Tepelnětechnické vlastnosti oken na bázi dřeva pro nízkoenergetické domy

V současnosti se rozvíjí nízkoenergetická a energeticky pasivní výstavba a klade se důraz na tepelnětechnickou kvalitu výplňových konstrukcí stavebních otvorů. Dřevěná okenní konstrukce musí splňovat základní požadavky na tepelnětechnickou kvalitu, vykazovat příslušnou hodnotu součinitele prostupu tepla okna U_ok a dosahovat
povrchové teploty s hodnotou nad teplotou rosného bodu, aby se v kritických místech předcházelo vzniku plísní. Zanedbatelné u dřevěných okenních konstrukcí nejsou ani design a cenové relace.

Kvalita oken do obytných budov
Energeticky úsporné, nízkoenergetické a pasivní domy se vyznačují určitými hraničními hodnotami měrné potřeby tepla na vytápění v porovnání se současnými požadavky podle platných norem, například ČSN 73 0540-2. Roční plošná měrná potřeba tepla na vytápění EA v energeticky úsporném domě je 50 až 70 kWh/(m² . rok), v nízkoenergetickém domě (NED) nepřesahuje 50 kWh/(m² . rok) a v pasivním domě (EPD) nepřesahuje 15 kWh/(m² . rok). Energe­ticky úsporný a nízkoenergetický dům využívají vytápěcí systém i pasivní dům (EPD) může být bez klasické vytápěcí soustavy.

Obalový plášť těchto obytných domů (podlaha, 1. NP, obvodové stěny, střecha apod.) musí být dobře tepelně izolovaný a jednotlivé konstrukce musejí splňovat patřičné hodnoty součinitele prostupu tepla U. Nejslabším článkem obalového pláště jsou okna. Jaké hodnoty součinitele prostupu tepla U musejí splňovat okna v jednotlivých energetických typech domů, udává tab. 1.

Tab. 1: Doporučené hodnoty součinitele prostupu tepla v nízkoenergetických a pasivních domech

Okna dosud používaná v energeticky úsporných domech (se součinitelem prostupu tepla U_W = 1,5 W/(m² . K)) jsou pro energeticky pasivní domy nevyhovující. V těchto domech je třeba aplikovat okna s U_W = 0,8 W/(m² . K). Aby okno jako celek dosáhlo této hodnoty součinitele prostupu tepla, musejí vlysy okenního rámu a křídla dosáhnout hodnoty U_F < 1,0 W/(m² . K).

U vlysů na materiálové bázi dřeva jde o speciální eurohranoly s tloušťkou větší než 70 mm, u nichž střední lamelu nahrazuje vysoce účinný tepelný izolant.

Na obrázcích jsou znázorněny izotermy pro jednotlivé vlysy. Izoterma s hodnotou 10 °C se nachází uvnitř všech konstrukcí rámů, tedy teplota rosného bodu 10,18 °C (při 21 °C a 50% vlhkosti vzduchu) není na povrchu konstrukcí dosažena.

Rozhodující vliv na tepelněizolační vlastnosti okna má jeho zasklení, které tvoří 70 až 80 % plochy okna. Aby okno jako celek dosáhlo součinitele prostupu tepla U_W < 0,8 W/(m² . K), musí zasklení dosáhnout hodnoty (podle rozměrů okna) U_g < 0,6 až 0,4 W/(m² . K). Uvedené hodnoty může dosáhnout izolační trojsklo se selektivními vrstvami vyplněné kryptonem nebo tzv. tepelné zrcadlo se dvěma průhlednými fóliemi.
Konstrukcí okna se na rozdíl od plné části stěny infiltruje v zimním období vzduch, což způsobuje další tepelné ztráty. U oken s dimenzovanou větrovou překážkou a kvalitním celoobvodovým kováním jsou ztráty způsobené infiltrací vzduchu přibližně stejné jako ztráty z prostupu tepla.

V pasivních domech se výměna vzduchu navrhuje a řídí kontrolovaným způsobem, prostřednictvím výměníku vzduchu s rekuperací tepla. Výměna vzduchu přes okna není nutná. Z tohoto důvodu by větší podíl oken měla zastupovat okna s pevným zasklením s nulovou infiltrací vzduchu. Ostatní okna v pasivním domě by měla být s otevíráním. Mohou být vzduchotěsná i ve styku okenního křídla a rámu, aby nedocházelo k žádným tepelným ztrátám v důsledku proudění vzduchu. Tepelné ztráty přes okna v pasivních domech by tak byly jen vedením přes konstrukci okna. V energeticky pasivních domech je důležitá ochrana proti tepelnému účinku slunečního záření v létě, která zabraňuje přehřívání vnitřních prostorů.

