Okna historyczne w zabytkach architektektonicznych składają się głównie z elementów z drewna, profili ze stali lub żeliwa oraz oszklenia z pojedyczą szybą.

Podczas wymiany lub renowacji należy przestrzegać zarówno wymagań konstrukcyjnych, jak i aspektów ochrony zabytków. Ważny jest wygląd zewnętrzny, projekt konstrukcji oraz wykonanie okna.

Obejmuje to odtworzenie takich właściwości, jak: rozmiar i podział okna, w tym szprosy (szczebliny), szerokość ramy okiennej, elementy zacieniające przymocowane do okna, materiały i konstrukcję.

Fot. 1. Profesjonalne przywrócenie świetności „Denkmalsünde poprzez odtworzenie starych, drewnianych okien (źródło zdjęcia: Denkmalpflege Ritt)

Ponieważ szczegółowa rekonstrukcja jest pracochłonnym zadaniem, zwykle próbuje się naśladować wygląd zabytkowego okna przy użyciu standardowych profili. Oczywiście, należy również spełnić wymagania prawne EnEV, które, mimo że istnieją odpowiednie wyłączenia odnośnie obiektów historycznych, to nie zwalniają projektantów ani producentów od potwierdzenia parametrów termicznych okna.

Artykuł pokazuje konstruktywne sposoby pogodzenia wymagań ochrony cieplnej i wartości zabytkowej obiektu, przy użyciu szyby próżniowej (VIG).

Optymalizacja energetyczna
Okna z pojedynczą szybą często można znaleźć w zabytkowych budynkach, ale nie spełniają obecnych wymagań w budynku, gdyż nie zapewniają „oszczędzania energii“. Istnieje znaczący konflikt między celami ochrony zabytków a współczesnymi wymaganiami użytkowników dotyczącymi efektywności energetycznej, bezpieczeństwa i komfortu.

Poprawę efektywności energetycznej można osiągnąć poprzez modernizację do uzyskania okna skrzynkowego lub zespolonego dodając „drugą warstwę“ okna, dodanie skrzydła przedniego (zimowego), wstawienie nowego oszklenia lub zastąpienie go nowym oknem. Ponadto, oczywiście, elementy zacieniające (żaluzje, rolety) zamocowane do okna lub mocowanie okna w ścianie budynku muszą być poprawione w celu zmniejszenia mostków termicznych.

Przy wszystkich pomiarach na oknie decydujące znaczenie ma nośność i wymiary skrzydła okiennego, a także nośność okuć. Zasadniczo konieczne jest wykonanie hermetycznego uszczelnienia od strony pomieszczenia nowego okna, skrzydła, oszklenia oraz kontrolowanie wentylacji przestrzeni od zewnątrz.

a) Modernizacja okna do uzyskania okna skrzynkowego

Kolejne skrzydło okienne jest zainstalowane od wewnatrz. Wewnętrzne skrzydło jest umieszczone w ościeżu lub na wewnętrznej stronie ściany. Mocowanie ramy wewnętrznego skrzydła musi zapewnić szczelne zamknięcie (brak przenikania powietrza z parą wodną, która mogłaby sie skroplić), przestrzeń między dwoma skrzydłami musi mieć możliwość wentylacji na zewnątrz (usuwanie ewentualnego zawilgocenia na zewnątrz).

Czasami konieczna jest też termiczna modernizacja ościeża aby uniknąć kondensacji pary wodnej na powierzchni ościeża. Izolacyjność termiczną można poprawić do poziomu wymagań dla domu pasywnego – wartość Ug/Uw ok. 0,5 / 0,7 W / (m²K). Izolacja akustyczna może też zostać znacznie poprawiona (możliwe osiagnięcie wartości izolacyjności akustycznej do 40 dB).

b) Modernizacja okna do uzyskania okna zespolonego

Kolejne skrzydło okna jest dokładane do istniejącego skrzydła okiennego, aby oba skrzydła okienne mogły być otwierane i zamykane razem (jednocześnie).

