Trojsklo alebo štvorsklo?

Zlepšovanie fyzikálnych vlastností zasklení, dištančných profilov a rámových konštrukcií okien či zasklených stien má svoje limity.

Nedajú sa očakávať výrazné zlepšenia tepelnotechnických vlastností okien. Inovácie však umožňujú zlepšovanie ich stavebno-fyzikálnych vlastností, pričom jedným z ponúkaných riešení je aj zvýšenie počtu skiel, teda napríklad štvorsklo. Na druhej strane, požiadavky na okná a zasklené steny sa zvyšujú najmä s ohľadom na zavádzanie požiadaviek prepracovanej smernice o energetickej hospodárnosti (EPBD recast). Napríklad na okná by sa po roku 2018, resp. po roku 2020 pri budovách s takmer nulovou spotrebou energie mali uplatňovať požiadavky podľa STN 73 0540-2: 2012, a to úroveň Uw ≤ 0,6 W/(m² . K). Otázkou je, či možno takúto požiadavku realizovať s izolačným trojsklom alebo je trend zvyšovania počtu skiel nevyhnutný, teda ako jedna z alternatív sa ponúka štvorsklo.

Prvé impulzy

Organizátor výstavy CONECO – RACIO­ENERGIA v Bratislave udeľuje každoročne jednému vystavenému produktu, ktorý sa prihlási do súťaže a zaplatí príslušný poplatok, najvyššie vyznamenanie – osvedčenie Zlatá plaketa. V roku 2013 ho získalo okno z profilu REHAU Geneo s inštalovaným štvorsklom. Dvojkrídlové okno prezentoval výrobca z Poľska. Deklarovaná hodnota súčiniteľa prechodu tepla bola Uw = 0,54 W/(m² . K). Určitým prekvapením však bola absencia ďalších charakteristík, ktorými výrobca vyhlasuje zhodu s harmonizovanou európskou normou na okná a so slovenským zákonom o stavebných výrobkoch. Tým, že tento výrobok mal deklarovanú iba hodnotu súčiniteľa prechodu tepla okna, vznikol prirodzený záujem o kvantifikáciu týchto rozhodujúcich tepelnotechnických a optických vlastností, ktoré sa vzťahovali najmä na izolačné štvorsklo. Tepelnotechnické vlastnosti profilového systému REHAU Geneo PHZ sú dostatočné známe a komplexne dokladované (konštrukčná hrúbka 86 mm, 6-komorový systém, vláknový kompozitný materiál RAU-FIPRO, obvodová koextrudovaná vonkajšia vrstva z vysokokvalitného RAU-PVC na dosiahnutie maximálnej kvality, súčiniteľ prechodu tepla rámového profilu bez oceľovej výstuhy s tepelnoizolačnou vložkou Uf = 0,79 W/(m² . K)). Na obr. 1 je tento profil s izolačným trojsklom.

Obr. 1 Profilový systém REHAU Geneo PHZ s trojsklom

Izolačné trojsklá

Stavebný trh s trojsklami v Európe sa nestále zvyšuje. V niektorých krajinách dosahuje podiel až 50 %. Nemecký trh uvádzal 40-percentný podiel v roku 2010 [1]. Zloženie trojnásobného alebo štvornásobného systému neuvažuje konštrukciu v kombinácii s fóliou. Takého výrobky boli na trhu s označením Heat Mirror. Izolačné trojsklá dnes predstavujú veľmi široký sortiment výrobkov s rozlične nastavenými tepelnotechnickými, akustickými a optickými vlastnosťami. Vlastnosti štvorskla budeme teda porovnávať so súborom vlastností trojskla, prípadne dvojskla. Limitujúcim faktorom pri zvyšovaní počtu skiel v izolačnom zasklení je hmotnosť. Pri porovnávaní fyzikálnych vlastností zasklení sa však sledujú tieto parametre:

• súčiniteľ prechodu tepla zasklenia Ug (W/(m² . K)),
• celková priepustnosť slnečného žiarenia zasklením g-hodnota (–),
• činiteľ svetelnej priepustnosti zasklenia tv (–),
• vnútorná povrchová teplota zasklenia (°C),
• riziko vzniku kondenzácie vodnej pary na vnútornom a vonkajšom povrchu zasklenia,
• index podania farieb Ra,
• celková hrúbka zasklenia (mm),
• plošná hmotnosť (kg/m²).

