Ο ρόλος των κουφωμάτων στην ενεργειακή απόδοση

Τα κουφώματα είναι παρειές του κτιρίου και μέσα επαφής με το περιβάλλον, άρα στοιχεία από  τα οποία μπορεί να διαφύγει ενέργεια. Επομένως, ο ρόλος τους στην ενεργειακή κατανάλωση για θέρμανση και ψύξη των χώρων είναι σημαντικός.

Μία από τις βασικότερες παραμέτρους του σύγχρονου αρχιτεκτονικού σχεδιασμού είναι και η θερμομόνωση. Με την πρόβλεψη για θερμομόνωση στις κτιριακές κατασκευές λαμβάνονται τα κατάλληλα μέτρα ώστε να παρεμποδίζεται η διαφυγή της θερμικής ενέργειας από ένα χώρο προς την ατμόσφαιρα ή προς ένα άλλο – ψυχρότερο γειτονικό χώρο ή αντίστροφα – και συγχρόνως δημιουργείται αίσθημα θερμικής άνεσης για τους χρήστες του κτιρίου, καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Σε παλαιότερες εποχές, η ανάγκη για μια τέτοια πρόβλεψη δεν ήταν επιβεβλημένη, αφού οι βαριές κατασκευές του περιβλήματος (τοίχοι, στέγη), η διάταξη των χώρων καθώς και η σύνθεση των χαμηλών όγκων των παραδοσιακών κτισμάτων, ήταν καθοριστικοί παράγοντες ρύθμισης της θερμομονωτικής ικανότητας, αλλά και της ροής θερμότητας.

Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και τη διαφοροποίηση των σύγχρονων αναγκών, η προστασία από τις θερμικές μεταβολές μεταβιβάστηκε στα διάφορα τεχνητά συστήματα ελέγχου του μικροκλίματος, όπως η κεντρική θέρμανση και ο κλιματισμός. Η κατανάλωση ενέργειας για τη λειτουργία των συστημάτων αυτών δεν αποτελούσε πρόβλημα, μέχρι τη στιγμή που τα διαθέσιμα αποθέματα των συμβατικών καυσίμων – ουσιαστικά του πετρελαίου – μειώθηκαν και έπαψαν να είναι φτηνά. Επακόλουθο αυτού ήταν μια παγκόσμια προσπάθεια διαφύλαξης και ορθολογικής εκμετάλλευσης των αποθεμάτων ενέργειας. Έτσι άρχισε να διαφαίνεται, μεταξύ άλλων, ο πρωτεύοντας ρόλος που έχει να παίξει η θερμομόνωση στην εξοικονόμηση ενέργειας.

Τα ανοίγματα των κουφωμάτων είναι από τα πιο ευάλωτα στοιχεία ενός κτιρίου. Για τον περιορισμό των θερμικών απωλειών, πρέπει οι αρμοί συναρμογής των πλαισίων να είναι απόλυτα αδιαπέραστοι από τον αέρα. Τα υλικά που συγκροτούν το κούφωμα (ξύλο, αλουμίνιο, πλαστικό) να είναι αρίστης ποιότητας, ώστε να αποφεύγονται οι παραμορφώσεις των φύλλων. Για ξύλινα παράθυρα ή πόρτες, αυτό δεν είναι εύκολα κατορθωτό εξαιτίας της φύσης του υλικού. Στην περίπτωση όμως των κουφωμάτων αλουμινίου, η πρόβλεψη ειδικών παρεμβυσμάτων στους αρμούς επαφής δίνει συνήθως άριστα αποτελέσματα. Επιπλέον τα υαλοστάσια των ανοιγμάτων θα πρέπει να έχουν χαμηλό συντελεστή θερμοπερατότητας.

