ГлавнаяПо теплотехническим показателям светопрозрачные ограждения представляют наиболее слабое звено в системе наружных ограждающих конструкций. Доля теплопотерь через традиционные светопрозрачные ограждения здания составляет от 30 до 50% от общей их величины. Конструкция и размеры остекления оказывают существенное влияние на поддержание микроклимата в помещениях и на расход энергии инженерным оборудованием зданий.
Окнами или заполнениями световых проемов называют элементы стеновых конструкций, предназначенные для общения помещений с окружающим пространством, их вентиляции и естественного освещения, защиты от атмосферных и шумовых воздействии. Указанные особенности окон важны при проектировании систем естественной вентиляции и естественной освещенности помещений зданий. По физиологическим показателям оптимальные условия естественного освещения достигаются при ширине окон, равной 55 % ширины комнаты. Следует также помнить, что максимальное использование естественного освещения - одна из составляющих экономии энергии при эксплуатации зданий. В состав «окон» входят оконный проем с откосами, оконный блок, системы уплотнения монтажных зазоров, подоконные доски, детали отлива и облицовок.
В зданиях жилого и нежилого фонда PB и других стран СНГ до 1980 года оконные заполнения были в основном деревянными с раздельными или спаренными переплетами и с двойным остеклением. Оконные блоки их глубоко посажены в четверти проемов. Во многих случаях рядом с окном устраивались приточные воздушные клапаны. Сопротивление теплопередаче наиболее часто используемых окон представлены в табл. 5.1. Схема остекления описывается его формулой, например, 3х40х3 (3 мм стекло х40 мм воздушная прослойка х3 мм стекло).
В жилых домах старой постройки окна, в основном, имеют площадь до 2 м2 с шириной оконных проемов от 0,9 до 1,4 м. Для проветривания окна имели форточки. Расстояние между переплетами варьировалось от 50...80 мм до 150...200 мм. Оконное стекло толщиной 2,5...4,0 мм.
Теплозащитные качества окон оцениваются величиной сопротивления теплопередаче RТок или коэффициентом теплопередачи Кок. Перенос теплоты через обычные оконные заполнения сложный процесс, включающий многообразие процессов конвективного и лучистого теплообмена и теплопроводности. Для конструкций обычных оконных заполнений, представленных в табл. 5.1, выполнены достаточно обширные аналитические исследования процессов переноса теплоты. В указанных работах оконное заполнение рассматривалось в условиях стационарного режима как неограниченная пластина с граничными условиями 1-го, 2-го или 3-го рода. Указанный подход справедлив для центральной зоны окна, в которой можно моделировать одномерный перенос теплоты. Ho в зоне сопряжения стеклопакета с блоком, также как блока со стеной, одномерность теплового потока нарушается, и задача переноса переходит в двухмерную. Учитывая этот фактор, теплозащитные свойства окон по величине приведенного сопротивления теплопередаче следует определять экспериментально, используя для этого стенды с климатическими камерами.
Испытания оконных заполнений проводятся в соответствии с требованиями. Результаты испытаний позволяют оценить приведенное сопротивление теплопередаче оконного блока и стеклопакета, но не учитывают влияния контакта блока со стеной. Т.е. не учитываются реальные условия эксплуатации оконных заполнений, влияющих на температурное поле оконных откосов и блока.
Современная архитектура и строительство развивается в направлении широкого использования светопрозрачных ограждающих конструкций. Проектируются и строятся здания, у которых площадь остекления достигает 70...80% от общей площади ограждений (рис. 5.1).
С увеличением остекления в летний период года увеличиваются теплопоступления в здания за счет солнечного облучения и, как следствие, стоимость систем вентиляции и кондиционирования воздуха и их эксплуатации. В зимних условиях повышаются теплопотери зданий и эксплуатационные затраты на их отопление.
Повышенное остекление допустимо в общественных зданиях, работающих продолжительную часть дня с большим потоком посетителей. Они, как правило, имеют большие внутренние объемы и глубину. Это здания выставок, аэропортов, торговых центров, вокзалов и другие.
Современные методы остекления, модульный, спайдерный, структурный, вместе с широко используемым стоечно-ригельным, находят все более широкое распространение в строительной практике.
Возрастает строительство зданий с двойными фасадами различной модификации. Их использование, по мнению европейских и американских специалистов, открывает возможности для снижения тепловых затрат на поддержание микроклимата помещений, как за счет конструктивных особенностей двойных фасадов, так и за счет их комбинирования с инженерными системами.
Примером такого комбинирования служит организация естественной вентиляции здания с двойным фасадом. Наружный слой вентилируемого фасада выполнен из стекла со щелевыми отверстиями в верхней и нижней частях (рис. 5.2). Внутренний слой -однокамерный стеклопакет с фрамугой в верхней части окна. Наружный воздух поступает в вентилируемую прослойку через нижнее отверстие, а в помещение - через открытую фрамугу. Из вентилируемой прослойки воздух выходит в верхнее отверстие наружного слоя остекления.
