Development of an energy-efficient wooden window unit made of three-layer glued laminated timber with an integrated XPS thermal insulation insert

UDC 674.214
Publication date: 27.04.2026
International Journal of Professional Science №4(2)-26

Development of an energy-efficient wooden window unit made of three-layer glued laminated timber with an integrated XPS thermal insulation insert

Разработка энергоэффективного деревянного оконного блока из трехслойного клееного бруса с интегрированной теплоизоляционной вставкой XPS

Askarbek Madina Jarkynbekkyzy,
Kurmanbekova Elmira Bazarbaevna,

1. Мaster's student, International Educational Corporation, Kazakhstan, Almaty
2. Associate Professor, International Educational Corporation, Kazakhstan, Almaty

Аскарбек Мадина Жаркынбеккызы,
Курманбекова Эльмира Базарбаевна
1. магистрант, Международная образовательная корпорация, Казахстан, г. Алматы
2. ассоциированный профессор, Международная образовательная корпорация,
Казахстан, г. Алматы
Аннотация: Разработан эффективный подход к повышению энергоэффективности оконных блоков на основе деревянного многослойного клееного бруса с интегрированной теплоизоляционной вставкой XPS и трёхкамерным стеклопакетом. Вследствие использования многослойного бруса обеспечивается повышение прочности и стабильности геометрических размеров рамы, а интегрированная теплоизоляционная вставка снижает теплопотери за счёт уменьшения теплопроводности профиля. Известно, что теплоизоляционные свойства оконных конструкций зависят не только от характеристик стеклопакета, но и от материала рамных профилей, их геометрии и качества сцепления слоёв. В деревянных оконных блоках прочность и долговечность достигаются за счёт многослойного бруса, однако общая энергоэффективность конструкции определяется взаимодействием теплоизоляционной вставки и рамного профиля. В результате исследований установлено, что применение вставки XPS обеспечивает значительное снижение теплопроводности и формирует дополнительные зоны термоизоляции в местах соединений, что улучшает теплоизоляцию всего блока. Интеграция трёхкамерного стеклопакета с оптимизированной рамной системой позволяет повысить сопротивление теплопередаче и акустический комфорт помещений. Предложенный способ конструирования оконного блока обеспечивает сочетание высокой прочности деревянного профиля с повышенной энергоэффективностью, что делает конструкцию пригодной для применения в малоэтажном и энергоэффективном строительстве.

Abstract: An effective approach to improving the energy efficiency of window units based on laminated timber with an integrated XPS thermal insulation insert and a triple-glazed unit has been developed. The use of laminated timber increases the strength and dimensional stability of the frame, while the integrated thermal insulation insert reduces heat loss by reducing the thermal conductivity of the profile. It is known that the thermal insulation properties of window structures depend not only on the characteristics of the insulating glass unit but also on the material of the frame profiles, their geometry, and the adhesion quality of the layers. In wooden window units, strength and durability are achieved through the use of laminated timber, but the overall energy efficiency of the structure is determined by the interaction between the thermal insulation insert and the frame profile. Research has shown that the use of the XPS insert significantly reduces thermal conductivity and creates additional thermal insulation zones at the joints, improving the thermal insulation of the entire unit. The integration of a triple-glazed unit with an optimized frame system improves thermal resistance and acoustic comfort in the premises. The proposed window unit design combines the high strength of a wooden profile with increased energy efficiency, making the structure suitable for use in low-rise and energy-efficient construction.
Ключевые слова: деревянный оконный блок, клееный брус, экструзионный пенополистирол, трехкамерный стеклопакет, аргоновое заполнение, теплопередача, теплоизоляция, звукоизоляция.

Keywords: wooden window unit, laminated timber, extruded polystyrene foam, triple-glazed unit, argon filling, heat transfer, thermal insulation, sound insulation.

Введение

В последние годы в строительной отрасли быстро развивается экологически ориентированная «зеленая» тенденция, обусловленная ограниченной доступностью традиционных энергетических ресурсов и необходимостью повышения энергоэффективности зданий. Поскольку жилые здания потребляют значительное количество энергии, снижение теплопотерь через ограждающие конструкции здания является критически важной задачей для обеспечения устойчивого развития и повышения теплового комфорта [1, 10].