Υλικά θερμομόνωσης Η επιλογή των θερμομονωτικών υλικών θα πρέπει να γίνεται λαμβάνοντας σοβαρά υπόψη τις διάφορες καταπονήσεις (μηχανικές, υδροθερμικές και φυσικοχημικές) που υφίστανται τα υλικά στο συγκεκριμένο έργο, νοουμένου ότι οι καταπονήσεις αυτές επηρεάζουν άμεσα τη θερμική απόδοσή τους. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση του βέλτιστου συνδυασμού των κριτηρίων επιλογής θερμομονωτικών υλικών.

Κριτήρια επιλογής θερμομονωτικών υλικών Τα κριτήρια που λαμβάνονται υπόψη για την επιλογή θερμομονωτικών υλικών είναι:

 α. Θερμοτεχνικά Χαρακτηριστικά

• Η τιμή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας λ
• Η εξάρτηση του λ από τη θερμοκρασία.
• Η εξάρτηση του λ από την υγρασία. Η τιμή του λ αυξάνει σημαντικά με τη συμπύκνωση υδρατμών μέσα στη μάζα του και αν διαβρέχει όλη η μάζα του, τότε παύει να υπάρχει θερμομονωτική δράση
• Η ειδική θερμοχωρητικότητα
• Ο συντελεστής θερμικής διαστολής. Όσο χαμηλότερος είναι, τόσο απομακρύνεται ο κίνδυνος οικοδομικών μικροζημιών ή καταστροφής των στεγανώσεων

β. Τρόπος Εφαρμογής

• Προκατασκευασμένα προϊόντα ή κατασκευή επί τόπου
• Απαιτούμενα προστατευτικά μέτρα (για προστασία από μηχανικές βλάβες ή δυσμενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις)
• Δυνατότητα ελέγχου κατά την κατασκευή

γ. Μηχανικές Ιδιότητες

• Αντοχή σε θλίψη, κάμψη και δονήσεις
• Αλλοιώσεις με το χρόνο (γήρανση)
• Πυκνότητα
• Ελαστικότητα, ευθραυστότητα

δ. Χημική συμπεριφορά-ανθεκτικότητα

• Αντίσταση στη διάβρωση, στους μικροοργανισμούς, έντομα, κλπ.
• Συμπεριφορά στην υγρασία (τυχόν μεταβολή των διαστάσεων, διαπερατότητα στους υδρατμούς, απορροφητικότητα νερού)
• Συμπεριφορά στη φωτιά και μέγιστες επιτρεπόμενες θερμοκρασίες λειτουργίας
• Βαθμός ευαισθησίας σε υπεριώδη ακτινοβολία, σε διάφορα αέρια και σε διάφορους διαλύτες ή το θαλασσινό νερό, κλπ.

ε. Οικονομικά Στοιχεία

• Επιπρόσθετο κόστος προμήθειας και εγκατάστασης
• Χρόνος απόσβεσης δαπάνης
• Ποσοστό προστιθέμενης αξίας στην όλη κατασκευή

Τυπικές περιπτώσεις θερμομόνωσης κελύφους κτιρίου 

Ένα κτίριο πρέπει να θερμομονώνεται σε όλες τις εξωτερικές επιφάνειές του, κατακόρυφες και οριζόντιες που περικλείουν κλιματιζόμενους χώρους από τους οποίους είναι δυνατόν να διαφύγει θερμική ενέργεια (επιφάνειες που έρχονται σε επαφή με ατμοσφαιρικό αέρα ή μη κλιματιζόμενους χώρους). Ως εκ τούτου, τα πιο βασικά μέρη ενός κτιρίου τα οποία πρέπει να θερμομονώνονται  είναι:

• Εξωτερική τοιχοποιία, δοκοί, υποστυλώματα
• Εξωτερικά κουφώματα
• Οροφές και στέγες
• Δάπεδα εκτεθειμένα στο εξωτερικό περιβάλλον
• Δομικά στοιχεία σε επαφή με μη κλιματιζόμενους χώρους

Βασικές έννοιες

 Θερμομόνωση κτιρίου  Με τη λήψη μέτρων για θερμομόνωση του κελύφους ενός κτιρίου επιδιώκεται η μείωση του ρυθμού ανταλλαγής θερμότητας μέσα από τα τοιχώματα που χωρίζουν περιοχές ή χώρους με διαφορετική θερμοκρασία. Η θερμομόνωση συνίσταται από ένα σύνολο στοιχείων (υλικά, διαδικασίες και μέθοδοι κατασκευής) και συνδέεται άμεσα με το κόστος κατασκευής και λειτουργίας του κτιρίου.

