Energooszczędność profili okiennych

Idea związana ze zwiększaniem oszczędności energii i ograniczeniem jej strat w budownictwie nie jest czymś nowym. W wielu budynkach okna stanowią ponad 20% powierzchni ścian i ograniczenie strat przenikającego przez nie ciepła wywiera znaczący wpływ na ogólną charakterystykę energetyczną całego obiektu. Największy wpływ na parametry cieplne okna ma szyba, jednak również stanowiące ok. 30% powierzchni profile okienne odgrywają istotną rolę.

Rozwiązania w konstrukcji kształtowników okiennych mogące wywierać istotny wpływ na ich właściwości w zakresie przenikalności cieplnej oraz na całkowitą przenikalność cieplną okna to:

– głębokość kształtowników,

– liczba komór kształtownika,

– rodzaj wzmocnień stosowanych do usztywniania konstrukcji kształtownika,

– szerokość wrębu szybowego,

– głębokość wrębu szybowego.

Rys. 1. Uf = 1,6 W/(m2 · K)

Rys. 2. U_f = 1,4 W/(m² · K)

Rys. 3. U_f = 1,2 W/(m² · K)

Początkowo zwiększano głębokości kształtowników, co bezpośrednio umożliwiało wprowadzanie do konstrukcji ram ościeżnic, skrzydeł i słupków większej liczby komór oraz zwiększanie głębokości zabudowy. Wystarczy spojrzeć na rysunki obrazujące kolejne kroki w rozwoju systemów profili i osiągane w badaniach wyniki przenikalności cieplnej kształtowników.

Zwiększenie głębokości kształtowników aż o 35% i podwojenie liczby komór w stosunkowo krótkim czasie przyniosło pożądane i oczekiwane rezultaty. Współczynnik przenikania ciepła został obniżony aż o 0,4 W/(m² ·K). Osiągnięcie wartości współczynnika przenikania ciepła kształtowników na poziomie U_f = 1,2 W/(m² ·K) oraz prowadzone badania w dziedzinie fizyki cieplnej wskazywały, że dalsze zwiększanie głębokości i liczby komór w kształtownikach okiennych choć nie niemożliwe, nie będzie już przynosiło większych efektów w zakresie oszczędzania energii, dlatego konieczne stało się poszukiwanie innych dróg i zmian konstrukcyjnych.

Uwaga inżynierów skierowała się na rozwiązanie jednego z podstawowych problemów, jakim jest ograniczenie strat energii wynikającej z różnicy przewodności cieplnej kształtowników PVC i używanych do ich usztywnienia stalowych wzmocnień. Zaczęły pojawiać się na rynku pierwsze produkty przeznaczone do tzw. domów niskoenergetycznych lub pasywnych. Dzięki wypełnieniu przestrzeni wzmocnień wkładkami poliestyrenowymi możliwe było obniżenie współczynnika przenikania ciepła kształtowników okiennych o 0,1 W/(m² ·K). Innym rozwiązaniem stosowanym przez systemodawców było dodawanie do profili różnego rodzaju nakładek, które często również były wypełniane materiałami termoizolacyjnymi. Jako alternatywa pojawiły się również w ofercie specjalne wzmocnienia z tworzyw sztucznych, które miały na celu poprawę izolacyjności profili.

Okno to szyba i kształtowniki PVC, a zatem optymalną sytuacją dla energooszczędności całej konstrukcji jest zapewnienie doskonałej współpracy obu tych komponentów i maksymalne wykorzystanie ich indywidualnych właściwości. Większa głębokość kształtownika to szerszy wrąb szybowy umożliwiający stosowanie grubszych pakietów szkła. Grubszy pakiet szkła to współczynnik przenikania ciepła szyby zdecydowanie poniżej U_g = 1,1 W/(m² ·K).

Poszerzenie wrębów szybowych i możliwość szklenia okien dwukomorowymi pakietami szyb zespolonych to przykład synergicznego wykorzystania właściwości komponentów w imię zapewnienia odbiorcom okien dodatkowej korzyści.

Kolejnym krokiem, pozwalającym na dalsze zwiększenie energooszczędności okna dzięki rozwiązaniom konstrukcji kształtowników, było stworzenie skrzydła okiennego, które nie wymaga stalowych wzmocnień, a przy zmianie technologii szklenia pozwala wykorzystać pełną głębokość wrębu szybowego.

Rys. 4. U_f = 1,1 W/(m² · K)

Rys. 5. U_f = 1,0 W/(m² · K)

Głębsze osadzenie szyby we wrębie prowadzi do zmniejszenia wartości współczynnika przenikania ciepła liniowego mostka termicznego występującego na styku szyby z ramą skrzydła, a zmiana technologii szklenia powoduje, że szyba staje się jednym z elementów zwiększających sztywność konstrukcji skrzydła. Poprzez związanie klejem szyby z profilem znaczna część obciążeń statycznych jest przenoszona przez szybę bardziej odporną na zginanie niż profil skrzydła i w ten sposób stabilizuje okno.

W ten sposób udało się osiągnąć kilka korzyści. Po pierwsze obniżono współczynnik przenikania ciepła okna o następne 0,1 W/(m² ·K), po drugie podniesiono stabilność konstrukcji okna dzięki nowatorskiej technologii wklejania szyb zespolonych we wrąb skrzydła, po trzecie zwiększając w każdym oknie wielkość powierzchni szyb, dostarczamy do pomieszczeń ponadstandardową ilość naturalnego światła dziennego.

