Prozori napravljeni od tvrdog neplastifikovanog PVC-u pojavili su se prvi put na tržištu 1950.godine. Od tada se tržište PVC-u razvijalo brzo. Trenutno učešće PVC-u na tržištu Nemačke je 54% (učešće drvenih prozora 26%, aluminijumskih prozora 17%, ostalih materijala i kombinacija 3%). Uopšteno, prozorski profili se u neznatnim količinama prave i od drugih plastika, različitih od PVC-a. Prozorski profili napravljeni od PVC-u su predmet kontrole u skladu sa RAL zahtevima.
Razlozi za enormno veliko učešće plastičnih prozora na tržištu su ekonomske i tehničke prirode. Nakon energetske krize sredinom sedamdesetih godina prošlog veka, toplotna izolacija dobija sve veći i veći značaj za kupce prozora. Ovo dobija na značaju nakon pooštravanja zakonodavstva u oblasti toplotne izolacije. Prozori su uzročnici toplotnih gubitaka zavisno od izolacije u iznosu od 20 do 30 % u odnosu na ukupne toplotne gubitke zgrade.
1. Uvod
Zahtevi za toplotnim izolovanjem zgrada postali su strožiji donošenjem Direktive o čuvanju energije ( EnEV ) 2009.godine. Referentna vrednost za prozore smanjena je sa Uw = 1,7 W/m2K na 1,3 W/m2K. U 2012. godini je izvršena dopuna EnEV. Pomenuta dopuna je prilagođena novoj evropskoj Direktivi za energetske karakteristike zgrada ( EPBD ) iz 2010.godine. Proizvođači se nadmeću međusobno iznoseći podatke o sve boljim karakteristikama svojih proizvoda. Međutim,da li optimizacija pojedinačnih karakteristika zaista vodi do boljeg proizvoda ili „histerija U-vrednosti“ vodi preteranog usaglašavanja u projektantske svrhe. Koje druge aspekte je potrebno razmotriti u okviru koncepta novih projekata da bi se izbeglo žrtvovanje funkcije prozora radi toplotne izolacije ? Koje nove tehnologije se koriste za plastične prozore da bi se postigla usaglašenost sa zahtevima ?
2. Evropski cilj je poboljšana toplotna izolacija
Uvođenje Direktive za energetske karakteristike zgrada ( EPBD ) , Evropska Unija imala je za cilj uvođenje standarada za pasivne zgrade i zgrade sa nula utroškom energije, kao obavezne za nove zgrade i utvrđivanja standarda za energetsku efikasnost za obnovu postojećih zgrada do 2020.godine. U skladu sa izveštajem u vezi CO2 koji je uradila Savezna Vlada Nemačka ima 17.106 stambenih zgrada koje su tokom 2005.godine emitovale 191.106 tona CO2 koroz grejanje i hlađenje.
Zadatak omotača i servisa zgrade je da poboljšaju energetske i toplotne karakteristike. Nove zgrade će pokazati način na koji se postaje „ kuća sa energetskim dobitkom „ i kako se prozvodi višak energije. Da bi se smanjila potreba za energijom još 1966.godine izgrađena je poslovna zgrada Elektro industrije RWE u Esenu, poznata pod nazivom „ Power – Tower „ koja je posedovala karakteristike tehničkih inovacija poput dvostrukog omotača , prirodne ventilacije , inteligentne upotrbe dnevne svetlosti i sunčeve toplote , kao i uređaja za skadištenje energije , kako bi se smanjili zahtevi za energijom. Međutim , najveći efekat može se postići poboljšavanjem energetske efikasnosti postojeće zgrade.