Μετάδοση θερμότητας με αγωγή  Αυτή βασίζεται στην ιδιότητα των μορίων των υλικών σωμάτων να προσλαμβάνουν θερμότητα από γειτονικά μόρια υψηλότερης θερμοκρασίας και να μεταδίδουν τη θερμότητά τους σε γειτονικά μόρια χαμηλότερης θερμοκρασίας. Στα στερεά σώματα η μετάδοση της θερμότητας επιτυγχάνεται εύκολα λόγω της πολύ μικρής απόστασης (πρακτικά όταν έρχονται σε επαφή) μεταξύ των μορίων κάθε σώματος. Στα υγρά, την αγωγιμότητα βοηθούν οι ελαστικές κρούσεις των μορίων. Στα μέταλλα, η ροή της θερμότητας με αγωγή οφείλεται κύρια στη διάχυση των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Μετάδοση θερμότητας με μεταφορά  Αυτή βασίζεται στη δυνατότητα μεταβίβασης της θερμότητας σε υγρά ή αέρια σώματα μέσω της μετακίνησης των θερμών μορίων. Στα κτίρια, με τη φυσική κυκλοφορία του αέρα διακινούνται σημαντικά ποσά θερμότητας. Εκτός από τη φυσική κυκλοφορία του αέρα, που οφείλεται σε θερμοκρασιακές μεταβολές μέσα στους χώρους, μετακινήσεις του αέρα προκαλούν και οι άνεμοι, οι κινήσεις των ανθρώπων, τα ανοίγματα θυρών και παραθύρων, η λειτουργία ανεμιστήρων κ.ά.

Μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία  Αυτή συμβαίνει μεταξύ στερεών σωμάτων με διαφορετική θερμοκρασία που διαχωρίζονται από αέρα και μεταδίδεται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Ειδική θερμοχωρητικότητα (c)  Ονομάζεται η ποσότητα ενέργειας που χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία της μονάδας μάζας ενός υλικού κατά 1°C. Οι μονάδες της ειδικής θερμοχωρητικότητας είναι το kcal/kg °C ή Wh/kg Κ.

Θερμοχωρητικότητα (Q)  Ονομάζεται η ικανότητα ενός κατασκευαστικού στοιχείου να αποθηκεύει, κατά τη θέρμανσή του, ποσότητες θερμότητας. Η θερμοχωρητικότητα υπολογίζεται από τη σχέση: Q=mcΔΤ, όπου m είναι η μάζα του στοιχείου, c η ειδική θερμότητά του, και ΔΤ η διαφορά θερμοκρασίας, ενώ μετράται σε kcal.

Συντελεστής θερμοχωρητικότητας (W)  Εκφράζει την ποσότητα της ενέργειας που αποθηκεύεται σε 1 m2 στοιχείου κατασκευής, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του στοιχείου και του αέρα που το περιβάλλει είναι 1°C. Οι μονάδες του συντελεστή αυτού είναι τα: kcal/m2 °C.

