Новейшие технологии теплоизоляции и вентиляции с помощью окон и фасадов

Дипл. инженер Юрген Бениц-Вильденбург,
Начальник отдела PR & Kommunikation, ift Розенхайм

После саммита 2007 года тема глобального изменения климата у всех на слуху. И если «учёные» всё ещё ведут дебаты о том, фикция это или действительность, каждый из нас уже ощущает климатические изменения. Во всём мире люди страдают от ливней, наводнений, ураганов, экстремальных температур и засух. Эти катастрофы во многих регионах мира известны уже давно, а сегодня они достигли Европы. Это признано в Германии и в других европейских странах на государственном уровне. В строительной отрасли повышаются требования к теплоизоляции зданий, что ведёт к динамичному развитию технологий.

Развитие технологий теплоизоляции в строительстве

В Германии до сих пор свыше 40% первичной энергии потребляется для отопления, теряется при вентиляции в жилищном секторе. Из этого количества около 30% приходится на такие элементы зданий как окна, двери и фасады. Поэтому первоочередными задачами и целями отрасли являются следующие:

• Дальнейшее повышение требований к коэффициенту теплопроводимости
(U) окон и фасадов предполагает, что коэффициент Uw должен составлять 0,8 - 2 W/(m²K).
• Доля теплопотерь при проветривании, которая всё больше увеличивается по отношению к потерям при теплопередаче, должна быть сведена к минимуму.
• Эффективные системы теплозащиты летом должны предотвратить потребление ценной энергии для охлаждения.
• С помощью окон и фасадов необходимо внести вклад в сбережение энергии.

Многие из этих требований уже учтены в виде норм в актуальной версии стандарта DIN 18599 «Энергетическая оценка зданий; Расчёт полезной, конечной и первичной энергии, потребляемой для отопления, кондиционирования, вентиляции, нагревания питьевой воды и освещения», так что в нежилом строительстве для окон и фасадов учитывается кроме коэффициента U также потребление энергии для освещения и кондиционирования. При санировании зданий, однако, существует опасность, что дискуссии будут вестись исключительно вокруг коэффициента U окон и стекла, а такие преимущества как выигрыш в энергии или улучшение комфорта окажутся на заднем плане. Эта отрасль должна подчёркивать энергетические свойства окон и фасадов и учитывать возможный выигрыш в энергии, представляя его в виде понятной величины, например в виде реального коэффициента U. Активная дискуссия об энергосбережении, усовершенствовании характеристик зданий и их ремонте даёт хорошие шансы для завоевания большей доли рынка, путём создания мощных и экономичных продуктов. Программы ЕС по поддержке эффективного энергосбережения в строительстве стимулируют потребителей и инвесторов.

Рис. 1 Динамика коэффициента Uw на фоне повышения требований в Германии



При оценке энергетических характеристик окон, фасадов и стекла определяющими являются такие показатели:

• Потеря тепла при трансмиссии происходит как через элемент строительной конструкции, так и через тепловые мосты, которые возникают после монтажа окна в наружную стену. Параметрами измерения являются коэффициент теплопроводимости окна Uw, фасада Ucw, а также линейный коэффициент тепловых мостов Ф.

• Пассивное накопление солнечной энергии и использование дневного света характеризируются такими величинами, как степень пропускания энергии g, а также степень световой трансмиссии rv. При оценке пассивного накопления солнечной энергии следует учитывать, что наряду с желательным накоплением во время отопительного сезона происходит накопление также и летом, поэтому нужно не допускать перегрева здания и, как следствие, использования энергии для кондиционирования. Следует учитывать взаимосвязь между наличием дневного света и средствами защиты от него.

• Теплопотери от вентиляции с помощью окна характеризуются таким показателем, как класс герметичности. Обычные конструкции обладают высоким уровнем герметичности, поэтому они почти не влияют на потребление энергии для отопления. Согласно немецкому Постановлению об энергосбережении для окон зданий высотой до двух этажей предусмотрен класс герметичности 2 как минимум, а в трёхэтажных – класс 3. Согласно DIN 4108 для мест соединения конструкций коэффициент a должен быть меньше, чем 0,1 m³/(lfm (daPa) 2/3).

