Kvalitné okná – predpoklad dobrej tepelnej ochrany budovy

Okno je najčastejšie používaným transparentným systémom obalových konštrukcií budov. Svojimi funkciami sa výraznou mierou podieľa na tvorbe optimálneho vnútorného prostredia a rozhodujúcou mierou na energetických stratách objektov. Okenné konštrukcie sú nielen významné konštrukčné prvky, ale aj výrazové prostriedky v architektúre. Patria medzi najdôležitejšie členiace elementy fasády, pričom určujú formát, estetický dojem a hodnotu fasády. Správne fungujúce okno musí spĺňať viac funkcií. Primárnymi funkciami okna sú prirodzené denné osvetlenie a insolácia interiérov, prirodzené vetranie interiérov, únikovosť pred požiarom alebo pred iným nebezpečenstvom. Okrem týchto primárnych funkcií má okno aj ďalšie funkcie vyplývajúce z fyzikálnych požiadaviek a mechanickej celistvosti obvodovej steny.

Určenie tepelnotechnických vlastností okna
Z tepelnotechnického hľadiska okno predstavuje zloženú konštrukciu. Jeho tepelnotechnické vlastnosti sú určené vlastnosťami priehľadných plôch (systémov zasklení), nepriehľadných plôch (vlysov okenného krídla a rámu) a konštrukciami stykov (druhov tesnení). Najdôležitejšou tepelnotechnickou vlastnosťou je súčiniteľ prechodu tepla so symbolom U v jednotkách W/(m² . K). Udáva tepelný tok (tepelnú stratu v zimnom období) cez 1 m² pri jednotkovom rozdiele teploty.

Čím nižšia je táto hodnota, tým má konštrukcia lepšie tepelnoizolačné vlastnosti. Táto hodnota sa môže udávať pre okno ako výrobok U_ok, zasklenie U_g a rámovú konštrukciu Uf osobitne, pričom výsledná hodnota pre okno sa spočíta definovaným normalizovaným spôsobom. Hodnoty súčiniteľa prechodu tepla okna ako výrobku, zasklenia a rámovej konštrukcie oddelene sa určujú meraním v autorizovanej skúšobni alebo výpočtom. Obidva spôsoby sa dnes pripúšťajú v slovenských a európskych technických normách.

Kombináciou rozličných tepelnotechnických vlastností komponentov okna sa dajú získať súčinitele prechodu tepla v širokom rozsahu tepelnoizolačných vlastností. Výslednú hodnotu okna ovplyvňuje pomerná plocha zasklenia a rámovej konštrukcie, geometria okna, konštrukcia okna (jednokrídlové, dvojkrídlové), počet a dĺžka priečnikov a, samozrejme, tepelnotechnické vlastnosti zasklenia, rámu a okraja zasklenia.

Požiadavky na tepelnotechnické vlastnosti okna
Súčiniteľ prechodu tepla ovplyvňuje najmä povrchové teploty na zasklení (rámovej konštrukcii), tepelné straty, povrchovú kondenzáciu na zasklení, tepelnú pohodu (negatívne studené sálanie v blízkosti okna) a potrebu tepla na vykurovanie budovy. Dnešné požiadavky na okná, ktoré sa formulujú v normách na navrhovanie a dimenzovanie (napr. v STN 73 0540-2: 2002), pri navrhovaní z hľadiska tepelnej ochrany predpokladajú použitie nízkoemisných zasklení do okien nových budov, ale aj obnovovaných (rekonštruovaných) budov.
Pre okná v obvodovej stene, strešné okná a dvere do priestoru s trvalým pobytom ľudí sa odporúča, aby:

• pri nových budovách U_ok ≤ 1,7 W/(m² . K),
• pri obnovovaných (rekonštruovaných) budovách U_ok ≤ 2,0 W/(m² . K).

