Analýza tepelně-technických faktorů konstrukčního řešení oken

4. 7. 2008

Okna patří k technicky komplikovaným částem budovy. Jsou součástí obalové konstrukce budovy a patří mezi nejexponovanější konstrukce. Jejich úkolem je poskytovat dostatečnou ochranu interiéru před povětrnostními vlivy. Musí být dostatečně účinná zejména z hlediska stavebně-fyzikálního a zároveň průhledná.

Kvalitu výplňových konstrukcí ovlivňuje řešení jejich styků se stavební konstrukcí. Styky musí především bezpečně přenést různá zatížení z otvorové výplně do obvodové stěny, eliminovat objemové změny těchto konstrukcí, vyrovnat výrobní tolerance hrubé stavby a zabezpečit fyzikální celistvost obvodové stěny. Mezi nejproblematičtější místa konstrukce obvodového pláště budov z hlediska tepelných mostů patří konstrukce detailu ve styku obvodová stěna – rám okenní výplně. Množství vad je způsobeno neodbornou výměnou stávajících oken za nová. K častým závadám dochází převážně z důvodu neznalosti dané problematiky při návrhu a následné realizaci.

Popis konstrukce a okrajových podmínek

Pro analýzu konstrukčního detailu okna v obvodovém plášti byla zvolena stěna z tvarovek Porotherm o tloušťce 450 mm zděná na maltu obyčejnou (λ_U = 0,85 W.m^–1.K^–1). Z vnější strany je zdivo opatřeno omítkou Porotherm TO o tloušťce 30 mm a Porotherm Universal o tloušťce 5 mm. Vnitřní strana je tvořena omítkou Porotherm Universal o tloušťce 10 mm. Součinitel prostupu tepla této konstrukce včetně omítek je U = 0,34 W.m^–2.K^–1.

Výplň otvoru je tvořena pětikomorovým systémem Ideal Intertec 4000 Roundline, s konstrukční hloubkou 70 mm a hodnotou součinitele prostupu tepla U = 1,3 W.m^–2.K^–1.Materiál okenního profilu tvoří UV stabilizované PVC s tloušťkou stěn 3 mm. Zasklení je tvořeno systémem 4-16-4 s nerezovým distančním rámečkem – dosahuje hodnoty prostupu tepla U = 1,1 W.m^–2.K^{–1 a}zvukového útlumu R_W = 32 dB, meziskelní prostor je vyplněn vzácným plynem Argonem. Těsnění okenního profilu je dvojí, celoobvodové, trvale pružné, z EPDM materiálů, prováděné standardně v černé barvě.

Součinitele tepelné vodivosti λ jednotlivých materiálů konstrukce jsou uvedeny na obr. 1.Všechny alternativy jsou řešeny v prostředí s návrhovou teplotou vnitřního vzduchu θ_ai = 20,6 °C s relativní vlhkostí vnitřního vzduchu φ_i = 50 %. Jedná se o bytovou budovu s neupravenými konstrukcemi, dokončenou po roce 1995, vytápění je zajištěno radiátory ústředního vytápění (dle tab. l). Pro tyto hodnoty činí teplota rosného bodu θ_w = 9,82 °C. Pro venkovní prostředí byla uvažována teplota θ_ae = –15 °C s relativní vlhkostí φ_je = 84 %. Tepelný odpor přestupu tepla na vnitřní straně činí R_si = 0,25 m2K.W ^–1 pro těžké, netransparentní konstrukce a R_si = 0,13 m2K.W ^–1 pro transparentní výplně. Tepelný odpor přestupu tepla na vnější straně je R_se = 0,04 m2K.W ^–1 pro zadanou vnější teplotu θ_ae = –15 °C.

Obr. 1: Tepelně-technické vlastnosti otvorové výplně s izolačním dvojsklem

Varianty osazení okna

Osazením otvorové výplně do obvodové stěny dochází ke značné deformaci teplotního pole. Ve styku výplně otvoru a obvodové stěny vznikají deformovaná teplotní pole, způsobující zvýšení tepelných toků, které se zohledňují lineárním činitelem prostupu tepla při výpočtu plošným teplotním polem.

Při osazení oken do jednovrstvého zdiva bez další úpravy překonává tepelný tok v oblasti ostění minimální překážku. Tepelný tok obtéká okenní rám a prochází zdivem, ale pouze v tloušťce rovnající se hloubce okenního rámu.

Za základ analýzy byla zvolena varianta 1, ve které je sledován vztah okna a obvodové stěny (obr. 1). V této variantě je okenní výplň umístěna ve středu obvodové stěny. V následujících variantách bylo osazení výplně otvoru, oproti variantě 1, posunuto o 100 mm směrem na stranu exteriéru (varianta 2) a následně o stejnou vzdálenost na stranu interiéru (varianta 3). Poté bylo provedeno posouzení změn povrchových teplot a hodnot lineárního činitele prostupu tepla. Při zkoumaných variantách bylo provedeno zateplení ostění z vnější strany pod parapetním plechem klínem tepelné izolace se součinitelem tepelné vodivosti λ = 0,048 W.m^–1.K^–1.