Decydujące znaczenie ma konstrukcja i nośność istniejących łączników (zawiasów i elementów mocujących). Przestrzeń między starym a nowym skrzydłem okiennym można otworzyć na zewnątrz. Istniejąca rama okna musi być tak zamontowana aby zapenić dobrą szczelność (między ramą a ościeżem).

Wartości Uw do 1,2 W/(m²K) z szybą VIG 0,5-0,7 W/(m²K) można osiągnąć dzięki lekkim, termoizolacyjnym szybom. Izolacyjność akustyczna też może zostać znacznie poprawiona.

Osiągnięto wartości izolacyjności akustycznej między 40-45 dB, czyli izolacyjność akustyczną można poprawić o 32 dB.

c) Wymiana oszklenia

Stare oszklenie, którym może być pojedyncza tafla szkła lub stara, jednokomorowa szyba zespolona, można zastąpić nowoczesną termoizolacyjna szybą zespoloną. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy wręby do osadzenia szyby mają szerokość co najmniej 15 mm. Jeśli masa klejąco-uszczelniająca na krawędzi szyby jest nadal widoczna, należy zwrócić uwagę na jej odporność na promieniowanie UV.

Wrąb do osadzenia szyby (osłoniety zwykle listwą przyszybową) można „otworzyć“ na zewnątrz (zapewnić wentylację tej przestrzeni) poprzez wywiercenie odpowiednich otworów. Odstęp między taflami szkła nie może być mniejszy niż 8 mm, więc minimalna grubość szyby zespolonej wynosząca 14 mm (3–8–3) jest wynikiem zastosowania cienkich tafli ze szkła hartowanego.

Szkło próżniowe ma grubość około od 4 do 6 mm i dlatego dobrze nadaje się do wymiany. Podczas szklenia należy przestrzegać kompatybilności materiałowej masy uszczelniająco-klejącej na krawędzi szyby zespolonej i powłoki na powierzchni ramy szkrzydła okiennego.

W zależności od rodzaju oszklenia można uzyskać następujące wartości izolacyjności termicznej:
- wartości U¹⁾ dla powlekanej, pojedynczej tafli szkła – Ug/Uw ok. 3,0/3,0 W/(m²K),
- cienkie termoizolacyjne szyby zespolone – Ug/Uw ok. 1,1/1,2 W/(m²K),
- szyby próżniowe – Ug/Uw ok. 0,5/0,8 W/(m²K).

¹⁾ w oparciu o standardowy rozmiar okna 1,23 x 1,48 m 

d) Wymiana okna

Charakterystyka techniczna nowego okna zależy w dużej mierze od kompromisów konstrukcyjnych w odniesieniu do materiału, szerokości profilu i konstrukcji szprosów (szczeblin). Drewniane okna można stosunkowo łatwo powielić zachowując oryginalny wygląd.

Podczas korzystania ze szkła izolacyjnego zwykle wymagane są większe wymiary wrębu do osadzenia termoizolacyjnej szyby zespolonej. Wymaganą nośność na obciążenia wiatrem można poprawić, stosując grubsze profile lub drewno o większej wytrzymałości.

Przy zastosowaniu uszczelnienia krawędzi szyby zespolonej odpornego na promieniowanie UV, wrąb do osadzenia szyby może być ograniczony do 15 mm. Oznacza to, że okna można również zaprojektować do budynku zabytkowego na poziomie wymagań domu pasywnego – wartość Uw 0,7 W/(m²K).

Montaż szprosów (szczeblin)

Montaż szprosów (szczeblin) okiennych ma znaczący wpływ na wartość Uw. Szprosy mogą: dzielić oszklenie, być naklejane na szyby, a w przypadku szyb zespolonych mogą być również umieszczone w ich wnętrzu. Szprosy dzielące oszklenie mają bardzo silny wpływ na wartość U.

Ponieważ szprosy i małe szyby są używane w modernizowanych oknach, konieczne jest zastosowanie ulepszonych termicznie ramek dystansowych w szybach zespolonych. Wiele małych szyb – przedzielonych szczeblinami – osadzonych w skrzydle (dwa poziome i dwa pionowe profile) pogarszają wartość Uw o ok. 0,2 W/m²K w porównaniu do okna bez szczeblin. Z tego powodu temat szprosów powinien być dokładnie omówiony w przypadku renowacji okien zabytkowych.

