ВСЕ, ЧТО НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ ПРО ОКОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Советы архитектора
LitinskyandLitinsky. com

 

Это третья статья из цикла моих статей "Советы архитектора" посвященных теме строительных материалов и конструкций тем людям, которые озадачены вопросами строительства, но не могут определиться с выбором конструкции. В последнее время появилось большое количество компаний на нашем отечественном рынке, в сфере производства оконных систем. Такое обилие брендов привносит путаницу, ведь каждый из них настаивает на эксклюзивности своих инженерных решений. В принципе, можно выделить три основных сегмента рынка исходя из основного материала рамной конструкции. Наибольший сегмент это металлопластик. Из-за своей относительной дешевизны и хороших эксплуатационных характеристик многие покупатели отдают предпочтение именно ему, но так же, кроме этого определенные сегменты заняли окна из так называемого «теплого алюминия» и из традиционного материала - древесины.
Вторым актуальным вопросом является выбор стеклопакетов. Одно, двух или трехкамерные с различными типами покрытий, они не зависят от бренда и материала рамы, но их конструкция играет не маловажную роль.

Актуальные критерии по которым можно будет проанализировать конструкции следующие:
-Воздействие внешних атмосферных факторов на работу конструкции и их оценка;
- Энергоэффективность конструкции, влияние качества монтажа на теплозащитные свойства;
- Долговечность материалов конструкции;
- Экономическая целесообразность.

ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Для оконных систем такие же как и для стеновых конструкций. Воздействие воздушного и теплового напора, осадков, солнечного тепла или холода, а так же шума с одинаковой силой обрушиваются как на стены так и на окна. Окна значительно тоньше по сравнению со стеною и более уязвимы, поэтому они являются предметом очень серьезной инженерной разработки. В нынешнее время, для оценки различных внешних воздействий, я чаще всего сталкиваюсь в своей практике с номенклатурой европейских строительных норм (еврокодами ). Это и не удивительно, ведь практически все современные оконные технологии были завезены из стран зарубежья. Как и в отечественной промышленности, эти испытания проводят определенные научно-испытательские лаборатории, такие например как «ift Rosenheim» -( международный научно-испытательский центр по пригодности строительной продукции ). Основой испытаний есть тест на выносливость разным воздействиям, которые симулируют реальные явления. Итак давайте рассмотрим по ближе эти значения.

Индекс понижения звука обозначается как Rw- он отображает способность оконной системы снижать шумовую нагрузку и выражается в децибелах(dB).
Частота звуковой волны для проведения испытаний составляет чаще всего от 100 Гц до 3150Гц . Такая волна не учитывает низкочастотные колебания и верхних частот, ведь человеческое ухо может уловить частоту звука условно от 16 до 22000 Гц, но по сути отображает основные звуковые колебание которые могут причинить дискомфорт. Звуки между 16 и 100гц имеют характер ударного происхождения, а звуки выше 3150 Гц это те колебания которые перестают быть характерны основным частотам человеческой речи.
Rw оконной рамы не имеет абсолютного значения и зависит от звукоизоляционных качеств стеклопакета, установленного в оконной системе, поэтому его показатели могут варьироваться где то в пределах 2-10 dB.

Воздухо проницаемость оконной системы (англ.- air permeability или air tightness) измеряет способность конструкции пропускать температурный напор воздуха, возникающий при разнице температур между внутренней и внешней средою, и ветровой напор, возникающий от перемещения воздушных масс. Согласно норм еврокода , показатели воздухопроницаемости должны отвечать одному из четырех классов. Максимальное давление предусмотренное таблицей в 600 Па соответствует скорости ветра 30м/с оказываемое на 1м² при плотности воздуха в 1,2 кг/м³. Фактически, это ветер при сильной штормовой погоде.
На (рис. 1) приведена таблица в которой отображены классы и их значение.

