Вт/год (мін-макс) на 1 кв.м. Введемо знижувальний коефіцієнт на стандартні теплотехнічні властивості склопакета без захисту від сонячної енергії – 1,15 (15%) та коефіцієнт непрямого попадання сонячних променів 1,3. Загальне зниження рівня теплової енергії становитиме 1,5 раза.

Отже, максимальна кількість сонячної радіації буде не в межах 500-550 Вт/годину, проникаючої через 1 кв.м СПОК у найбільш спекотний сонячний день, однак для її компенсації потрібно щонайменше вдвічі більше енергії на кондиціонування приміщення.

За допомогою сучасних енергоефективних стекол можливе зниження рівня сонячної радіації, що проникає через СПОК, в 4 рази (сонячний фактор SF = 0,25). Зрештою це призведе до проникнення в приміщення сонячної енергії через СПОК всього 130-140 Вт/м2 замість 500 Вт/ годину.

Якщо ваші СПОК мають пряме попадання сонячної енергії, рекомендуємо до складу склопакета включати зовнішнє скло з хорошими рефлекторними властивостями. А ще краще – мультифункціональне скло, яке усуває сонячне тепло влітку і значно покращує теплові характеристики склопакета в холодну пору року.

Ми намагалися викласти в досить стислій формі основні принципи, що впливають на вибір СПОК. Сподіваємося, що за допомогою звичайного калькулятора та простих формул споживачі зможуть оцінити ефективність інвестицій у різні види світлопрозорих конструкцій та поєднувати у них усі три «Е». Нагадаємо їх – Естетичність, Ергономічність та Економічність. Нехай у ваших будинках буде світло, тепло та затишно!