Tepelné vlastnosti vnitřního ostění dvojitého a jednoduchého okna
Příspěvek pojednává o porovnání tepelných vlastností ostění u různých typů oken. V případě rekonstrukcí je častou otázkou ponechání původních dvojitých oken či využití novodobých materiálů vzhledem k tepelné úspoře objektu. Novodobými konstrukcemi se rozumí použití dvojitého či jednoduchého okna s tepelně izolačním zasklením. Tyto změny ve stavební konstrukci okna mají vliv na tepelné procesy probíhající na konstrukci. Jedním z důležitých parametrů pro posouzení stavební konstrukce je posouzení vnitřní povrchové teploty stavební konstrukce. V tomto článku je ukázán rozdíl v povrchových teplotách a tepelných tocích na ostění různých typů oken. Referenčním oknem pro porovnání je původní dvojité historické okno. Výsledky byly vypočteny v modelovém prostředí v 2D softwaru.
1. Úvod
V současné době dochází k časté rekonstrukci objektů s původními dvojitými okny (tj. stáří konstrukce více než 70 let). Tato původní okna jsou buďto nahrazována zcela novými konstrukcemi, a to např. přesnou replikou, rekonstruována s novodobým přístupem (použití tepelněizolačního zasklení) či nahrazována jednoduchými okny s tepelněizolačním zasklením.
Na modelových případech vycházejících ze skutečných reálných konstrukcí byly porovnávány tepelné vlastnosti ostění na různých typech okenních konstrukcí ve vztahu k původnímu historickému dvojitému oknu.
Za účelem zjištění průběhu tepla a vodní páry na konstrukci ostění byly vymodelovány konstrukce v 2D tepelně vlhkostním softwaru. Modelování v 2D softwaru umožňuje porovnání různých variant stavebních konstrukcí na základě navrhnutých modelů konstrukce.
Hlavním cílem modelových výpočtů na různých variantách konstrukcí pomocí softwaru je porovnání sledovaných parametrů povrchové oblasti vnitřního ostění a to konkrétně tepelných toků a povrchových teplot.
2. Podklady pro modelový výpočet
Pro výpočtový model byla podkladem reálná konstrukce ostění s původním historickým dvojitým oknem na objektu z 30. let 20. století. Původní konstrukcí okenní výplně zde byla konstrukce dvojitého okna, která byla na počátku 21. století nahrazena právě konstrukcí jednoduchého okna. V případě dvojitého okna byly dalšími modelovanými konstrukcemi dvojitá okna s tepelněizolačními dvosjkly na vnitřním křídle okna a na vnějším křídle okna. Všechny modely mají stejnou tloušťku obvodové stěny a hranice vnějšího zasklení je ve stejné rovině z exteriérové strany. Modely zahrnovaly i případy se zateplením obvodové stěny, zateplením vnitřního ostění či zateplení špalety dvojitého okna. Příklady použitých modelů konstrukce je zobrazena na obr. 1. a obr. 2. Zeleně je vyznačena předmětná oblast porovnání.
Obr. 1: Výpočtový model, dvojité okno, zeleně vyznačena oblast vnitřního ostění
Obr. 2: Výpočtový model, jednoduché okno, zeleně vyznačena oblast vnitřního ostění
3. Modelové výpočty
Výpočtové modely proběhly ve dvou různých typech modelování, a to jako ustálené a dynamické modelování. V případě ustáleného modelování se jedná o okrajové podmínky, které se s časem nemění. Jako okrajové podmínky výpočtu jsou použity extrémní návrhové podmínky. Tyto podmínky vycházejí z dlouhodobých meteorologických měření v ČR. Liší se v závislosti na teplotních oblastech a nadmořské výšce území.
V případě dynamického modelu výpočet počítá s okrajovými podmínkami, které se v průběhu času mění. V Tabulce 1 je uveden přehled okrajových podmínek pro jednotlivé výpočty. Okrajové podmínky jsou nadefinované v programu WUFI pro různé lokality v Evropě. V rámci dynamických výpočtů byly použity podmínky pro Hradec Králové.
| Okrajové podmínky | ||||
|---|---|---|---|---|
| Mikroklima | Interiér | Exteriér | ||
| Parametry | Teplota [°C] | Relativní vlhkost [%] | Teplota [°C] | Relativní vlhkost [%] |
| Ustálené podmínky | 20 | 50 | −13 | 84 |
| Dynamické podmínky | Výpočet zahrnuje okrajové podmínky zahrnující roční období v intervalu 1 hod. Zdrojem jsou data z WUFI software, lokalita je Hradec Králové | |||
4. Výsledky modelování za ustálených okrajových podmínek
V Tabulce 2 jsou uvedené výsledky z modelování. Porovnání je vyjádřeno v procentuálním vyhodnocení ve vztahu k parametrům referenčního ostění u dvojitého původního historického okna.