Оконные системы существенно влияют на энергоэффективность зданий: они обеспечивают естественное освещение и вентиляцию, но при этом выступают одним из основных источников тепловых потерь [10, 13]. В отличие от непрозрачных элементов конструкции, окна обладают повышенной теплопроводностью вследствие наличия стеклопакета, рамных профилей и монтажных соединений [13]. Даже при применении современных стеклопакетов значительные теплопотери наблюдаются в зонах тепловых мостов, особенно в местах угловых соединений рам и в узлах примыкания [2, 14, 15].

Тепловые характеристики окон в значительной степени зависят от материала и конструкции профиля рамы. Древесина является перспективным материалом благодаря низкой теплопроводности, экологичности и благоприятным механическим свойствам [11, 20]. Теплопроводность древесины варьируется в зависимости от направления волокон и плотности, поэтому это необходимо учитывать при проектировании конструкций [12]. Использование клееного многослойного бруса повышает геометрическую стабильность и долговечность оконных систем за счет снижения внутренних напряжений и деформаций [4, 12].

Исследования последних лет направлены на повышение энергоэффективности окон за счет совершенствования как стеклопакетов, так и рамных конструкций. Экспериментальные работы показывают, что конфигурация стеклопакета и конструкция рамы оказывают существенное влияние на теплопередачу и звукоизоляцию [5, 7]. Одним из перспективных направлений является интеграция теплоизоляционных материалов в структуру рамы, что позволяет снизить теплопередачу за счет разрыва теплового потока при сохранении прочностных характеристик [6, 8].

Несмотря на значительное количество исследований отдельных элементов оконных систем, большинство из них рассматривает стеклопакеты, материалы рам и теплоизоляцию отдельно [10, 11]. Комплексные решения которые учитывают их совместное влияние, остаются недостаточно изученными. В связи с этим актуальной задачей является разработка деревянных оконных конструкций с повышенными тепло- и звукоизоляционными характеристиками при сохранении конструкционной надежности [3, 18].

 