Рис.1

Устойчивость влагопроницаемости (англ.- water tightness) измеряет возможность проникновения влаги в конструкцию, симулируя штормовую погоду. Тест проводится до того момента, когда влага начнет проникать в конструкцию. Однако класс определяется крайним значением давления воздуха, при котором вода подающиеся через форсунки, все еще не проникает в незащищенную конструкцию оконной системы по истечении определенного тестом времени. Так, например, класс 9а соответствует давлению в 600 Па и отрезку времени в 55мин.( см.рис.2)
 

Рис.2

Некоторые оконные системы способны выдерживать и большие нагрузки чем предусмотрено максимальными табличными значениями, в этом случаи указывается сверх класс через префикс «Е» и к нему дописывается давление в (Па) при котором оконная система по истечению указанного времени сохранила герметичность. Например Сlass E1250.
 
Сопротивление ветровым нагрузкам (англ.- wind load resistance) измеряет структурную прочность оконной системы под воздействием ветрового напора воздуха, который возникает при соударении его с окном. Тест проводится с повышением давления до потери целостности конструкции. Давление воздуха для Сlass 5 соответствует 2000Па. Такая сила обрушивающаяся на 1м² эквивалентна скорости ветра 60м/с при плотности воздуха 1,2 кг/м³, и является по сути сильнейшим ураганом. Этот тест на прямую связан с устойчивостью рамы к прогибу(англ.- bending of frame) от ветровой нагрузки. ( см.рис.3)
 

Рис.3

Как и в случаи с влагопроницаемостью, некоторые окна выдерживают и большие нагрузки, чем те, что определены в таблице. Они так же обозначаются с префиксом «Е» и показанием давления в Па, при котором оконная система еще сохраняет свою структурную целостность. Рассмотрев основные воздействия можно сделать вывод, что окна соответствующие наивысшим классам действительно является невероятно прочными и герметичными. В заключении этого раздела необходимо упомянуть о том, что теплотехнические и шумоизоляционные показатели, а так же показатели по воздухо- и влагопроницаемости для разных систем будут зависеть от количества контуров уплотнения, а так же во многом на изоляционные показатели окна в целом влияет качественная обвязка створки и рамы фурнитурой. Окна стандартно имеют два или три контура уплотнения в зависимости от производителя. Уплотнение обычно изготавливают из технического каучука.
 
Есть еще один метод испытание, но он главным образом ориентирован на окно в сборе и предназначен для оценки устойчивости взлому.( англ.- burglar resistance). Обозначаются классы европейских окон чаще всего через префикс «WK», это от немецкого (widerstandsklasse), то есть класс стойкости, но так же встречаются через префикс «RC» (resistance class). Всего шесть классов WK (RC) 1-6, использующие специальное остекление, с двумя подклассами RC1-2N, которые в свою очередь комплектуются обычным листовым остеклением. Каждый из классов соответствует определенному уровню подготовки при взломе, опытности взломщика и времени проникновения. Смотрите таблицу ниже.
 

Рис.4

Хотелось обратить внимание на то, что для гарантирования класса указанного в таблице необходимо использовать композитное или бронированное стекло соответствующей толщины, подробнее об этом указано в «ДСТУ Б В.2.7-123» и «ДСТУ Б В.2.7-107-2008».

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ

Как и говорилось раньше, оценочные значения многих брендов взяты из иностранных источников. По сути U-factor это численное значение, демонстрирующее общую теплопередачу модулей конструкции. Размерность теплопередачи U (Вт/м² °С) или (Вт/м² °К). Коэффициент теплопроводности “k” и коэффициент теплопроводности “λ” это одно и то же. Размерность коэффициента теплопроводности k - (Вт/м °С) или (Вт/м °К).

Чем меньше значение U, тем лучше конструкция сопротивляется потере тепла!

Буквенные обозначения U-factor для разных модулей окна следующее:
Uf- это коэффициент теплопередачи оконной рамы.
Ug- это коэффициент теплопередачи стеклопакета.
Uw- это общий усредненный коэффициент теплопередач окна в целом. Оценка теплозащитной эффективности модулей конструкции в отечественной индустрии зачастую осуществляется показателем термического сопротивления теплопередаче R, (м²°С /Вт). Это значение определяет насколько хорошо материал или конструкция сопротивляется передачи тепла, проходящего сквозь него.

Чем больше значение R тем лучше конструкция сопротивляется потере тепла!