Wartość Uw można łatwo zweryfikować zgodnie z załącznikiem J normy wyrobu EN 14351-1, stosując procedurę tabelaryczną. Wartość Uw dla okien ze szprosami określa się za pomocą tabel. Z reguły jednak przyjęcie danych z tabel powoduje otrzymanie gorszych wartości Uw, dlatego przydatne mogą być metody badawcze lub precyzyjne obliczenia, dające lepsze wartości Uw dla tego samego rozwiązania technicznego.

Ponadto w przypadku okien ze szprosami należy przedstawić dowód szczelności na przenikanie powietrza i odporności na przenikanie wody w czasie intensywnie padającego deszczu. Przeniesienie wartości parametrów charakterystycznych dla okien bez szczeblin dla przypadku okien ze szczeblinami – jest niedozwolone.

Tabela J1. Współczynniki przenikania ciepła dla okien ze szprosami (Tabela J1 z EN 14351-1, załącznik J)

(kliknij na tabelę aby ją powiększyć) 

Tabela 4.5 Dane do oszacowania mostków termicznych podczas montażu okien (zdjęcie z [3])

 (kliknij na tabelę aby ją powiększyć) 

Montaż okien w budynku i mostki termiczne
Mostki termiczne są słabymi punktami w przegrodach budynku. Powstają np. podczas łączenia różnych elementów lub przy użyciu materiałów budowlanych o różnej przewodności cieplnej.

Charakterystyka mostków termicznych to:
- zwiększony strumień ciepła (Φ),
- niższe temperatury powierzchni po stronie pomieszczenia (Θsi).

Paragraf 7 w Rozporządzeniu EnEV wymaga minimalnej izolacji termicznej dla mostków termicznych, która jest dodatkowo zdefiniowana w normie DIN 4108. Parametrem jest czynnik temperaturowy fRsi, który musi być wyższy niż 0,7 dla niemieckiego „klimatu standardowego“.

Można przedstawić dowody, stosując dodatkowe czynniki i zalecenia projektowe zgodnie z suplementem 2 normy DIN 4108 Katalogi mostków termicznych, poprzez pomiar lub obliczanie temperatur powierzchni. W przypadku zabytków wskazane jest obliczenie specyficzne dla danego obiektu. Przenikanie ciepła przez obszar połączenia zależy w dużej mierze od tego, w którym miejscu (na grubości ściany) wykonywany jest montaż okna oraz od prawidłowego ułożenia warstw izolacyjnych.

 Rys. 2. Podstawowa budowa próżniowej szyby izolacyjnej i parametry termiczne z przedstawieniem rozkładu temperatury w obszarze krawędzi szyby

Zastosowanie próżniowego oszklenia izolacyjnego
Izolację termiczną można poprawić w przypad1) w oparciu o standardowy rozmiar okna 1,23 x 1,48 m kach omówionych powyżej – modernizacja do okna skrzynkowego lub zespolonego oraz wymiana oszklenia – dzięki zastosowaniu próżniowego szkła izolacyjnego (VIG). Jednak na rynku dotychczas nie było dostawców, którzy mogliby oferować produkty do indywidualnego projektu o bardzo różnych rozmiarach i typach okien.

W projekcie badawczym „MOTIVE” Holzforschung Austria zbadano podstawowe aspekty elementów okien z oszkleniem szybą prożniową i określono zalety i wady różnych wariantów konstrukcyjnych. Jednak trwałość szyby próżniowej VIG nie była systematycznie badana. Wspólne dla wszystkich konstrukcji jest bardzo głębokie zagłębienie szyby VIG w profilu okiennym, o głębokości od 30 do 40 mm, które jest konieczne, aby zrekompensować mostek termiczny występujący na krawędzi szyby póżniowej.