Za to su presudni sledeći faktori :
- toplotni gubici prolazom (koeficijent prolaza toplote U) i toplotnim mostovima (linearni koeficijent prolaza toplote)
- toplotni dobici (ukupan prolaz sunčevog zračenja g) i upotrba dnevne svetlosti (prolaz svetlosti E)
- gubici toplote ventilacijom su uzrokovani propustljivim omotačima zgrade i neophodnim minimumom izmene vazduha potrebnim za stvaranje zdravih uslova unutar prostorija koji se mogu smanjiti instaliranjem sistema za regeneraciju energije.
Od 2002.godine u Evropi je na snazi EPBD ( Energy Performance of Buildings Directive – Direktiva za energetske karakteristike zgrada ) koja predstavlja osnovu za Nemačke Propise za očuvanje energije ( EnEV ). Donesena je dopuna EnEV, gde su usvojeni rigorozni zahtevi za energetsku efikasnost, u cilju nastavljanja napora za smanjenje potrošnje energije u zgradama.
U 2005.godini minimalna. U vrednost za prozore u zgradama koji se obnavljaju iznosi 1,7 W/m2K, dopunjeni propisi u 2009.godini određuju vrednost od 1,3 W/m2K, a nakon donošenja nove EPBD direktive ovaj koeficijent je smanjen na vrednost 0,9-1,1 W/m2K.
Ovaj razvoj suočava industriju prozora , fasada i stakla sa sledećim zadacima :
- poboljšavanje toplotne izolacije
- svođenje gubitka toplote ventilacijom na minimum
- upotreba solarne energije
- smanjenje upotrebe veštačkog osvetljenja poboljšanom upotrebom dnevne svetlosti
- ušteda energije povezivanjem omotača zgrade sa servisom zgrade
EPBD 2010.godine kao i rigoroznoji zahtevi EnEV uveli su izmene u konstrukciju rama profila.
2.1 Energetske potrebe zgrada I U vrednost prozora
Od prve naftne krize tokom sedamdesetih godina prošlog veka zahtevi za stambene zgrade su postali strožiji.
Dok Propisi o toplotnoj izolaciji ( WSO ) iz 1977.godine ograničavaju potrebu za primarnom energijom u stambenim zgradama na oko 400 kWh/m2god, EnEV iz 2009.godine ograničava upotrebu energije u zgradama na oko 75 kWh/m2god. U skladu sa ovim razvojem, zahtevi koji se odnose na prozore su kontinuirano menjani u smeru poboljšanja karakteristika.
Na primer, trenutno važeći Nemački propisi za toplotnu izolaciju definišu Uw-vrednost za prozore od 1,3 W/m2K za referentne zgrade, a planiraju se dalja poboljšavanja karakteristika. Razmatraju se Uw-vrednosti između 0,9 i 1,1 W/(m2K).
2.2 Tržište prozora tokom
Poslednjih godina kada se analiziraju Uw-vrednosti plastičnih pro-zora tokom poslednjih pet godina, postaje očigledno da postoji jasan trend ka boljim karakteristikama prozora. Dok je 2008.godine učešće prozora sa Uw-vrednošću većom od 1,2W/(m2K) bilo oko 60%, tokom 2009.godine opalo je na ispod 50%. Za razliku od toga , učešće prozora sa Uw-vrednošću od 0,8 do 1,0 W/(m2K) se popelo na oko ¼ ukupne ponude prozora.
Kategorija prozora sa 1,0 do 1,2W/(m2K) je ostalo približno konstantna. Pomenute izmene mogu se objasniti povećanom upotrebom trostruko ostakljenih jedinica radi poboljšavanja Uw-vrednosti, što vodi do značajnog poboljšanja karakteristika od oko 25% kada se govori o prozoru kao celini. Bilo bi sigurno predpostaviti da će se trend ka bolje izolovanim prozorima nastaviti tokom godina koje dolaze i da će trostruko ostakljenje postati norma.
Međutim, proizvođačima prozora će biti sve teže da postignu značajnije pomake u domenu poboljšanja karakteristika. Iz tog razloga će se fokus sve više pomerati ka poboljšavanju špjedinačnih karakteristika proizvoda.