Для того что бы понять ориентировочно чему равно сопротивление теплопередаче конструкции R при известном значении U, необходимо выполнить следующее 1/U=R . В нашей стране среднее значение сопротивления теплопередаче  окна должно ровняться не менее чем Rq min =0,75(м²°С /Вт), для первой температурной зоны и для второй температурной зоны Rq min =0,6(м²°С /Вт). Это сопоставимо с Uw=1,33 и Uw=1,67 (Вт/м² °К) соответственно.

Высокие значения Uw обычно достигаются большой толщиной оконной системы, увеличенной глубиной посадки стеклопакета в профиль и наличием толстого многокамерного стеклопакета с энергосберегающими покрытиями. Значение Uf для современных оконных систем в среднем составляет Uf =2,7...0,70 (Вт/м²° К) и даже меньше. Этому приблизительно соответствует R=0,37-1,43 (м²° С /Вт). Площадь оконной рамы не значительна по сравнению с размером стеклопакета, и теплопотери через нее будут достаточно малы, но, на мой взгляд, желательно использовать окна со значением не более Uf=1,33 (Вт/м² °К), то есть R=0,75(м²°С /Вт) для первой температурной зоны и Uf=1,67 (Вт/м² °К) ( R=0,6(м²°С /Вт), для второй температурной зоны. Значения Uf меньше 0,70(Вт/м²°К) говорят о том, что оконная система может применяться в энергопассивных домах. Значение Ug редко используется в нашей стране для оценки теплоэффективности стеклопакета, потому что чаще всего стеклопакеты комплектуются отечественными производителями согласно (ДСТУ Б В.2.7-107-2008 "Стеклопакеты клееные строительного назначения"), где теплоэффективность привязана к значению сопротивления теплопередаче R.
Для того, что бы разобраться в теплозащитных свойствах разных окон и работе стеклопакета мне необходимо напомнить читателю о способах передачи тепловой энергии. Их всего три.

Первый способ, это передача тепла теплопроводностью.
Этот способ передачи тепла осуществляется в твердой, жидкой и газообразной средах. Однако в чистом виде он наблюдается только в сплошных материалах. В твердых телах (диэлектриках) и в жидкостях энергия переносится упругими волнами, в газах — диффузией атомов или молекул, а в металлах — диффузией электронов.

Второй способ это конвекция, передача теплоты в газовой или жидкостной среде, посредством потока движущихся частиц газа или жидкости.

Третий способ это излучение, то есть передача энергии электромагнитными (инфракрасными) волнами в газовой или безгазовой среде. Излучение еще называют эмиссией.

Соотношение передачи тепла между этими тремя способами обусловлено свойствами материала и конструкции, наличием или отсутствием в них замкнутых газовых пустот. Обычно в однородных материалах тепло больше всего передается теплопроводностью. Передача теплоты в пустотных материалах, напрямую зависит от размера пустот, их расположения и количества. Чем больше процентное соотношение пустот в материале и чем больше их толщина, тем сильнее тепло передается через конвекцию и излучение (см.рис.5). С увеличением температуры поверхности процентное соотношение передачи тепла излучением увеличивается и наоборот.

Диаграмма зависимости способов передачи тепла воздушной прослойки от его толщины

Рис.5

Стоит уточнить, что в горизонтальных прослойках небольшой высоты передача теплоты конвекцией практически не осуществляется, а в небольших по толщине вертикальных прослойках от 5 до10 мм передача тепла конвекцией ослабевает, так как восходящий и нисходящий токи охладившегося и нагретого газа в них взаимно тормозятся.

Если толщина вертикальной воздушной прослойки меньше 5мм конвекция исчезает вовсе.

Толщина воздушной прослойки не особо влияет на ее сопротивление теплопередаче (см.рис.6). Как видно из диаграммы, значения сопротивления передачи прослоек толщиною 10мм и 150мм особо не отличаются. Это означает, что нет особого смысла делать большие по толщине воздушные пустоты, ведь они будут иметь практически такие же теплозащитные свойства как и пустоты меньшего размера. А вот большой массив из небольших пустот улучшит теплозащиту.

Диаграмма зависимости сопротивления теплопередаче воздушной прослойки R от его толщины

Рис.6

Важными значениями необходимые для оценки свойств материала являются

коэффициент теплопроводности -"λ"(Вт/(м•°С))
коэффициент излучения - "С" Вт/(м² °К⁴))
коэффициент линейного расширения -"α" (10-6 м/(мK)).