| Varianty okenních konstrukcí | |||
|---|---|---|---|
| Dvojité okno | Jednoduché okno | ||
| Dvojité historické okno | Dvojité okno s dvojsklem na vnitřním křídle okna | Dvojité okno s dvojsklem na vnějším křídle okna | |
| Stavební konstrukce bez jakéhokoliv zateplení | |||
| REF | −10 % | +7,1 % | −39,5 % |
| Zateplení obvodové stěny | |||
| +24,3 % | +4,8 % | +39,5 % | ≈ REF |
| Zateplení dřevěné špalety ostění (pod dřevěným ostěním) | |||
| ≈ REF | −10 % | +9,5 % | – |
| Zateplení vnitřního ostění | |||
| +44,8 % | +35,7 % | +50,5 % | +25,7 % |
| Pozn. modře REF = Referenční konstrukce, červeně = horší hodnota oproti REF, zeleně = lepší hodnota oproti REF, ≈ REF srovnatelná hodnota s referenční konstrukcí | |||
V rámci výpočtového modelu s historickou stavební konstrukcí bez jakéhokoliv zateplení, lze říci, že pouze varianta nového dvojitého okna s dvojsklem na vnějším křídle vykazuje lepší hodnoty oproti referenčnímu oknu, tj. na konstrukci je hodnota hustoty tepelného toku o cca 7,1 % nižší. Varianta konstrukce dvojitého okna s dvojsklem na vnitřním křídle vykazuje o 10 % vyšší tepelné toky. Varianty konstrukcí s jednoduchým oknem vykazují o 39,5 % vyšší tepelné toky.
V případě zateplení obvodové stěny, dojde k výraznému poklesu tepelného toku všemi typy studovaných konstrukcí ostění oken. Pokud porovnáme původní historické okno, zjistíme, že zde došlo ke snížení tepelného toku vlivem zateplení obvodové stěny o 24,3 %. Dvojité okno s dvojsklem na vnější straně vykazuje oproti původnímu historickému oknu v nezateplené konstrukci zlepšení o 39,5 %, což představuje cca 30% zlepšení oproti tomu samému oknu v nezateplené konstrukci. Varianta ostění u jednoduchého okna je vzhledem k referenčnímu původnímu oknu srovnatelná.
Vliv zateplení špalety se projeví pouze nepatrně na konstrukci ostění u dvojitého okna s dvojsklem na vnějším křídle (o 9,5 % lepší varianta), nicméně procentuální zlepšení je velice podobné zlepšení, které bylo zjištěno u stejného okna v případě, kdy nebyla špaleta zateplena. Ostatní sledované okenní konstrukce, vykazovaly srovnatelné výsledky jako konstrukce bez zateplení špalety. Lze tedy konstatovat, že tento způsob zateplení nemá významný vliv na tepelné toky na ostění konstrukce.
V případě zateplení vnitřního ostění se výrazně sníží hodnoty u všech variant ostění, nejnižší poklesy hustot tepelných toků jsou u ostění dvojitého okna s dvojsklem (na vnějším křídle), zde je zlepšení o 50 %. Dalším zajímavým zjištěním je skutečnost, že zateplení vnitřního ostění v průměru vykazuje o 44 % nižší tepelné toky oproti stejné konstrukci bez jakéhokoliv zateplení. V případě jednoduchého okna je to zlepšení o 65 %.
Z modelů je možno říci, že z hlediska snížení energetických ztrát ostěním je v případě nemožnosti dělat stavební úpravy v konstrukci stěny, nejlepším řešením instalace dvojskla na vnějším křídle okna. Pokud by bylo možné dělat stavební úpravy v oblasti obvodové stěny, zateplení vnitřního ostění vykazuje významné snížení ztrát, bez nutnosti výměny oken.
5. Výsledky modelování za dynamických okrajových podmínek
V rámci modelových výpočtů byly porovnány parametry povrchu ostění u dvojitého historického okna a u jednoduchého okna. Na následujících grafech jsou uvedeny průběhy povrchových teplot a hustot tepelných toků během roku vymodelované v softwaru.
