Ciepłe ramki w oknach

Ostatnie 15 – 20 lat na rynku okiennym, to czas wielkiej okiennej ewolucji i rewolucji o czym już pisaliśmy. Tym razem jednak pominiemy większość zagadnień dotyczących kształtowników okiennych, a skoncentrujemy się wyłącznie na szybach zespolonych i jednym z komponentów służących do ich produkcji – na ramkach dystansowych. Ramka dystansowa to ów metalicznie połyskujący element widoczny pomiędzy taflami szkła szyby zespolonej. W pokazywanym przypadku pomiędzy trzema taflami szkła, czyli w tak zwanej szybie dwukomorowej.

Ewolucja i rewolucja na rynku produkcji szkła budowlanego rozpoczęła się od zastąpienia szkła ciągnionego, szkłem walcowanym typu float. Nieco później do powszechnego użytku trafiło szkło niskoemisyjne i miękkopowłokowe, a przestrzeń pomiędzy szybami zaczęto wypełniać mieszaninami gazów szlachetnych i powietrza. Elementem służącym do łączenia tafli szkła w pakiecie szyby zespolonej i zapewniającym właściwą odległość pomiędzy nimi były „ramki dystansowe”, wykonywane głównie z aluminium. Połączenie wszystkich nowych technologii w produkcji szyb zespolonych doprowadziło do radykalnego obniżenia wartości ich współczynnika przenikania ciepła z poziomu U_g = 2,9 W/(m² * ºK) do U_g = 1,1 W/(m² * ºK). Warto w tym miejscu wskazać, że podane wyżej wartości współczynników przenikania ciepła szyb dotyczą wyłącznie środkowej części szyby.
Równoległy rozwój technologii produkcji kształtowników okiennych i narastająca tendencja do tworzenia konstrukcji umożliwiających maksymalne ograniczanie strat energii przez okna, doprowadziły do sytuacji, w której najsłabszym ogniwem nowoczesnych okien okazała się strefa brzegowa szyby zespolonej i jej styk z profilami okiennymi. Powodem powstawania mostka cieplnego w tej strefie i zwiększonego przepływu energii od ciepłej szyby wewnętrznej w kierunku zimnej szyby zewnętrznej była wysoka przewodność cieplna aluminium stosowanego do produkcji ramek dystansowych.
Konieczne stało się opracowanie technologii produkcji szyb zespolonych z ramkami dystansowymi wykonanymi z materiałów o niższej przewodności cieplnej niż aluminium. Aktualnie do produkcji szyb zespolonych wykorzystuje się nadal ramki dystansowe wykonywane z aluminium, ale coraz częściej zastępowane są one elementami ze stali, stali szlachetnej lub tworzyw sztucznych. Wartości obliczeniowe współczynnika przewodzenia ciepła λ, wg PN-EN 12524:2003 dla niektórych materiałów wykorzystywanych do produkcji ramek dystansowych przedstawia poniższa tabela.

Materiał	Wartość obliczeniowa współczynnika przewodzenia ciepła λ W/(m2 * ºK)
Aluminium	160
Stal	50
Stal szlachetna (nierdzewna)	17
Tworzywa sztuczne (poliwęglany)	0,20

„Ciepła ramka” i psi (Ψ)

Zastosowanie w produkcji szyb zespolonych ramek dystansowych wykonanych z materiałów innych niż aluminium pozwala na ograniczenie strat ciepła w wyniku mostka cieplnego powstającego na styku szyby z kształtownikiem okna. Koniecznym wydaje się jednak ustalenie czy rzeczywiście ramka wykonana z któregokolwiek ze wskazanych wyżej materiałów zasługuje na miano „ciepłej”? Żeby odpowiedzieć na to pytanie wcześniej należy określić metodę porównania parametrów cieplnych ramek dystansowych. O ile znana jest wartość obliczeniowa współczynnika przewodzenia ciepła λ materiałów z jakich wykonane są ramki o tyle ze względu na mniej lub bardziej skomplikowany kształt ramek dystansowych oraz technologie ich produkcji, w których łączone są różne materiały, zdecydowanie trudniej jest określić parametry cieplne dla samej ramki. Pierwszą próbę ustalenia wymagań minimalnych dla „ciepłych ramek” dystansowych podjęto w projekcie załącznika normy DIN V 4108-4:2002-02 „Krawędź szyby zespolonej o ulepszonych własnościach cieplnych”.
Zgodnie z tym projektem za krawędź szyby zespolonej o ulepszonych parametrach cieplnych można uznać taką krawędź szyby, w której ramka dystansowa spełnia następującą zależność:

