Metodyka badań klimatycznych
W zależności od rodzaju konstrukcji okna, ich składu materiałowego oraz powłok zabezpieczających powierzchnie zewnętrzne, destrukcyjny wpływ czynników atmosferycznych na funkcjonowanie, trwałość i estetykę wyrobu może być większy lub mniejszy. Dotyczy to m. in. takich właściwości jak: siły operacyjne potrzebne do obsługi okna, przepuszczalność powietrza, wodoszczelność, przenikalność cieplna. Pod wpływem klimatu środowiska zewnętrznego i wewnętrznego mogą zachodzić niekorzystne zmiany materiałowe: rozwarstwienia, pęknięcia, zmiany barwy, a w skrajnych przypadkach, dotyczących drewna – gnicie i butwienie. Wrażliwość poszczególnych materiałów stosowanych w produkcji okien na różne czynniki klimatyczne jest niejednakowa. Przykładowo: okna drewniane są w znacznie większym stopniu podatne na działanie wilgoci niż okna aluminiowe (z przekładką termiczną) czy z nieplastyfikowanego PVC. Wiąże się to z tym, że drewno – w przeciwieństwie do aluminium i PVC – jest materiałem higroskopijnym, podlegającym pęcznieniu pod wpływem pochłaniania wilgoci z powietrza oraz skurczowi przy wysychaniu. Z kolei okna z PVC w stosunku do okien drewnianych są w większym stopniu podatne na odkształcenia termiczne. Jest to związane, m. in., ze znacznie większym współczynnikiem rozszerzalności liniowej PVC niż drewna.
Do niedawna problem wpływu klimatu, w jakim znajdują się eksploatowane okna i drzwi, na ich właściwości funkcjonalno-użytkowe był w Polsce niedoceniany, brakowało również stosownych metod badań i oceny tego wpływu. Tymczasem w niektórych krajach Unii Europejskiej, zwłaszcza w Niemczech, zagadnienie zmian zachowania się wyrobów stolarki budowlanej pod wpływem działania różnych klimatów jest traktowane niezwykle poważnie (badania klimatyczne okien i drzwi są objęte niemieckim przepisem technicznym z 2005 r.: RAL-GZ 695 Fenster, Haustüren, Fassaden und Wintergärten).
Przykładowo: badania niemieckie drzwi i okien, mające na celu określenie ich przydatności do danego zastosowania rozpoczyna się od badań klimatycznych i jeśli ich rezultaty okażą się negatywne, dalsze badania nie są kontynuowane lecz poszukuje się zmodyfikowanego rozwiązania (materiałowego lub konstrukcyjnego), które następnie podlega ponownemu sprawdzeniu (fot. 1).
Tego rodzaju postępowanie wydaje się być ze wszech miar celowe i pozwala uniknąć błędnych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych przed wprowadzeniem wyrobu do obrotu.
Metoda (a właściwie metody) badań klimatycznych okien są objęte normą europejską ENV 13420:2000, która została wprowadzona do polskiej normalizacji metodą okładkową jako PN-ENV 13420 (U):2006 Okna – Zachowanie się pomiędzy dwoma różnymi klimatami – Metoda badania (rys. 1).
W normie PN-ENV 13420:2006 (U) znajduje się zapis, że badanie zachowania się okna między różnymi klimatami wg tej normy może być stosowane przy okazji wykonywania wstępnego badania typu, tj. do oceny zmian konstrukcyjnych okna lub technologii produkcji. Nie jest to jednak metoda odpowiednia do celów rutynowej kontroli jakości. W uzupełnieniu należy dodać, że – w myśl postanowień normy wyrobu PN-EN 14351-1:2006, dotyczącej okien i drzwi zewnętrznych – badania klimatyczne okien i drzwi są badaniami fakultatywnymi.
Norma PN-ENV 13420 (U):2006 obejmuje m. in.: zakres stosowania normy, definicje, zasadę badania, opis aparatury badawczej i badanych próbek, warunki badania (parametry poszczególnych klimatów), opis metod badań oraz wymaganą zawartość raportu z badań.
Przyjęta w normie metodyka badawcza jest zalecana przede wszystkim do badania okien złożonych z dwóch materiałów, z których jeden stanowi podstawową konstrukcję okna, a drugi jej osłonę (np. okno drewniane z osłoną zewnętrzną aluminiową). Niemniej jednak możliwe jest wykorzystanie tej metodyki w badaniu okien jednomateriałowych.
Norma rozróżnia trzy metody badań, w zależności od wrażliwości okna na przenikanie wilgoci oraz podatności na odkształcenia termiczne:
metoda 1 – zalecana do badania okien wykonanych z materiałów o niskiej odporności na przenikanie wilgoci; dotyczy przypadków, w których występuje niebezpieczeństwo kondensacji pary wodnej wewnątrz przekroju konstrukcji okna;
metoda 2 (warianty: 2.1 i 2.2) – zalecana do badania okien wykonanych z materiałów o wysokiej odporności na przenikanie wilgoci; dotyczy przypadków, w których występuje niebezpieczeństwo kondensacji pary wodnej na powierzchni wewnętrznej lub zewnętrznej okna;
metoda 3 – zalecana do badania okien wykonanych z materiałów szczególnie podatnych na odkształcenia termiczne.
