Vybraté technické vlastnosti okien

Okná a zasklené konštrukcie sú súčasťou takmer každej stavby. Na trhu je však veľké množstvo typov okien, pričom výber toho najvhodnejšieho pre danú stavbu si vyžaduje dostatočnú pozornosť a znalosť problematiky. Často sa uvádzajú a porovnávajú najmä vlastnosti okien úzko súvisiace s tepelnou technikou.

Existuje veľa technických parametrov, podľa ktorých možno okná porovnávať, hodnotiť a na základe ktorých možno vybrať čo najvhodnejšie výplne otvorov pre danú stavbu.

Patria medzi ne napríklad:

• tepelnoizolačné vlastnosti,
• zvukovoizolačné vlastnosti,
• požiarna odolnosť,
• mechanická odolnosť,
• škárová tesnosť a odolnosť proti náporovému dažďu.

Tepelnoizolačné vlastnosti okien
Od kvality a spôsobu realizácie okien a zasklených konštrukcií do veľkej miery závisia tepelnotechnické parametre celej stavby. Najväčší podiel tepelných strát objektom pripadá práve na výplne otvorov. Ich rozmiestnenie, vlastnosti a napojenie na nepriesvitné konštrukcie obvodového plášťa majú vplyv na funkčné, energetické a estetické vlastnosti objektu. Výsledný prechod tepla oknom je ovplyvnený predovšetkým vlastnosťami zasklenia a rámu, pomerom plochy zasklenia k ploche celého okna, vlastnosťami dištančného rámčeka a jeho dĺžkou a väzbou medzi oknom a obvodovou stenou. Všetky tieto faktory by mali byť vo vzájomnom súlade. Takisto platí, že zasklenie s dobrými vlastnosťami by sa nemalo osadzovať do rámov s priemernou kvalitou.

Najčastejšími zasklievacími jednotkami sú dvojsklá s úpravou povrchu pokovovaním, čím dochádza k zníženiu výmeny tepla sálaním v dutine medzi sklami. Medzera medzi nimi sa na zlepšenie tepelných vlastností plní plynmi (napr. argónom, xenónom, kryptónom). Trojsklá sa zatiaľ používajú o niečo menej, čo je spôsobené ich vyššou cenou a vyššou hmotnosťou vyžadujúcou masívnejšiu konštrukciu rámu.

Na trhu je v ponuke veľa okien s rozličným konštrukčným riešením rámov. Používané sú väčšinou plastové a drevené rámy. Plastové rámy majú oceľový výstužný profil a päť až osem vzduchových komôr. Drevené rámy sa vyrábajú v rozličných vyhotoveniach – v kombinácii s izolačnou vrstvou z korku alebo polyuretánu, s vyfrézovanými vzduchovými dutinami, rámami vytvorenými z lamiel z tvrdého dreva s vypeneným polyuretánom, v kombinácii s eloxovaným hliníkom na vonkajšej strane a v ďalších oceľových, hliníkových, prípadne iných materiálových kombináciách.

Hlavnými normovo stanovenými tepelnotechnickými parametrami sú súčiniteľ prechodu tepla a hodnota najnižšej povrchovej teploty v mieste okennej výplne.

V ostatných rokoch sa postupne sprísňovali požiadavky na prechod tepla obvodovými konštrukciami. Súčasné požiadavky na konštrukcie výplní otvorov uvádza norma STN 73 0540: 2. Tieto požiadavky sú zhrnuté v tab. 1 a udávajú požadované a odporúčané hodnoty súčiniteľa prechodu tepla UN (W/(m² . K)).