Рис. 2 Окно в функции современного накопителя энергии


Диапазон коэффициента U в Германии возрастёт для новостроек от Uw = 1,4 W/(m2K) - 1.5 W/(m2K) в настоящее время до Uw = 1,0 - 1,2 W/(m2K) (в 2009 г.) и до Uw = 0,8 - 1,2 W/(m2K) (в 2012 г.). Это серьёзный вызов для современных конструкций. Современные конструкции металлических окон, однако, уже сейчас достигли своих границ. Например, для окна стандартных размеров 1,23 m x 1,48 m, с коэффициентом Uf = 1,4 W/(m2K), с высококачественным двухкамерным стеклопакетом с Ug ≤ 0,7 W/(m2K), для всего окна в целом Uw может достичь только 1,21 W/(m2K) (с алюминиевой рамой) и Uw = 1,14 W/(m2K) (с «тёплой кромкой»).

При использовании двухкамерного стеклопакета требования первого уровня (Uw = 1,0 - 1,2 W/(m2K) ) можно сравнительно легко удовлетворить с помощью современных деревянных и полихлорвиниловых окон. Для выполнения требований второго уровня с коэффициентом Uw = 0,8 - 1,2 W/(m2K) необходимо дальнейшее усовершенствование конструкции рам и профилей.


Рис. 3 Реализация требований немецкого Постановления об энергосбережении EnEV 2009 и 2012



При планировании и оценке фасадов имеется намного больше возможностей для улучшения их теплоизоляционных свойств. Благодаря использованию трёхслойного (двухкамерного) стеклопакета крупных размеров и вакуумных панелей доля коэффициента теплопотери U профилей становится меньше и показатель U для всего фасада в целом можно широко варьировать. Интересно так же, как будет изменяться коэффициент U, если принимать в расчёт воздействие солнечной энергии. Конечно же, это воздействие учитывается при расчётах энергетики по зданию в целом, но ведь прозрачные элементы здания используют солнечную энергию по другому, чем непрозрачные стены.

Рис. 4 Энергетические потери фасада с учётом накопления солнечной энергии



Как видно на рисунке, при любых раскладах стеклопакет обеспечивает прогресс в теплосбережении. Поэтому использование двухкамерных стеклопакетов с двумя защитными покрытиями, аргоновым наполнителем и коэффициентом теплопроводимости Ug 0,7 W/m²K скоро станет стандартом в Германии. Ведь теплотехнические характеристики находятся на первом плане, с точки зрения энергосбережения. Но стеклопакеты, а также окна и фасады должны выполнять и другие функции. Поэтому необходимо учитывать и другие аспекты, например, при использовании стеклопакетов, защищенных от выпадения.

Рис. 5 Конструкция современного двухкамерного стеклопакета



Кроме теплотехнических показателей строительных элементов решающую роль для энергосбережения, а также для предотвращения образования конденсата и плесени играет правильное выполнение монтажа и предотвращение образования тепловых мостов. Тепловые мосты – это слабые в теплотехническом отношении места в оболочке здания, имеющие форму точки, линии или плоские. Они возникают, например, в местах соединения различных строительных элементов или при использовании стройматериалов с разной теплопроводимостью. При постоянном улучшении теплотехнических свойств наружных стен и наружных строительных конструкций слабые места (тепловые мосты в области соединения конструкций) всё больше выступают на первый план. Прохождение тепла в местах соединения существенным образом зависит от уровня расположения окна, а также правильного распределения теплоизоляционного слоя в месте соединения. Положение об энергосбережении в Германии предусматривает в качестве подтверждения три альтернативных варианта:

a) Без специального подтверждения к коэффициенту теплопроводимости всей теплопередающей площади охвата добавлена суммарная величина ΔUwb = 0,10 W/(m²*K).

b) В случае применения конструкций деталей, перечисленных в Списке 2 к стандарту DIN 4108 добавочную величину можно сократить до ΔUwb = 0,05 W/(m²*K); этим самым упомянутые выше потери теплопередачи сокращаются наполовину.

c) Коэффициенты Ф можно определить по стандарту DIN V 4108-6 с помощью каталогов тепловых мостов или специальных многомерных методов исчисления (вычисление изотермы) по DIN EN ISO 10211-2. Следует учитывать при этом, что коэффициент Ф зависит также от избранного способа рассмотрения (на внешней поверхности или на внутренней). Главным принципом планирования должно быть следующее: в конструкции должно быть как можно меньше тепловых мостов. Как правило, повышения коэффициента F в области соединения (примыкания) выше 0,1 W/(m*K) можно избежать путём усовершенствования используемых деталей.