3. Pristupi optimizaciji toplotne izolacije plastičnih prozora
Poboljšanje toplotne izolacije prozorskih ramova u prošlosti bilo je prvenstveno usmereno ka povećanju broja komora , što je vodilo do debelih profila. Naime , u ovoj metodi optimizacije postoje ograničenja zato što dobici koji se mogu postići postaju sve manji sa porastom broja komora.
Drugi pristup optimizaciji je smanjivanje čeličnog ojačanja. Zbog činjenice da toplotna provodljivost čelika od - U 50 W/(mK) čini izolaciju lošiju za faktor 300 u poređenju sa neplastifikovanim PVC-u materijalom rama sa provodljivošću od - U 0,17 W/(mK), očigledna opcija postala je eliminacija ovog toplotnog mosta. Međutim, to je istovremeno otklonilo i „kičmu“ plastičnog prozora.
Moraju se naći nova rešenja. Razvoj uključuje ojačanje sa prekinutim toplotnim mostom ili dizajn u kome su čelični elementi zamenjeni kompozitnim materijalima poput plastike ojačane staklenim vlaknima (GRP).U ostalim rešenjima ojačane su spoljne sekcije profila. One su čvrsto povezane sa profilima da bi se ponašale kao element otporni na smicanje , ili ceo profil napravljen od ojačane plastike. Razvijena je i na tržište plasirana tehnologija vezivanja stakla za ram u cilju obezbeđivanja dodatne čvrstće.
U poboljšanju karakteristika uključeni su i paneli ostakljenja. Sa jedne strane vrednost izolacije panela stakla su uspešno poboljšane , a sa druge strane, slabe tačke su eliminisane poboljšavanjem sistema distancera i ugaonih pokrivki. To je nedavno dovelo do porasta upotrebe izolacione staklene jedinice sa tri stakla, što je zauzvrat rezultiralo porastom težine staklenih jedinica za oko 50%.
Komore profila su optimizovane zamenom vazduha u komorama materijalima koji imaju karakteristike toplotnih izolatora. Na slici 3 su prikazane opcije za optimizaciju plastičnih prozora.
Evidentirano je da se koeficijent prolaza toplote može sniziti sa 1,8W/m2K na 1,3W/m2K. Veoma je bitno da se izabere optimalni broj komora da bi se smanjili troškovi proizvodnje, uz zahtev da se proizvede kvalitetan proizvod sa što manjim gubicima, odnosno prilivima energije ( da li zimski ili letnji režim ), uz što manje troškove. Značajni doprinosi i primena prozora za pasivne kuće (Uw 0,8W/m2K) mogu se ostvariti i sa prozorima koji imaju četiri ili pet komora. Najveći doprinos je ipak napravljen korišćenjem trostrukog izolacionog stakla punjenog argonom ( sniženje koeficijenta prolaza toplote za 2,7W/m2K na 0,6Wm2K).
4. Poboljšavanje toplotne izolacije bez kompromisa
Upotreba trostruko ostakljenih jedinica vodi do znatnog porasta težine prozorskih krila. Čak i sa standardnom konfiguracijom ( staklo 3 x 4 mm ) , to znači da standardni okovi funkcionišu u okviru gornjih granica izdržljivosti kod većih krila. U slučajevima gde se koriste specijalne vrste stakla, tj.gde je potrebna bolja zvučna izolacija ili zaštita od provale uskoro se može postaviti ograničenje što se tiče standardnih okova. Reagujući na ovakvu situaciju proizvođači okova su već proizveli snažnije okove. Potrebno je u narednom periodu posebnu pažnju obratiti na vezu između okova i prozora. Slično tome, prenošenje opterećenja sa stakla na krilo vodi do potrebe za boljim karakteristikama rama i staklenog bloka da se ne bi javile deformacije , a samim tim i nefunkcionisanje prozora. U tom slučaju moguće rešenje je vezivanje stakla za ram.