Dzięki szybom próżniowym można tworzyć „szczupłe“ konstrukcje o dobrej ogólnej efektywności energetycznej (poprawić standard energetyczny budynku), które umożliwiają również wykorzystanie profili starych drewnianych okien z pojedynczą szybą (grubość izolacyjnej szyby próżniowej, jest porównywalna z grubością pojedynczej tafli szkła, a efektywność energetyczna porównywalna do dużo grubszej izolacyjnej szyby zespolonej).

Rys. 3. Badanie okna o bardzo wąskich profilach. Otwieranie okna do wewnątrz – szyba VIG na zewnątrz (zdjęcie: Holzforschung Austria, HFA)

Ponadto mniejszy ciężar w porównaniu do potrójnej szyby izolacyjnej (dwukomorowej szyby zespolonej) i mała grubość szyby próżniowej oferują również dobre możliwości dla nowych rodzajów otwierania okna i kierunków ruchu. Konieczne są dalsze wspólne wysiłki badawcze w celu opracowania odpowiednich profili, mechanizmów blokujących, okuć i uszczelnień, a także technologii z wykorzystaniem automatycznych napędów i ich sterowania.

Rys. 4. Program badań ift oparty na ISO 19916-1, z uwzględnieniem nakładania się obciążeń klimatycznych i wiatrowych

Prawo budowlane i trwałość oszklenia próżniowego
Europejskie przepisy dotyczące oceny trwałości wielokomorowych szyb zespolonych (MIG Mehrschreiben- Isolierglass) zawarte w serii norm EN 1279 wyraźnie zaznaczają, że normy te nie dotyczą szyb próżniowych (VIG Vakuum-Isolierglas). Ma to sens, ponieważ obciążenia krawędziowe w wielokomorowych szybach zespolonych (MIG) są determinowane głównie przez objętość hermetycznie zamkniętego gazu w komorach między taflami szkła.

Rys. 5. Zmiana wartości Ug po badaniu trwałości zgodnie z procedurą badawczą ift Rosenheim

(kliknij na tabelę aby ją powiększyć) 

Jednak szyby próżniowe (VIG) podlegają takim samym wymaganiom użytkowym i obiążeniom w przypadku okien i fasad, i powinny zachowywać dobrą jakość przez cały okres użytkowania elementu. Ale, niestety, szyby VIG są nadal produktem budowlanym, który w Europie nie podlega ujednoliconym regulacjom prawnym i wymagania wobec nich nie są zawarte w normach europejskich – są więc wyrobem nieuregulowanym i niezharmonizowanym.

Wartości Ψg w W/(mK) dla: jednokomorowej szyby zespolonej IGU z komorą szer. 15 mm i szyby próżniowej VIG

Rys. 6. Wpływ szyby VIG na pojawienie się kondensacji pary wodnej i liniowy współczynnik przenikania ciepła Ψg dla obszaru krawędzi szyby VIG w oknach i fasadach

 (kliknij na tabelę aby ją powiększyć) 

Oznakowanie CE dla szyb próżniowych nie jest więc możliwe, ale konieczny jest dowód przydatności do stosowania (jak dla innych wyrobów budowlanych), wymagana jest też zgoda nadzoru budowlanego do stosowania w indywidualnych przypadkach (Zustimmung im Einzelfall ZiE).

Ponieważ właściwości izolacyjności termicznej i akustycznej są związane z utrzymaniem próżni między dwoma taflami szkła i trwałością powłoki szklanej, trwałość określonego „poziomu próżni“ należy wykazać zgodnie z ISO 19916-1:2018-10. W przeciwieństwie do szyb zespolonych MIG, nacisk kładziony jest na naprężenia spowodowane zmianami długości pod wpływem zmian temperatury i zmianami długości spowodowanymi deformacją, ponieważ szyby VIG mają bardzo sztywny system łączenia krawędzi w porównaniu do „normalnej” szyby zespolonej MIG (określanej też jako IGU Insulating Glass Units).

Norma ISO 19916-1 nie uwzględnia jednokierunkowego obciążenia klimatycznego, które może być nałożone równocześnie z obciążaniem od wiatru (parcie lub ssanie wiatru). Podczas badań w ift Rosenheim występowały duże ugięcia, a zatem duże obciążenia ścinające w spoinie krawędziowej. W oparciu o wiedzę o oddziaływaniach występującyh w oknach i fasadach, ift Rosenheim opracował metodę badawczą, która umożliwia praktyczne udowodnienie trwałości, do stosowania w badaniach oknien i fasad.

