Анализ теплофизических свойств оконных профилей

Оконные профили из дерева, ПВХ и алюминия

Светопрозрачные ограждающие конструкции обеспечивают естественную освещенность помещений и возможность визуального контакта человека с окружающей средой. Они обладают необходимыми теплозащитными, звукоизоляционными, прочностными и светотехническими качествами. Повысить теплозащиту остекления можно различными методами – переходить от двухслойного остекления к трехслойному, использовать оптимальную толщину воздушной прослойки в однокамерных стеклопакетах с массовым применением теплоотражающих покрытий или применять двухкамерные стеклопакеты, утеплять торец стеклопакетов (возможность использования битумных дистанционных рамок), применять малотеплопроводные инертные газы и так далее.

Что же касается повышения теплозащитных качеств профилей, то возможны следующие варианты:
— для деревянных – применение бруса большей толщины;
— для ПВХ – переходить на более совершенные профильные системы с большим количеством камер и соответственно с большей толщиной профиля;
— для алюминия – применение «теплого профиля» с термовставками и заполнением камер эффективным утеплителем.

Деревянный профиль

Хотелось бы напомнить, что теплопроводность материалов различна:
• для дерева λдер=0,18 Вт/(м • оС);
• для ПВХ λПВХ=0,15…0,2 Вт/(м • оС);
• для алюминия λАлюм=221 Вт/(м•оС).

Из перечисленных материалов видно, что дерево и ПВХ обладают примерно одинаковой теплопроводностью, а алюминий — примерно в тысячу раз хуже.

В современном производстве деревянных окон (рис. 1) применяется трехслойный клеенный брус. Он имеет ряд преимуществ перед столяркой старого образца, так как коробка меньше усыхает и исчезает «дутье» с окон. Современные деревянные окна характеризуются развитой системой уплотнений и отвода атмосферной влаги. Тем не менее, как и в старых окнах сопротивление теплопередаче определяется только толщиной.

Теплофизические исследования в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП реально выпускаемых деревянных окон показали, что сопротивление теплопередаче деревянного профиля в зависимости от толщины оконных блоков изменяется от Ro=0,72 (м2•оС)/Вт до Ro=0,98 (м2•оС)/Вт. Но деревянные окна требуют качественного остекления, так как конденсат, стекая со стекла, попадает на дерево, которое потом гниет.


Рис. 1 Элементы деревянного «евроокна»
1 – коробка (рама); 2 – створка; 3 – штапик; 4 – уплотнитель.

Поливинилхлоридный профиль

Следующим материалом по своим теплозащитным качествам является поливинилхлорид (ПВХ). Он по своему химическому составу относится к группе термопластов, для которых характерно быстрое снижение механических свойств при повышении температуры. Это обуславливает сильную зависимость свойств поливинилхлорида от температуры. Зависимость модуля упругости ПВХ от температуры приведена на рис. 2.



График (на рис.2) показывает различные свойства ПВХ в определенном интервале температур. Так:

1) наблюдается резкое падение прочностных свойств ПВХ при температуре выше +40 оС, а около температуры +80 оС находится его точка размягчения;

2) наилучшими прочностными свойствами ПВХ обладает при температуре +10 оС…+40 оС;

3) при понижении температуры повышается его хрупкость.

Но не стоит забывать, что эксплуатация окон из ПВХ в стране с суровым континентальным климатом связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными сильной зависимостью свойств материала от температуры. Неслучайно оконные фирмы, с достаточным опытом работы, приостанавливают монтаж окон из ПВХ в зимнее время при температуре наружного воздуха ниже 15…20 оС, чтобы избежать риска хрупкого разрушения профиля. С повышением температуры поливинилхлорид постепенно размягчается – его прочностные характеристики постепенно падают.

Следовательно, применение ПВХ окон недопустимо в помещениях с повышенными тепловыделениями.

Вместе с тем ПВХ профиль имеет ряд преимуществ перед деревом. Он не рассыхается, обеспечивает отличную герметичность, дешев и является «лидером» по изготовлению окон. По своей конструкции (рис. 3) все ПВХ системы образованы тонкостенными полыми профилями, имеющими несколько камер, заполненных воздухом. В основном используются профили с трех четырех и пятикамерным строением профиля. При этом, с увеличением числа камер возрастает термическое сопротивление теплопередаче профиля, а также его жесткость. Толщина стенок профиля составляет 1,5…3 мм. В настоящее время наиболее распространены профили с тремя камерами (рис. 3): с основной камерой, дренажной камерой и камерой для крепления фурнитуры (поз. 1, 2, 3 соответственно). Основная камера служит для установки усилительного вкладыша (армирования). Армирующий вкладыш выполняется из оцинкованной стали (реже – из алюминия) и предохраняет профиль от избыточных прогибов, которые имеют место вследствие низкого значения модуля упругости ПВХ. За счет наличия армирующего вкладыша окна из ПВХ получили свое второе название – «металлопластиковые окна». Дренажная камера оконного профиля предназначена для отвода наружу воды, проникающей через уплотнения при сильном дожде и ветре. Системы уплотнения и водоотвода из профиля неразрывно связаны между собой и оказывают гораздо большее влияние на теплозащитные свойства оконного профиля и оконного блока в целом.