Χιλιοθερμίδα (kcal)  Ως χιλιοθερμίδα ορίζεται η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για να ανέβει η θερμοκρασία 1 λίτρου νερού κατά 1°C, ειδικότερα από τους 14,5 °C στους 15,5 °C. Επίσης, προκειμένου να συσχετισθεί η χιλιοθερμίδα με τα μεγέθη του Διεθνούς Συστήματος (S.I.), ισχύει ότι: 1kcal = 4186.8 J ή 1kcal = 1.163 Wh

Θερμογέφυρα  Είναι το τμήμα ενός κατασκευαστικού στοιχείου του οποίου ο βαθμός θερμομόνωσης είναι σημαντικά κατώτερος από τη μέση τιμή θερμομόνωσης του συνόλου του στοιχείου. Το πρόβλημα της θερμογέφυρας παρουσιάζεται συνήθως στις απολήξεις των πλακών, τα όρια της εξωτερικής τοιχοποιίας, τις ποδιές ανοιγμάτων, τα ανώφλια κ.ά. Στην περιοχή της θερμογέφυρας, λόγω της αυξημένης ροής της θερμότητας, παρουσιάζονται στις εσωτερικές πλευρές του τοιχώματος χαμηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα τη συχνή εμφάνιση τοπικής υγρασίας και μούχλας.

Υγρασία  Είναι η περιεκτικότητα (κατά βάρος ή στα % μέρη) μιας ουσίας σε νερό. Ειδικά για τον αέρα, υγρασία είναι η περιεκτικότητά του σε νερό με τη μορφή υδρατμών. Αυτή εξαρτάται από τη δυνατότητα απόληψης ποσοτήτων νερού (από ελεύθερες επιφάνειες νερού ή από υγρά σώματα στο χώρο, εκτεθειμένα σε ρεύματα αέρα, ανθρώπινες εκπνοές και ιδρώτα) από τον αέρα, από τη θερμοκρασία και την πίεση του αέρα, καθώς και από την επιφανειακή θερμοκρασία των τοιχωμάτων ή άλλων αντικειμένων στο χώρο. Με την αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα αυξάνεται η δυνατότητά του να παραλαμβάνει υγρασία, ενώ με τη μείωση της θερμοκρασίας του μπορεί να επέλθει κορεσμός και, στη συνέχεια, να εμφανισθεί υγροποίηση των υδρατμών (εμφάνιση σταγόνων στην επιφάνεια των ψυχρότερων αντικειμένων ή τοιχωμάτων).

Φράγμα υδρατμών  Αυτό είναι λεπτό στρώμα υλικού μεγάλης αντίστασης υδατοδιαφυγής (πχ, φύλλο αλουμινίου, PVC, πισσόχαρτου, γυαλιού, στρώμα πλαστικού χρώματος κ.ά.) που τοποθετείται στη θερμότερη πλευρά των χώρων όπου υπάρχει αυξημένη υγρασία για να εμποδίζει τους υδρατμούς να εισχωρήσουν και να ψυχθούν στο εσωτερικό του δομικού στοιχείου.

Θερμομόνωση κουφωμάτων

Η τοποθέτηση, διαστασιολόγηση και τυπολογία των κουφωμάτων κατά τη διάρκεια του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού είναι ένα ιδιαίτερο πρόβλημα με πολλές παραμέτρους, όπως θέα, ηλιοφάνεια, σκίαση, φωτισμός, αερισμός, δροσισμός, μορφή, ενεργειακά οφέλη, ενεργειακές απώλειες. Τα κουφώματα είναι παρειές του κτιρίου και μέσα επαφής με το περιβάλλον, άρα στοιχεία από τα οποία μπορεί να διαφύγει ενέργεια. Επομένως, ο ρόλος τους στην ενεργειακή κατανάλωση για θέρμανση και ψύξη των χώρων είναι σημαντικός. Το χειμώνα χάνεται θερμότητα από μέσα προς τα έξω, ενώ το καλοκαίρι εισέρχεται θερμότητα στον εσωτερικό χώρο από το ζεστό εξωτερικό περιβάλλον. Η διαδικασία αυτή μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τη χρήση κατάλληλα κατασκευασμένων, ενεργειακά αποδοτικών κουφωμάτων. Τα κουφώματα αυτά θα πρέπει να έχουν υαλοπίνακες και σκελετούς με καλές θερμομονωτικές ιδιότητες και, επί πλέον, θα πρέπει να είναι αεροστεγανά, ώστε να εμποδίζουν τη διαφυγή θερμότητας από χαραμάδες οι οποίες μπορούν να φέρουν σημαντικές απώλειες θερμότητας, όπως παρατηρείται σε παλαιά κτίρια ή κτίρια κακής κατασκευής. Υπάρχουν κουφώματα ξύλινα, αλουμινίου και συνθετικά πλαστικά σε διάφορες τυπολογίες ανοίγματος (επάλληλα, συρόμενα, εσωτερικά σε τοίχο ή εξωτερικά ανοιγόμενα, περιστρεφόμενα περί οριζόντιο ή κατακόρυφο άξονα) και σταθερά. Από ενεργειακής πλευράς καλό είναι να αποφεύγονται τα εσωτερικά σε τοίχο συρόμενα κουφώματα, λόγω αυξημένων θερμικών απωλειών.

