Przepuszczalność powietrza okien w różnych klimatach

Zagadnienia ogólne
    Przepuszczalność powietrza można zdefiniować jako wielkość przepływu powietrza przez zamknięte okno, pod wpływem różnicy ciśnień po obydwu jego stronach. Wyrażana jest w m³/h i odnoszona do 1 m² powierzchni okna oraz 1 m długości linii stykowej skrzydła lub skrzydeł z ościeżnicą (oraz ewentualnie − w zależności od rodzaju okna − skrzydeł ze sobą, słupkiem stałym i ślemieniem), mierzonej po stronie wewnętrznej.
    Omawiana właściwość jest również określana za pomocą współczynnika infiltracji „a_śr”. W przypadku okien jest on obliczany jako wartość średnia, na podstawie pomiarów strumieni objętości powietrza, przepływających przez drzwi przy określonych poziomach różnicy ciśnień dodatnich (występujących przy parciu wiatru) „Δp” powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, ze wzoru:

gdzie:
V_o – strumień objętości powietrza, przepływającego przez okno dla danego poziomu różnicy ciśnień Δp, m³/h,
L – długość linii stykowej między skrzydłem (skrzydłami), a ościeżnicą, m,
Δp – różnica ciśnień powietrza między stroną zewnętrzną i wewnętrzną okna, daPa.
    Wynikiem końcowym jest średnia wartość współczynnika infiltracji powietrza obliczona przy różnicach ciśnień Δp = 50, 100, 150, 200, 250 i 300 Pa.

    Przepuszczalność powietrza przez okno wiąże się ściśle z jego szczelnością. Im większa szczelność tym mniejsza przepuszczalność powietrza i odwrotnie. Zazwyczaj uważa się, że okna w położeniu zamkniętym powinny być bardzo szczelne, co wpływa korzystnie na ich izolacyjność akustyczną i termiczną. Z kolei wyższa izolacyjność termiczna zmniejsza straty ciepła przez okna i obniża koszty eksploatacji użytkowanych lokali związane z ich ogrzewaniem. Jednak z drugiej strony, przy najczęściej stosowanej w Polsce wentylacji naturalnej (grawitacyjnej) pomieszczeń, na ogół niewystarczającej, bardzo szczelne okna pogarszają mikroklimat pomieszczeń (zbyt mała wymiana powietrza) oraz stwarzają korzystne warunki dla zawilgocenia ścian, rozwoju grzybów i pleśni, wpływając tym samym ujemnie na zdrowie użytkowników. Problem ten nie występuje w przypadku okien szczelnych, stosowanych w pomieszczeniach z wentylacją wymuszoną, (mechaniczną nawiewno-wywiewną) lub klimatyzacją bądź okien wyposażonych w nawiewniki.
    Wymagania dla okien w zakresie przepuszczalności powietrza zostały objęte rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami). Przepisy rozporządzenia uwzględniają zarówno sposób wentylacji pomieszczeń, w których są montowane okna, jak też wymagania związane z izolacyjnością termiczną i oszczędnością energii.
    Od okien do pomieszczeń z wentylacją mechaniczną nawiewno-wywiewną lub klimatyzacją oraz okien wyposażonych w nawiewniki wymaga się aby średni współczynnik infiltracji powietrza „a” był nie większy niż 0,3 m³/hm(daPa)^2/3. Dla okien do pomieszczeń z wentylacją grawitacyjną współczynnik „a” powinien mieścić się w przedziale od 0,5 do 1,0 m³/hm(daPa)^2/3. Ww. wymagania odnoszą się do okien otwieranych. Odrębnym wymaganiem są objęte okna nieotwierane (stałe), dla których współczynnik „a” nie powinien przekraczać 0,1 m³/hm(daPa)^2/3.
    Dla przepuszczalności powietrza, odniesionej do 1 m² powierzchni okna oraz do 1 m długości linii stykowej istnieje klasyfikacja, objęta normą PN-EN 12207:2001 Okna i drzwi – Przepuszczalność powietrza – Klasyfikacja.
    Klasyfikacji dokonuje się na podstawie badań wg normy PN-EN 1026:2001 Okna i drzwi – Przepuszczalność powietrza – Metoda badania. Norma ta wyróżnia cztery klasy przepuszczalności, dla których ciśnienia próbne, zarówno dodatnie (parcie), jak i ujemne (ssanie) wynoszą od 50 do 600 Pa. Na potrzeby klasyfikacji zostały opracowane wykresy, przedstawiające przepuszczalność powietrza w m³/hm² i w m/hm w zależności od ciśnienia próbnego (równego różnicy ciśnień powietrza zewnętrznego i wewnętrznego) w Pa. Wykres ten przedstawiono na rys. 1.

