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.
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.
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.
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.
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