Σ (d_i * λ_i) ≤ 0,007 W/K

gdzie:
d_i - grubość ścianki materiału z którego wykonana jest ramka
λ_i - współczynnik przewodzenia ciepła materiału w W/(m * ºK)
Przykładowe sprawdzające obliczenie dla ramki dystansowej o grubości ścianki 0,00020 metra, wykonanej ze stali szlachetnej o budowie jak na rysunku poniżej wyglądałoby następująco:

(d₁ * λ₁) + (d₂ * λ₂) ≤ 0,007 W/K
(0,00020 * 17) + (0,00020 * 17) = 0,0068
0,0068 ≤ 0,007 W/K

Psi (Ψ)

Do czasu zdefiniowania problemu zwiększonych strat ciepła przez okna na skutek powstawania mostka cieplnego na styku oszklenia z kształtownikami okiennymi, przy obliczeniach współczynnika przenikania ciepła okien U_w , wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła mostka cieplnego na styku szyby z ramą Ψ była całkowicie pomijana.
Definicję i znaczenie liniowego współczynnika przenikania ciepła połączenia z oszkleniem lub panelem nieprzezroczystym podaje i objaśnia norma PN-EN ISO 10077-2:2003, w której stwierdza się: „Współczynnik przenikania ciepła oszklenia U_g ma zastosowanie do centralnej części oszklenia i nie uwzględnia efektu rozpórki (ramki dystansowej) przy krawędzi oszklenia. Współczynnik przenikania ciepła ramy U_f jest stosowany przy braku oszklenia. Liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ opisuje dodatkowy strumień ciepła spowodowany wzajemnym oddziaływaniem ramy i krawędzi oszklenia, łącznie z efektem rozpórki(ramki dystansowej)”
Tym samym można stwierdzić, że rzeczywisty efekt mostka termicznego na krawędzi szyby zespolonej zamontowanej w oknie i jego wartość określana jako Ψ zależy od:

• rodzaju ramki dystansowej,
• izolacyjności cieplnej środkowej części szyby zespolonej U_g
• głębokości osadzenia szyby w profilu
• współczynnika przenikania ciepła U_f kształtownika okiennego.

W roku 2008 Instytut Techniki Okiennej w Rosenheim przeprowadził badania liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ przy wykorzystaniu wielu typów dostępnych na rynku ramek dystansowych. Badania były prowadzone przy użyciu kształtowników okiennych wykonanych z różnych materiałów oraz szyb zespolonych o zróżnicowanej budowie i wartości współczynnika ciepła U_g dla środkowej części szyby. Na podstawie opracowania inżynier Katrin Gandler z ift Rosenheim poniżej przedstawiamy tabelę zawierającą wyniki badań. Kolorem czerwonym zaznaczono wartości współczynnika Ψ dla okien PVC.

