Новости

Новости

Теплотехнические особенности современных оконных заполнений


В массовом строительстве и при выполнении капитального ремонта первоначально распространение получили оконные блоки из ПВХ-профиля с толщиной коробки b = 60 мм. Толщина коробок наиболее распространенных деревянных оконных блоков снизилась до 70...80 мм.
Установка оконных блоков с малой толщиной коробок повлекла ряд проблем, основные из которых:
- повышенные теплопотери через оконные откосы наружных стен, вызывающие конденсацию водяного пара из воздуха помещений;
- выпадение конденсата на поверхности стеклопакетов в местах сопряжения с переплетами;
- сложность обеспечения требуемого воздухообмена в жилых квартирах с естественной вентиляцией в холодный период года при закрытых окнах.
Причины дефектов хорошо видны при рассмотрении температурного плоского поля узла сопряжения оконного блока с наружными неутепленными кирпичными стенами (рис. 5.11).

Тепловой поток через откосы, огибая профили и четверть кладки, направляется в сторону наружной поверхности стены. При этом блок окна, толщиной 60 мм и участки откосов проемов находятся в зоне температур ниже температуры точки росы воздуха помещения tв = 18 °С, фв = 55 %).
Недостатком окон из профиля ПВХ является то, что он не устойчив к температурным воздействиям. При повышенных температурах может начаться коробление, изменение цвета профиля, т.е. перестройка молекулярной структуры материала. Профили светлого цвета выдерживают температуры в пределах 43...50°С, а цветные до 80°С. При высоких температурах и пожарах пластики выделяют токсичные вещества, в том числе и диоксин.
Оконные блоки из хвойной древесины соответствуют всем требованиям по прочности, устойчивости к воздействию ультрафиолетового излучения и дождей, перепадам температур. Они изготавливаются из клееной древесины. Многослойность оконного бруса обеспечивает стойкость к деформациям деревянного профиля. В многослойном брусе отдельные его слои (ламели) расположены таким образом, что волокна их древесины направлены в разные стороны. В этом их защита от коробления при изменениях влажности среды. Блоки, выполненные из клеевой древесины, обработанные диффузионно-проницаемыми красками, способны сохранять свои физико-технические характеристики в диапазоне температур от - 45 до +50°С. Срок их эксплуатации от 40 до 50 лет.
Изготавливают блоки из древесины и с теплоизоляционным ядром из вспененного полиуретана или пробки. Замена в трехламерном клееном брусе среднего слоя древесины на слой из полимерного материала с коэффициентом теплопроводности Л < 0,05 Вт/(м*°С) повышает сопротивление теплопередаче блока до RТб = 1,0...1,1 м2*°С/Вт.
Использование комбинации «дерево-алюминий» позволяет изготавливать двухслойные конструкции оконных блоков. Древесина составляет внутренний, обращенный в помещение слой профиля, а алюминиевый внешний. Коэффициент теплопередачи данного профиля в пределах К = 1,7...2,0 Вт/(м2*°С), сопротивление теплопередаче RТb = 0,5...0,6 м*°С/Вт. Срок эксплуатации больше 30 лет.
Использование профилей из алюминия и стали для оконных заполнений и фасадов допускается, если существуют требования к их механической прочности, или их применение экономически обосновано, а также по другим соображениям.
Повышение теплозащитных качеств современных окон может быть осуществлено с одновременным повышением сопротивления теплопередаче несветопрозрачной части оконного блока, светопро-зачных стеклопакетов и узлов примыкания оконных блоков к наружной стене.

где RТок - приведенное сопротивление теплопередаче оконного заполнения, м2*°С/Вт;
RТб, RТст, RТпр - сопротивление теплопередаче соответственно блока, стеклопакета и узла примыкания, м2*°С/Вт.
В инженерных расчетах приведенное сопротивление теплопередаче окна RТок приближенно может быть определено по формуле:

где Fс и Fb - площади остекления и непрозрачной части (блока), м2;
Из (5.6) следует, что для повышения сопротивления теплопередаче окна необходимо повышать одновременно сопротивление теплопередаче, как блока, так и остекления.
Оконные блоки из пластика изготавливают из профиля, количество камер в котором может быть до семи. Повышенное сопротивление теплопередаче блоков достигается при заполнении камер профиля частично или полностью эффективным теплоизолирующим материалом или увеличением ширины блока до 100...120 мм и створок до 70 мм.
Например, заполнение теплоизоляционным материалом части камер шестикамерного оконного блока REHAU GENEO позволило повысить сопротивление теплопередаче его до RТб = 1,2 м2*°С/Вт при толщине блока b = 86 мм (рис. 5.12).

