Vybrané technické vlastnosti oken, analýza způsobů osazení

Okna a prosklené konstrukce jsou součástí téměř každé stavby. Možností, jaká okna pro stavbu zvolit, je nepřeberné množství a k výběru toho nejvhodnějšího pro danou stavbu je potřeba znát tuto problematiku co nejvíce. Nejčastěji uváděnými a porovnávanými bývají obvykle vlastnosti úzce související s tepelnou technikou.

Existuje však mnoho dalších technických parametrů, podle kterých lze okna srovnávat, hodnotit a na základě kterých je možné vybrat co nejvhodnější otvorové výplně pro danou stavbu.

Přehled vybraných technických parametrů oken a prosklených konstrukcí:

• tepelněizolační vlastnosti,
• zvukověizolační vlastnosti,
• spárová nepropustnost a těsnost proti náporovému dešti,
• požární odolnost,
• mechanická odolnost,
• spárová těsnost a odolnost proti náporovému dešti.

Tepelněizolační vlastnosti
Na kvalitě a způsobu provedení oken a prosklených konstrukcí velmi závisí tepelnětechnické parametry celé stavby. Největší podíl tepelných ztrát objektem připadá právě na otvorové výplně. Jejich rozmístění, vlastnosti a napojení na neprůsvitné konstrukce obvodového pláště ovlivňuje funkční, energetické a estetické vlastnosti objektu. Výsledný prostup tepla oknem je ovlivněn především vlastnostmi zasklení a rámu, poměrem plochy zasklení k ploše celého okna, vlastnostmi distančního rámečku a jeho délkou a vazbou mezi oknem a obvodovou stěnou. Všechny tyto faktory by měly být ve vzájemném souladu. Dále platí, že zasklení se špičkovými vlastnostmi by nemělo být osazováno do rámů průměrné kvality.

Nejčastějšími zasklívajícími jednotkami jsou dvojskla s úpravou povrchu pokovením, čímž dochází ke snížení výměny tepla sáláním v dutině mezi skly. Mezera mezi skly se pro zlepšení tepelných vlastností plní plyny (např. argonem, xenonem, kryptonem). Trojskla se zatím vyskytují o něco méně; je to způsobeno jejich vyšší cenou a vyšší hmotností, vyžadující masivnější konstrukci rámu.

Na trhu se nabízí řada oken s různým konstrukčním řešením rámů. Nejpoužívanějšími jsou bezesporu rámy plastové a dřevěné. Plastové rámy s ocelovým výztužným profilem a pěti až osmi vzduchovými komorami. Dřevěné rámy se vyrábějí v různých provedeních – v kombinaci s izolační vrstvou z korku nebo polyuretanu, s vyfrézovanými vzduchovými dutinami, rámy vytvořenými z lamel z tvrdého dřeva s vypěněným polyuretanem, v kombinaci s eloxovaným hliníkem na vnější straně a další ocelové, hliníkové, případně mate­riálové kombinace.

Hlavními normově stanovenými tepelnětechnickými parametry jsou součinitel prostupu tepla a hodnota nejnižší povrchové teploty v místě okenní výplně.

V posledních letech docházelo k postupnému zpřísňování požadavků na prostup tepla obvodovými konstrukcemi. Současné požadavky na konstrukce otvorových výplní uvádí norma ČSN 73 0540:2. Tyto požadavky jsou shrnuty v následující tabulce a udávají požadované a doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla – U_N (W/(m² . K)) (tab. 1).

Tab. 1: Požadované hodnoty součinitele prostupu tepla

Konstrukce otvorových výplní musejí splňovat podmínku U ≤ U_N, kde U je součinitel prostupu tepla (W/(m² . K)) a U_N je požadovaná hodnota součinitele prostupu tepla (W/(m² . K)). Při výpočtu hodnoty U se zohledňuje nejen součinitel prostupu tepla zasklením, ale také součinitel prostupu tepla rámem a lineární činitel prostupu tepla, které závisejí na typu zasklení, distančního rámu a na způsobu umístění okna v konstrukci. Nejpříznivější hodnoty součinitele prostupu tepla, kterých dnes výrobci dosahují, se pohybují od 0,7 do 0,8 W/(m² . K) (obr. 1).

Zvukověizolační vlastnosti
Aby okno poskytovalo dostatečnou odolnost proti hluku, musí bezchybně těsnit a musí svým vnějším tvarem odolávat hluku (což je z fyzikálního hlediska stojaté vlnění vzduchu). Zvukověizolační vlastnosti závisejí na provedení a způsobu zasklení, těsnosti spár a materiálu okenního rámu.

V minulosti neplatila pro požadavky na zvukovou izolaci oken, až na ojedinělé výjim­ky, žádná závazná ustanovení. Tato situace se zásadním způsobem změnila na počátku devadesátých let minulého století. Pro všechny stavby se nyní požaduje splnění určitých limitů, stanovených v normě DIN 4109, které je třeba zohlednit již v projektové fázi přípravy stavby.