Nazwa lub rodzaj ramki dystansowej	Budowa szyby		Współczynnik przenikania ciepła szyby UgW/(m2 * ºK)	Okno PVC Ψ W/(m2 * ºK)	Okno drewniane Ψ W/(m2 * ºK)	Okno aluminiowe Ψ W/(m2 * ºK)	Okno drewniano - aluminowe Ψ W/(m2 * ºK)
Ramka aluminiowa	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,077	0,081	0,111	0,092
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,075	0,086	0,111	0,097
Chromatech	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,051	0,053	0,069	0,059
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,048	0,053	0,065	0,059
Chromatech Plus	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,051	0,052	0,067	0,058
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,048	0,052	0,063	0,057
Chromatech Ultra	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,041	0,041	0,051	0,045
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,038	0,040	0,045	0,043
GTS	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,049	0,051	0,065	0,056
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,046	0,051	0,061	0,056
Nirotec 017	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,051	0,053	0,068	0,058
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,048	0,053	0,063	0,058
Nirotec 015	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,050	0,051	0,066	0,057
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,047	0,051	0,061	0,056
SS Triseal	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,035	0,034	0,041	0,037
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,033	0,032	0,036	0,035
Swisspacer	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,045	0,047	0,060	0,052
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,042	0,046	0,056	0,051
Swisspacer V	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,045	0,047	0,060	0,052
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,042	0,046	0,056	0,051
Swisspacer V	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,034	0,032	0,039	0,035
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,032	0,031	0,034	0,033
TGI 1.4016	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,044	0,044	0,056	0,049
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,041	0,043	0,051	0,047
TGI 4301*	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,041	0,041	0,051	0,045
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,039	0,040	0,046	0,043
Thermix TX.N	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,041	0,041	0,051	0,044
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,038	0,039	0,045	0,042
TPS (Rü: PS 4 mm)	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,039	0,038	0,047	0,042
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,037	0,037	0,042	0,040
WEP classic	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,052	0,054	0,071	0,060
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,049	0,055	0,067	0,061
WEP premium	4/16/4	jednokomorowa	1,1	0,051	0,053	0,068	0,058
	4/12/4/12/4	dwukomorowa	0,7	0,048	0,052	0,063	0,058

Wnioski płynące dla nabywców okien PVC z danych zawartych w tabeli są dość oczywiste. Pierwszy, to że wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ okien przeszklonych jedno lub dwukomorowymi szybami zespolonymi z ramką aluminiową jest zdecydowanie wyższa niż dla tych samych okien z przeszkleniami wykorzystującymi ramki dystansowe ze stali szlachetnej lub tworzyw sztucznych. Drugi taki, że liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψ nie ma żadnego wpływu na wartość współczynnika przenikania ciepła szyby zespolonej U_g.

Ciepła ramka - ekonomia i użyteczność

Z pewnością ta część artykułu okaże się najbardziej interesująca dla wszystkich inwestorów szukających ekonomicznego uzasadnienia i praktycznego znaczenia zakupu okien energooszczędnych wyposażonych w szyby zespolone z „ciepłymi ramkami”. Zacznijmy od ekonomii.
Zadaniem okna energooszczędnego jest przede wszystkim ograniczenie strat energii cieplnej odbywającej się przez to okno. Należy przyjąć, że im niższy określony metodą badawczą lub obliczeniową współczynnik przenikania ciepła okna U_w , tym mniejsze straty ciepła przez to okno. „Ciepła ramka”, a właściwie wartość liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ jest jednym z bardzo istotnych argumentów niezbędnych do prawidłowego, zgodnego z normą PN-EN ISO 10077-1:2003 obliczenia współczynnika przenikania ciepła U_w całego okna. Dla przypomnienia poniżej podajemy wzór na obliczanie współczynnika przenikania ciepła okna znajdujący się w przywołanej normie.

wzór współczynnik przenikania ciepła Uw

gdzie
U_w - wartość współczynnika przenikania ciepła przez okno [W/(m² * ºK)]
A_f - pole powierzchni ramy okiennej [m²]
U_f - współczynnik przenikania ciepła przez ramę okienną [W/(m² * ºK)]
A_g - pole powierzchni szyby zespolonej [m²]
U_g - współczynnik przenikania ciepła szyby zespolonej [W/(m² * ºK)]
L_g - obwód krawędzi szyby zespolonej (także długość szprosów międzyszybowych) [mb]
Ψ - liniowy współczynnik przenikania ciepła przez krawędź [W/(m₂ * ºK)]
W tabeli pokazujemy w jaki sposób zmiana wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ wynikająca z zastosowania różnego typu ramek dystansowych wymienionych w opracowaniu Instytutu Techniki Okiennej w Rosenheim wpływa na końcową wartość współczynnika przenikania ciepła U_w przy stałej wartości pozostałych argumentów.