Первый из них "λ" показывает, насколько хорошо конструкция проводит тепло через себя.

Чем меньше значение "λ", тем лучше теплоизоляционные свойства материала.

Второй "С" отображает свойство материала передавать тепло инфракрасным излучением.

Чем больше значение коэффициента "С", тем сильнее происходит тепловое излучение.
Наибольшее значение излучения, которое присвоено так называемому "абсолютно черному телу" равно С = 5,77 Вт/(м² °К⁴).

Третий "α" показывает, насколько сильно может увеличиваться материал при нагреве. И так приступим к рассмотрению характеристик трех разных материалов оконных систем.

ОКНА ИЗ «ТЕПЛОГО» АЛЮМИНИЯ

По сути, алюминий не может быть теплым. Его коэффициент теплопроводности λ= 220,97 Вт/(м•°С). Он проводит тепло почти в 4 раза сильнее, чем сталь λ= 58,15Вт/(м•°С) и в 270 сильнее, чем стекло λ= 0,81 Вт/(м•°С). Фактически тепло протекает через алюминий как стремительный поток воды, бежащей по склонам горной реки.
Этот материал, на первый взгляд, вовсе не годится для теплоизоляционных конструкций. С другой стороны у алюминия очень низкий коэффициент излучения тепла С = 0,26 Вт/(м² °К⁴). Для сравнения? у стекла коэффициент излучения тепла в 20 раз больше С = 5,41 Вт/(м² °К⁴), у резины коэффициент излучения тепла в 19 раз больше С= 4,94 Вт/(м² °К⁴).

Это значит, что алюминий очень плохо передает тепло излучением.

Он легкий крепкий, а так же не поддается действию коррозии. Название, «Теплый алюминий», появилось из-за особенности конструкции оконной системы. Наружный и внутренний каркасы из алюминия соединенный между собою элементами из полиамида. Полиамид это прочный, долговечный, химически устойчивый и не токсичный полимерный материал обычно темно-серого или графитового цвета, хорошо переносящий большие перепады температуры. Он имеет относительно неплохие теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности его составляет λ=0,28 Вт/(м•°С). Именно в полиамидных элементах происходит резкий перепад температур в холодное время года (см.рис.7), поэтому их принято называть термомостами или терморазрывами.
Как и любой металл, алюминий имеет большой коэффициент линейного расширения 22.2(10-6 м/(мK)). У полимеров это значение тоже необычно велико. Коэффициент линейного расширения полиамида в 5 раз больше, чем у алюминия и составляет 110(10-6 м/(мK)), поэтому соединение термомостов и алюминиевого каркаса между собою осуществляется через продольные пазогребневые узлы в нескольких ответственных точках (см.рис 8.)
 

Рис.7

Рис.8

В общем, конструкция окна в разрезе выглядит как тонкий структурный каркас с некоторым количеством небольших камер, заполненных воздухом. Тепло в таком окне должно было бы наибольшим образом передаваться излучением и теплопроводностью и немного конвекцией, так как размер пустот незначительный, однако, как вы уже знаете алюминий, очень плохо излучает тепло. Передача тепла теплопроводностью тоже уменьшена из-за незначительной площади соприкосновения алюминиевого каркаса и термомоста, а так же неплохих теплоизоляционных качеств самого полиамида. Таким образом, получается прочная, долговечная и достаточно теплая оконная система. Иногда для некоторых моделей окон между плоскостями термомостов монтируют жесткие утеплители, такие например как пенополистирол ( см.рис 9). Эту часть конструкции принято называть термовставкой.
 

Рис.9

Утеплитель монтируется с зазором в несколько миллиметров между внешним и внутренним алюминиевым каркасом, что бы уменьшить передачу тепла. Эти окна имеют в названии суффикс «SI», «SI+», «HI» или «HI+»,который по сути является аббревиатурой и расшифровывается как "высоко-изолированный".
Рассмотрев окна различных известных брендов с такой маркировкой и общей толщенной конструкции 75-80 мм, я обнаружил, что они имеют общий средний коэффициент теплопередачи Uf =1,7-0,9 (Вт/м² К), а при толщине 80-90 мм до Uf =0,7 (Вт/м² К) и меньше.