Rys. 6. Kształtowniki ze wzmocnieniami kompozytowymi. Głębokość zabudowy od 70 do 85 mm, warianty z uszczelnieniem zewnętrznym i środkowym

Chęć spełnienia postulatu efektywnego wykorzystania w budynkach energii cieplnej pochodzącej ze słońca zaowocowała zmianami w konstrukcji profili okiennych, umożliwiającymi zwiększenie powierzchni przeszkleń, które cechowały zdecydowanie lepsze parametry izolacyjności termicznej. Zaczęły pojawiać się coraz węższe zestawienia profili rama plus skrzydło.

Zapoczątkowane wraz z wdrożeniami technologii wklejania szyb działania zmierzające do wyeliminowania słabego ogniwa, jakimi są z punktu widzenia termoizolacyjności profili stosowane w nich wzmocnienia stalowe, skutkowało próbami ich całkowitego wyeliminowania z kształtowników. Metalowe usztywnienie w profilach ram okiennych tworzy wskutek wysokiej przewodności cieplnej mostek termiczny. Takim nowym kierunkiem w myśleniu o energooszczędności profili są systemy, w których zamiast wzmocnień stalowych zastosowane zostały specjalne przekładki z tworzywa sztucznego i włókien szklanych. Wzmocniony włóknem szklanym termoplast zastępuje stal stosowaną w konwencjonalnych ramach z tworzywa sztucznego i zapewnia zdecydowanie lepsze właściwości izolacji cieplnej przy tych samych mechanicznych właściwościach okna. Wyeliminowanie wzmocnień stalowych pozwoliło na likwidację mostków termicznych i uzyskanie współczynnika przenikania ciepła U_f = 1,0 W/m²K. Warto podkreślić, iż parametry te udało się uzyskać przy standardowej głębokości zabudowy profili wynoszącej 70 mm. Widać, że prowadzone prace badawcze pozwoliły na znaczne ograniczenie współczynników izolacyjności termicznej bez zwiększania głębokości kształtowników.

Rys. 7. Dodatkowe wypełnienie profili ze wzmocnieniami kompozytowymi materiałem termoizolacyjnym pozwala na obniżenie współczynnika izolacyjności termicznej profili Uf nawet o 20%

Tegoroczne największe branżowe targi w Norymberdze pokazały, że to właśnie energooszczędność systemów okiennych jest wciąż największym wyzwaniem. Zaprezentowane zostały kolejne rozwiązania na drodze dalszego postępu w dziedzinie tworzenia energooszczędnych konstrukcji okiennych. Jednym z ciekawszych rozwiązań były systemy okienne pozbawione wzmocnień stalowych, których konstrukcja pozwala dodatkowo na wypełnienie wewnętrznych komór profili materiałami termoizolacyjnymi. Zabieg ten umożliwia znaczące obniżenie współczynnika izolacyjności termicznej profili. Dla przykładu – rys. 6 – profil o głębokości zabudowy 85 mm ze wzmocnieniami z włókien szklanych, osiągający standardowo współczynnik U_f = 0,98 W/m² · K, po wypełnieniu profilu pianą osiągał współczynnik U_f = 0,82 W/m² · K.

Fot. Obraz okien z kamery termowizyjnej

Zalety nowych rozwiązań można zauważyć podczas badania wykonanego kamerą termowizyjną. Na zdjęciu porównano produkowane obecnie standardowe okno (z prawej) na profilach pięciokomorowych i pakietem dwuszybowym z oknem wykonanym przy wykorzystaniu najnowszych systemów ze wzmocnieniami z włókien szklanych, wypełnionych pianką termoizolacyjną, z pakietem trzyszybowym. Mimo znacznego zaawansowania stosowanych aktualnie systemów profili ich dalsza optymalizacja pozwala na konstruowanie okien o współczynniku izolacyjności termicznej U_w lepszym o ponad 50%.

Wydaje się, że producenci profili w swoich działaniach mają już coraz mniej możliwości. Jakich rozwiązań możemy się zatem spodziewać w najbliższej przyszłości?

Będą to być może różnego rodzaju kombinacje metod stosowanych dotychczas dla polepszenia właściwości cieplnych profili. Możemy przypuszczać, że pojawiać się będą pozbawione wzmocnień stalowych profile, które dodatkowo wypełniane będą różnego rodzaju materiałami termoizolacyjnymi. Na pewno podejmowane będą również próby dalszego zwiększania głębokości tych profili. Na znaczeniu zyskiwać będą rozwiązania, które przy zachowaniu dosyć wyśrubowanych parametrów cieplnych będą oferowały również dodatkowe korzyści związane na przykład z optymalizacją procesów produkcji, jej automatyzacją czy zwiększaniem wydajności.

Ten trend jest już zauważalny chociażby w przypadku profili pojawiających się na polskim rynku: poprzez wyeliminowanie wzmocnień stalowych i brak istotnych zmian w gabarytach profili istnieje możliwość obrabiania ich na dotychczasowych maszynach, a jednocześnie uzyskiwane są pewne oszczędności i usprawnienie procesów produkcyjnych.

Marcin Szewczuk

Ilustracje: archiwum firmy Aluplast