Vlastnosti izolačných dvojskiel a trojskiel

Na trhu sa nachádza množstvo izolačných zasklievacích jednotiek s rozlične nastavenými tepelnotechnickými, optickými a akustickými vlastnosťami. Na porovnanie treba zúžiť súbor výrobkov a sústrediť sa na zasklenia určené do vykurovaných budov. Tento predpoklad je podstatný, lebo ak by sa uvažovala budova, ktorá je vykurovaná a v lete chladená, teda má celoročne upravované vnútorné prostredie, závery a odporúčania by boli úplne iné. Situáciu komplikuje aj fakt, že jednotliví výrobcovia (Saint Gobain, AGC, Pilkington) vyrábajú sklá s rovnakou funkciou, ale s mierne odlišnými fyzikálnymi vlastnosťami. Pri konkrétnych výpočtových analýzach však treba zobrať do úvahy sklá od konkrétneho výrobcu. V tab. 1 sú uvedené vlastnosti izolačných trojskiel a izolačného dvojskla, ktoré sa štandardne používajú vo vykurovaných budovách. Pričom ako typické tepelnoizolačné trojsklo do vykurovaných budov sa uvádza Climatop Ultra N. Zároveň sú v tabuľke uvedené vlastnosti nového izolačného trojskla Climatop Lux. V poslednom období sa na trhu objavili trojsklá, ktoré kombinujú sklá so zvýšenou priepustnosťou svetla a energie slnečného žiarenia s nízkoemisnými sklami tak, aby integrálna hodnota priepustnosti energie slnečného žiarenia (g-hodnota) bola väčšia ako pri bežnom trojskle.

Tab.1 Tepelnotechnické vlastnosti trojskiel a dvojskla

Zvýšená priepustnosť energie slnečného žiarenia a činiteľa svetelnej priepustnosti v izolačnom trojskle sa dosahuje použitím:

• buď extra číreho skla typu Diamant (Saint-Gobain Glass), alebo Planibel Clear (AGC);
• spektrálne selektívneho povlaku, ktorý má síce vyššiu emisivitu a tým mierne zvyšuje U-hodnotu zasklenia, ale má vyššiu g-hodnotu. To sú sklá Planiterm Lux (Saint-Gobain Glass).

Sklá typu Diamant majú však vyššiu cenu, a možno preto niekedy odrádzajú investorov od širšieho uplatnenia vo výstavbe. Tým teda uniká možnosť znižovať potrebu tepla na vykurovanie budovy uplatnením pasívneho solárneho zisku v zimnom období. Iným technickým riešením je aplikácia spektrálne selektívneho povlaku so zvýšenou emisivitou, ale aj zvýšenou priepustnosťou svetla a slnečného žiarenia na bežné číre sklo typu Planilux. Ako príklad je na obr. 2 porovnanie spektrálnych priepustností povlakov Planiterm Ultra N a Planiterm Lux vytvorených na skle Planilux. Planiterm Lux so zvýšenou emisivitou povrchu pokovovaním a zvýšenou priepustnosťou denného svetla a slnečného žiarenia je určený predovšetkým do budov na bývanie (teda iba vykurovaných budov). Deklarované tepelnotechnické a optické vlastnosti týchto izolačných trojskiel sú určené predovšetkým do nízkoenergetických budov na bývanie, pasívnych budov či do budov s takmer nulovou spotrebou energie. Spektrálny priebeh priepustnosti svetla a slnečného žiarenia v prípade týchto dvoch spektrálne selektívnych vrstiev je na obr. 2.

Obr. 2 Spektrálna priepustnosť nízkoemisných povlakov Planiterm Ultra N a Planiterm Lux

Použitie týchto skiel v budovách na bývanie (teda len vo vykurovaných budovách) je založené na predpoklade, že by mali byť navrhnuté tak, aby sa tepelná pohoda nemusela zabezpečovať v letnom období klimatizáciou. Teda sa predpokladá využitie prostriedkov slnečnej ochrany okna, tepelnej zotrvačnosti vnútorných konštrukcií a účinné tienenie zasklených plôch. Nepredpokladá sa „tienenie sklom“, ale tienenie prostriedkami slnečnej ochrany okna. Trojsklo Climatop Lux má síce vyššiu hodnotu Ug, ale pritom má zvýšenú priepustnosť energie slnečného žiarenia podľa tab. 1. V priepustnosti energie slnečného žiarenia sa vyrovná izolačnému dvojsklu. Výpočtami potreby tepla na vykurovanie sa dá ukázať [1], že na zabezpečenie tepelnej bilancie budovy v zimnom období sa nestačí spoliehať iba na hodnotu Ug. V budovách so zníženou tepelnou stratou sa v tepelnej bilancii uplatňuje pasívny solárny zisk za zasklením. Teda g-hodnota zasklenia je významným faktorom, ktorý ovplyvňuje tepelnú bilanciu budovy.