Pre zasklenie obnovovaných a nových budov sa odporúča použiť zasklenie, ktorého hodnota súčiniteľa prechodu tepla bude U_g ≤ 1,5 W/(m² . K). Vyššie hodnoty súčiniteľa prechodu tepla, ako sú odporúčané hodnoty, môžu mať okenné konštrukcie nových budov, ak sa splní energetické kritérium (t. j. preukáže sa normalizovaná potreba tepla na vykurovanie). Nižšie hodnoty, ako sú odporúčané hodnoty súčiniteľa prechodu tepla okna nových budov vedú k zabezpečeniu nízkej potreby tepla na vykurovanie budov. Celá okenná konštrukcia má vyhovovať požiadavkám na zamedzenie povrchovej kondenzácie vodnej pary. Ak nie je možné kondenzácii predísť konštrukčnými opatreniami alebo úpravou prostredia, treba zabezpečiť vhodnú úpravu konštrukcie na zachytenie a odvod kondenzátu.

Drevené okná
Drevo ako jeden z najstarších stavebných materiálov predstavuje klasickú materiálovú bázu na výrobu okien. Výhodou drevených okien sú najmä dobré tepelnoizolačné vlastnosti (nízky súčiniteľ tepelnej vodivosti λ = 0,41 W/(m . K) až λ = 0,13 W/(m . K)), nízka rozťažnosť, paropriepustnosť a mechanické vlastnosti vlysov okenných krídiel a rámov. Nevýhodou dreva ako organického materiálu je jeho nevyhnutná ochrana proti vlhkosti, plesni, organizmom a ohňu.

Drevené okná majú dlhodobú tradíciu. Na výrobu okien sa používa rezivo z prírodného ihličnatého a listnatého dreva. V súčasnosti technológia spracovania dreva umožňuje vytvárať lamelové profily. Na výrobu jednoduchých okien do vykurovaných priestorov budov sa používajú výlučne lepené lamelové profily.

Najpoužívanejším druhom dreva na výrobu lamelových profilov je smrek, borovica a dub. Z exotických drevín je to mahagón, meranti, teak, oregonská pínia. Pri výrobe drevených okien sa v súčasnosti uplatňuje tzv. unifikovaný europrogram, totožný s nástrojovým radom na ich výrobu. Za posledných 15 rokov sa europrofily z pôvodnej hrúbky 68 mm rozšírili na hrúbku 78, 88 a 92 mm s úpravami vonkajších hrán (tzv. soft-line). K tomu viedli statické, ale aj tepelnotechnické dôvody, predovšetkým neustále sa zlepšujúce vlastnosti systémov zasklení. Súčiniteľ prechodu tepla takto lamelovaných vlysov sa pohybuje v rozmedzí U_f = 1,85 až 1,5 W/(m² . K). Hrúbka (hĺbka) lamelového profilu 68 mm sa v súčasnosti používa už len ojedinele.

Tepelnotechnické vlastnosti týchto okien závisia predovšetkým od použitého systému zasklenia. V súčasnosti sa používajú vysokokvalitné sklá s dobrými fyzikálno-mechanickými vlastnosťami, s vysokou priepustnosťou svetla a konštantnou hrúbkou. Aplikujú sa izolačné systémy z dvoch alebo viacerých skiel s rovnakými alebo ozličnými vlastnosťami (dvojsklá, trojsklá, tepelné zrkadlá), so selektívnymi vrstvami, hermeticky uzavreté špeciálnymi tesniacimi materiálmi.

Na hodnotu súčiniteľa prechodu tepla U týchto okien, ako aj okien všeobecne, vplýva aj zabudované tieniace zariadenie (tab. 1).

Plastové okná
Plastové okná sa svojimi fyzikálnymi vlastnosťami, prakticky nemennými počas svojej životnosti, dostali na úroveň drevených okien. Ich výhodou je, že v období ich predpokladanej životnosti 25 až 35 rokov vlysy okenných krídiel a rámov nepotrebujú žiadnu údržbu. Konštrukcie vlysov sú zo statického hľadiska nedostatočne tuhé a podliehajú deformáciám zo zaťaženia vetrom. Tieto nedostatky sa eliminujú vystužovaním profilov oceľovými tenkostennými prvkami. Tieto prvky nepriaznivo ovplyvňujú tepelnoizolačné vlastnosti vlysov (zvýši sa súčiniteľ prechodu tepla U_f).