Конструкция профиля позволяет установить стеклопакеты толщиной до 53 мм.
Увеличить сопротивление теплопередаче оконного блока можно путем использования профильных систем монтажной глубины свыше 100 мм (рис. 5.13).
Использование широких профилей не вносит существенно влияния на приведенное сопротивление теплопередаче всего окна, но значительно улучшает температурный режим узла сопряжения оконного блока и стеклопакета. Повышение температуры на внутренней поверхности стеклопакета снижает вероятность конденсации водяного пара из воздуха помещения в случаях нарушения их микроклимата.

Профильная система Topline Plus (рис. 5.14) имеет сопротивление теплопередаче оконного блока RТб = 1,37 м*°С/Вт. Геометрия профиля при ширине 104 мм, в сочетании со специальными теплоизоляционными вставками, обеспечивает коэффициент теплопередачи окна К = 0,8 Вт/(м2*°С), повышенные шумоизолирующие характеристики. По теплозащитным качествам оконные заполнения VEKA TOPLINE Plus соответствуют требованиям Института пассивных зданий.
Использование широких профилей уменьшает светопропускание окна, так как непрозрачная часть имеет большие размеры, как импоста, так и комбинации блок-створка. Применение двух энергосберегающих стекол также снижает светопропускание, а так как это основная функция окна, то следует учитывать, что повышение энергосбережения ведет к потере светопропускания.
В окнах из дерева также имеет место увеличение ширины профиля и его высоты, снижающее их светопропускание.
Основное влияние на приведенное сопротивление теплопередаче окон оказывают теплозащитные качества стеклопакетов. Перенос теплоты через стеклопакет происходит излучением, конвекцией и теплопроводностью. Повышать теплозащитные качества его можно, уменьшая или изменяя интенсивность и механизм процессов переноса теплоты, учитывая при этом требования условий летней и зимней эксплуатации.

Величиной, характеризующей теплозащитные качества светопрозрачных конструкций в зимних условиях эксплуатации, служит приведенное сопротивление теплопередаче. В летних же условиях определяющую роль играют элементы солнцезащиты, определяемые конструкцией и характеристиками остекления.
Наиболее интенсивным видом переноса теплоты через стеклопакеты является излучение.
Солнечное излучение в видимой и инфракрасной областях имеет длину волн Л = 0,4...3,0 мкм. Обыкновенное оконное стекло почти полностью отражает или поглощает излучение в ультрафиолетовой области Л < 0,4 мкм. Проницаемость его для видимой части спектра Л = 0,4...0,8 мкм и инфракрасной Л = 0,8...3,0 мкм составляет 80...90%.
Коротковолновое излучение, проникнув в помещение, поглощается конструкциями и предметами обстановки и превращается в теплоту. В дальнейшем эта теплота в виде длинноволнового излучения с Л > 3 мкм остается в помещении. Покинуть его через окно оно не может, т.к. для излучения с Л > 3 мкм оконное стекло почти непроницаемо.
При оценке теплотехнических и солнцезащитных характеристик стеклопакета по отношению к потоку энергии излучения пользуются следующими основными характеристиками:
E - поток солнечной энергии падающей на остекление, Вт;
ER - процент солнечной энергии отраженный от остекления, %;
R - отражательная способность стекла;
EA - процент солнечной энергии поглощенный остеклением, %;
А - поглощательная способность стекла;
ED - процент солнечной энергии прошедшей сквозь остекление, %;
D - пропускательная способность стекла.
На рис. 5.15 представлена схема, показывающая потоки энергии, взаимодействующие с одинарным стеклопакетом.
Общий поток энергии, прошедший через стеклопакет, равен сумме потоков энергии непосредственно прошедший через него -DET и энергии, излучаемой внутрь помещения EA", после преобразования её из коротковолновой в длинноволновую.