Požadovanou protihlukovou ochranu charakterizuje veličina R_w, jednotkou je decibel (dB). Tato veličina zahrnuje pouze zvuk, který projde vlastním oknem. Ostatní zvuky, které jsou přenášeny tzv. vedlejšími cestami, tedy sousedním zdivem, stropem, podlahou apod. hodnota nezahrnuje.

Každému určení potřebného stupně výsledné protihlukové izolace musí předcházet stanovení směrodatné hladiny vnějšího hluku. Z výsledného stupně protihlukové izolace vzejde stupeň protihlukové ochrany pro okna (tab. 2).

Tab. 2: Požadovaná zvukotěsnost oken

Faktory ovlivňující zvukověizolační vlastnosti
Vliv materiálů na výrobu oken jako hliník, dřevo, ocel i plast jsou při dodržení požadavků na jakost téměř zanedbatelné. Naopak jedním z hlavních faktorů, rozhodujících o kvalitě protihlukové izolace oken, je konstrukce zasklení.

Z hlediska zasklení lze zvukovou izolaci zlepšit těmito způsoby:

• zvětšením hmotnosti skla,
• konstrukcí s nesouměrným uspořádáním vícevrstvých izolačních skel,
• užitím vrstev z litých pryskyřic,
• zvětšením vzdáleností jednotlivých tabulí v zasklení až na 70 mm.

Dalším faktorem, který zvukověizolační parametry ovlivňuje, je spárová zvuková izolace a vliv montážních spár. Konkrétně se jedná o délku a plochu spáry, jakost bočních povrchů (provedení hladké, drsné či porézní), tvar spáry (rovné či stupňovité provedení), absorpční schopnosti materiálu výplně či ventilační těsnost, respektive přítlak spárového těsnění na boční partie spáry. Pro dosažení dobré zvukové izolace má podstatný význam také kvalita montážního provedení.

Spárová nepropustnost a těsnost proti náporovému dešti
Požadavky na spárovou propustnost a těsnost proti náporovému dešti se vztahují na konstrukční spáru mezi křídlem a rámem okna. Kritéria požadované těsnosti proti nárazovému dešti nejsou stanovena absolutně, jejich vymezení je dáno tím, že při vzniku výjimečných situací může být překročeno běžné namáhání okenní konstrukce a může dojít k proniknutí malého množství srážkové vody do vnitřního okenního prostoru. Přitom musí být zajištěno, aby voda nekontrolovatelně nevtékala do konstrukce a nezpůsobila poškození okenních rámů.

Součinitel spárové propustnosti a vyjadřuje míru vzduchotěsnosti konstrukční spáry mezi okenním rámem a křídlem. Hodnota a udává množství vzduchu, které prostoupí jedním metrem okenní spáry za časovou jednotku při rozdílu vnějšího a vnitřního tlaku 10 Pa. Na propustnost v délce spáry mají vliv zejména tuhost okenního rámu, uzavření kování či kvalita těsnění. Součinitel spárové propustnosti se stanoví podle zatřídění budovy do jedné ze tří skupin. Toto zatřídění se provádí podle počtu podlaží.

Těsnost proti náporovému dešti vyjadřuje míru jistoty, kterou poskytuje uzavřené okno při dané síle větru a množství srážek, proti vniknutí vody oknem dovnitř konstrukce.

Pro zabezpečení dlouhodobé provozní těsnosti proti náporovému dešti je důležité řádné provedení oblasti okenní drážky včetně správné polohy a osazení příslušného těsnění a také správného provedení ventilačních otvorů. Nejlepším řešením je tzv. dvoustupňové těsnění, kdy jsou samostatně řešena a prostorově oddělena těsnění proti náporovému dešti a těsnění proti větru.

Mechanická odolnost
Z hlediska mechanické odolnosti oken se obecně rozlišují odolnost proti vloupání a odolnost proti průstřelu.
Mluvíme-li o bezpečnosti budovy z hlediska vniknutí nežádoucích osob, je zřejmé, že okna a dveře hrají pravděpodobně nejpodstatnější roli. Výrobci, kteří deklarují odolnost proti vloupání, musejí mít své výrobky odzkoušeny v autorizované zkušebně. Pro okna jsou definovány tři základní třídy bezpečnosti:

• WK1 – příležitostný zloděj/vandal se snaží otevřít okna a dveře pouze fyzickou silou, například opřením se plnou vahou o dveře, případně úderem loktem nebo lomcováním s dveřmi či okny.
• WK2 – příležitostný zloděj/vandal se snaží otevřít okna a dveře jednoduchými nástroji, jako je šroubovák, nůž, kleště, případně klíny.
• WK3 – kromě nástrojů ze třídy WK2 zloděj může použít ještě další šroubovák, kladivo, sekerku nebo krumpáč.

