CIEPŁA RAMKA. FAKTY I MITY

Konieczność ograniczenia strat ciepła przenikającego przez okno wywołał trwające od dawna poszukiwania możliwości zmniejszenia emisji ciepła zarówno poprzez ramę okienną, jak i poprzez samo oszklenie – tj. szybę termoizolacyjną.

Dotychczas całą uwagę koncentrowano na zmniejszeniu przenikalności cieplnej samej szyby. Miernikiem jakości był współczynnik przenikalności cieplnej k [W/(m²K)] określany na podstawie ilości ciepła przenikającego przez środkową część szyby. W walce o zmniejszenie wartości tego współczynnika wprowadzono nowe technologie m.in. polegające na masowym stosowaniu szkła niskoemisyjnego, miękkopowłokowego, wypełnianiu komory międzyszybowej gazami ciężkimi - przede wszystkim argonem lub stosowanie bardziej skomplikowanych technologii. Dzięki tym zabiegom uzyskano zmniejszenie wartości współczynnika z k = 2,0 do powszechnie już uzyskiwanego k = 1,1 [W/(m²K)] lub mniej. Zwrócono jednak uwagę, iż na parametry cieplne okna ma wpływ nie tylko ucieczka ciepła poprzez samą szybę, ale również parametry brzegowe – tj. termiczne własności ramy okiennej oraz krawędzi szyby zespolonej.

Bez wnikania w konstrukcję ramy okiennej i jej wpływu na charakterystykę cieplną okna skoncentrujmy się na samej szybie zespolonej. O ile bowiem wnętrze komory międzyszybowej wypełnione jest powietrzem lub innym gazem stanowiącym stosunkowo dobry izolator cieplny, o tyle na krawędzi tafle szkła oddzielone są od siebie i połączone materiałami o znacznie wyższej przewodności cieplnej. Powstaje w ten sposób mostek cieplny umożliwiający przepływ energii od ciepłej szyby wewnętrznej do zimnej zewnętrznej.

Przy zastosowaniu powszechnej, klasycznej technologii produkcji szyb zespolonych mostek cieplny na krawędzi szyby tworzą wspólnie wszystkie materiały tworzące zespolenie (Rys.1) - tj: pierwotne uszczelnienie (butyl), wtórne uszczelnienie (poliuretan 2-k, polisulfid 2-k, silikon lub hot-melt), ramka dystansowa (najczęściej aluminiowa) oraz sito molekularne. Ponieważ to właśnie aluminium – powszechnie stosowany materiał na ramkę – stanowi bardzo dobry przewodnik ciepła, rozpoczęto poszukiwania nowych technologii i nowych materiałów pozwalających uzyskać ramkę o zmniejszonej przewodności cieplnej.
W ten sposób otrzymano nowe rozwiązania ogólnie nazwane “ciepłą ramką”, a szyby wykonane w oparciu o takie technologie zyskały miano szyb z “ciepłą krawędzią”.

Ciepła ramka

Współcześnie dostępne są technologie pozwalające na produkcję szyb z zastosowaniem ramki:

aluminiowej,
stalowej (ze stali cynkowanej lub cynowanej)
stali nierdzewnej,
wykonanej z tworzyw sztucznych
innych elementów dystansowych łączących w sobie funkcje ramki, adsorbentu i masy uszczelniającej.

Czy wszystkie z tych rodzajów rodzaje ramek zasługują na miano „ciepłej ramki”?
Czy wszystkie nowe technologie rzeczywiście pozwalają na uzyskanie odczuwalnego efektu cieplnego, uzasadnionego ekonomicznie?

Żeby odpowiedzieć na pierwsze pytanie należałoby wcześniej określić obiektywne metody porównania parametrów cieplnych ramek dystansowych. Łatwe do określenia i znane są własności cieplne (przewodność cieplna λ) materiałów z jakich wykonane są ramki (patrz Tabela 1), ale trudniej jest określić parametry termiczne dla ramki będącej czasem produktem o mniej lub bardziej skomplikowanym kształcie, wykonanym z wielu materiałów.

Tabela 1 Współczynniki przewodności cieplnej materiałów λ

Materiał	Przewodność cieplna λ [W(m/K)]
Aluminium	160
Stal	50
Stal nierdzewna	17
Tworzywo sztuczne modyfikowany poliwęglan	0,17

Dla ujednolicenia i obiektywizacji oceny profili dystansowych podjęto próbę sformalizowania podejścia poprzez określenie definicji “ramki ciepłej”.