Badania
Charakterystyka badanych okien
    1. Okna systemu SKJ 94T (3 szt.) w wersji rozszczelnionej (długość szczeliny, wykonanej w uszczelce na górnym ramiaku skrzydła, wynosiła 38 cm) − z drewna sosnowego klejonego warstwowo, jednodzielne, ze skrzydłem rozwieranym i okuciami WINKHAUS, oszklone szybą zespoloną 4/16/4, wypełnioną argonem.
    2. Okna systemu IDEAL 4000 (2 szt.) w wersji nierozszczelnionej − z kształtowników z nieplastyfikowanego PVC, jednodzielne, ze skrzydłem rozwierano-uchylnym i okuciami WINKHAUS, oszklone szybą zespoloną 4/16/4, wypełnioną argonem.
    3. Okna systemu GOLDPLUS (2 szt.) w wersji nierozszczelnionej − z drewna sosnowego i red meranti, litego (ramy ościeżnic i skrzydeł są złożone z 2 elementów zespolonych wkrętami), jednodzielne, ze skrzydłem rozwierano-uchylnym i okuciami SIEGENIAAUBI, oszklone szybą zespoloną 4/16/4/16/4, wypełnioną argonem. Jest to okno tzw. pasywne, z termoizolacyjną wkładką z pianki polistyrenowej w ramie skrzydła i ościeżnicy.
    4. Okno systemu PRACTIC PLUS (1 szt.) w wersji rozszczelnionej (długość szczeliny, wykonanej w uszczelce na górnym ramiaku skrzydła, wynosiła 28 cm) − drewniano-aluminiowe (rama ościeżnicy i skrzydła z drewna sosnowego klejonego warstwowo + osłony zewnętrzne z profili aluminiowych), jednodzielne, ze skrzydłem rozwierano-uchylnym i okuciami WINKHAUS, oszklone szybą zespoloną 4/20/4, wypełnioną argonem.

    Wymiary zewnętrzne wszystkich okien były jednakowe: Sz x Hz = 1020x1840 mm. Wygląd i schematy badanych okien pokazano na fot. 1 oraz rys. 2 i 3.

Klimaty działające na okna
    W testowaniu okien zastosowano metody badania i klimaty – wg normy PN-ENV 13420:2006. Parametry poszczególnych klimatów, podano w Tablicach 1 i 2.

 

    Doboru metod badania i związanych z nimi klimatów dokonano w oparciu o zalecenia wspomnianej normy. Metoda 1 jest przydatna do badania okien o niskiej odporności na przenikanie wilgoci, tam gdzie występuje niebezpieczeństwo kondensacji pary wodnej wewnątrz przekroju konstrukcji. Metoda 2.1 i 2.2 jest zalecana do badania okien z materiałów o wysokiej odporności na przenikanie wilgoci, w przypadku gdy istnieje niebezpieczeństwo kondensacji pary wodnej na powierzchni wewnętrznej lub zewnętrznej okna. Metodę 3 zaleca się do badania okien szczególnie podatnych na odkształcenia termiczne.

    Zestawienie zastosowanych metod badania i klimatów w odniesieniu do poszczególnych okien przedstawiono w Tablicy 3.

Wyniki badania przepuszczalności powietrza
    Przepuszczalność powietrza przez okna była badana bezpośrednio przed i po zakończeniu każdego zadanego cyklu klimatycznego. Równolegle z badaniem przepuszczalności powietrza były dokonywane pomiary sił operacyjnych potrzebnych do obsługi okna oraz pomiary odkształceń krawędzi przymykowej skrzydła (na skrzydle lekko uchylonym). Badanie było wykonywane na oknach zamocowanych między dwoma sekcjami komory klimatycznej, przy wykorzystaniu aparatury pomiarowej oraz urządzenia wytwarzającego ciśnienie w komorze HOLTENA, połączonego z komorą klimatyczną elastycznym przewodem (Fot. 3). Okna drewniane i drewniano-aluminiowe przed ekspozycją w zadanym klimacie były przez co najmniej 7 dni kondycjonowane w temperaturze 20^oC i wilgotności względnej 65%. Wyniki badania przedstawiono w Tablicy 4.

 

    Klasyfikacja przedstawiona w Tablicy 4 została dokonana z wykorzystaniem specjalnego programu komputerowego, pozwalającego – na podstawie wykonanych z jego pomocą wykresów – w szybki sposób określić klasę przepuszczalności okna i jednocześnie przedstawić graficznie zależność tej przepuszczalności od różnicy ciśnień powietrza po obu stronach okna. Przykłady takich wykresów dla badanego okna drewnianego nr 2 pokazano na rys. 5 ÷ 8.