Z obrázků znázorňujících průběh teplotních polí je možné lépe porovnat deformaci teplotních polí jednotlivých vlysů, přičemž nejmenší je u vlysu 110 PUR a největší u dřevěného vlysu tloušťky 78 mm.

Tepelnětechnické vlastnosti oken na bázi dřeva
Aby bylo dosaženo nízké hodnoty součinitele prostupu tepla celého okna Uw, musíme brát v úvahu hodnotu koeficientu zasklení U_g a součinitel samotného rámu U_F. Tato podmínka je zakomponována i do vztahu pro výpočet celkového součinitele okna podle ČSN 730540-4 Tepelná ochrana budov. Část 4: Výpočtové metody pro navrhování a ověřování. Ve vztahu vystupuje i lineární ztrátový součinitel, který zohledňuje vliv distančního rámu izolačního skla na vedení tepla. V tomto místě se přítomností rámu deformuje teplotní pole, a tím se vytváří tepelný most. Běžně se hodnota Ψ_g (pro dřevěná okna) pohybuje v rozmezí 0,04 až 0,06 W/(m . K) (podle ČSN 73 0540-4).

Výrobci izolačních skel nabízejí skla s takzvaným teplým okrajem. Jde o distanční rám vyrobený z jiného materiálu. Nejčastěji jde o plasty nebo jejich kombinaci s nerezem. Tyto distanční rámky dosahují hodnoty Ψ_g pod hranicí 0,04 W/(m . K).

Z průběhu tepelných toků je evidentní, že největší tepelný tok je na místě distančního rámku skla a hliníkové okapnice.

Materiály na výrobu oken na bázi dřeva
Dřevěná okna pro nízkoenergetické a pasivní domy se vyrábějí ze sendvičových vlysů. Jako přídavná izolace se uprostřed vlysů používá polyuretanová pěna, respektive její kombinace s dřevěnými třískami – purenit, který má vyšší mechanické vlastnosti a jen o málo lepší tepelnětechnické. Z jiných tepelněizolačních materiálů používaných na vlysy oken určených do nízkoenergetických a energeticky pasivních budov je to například korek jako přírodní materiál.

Hodnocení tepelnětechnických vlastností oken na bázi dřeva
Při analýze těchto vlastností oken pro NED a EPD se využívá počítačový simulační program, určený pro modelování dvojrozměrného prostupu tepla přes stavební konstrukce. V programu se simulují jednotlivé okenní konstrukce, které se následně posuzují pomocí tepelnětechnických laboratorních zkoušek.

Současné konstrukce tepelnětechnicky kvalitních oken na bázi dřeva pro NED a EPD mají i sendvičové vlysy s PUR izolantem uprostřed vlysu. Kromě těchto vlysů jsou na trhu i sendvičové vlysy na bázi dřeva s přírodním materiálem korkem a okna z daných vlysů, vhodná pro NED a EPD. Vývoj a výzkum těchto vlysů na bázi dřeva je však stále aktivní a zabývají se jím i výrobci dřevěných oken. Ze současného sledování dění v oblasti vývoje a výzkumu dřevěných oken na bázi dřeva je zřejmá aktivita a odbornost několika výrobců při výrobě konstrukčně, esteticky a fyzikálně kvalitních funkčních oken na bázi dřeva pro NED a EPD. Podmínkou uplatnění jednotlivých typů oken jsou jejich cenové relace v poměru k porovnatelné kvalitě oken.

V současnosti se konstrukce kvalitních oken na bázi dřeva pro NED a EPD vyrábějí ze sendvičových vlysů, které jsou uprostřed vyplněny PUR izolantem.

Ing. S. Jochim, Ph.D.; Ing. R. Nôta; prof. Ing. A. Puškár, Ph.D.
Obrázky: archiv autorů

S. Jochim působí jako asistent na Dřevařské fakultě Katedry nábytku a dřevařských výrobků Technické univerzity ve Zvolenu a výzkumný pracovník v oddělení dřevěných stavebních konstrukcí v oblasti konstrukce a technologie dřevěných staveb a stavebnětesařských výrobků.

R. Nôta působí jako doktorand v oddělení dřevěných stavebních konstrukcí Katedry nábytku a dřevařských výrobků v oblasti konstrukce a technologie dřevěných staveb a stavebnětesařských výrobků TU ve Zvolenu.

A. Puškár je vedoucím Katedry konstrukcí pozemních staveb Stavební fakulty STU v Bratislavě. Působí v oblasti výplňových konstrukcí a je autorem a spoluautorem publikací, skript, vědeckých a odborných článků doma i v zahraničí.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.