Tab. 1: Požadované hodnoty súčiniteľa prechodu tepla

Konštrukcia výplne otvorov musí spĺňať podmienku U ≤ U_N, kde U je súčiniteľ prechodu tepla vyjadrený W/(m² . K) a U_N je požadovaná hodnota súčiniteľa prechodu tepla vyjadrená W/(m² . K). Pri výpočte hodnoty U sa zohľadňuje nielen súčiniteľ prechodu tepla zasklením, ale aj súčiniteľ prechodu tepla rámom a lineárnymi stratovými súčiniteľmi, ktoré závisia od typu zasklenia, dištančného rámčeka a rámu a spôsobu umiestnenia okna v konštrukcii. Najpriaznivejšie hodnoty súčiniteľa prechodu tepla, ktoré dnes výrobcovia dosahujú, sa pohybujú od 0,7 do 0,8 W/(m² . K) (obr. 1).

Zvukovoizolačné vlastnosti
Aby okno poskytovalo dostatočnú odolnosť proti hluku, musí bezchybne tesniť a svojím vonkajším tvarom odolávať hluku, čo je z fyzikálneho hľadiska stojaté vlnenie vzduchu. Zvukovoizolačné vlastnosti závisia od realizácie a spôsobu zasklenia, tesnosti škár a materiálu okenného rámu. V minulosti neplatili pre požiadavky na zvukovú izoláciu okien až na ojedinelé výnimky nijaké záväzné ustanovenia. To sa zmenilo začiatkom 90. rokov minulého storočia. Pre všetky stavby sa v súčasnosti požaduje splnenie určitých limitov stanovených v norme DIN 4109, ktoré treba zohľadniť už v projektovej fáze prípravy stavby.

Požadovanú protihlukovú ochranu charakterizuje veličina R_w (dB). Táto veličina zahŕňa iba zvuk, ktorý prejde vlastným oknom. Ostatné zvuky, ktoré sa prenášajú tzv. vedľajšími cestami, teda susedným murivom, stropom, podlahou a podobne, hodnota nezahŕňa.

Každému určeniu potrebného stupňa výslednej protihlukovej izolácie musí predchádzať stanovenie smerodajnej hladiny vonkajšieho hluku. Z výsledného stupňa protihlukovej izolácie možno zistiť stupeň protihlukovej ochrany pre okná (tab. 2).

Tab. 2: Požadovaná zvukotesnosť okien

Faktory ovplyvňujúce zvukovoizolačné vlastnosti
Vplyv materiálov ako hliník, drevo, oceľ i plast na výrobu okien je pri dodržaní požiadaviek na akosť takmer zanedbateľný. Naopak, jedným z hlavných faktorov rozhodujúcich o kvalite protihlukovej izolácie okien je konštrukcia zasklenia.

Z hľadiska zasklenia možno zvukovú izoláciu zlepšiť týmito spôsobmi:

• zväčšením hmotnosti skla,
• konštrukciou s nesúmerným usporiadaním viacvrstvových izolačných skiel,
• použitím vrstiev z liatych živíc,
• zväčšením vzdialeností jednotlivých tabúľ v zasklení až na 70 mm.

Dôležitým faktorom, ktorý takisto ovplyvňuje zvukovoizolačné parametre, je škárová zvuková izolácia a montážne škáry. Konkrétne ide o dĺžku a plochu škáry, akosť bočných povrchov (vyhotovenie hladké, drsné či porézne), tvar škáry (rovné či stupňovité vyhotovenie), absorpčné schopnosti materiálu výplne či ventilačná tesnosť, resp. prítlak škárového tesnenia na bočné časti škáry. Na dosiahnutie dobrej zvukovej izolácie má podstatný význam tiež kvalita montáže.

Škárová nepriepustnosť a tesnosť proti náporovému dažďu
Požiadavky na škárovú priepustnosť a tesnosť proti náporovému dažďu sa vzťahujú na konštrukčnú škáru medzi krídlom a rámom okna. Kritériá požadovanej tesnosti proti náporovému dažďu nie sú stanovené absolútne, ich vymedzenie je dané tým, že pri vzniku výnimočných situácií môže byť prekročené bežné namáhanie okennej konštrukcie a môže dôjsť k preniknutiu malého množstva zrážkovej vody do vnútorného okenného priestoru. Zároveň treba zabezpečiť, aby voda nekontrolovateľne nevtekala do konštrukcie a nespôsobila poškodenie okenných rámov.