То есть, энергоэффективная оконная система из теплого алюминия должна быть с использованием термовставок и иметь монтажную толщину профиля не менее 75мм.

Воздухопроницаемость алюминиевых окон в целом очень низкая. Сам по себе метал и полиамид воздухонепроницаемы. Благодаря высокой точности деталей и установки нескольких уплотнительных контуров из технического каучука эти окна зачастую отвечают наивысшему классу по сопротивлению проникновения воздуха и влаги. Эти окна чрезвычайно долговечны и устойчивы к воздействию внешней среды.

ДЕРЕВЯННЫЕ ОКНА

Эта оконная система представляют собою традиционный материал древесину, который использовался тысячелетиями. Он экологически чистый и в высушенном состоянии неплохо теплоизолирует, достаточно прочный, может гнуться и хорошо поддается обработке. В обиходе обработанная древесина имеет приятные эстетические качества и приятная на ощупь. Структура древесины имеет определенные закономерности. Так, например, направление волокон влияет на несущие способности и теплоизоляционные свойства материала. Коэффициент теплопроводности плотных пород, таких как дуб белый, при влажности 12%, с расположенными волокнами поперек теплового потока составляет λ= 0,139-0,23 Вт/(м•°С), а при расположении волокнами вдоль теплового потока λ= 0,41 Вт/(м•°С). У менее плотной сосны λ= 0,11-0,17 Вт/(м•°С) и λ= 0,35 Вт/(м•°С) соответственно.

То есть, теплопроводность древесины увеличивается почти в два раза при размещении ее волокнами вдоль теплового потока.

Важно знать, что древесина, будучи материалом растительного происхождения, активно реагирует на влагу. От увеличения влажности воздуха и воздействии большого перепада температур с разных сторон в конструкции происходит неравномерное увлажнение с последующим расширением увлажненных волокон, которое может привести к ее растрескиванию, скручиванию и прочим деформациям. В современных окнах, что бы этого не случилось, используют клееный брус из нескольких слоев древесины. Волокна в каждом слое расположены под углом 90° относительно предыдущего слоя, компенсируя, таким образом, друг друга, но при этом оставаясь перпендикулярно тепловому потоку. С увеличением влажности древесины так же активно увеличивается ее теплопроводность, она хорошо воздухо- и паропроницаема и может быть подвержена гниению, поэтому требует обработки антисептиками и влагозащитными средствами.
Значение Uf для деревянных окон зачастую не указывается. Но зная коэффициент теплопроводности λ можно оценить термическое сопротивление теплопередаче R. Для деревянного оконного блока из дуба толщиною 78мм сопротивление теплопередаче будет следующим R=0,078/0,139=0,561 (м²°С /Вт). Это сопоставимо с коэффициентом теплопередачи  Uf =1,78 (Вт/м² °K). Если сделать эти просчеты для сосны, то R=0,71(м²°С /Вт), то есть Uf =1,41(Вт/м² °K).

Таким образом, стает очевидным то, что древесина плотных и более крепких пород хуже сопротивляется передаче тепла.

В деревянных окнах из-за сплошной полнотелой структуры материала передача тепла происходит в наибольшей степени теплопроводностью. Перепад температуры между внутренней и внешней поверхностями оконной конструкции будет плавно растянут, имея практически линейный характер. Долговечность деревянных окон зависит от породы древесины и качества ее подготовки. Обычно плотные породы служат дольше, но обладают большей массой. Такое окно прослужит настолько долго, насколько это позволит сам материал рамы.
В последнее время все чаще встречается некий симбиоз древесины и алюминия. Эти окна так и называют деревоалюминиевые. Они являются разумной комбинацией двух оконных систем, сочетающие в себе наилучшие качества материалов. Доля участия деревянной или алюминиевой системы для такой оконной конструкции может быть разной. Эти окна, наверное, самые сложные с точки зрения инженерии.
 