4.1 Vezivanje stakla
Kod vezivanja stakla, jedinica stakla je čvrsto vezana za krilo čitavom dužinom profila , tako da se pouzdano spreči bilo kakva deformacija u ravni krila. Međutim, često se precenjuje ojačavajući uticaj koji staklo vezano pod pravim uglom ima na ravna krila. Što se tiče otpornosti na smicanje, pojedinačne struke stakla u jedinici stakla nisu strukovno vezane jedno za drugu, pa iz tog razloga samo debljina svake staklene ploče doprinosi ojačavanju. Iz tog razloga nije moguće primeniti ukupnu debljinu jedinice stakla u proračunima ojačavajučeg uticaja u skladu sa Štajnerovom teoremom, pošto bi to podrazumevalo da su struke stakla strukturno povezane.
Jedinica stakla igra važnu ulogu u prenosu opterećenja kada se radi o vezivanju stakla. To vodi do porasta vrednosti napona u staklu koji se pomoću odgovarajuće pozicioniranog povezivanja mora održavati u razumnim granicama.
Važno je nastaviti ventilaciju žljeba da bi se sprečilo oštećenje jedinice izolacionog stakla od vlage. Vezivno sredstvo koje se koristi u ovu svrhu mora potvrditi kompatibilnost istog. Da bi se garantovalo ispravno funkcionisanje, potrebno je definisati parametre i pratiti konstantnost rada kroz odgovarajući sistem osiguranja kvaliteta.
4.2 Geometrija profila
Kada se pažnja usmeri samo na toplotnu izolaciju mogu se razviti profili veoma asimetrične geometrije u kojima bi se elementi ojačanja pomerili više ka unutrašnjosti profila. To vodi do većih deformacija rama kada se prozor izloži klimatskim fluktuacijama, što zauzvrat može uzrokovati curenje i nepravilno funkcionisanje.
Iako ne postoje standardna ograničenja maksimalne temperatuno indukovane deformacije plastičnih profila , potrebno je garantovati njihovo funkcionisanje kada se izlože klimatskim opterećenjima.
To znači da propustljivost vazduha i vodonepropustljivost prozora , kao i njihovo funkcionisanje moraju biti garantovani u skladu sa izloženošću klimatskim uslovima. Korisnici očekuju da u bilo koje vreme mogu da rukuju prozorima primenom normalne radne sile.
4.3 Toplotni kavlitet
PVC-u je palstika sa veoma niskim koeficijentom toplotne provodljivosti (U = 0,16 – 0,17 W/mK ) Plastični profili PVC-u imaju ponašanje slično drvetu , oni su dobri toplotni izolatori i praktično na njima ne dolazi do pojave kondenzacije. Toplotna ekspanzija PVC-u podrazumeva koeficijent longitudinalnog toplotnog izduženja koji se primenjuje na materijal i profil. Longitudionalni koeficijent širenja PVC-u je npr.šest puta veći od čelika i približno tri puta veći od aluminijuma. Ovo mora biti uzeto u razmatranje za vreme izrade i korišćenja građevine.
Tamni profili ekspandiraju više, jer oni apsorbuju veću količinu toplote za vreme izlaganja suncu. Treba naglasiti da se korišćenjem tamnih profila formiraju različite temperature u spoljim i unutrašnjim površinama. Kao posledica različita su i izduženja. Zbog formiranja neravnomernog temperaturnog polja dolazi do pojave napona koji mogu uzrokovati i pucanje profila. U osunčanim krajevima zbog većih uzdužnih deformacija , može doći i do ispadanja staklene izolacione jedinice. Ne preporučuje se korišćenje tamnih profila u izuzetno osunčanim oblastima.