Súčiniteľ škárovej priepustnosti a vyjadruje mieru vzduchotesnosti konštrukčnej škáry medzi okenným rámom a krídlom. Hodnota a udáva množstvo vzduchu, ktoré prestúpi jedným metrom okennej škáry za časovú jednotku pri rozdiele vonkajšieho a vnútorného tlaku 10 Pa. Na priepustnosť v dĺžke škáry majú vplyv najmä tuhosť okenného rámu, uzavretie kovania či kvalita tesnenia. Súčiniteľ škárovej priepustnosti sa stanoví podľa zatriedenia budovy do jednej z troch skupín, ktoré sa robí podľa počtu podlaží.

Tesnosťou proti náporovému dažďu je vyjadrená istota, ktorú poskytuje uzavreté okno pri danej sile vetra a množstve zrážok proti vniknutiu vody oknom dovnútra konštrukcie.

Na zabezpečenie dlhodobej prevádzkovej tesnosti proti náporovému dažďu je dôležitá správna realizácia oblasti okennej drážky vrátane správnej polohy a osadenia príslušného tesnenia a tiež správnej realizácie ventilačných otvorov. Najlepším riešením je tzv. dvojstupňové tesnenie, kde sú samostatne riešené a priestorovo oddelené tesnenie proti náporovému dažďu a tesnenie proti vetru.

Mechanická odolnosť
Z hľadiska mechanickej odolnosti okien sa všeobecne rozlišujú odolnosť proti vlámaniu a odolnosť proti priestrelu.

Pri bezpečnosti budovy z hľadiska vniknutia nežiaducich osôb hrajú okná a dvere dôležitú úlohu. Výrobcovia, ktorí deklarujú odolnosť proti vlámaniu, musia mať svoje výrobky odskúšané v autorizovanej
skúšobni.

Pre okná sa definujú tri základné triedy bezpečnosti:

• WK1 – príležitostný zlodej sa snaží otvoriť okná a dvere iba fyzickou silou, napr. opretím sa celou váhou o dvere, prípadne úderom lakťom alebo trasením dverami či oknami,
• WK2 – príležitostný zlodej sa snaží otvoriť okná a dvere jednoduchými nástrojmi, ako je skrutkovač, nôž, kliešte, prípadne kliny,
• WK3 – okrem nástrojov z triedy WK2 môže zlodej použiť ešte ďalší skrutkovač, kladivo, sekerku alebo krompáč.

Existujú aj vyššie triedy bezpečnosti, ale okná, ktoré by tieto triedy spĺňali, sa štandardne nevyrábajú (odporúča sa v týchto prípadoch použiť mreže).

Odolné proti priestrelu sa označujú tie stavebné prvky, ktoré sú schopné zabrániť prieniku striel do priestoru uzavretého prvkom. Podľa odolnosti sú okná rozdelené do piatich tried, ku každej triede je priradený zodpovedajúci druh zasklenia, ktoré môže byť buď trieštivé, alebo
netrieštivé.

Požiarna odolnosť
Požiadavky na stavby z hľadiska požiarnej bezpečnosti rieši kódex požiarnych noriem, čiže normy radu STN 73 08. Tie stanovujú požiadavky a takisto definujú preukaznosť týchto požiadaviek. Protipožiarne okno sa v problematike požiarnej odolnosti chápe ako prvok, ktorým sa uzatvárajú požiarne úseky a únikové cesty (požiarny uzáver otvorov). Jednotlivé typy požiarnych uzáverov sa líšia podľa týchto parametrov: celistvosť E, hustota tepelného toku W, teplota na neohrievanej strane I a prechod splodín horenia S.