Obr. 2: Přehled polohy okna v obvodové stěně ve variantách 1 až 3

Posouzení

Ve variantách 1 až 3 bylo zatepleno ostění pod arapetním plechem a okenním rámem, což se projevilo pozitivně na snížení lineárního činitele prostupu tepla a také vyššími povrchovými teplotami ve styku okenní výplně s obvodovým zdivem. Z důvodu nezahrnutí vlivu proudění vnitřního vzduchu kolem okenní výplně je rozdíl povrchových teplot minimální a neprojevuje se zde snížení povrchové teploty vlivem osazení výplně otvoru směrem k exteriéru.

Požadavek na minimální vnitřní povrchovou teplotu ve všech místech konstrukce pro zimní období je θ_{si, N} = 13,20 °C.

Požadavek na kritickou povrchovou teplotu je:

● pro transparentní výplně: θ_{si, cr} = θ_{si, 100} = θ_w = 9,82 °C,

● pro netransparentní těžké konstrukce: θ_{si, cr} = θ_{si, 80} = θ_w = 13,20 °C.

Obr. 3–5: Simulace povrchových teplot a deformace teplotního pole programem Ansys

Ve variantách 1a – 3a byla modelována řešení s nezatepleným ostěním pod parapetním plechem. Ve variantách 1b – 3b bylo modelováno provedení s nezatepleným ostěním pod parapetním plechem a nezatepleným stykem otvorové výplně s obvodovou konstrukcí. Rozdíly a porovnání povrchových teplot jednotlivých variant uvádí tabulka.

Z hlediska vnitřní povrchové teploty je výhodné umístění okna v homogenní jednovrstvé konstrukci na vnitřním povrchu. Hodnoty lineárního činitele prostupu tepla při tomto řešení jsou vyšší. Z hlediska minimální hodnoty lineárního činitele prostupu tepla je výhodnější osazení umístění okna uprostřed obvodové stěny (varianta 1). Při variantním řešení za účelem nalezení optimální polohy okna v ostění, s vyhovujícími povrchovými teplotami a nízkými hodnotami lineárního činitele prostupu tepla, vychází jako nejvýhodnější řešení s osazením otvorové výplně v jedné třetině tloušťky zdiva od vnitřního povrchu.

Tabulka: Vyhodnocení povrchových teplot jednotlivých variant konstrukčního řešení detailu styku okenní výplně s obvodovou konstrukcí

Obr. 6, 7: Pětikomorový okenní profil Ideal Intertec 4000 RoundLine

Závěr

Z tepelně-technického hlediska představuje okno složenou konstrukci. Jeho tepelně-technické vlastnosti jsou dány vlastnostmi průhledných ploch, neprůhledných ploch (okenní křídlo a rám) a konstrukcí styků (druhy těsnění). Okno je z hlediska geometrie tvaru náročná a materiálově složitá konstrukce. V této konstrukci z tepelně technického hlediska je rozhodující vnitřní povrchová teplota okenní konstrukce a součinitel přestupu tepla. Celková tepelná bilance ztrát výplňové konstrukce se skládá ze ztrát tepla přestupem přes zasklení a rámy a ze ztrát tepla větráním (konvekcí). Na základě provedené analýzy se nejpříznivěji projevila poloha v 1/3 hloubky od vnitřního povrchu, kde byly dosaženy uspokojivé parametry z hlediska vnitřní povrchové teploty a minimálního lineárního činitele prostupu tepla.

PETR SCHINDLER

foto archiv autora

Ing. Petr Schindler (* 1981)

vystudoval Fakultu stavební VUT v Brně, obor pozemní stavby. V současné době je doktorandem druhého ročníku na ústavu pozemních staveb FAST VUT v Brně. Je autorem a spoluautorem několika odborných publikací. Tématem jeho disertační práce jsou vady a poruchy konstrukčních dílů.

Recenzoval: Ing. Libor Matějka, Ph.D., CSc., Stavební fakulta VUT v Brně.

Literatura:

1) ČSN 730540-3: Tepelná ochrana budov – Část 3: Návrhové hodnoty veličin. Praha: Český normalizační institut, 2005.

2) Sborník materiálů: Tepelná ochrana budov – opravy bytových domů 2000. 2. Mezinárodní konference, Praha 2000.

3) Chmurný, I.: Tepelná ochrana budov. Bratislava, Jaga group 2003.

4) Horský, A. – Šulista, R.: Podklady pro navrhování, 9. vydání, WCP.

5) Th okna dveře (online), c 2005, dostupné na http://www.thoknadvere.cz