Izolačné štvorsklo

Ak by sa formálne analogicky vytvorilo zo skiel Planilux štvorsklo a pritom by sa použili nízkoemisné vrstvy Planiterm Ultra N na pozícii 3, 5 a 7 podľa obr. 3, získali by sa tepelnotechnické a optické vlastnosti štvorskla podľa tab. 2.

Obr. 3 Model štvorskla

Tab. 2 Tepelnotechnické vlastnosti štvorskla
Tepelnotechnické vlastnosti štvorskla sa v porovnaní s trojsklom zlepšili z hodnoty Ug = 0,64 W/(m² . K) na hodnotu Ug = 0,44 W/(m² . K), pričom g-hodnota ostala približne rovnaká g ≈ 0,50. Zvýšila sa hrúbka zasklenia zo 40 na 56 mm. Ak by sa alternatívne znížila hrúbka plynovej vrstvy Ar na 12 mm, súčiniteľ prechodu tepla bude Ug = 0,50 W/(m² . K) a hrúbka zasklenia len 50 mm. Zároveň treba povedať, že ide o teoretické riešenie, ktoré by výrobcovi prinieslo nemálo problémov. Vnútorné sklá sú namáhané ohybom. Mali by byť teda kalené. Tým však vzniká problém, ako na existujúcich technologických zariadeniach vyrábať štvorsklo s takouto konštrukciou. Riešenie problému tenkých kalených skiel opísal Holzinger [3]. Ide o novú technológiu kalenia skla vo zvislej polohe. Kalené sklo s hrúbkou 2 mm má podľa tejto technológie pevnosť v ohybe 120 N/mm², čo postačuje na zabudovanie do izolačných trojskiel a štvorskiel.

Ak by sa teda namiesto stredných skiel použili kalené 2-milimetrové sklá, bude mať izolačné štvorsklo hrúbku 54 mm, plošnú hmotnosť 30 kg/m² a jeho tepelnotechnické vlastnosti budú: Ug = 0,44 W/(m² . K), g = 0,52, tV = 0,64, Ra = 94,2. Takéto štvorsklo sa teda hmotnosťou vyrovná štandardnému trojsklu a má výhodnejšie tepelnoizolačné vlastnosti. Aj optické vlastnosti sú na úrovni trojskla. Toto sú, samozrejme, teoreticky kalkulované hodnoty. Nedá sa celkom predpovedať správanie takéhoto štvorskla pri zabudovaní do rozličných otvorových výplní. Celkom bezpečne by sa dalo povedať, že štvorsklo je ideálne ako pevné zasklenie do nízkoenergetických budov a budov len s vykurovaním. Pri budovách s celoročne upravovaným vnútorným prostredím, teda vykurovaných a chladených, by už mohlo znižovanie U-hodnoty zasklenia pôsobiť kontraproduktívne [5]. Znižovanie U-hodnoty zasklenia pri klimatizovaných budovách spôsobuje zvýšenie potreby tepla na chladenie a tu ide skôr o zosúladený návrh vlastností g-hodnoty a Ug hodnoty zasklenia tak, aby celoročná bilancia potreby tepla na vykurovanie a chladenie bola minimálna. Teda je nanajvýš problematické, aby okná budov s celoročne upravovaným vnútorným prostredím mali U-hodnotu menšiu ako 0,6 W/(m² . K).

Problém kondenzácie vodnej pary

Ďalším problémom izolačných trojskiel, prípadne štvorskiel, je kondenzácia vodnej pary na vonkajšom povrchu zasklenia. Pri moderných nízkoemisných zaskleniach s nízkym súčiniteľom prechodu tepla zasklením sa viac tepla udržiava v interiéri budovy a platí, že čím je nižší súčiniteľ prechodu tepla zasklením, tým je vyššia vnútorná povrchová teplota, ale tým je nižšia vonkajšia povrchová teplota zasklenia. Z toho vyplýva, že čím má zasklenie väčšiu tepelnoizolačnú schopnosť, tým je riziko vzniku kondenzácie na vonkajšom povrchu väčšie. Na izolačnom trojskle je frekvencia výskytu kondenzácie vodnej pary alebo námrazy väčšia ako na izolačnom dvojskle. Vonkajšia povrchová teplota zasklenia sa významne zvyšuje s klesajúcou emisivitou vonkajšieho povrchu zasklenia (teda na pozícii #1). Kondenzáciu na vonkajšom povrchu zasklenia možno účinne ovplyvniť pôsobením emisivity. Gläser, Szyszka [1] uvádzajú, že ak by mal vonkajší povrch emisivitu pod hodnotou 0,17, účinne by sa znížilo riziko vzniku kondenzácie na tomto povrchu. Najhorším prípadom kondenzácie na vonkajšom povrchu je námraza, ktorá sa vyskytuje najmä na trojsklách s dobrými tepelnoizolačnými vlastnosťami použitých na strešných oknách.

