ГлавнаяЭксплуатация оконных заполнений сопровождается протеканием взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса через оконные блоки, стеклопакеты и сопряжения блока с наружной стеной. Наличие контакта окна с внешней и внутренней средой, изменяющей свои температурные и влажностные режимы, как по периодам года, так и в течение суток, вызывает появление определенных дефектов. К основным, часто встречающимся, дефектам относятся:
- разрушение стеклопакета из-за термошока;
- разрушение стеклопакета из-за избыточно высокого или низкого давления в газовой (воздушной) прослойке;
- увеличение воздухопроницаемости притворов и монтажных швов;
- конденсация водяного пара в местах сопряжений стеклопакета с оконным блоком;
- конденсация водяного пара на откосах оконных проемов.
а. Разрушение стеклопакета из-за термошока.
При перепадах температур по поверхности стеклопакета возможно быстрое расширение стекла на одном более нагретом участке. Если остальные участки стеклопакета остаются холодными и препятствуют расширению нагретого, возникают растягивающие напряжения. При превышении величины напряжений механической прочности стекла, возникает разрушение, известное, как «термический шок». Термошоку подвержены неупрочненные стекла находящиеся под неравномерным нагревом.
Избежать термошока можно при увеличении сопротивления стеклопакета разрушающим напряжениям, т.е. увеличивая его прочность. Достигается указанное использованием в стеклопакете закаленного стекла, обладающего напряжением сжатия в поверхностных слоях.
б. Разрушение стеклопакета из-за избыточно высокого или низкого давления в газовой (воздушной) прослойке.
В летний и зимний периоды года, из-за разности температур, между давлением газа в герметичной камере стеклопакета и атмосферным давлением среды возникает их перепад. Величина перепада давлений может стать критической и привести к разрушению стекла, на которое ложится нагрузка.
Обезопасить стеклопакет от возможного разрушения можно при соблюдении определенных правил изготовления. К ним относятся:
- выбор отношения высоты к ширине не более 4;
- принятие размеров изделий не менее 350 х350 мм;
- применение в двухкамерных изделиях дистанционных рамок одного размера.
Разрушение от разности давлений не страшно для стеклопакетов, в конструкции которых использовано закаленное стекло.
в. Увеличение воздухопроницаемости притворов и монтажных швов.
Поступление наружного воздуха через оконное заполнение может происходить по периметру створок, по монтажному шву или в сопряжении блок-подоконник.
Основной причиной, вызывающей повышение воздухопроницаемости окон служат температурные деформации профиля. При высоком перепаде температур на внешней и внутренней сторонах профиля, из-за большого коэффициента линейного температурного расширения ПВХ, возникают его деформации как в продольном направлении, с изгибанием по дуге, так и в поперечном сечении, с выворачиванием элементов коробки и притворов. Термическую деформацию испытывает и стеклопакет из-за возникновения изгибающих напряжений. Наличие деформаций приводит к появлению зазоров до 2 мм по ширине.
Появление зазоров может быть также связано с нарушениями технологии монтажных работ, с неверным подбором фурнитуры и с другими причинами.
Подтверждением влияния температурных деформаций на воздухопроницаемость оконных заполнений из профиля ПВХ служат результаты испытаний, представленные на рис. 5.18.
Испытания оконного заполнения выполнены в низкотемпературной камере КТК-2009. Температуры со стороны холодной камеры поддерживались -20°С, -30°С, -40°С, -50°С, перепад давления AP = 0...150 Па.
Анализ графиков L = f(АР) при фиксированных перепадах температур указывает на связь термических деформаций профиля с увеличением объемов воздуха, проходящего за счет фильтрации через заполнение.
Зависимость между воздухопроницаемостью и перепадом давления по сторонам оконного заполнения может быть представлена в виде L ~ AP2/3.
Увеличение воздухопроницаемости окон влечет возникновение сопутствующих дефектов, в основном связанных с конденсацией водяного пара на охлажденных поверхностях.
г. Конденсация водяного пара на внутренней поверхности остекления оконного заполнения.