Existují také vyšší třídy bezpečnosti, ale okna, která by tyto třídy splňovala, se standardně nevyrábějí – vhodnější je v těchto případech použít mříže.

Jako odolné proti průstřelu jsou označovány ty stavební prvky, které jsou schopné zabránit průniku střel do prvkem uzavřeného prostoru. Podle odolnosti jsou okna rozdělena do pěti tříd, u každé třídy je přiřazen odpovídající druh zasklení, toto zasklení může být buď tříštivé, nebo netříštivé.

Požární odolnost
Požadavky na stavby z hlediska požární bezpečnosti jsou řešeny kodexem požárních norem, tedy normami řady ČSN 73 08. Tyto normy jednak stanovují požadavky a jednak definují průkaz těchto požadavků. Protipožární okno je v problematice požární odolnosti bráno jako prvek, který uzavírají požární úseky a únikové cesty (požární uzávěr otvorů). Jednotlivé typy požárních uzávěrů se liší podle následujících parametrů: celistvost E, hustota tepelného toku W, teplota na neohřívané straně I a prostup zplodin hoření S.
Protipožární sklo je vždy třeba považovat pouze za dílčí skladebnou část celého stavebního protipožárního prvku. Pouze v kombinaci se speciálním rámem a po provedení úspěšné zkoušky je dosaženo požadovaných vlastností stavebního prvku.

Větrání a ventilace
Chceme-li dosáhnout co nejpříjemnějšího prostředí v bytových i nebytových prostorách, je nutné v nich zajistit přiměřenou výměnu vzduchu. Ve starší zástavbě, kde okna nejsou v dobrém stavu, zabezpečují tuto výměnu netěsnosti. Jde o výměnu nekontrolovatelnou a většinou natolik vysokou, že tepelné ztráty jsou příliš velké. U moderních oken, která mají velmi nízký součinitel prostupu tepla, nastává problém opačný. Pokud jsou v objektu pouze tato okna, je přirozená výměna vzduchu v místnostech natolik nízká, že je nutné časté větrání. Větrání lze u oken zajistit mikroventilací, větrací lištou, případně speciálním těsněním.

Mikroventilace je funkce některých typů celoobvodových kování okna. Při otočení kličkou o 45 stupňů se okno pootevře o 4 mm – tato tzv. čtvrtá poloha kliky odtěsní křídlo a zajistí trvalou výměnu vzduchu i při zavřeném okně.

Větrání je možné i ventilačními mřížkami či větracími lištami, které se osazují do rámu nebo nahrazují část skla okna. Pokud je mechanika uvedena v činnost, tak se zbavování obytných prostor vlhkosti a přísun čerstvého vzduchu uskutečňuje při minimálních tepelných ztrátách a zcela bez průvanu. V případě použití speciálního větracího těsnění jde většinou pouze o minimální výměnu vzduchu při splnění hygienických norem pro obytné místnosti.

Speciální těsnění se osazuje v horní části oken.

Varianty osazení otvorových výplní
Správný návrh osazení otvorových výplní na obvodovou stěnu patří rovněž k určujícím předpokladům tepelnětechnické kvality budovy. Tepelnětechnickou kvalitu výplňových konstrukcí ovlivňuje řešení jejich styků se stavební konstrukcí. Mezi nejproblematičtější místa konstrukce obvodového pláště budov z hlediska tepelných mostů patří konstrukce detailu ve styku obvodové stěny a rámu okenní výplně. Nejčastěji používanými jsou tyto dvě varianty osazení otvorové výplně – osazení výplně v tepelné izolaci a osazení výplně na zdivu se zateplením rámu. K jakým závěrům lze při podrobném porovnání těchto dvou variant dospět?

Vlastní analýza
Porovnání bylo provedeno při standardních okrajových podmínkách pro plastové okno TOPLINE PLUS. První varianta: okno je uložené v tepelné izolaci, která přesahuje 30 mm přes rám, ukotvení je pomocí ocelových kotev do zdiva v ostění, do železobetonového věnce v nadpraží a položené na dřevěném hranolku 86/120 u parapetu (obr. 2). Druhá varianta: okno je uložené na zdivu se zateplením rámu (tepelná izolace vytažena přes rám 30 mm u ostění a nadpraží) a kotvené šrouby (obr. 3). Obvodová stěna v obou variantách je tvořena keramickým zdivem KERATHERM 30 P+D s tepelnou izolací EPS o tloušťce 250 mm od firmy BACHL, a. s.