Tepelnotechnické vlastnosti plastových okien ovplyvňuje početnosť komôr vlysov. Základným typom, z ktorého sa odvíjajú všetky ostatné typy viackomorových profilov, je trojkomorový PVC profil. Tento profil má v strede veľkú komoru, ktorá vytvára priestor na zasunutie oceľového vystužovacieho profilu. Z vonkajšej a vnútornej strany tejto komory sú predsadené komôrky slúžiace ako tepelnoizolačné. Stavebná hĺbka profilu je 62 mm a súčiniteľ prechodu tepla sa pohybuje v rozpätí U_f = 1,7 až 1,5 W/(m² . K). Tento profilový systém je určený najmä pre objekty s minimálnymi cenovými nákladmi.

Ceny energií stúpajú, a tak výrobcovia profilov hľadajú cestu k zvyšovaniu tepelnoizolačnej kvality profilov. Vnútornú tepelnoizolačnú komôrku trojkomorového profilu rozdelili priečnikom, a tak vznikol vlastne štvorkomorový profil pri zachovaní rovnakej hĺbky profilu. Tepelnoizolačná kvalita profilu mierne stúpla (U_f  =  1,5 až 1,4 W/(m² . K)). Pre stavebníkov, ktorí nechcú zaťažovať svoj finančný rozpočet, prichádzajú do úvahy tieto štvorkomorové profily PVC okien. Pri päťkomorovom profile sa hĺbka profilu zväčšila na 70 mm, pričom
U_f = 1,3 až 1,2 W/(m² . K).

Stúpajúci záujem o stavbu nízkoenergetických domov posunul vývoj okenných profilov smerom k prehĺbeniu stavebnej hĺbky až na 75 až 80 mm. Vznikol tak priestor na vytvarovanie aj šiestej komory. Výsledkom je zlepšenie tepelnoizolačných vlastností rámových konštrukcií (U_f = 1,2 až 1,0 W/(m² . K)), ktoré sa priblížili k hodnote izolačného systému zasklenia so selektívnymi vrstvami. PVC profily s piatimi či šiestimi komorami a väčšou stavebnou hĺbkou zabezpečujú výbornú tepelnú izoláciu a úsporu energie. Tieto systémy majú vyriešené aj hlbšie dokonale tesné zasklievanie lišty na použitie trojskiel.

Tab.2: Súčinitele prechodu tepla plastových okien stanovené meraním v laboratórnom zariadení na Stavebnej fakulte STU Bratislava

Niektorí výrobcovia PVC profilov pristúpili na inteligentné spojenie plastu s hliníkom spolu so zvýšením počtu komôr na číslo 8 (stavebná hĺbka je 80 až 85 mm). Toto spojenie umožňuje vypustiť konvenčné vystužovanie rámových vlysov oceľovými výstuhami. Vylúčenie týchto „tepelných mostov“ ako aj osemkomorový profilový systém podstatne zlepšuje izolačné vlastnosti rámov. Hodnota súčiniteľa prechodu tepla takýchto rámov tak dosiahne extrémne nízke hodnoty (U_f = 0,98 až 0,75 W/(m² . K)). Ďalšou inovatívnou technológiou pri PVC profiloch je nahradenie oceľových, resp. hliníkových výstuží kompozitným materiálom vystuženým sklenými vláknami. Ide o šesťkomorové profily so stavebnou hĺbkou 86 mm. Výrobca deklaruje hodnotu súčiniteľa prechodu tepla U_f = 0,85 W/(m² . K). Takéto profily sú vhodné pre nízkoenergetické a aj pre pasívne domy. Okná vyrobené z takýchto profilov (pri použití kvalitného trojskla a troch celoobvodových tesnení) dokážu ušetriť energiu až do 21 %.