Оценка солнцезащитных качеств стеклопакета выполняется по величине солнечного фактора, определяющего отношение общей энергии, поступившей в помещение, к энергии, падающей на остекление

Для сравнения в табл. 5.3 приведены солнцезащитные характеристики некоторых стеклопакетов, в конструкции которых использованы энергосберегающие стекла.

Из характеристик стеклопакетов, представленных в табл. 5.3, видно, что отражательная способность их лежит в пределах ER = 31-42 %, а солнечный фактор SF = 10,4-24 %, что существенно позволяет снизить энергозатраты на кондиционирование помещений в летний период года.
Для снижения передачи энергии через стекло используются различные покрытия, пропускающие через него излучения с короткой или длинной волной спектра.
Стекло с низкоэмиссионным покрытием пропускает внутрь помещения коротковолновую часть солнечного излучения и задерживает длинноволновую. Низкоэмиссионное покрытие наносят различными способами. При изготовлении стекла его поверхность химическим путем покрывается тонкопроводящим прозрачным слоем окислов металлов, что значительно снижает излучательную способность стекла. Такие покрытия называют «защитными».
Другой метод покрытия, называемый «солнцезащитным», заключается в вакуумном напылении многослойной (чередующейся серебро-диэлектрик) пленки. Такие стекла значительно превосходят «защитные» по своим теплосберегающим свойствам.
Наносимые на поверхность стекла покрытия выполняют определенные функции. Так, увеличение отражения достигается покрытием стекла материалом с коэффициентом преломления большим, чем коэффициент преломления стекла. Применение оксида титана (TiО2) — для покрытия стекол одинарного пакета уменьшает поступление энергии в помещение с 73 % до 40 %.
Различают стекла с мягким и твердым покрытием. Мягкие покрытия, i-покрытия, подверженные повреждениям при эксплуатации, как правило, наносятся на поверхность стекла, обращенную внутрь стеклопакета. Твердые покрытия, k-покрытия, наносятся на наружную поверхность стеклопакета.
Особенность солнцезащитных покрытий - максимальная светопроницаемость в видимом диапазоне волн и повышенное отражение в инфракрасном диапазоне. Кроме того, эти покрытия снижают перенос теплоты излучением через газовую прослойку.
С внутренней стороны стеклопакетов размещают «энергосберегающие» стекла. Их поверхность покрыта низкоэмиссионным оптическим покрытием из электропроводящего металла и защищена вторым покрытием из оксида металла. Тонкие слои создаются из металлов, таких как медь, алюминий, серебро или золото. Покрытия имеют нейтральный цвет и уменьшают теплоизлучающую способность поверхности стекла. Схема низкоэмиссионного покрытия показана на рис. 5.16.