4.4 Prednosti za kupca
Dobri sistemi, korektno proizvedeni i ispitani obezbeđuju ekonomske koristi za kupca. PVC-u prozori se veoma široko koriste. Oni su otporni na vremenske uticaje, jednostavni su za održavanje i imaju veoma dobru toplotnu izolaciju. Redovno održavanje prozora je dovoljno da se dobije odličan izgled i kvalitetno funkcionisanje tokom niza godina.
4.5 Kvalitet PVC materijala
Prozorski ramovi napravljeni od neplastifikovanog PVC-u pokazuju kvalitet u životnom veku. Oni se neprekidno proveravaju od strane fabrikai nezavisnih instituta za ispitivanje.
4.6 Otpornost na vremenske uticaje
Zbog dugog životnog veka i permenentnog izlaganja suncu , vetru i kiši, otpornost na vremenske uticaje igra veoma važnu ulogu. Na performance PVC-u utiču različiti faktori. Sistem za stabilizaciju je od odlučujućeg značaja za proizvodnju i za otpornost na vremenske uticaje.
4.7 Mehaničke osobine
Čvrstoća profila je izuzetno zavisna od modula elastičnosti materijala ( Youngov modul ) i statičkog momenta inercije koji je funkcija poprečnog preseka profila. U isto vremr Youngov modul elastičnosti i druge mehaničke osobine nisu samo zavisne od temperature nego i od dimenzija i družine trajanja odgovarajućeg opterećenja. Pošto su statička čvrstoća i Youngov modul elastičnosti PVC-u veoma mali , potrebno je izvršiti ojačavanje sekcija ubacivanjem odgovarajućih pocinčanih čeličnih profila. Prekidna čvrstoća profila i prozora je generalno utvrđena testom savijanja. Na rezultate ovog testa simultano utiču kvalitet materijala i geometrija profila. Prozorski profili ostvaruju izuzetne vrednosti ugaone čvrstoće koristeći stabilizacione sisteme koji su u skladu sa prirodom.
4.8 Tehničke prednosti prerade
Proizvodnja PVC-u prozora sadrži nekoliko procesnih koraka. U poređenju sa proizvodnjom drvenih prozora, neophodne mašine za proizvodnju su mnogo ekonomičnije. Prozorski profili nude niz prednosti kod izrade jer uređeni neprekinuti sistem zahteva minimum materijala i alata za potrebe mašina.
4.9 Konstruktivni aspekti
PVC-u prozorski profili imaju nominalne spoljne debljine komora 3mm. Novi standardi EN 12608 dozvoljavaju debljine spoljnih zidova sekcije veće od 2,5mm, stim da se moraju zadovoljiti ostale karakteristike. Odgovarajuće dimenzioni profili poseduju komore u koje se mogu ugraditi odgovarajući čelični ili aluminijumski profili. Debljina čeličnih ili aluminijumskih profila je funkcija spratnosti ( brzine strujanja vetra ) , kao i dimenzija prozora. Arhitekte i građevinci imaju mogućnost da obrazuju sve tipove fasada. Plastični prozori su veoma interesantni kod renoviranja objekata, kako bi se što je više moguće zadržati stilovi i geometrijske forme na ekonomičan način.
Arhitekte mogu koristiti prozore sa centralnim ili dvostrukim sistemom za zaptivanje. Koristeći različite spoljne profile rama i krila i njihove kombinacije možemo ostvariti razlićite izglede. Ulazna vrata i obrtni prozori pripadaju ponudi kao i vrata koja se otvaraju prema vani.
4.10 Ponašanje kod požara
PVC-u je materijal koji je klasifikovan u klasu B1 prema DIN 4102 , deo 1 jedva zapaljiv, spada u grupu samogasivih materijala. Po ukljanjanju izvora toplote sam se gasi. Posebno se vrši ispitivanje ponašanja kod požara prozorskih profila i prozora.