Wg projektu załącznika C do normy DIN V 4108-4:2002-02 "Wärmetechnisch verbessert Randverbund bei Isolierglass" (Krawędź szyby zespolonej o ulepszonych własnościach cieplnych) dla uznania, że szyba posiada krawędź o ulepszonych własnościach cieplnych (ciepła krawędź) niezbędne jest spełnienie przez ramkę dystansową warunku.

gdzie:
d - grubość materiału [m] (patrz Rys. 2)
λ - przewodność cieplna materiału [W/(mK)]

Fizycznie można powyższy warunek zinterpretować jako graniczną dopuszczalną wartość strumienia cieplnego przenikającego przez jednostkę długości profilu. W oparciu o przedstawioną powyżej formułę można przeprowadzić obliczenia dla różnych, występujących na rynku typów ramek dystansowych. Wyniki tych obliczeń zebrane są w Tabeli 2.

Tabela 2. Wartość sumy

dla ramek dystansowych z różnych materiałów

Materiał	d₁	λ₁	d₂	λ₂	d₃	λ₃	∑ (d·λ)	≤0.007	Ciepła ramka
Aluminium	0.00038	160	0.00038	160			0.12160	-0.1146	NIE
Stal	0.00040	50	0.00040	50			0.04000	-0.0330	NIE
Stal nierdzewna	0.00020	17	0.00020	17			0.00680	+0.0002	TAK
Tworzywo sztuczne	0.00130	0.19	0.00120	0.19	0.0001	15	0.00198	+0.0050	TAK

Z zestawienia łatwo można odczytać, że zarówno ramka dystansowa wykonana z aluminium, jak i ramka ze stali zwykłej NIE spełniają podanego w normie kryterium i jako takie NIE mogą być klasyfikowane jako “ramka ciepła”. Dopiero ramki ze stali nierdzewnej o grubości ścianki nie większej niż 0,0002 m (0.2 mm) spełniają graniczny warunek 0,007 [W/K] i mogą być klasyfikowane jako “ciepłe”.

Oszczędność energii

Drugim pytaniem wymagającym odpowiedzi jest ekonomiczne uzasadnienie zastąpienia ramki aluminiowej innym profilem dystansowym.

Oczywiste jest, że celem zastosowania "ciepłej ramki" jest w pierwszej kolejności zmniejszenie ucieczki ciepła przez okno (z uwzględnieniem przepływu ciepła przez szybę, krawędź szyby i ramę okienną). Należy zatem porównać wpływ różnych zastosowanych materiałów na wartość współczynnika przenikania ciepła przez okno U_w – obliczonego zgodnie z normą EN ISO 10077 – tj. z uwzględnieniem zjawisk brzegowych "ciepła krawędź". Obliczenie U_w umożliwia podana poniżej zależność:

gdzie:
U_w - wartość współczynnika przenikania ciepła przez okno [W/(m²K)]
A_f - pole powierzchni ramy okiennej [m²]
U_f - współczynnik przenikania ciepła przez ramę okienną [W/(m²K)]
A_g - pole powierzchni szyby zespolonej [m²]
U_g - współczynnik przenikania ciepła szyby zespolonej [W/(m²K)] identyczne z dotychczasowym współczynnikiem k
L_g - obwód krawędzi zespolenia (szyby zespolonej) także długość szprosów międzyokiennych [m]
Ψ - liniowy współczynnik przenikania ciepła przez krawędź [W/(mK)] wg EN ISO 10077-2:1999-02

Należy zauważyć, że wartość U_w nie jest wielkością stałą i charakterystyczną dla danej konstrukcji okna, czy użytych materiałów, ale zależy także od rozmiarów okna. Dokładne wyliczenie wartości współczynnika U_w wymaga zastosowania specjalnych technik obliczeniowych ze względu na skomplikowane drogi przepływu ciepła przez krawędź i związane z tym trudności w wyznaczeniu wartości współczynnika Ψ. Dostępne są jednak programy komputerowe umożliwiające wykonanie takich obliczeń dla określonych typów okien (drewno, aluminium, PCV), typów oszklenia (szyby jednokomorowe, dwukomorowe) i różnych typów ramki dystansowej. Wymagane jest przy tym podanie wymiarów okna (wysokość, szerokość) oraz sposobu szprosowania właśnie w celu wyznaczenia wartości współczynnika Ψ.

W Tabeli 3 podane są wartości współczynnika Ψ dla ramek dystansowych wykonanych z różnych materiałów w zależności od typu okna, natomiast w Tabeli 4 obliczone wartości U_w dla tych okien.