Описанная конструкция «двойного фасада» позволяет в летний период года при температурах воздуха выше tн > 5°С, использовать естественную вентиляцию для поддержания микроклимата помещений без применения систем механической вентиляции или кондиционирования воздуха. При необходимости дополнительного охлаждения помещений могут быть использованы теплоемкие перекрытия с замоноличенными трубопроводами, по которым циркулирует холодная вода. Примером организации естественной вентиляции «двойного фасада» и с использованием охлаждающих потолков, может служить здание «Commerzbank» в Германии. Обеспечение оптимального режима работы инженерных систем в данном здании осуществляется «интеллектуальной» системой управления микроклиматом.
Использование «двойных фасадов» в климатических условиях PB, РФ и других стран СНГ связано с рядом проблем, как в зимних, так и летних условиях эксплуатации. В зимних условиях необходимо обеспечить такой тепловлажностный режим воздушной прослойки и помещений, прилегающих к ней, который позволит избежать конденсации водяного пара из воздуха на поверхностях остекления, особенно в зонах силовых элементов. В летних условиях необходимо защищать помещения от перегрева при поступлении солнечной энергии через фасад.
Критический анализ применения «двойных фасадов» приведен в работе.
He менее важным направлением в использовании современных методов остекления является строительство и ремонт зданий жилого и общественного назначения.
Теплозащитные качества по величинам приведенного сопротивления теплопередаче светопрозрачных фасадов, атриумов, оконных и балконных заполнений должны соответствовать требованиям действующих нормативных документов. При этом наблюдается тенденция периодического повышения указанной величины. Так, например, в Республике Беларусь величина сопротивления теплопередаче оконных заполнений принимается равной RТпр = 1,0м2*оС/Вт.
В энергосберегающих программах г. Москвы предложено с 1 января 2015 г. установить для окон RТ = 1,0м2*оС/Вт, а с 1 января 2020 г. не менее RТ = 1,1м2*оС/Вт,
В зарубежных странах требования к теплозащитным характеристикам окон еще более высоки. В Германии, Австрии, Швейцарии при возведении современных зданий используются оконные заполнения с сопротивлением теплопередаче RТ =1,2...1,25м2*оС/Вт, что соответствует коэффициенту теплопередачи K = 0,80...0,83 Вт/(м2*оС).
Окна имеют значительно более низкое сопротивление теплопередаче по сравнению с аналогичным показателем наружных стен и представляют конструкцию с пониженной теплозащитой. С целью повышения теплозащитных качеств окон разработаны и разрабатываются новые конструкции блоков, увеличивается число слоев остекления с использованием стеклопакетов в деревянных, ПВХ и других переплетах и т.д.
Стеклопакет представляет герметичную пространственную конструкцию из нескольких стекол, разделенных прослойкой, заполненной газом. Между стеклами размещены дистанционные рамки с адсорбентом - силикагелем, гранулированным цеолитом и др. (рис. 5.3).
Конструкция стеклопакета описывается его формулой представляемой по схеме 4-12-4 (4 мм стекло, 12 мм воздух, 4 мм стекло) или 4-16Аr-4И (4 мм стекло, 16 мм аргон, 4 мм стекло с покрытием).
Теплозащитные качества оконных заполнений также зависят от сопротивления теплопередаче их несветопрозрачной части. Принято считать, что одним из эффективных решений, позволяющих реализовать повышенные требования по теплозащите, является использование окон в пластмассовых переплетах со стеклопакетами.
Особенностью оконных блоков из ПВХ, изготовленных из многокамерных профилей жесткого поливинилхлорида армированного металлическими элементами, являются:
- узкая ширина профиля блока;
- устройство одинарных, реже спаренных переплетов;
- высокое качество уплотнения притворов;
- использование металлических элементов усиления.
К недостаткам окон, изготовленных с использованием профиля из поливинилхлорида, следует отнести подверженность их деформациям под действием повышенных температур и внешних нагрузок. Для усиления профиля выполняется армирование металлическими вкладышами, которые способствуют сохранению линейных расширений и сжатий в пределах допустимых отклонений, без коробления, но снижают теплозащитные качества окон.
В изготовлении оконных блоков находят применение также профили из полиэфирных стеклопластиков. Благодаря большой механической прочности стеклопластика оконные блоки изготавливаются без металлических усилителей профилей. А так как стеклопластик имеет коэффициент линейного расширения, практически не отличающийся от коэффициента линейного расширения стекла, то не возникают напряжения в стеклопакетах и в уплотнительной системе окон при изменении температуры.
Изложенная ниже тенденция усовершенствования конструкции принята и при изготовлении оконных блоков из дерева.
Улучшения конструкций блоков и стеклопакетов не всегда дают положительные результаты, т.к. теплозащитные качества оконных заполнений зависят также от расположения блока в проеме, от конструкции и теплотехнических характеристик самой наружной стены.
Указанные особенности современных оконных блоков расходятся с принципами, принятыми при устройстве оконных заполнений для существующего жилого фонда страны, построенного в XX веке и ранее. Поэтому в данной главе рассматриваются, в основном, современные оконные заполнения, их теплотехнические, физические и конструктивные особенности, позволяющие повысить теплозащитные качества ограждающих конструкций зданий. Также приведены примеры эксплуатации помещений и зданий с современным остеклением, в которых сформировались условия, приведшие к нарушениям микроклимата помещений.