Obr. 2: Osazení okna v tepelné izolaci, detail u ostění


Obr. 3: Osazení okna na zdivu, detail u ostění

Posuzované detaily byly modelovány v programu ANSYS 11.0, ANSYS Work­bench a výpočet proveden metodou MKP. Návrhové hodnoty materiálů a výpočty lineárního činitele prostupu tepla a dalších fyzikálních veličin byly stanoveny podle ČSN 73 0540-2,3,4, ČSN EN ISO 10077-1,2, ČSN EN ISO 14683 a ČSN EN ISO 10211-1. Z těchto získaných hodnot byla vypočítána průměrná teplota na vnitřním povrchu detailu θ_SIM. U obou variant bylo posouzení provedeno v místech parapetu, ostění a nadpraží, mimo kotvy (a) a v místech ukotvení ocelovými kotvami (b) (obr. 4 a 5).

Obr. 4: Osazení okna v úrovni zdiva T2-b	Obr. 5: Osazení okna v tepelné izolaci S2-b

Při výpočtech byly uvažovány hodnoty pro okno:

• U_f = 0,7 W/(m² . K),
• U_g = 0,6 W/(m² . K),
• Ψ_g = 0,03 W/(m . K),
• součinitel prostupu tepla obvodové stěny U_s = 0,11 W/(m² . K).

Celková hodnota součinitele prostupu tepla okna Uw se započítanými hodnotami Ψ_f (výpočet podle ČSN EN ISO 10077-1,2) (tab. 3).

Tab. 3: Lineární činitel prostupu tepla posuzovaných detailů

Z hlediska dosažení optimálních tepelnětechnických parametrů je zavedenou praxí osazení otvorových výplní do tepelné izolace. Z provedených modelů a výpočtů však vyplynulo, že rozdíl součinitele prostupu tepla oknem Uw se započítanými hodnotami lineárního činitele prostupu tepla Ψ u okna osazeného na zdivu je pouze o 7 % větší než u okna osazeného na tepelné izolaci. Na základě uvedených výsledků bylo provedeno porovnání nákladů na ukotvení okna uloženého v teplené izolaci a na zdivu. K ukotvení otvorové výplně na tepelnou izolaci jsou zapotřebí ocelové konzoly a velké množství kotevních šroubů. Významnou roli hraje také značná pracnost tohoto způsobu kotvení oproti osazení okna na zdivo.

Přepočet potřeby tepla na pokrytí tepelných ztrát při prostupu tepla jednou výplní byl proveden pro ceny k datu od 1. 10. 2008 při vytápění objektu zemním plynem a elektřinou. Jedná se o vyčíslení nákladů na pokrytí tepelných ztrát vznikajících pouze v místě tepelného mostu okenním otvorem. V praxi je nutné komplexnější posouzení zohledňující velikost a typ objektu, orientaci k světovým stranám apod. (tab. 4).

Tab. 4: Náklady na pokrytí tepelných ztrát

Druh paliva	Okno osazené v tepelné izolaci	Okno uložené na zdivu
zemní plyn	170,95 Kč	184,31 Kč
elektřina	605,39 Kč	652,68 Kč

Náklady na pokrytí ztrát prostupem tepla jednoho okna za rok při osazení na zdivu jsou:

• při vytápění objektu zemním plynem o 14 Kč větší než při uložení na tepelné izolaci,
• při vytápění objektu elektřinou o 47 Kč větší než při uložení na tepelné izolaci.

Náklady na ukotvení jednoho okna na tepelné izolaci jsou o 1350 Kč větší než při uložení otvorové výplně na zdivo (tab. 5).

Tab. 5: Náklady na ukotvení okna

Okno osazené v tepelné izolaci	Okno uložené na zdivu
1433,13 Kč	80,04 Kč

Na základě provedených výpočtů dvojrozměrného teplotního pole vyplynulo, že při dostatečném zateplení obvodové konstrukce a přetažení tepelné izolace minimálně 30 mm přes rám otvorové výplně jsou hodnoty lineárního činitele prostupu tepla v obou variantách srovnatelné. Celkové hodnoty Uw jsou při osazení okna v tepelné izolaci o něco příznivější, ale nesmíme opomenout vyšší náklady a náročnější provedení při tomto uložení.

Nároky na propracovanost konstrukčních detailů stavebních konstrukcí se stále zvyšují. Vždy by se již ve fázi návrhu mělo ke konstrukčním detailům přistupovat v kontextu energetické koncepce celého objektu. Aspekty, které kvalitu konstrukčního řešení ovlivňují, nejsou jen tepelně – technické a ekonomické, ale i estetické, solární, aj. Významnou roli hraje také pracnost a návaznost na související stavební prvky (parapetní desky, oplechování, napojení parozábrany, apod.).

Text: Ing. Michal Remeš, Ing. Lukáš Hejný
Obrázky: archiv autorů

Autoři působí v Ústavu pozemních staveb Fakulty stavební VUT v Brně.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.