Graf 1: Porovnání hodnot povrchové teploty vnitřního ostění během modelového roku
Na grafu 1 je zobrazeno porovnání průběhu povrchových teplot oblasti ostění na jednoduchém okně (žlutá čára) a dvojitém původním okně (šedá čára). V rámci průběhu povrchových teplot je patrné, že během cca 75 % roku (od cca února do listopadu) je teplota ostění vyšší (až o 3 °C), tzn. konstrukce při extrémních okolních podmínkách má lepší tepelně technické parametry. Ovšem v období extrémních teplot v exteriéru je teplota nižší (listopad až únor). Průběh teploty u vnitřního ostění dvojitého okna je konstantnější. Materiály ostění tudíž vykazují stálejší podmínky.
Graf 2: Porovnání hodnot hustot tepelného toku vnitřního ostění během modelového roku
Graf 2 uvádí porovnání hustot tepelného toku v oblasti vnitřního ostění. Z porovnání obou konstrukcí vychází stejný průběh sledovaných hodnot. Rozdílem je, že povrchová oblast konstrukce ostění u jednoduchého okna má konstantně vyšší hustotu o průměrně 3 W/m2, tzn. na předmětné oblasti ostění u jednoduchého okna se vyskytují vyšší teplené ztráty ve srovnání ostění u dvojitého okna. V letním období je velikost tepelných toků minimální a tepelné toky mají obrácený průběh, jelikož v exteriéru jsou vyšší částečné tlaky vodní páry než v interiéru. Nulové hodnoty dosahují, když jsou částečné tlaky vodní páry vyrovnané v interiéru a exteriéru.
6. Závěr
Na základě výsledků ustáleného modelování lze konstatovat, že oblasti s největšími tepelnými ztrátami se nacházejí na vnitřním ostění jednoduchého okna. Pokud chceme zachovat původní vzhled a historickou hodnotu okna a zlepšit působení okrajových podmínek (prodloužení životnosti), je vhodné přistoupit k zateplení vnitřního ostění. Zateplení vnitřního ostění se na snížení tepelných toků skrze ostění promítne z variant zateplení nejvíce. Na základě modelací různého provedení oblasti pod špaletou lze říci, že zateplení pod dřevěnou špaletou nemá žádný významný vliv na zlepšení tepelně vlhkostních parametrů vnitřního ostění.
Na základě dynamických podmínek modelování z výsledků vyplývá, že povrchová teplota vnitřního ostění je v případě historického dvojitého okna konstantnější a vykazuje průměrně vyšší hodnoty v celoročním sledování. Tepelné toky na obou sledovaných konstrukcích mají stejný průběh, přičemž u konstrukce dvojitého okna jsou nepatrně vyšší.
Článek též ukazuje, že modelové vypočty jsou důležitou součástí při rekonstrukcích okenních konstrukcí.
7. Literatura
- Frauenhofer institute, “WUFI 2D”. [Online]. https://www.wufi-wiki.com/mediawiki/index.php/Details:WaterVaporDiffusion
- M. Dirlam, Stavební truhlářství, 1. vyd. Praha: Grada, 2013
- H. M. Künzel, “Simultaneous heat and moisture transport in building components”, Frauenhofer IRB Verlag, Stuttgart, 1995
- H. Künzel, Bauphysic und Denkmalpflege, 2 ed. Frauenhofer IRB Verlag, 2015
Poděkování
Tento výsledek byl realizován za finanční podpory v rámci projektu NAKI II DG18P02OVV012.
Vzhledem ke skutečnosti, že okna se výrazně podílí na energetické náročnosti budovy, považuji téma článku za velmi aktuální. A právě u rekonstrukcí je velmi důležité nejen zvolit při výměně správné okno, ale provést i jeho správné osazení. Aby byl zachován původní vzhled rekonstruované budovy i oken, současně byly zajištěny nízké tepelné ztráty a vyloučena možnost vzniku případných vad a poruch na navazujících konstrukcích, měly by být nedílnou součástí návrhu tepelně technická posouzení včetně modelování detailů ve 2D teplotním poli. Článek doporučuji k vydání.
The paper deals with the comparison of the thermal properties of jamb for different types of windows. In the case of reconstruction, it is often necessary to preserve the original double- windows or to use modern materials due to the thermal solution of the building. Modern constructions mean the use of double or single windows with thermal-insulating glazing. These changes in the construction of the window have an effect on the thermal processes on the structure. One of the important parameters for the assessment of the building structure is the assessment of the internal surface temperature of the building structure. This article shows the difference in finishes and heat flows to remove different types of windows. The reference window for comparison is the original double history window. The results were found in a model environment in 2D software.