Podľa numerickej analýzy [1] sa dá námraze vyhnúť nízkoemisným povlakom e ≤ 0,14, a to v prípade kolmo osadeného okna so zasklením so súčiniteľom prechodu tepla Ug ≥ 0,7 W/(m² . K). Nízkoemisné povlaky na vonkajší povrch s emisivitou 0,2 sa priemyselne vyrábajú pomocou technológií CVD a PVD a sú uvádzané na trh. Výskytu kondenzácie a námrazy sa však nedá celkom vyhnúť iba uplatnením nízkoemisných povlakov. Možno iba znížiť frekvenciu výskytu kondenzácie na vonkajšom povrchu s hodnotami emisivity menšími, ako sa uvádza vyššie. Zasklenie so súčiniteľom prechodu tepla Ug = 0,7 W/(m² . K), ktoré je dnes bežne na trhu, môže takmer úplne zabrániť vzniku kondenzácie na vonkajšom povrchu použitím nízkoemisného povlaku s hodnotou 0,14. Pri šikmom okne so sklonom 30° je na takmer úplné zabránenie kondenzácii potrebný nízkoemisný povlak s hodnotou 0,1. Nízkoemisné povlaky na vonkajší povrch s takýmito nízkymi hodnotami (0,14 a 0,1) nie sú ešte vyvinuté a priemyselne vyrábané tak, aby odolávali poveternostným podmienkam, a zároveň spĺňali ekonomické kritériá. To znamená, že štvorsklo by muselo mať nízkoemisný povlak s tvrdým pokovovaním aj na pozícii #1, a to by znamenalo ďalšie zvýšenie ceny.

Ako sa príbeh štvorskla skončí?

Jednou z možností, ako zlepšovať tepelnotechnické a optické vlastnosti zasklení, je aplikácia tenkých kalených skiel do konštrukcie trojskiel a štvorskiel. V súčasnosti prebieha intenzívny výskum a vývoj takýchto skiel v 7. rámcovom programe EÚ [4]. Ani iné vývojové tendencie, ako sú vákuové zasklenia, zasklenia s aerogélmi, ani kvantitatívny vývoj zvyšovania počtu skiel ešte nie sú na konci. Ako sa však príbeh štvorskla skončí alebo ako sa bude vyvíjať, nie je v tomto období ešte celkom jasné. Sú tendencie zlepšovať stavebno-fyzikálne vlastnosti existujúcich trojskiel a sú aj tendencie vyvíjať štvorsklo. To však určite nebude mať také široké uplatnenie, ako majú v súčasnosti trojsklá. Jeho aplikačné možnosti sa s veľkou pravdepodobnosťou zúžia.

Literatúra
1. Gläser, H. – J., Szyszka, B.: Condensation on the outside surface of window glazing – what are the key parameters and how to avoid with Low-E coatings? Proceedings of glass performance days, Finland, 2011, s. 212 – 217.
2. Chmúrny, I.: Štúdia úspor potreby tepla na vykurovanie zasklením so zvýšenou priepustnosťou energie slnečného žiarenia. Tepelná ochrana budov, roč. 15, č. 1, 2012, s. 19 – 22.
3. Holzinger, P.: Thin glass technology for insulating glass production. In: Glass performance days, 12th International conference on architectural and automotive Glass, 2011, s. 556 – 578.
4. MEM4WIN: Ultra thin glass membranes for advanced, adjustable and affordable quadruple glazing windows for zero-energy buildings. FP7- NMP, 2012, Brusel.
5. Chmúrny, I.: Ultra thin glass membranes for advanced glazing of nZEB. Advanced materials research, roč. 855 (2014), s. 57 – 61.

TEXT + FOTO: prof. Ing. Ivan Chmúrny, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné Materiály.