Tabela 1. Kryteria decyzyjne dotyczące wymiany szyb lub okien z wymogami w zakresie ochrony zabytków

(kliknij na tabelę aby ją powiększyć) 

W metodzie badawczej instytutu ift Rosenheim współczynniki przenikania ciepła Ug są najpierw określane dla szyb próżniowych VIG w skrzynce grzejnej (metoda Hot-Box), a następnie próbki badawcze są instalowane na fasadzie i są poddawane obciążeniom klimatycznym i mechanicznym od wiatru (parcie i ssanie wiatru). Po cyklach obciążenia wartości Ug są mierzone ponownie i określane są odchylenia od wartości wejściowych.

Ponadto próżniowe szyby izolacyjne są poddawane łącznemu oddziaływaniu obciążeń klimatycznych (zmienna temperatura, wilgotność i ciśnienie atmosferyczne) i oddziaływaniu promieniowania UV w celu przetestowania trwałości systemu łączenia krawędzi przy zmiennym obciążeniu klimatycznym. Na koniec ponownie przeprowadza się badanie wartości Ug szyby próżniowej, która przeszła opisane powyżej badania obciążeń, aby móc ocenić zmianę współczynnika przenikania ciepła.

Do praktycznego zastosowania w oknach i fasadach wymagane są też inne cechy wydajnościowe, takie jak przykładowo: izolacyjność akustyczna, ochrona przeciwsłoneczna, ochrona przeciwpożarowa i bezpieczeństwo użytkowania.

Jednak zintegrowanie szyby VIG z ramą okienną lub konstrukcją elewacji wymaga dostosowania modernizowanej konstrukcji okna lub fasady, w szczególności w celu zmniejszenia niebezpieczeństwa występowania kondensacji pary wodnej w obszarze krawędzi szyby VIG.

Manuel Demel ift Rosenheim

Jürgen Benitz-Wildenburg ift Rosenheim

Karin Lieb ift Rosenheim

Przedstawicielem Instytutu ift Rosenheim  w Polsce jest Andrzej Wicha:  Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.

Bibliografia
[1] Milch Christine: Renowacja zabytkowych budynków – tradycja i nowoczesność w harmonii. Fraunhofer Institute for Building Physics IBP, Rosenheimer Fenstertage 2014,

[2] Rozporządzenie w sprawie oszczędzania energii (EnEV)

[3] Wytyczne montażu okien i drzwi wejściowych. Projektowanie I wykonywanie w budynkach nowych i remontowanych – dostępne w języku polskim

[4] P rofesjonalna konserwacja i renowacja okien. Ulotka dyrekcji ds. budownictwa i ochrony środowiska w kantonie Bazylea-Landschaft

[5] Glaser Zygfryd: Próżniowe szkło izolacyjne – alternatywa dla potrójnego szkła izolacyjnego? Stan rozwoju i dostępność. Rosenheimer Fenstertage 2009

[6] Techniki produkcji szkła, (ProVIG) _IWM / ISE- 2012_BMWi

[7] Systemy okien i fasad o wysokiej izolacyjności termicznej, (HWFF) _ZAE / SKZ_2011_BMWi

[8] M odelowanie, optymalizacja i integracja techniczna elementów szyb próżniowych: analiza dotycząca detali szyb próżniowych w nowych konstrukcjach okien z drewna (aluminium) - opis, konstrukcja i symulacja, TU Vienna / HFA_2017_BMVIT

[9] ISO 19916-1:2018-10 Szkło w budownictwie - Próżniowe szkło izolacyjne - Część 1: Podstawowa specyfikacja produktów i metody oceny właściwości izolacyjności termicznej i akustycznej (Glass in building – Vacuum insulating glass – Part 1: Basic specification of products and evaluation methods for thermal and sound insulating performance)

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji:  Świat Szkła 11/2020