Przełom w dziedzinie termoizolacji okien:
bezmostkowa stolarka otworowa nowej generacji
Przełom w dziedzinie termoizolacji okien: bezmostkowa stolarka otworowa nowej generacji

Powierzchnie przeszklone na elewacji budynków mieszkalnych i użytkowych stanowią elementy, przez które następuje największy transfer ciepła. Dla współcześnie stosowanych, najbardziej zaawansowanych technologicznie materiałów budowlanych i izolacyjnych oraz rozwiązań struktur ścian zewnętrznych współczynnik przenikalności cieplnej U wynosi ok. 0,15 W/m2K, natomiast dla okien 0,5 W/m2K. W budynkach mieszkalnych powierzchnie okien wynoszą co najmniej 15% powierzchni zewnętrznej budynku, a w budynkach użyteczności publicznej ta wartość sięga 80%. Z tego wynika, że co najmniej 40% ciepła przenika przez okna. Jest zatem oczywiste, że „wąskim gardłem” w zakresie izolacji termicznej budynków nie są ściany, których po prostu nie opłaca się jeszcze bardziej izolować. Dalszy postęp na drodze do powszechnego wdrożenia koncepcji budynku „pasywnego” i „zerowego” o minimalnym zapotrzebowaniu na energię potrzebną do ogrzewania, zależy od przełomu technologicznego w zakresie izolacji termicznej elementów przeszklonych, tj. szyb zespolonych i ram okien, a także szklanych fasad.

Jednym z podstawowych źródeł strat termicznych w termoizolacyjnych przeszkleniach są liniowe mostki cieplne, związane z konwencjonalną konstrukcją okien. Przyczyną występowania mostków jest niedoskonała termicznie konstrukcja stolarki otworowej, czyli oprawy przeszkleń – ram skrzydeł, ramek szyb zespolonych oraz ościeżnic, a także nieodpowiedni montaż ościeżnic we wnękach okiennych. Dalsze rozwijanie technologii ekstremalnie termoizolacyjnych szyb zespolonych stałoby się nieracjonalne, bez uwzględnienia najsłabszego ogniwa w powłoce budynku, jakim na obecnym etapie rozwoju technologii energooszczędnych stały się ramy skrzydeł, ościeżnice i obrzeża/ramki szyb zespolonych.

Szkic budowy ramy i ościeżnicy bezmostkowej

Dotychczasowe rozwiązania w dziedzinie stolarki otworowej, zwłaszcza konstrukcji okien energooszczędnych oraz ekstremalnych, dostosowanych do standardów domów pasywnych, idą w kierunku eliminacji masywnych struktur na rzecz form ażurowych, wielokomorowych. Najbardziej obecnie rozpowszechniony typ stolarki zbudowany jest z polimerów (najczęściej twardego PCV), a profil ram skrzydeł i ościeżnicy złożony jest z szeregu liniowych komór, pustych lub wypełnionych sztywnym, spienionym rdzeniem polimerowym. Taka konstrukcja, zazwyczaj dodatkowo wzmocniona wkładką z kształtownika stalowego, stanowi kompromis pomiędzy wymogami sztywności mechanicznej i maksymalnego oporu cieplnego. Najbardziej zaawansowane termicznie konstrukcje z tej grupy wykonane są z żywicy zbrojonej włóknem szklanym, bez metalowych usztywnień i wzmocnień. W rozwiązaniach ram litych, zwłaszcza wykonanych z drewna lub z materiałów drewnopochodnych wprowadza się termoizolacyjne przekładki lub częściej wkładki ze sztywnej pianki o wysokiej gęstości, zazwyczaj poliuretanowej. Pianka pełni funkcję integralnego elementu, spajającego mechanicznie odpowiednio wewnętrzny i zewnętrzny segment ram skrzydeł i ościeżnic, a jednocześnie stanowi izolację termiczną. Ze względu na istotną, nieusuwalną sprzeczność między kontrolowanymi głównie gęstością parametrami mechanicznymi a termicznymi polimerowych materiałów porowatych rozwiązanie to pozostanie wymuszonym kompromisem.

