Posuny v tepelněizolačních vlastnostech rámů otvorových výplní

2. dubna 2010

Partneři sekce:

V poslední době se stále dostává do popředí diskuse na téma snižování energetické náročnosti budov. Pozornost odborníků se výrazně zaměřila na snižování tepelných ztrát. Okno a zasklení tvoří nedělitelnou součást obvodových plášťů budov, a proto se výroba otvorových výplní stává středem pozornosti.

Jestliže hovoříme o omezování tepelných ztrát obalové konstrukce objektu, respektive části tvořené prosklenými konstrukcemi, lze konstatovat, že se zabýváme nejslabším článkem obvodového pláště. Proto nikoho nepřekvapí, že se stoupajícími požadavky na snižování energetické náročnosti staveb stoupají i požadavky na kvalitu oken a dveří, respektive na jejich tepelněizolační vlastnosti.

Pro snižování tepelných ztrát a zlepšování tepelněizolačních vlastností otvorových výplní jsou s ohledem na normu ČSN 73 05402 rozhodující tři veličiny:

součinitel spárové průvzdušnosti,
součinitel prostupu tepla,
vnitřní povrchová teplota.

Součinitel spárové průvzdušnosti lze definovat jako množství metrů krychlových vzduchu, které projde za jednu hodinu jedním metrem spáry při rozdílu tlaků jeden pascal, a součinitel prostupu tepla charakterizuje tepelnětechnické vlastnosti okna. Se součinitelem prostupu tepla je pak úzce spjata i oblast tzv. povrchových teplot.

Co se týká spárové průvzdušnosti, lze dnes již těžko co zlepšovat. Dnešní moderní okno je konstruováno tak, že jej lze považovat za téměř stoprocentně těsné, a to bez ohledu na to, zda se jedná o okno obvodové konstrukce dřevěné, plastové či hliníkové. Uvádí se, že okno původní konstrukce umožňovalo v uzavřené poloze výměnu vzduchu v objemu 1m³ na metr spáry. Okno současné konstrukce umožní výměnu vzduchu v objemu 1 dm³ na metr spáry.

Naproti tomu v případě součinitele prostupu tepla, respektive povrchových teplot, je ještě stále co zdokonalovat. K lepším tepelným charakteristikám otvorových výplní vede hned několik cest – například vývoj a aplikace nových technologií a materiálů použitých na výrobu profilů nebo skel. Zpřísňující se požadavky na otvorové výplně vedou jednotlivé dodavatele komponentů ke stále častějším inovacím v rámci nabídky jejich výrobků (v tab. 1).

Vývoj nových produktů směřuje k tomu, aby tyto výrobky co nejlépe splňovaly požadavky trhu a pochopitelně i norem, a přitom aby jejich výroba byla co nejekonomičtější.

Nízkoenergetické řešení
Nové okenní profily byly koncipovány tak, aby akceptovaly jasné tendence středoevropského trhu k vícekomorovým systémům a zlepšeným tepelněizolačním vlastnostem a se zřetelem k ekonomice výroby oken z těchto profilů. Vývoj nového okenního profilu sestával z celé řady testů a výpočtových zkoušek různých variant rámu i křídla, při nichž byla testována kromě jiného šířka profilu, počet komor, umístění, velikost a tvar výztuhy a další parametry. Na křídle se vývojový tým zaměřil zejména na hloubku zasklení a tvar zasklívací lišty.

Komory v okenním rámu slouží jako bariéry při prostupu tepla (chladu) okenním profilem. Každá komora je vlastně izolační přepážkou, která zvyšuje odpor vedení tepla. Nedá se ale automaticky říci, že čím více komor, tím lepší izolační vlastnosti okenního profilu. Nezáleží totiž pouze na počtu komor, ale také na síle jejich přepážek a na celkové šířce profilu (tzv. stavební hloubce). Šestikomorový profil o stavební hloubce 70 mm má horší tepelněizolační vlastnosti než profil o stavební hloubce 96 mm. Esteticky je ovšem lepší subtilnější užší profil.

Rámový profil
Tvar rámu byl vyvinut na základě dvou výchozích požadavků: dosažení maximálně příznivých tepelněizolačních vlastností a minimální nárůst ceny. Použit byl jeden typ výztuhy pro rám a křídlo, U-tvar a bylo dosaženo snížení hodnoty prostupu tepla rámem (U_f).

Profil křídla
Koncept křídla byl vyvíjen s maximální snahou o splnění požadavků na prostup tepla a povrchové teploty dané v ČSN 73 0540-2. Základním předpokladem pro dosažení tohoto požadavku bylo zvětšení hloubky drážky pro sklo na 26 mm. Toto řešení bylo navrženo tak, aby umožnilo jednak případnou aplikaci lepeného skla, jednak aby nebyl narušen celkový vizuální efekt zbytečným nárůstem pohledové výšky celé sestavy.