Читать далее…

References

1. Tukhtamisheva, A., Adilova, D., Banionis, K., Levinskytė, A., Bliudžius, R. Optimization of the thermal insulation level of residential buildings in the Almaty region of Kazakhstan. Energies, 2020, 13(18), 4692. https://doi.org/10.3390/en13184692
2. Moumtzakis, A., Zoras, S., Evagelopoulos, V., Dimoudi, A. Experimental investigation of thermal bridges and heat transfer through window frame elements at achieving energy saving. Energies, 2022, 15(14), 5055. https://doi.org/10.3390/en15145055
3. Ostapska, K., Jensen, T. M., Gullbreken, L., Ruther, P. Developing slimmer timber window frame. World Conference on Timber Engineering 2023 (WCTE 2023), 3823-3828. https://doi.org/10.52202/069179-0497
4. Nakano, K., Hattori, N., Koide, M., Imago, M., Yamada, Y., Ogawa, T. Life cycle assessment of structural glued laminated timber production with different dimensions and exposure conditions. Journal of Wood Science, 2025, 71, 36. https://doi.org/10.1186/s10086-025-02212-1
5. Miskinis, K., Dikavičius, V., Burlingis, A. The acoustic and thermal characteristics of wooden triple glazed windows. Noise Control Engineering Journal, 2016, 64(4), 485–499. https://doi.org/10.3397/1/376395
6. Verichev, K., Díaz-López, C., García-Ruíz, A., Valdenegro, F. Window frame design optimization analysis based on hygrothermal performance and the Level(s) framework. Buildings, 2025, 15(12), 2126. https://doi.org/10.3390/buildings15122126
7. Dulak, L., Nowoświat, A. Effect of window structure and mounting on sound insulation: a laboratory-based study. Sustainability, 2025, 17(15), 6892. https://doi.org/10.3390/su17156892
8. Park, S.-H., Kim, S.-H., Jeong, J.-Y., Kim, H.-J., Seo, D.-H. Detailed building energy impact analysis of XPS insulation degradation using existing long-term experimental data. Energies, 2025, 18(13), 3260. https://doi.org/10.3390/en18133260
9. Wangchuk, P. Hygrothermal analysis of wooden frame and cross-laminated timber wall for energy efficiency and durability in Bhutanese climate. M.A.Sc. thesis, Concordia University, Montreal, Canada, 2023.
10. Qiu, X., Gong, M., Kaboorani, A. A case study on the energy efficiency of windows in institutional and residential buildings. Buildings, 2025, 15(19), 3478. https://doi.org/10.3390/buildings15193478
11. Wang, Z., Yao, L., Shi, Y., Zhao, D., Chen, T. Optimizing the performance of window frames: a comprehensive review of materials in China. Applied Sciences, 2024, 14(14), 6091. https://doi.org/10.3390/app14146091
12. Swedish Wood. The glulam handbook – Volume 1: Facts about glulam. Stockholm, 2024. Available at: Glulam Handbook Volume 1 (PDF)
13. Simões, N., Moghaddam, S. A., da Silva, M. G. Review of the experimental methods for evaluation of windows’ thermal transmittance: from standardized tests to new possibilities. Buildings, 2023, 13(3), 703. https://doi.org/10.3390/buildings13030703
14. Šadauskienė, J., Ramanauskas, J., Krawczyk, D. A., Klumbytė, E., Fokaides, P. A. Investigation of thermal bridges of a new high-performance window installation using 2-D and 3-D methodology. Buildings, 2022, 12(5), 572. https://doi.org/10.3390/buildings12050572
15. Qin, X., Liu, H., Zhang, X., Jiang, N., Yang, L., Jin, X. Thermal analysis of the window-wall interface for renovation of historical buildings. Energy and Buildings, 2024, 310, 114108. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114108
16. Saadatian, S., Freire, F., Simões, N. Embodied impacts of window systems: a comparative assessment of framing and glazing alternatives. Journal of Building Engineering, 2021, 35, 102042. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.102042
17. Saadatian, S., Rodrigues, C., Freire, F., Simões, N. Key drivers of life-cycle environmental and cost assessment of windows for different European climate zones. Journal of Building Engineering, 2022, 50, 104206. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104206
18. Búryová, D., Vaňová, R., Gregor, M., Uhrín, R., Sedlák, P. Life cycle perspectives of fixed and operable wooden windows. Buildings, 2025, 15(24), 4490. https://doi.org/10.3390/buildings15244490
19. Vidmar, G., Repič, R., Lesar, B., Humar, M. Crack size in coating and moisture problems comparing thermally modified and native spruce window frame profiles using hygrothermal simulations. European Journal of Wood and Wood Products, 2024, 82, 2109–2119. https://doi.org/10.1007/s00107-024-02149-0
20. Valentini, F., Maracchini, G., di Filippo, R., Dorigato, A., Bursi, O. A prospective life cycle assessment of insulation and window systems under evolving electricity and recycling scenarios for building energy retrofit in Italy. Energy and Buildings, 2025, 347(A), 116245. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.116245
21. Ahn, N., Park, S. Heat transfer analysis of timber windows with different wood species and anatomical direction. Energies, 2020, 13(22), 6050. https://doi.org/10.3390/en13226050
22. Moghaddam, S. A., Serra, C., Gameiro da Silva, M., Simões, N. Comprehensive review and analysis of glazing systems towards nearly zero-energy buildings : Energy Performance, Thermal Comfort, Cost-Effectiveness, and Environmental Impact Perspectives. Energies, 2023, 16(17), 6283. https://doi.org/10.3390/en16176283
23. Paulos, J., Berardi, U. Optimizing the thermal performance of window frames through aerogel enhancements. Applied Energy, 2020, 266, 114776. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114776
24. Flimel, M. Material optimization of wooden window structures to increase their thermal properties. Applied Mechanics and Materials, 2016, 861, 19–23. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.861.19
25. Cuce, E. Accurate and reliable U-value assessment of argon-filled double glazed windows: A numerical and experimental investigation. Energy and Buildings, 2018, 171, 100–106. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.04.036
26. Jung, W., Kim, D., Ko, S. H. Recent progress in high-efficiency transparent vacuum insulation technologies for carbon neutrality. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2024, 11, 1681–1702 https://doi.org/10.1007/s40684-024-00623-x
27. Peng, J., Tan, Y., Fang, Y., Yang, H., Song, A., Curcija, C., Selkowitz, S. Excellent insulation vacuum glazing for low-carbon buildings: Fabrication, modeling, and evaluation. Engineering, 2025, 53, 18-39 https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.11.027
28. Granzotto, N., Bettarello, F., Ferluga, A., Marsich, L., Schmid, C., Fausti, P., Caniato, M. Energy and acoustic performances of windows and their correlation. Energy and Buildings, 2017, 136, 189–198. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.12.024
29. Buratti, C., Barelli, L., Moretti, E. (2013). Wooden windows: Sound insulation evaluation by means of artificial neural networks. Applied Acoustics, 74(5), 740–745. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2012.12.001