Schemat przykładowego rozwiązania dwuwarstwowej stolarki okiennej

W sektorze aluminiowej stolarki otworowej bardzo wysoka przewodność termiczna metalicznego surowca, kilkaset razy przewyższająca przewodność polimerów, narzuciła już dawno rozwiązania konstrukcyjne, niezbędne dla przerwania kondukcyjnych liniowych mostków cieplnych. Ramy skrzydeł i ościeżnice aluminiowe są w takich konstrukcjach zazwyczaj podzielone tak zwaną przekładką termiczną na dwa segmenty metalowe: profile zewnętrzne i wewnętrzne, połączone listwami z tworzywa sztucznego, obecnie często z dodatkowym wypełnieniem komór pianką polimerową. System okienny MB-W86 Aero polskiej firmy Aluprof z Bielska-Białej to pierwszy na świecie system aluminiowych okien, w którym zastosowany został aerożel – materiał o doskonałej izolacyjności termicznej, dzięki czemu ramy okien tego sytemu osiągnęły rewelacyjnie niski współczynnik przewodzenia ciepła Uf=0,5. W ostatnich latach pojawiły się termoizolacyjne konstrukcje hybrydowe: drewniano-aluminiowe, w których nakładka aluminiowa chroniąca drewno przed wpływem czynników atmosferycznych ma formę profilu otwartego lub zamkniętego i wypełnionego pianką polimerową i umieszczana jest zazwyczaj tylko po stronie zewnętrznej okna.

Stal z kolei była dotychczas stosowana do produkcji ram okien głównie w Wielkiej Brytanii, ze względu na tradycje historyczne. Znana brytyjska firma Clement Steel Windows w swym oddziale w Polsce produkowała okna stalowe w oparciu o profile austriackiej firmy „Jansen” zarówno do rekonstrukcji stolarki zabytkowej, jak i modele nowoczesne, o wysokich standardach termoizolacyjnych. Postęp w obróbce i wytwarzaniu cienkościennych giętych profili stalowych o coraz bardziej skomplikowanych, złożonych przekrojach pozwala już teraz na szersze wdrażanie otworowej stolarki stalowej nowej generacji, której przykładem jest seria stalowych profili okiennych „FERRO-WICSTYLE” niemieckiej firmy „ESCO”.

Liczba opatentowanych rozwiązań stolarki okiennej z wbudowaną wkładką termoizolacyjną wewnątrz ościeżnicy i ramy skrzydła, wykonanych z różnych wspomnianych powyżej materiałów idzie w setki, nie sposób wszystkich przytoczyć.

Także ramka szyb zespolonych stanowi poważne źródło strat cieplnych, w wielu przypadkach porównywalnych ze stratami w całej stolarce okna. Dla ramek tradycyjnych, wykonanych z zamkniętych profili aluminiowych linowy mostek cieplny dramatycznie obniża własności termoizolacyjne szyby zespolonej powodując niekorzystne efekty brzegowe, między innymi wykraplanie wilgoci i rozwój pleśni. Tak zwane „ciepłe ramki” produkowane początkowo z wkładkami metalowymi, zazwyczaj ze stali nierdzewnej, na przykład typu „Swiggle”, „DuraSeal” czy „SuperSpacer” a w nowej generacji czysto polimerowe typu SGG-„Swissspacer” poprawiają zdecydowanie własności termiczne szyb, choć nadal stanowią wyraźne źródło strat, jako najsłabszy termicznie element przeszklenia.

Ruchome łączniki w dwudzielnej ramie okna w pozycji otwartej (po lewej) i zamkniętej (po prawej)

Aby sprostać ekstremalnym wymogom domu pasywnego, konstrukcja okien musi zostać znacznie udoskonalona pod względem własności termicznych, a ponadto musi ściśle współpracować i fizycznie łączyć się z izolacją termiczną samych ścian budynku. Rozwiązaniem radykalnie poprawiającym parametry termiczne całego przeszklenia może być eliminacja tradycyjnie pojmowanych ram skrzydeł i ościeżnic tj. sztywnych struktur wzmacniających i obejmujących zewnętrzne krawędzie szyb zespolonych. Konstrukcja takich elementów musi nadal spełniać niezbędne funkcje ramy wzmacniającej dla skrzydeł okiennych, ale bez zachowania ciągłości materiałowej pomiędzy stronami – wewnętrzną i zewnętrzną. Innymi słowy, taka rama, jako struktura praktycznie nie będzie uczestniczyć w wymianie ciepła pomiędzy zewnętrzem a wnętrzem budynku. Całe przeszklenie, czyli szyba zespolona włącznie z ramą, powinno wykazywać jednolity opór cieplny, porównywalny z oporem cieplnym ścian zewnętrznych budynku, najkorzystniej w standardzie budynku pasywnego. Taka dwudzielna, a konkretnie dwuwarstwowa rama wystarczająco usztywni szybę zespoloną, kontaktując się termicznie wyłącznie z komplementarnymi, także dwudzielnymi, dwuwarstwowymi elementami ościeżnicy, oddzielonymi od siebie termicznie i przestrzennie przez elementy systemu termoizolacji ścian zewnętrznych budynku. Konstrukcja dwudzielnych ram musi zapewnić integralność ruchomych skrzydeł, przenosząc siły nie tylko ściskające, ale także rozciągające i skręcające czy ścinające, pochodzące z naporu wiatru, wstrząsów mechanicznych, przypadkowych uderzeń i ciężaru samego przeszklenia po otwarciu okien. Istotne jest także uwzględnienie sił związanych z wywarciem odpowiedniego nacisku przy zamykaniu okien, niezbędnego dla dobrego przylegania uszczelek.