Protipožiarne sklo treba vždy považovať len za časť celého stavebného protipožiarneho prvku. Iba v kombinácii so špeciálnym rámom a po vykonaní úspešnej skúšky sa dosiahnu požadované vlastnosti stavebného prvku.

Vetranie a ventilácia
Ak treba v bytových i nebytových priestoroch vytvoriť čo najpríjemnejšie prostredie, odporúča sa v nich zaistiť primeranú výmenu vzduchu. V staršej zástavbe s oknami v zlom stave zabezpečujú túto výmenu ich netesnosti. Ide o výmenu nekontrolovateľnú a väčšinou takú vysokú, že tepelné straty sú príliš veľké. Pri moderných oknách, ktoré majú nízky súčiniteľ prechodu tepla, nastáva opačný problém. Ak sú v objekte iba tieto okná, je prirodzená výmena vzduchu v miestnostiach taká nízka, že sa odporúča časté vetranie. Možno ho pri oknách zabezpečiť mikroventiláciou, vetracou lištou, prípadne špeciálnym tesnením.

Mikroventilácia je funkcia niektorých typov celoobvodových kovaní okna. Pri otočení kľučkou o 45° sa okno pootvorí o 4 mm – táto tzv. štvrtá poloha kľučky odtesní krídlo a zabezpečí trvalú výmenu vzduchu aj pri zavretom okne.

Vetranie možno zabezpečiť aj použitím ventilačných mriežok či vetracích líšt, ktoré sa osadzujú do rámu alebo nahrádzajú časť skla okna. Ak sa mechanika uvedie do činnosti, zbavovanie obytných priestorov vlhkosti a prísun čerstvého vzduchu sa uskutočňujú pri minimálnych tepelných stratách a úplne bez prievanu.

V prípade použitia špeciálneho vetracieho tesnenia ide väčšinou iba o minimálnu výmenu vzduchu pri splnení hygienických noriem pre obytné miestnosti. Špeciálne tesnenie sa osadzuje v hornej časti okien.

Varianty osadenia výplní otvorov
Správny návrh osadenia výplní otvorov na obvodovú stenu patrí tiež k určujúcim predpokladom tepelnotechnickej kvality budovy. Tú ovplyvňuje riešenie ich stykov so stavebnou konštrukciou. Medzi najproblematickejšie miesta konštrukcie obvodového plášťa budov z hľadiska tepelných mostov patrí konštrukcia detailu v styku obvodovej steny a rámu okennej výplne. Používanými sú najmä dva varianty osadenia výplne otvorov – osadenie výplne otvorov v tepelnej izolácii a osadenie výplne otvorov na murive so zateplením rámu. Pri podrobnom porovnaní týchto dvoch variantov sa zistili nasledujúce závery.

Vlastná analýza
Porovnanie sa uskutočnilo pri štandardných okrajových podmienkach pre plastové okno.
Prvý variant: okno je uložené v tepelnej izolácii, ktorá presahuje 30 mm cez rám, ukotvené je pomocou oceľových kotiev do muriva v ostení, do železobetónového venca v nadpraží a položené na drevenom hranolčeku 86/120 pri parapete (obr. 2).

Obr. 2: Osadenie okna v tepelnej izolácii, detail pri ostení

Druhý variant: okno je uložené na murive so zateplením rámu (tepelná izolácia vytiahnutá cez rám 30 mm pri ostení a nadpraží) a kotvené skrutkami (obr. 3). Obvodovú stenu v oboch variantoch tvorí keramické murivo s tepelnou izoláciou EPS s hrúbkou 250 mm.