Kod ispitivanja prozora za razliku od ispitivanja prozorskih profila se širi prema izolacionoj jedinici uzrokujući pucanje stakla. Posojao je pokušaj izrade prozorskih profila i od drugih plastičnih materijala kao što je polipropilen (PP), ali pokušaji nisu bili uspešni.
5. Osiguranje izuzetnih karakteristika Toplotne izolacije plastičnih prozora U skladu sa RAL standardom kvaliteta
Relevantna udruženja za osiguranje kvaliteta suočila su se sa razvojem u projektovanju plastičnih prozora i zajedno sa IfT Rozenhajm su razvili Vodič FE-13/1 – Usaglašenost plastičnih prozorskih profila – koji uzima u obzir izmenjene granične uslove. Korišćenjem raznih scenarija testiranja i zahteva vodič se bavi pitanjima da li je „novi“ projekat prozora sa visokim stepenom toplotne izolacije usaglašen sa kriterijumima spremnosti za upotrebu. Samo sistemi sa pozitivnim rezultatima testiranja mogu se koristiti za proizvode koji nose etiketu kvaliteta u skladu sa RAL standardom. Oni se između ostalog testiraju za usaglašenost sa sledećim zahtevima:
- deformacija usled klimatskih opterećenja
- dugoročno održavanje karakteristika pri izlaganju opterećenja
- dozvoljene dimenzije i težine krila napravljenog od odgovarajućih profila
- detalji očvršćavanja okova koji nose opterećenje
- čvrstoća ugaonih spojeva u oblastima kroz koje prolazi voda
To predstavlja razumnu dopunu standarda EN 14351 – 1 i 2006 + A1:2010
6. Devet pravila za plastične prozore koji su pogodni za upotrebu
a. Optimizacija pojedinačnih karakteristika ne sme se dešavati izolovano,
b. Potrebno je uzeti u obzir deformacije usled klimatskih opterećenja kao i simetričnu projekciju,
c. Plastični prozori zahtevaju „kičmu“ koja će držati staklo i podnositi opterećenje vrata,
d. Proizvođači jedinica izolacionog stakla potvrđuju kompatibilnost stakla sa sistemima vezivanja,
e. Ojačanja i dimenzije krila prilagođavaju se težini,
f. Okovi i način njihovog pričvršćivanja prilagođavaju se težini jedinice stakla/krila,
g. Profili moraju biti ispravno obrađeni i zavareni da bi oblasti kroz koje teče voda ostale vodonepropusne,
h. Prozor vredi onoliko koliko i njegova ugradnja u omotač zgrade.
i. Sistemi testirani u skladu sa FE 13/1 su pogodni za upotrebu.
ZAKLJUČAK
Proizvođači koji razvijaju prozorske sisteme nastaviće da se suočavaju sa izazovima. Iako trenutni projekti još uvek mogu da zadovolje zahteve EnEV 2009, možda neće moći da zadovolje strožije zahteve koji će stupiti na snagu. Iz tog razloga je neophodno razviti projekte sa boljim karakteristikama i tražiti nova rešenja kojima će se zadovoljiti budući zahtevi. Takva rešenja ne smeju biti usmerena samo na toplotnu izolaciju !
Prozori uvek moraju zadovoljavati zahteve korisnika sa svim svojim osobinama i karakteristikama. To označava ne samo usaglašene podatke o karakteristikama, nego i usaglašavanje stavki poput ergonomičnosti rada i pogodnosti za namenjenu upotrebu. Potrošači danas nedvosmisleno očekuju da proizvodi budu trajniji i sigurniji za upotrebu. Međutim, odgovornost onih koji razvijaju fasadne elemente ide i van prozora kao proizvoda. Mora se obaviti integrisanje prozora u omotač zgrade, zato što samo pravilno ugrađeni prozori mogu obezbediti trajno funkcionisanje.
Projektovanje prozora, da bi proizvod ostao konkurentan, zahteva konstantne : inovacije, usavršavanje i razvoj.