Wymagane temperatury, wilgotności względne oraz czasy ekspozycji okien, w badaniach klimatycznych ww. metodami podano w tablicach 1 i 2.
Przed i po ekspozycji okna w poszczególnych klimatach wykonywane są badania odkształceń, sił operacyjnych oraz przepuszczalności powietrza. Ponadto dokonuje się oględzin stanu powierzchni okna w celu sprawdzenia czy nie uległa ona uszkodzeniom bądź zmianie barwy.
Analizując treść normy PN-ENV 13420:2006 (U) można stwierdzić, że jej zapisy są w wielu miejscach nieprecyzyjne, pozostawiając ich interpretację badaczowi.
Przykłady przedstawiono poniżej.
Przykład 1: w odróżnieniu od normy PN-EN 1121:2001 Drzwi – Zachowanie się pomiędzy dwoma różnymi klimatami – Metoda badania – norma PN-ENV 13420:2006 (U) nie określa sposobu badania odkształceń okna oraz nie wyznacza miejsc, w których powinny one być zbadane (odrębnym problemem jest brak wymagań w odniesieniu do wartości dopuszczalnej odkształceń).
Przykład 2: norma nie precyzuje kryteriów, na podstawie których można uznać stabilizację wilgotności materiałów higroskopijnych w oknie za dokonaną (co stanowi 
jeden z warunków zakończenia ekspozycji klimatycznej w badaniu wg metody 1).
Przykład 3: norma nie podaje wartości dopuszczalnych odchyłek temperatury i wilgotności względnej zadawanych klimatów.
Pierwsze polskie badania klimatyczne okien
W listopadzie 2007 r. w Laboratorium Lekkich Przegród i Przeszkleń Instytutu Techniki Budowlanej rozpoczęto – pierwsze w Polsce – badania klimatyczne okien. Badania te są prowadzone w ramach tematu naukowo-badawczego NL-80 Wpływ zróżnicowanych czynników klimatycznych na właściwości funkcjonalno-użytkowe okien i drzwi balkonowych. Wstępne badania objęły okno z drewna sosnowego klejonego warstwowo, systemu SKJ-94T oraz okno z kształtowników z nieplastyfikowanego PVC, systemu IDEAL 4000.
Badane wyroby były oknami jednorzędowymi, jednodzielnymi, ze skrzydłem rozwieranym (okno drewniane) oraz ze skrzydłem rozwierano-uchylnym (okno z PVC). Wymiary zewnętrzne okien były jednakowe: Sz x Hz = 1020x1840 mm. Obydwa okna były oszklone szybą zespoloną 4/16/4, wypełnioną argonem. W obu oknach były zastosowane okucia obwiedniowe firmy WINKHAUS. Okno drewniane zostało wykonane jako rozszczelnione. W celu rozszczelnienia producent wyciął fragment uszczelki przylgowej typu KDA 7T na górnym ramiaku skrzydła, na długości 38 cm, zastępując go w tym miejscu uszczelką płaską. Wygląd ogólny okien podczas badań w komorach klimatycznych oraz szczegóły czujników pomiaru temperatury i przemieszczeń przedstawiono na fot. 2, 3, 4 i 5.
Okno drewniane poddano badaniu wg metody 1, natomiast okno z kształtowników z PVC – wg metody 3. Przed badaniami obydwa okna były kondycjonowane przez 8 dni w temperaturze 20oC i wilgotności względnej powietrza 65%. Zarówno kondycjonowanie jak też ekspozycja w zadanych klimatach odbywały się w komorach klimatycznych, przedstawionych na fotografiach 2 i 3. W przypadku okna drewnianego – bezpośrednio przed ekspozycją w klimatach „A” i „B” oraz po 15 cyklach klimatu zmiennego (patrz: tablica 1 i rys. 2) – dokonano oględzin ich powierzchni, pomierzono wartości sił operacyjnych i zbadano przepuszczalność powietrza. Ponadto odnotowano stan początkowy odkształceń oraz wilgotności względnej drewna ram ościeżnicy i skrzydła.