Ocena wyników badań
    Obecnie, oprócz wspomnianego uprzednio rozporządzenia Ministra Infrastruktury, określającego dopuszczalne wartości średnich współczynników infiltracji, nie ma obligatoryjnego przepisu lub normy, które określałyby, jaką klasę przepuszczalności powietrza powinno uzyskać okno, aby mogło ono być dopuszczone do obrotu. Jest to pozostawione do decyzji projektanta danego obiektu, który musi zdecydować – na podstawie deklaracji producenta, opartej na przeprowadzonych badaniach (wstępnego badania typu lub badań okresowych) określającej tę klasę. W dotychczasowej praktyce badawczej zachowanie okien po badaniach klimatycznych nie było praktycznie sprawdzane, m. in. dlatego, iż badania te nie są objęte wstępnym badaniem typu. Oczywiście, właściwości wbudowywanego okna powinny być zawsze dostosowane do warunków jego eksploatacji, takich jak np. położenie budynku w określonej strefie wiatrowej oraz zabudowie i związane z tym obciążenie od wiatru, intensywności użytkowania (większej w budynkach użyteczności publicznej, mniejszej w domach jednorodzinnych) itd. Niemniej jednak, szczególnie przed wprowadzeniem do obrotu nowego rozwiązania konstrukcyjno-materiałowego okna, warto jest sprawdzić czy wskutek działania czynników klimatycznych, w miarę upływu czasu nie następuje pogorszenie jego właściwości funkcjonalnych, w tym również przepuszczalności powietrza.
    W związku z powyższym wydaje się celowe, aby deklaracja producenta okien, w której określa on klasę przepuszczalności swojego wyrobu, zachowywała ważność również w przypadku okna, które zostało poddane badaniom klimatycznym. Jest to równoznaczne z tym, że okno po ekspozycji klimatycznej powinno mieć przepuszczalność powietrza odpowiadającą tej samej klasie (wg normy PN-EN 12207:2001) co deklarowana lub od niej wyższej.
    Jak wynika z omawianych tutaj badań, zachowanie takiej samej klasy przepuszczalności po ekspozycji klimatycznej, jak i przed tą ekspozycją, miało miejsce w 5 przypadkach na 13. W 8 przypadkach, w których wystąpiło obniżenie klasy przepuszczalności po ekspozycji klimatycznej, nie ma jakiejś jednej reguły. Obniżenie to wystąpiło we wszystkich rodzajach badanych okien. Najczęściej miało ono miejsce gdy strona zewnętrzna okna była eksponowana w wysokiej temperaturze (75oC), tj. w klimacie „D”. W takim przypadku największa różnica klas przed i po ekspozycji okna w ww. klimacie występowała w oknach z PVC (dwie klasy).
    Z kolei najkorzystniej wypadła próba badania okien w klimacie „A”, tj. takim, w którym po stronie zewnętrznej okna była temperatura -10oC, utrzymywana przez okres 24 h. W 3 przypadkach (z których 2 dotyczyły okien z PVC) na 5 – nie nastąpiło obniżenie klasy przepuszczalności. W jednym, oknie drewnianym z wkładką termozilacyjną klasa ta – po badaniu klimatycznym – uległa obniżeniu o jeden stopień. Podobne zjawisko miało miejsce również w oknie drewniano-aluminiowym, ale w tym przypadku okres eksponowania strony zewnętrznej w temperaturze -10oC wynosił 11 dni, a nie 24 h.
    Klimat „C”, w którym po stronie zewnętrznej okna panowała temperatura 3oC, przez okres ponad 30 dni, przyniósł w 2 próbkach odmienne rezultaty. W oknie drewnianym klasa przepuszczalności powietrza przed i po badaniu pozostały na tym samym poziomie, natomiast w oknie drewniano-aluminiowym nastąpiło po badaniu obniżenie tej klasy o jeden stopień.
    2 okna drewniane bez wkładki termoizolacyjnej były poddane – po stronie zewnętrznej – klimatowi cyklicznie zmieniającemu się w ciągu 12 h (od –10oC do 60oC, przez okres powyżej 1 miesiąca. Trzeba przyznać, że jest to jeden z najostrzejszych spośród zadanych klimatów. Po zakończeniu badania przepuszczalność powietrza obu okien uległa obniżeniu o jedną klasę.
    Należy tutaj zaznaczyć, że wymienione wyżej obniżenia klasy przepuszczalności nie powodują, w przypadku przyjęcia proponowanego wcześniej wymagania, automatycznej dyskwalifikacji badanych okien. Wskazują tylko jaka klasa przepuszczalności powinna być przyjęta dla nich z uwagi na odporność tych wyrobów na czynniki klimatyczne.
    W przypadku drugiego (jak dotąd obligatoryjnego) kryterium oceny przepuszczalności powietrza, tj. współczynnika infiltracji, badania wykazały, że w świetle obowiązującego rozporządzenia ocenę pozytywną można wystawić oknom drewnianym, zarówno z wkładką termoizolacyjną (szczelnym) jak też bez tej wkładki (rozszczelnionym) oraz oknom z kształtowników z nieplastyfikowanego PVC (szczelnym). Spełniają one bowiem stosowne wymagania dla okien (podane na początku artykułu), zarówno przed badaniami klimatycznymi, jak też po tych badaniach. W przypadku okna drewniano-aluminiowego (rozszczelnionego) badanie wykazało zbyt dużą jego szczelność, ponieważ w trzech testach na cztery współczynnik infiltracji był mniejszy niż 0,5 m³/hm(daPa)^2/3, czyli mniejszy niż wartość minimalna dla okien montowanych w budynkach z wentylacją naturalną, w których stosowane są okna rozszczelnione. Oczywiście można by powiedzieć, że w takim przypadku nie ma nic prostszego, jak zwiększenie długości szczeliny infiltracyjnej poprzez odpowiednie wycięcie uszczelki przylgowej. Trzeba jednak zwrócić uwagę na fakt, że zbadana wartość współczynnika infiltracji po badaniu w klimacie „A” była zbliżona do górnej granicy dopuszczalnej tego współczynnika. Zatem nawet nieznaczne zwiększenie długości szczeliny infiltracyjnej spowodowałoby jej przekroczenie.
    Reasumując należy stwierdzić, że przyjęte w badaniach klimaty bądź zestawy klimatów dla poszczególnych rozwiązań konstrukcyjnomateriałowych okien, wytypowane na podstawie zaleceń normy PN-ENV 13420:2006, nie wyczerpują programu badań, jakim należałoby poddawać okna w celu uzyskania jak najpełniejszej odpowiedzi na temat ich odporności na czynniki klimatyczne oraz zmian poszczególnych właściwości, zachodzących w oknach pod wpływem tych czynników. Dotyczy to również takiej właściwości jak przepuszczalność powietrza. Przewiduje się, że program badań klimatycznych okien, prowadzonych w ITB, ulegnie rozszerzeniu w następnych latach. M. in. będą wykonane badania na oknach aluminiowych z przekładką termiczną. Zwiększona zostanie również liczba badanych próbek.