Рис. 6 Оптимальные теплотехнические характеристики при монтаже новых окон



Будут ли окна служить для проветривания в будущем?

Использование новых строительных конструкций и способов проветривания привело к изменениям физических характеристик здания с более высоким уровнем влажности в помещениях и вызвало широкую дискуссию о недостатках проветривания с помощью окон. В Германии были переработаны стандарты DIN 1946-6, 2006-12, «Техника вентиляции в помещениях - Часть 6: Проветривание квартир; Общие положения, Требования к обмеру, изготовлению и маркировке, сдаче/приёмке (приёму) и техническому обслуживанию» и предложены варианты, при которых свободное проветривание должно обеспечивать только минимальный воздухообмен, если это возможно без помощи пользователя. Однако для современных оконных конструкций, как правило, необходимо, чтобы их кто-то открывал и закрывал. Это может привести к тому, что в оболочку здания будут встраивать соответствующие системы с мотором для открывания и закрывания, которые управляются, например, с помощью CO2.

В соответствии с нормативными требованиями в Европе сейчас определены 4 уровня проветривания и необходимые для них объёмы наружных воздушных потоков:

1. Проветривание для защиты от влажности: Проветривание, не зависящее от пользователя (минимальный режим), которое помогает избежать образования плесени и губительного воздействия влаги, в зависимости от уровня теплосбережения при обычном уровне влажности и температуре помещения.

2. Минимальное проветривание: Проветривание, не зависящее от пользователя, которое удовлетворяет минимальные требования к качеству воздуха в помещении при обычной влажности и обычном уровне вредных веществ.

3. Основное проветривание: Проветривание, необходимое для обеспечения защиты здания, а также выполнения требований гигиены и медицины при плановом использовании одной квартиры (обычный режим).

4. Интенсивная вентиляция: Необходимая время от времени вентиляция в усиленном режиме.

Необходимость применения той или иной концепции вентиляции определяется соотношением активного потока инфильтрационного воздуха qI к общему объёму потока наружного воздуха, необходимого для защиты от влаги qA. Если qA > qI, то нужно назначить мероприятия по вентиляции, т.е. воздухообмена с помощью свободной вентиляции недостаточно. Свободное проветривание может иметь место в том случае, если не предъявляется каких-либо особых требований к гигиене, потреблению энергии или звукоизоляции.

Рис. 7 Концепция вентиляции – центральная вытяжка (Вентиляция с помощью окна)



Определение общего объёма потока наружного воздуха на одну квартиру происходит с учётом особенностей здания и других особых требований на том или ином уровне вентиляции по таблице. Этот показатель потом сравнивают с показателем по каждой комнате и устанавливают максимальный. Из общего объёма потока вычисляется тот, который нужно обеспечить с помощью вентиляции, путём вычитания доли инфильтрации. В зависимости от этих показателей в каждом помещении определяют расположение, например, воздушных фильтров в наружной стене при свободной или сквозной вентиляции, или фильтров вентиляторов. Во всех концепциях вентиляции необходимо обеспечить, чтобы вентиляция для защиты от влаги и минимальная вентиляция осуществлялась независимо от пользователя, т. е. при закрытых окнах. Открывающееся окно тем самым может служить только для обычной и интенсивной вентиляции. Его можно, конечно же, использовать также в сочетании с системами принудительной вентиляции. Например, для квартиры с такими параметрами:

• Площадь жилая около 70 м²
• Плотная застройка (т. е. Оценочный воздухообмен при 50 Pa составляет 1,5 ч-1)
• Высокий уровень теплосбережения (новостройка или санированное здание)
необходим объём потока наружного воздуха для защиты от сырости около 30 – 40 м³/ч, а для минимальной вентиляции – 60 – 80 м³/ч, в зависимости от расположения комнат.

Если размеры здания и расположение комнат позволяют свободное движение воздуха (сквозняк), вентиляцию можно осуществлять и с помощью окон. Для этого нужно встроить фильтры для забора воздуха снаружи (ALD) в оконную раму. Для каждого фильтра существуют характеристики в виде кривых линий, которые позволяют определить необходимое количество элементов для минимальной вентиляции. Основное (обычное) и, в случае необходимости, интенсивное проветривание осуществляется путём дополнительного открывания окон. В Институте ift Розенхайм проведено исследование, в ходе которого были описаны основы концепции вентиляции с помощью окон, действующей независимо от пользователя, что нашло своё отражение в норме ift LU-01/1 «Вентиляция через окна, часть 1: Параметры».