Tabela 3 Wartości współczynnika Ψ

Ramka	okno drewniane U_f = 1.3	okno PCV U_f = 1.9	okno aluminiowe U_f = 2.0
Szyba jednokomorowa U_g = 1.15
Aluminium	0.068	0.067	0.108
Stal	0.066	bd.	0.103
Stal nierdzewna	0.050	0.050	0.070
Tworzywo sztuczne	0.040	0.040	0.053
Szyba dwukomorowa U_g = 0.75
Aluminium	0.074	0.070	0.111
Stal	0.071	bd.	0.104
Stal nierdzewna	0.051	0.049	0.065
Tworzywo sztuczne	0.040	0.039	0.048

Tabela 4 Wartości współczynnika U_w i zmiana w porównaniu do U_w dla ramki aluminiowej.

Ramka	okno drewniane		okno PCV		okno aluminiowe
	U_w	zmiana U_w	U_w	zmiana U_w	U_w	zmiana U_w
Szyba jednokomorowa U_g = 1.15
Aluminium	1,37	0,00%	1,56	0,00%	1,69	0,00%
Stal	1,36	0,73%	bd.	bd.	1,68	0,59%
Stal nierdzewna	1,32	3,65%	1,52	2,56%	1,60	5,33%
Tworzywo sztuczne Thermix®	1,30	5,11%	1,49	4,49%	1,56	7,69%
Szyba dwukomorowa U_g = 0.75
Aluminium	1,11	0,00%	1,30	0,00%	1,43	0,00%
Stal	1,10	0,90%	bd.	bd.	1,41	1,40%
Stal nierdzewna	1,05	5,41%	1,24	4,62%	1,32	7,69%
Tworzywo sztuczne	1,03	7,21%	1,22	6,15%	1,27	11,19%

Powyższe dane należy traktować porównawczo i orientacyjnie, w szczególności nie mogą one stanowić podstawy do oficjalnej certyfikacji.

Przedstawione powyżej wyniki obliczeń są jednoznaczne i w zasadzie nie wymagają komentarza. Warto jednak zauważyć, że ramka stalowa – która zgodnie z omówionym wcześniej kryterium nie jest kwalifikowana jako “ciepła” – praktycznie nie pozwala na istotne zmniejszenie współczynnika przenikania ciepła U_w. W tym kontekście wyższa cena ramki stalowej nie jest uzasadniona otrzymywanymi rezultatami. Dopiero zastosowanie faktycznie “ciepłych ramek” – w szczególności ramki ze stali nierdzewnej lub tworzywa pozwala na znaczącą poprawę własności cieplnych okna.

Podsumowanie

Wyniki obliczeń i badań zebrane w Tabelach 2, 3 i 4 wykazują, że parametry techniczne i cieplne różnych typów ramek dystansowych znacznie od siebie odbiegają. Zgodnie z oczekiwaniem, ramka aluminiowa jest materiałem o małej izolacyjności cieplnej, ale jej niewątpliwymi zaletami są: powszechna dostępność, bardzo szeroka gama rozmiarów oraz niska cena. Ramka ze stali zwykłej nie jest kwalifikowana jako “ciepła” (wg DIN V 4108), a jej zastosowanie – przy jego co najmniej dwukrotnie wyższej cienie – pozwala jedynie na nieznaczną poprawę własności termicznych, co dla użytkownika okien pozostaje praktycznie niezauważalne. Trudno więc mówić o korzyściach wynikających z jej stosowania.Ramki dystansowe, które kwalifikowane są jako “ciepła ramka” – np. ramka ze stali nierdzewnej lub tworzywa sztucznego – spełniają wymagania termiczne norm i szyby zespolone wykonane przy ich użyciu faktycznie zapewniają lepsze parametry cieplne krawędzi.
Przy wyborze technologii i materiałów stosowanych do produkcji szyb zespolonych warto więc dokładnie przeanalizować jakość oraz parametry techniczne stosowanych materiałów. W szczególności należy rozważyć właściwości termiczne ramki dystansowej i zastanowić się, czy produkt oferowany jako “ciepła ramka” w rzeczywistości spełnia takie wymogi i czy jego zastosowanie przyniesie spodziewany efekt.

INTech
32-080 Zabierzów
Brzezie 219
tel. 012 2579975
fax 012 2579976
e-mail: info@intech.krakow.pl
http://www.intech.krakow.pl
© INTech 2008