Obr. 3: Osadenie okna na murive, detail pri ostení

Posudzované detaily sa modelovali v programe ANSYS 11.0, ANSYS Workbench a výpočet sa vykonal metódou MKP. Návrhové hodnoty materiálov a výpočty lineárneho stratového súčiniteľa a ďalších fyzikálnych veličín sa stanovili podľa STN 73 0540-2, 3, 4, STN EN ISO 10077-1, 2, STN EN ISO 14683 a STN EN ISO 10211-1. Z týchto získaných hodnôt sa vypočítala priemerná teplota na vnútornom povrchu detailu θ_SIM. Pri oboch variantoch sa posúdenie vykonalo v miestach parapetu, ostenia a nadpražia, mimo kotvy a v miestach ukotvenia oceľovými kotvami (obr. 4 a 5).

Obr. 4: Osadenie okna v úrovni muriva T2-b	Obr. 5: Osadenie okna v tepelnej izolácii S2-b

Pri výpočtoch sa brali do úvahy tieto hodnoty pre okno:

• U_f = 0,7 W/(m² . K),
• U_g = 0,6 W/(m² . K),
• Ψ_g = 0,03 W/(m² . K),
• súčiniteľ prechodu tepla obvodovej steny U_s = 0,11 W/(m² . K).

Celková hodnota súčiniteľa prechodu tepla okna U_w so započítanými hodnotami Ψ_f (výpočet podľa STN EN ISO 10077-1, 2) (tab. 3).

Tab. 3: Lineárny stratový súčiniteľ posudzovaných detailov

Poznámka: a – mimo kotvy, b – v mieste kotvy, θ_SIM – priemerná vnútorná teplota, Ψ_f – lineárny stratový súčiniteľ pripojovacej škáry rámu

Z hľadiska dosiahnutia optimálnych tepelnotechnických parametrov sa v praxi používa osadenie výplní otvorov do tepelnej izolácie. Z vykonaných modelov a výpočtov však vyplynulo, že rozdiel súčiniteľa prechodu tepla oknom U_w so započítanými hodnotami lineárneho stratového súčiniteľa Ψ pri okne osadenom na murive je iba o 7 % väčší ako pri okne osadenom na tepelnej izolácii. Na základe uvedených výsledkov sa porovnali náklady na ukotvenie okna uloženého v tepelnej izolácii a na murive. Na ukotvenie výplne otvorov na tepelnú izoláciu treba oceľové konzoly a veľké množstvo kotevných skrutiek. Dôležitú úlohu hrá tiež veľká prácnosť tohto spôsobu kotvenia oproti osadeniu okna na murivo a vyššie náklady na pokrytie tepelných strát vznikajúcich iba v mieste tepelného mosta okenným otvorom.

Na základe vykonaných výpočtov dvojrozmerného teplotného poľa vyplynulo, že pri dostatočnom zateplení obvodovej konštrukcie a pretiahnutí tepelnej izolácie minimálne 30 mm cez rám výplne otvoru sú hodnoty lineárneho stratového súčiniteľa v oboch variantoch porovnateľné. Celkové hodnoty U_w sú pri osadení okna v tepelnej izolácii o niečo priaznivejšie, ale nesmieme zabudnúť na vyššie náklady a náročnejšiu realizáciu pri tomto uložení.

Na záver treba dodať, že skladba steny v analyzovanom prípade obsahuje pomerne veľké množstvo tepelnej izolácie. Pri menej zateplenej obvodovej stene by tento rozdiel nebol taký veľký a osadenie okna v úrovni tepelnej izolácie by malo väčšie opodstatnenie. O tomto probléme však nemožno uvažovať iba ekonomicky, dôležité je tiež zvážiť vplyv zatienenia okna jeho ostením pri osadení k murivu a s tým spojené nižšie solárne zisky oknom, ďalej posúdiť celý detail komplexne v nadväznosti na parapetné dosky, oplechovanie, napojenie parozábrany a podobne.

Tab. 4: Náklady na pokrytie tepelných strát

Ing. Michal Remeš, Ing. Lukáš Hejný
Foto a obrázky: archív autorov, KALYPSO

Autori pôsobia v Ústave pozemných stavieb Stavebnej fakulty VUT v Brne.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.