Особенности конструкции оконного заполнения вызывают неравномерность распределения температуры по высоте поверхности остекления, обращенной в помещение. В Институте технической теплофизики HAH Украины выполнены сравнительные экспериментальные исследования распределения температур и мощности удельных тепловых потоков по высоте современных стеклопакетов. Исследования проведены на двух образцах: однокамерном стеклопакете с простыми стеклами и заполнением прослойки воздухом «4-12-4» и двухкамерном с энергоэффективными стеклами и заполнением прослоек аргоном «4Е-12Аr-4-12Аr-4Е». Дистанционные рамки стеклопакетов из алюминия. При испытаниях стеклопакеты были помещены в оконные блоки из дерева. Результаты исследований оформлены в виде графиков (рис. 5.19).
Графические зависимости, представленные на рис. 5.19, показывают существенную неравномерность распределения температур, а также тепловых потоков, по высоте стеклопакетов. Краевые эффекты влияют на снижение температур по их поверхности у оконных блоков с одновременным увеличением мощности удельных тепловых потоков. Уменьшение температуры в зависимости от сопротивления теплопередаче стеклопакета зафиксировано на 4...10°C по сравнению с центральной зоной, а тепловые потоки увеличились в несколько раз.
К техническим решениям, позволяющим исключить конденсацию пара, относится использование теплоизолирующих дистанционных рамок и более глубокое до 25 мм перекрытие краевой зоны стеклопакета профилем. При выполнении указанных рекомендаций достигается повышение температуры краевой зоны, т.е. снижается вероятность выпадения конденсата. При этом коэффициент теплопередачи окна Kок уменьшается приблизительно на величину 0,04 Вт/(м2*°С), что соответствует повышению величины сопротивления теплопередаче на ARт = 0,08 м2*°С/Вт.
д) Конденсация водяного пара на откосах оконных проемов.
В отопительный период года при изменениях наружных и внутренних температур воздуха, оконное заполнение испытывает нагрузки от расширения и сжатия блока, которые инициируют возникновение в нем напряжений и деформаций, приводящих к появлению трещин и щелей. В первую очередь это относится к узлу сопряжения блока со стеной, через который проходит перенос теплоты и массы. Встречаются направленные навстречу друг другу потоки холодного воздуха, фильтрующегося под действием ветрового и гравитационного давлений, и водяного пара, диффундирующего вследствие разности парциальных давлений его во внутреннем и наружном воздухе. Указанные потоки способствуют снижению температур в узлах сопряжения и на откосах оконных проемов, что приводит к их увлажнению и образованию колоний грибка.
Учитывая многообразие конструкций наружных стен зданий и современных оконных заполнений, решение по снижению передачи теплоты через узел сопряжения, следует искать исходя из формирования его температурного поля. В пределах оконного откоса формируется двухмерное температурное поле, способствующее увеличению оттока теплоты на этом участке ограждения.
Необходимость рассмотрения указанной задачи вызвана отсутствием четкой информации по установке окон в стенах различного конструктивного решения в условиях Республики Беларусь, имеющей отличные от соседних стран климатические условия. Отличие связано с резкими изменениями температуры наружного воздуха, низкими ее величинами, высокой влажностью воздуха, чередованием солнечной и пасмурной погоды в течение дня и т.д.
Исследования температурных полей узлов сопряжений оконных блоков с наружными стенами включает.
1. Составление расчетных схем узлов сопряжений.
2. Расчет температурных полей узлов на основании составленных схем.
Определение температурного поля выполняется для двухмерной области расчетного участка оконного заполнения решением дифференциального уравнения теплопроводности:
где X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м*°С).
На расчетный фрагмент узла накладывается конечно-элементная сетка, в узлах которой определяются температуры, используя результаты решения дискретного аналога уравнения (5.8).
Граничные условия на поверхностях расчетного фрагмента конструкции III-рода. Коэффициент теплообмена внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций принимается равным ав = 8,7 Вт/(м2*°С), наружной поверхности - ан = 23 Вт/(м2*°С).
Температура воздуха внутри помещений tв = 18°С, наружного воздуха - tн в зависимости от тепловой инерции наружных стен «D» и теплофизические характеристики материалов.
Формирование температурного поля узла сопряжения рассмотрено на примере жилого шестнадцатиэтажного дома, наружные стены которого выложены из газосиликатных блоков толщиной S = 400 мм. Плотность бетона р = 500 кг/м3. С внутренней стороны кладка оштукатурена известково-песчаным раствором с наружной - сложным раствором.
Оконные блоки из поливилхлоридного профиля, толщина коробок профиля S= 58 мм. Стеклопакеты двухкамерные.
Температура наружного воздуха tн = -26,0°С (D = 6,6).