Рис. 3. Конструкция оконных профилей из ПВХ:
а) трехкамерные рама и створка; б) пятикамерные рама и створка.
I – профиль коробки (рама), II – профиль створки (створка), III – штапик, III’ – штапик с коэкструдированным уплотнением;
1 – основная камера, 2 – дренажная камера (предкамера), 3 – камера дл крепления фурнитуры, 4 – дополнительная камера для увеличения термического сопротивления, 5 – армирование, 6 – паз для крепления фурнитуры, 7 – пазы для крепления дополнительных профилей, 8 – паз для крепления штапика, 9 – наклонный фальц для отвода воды, 10 – водоотвод, 11 – уплотнение, 12 – подкладка под стеклопакет.

Теплофизические исследования в климатическом комплексе Киев ЗНИИЭП реально выпускаемых ПВХ окон показали, что сопротивление теплопередаче ПВХ профиля в зависимости от количества воздушных каналов изменяется от Ro=0,55 (м2•оС)/Вт до Ro=0,91 (м2•оС)/Вт (в зависимости от количества камер в профиле). Добиться повышения сопротивления теплопередаче профиля можно, перейдя на более совершенные профильные системы с большим количеством камер, перейдя на стекла с энергосберегающими покрытиями.

По теплозащитным характеристикам установлено, что значение приведенного сопротивления теплопередаче профиля и их комбинаций, предназначенных для эксплуатации в отапливаемых помещениях, должно составлять (0,4…0,9) (м2•оС)/Вт в зависимости от количества, размеров и размещения камер. Сопротивление теплопередаче профилей определяется в соответствии с ДСТУ Б В.2.617 либо ГОСТом 26254 в составе изделия для которого он предназначен.


Таблица 1. Экспериментальные значения сопротивления теплопередаче ПВХ профилей Ro, (м2•оС)/Вт, полученные в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП

Алюминиевый профиль

Алюминиевые окна хорошо известны в нашей стране еще со времен Советского союза. «Холодный» алюминиевый профиль применялся при строительстве большинства административных зданий. В настоящее время на рынке современных алюминиевых окон представлены развитые профильные системы как отечественных, так и зарубежных производителей. Следует отметить, что в отличие от профильных систем из ПВХ, которые ориентированы на заполнение небольших оконных проемов жилых и общественных зданий, алюминий занимает одно из основных мест в фасадных технологиях (остекленные фасады многоэтажных административных зданий, купола и своды, а также фонари верхнего света). Алюминий в светопрозрачных конструкциях применяется там, где крайне необходимо остеклить большие площади, воспринимающие значительные по величине динамические и статистические нагрузки. Фасадные системы из алюминиевых профилей выдерживают значительные по величине ветровые нагрузки; на профили воздействует собственный вес стекла и температурные напряжения.

На сегодняшний день алюминиевые профили подразделяются на две группы: «холодный профиль», служащий для изготовления окон, применяемых в не отапливаемых объектах, и «теплый профиль» для окон и остекленных дверей отапливаемых помещений.


Рис. 4. Конструкция алюминиевых профилей с термовставками:
I – профиль рамы, II – профиль створки,
1 – рама, 2 – створка, 3 – полиамидные вставки, 4 – штапик, 5 – уплотнители, 6 – прокладка под стеклопакет.

Конструкции алюминиевых профилей с термовставками показаны на рис. 4.

Термовставки закатываются между алюминиевыми профилями на вальцовозакаточной линии с высокой степенью прочности по геометрии комбинированного профиля.

За счет полиамидных вставок осуществляется разрыв горизонтальных стенок профиля, через которые тепло теряется вследствие высокой теплопроводности алюминия. Необходимо отметить, что, несмотря на применение изолирующих вставок, термическое сопротивление профилей из алюминия остается более низким по сравнению с оконными профилями из других материалов.


Рис. 5. Алюминиевые профили с повышенными теплозащитными характеристиками:
а) с заполнением между термовставками вспененным полиуретаном,
б) с многокамерной термовставкой.
1 – профиль рамы, 2 – профиль створки, 3 и 3’ – штапики, 4 – термовставка, 5 – уплотнители, 6 – дополнительный профиль, 7 – заполнение полиуретаном, 8 – стеклопакет.

Теплофизические исследования в климатическом комплексе Киев ЗНИИЭП реально выпускаемых алюминиевых окон показали, что сопротивление теплопередаче алюминиевого профиля изменяется от Ro=0,31 (м2•оС)/Вт до Ro=0,53 (м2•оС)/Вт.


Таблица 2. Экспериментальные значения сопротивления теплопередаче алюминиевых профилей Ro, (м2•оС)/Вт, полученные в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП

Выводы

По совокупности требований, предъявляемых к оконным конструкциям, окна из ПВХ являются наиболее перспективной технологией с точки зрения массового строительства. Деревянные окна, трудоемкое производство которых несопоставимо по затратам с ПВХ окнами, рассматриваем как своего рода элитное направление. Перспективным можно считать применение комбинированных дерево-алюминиевых окон, сочетающих в себе теплоту дерева изнутри и защитные свойства алюминия снаружи.


Л.Ф. Черных, к.т.н., с.н.с., руководитель отдела строительной теплофизики,
П.А. Дац, инженер