Proponowane przez nas rozwiązanie, okno dwuwarstwowe tym się różni od okien klasycznych, że składa się z dwóch niezależnych od siebie elementów/warstw: warstwy zewnętrznej składającej się z ościeżnicy zewnętrznej i odpowiednio ramy zewnętrznej oraz z ościeżnicy wewnętrznej i wewnętrznej części ramy. Te dwa elementy okna są od siebie oddzielone superizolacją termiczną (optymalnie panelem próżniowym lub kształtką z aerożelu), która zapewnia eliminację mostków cieplnych liniowych na obwodzie całej stolarki otworowej. Okno pracuje w dwóch trybach, czyli ma inną strukturę termiczną i mechaniczną kiedy jest zamknięte, a inną, kiedy jest otwarte. Skrzydło składa się z dwóch niezależnych warstw, które w przypadku pozycji okna otwartego połączone są ze sobą metalowymi łącznikami, zapewniającymi mechaniczną integralność skrzydła. Jeżeli okno zostanie zamknięte, łączniki te zostaną odwiedzione poprzez ruch klamki i system okuć obwiedniowych i dwie części skrzydła utracą ze sobą kontakt. Zostanie przerwany metaliczny mostek cieplny, który istniał w warunkach okna otwartego – okno zyskuje na oporze cieplnym, a jednocześnie rama okna traci integralność mechaniczną, rozpadając się na dwie warstwy. Parametry termiczne prototypowego okna wynikają z jakości izolacji bez względu na jej własności mechaniczne. Natomiast parametry mechaniczne okna, zwłaszcza w pozycji otwartej, zależą od łączników, zawiasów i całego okucia obwiedniowego.

Istotne jest także to, że oprócz wspomnianych ruchomych elementów łączących występują klasyczne elementy: rygle, które łączą ościeżnicę wewnętrzną i skrzydło wewnętrzne i rygle, które blokują ze sobą ościeżnicę zewnętrzną i skrzydło zewnętrzne. Te elementy są sterowane klasycznie poprzez system łączników, natomiast rygle skrzydła zewnętrznego napędzane są pośrednio poprzez ruch klamki. Ważną rolę pełnią zawiasy, nieco inne niż w tradycyjnych oknach. Jest to system dwóch par zawiasów od siebie niezależnych, aczkolwiek skoordynowanych, który obejmuje: parę zawiasów krytych z listwami ślizgowymi z odstawioną wirtualną osią obrotu oraz parę zawiasów klasycznych z fizyczną osią obrotu, która jest połączona z wewnętrzną ościeżnicą i odpowiednio wewnętrzną częścią skrzydła okna. Te dwie pary zawiasów mają wspólną oś obrotu – przestrzenną oś wirtualną, która zapewnia integralność tych dwóch elementów i warstw niezależnie od tego, w jakiej pozycji skrzydło się znajduje. Innymi słowy, obrót tych dwóch warstw skrzydła jest w pełni skoordynowany przestrzennie.

Ruchome łączniki w dwudzielnej ramie okna w pozycji otwartej (po lewej) i zamkniętej (po prawej). Okno z termoizolacją z paneli próżniowych
Ruchome łączniki w dwudzielnej ramie okna w pozycji otwartej (po lewej) i zamkniętej (po prawej). Okno z termoizolacją z kształtek aerożelowych

Zaletą „dwudzielności” ramy jest niewątpliwie to, że może być ona wykonana w zasadzie z każdego materiału, w tym z materiałów niestosowanych dotychczas na szeroką skalę przy produkcji ram, na przykład ze stali, ponieważ cały opór termiczny skupia się na przekładce termoizolacyjnej, która nie pełni funkcji mechanicznych. W naszych prototypowych konstrukcjach udało się wyeliminować sprzeczność między parametrami termicznymi a mechanicznymi. Biorąc pod uwagę wyniki obliczeń i wstępne pomiary, spodziewamy się, że opracowane przez nas ramy okien osiągną niespotykane dotychczas parametry termiczne: Uf = 0,2 – 0,3 W/m2K.

dr Mariusz Paszkowski
dr Antoni Kostka
VIS INVENTIS