Расчеты выполнены для узла сопряжения наружной стены по горизонтальному сечению (рис. 5.20).
Анализ результатов расчета показал, что температура на внутренней поверхности оконного блока равна тпов = 4,6°С, а на откосах проема тпов — 6,1 °С. Указанные температуры ниже температуры точки росы, равной тр = 8,8°С при фв = 55% и tв = 18°С, что означает возможность конденсации водяного пара из воздуха помещения.
Улучшение теплового режима узла сопряжения возможно, если с наружной стороны откосов выполнить четверть из газосиликата той же плотности. Результаты расчета температурного поля новой конструкции показаны на рис. 5.21.
Во втором улучшенном варианте узла температура на поверхности откоса выше температуры точки росы тп > тр = 8,8°С.
Следующий расчет проведен для узла сопряжения оконного блока из трехкамерного профиля из ПВХ со стеной, выполненной кладкой из полнотелого глиняного кирпича с наружной облицовкой керамической плиткой на цементно-песчаном растворе. С наружной стороны стены устроена дополнительная теплоизоляция из плит пенополистирольных р = 15 кг/м3, толщиной слоя S = 60 мм. Co стороны помещения стена оштукатурена известково-песчаным раствором. Толщина кладки S = 510 мм.
Оконный блок, установленный вплотную к четверти кладки, имеет коробку толщиной S = 58 мм. Остекление из двухкамерных стеклопакетов.
Расчетная температура наружного воздуха принята равной tyн = - 4,0°C (D > 7,5).
Расчет температурного поля для горизонтального сечения узла сопряжения представлен на рис. 5.22.
Результаты расчета показали, что на поверхности коробки блока и на участке откоса температура в пределах тп = 7,5...8,8°С, что ниже температуры точки росы для расчетных условий жилых помещений. Отсутствие теплоизоляции на внешней поверхности откосов, отрицательно отразилось на температурном поле всего узла сопряжения.
На рис. 5.23 представлено температурное поле этого же узла после выполнения дополнительной теплоизоляции откоса в пределах от наружной поверхности стены до оконного блока. Толщина слоя теплоизоляции S = 20 мм.
Сравнение температурных полей до теплоизоляции откоса и после показало, что после выполнения дополнительного утепления на откосах со стороны помещения тпов > 9,5°С, что выше температуры точки росы.
На формирование неблагоприятного теплового режима узла сопряжения наружных стен и оконного заполнения часто оказывает влияние проведение неквалифицированного ремонта зданий. Примером служат результаты эксплуатации жилых помещений кирпичного дома после выполнения дополнительной теплоизоляции наружных стен. Толщина наружных стен b = 510 мм. Их дополнительная теплоизоляция выполнена плитами из пенополистирола толщиной b = 60 мм, и плотностью р = 15 кг/м3. Откосы проемов с наружной стороны теплоизолированы плитами толщиной b = 20 мм. Слой теплоизоляции укрыт полимерцементной штукатуркой толщиной b = 4...6 мм.
В первый год эксплуатации после ремонта жилых помещений в угловых сопряжениях откосов с внутренней стороны появились колонии «грибка». Вскрытием откосов со стороны улицы определено, что нижние откосы под металлическими отливами не имеют теплоизоляции. Боковые и верхние откосы проемов теплоизолированы. Выявление причины возникновения колоний грибка на внутренней поверхности откосов определялось на основании расчета объемного распределения температур участка стены в месте его сопряжения с оконным блоком.
Определение температурных полей для трехмерной области расчетного фрагмента ограждающих конструкций выполняется на основании решения дифференциального уравнения теплопроводности вида:
В уравнении (5.9) те же обозначения, что и в уравнении (5.8). Расчет проводится при граничных условиях III рода по той же методике, что и уравнения (5.8).
На расчетный фрагмент ограждающих конструкций накладывается сетка, в узлах которой определяются температуры на различных участках, используя результаты решений дискретных аналогов уравнения (5.9).
Полученное температурное поле узла сопряжения наружной стены с оконным блоком показано на рис. 5.24.
Минимальная температура на внутренней поверхности сопряжения получена равной tп = 8,2°С при расчетных условиях D = 2,4; tн = -28°С. Эта температура ниже температуры точки росы тр = 8,8°С, что указывает на возможность конденсации водяного пара из воздуха помещения и увлажнения откоса.