Πλαίσια

Από πλευράς υλικού κατασκευής των πλαισίων των κουφωμάτων, τα πλαίσια αλουμινίου έχουν τις μεγαλύτερες θερμικές απώλειες, εκτός αν υπάρχει φράγμα ροής θερμότητας (θερμοδιακοπή) τοποθετημένο στον πυρήνα του προφίλ του αλουμινίου. Τα ξύλινα και συνθετικά πλαστικά πλαίσια παρουσιάζουν χαμηλό συντελεστή θερμοπερατότητας και ως εκ τούτου εμποδίζουν τη διαφυγή θερμότητας.

Παντζούρια

Τα παντζούρια που χρησιμοποιούνται στα παράθυρα, όποτε χρησιμοποιούνται, είναι ομοίως ξύλινα, αλουμινίου και πλαστικά συνθετικά, σε τυπολογίες όπως εξωτερικά ή εσωτερικά ανοιγόμενα, συρόμενα και ρολά. Τα κουτιά των ρολών καλό είναι να μονώνονται εσωτερικά και τα φύλλα των ρολών, εάν είναι αλουμινίου, να έχουν γέμιση με μονωτικό υλικό (συνήθως πολυουρεθάνη). Ιδιαίτερη σημασία πρέπει να δίνεται στη θέση τους σε σχέση με το πάχος της τοιχοποιίας. Έτσι προτιμώνται παράθυρα τα οποία βρίσκονται σε συνέχεια με το θερμομονωτικό υλικό των τοίχων.

Υαλοστάσια

Η χρήση των διπλών υαλοστασίων με ή χωρίς χαμηλό συντελεστή εκπομπής θερμικήςακτινοβολίας ή/και με θερμομονωτικό αέριο στο διάκενο, προσφέρουν εκτός από θερμομόνωση και ηχοπροστασία. Πρέπει επιπλέον όμως, να τονιστεί ότι η ορθολογική χρήση των κουφωμάτων και των παντζουριών από τους χρήστες μπορεί να συνεισφέρει πολλαπλάσια οφέλη στην εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια, καθώς και στο δροσισμό τους σε συνδυασμό με διάφορα άλλα αρχιτεκτονικά στοιχεία του κτιρίου, όπως πέργκολες, σκίαστρα κλπ.

Μεθοδολογία υπολογισμού συντελεστών θερμοπερατότητας εξωτερικών κουφωμάτων

Ο συντελεστής θερμοπερατότητας κουφωμάτων (ανοιγομένων, συρομένων ή σταθερών), υπολογίζεται αριθμητικά με τη μέθοδο που περιγράφεται στο πρότυπο ΕΝ ISO 10077. Εναλλακτική μέθοδος στην αριθμητική είναι η πειραματική μέθοδος μέτρησης ολόκληρου του κουφώματος (παραθύρου ή θύρας) με βάση το πρότυπο ISO 12567-1 ή για παράθυρο οροφής με βάση το πρότυπο ISO 12567-2. Η αριθμητική μέθοδος υπολογισμού βασίζεται στα πιο κάτω τέσσερα συστατικά μέρη του ολικού συντελεστή θερμοπερατότητας:

• Υαλοστάσια Για στοιχεία που περιλαμβάνουν υαλοστάσια, ο συντελεστής θερμοπερατότητας του υαλοστασίου υπολογίζεται αριθμητικά με βάση το πρότυπο ΕΝ 673 ή πειραματικά με βάση τα πρότυπα ΕΝ 674 ή ΕΝ 675
• Αδιαφανείς επιφάνειες Για στοιχεία που περιλαμβάνουν αδιαφανείς επιφάνειες, ο συντελεστής θερμοπερατότητας των επιφανειών υπολογίζεται αριθμητικά με βάση τα πρότυπα ISO 6946 ή/ και ISO 10211 ή πειραματικά με βάση τα πρότυπα ISO 8301 ή/ και ISO 8202
• Πλαίσια Για τα πλαίσια ο συντελεστής θερμοπερατότητας υπολογίζεται αριθμητικά με βάση το πρότυπο ISO 10077-2 ή πειραματικά με βάση το πρότυπο ΕΝ 12412-2 ή εξασφαλίζεται από το παράρτημα D του προτύπου ISO 10077-1
• Γραμμικός συντελεστής θερμοπερατότητας Για το σημείο επαφής πλαισίου / υαλοστασίου, ο γραμμικός συντελεστής θερμοπερατότητας υπολογίζεται αριθμητικά με βάση το πρότυπο ISO 10077-2 ή εξασφαλίζεται από το παράρτημα Ε του προτύπου ISO 10077-1

Πιο αναλυτικές εξισώσεις για τον υπολογισμό της ροής θερμότητας διαμέσου των παραθύρων, δίνονται στο πρότυπο ISO 15099. Ο συντελεστής θερμοπερατότητας του υαλοπετάσματος μπορεί να υπολογιστεί αριθμητικά με βάση το πρότυπο pr ΕΝ 13947. Στο πρότυπο ΕΝ 13241-1 δίνονται οι διαδικασίες που εφαρμόζονται σε θύρες οι οποίες έχουν σκοπό να προσφέρουν πρόσβαση σε χώρους όπως αποθήκες ή χώρους στάθμευσης. Σημειώνεται ότι σε όλες τις περιπτώσεις, οι πιο πάνω μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν εάν οι κατασκευαστές των μερών που αποτελούν τα κουφώματα (παράθυρα-θύρες) δεν είναι σε θέση να προσκομίσουν κατάλληλα πιστοποιητικά με τα θερμικά χαρακτηριστικά τους. Στις περιπτώσεις όπου είναι διαθέσιμα τα κατάλληλα πιστοποιητικά, τότε αυτά θα πρέπει να βασίζονται στα πιο πάνω πρότυπα και να έχουν εκδοθεί από διαπιστευμένα για το σκοπό αυτό εργαστήρια.

Σύμφωνα με την Οδηγία 89/106/ΕΟΚ για τα Προϊόντα Δομικών Κατασκευών, καθώς και σύμφωνα με τους περί των Βασικών Απαιτήσεων, που πρέπει να πληρούν καθορισμένες κατηγορίες προϊόντων, Νόμους και τους περί των Βασικών Απαιτήσεων, που πρέπει να πληρούν καθορισμένες κατηγορίες προϊόντων, Κανονισμούς, τα προϊόντα δομικών κατασκευών για τα οποία υπάρχει εναρμονισμένο πρότυπο και η περίοδος συνύπαρξης τους με αντίστοιχο εθνικό πρότυπο έχει λήξει, μπορούν να διατίθενται στην αγορά μόνο εάν φέρουν τη Σήμανση Συμμόρφωσης CE. Επομένως, για σκοπούς υπολογισμών, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται οι δηλωμένες τιμές που αναγράφονται στη Σήμανση Συμμόρφωσης CE.