Hodnoty prostupu tepla sestavou a povrchových teplot
Testováno bylo dvoustupňově těsněné okno Zendow+ s šestikomorovým rámem stavební hloubky 70 mm a šestikomorovým křídlem stavební hloubky 76 mm (profilová kombinace 4000 + 4040 AD) zasklené izolačním dvojsklem se součinitelem prostupu tepla U_g = 1,1 W(m² . K) a vybaveným distančním rámečkem Super Spacer Triseal. Jedná se o jeden z typů distančních rámečků, respektive o asi nejvyšší řadu distančních rámečků firmy Edgetech. Distanční rámečky drží skla ve správné poloze (udržují přesnou distanci mezi skly). Dříve se používaly například hliníkové rámečky, ty ale vytvářely mezi skly tepelný most. Proto se přechází na nové moderní materiály. Super Spacer Triseal je pružný rámeček ze silikonové pěny s kvalitními tepelněizolačními vlastnostmi. Pomáhá při splnění požadavku na tzv. teplou hranu, tj. při zabezpečení místa styku profilu a skla, kde bývá nejnižší povrchová teplota okna.

Pro základní výpočet a posouzení nejnižší vnitřní povrchové teploty (θ_si) byla uvažována návrhová teplota venkovního vzduchu θ_e = –15 °C a parametry vnitřního vzduchu platné pro prostory v novostavbách běžných bytových a občanských staveb (kromě prostorů s vlhkým a mokrým prostředím) vytápěné radiátory ústředního vytápění, tj. ∆θ_a = 0,6 °C. Veškeré teplotní a vlhkostní parametry i odpory při prostupu tepla podle ČSN 73 0540-3 (4), respektive ČSN 73 0540-2 (3).

V ČSN 73 0540-2 (3) je definován požadavek na nejnižší vnitřní povrchovou teplotu výplní otvorů pomocí tzv. teplotního faktoru (f_Rsi) podle způsobu vytápění a umístění otopných ploch. Pro lepší názornost byl tento požadavek přepočítán na požadované hodnoty nejnižší vnitřní povrchové teploty (θ_{si, N}) pro parametry vnitřního vzduchu.

Posouzení pak bylo provedeno podle požadavku, aby vypočtená hodnota vnitřní povrchové teploty byla v každém místě vyšší nebo alespoň rovna požadované hodnotě θ_si ≥ θ_{si, N}.

Vypočtené hodnoty a posouzení
Při výpočtech vnitřní povrchové teploty byly sledovány výsledky v těchto kritických bodech:

A: kout tvořený vnitřním povrchem zasklení a horním vnitřním povrchem zasklívací lišty,
B: kout tvořený vnitřním povrchem pevného rámu a spodním vnitřním povrchem rámu křídla.

Plastové okno Zendow+ zasklené izolačním dvojsklem s hodnotou součinitele prostupu tepla U_g = 1,1 W(m² . K) s distančním rámečkem Super Spacer Triseal vyhovuje z hlediska nejnižší vnitřní povrchové teploty požadavku ČSN 73 0540-2 pro návrhové teploty venkovního vzduchu –13 až –16 °C bez ohledu na způsob vytápění a umístění otopných ploch. Naměřené hodnoty povrchových teplot v kritických bodech vysoce přesahují minimální požadavky normy.

Tab. 2: Přepočtené požadované hodnoty nejnižší vnitřní povrchové teploty výplní otvorů

Dále se systém Zendow+ prezentuje těmito výsledky:

U_f = 1,18 W(m² . K)
U_g = 1,1 W(m² . K)
U_w= 1,2 W(m² . K)

Řešení pro pasivní domy
Nejnovější rámy s výraznou rezervou překračují požadavky na technické parametry rámového profilu. Jedná se o šestikomorový systém stavební hloubky 76 mm s dvoustupňovým (dorazovým) nebo třístupňovým (středovým) těsněním. Veškeré designové varianty mají nízký součinitel prostupu tepla. Snižuje ho vyšší počet dutin optimální velikosti, které jsou kolmé ke směru tepelného toku. Nejefektivnější jsou dva modely – jeden model má komory vypěněné speciální izolací, zatímco druhý model využívá stavební hloubky rámového profilu 96 mm. Oba dva rámy shodně dosahují hodnoty U_f = 1,0 W(m² . K).

Měřením byly prokázány tyto hodnoty:

Varianta 1 – užší stavební profil o šířce 76 mm
- U_f = 1,0 W(m² . K)
- U_g = 0,5 W(m² . K)
- U_w= 0,74 W(m² . K)
Varianta 2 – šestikomorový rám o šířce 96 mm s možností vložení dodatečných vnitřních izolačních vložek, popřípadě nahrazení standardní ocelové výztuhy za výztuhy z kompozitních materiálů
- U_f = 1,0 W(m² . K)
- U_g = 0,5 W(m² . K)
- U_w= 0,75 W(m² . K)