Konštrukcie plastových okien
a) trojkomorové (U_f = 1,7 až 1,5 W/(m² . K)); b) štvorkomorové (U_f  = 1,5 až 1,4 W/(m² . K)); c) päťkomorové (U_f = 1,3 až 1,2 W/(m² . K)).

Kovové okná
Kovy a najmä zliatiny hliníka majú vysokého súčiniteľa tepelnej vodivosti (λ_Al = 210 W/(m . K)), čo spôsobuje veľké problémy pri plnení tepelnoizolačných požiadaviek na okenné konštrukcie. Preto je nevyhnutné pri oknách osadzovaných do vykurovaných objektov prerušiť tepelné mosty vo vlysoch okenných rámov a krídiel vloženým vysokoúčinným tepelným izolantom. Súčiniteľ prechodu tepla vlysov týchto okien sa pohybuje v rozpätí U_f = 1,8 až 2,4 W/(m² . K) v závislosti od spôsobu prerušenia tepelného mostu. Prednosťou týchto okien je ich vysoká životnosť a estetický vzhľad. Takéto okná sa uplatňujú najmä pri stavbách verejného charakteru ako súčasť ľahkých obalových konštrukcií. Moderné konštrukcie okna na báze zliatin hliníka majú prerušený tepelný most vo vlysoch okenného krídla a rámu pomocou zavalcovaných polyamidových profilov. Z hľadiska tepelnej ochrany je dôležité, aby situovanie prerušenia tepelného mosta bolo vo vonkajšej zóne v rovinnej súvislosti so systémom zasklenia. Takéto situovanie minimalizuje deformáciu teplotného poľa.

Kombinované okná
Najčastejšie používanou kombinovanou materiálovou bázou pri výrobe okien je kombinácia dreva s profilmi so zliatin hliníka, pri ktorej sa využívajú dobré materiálové vlastnosti dreva a trvanlivosť hliníkových prvkov. Preto sa hliníkové prvky nachádzajú na vonkajšej časti okna.

Ďalšou ale menej používanou materiálovou kombináciou na výrobu okien je plast – hliník. Vnútornú časť profilu okna tvorí viackomorový plastový profil, v ktorom je osadené zasklenie a vonkajšiu časť tvorí hliníkový profil.

Záver
Okná sú najexponovanejšími prvkami obalových konštrukcií budov. Výraznou mierou sa podieľajú na energetických stratách budovy. Tepelné straty cez okná predstavujú 40 až 50 %, čo je najviac zo všetkých obalových konštrukcií posudzovanej budovy. Preto dôraz na tepelnotechnické vlastnosti okien je v dnešnej dobe aktuálny. Kvalitné okná na báze dreva, plastov, zliatin hliníka alebo na kombinovanej báze sa vyrábajú modernými technológiami v súlade so súčasnou úrovňou vedeckého poznania. Okrem kvality rámových vlysov hrá rozhodujúcu úlohu aj použitý systém zasklenia (dvojsklá, trojsklá). Kvalitné okná s aplikáciou uvedených sklených systémov sa svojimi tepelnoizolačnými vlastnosťami vyrovnávajú tepelnoizolačným vlastnostiam plných častí obvodových stien.

Ing. Boris Vavrovič, PhD., prof. Ing. Anton Puškár, PhD.
Foto: archív autorov

Autori pôsobia na Katedre konštrukcií pozemných stavieb na Stavebnej fakulte STU v Bratislave.

Článok vznikol aj vďaka podpore projektu APVV-0204-07 Moderná architektúra ako pamiatka: Energeticky úsporná budova Agentúrou na podporu výskumu a vývoja.

Literatúra:

1. Puškár, A. – Szomolányiová, K. – Fučila, J. – Vavrovič, B.: Okná, zasklené steny, dvere, brány. Bratislava: Jaga Group, s. r. o., 2008.

Článok bol uverejnený v magazíne Správa budov.