Энергосбережение за счёт защиты от солнца

Помимо потребностей в энергии зимой следует принимать в расчёт затраты энергии на кондиционирование летом. Эти затраты могут – в зависимости от климата, оснащения и предназначения здания, а также использования кондиционеров – превосходить количество энергии для отопления во много раз. Два самых важных фактора сокращения влияния климата – это защита от солнца летом (затенение) и охлаждение путём проветривания. Прежде всего, очень важно отрегулировать ночное охлаждение. Лучше всего расположить средства защиты от солнца снаружи, поскольку тогда тепло вообще не будет попадать в помещение. Недостатком подвижных средств защиты, типа жалюзи или маркиз, является то, что они часто бывают неэффективными при большой скорости ветра. В первую очередь это касается высоких зданий. Стационарные или подвижные металлические приспособления для защиты от солнца хоть и очень эффективны и выдерживают большие нагрузки, но они очень сильно изменяют вид фасада, а их вторичные несущие конструкции занимают много места и дорого стоят. Солнцезащитное стекло само по себе, как правило, не может при интенсивном освещении удерживать энергию от попадания внутрь помещения. Стеклопакет предлагает альтернативу в вопросах защиты от солнца.

Рис. 8 Защита от солнца интегрирована в пространство между стёклами



Такие новые системы обеспечивают хорошее затенение, не изменяют вида фасада и не подвергаются воздействию климата или непогоды. Именно такие подвижные системы могут гибко реагировать на изменения времени года, дня и ночи, и имеют высокий уровень эффективности в любых условиях применения. Сюда относятся, прежде всего, солнцезащитные элементы между стёклами многокамерного пакета. Монтаж солнцезащитных элементов типа жалюзи, занавесок или решёток в герметически закрытые пространства между стёклами даёт интересные системные преимущества:

• Средства защиты от солнца не подвергаются воздействию погоды. Тем самым их можно использовать даже при больших ветровых нагрузках и высоте здания
• Уход ограничивается очищением поверхности стекла
• Простота решения всех вопросов между производителями фасадов, стеклопакетов и средств защиты от солнца, поскольку стекло и солнцезащита поставляются из одних рук
• Энергетические параметры сравнимы с параметрами наружных систем солнцезащитных средств.

Решающим фактором для длительного и безупречного применения в строительстве является осведомленность о том, как и где применяется та или иная система, а также, где границы её использования. Главными критериями оценки пригодности системы являются:

• Обеспечение герметичности краевого соединения, чтобы оно не пропускало газ
• Предотвращение возможности попадания влаги в краевое соединение
• Предотвращение фоггинга (осадок материала на внутренней стороне стекла)
• Обеспечение длительного использования
• Предотвращение трещин стекла под воздействием высоких климатических нагрузок путём расчётов толщины стекла

Для размещения солнцезащитных средств в пространствах между стёклами необходимо увеличить расстояния между ними, чтобы подвижные части этих средств даже при неблагоприятных климатических условиях не касались поверхности стекла, т.е., очень важно, чтобы оконные стёкла имели соответствующие размеры. Увеличение пространства между стёклами увеличивает также нагрузку внутри системы. Это приводит к повышению нагрузки на краевое соединение стеклопакета и увеличению прогиба стёкол. Требования для обычных стеклопакетов в соответствии с европейским стандартом DIN EN 1279 «Строительное стекло – многокамерные стеклопакеты» не подходят для оценки пакетов со встроенными средствами солнцезащиты. Необходимо проверить эти системы в оригинальном исполнении, чтобы оценить функциональность кабельных проводок и влияние конструктивных свойств. Чтобы эти продукты соответствовали высоким требованиям суровой повседневной практики, Институт ift Розенхайм разработал Директиву ift VE-07/2 «Многокамерные стеклопакеты с встроенными подвижными солнцезащитными средствами», по которой можно испытывать и оценивать продукт, чтобы обеспечить его высокое качество и длительный срок использования.

Приведенные данные были озвучены на V Международном Конгрессе «ОКНА. ДВЕРИ. ФАСАДНЫЕ СИСТЕМЫ 2008», организатором которого выступила корпорация Primus Exhibitions Group