Wszystkie badania prowadzono na oknie umieszczonym w komorze klimatycznej. Wilgotność względna drewna była mierzona wilgotnościomierzem materiałowym typu LB-796, metodą pojemnościową. Siły operacyjne wyznaczano przy użyciu dynamometru elektronicznego o zakresie 0÷20 daN, natomiast przepuszczalność powietrza była badana z zastosowaniem aparatury pomiarowej i urządzeń wytwarzających ciśnienie próbne p=0÷600 N, obsługujących sąsiednią komorę ciśnieniową typu HOLTEN. Odkształcenia określano na podstawie pomiarów przemieszczeń 3 miejsc wyznaczonych na ramiaku przymykowym skrzydła po stronie zamykania (zewnętrznej): w górnym i dolnym narożu oraz w połowie wysokości ramiaka. Odczytów przemieszczeń dokonywano przy lekko uchylonym skrzydle (do stałej bazy). Do pomiarów przemieszczeń zostały użyte czujniki elektroniczne typu PSx100 (fot. 4 i 5), o zakresie 0÷100 mm, przy czym odczyty wartości przemieszczeń były wyświetlane na ekranie monitora zestawu komputerowego w postaci cyfrowej i w formie wykresu. Sterowanie badaniem i jego kontrola, w tym zapis ciągły parametrów badania (temperatura, wilgotność względna, przemieszczenia), odbywały się przy użyciu programu komputerowego, opracowanego specjalnie do celu badania.
Wyniki badania okna drewnianego przedstawiono w Tablicy 3.
Okno z kształtowników z PVC było poddane – zgodnie z wymaganiami metody 3 – ekspozycji, kolejno w klimacie „A”, a następnie w klimacie „C” (patrz: Tablica 2). Wszystkie pomiary i oględziny wykonywano w sposób identyczny jak w przypadku okna drewnianego, z tym, że ze względu na rodzaj materiału konstrukcyjnego (nieplastyfikowany PVC) – nie mierzono jego wilgotności względnej. Badanie okna 
tworzywowego odbywało się w oddzielnej komorze klimatycznej.
Wyniki badania okna z kształtowników z PVC przedstawiono w Tablicy 4.
W obydwu badanych oknach nie stwierdzono po badaniach (w oknie drewnianym – po 15 cyklach badawczych wg metody 1) uszkodzeń powierzchni i zmiany wyglądu zewnętrznego. Podczas trwania ekspozycji w zadanych klimatach w żadnym momencie nie wystąpiła kondensacja pary wodnej na powierzchni okien.
Wnioski
1. Badania klimatyczne, wykonane przed wprowadzeniem okna do obrotu, pozwalają na doświadczalną weryfikację projektu okna pod kątem jego odporności na czynniki atmosferyczne i klimat wewnętrzny.
2. Analiza zapisów normy badawczej PN-ENV 13420:2006 (U) wskazuje na konieczność ich doprecyzowania i uzupełnienia, ponieważ w wielu miejscach pozostawiają one badaczowi możliwość różnej interpretacji.
3. Wprowadzeniu do praktyki doświadczalnej normy PN-ENV 13420:2006 (U) powinno towarzyszyć ustalenie kryteriów oceny wyników badań i opracowanie wymagań dla okien w zakresie ich odporności na wpływy klimatyczne.
4. Uzyskane rezultaty badań okna drewnianego są pozytywne, gdyż sprawdzone – po jego ekspozycji w zadanym klimacie – wartości sił operacyjnych oraz przepuszczalności powietrza spełniają w tym 
zakresie wymagania stawiane tego typu wyrobom (siły operacyjne odpowiadają 2 klasie wg PN-EN 13115:2001, tj. nie przekraczają 30 N, zaś współczynnik infiltracji zawiera się w przedziale 0,5÷1,0 m3/hm(daPa)2/3, wymaganym dla okien rozszczelnionych). W przypadku okna z kształtowników z PVC wyniki badania można uznać za pozytywne tylko częściowo. Wprawdzie uzyskane wartości końcowe sił operacyjnych umożliwiają otwieranie i zamykanie okna bez większych trudności (nie przekraczają 100 N, co odpowiada 1 klasie wg PN-EN 13115:2001), ale przepuszczalność powietrza przez okno – po ekspozycji w zadanych klimatach – zwiększyła się kilkunastokrotnie, powodując wzrost średniego współczynnika infiltracji do wartości 0,36 m3/hm(daPa)2/3, 
tj. powyżej wartości 0,3 m3/hm(daPa)2/3, maksymalnie dopuszczalnej dla okien nierozszczelnionych.
5. Wyniki przeprowadzonych badań klimatycznych wskazują, że – zarówno w przypadku okna drewnianego, jak też (w szczególności) okna z kształtowników z nieplastyfikowanego PVC – na pogorszenie właściwości okien największy wpływ ma różnica temperatur po obu stronach okna i związane z tym jego odkształcenia. W oknie drewnianym, prawidłowo zabezpieczonym powłoką ochronną (malarską lub inną) wilgotność względna powietrza otoczenia i jej wahania nie powodują istotnych zmian właściwości okna.
6. Kontynuacja badań zachowania się okien w różnych klimatach, na większej liczbie próbek i bardziej zróżnicowanym asortymencie (rozszerzonym np. o okna aluminiowe z przekładką termiczną, okna aluminiowo-drewniane i tzw. okna pasywne), pomoże ustalić, precyzyjniej niż dotąd, zależność między rozwiązaniem materiałowo-konstrukcyjnym okna, a jego odpornością na oddziaływanie czynników klimatycznych.
mgr inż. Marek Żarnoch
ITB
więcej informacji: Świat Szkła 1/2008