Powierzchnia całkowita okna (m2)	Powierzchnia nieprzeszklona kształtowników okiennych	Współczynnik przenikania ciepła kształtowników okiennych	Powierzchnia przeszklona okna(szyby zespolone)	Współczynnik przenikania ciepła dla środkowej części szyby zespolonej	Długość linowego mostka na styku szyby i kształtownika	Rodzaj ramki dystansowej według ift Rosenheim	Wartość liniowego mostka cieplnego według ift Rosenheim	Współczynnik przenikania ciepła okna
A	Af	Uf	Ag	Ug	L		Ψ	Uw
1,800	0,458	1,100	1,342	0,700	4,672	aluminiowa	0,075	0,997
1,800	0,458	1,100	1,342	0,700	4,672	Chromatech	0,048	0,926
1,800	0,458	1,100	1,342	0,700	4,672	TPS	0,037	0,898
1,800	0,458	1,100	1,342	0,700	4,672	Swisspacer V	0,032	0,885

W zależności od rodzaju „ciepłej ramki” dystansowej użytej do wykonania szyby zespolonej okna energooszczędnego i wartości liniowego współczynnika przenikania ciepła Ψ, współczynnik przenikania ciepła U_w ulega obniżeniu od 7,7% do 11% w stosunku do tego samego okna wyposażonego w taką samą szybę zespoloną tylko ze standardową ramką aluminiową. To całkiem sporo. W artykule „Okna energooszczędne. Czy to się opłaca?” zamieszczonym na naszej stronie internetowej znajdziecie Państwo obliczenia w jaki sposób obniżenie wartości współczynnika Uw przekłada się na konkretne oszczędności nośników energii i pieniędzy oraz jaki w związku z tym może być okres zwrotu inwestycji w zakup okien energooszczędnych.
Praktyczność oraz użyteczność stosowania „ciepłych ramek” do konstrukcji pakietów szyb zespolonych wynika z faktu, iż pozwalają one na podniesienie temperatury okna od strony pomieszczenia na styku ramy i szyby zespolonej. W efekcie następuje znaczne ograniczenie zjawiska kondensacji pary wodnej w tym obszarze. Wyższa temperatura na krawędzi szyby wewnętrznej w pakiecie szyby zespolonej, pozwala nawet na kilkuprocentowy wzrost względnej wilgotności powietrza w pomieszczeniu. Przy tej podwyższonej wilgotności w określonych warunkach, przy zastosowaniu tradycyjnej ramki aluminiowej woda z pewnością wykraplałaby się na powierzchni szyby.
Poniżej przedstawiamy tabelę obrazującą zakres opisanego zjawiska dla okien PVC, opartą o wyniki badań firmy PressGlas w warunkach gdy temperatura zewnętrzna wynosi 0 ºC, a temperatura wewnętrzna w pomieszczeniu wynosi 20 ºC.

Temperatura zewnętrzna w ºC	Temperatura wewnętrzna w pomieszczeniu w ºC	Rodzaj okna	Materiał ramki dystansowej	Temperatura na krawędzi szyby wewnętrznej w pakiecie szyby zespolonej w ºC	Wilgotność punktu rosy na krawędzi szyby wewnętrznej w %
0	20	PVC	Aluminium	11,1	56,2
0	20	PVC	Stal szlachetna	12,5	62,3
0	20	PVC	Tworzywo sztuczne	13,2	64,3

Podsumowując, zastosowanie „ciepłej ramki” do budowy szyby zespolonej może wywierać znaczący wpływ na dwa istotne parametry każdego okna. Na przenikalność cieplną odpowiedzialną za ograniczanie strat energii przez to okno oraz na temperaturę punktu rosy na styku szyby z kształtownikami okna co z kolei ma znaczenie dla komfortu użytkowania, tak okna jak i pomieszczeń, w których ono się znajduje.