Wnioski
    1. Przepuszczalność powietrza okien wskutek działania czynników klimatycznych, takich jak temperatura i wilgotność powietrza, a przede wszystkim ich różnice po obu stronach okna, na ogół zwiększa się, a jej wzrost powoduje obniżenie klasy przepuszczalności. Może to skutkować tym, że klasa przepuszczalności okna po badaniach klimatycznych (w których warunki laboratoryjne zastępują warunki klimatyczne rzeczywiste) jest niższa od tej, którą podaje producent w swojej deklaracji zgodności.
    2. Najmniejszą podatność na zmiany przepuszczalności powietrza (ale również i na wywołujące je odkształcenia), spowodowane różnymi klimatami po obu stronach okna, zwłaszcza różnicą temperatur, wykazują okna drewniane, największą natomiast – okna z PVC.
    3. W celu doprowadzenia do zgodności właściwości okien deklarowanych przez producentów, z cechami rzeczywistymi tych wyrobów po pewnym okresie eksploatacji, byłoby wskazane – przed ich wprowadzeniem do obrotu – wykonanie sprawdzenia właściwości objętych normą PN-ENV 13420:2006 (siły operacyjne, odkształcenia, przepuszczalność powietrza) – po uprzednim poddaniu okien ekspozycji w różnych klimatach. Do czasu zakończenia badań prowadzonych w ITB – rodzaj klimatu badawczego (lub zestawu klimatów) należy dobierać dla danego rozwiązania konstrukcyjno-materiałowego okna wg zaleceń ww. normy.
    4. Prowadzenie dalszych badań klimatycznych okien pozwoli na doprecyzowanie kryteriów oceny i wymagań w zakresie odporności tych wyrobów na działanie czynników klimatycznych, pomoże również projektantom i producentom w branży okiennej na wyeliminowanie błędów i usterek, związanych z niewłaściwymi rozwiązaniami konstrukcyjnomateriałowymi.