При нанесении солнцезащитного покрытия на поверхность наружного стекла стеклопакета уменьшается поток теплоты в помещение. При установке отражающего стекла со стороны помещения уменьшается отвод теплоты из него.
Теплозащитные качества стеклопакетов зависят от использования при их изготовлении не только стекол с низкоэмиссионным селективным покрытием, но и количества их в изделии. Вследствие этого очевиден переход к применению двухкамерных стеклопакетов, в которых стекла имеют низкоэмиссионное покрытие. При этом стекло, непосредственно контактирующее с внутренним воздухом, преграждает путь энергии из помещения к наружному воздуху. Качество стеклопакетов зависит от их герметичности, которая достигается склеиванием его с применением эффективных герметиков. Стеклопакеты с высокой степенью герметичности изготовляют с двойным уплотнением. При этом первый слой служит для задержания влаги, а второй - обеспечивает необходимую прочность соединения. Благодаря герметичности стеклопакета исключается проникновение сквозь окно пыли, атмосферной влаги, улучшаются тепло- и звукоизоляционные качества окон.
Теплозащитные качества стеклопакетов зависят от расстояния между стеклами. Многочисленные исследования, проведенные на стеклопакетах различной толщины, выявили, что оптимальная толщина газовой прослойки равна 16...20 мм.
Для уменьшения конвективного теплообмена в межстекольном пространстве стеклопакетов необходимо создать вакуум порядка 10в-2...10в-3 мм рт.ст. или заполнить камеры инертными газами - аргоном, криптоном или др.
Применение в стеклопакетах мягкого теплоотражающего низкоэмиссионного стекла и замена воздуха на криптон повышает их теплозащитные качества в 3 и более раз.
Снижение переноса теплоты теплопроводностью осуществляется заменой дистанционных рамок стеклопакета из алюминия на так называемые «теплые» дистанционные рамки. Замена алюминиевой рамки на рамку из термикса повышает температуру на внутренней поверхности у края стеклопакета на 6...7°С.
Если в двухкамерном стеклопакете с двумя энергосберегающими стеклами коэффициент теплопередачи К = 1,1 Вт/(м2*°С), то при заполнении одной из камер аргоном можно добиться коэффициента К = 0,9 Вт/(м*°С), если же две камеры заполняются аргоном, то -К = 0,8 Вт/(м2*°С). При заполнении одной камеры криптоном получаем коэффициент К = 0,7 Вт/(м2*°С), при заполнении двух камер данный коэффициент будет равен 0,6 Вт/(м2*°С).
Таким образом, при заполнении аргоном двух камер в стеклопакете с двумя низкоэмиссионными стеклами сопротивление теплопередаче их будет RТ = 1,25 м2*°С/Вт. Это дает возможность получения энергоэффективных окон.
При выборе оконного заполнения следует учитывать не только теплоизоляционные качества или защиту от солнца, но и защиту помещения от внешнего шума. Акустические характеристики оцениваются показателем изоляции от воздушного шума.
Индекс изоляции воздушного шума Rw стеклопакетов может лежать в пределах от 29 дБ до 51 дБ. Для стеклопакета формулы 4— 12-4 значение индекса изоляции равно 29 дБ. Повышение шумозащитных качеств стеклопакета связано с увеличением его массы, использованием многослойного стекла и стекол, имеющих различную толщину и массу. Т.е. следует учитывать при выборе стекол пакета, что их толщина и звукоизоляционные качества взаимозависимы.
Тот факт, что современные оконные блоки имеют узкие коробки, влияет на повышение теплопотерь через откосы наружных стен и возможность конденсации на них водяного пара из воздуха помещений. Это указывает на необходимость особого внимания к тепловому режиму узлов сопряжения блоков с наружными стенами.
Исключить попадание блока в зону температур ниже температуры точки росы на поверхности откосов можно, если выполнено одно из следующих мероприятий.
1. Смещение оконного блока к центру наружной стены, так чтобы на откосах окна температура была выше температуры точки росы.
2. Устройство или увеличение теплозащиты между оконным блоком и наружной стеной, в том числе и путем установки термовкладышей в толще наружной стены по периметру проема.
3. Теплоизоляция наружных стен и оконных откосов с наружной стороны проемов.
4. Теплоизоляция оконных откосов с внутренней стороны проемов.
Расчеты температурных полей для различных условий сопряжения узлов со стенами кирпичных и панельных зданий показали, что наиболее простыми и эффективными решениями является теплоизоляция проемов с наружной и внутренней стороны (рис. 5.17).

Одним из способов уменьшения теплопотерь через окна является применение стеклопакетов с электронагревом стекла. Их принцип работы довольно простой. Через твердое покрытие стекла пропускается электрический ток, что позволяет выравнивать температуры между наружным воздухом и воздухом в помещении.
Повышение теплозащитных качеств оконных заполнений приводит к уменьшению теплопотерь помещений и, следовательно, мощности и количества отопительных приборов. Ho в то же время предпочтительным остается расположение приборов вдоль окон при соблюдении требования об их размере, составляющем 75% длины окна, а для светопрозрачных конструкций фасадов желательна установка напольных ковекторов отопления с наддувом для обеспечения поступления теплого воздуха вдоль всей плоскости остекления.
Теплопотери через оконное заполнение можно сократить, если размеры подоконника и высота его расположения над нагревательным прибором будут оптимальными в пределах S = 50...100 мм. В этом случае потоки нагретого воздуха от нагревательного прибора беспрепятственно поднимаются вверх, обогревая поверхность стекла.