Рис.10

МЕТАЛЛОПЛАСТИКОВЫЕ ОКНА

Они состоят из двух основных компонентов. Один из них это пластиковый профиль, который выполнен из прессованного ПВХ (PVC). Этот материал имеет несколько стабилизационных добавок, он не токсичен в обычном состоянии и не подвержен воздействию ультрафиолета. Срок службы такого окна ограничен только качеством самого ПВХ. Поверхности профиля могут декорироваться под всевозможные текстуры и цвета. Каркасный элемент представляет собою чаще всего толстостенный «u»-образный профиль из оцинкованной стали. Такая форма и толщина необходима для лучшей продольной жесткости из-за пластичных качеств ПВХ. В некоторых более технологически продвинутых оконных системах, используют несколько ребер жесткости из хлорированного поливинилхлорида (PVC-С). От нагрева ПВХ имеет свойства увеличивать свои размеры, но не так сильно как другие полимеры.
Коэффициент линейного расширения ПВХ α=50,4(10-6 м/(мK)).
Его коэффициент теплопроводности достаточно низкий и составляет λ= 0,15 -0,19 Вт/(м•°С),
а вот коэффициент излучения наоборот очень высокий С = 5,42 Вт/(м² °К⁴).
Теплоизоляция окон из такого материала основана на принципе герметичных воздушных вертикальных и горизонтальных камер, возникающих при пайке элементов конструкции между собою. Большое влияние на теплоизоляционные способности, в данном случаи, оказывает общая толщина профиля и количество камер между его наружной и внутренней поверхностью. Общий коэффициент таких окон при толщине от 70 до 80мм составляет Uf =1,3-0,94 (Вт/м² К).

Это означает, что по своим теплозащитным качествам пластиковые рамы имеют наилучшие  теплоизоляционные качества в сравнении с аналогичными по толщине рамами из древесины и алюминия

В некоторых окнах реализуется заполнение камер оконного профиля вспененными или твердыми утеплителями (см. рис.6). Это помогает значительно снизить передачу тепла излучением и увеличить теплоизоляционные свойства всей оконной конструкции. К примеру, коэффициент теплопередачи оконного блока фирмы «TILTCO» серия E8000 при толщине в 70мм равен Uf =0,86(Вт/м² К). Это беспрецедентная теплозащита, при такой толщине.
 

Рис.11

ФУРНИТУРА

Фурнитура оконных систем служит для запирания створок окна, а так же перемещения створки в положение "открыто"или "закрыто". В состав фурнитуры входит комплекс подвижных и неподвижных деталей, таких как петли, запорные механизмы и ответные планки, "ножницы", ролики, оконные ручки и т.д. Отдельно стоит отметить, что петли изготавливают в накладном и скрытом исполнении.
В нынешнее время существует достаточно большой выбор типов фурнитуры.
По мере усложнения ее функций и механизмов можно выделить два основных :
-поворотно-откидная и ее модификации (поворотная и откидная),
-наклонно или параллельно-сдвижная, а так же параллельно-складная.
Если сравнить поворотно-откидную и поворотную фурнитуру, то в жилых домах приоритетнее устанавливать именно поворотно-откидную фурнитуру, так как первая имеет прижимы по всему контуру(периметру) створки, и лучше уплотняет окно.
Важную роль в данном случае будет играть исполнение петли.
При накладном варианте петли в поворотно-откидной створке верхняя петля, в отличие от нижней, будет пережимать уплотнитель, слегка ухудшая герметичность внутреннего уплотнительного контура. (см.рис.12)
 

Рис.12

При использовании скрытой петли этого не происходит, уплотнитель по внутреннему контуру полноценно прижимается (см.рис.13).

Рис.13

Максимальный вес створки для поворотно-откидной и поворотной фурнитуры составляет не более 130 кг. Наклонно или параллельно-сдвижная фурнитура, само название говорит о всех ее функциях. Она может устанавливаться на створку весом до 150 кг. Запирание и обвязка такой фурнитуры осуществляется по всему периметру створки (см.рис.14а).

Рис.14a

На рис. 14б изображена параллельно-складная система.

Рис.14б

Запорные элементы для любой фурнитуры – это механизмы с элипсо-подобными кулачками (их обычно называют цапфами) на створке и специальными ответными запорными планками устанавливаемые на раме (см.рис.15).

Рис.15

В положении "закрыто" ответные запорные планки входят в зацепление с цапфами механизмов на створке и запирают окно. Количество запорных планок подбирается исходя из размеров створки и вида фурнитуры.

МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ

Немаловажно так же упомянуть, что расположения окна в проеме и качество исполнения монтажных работ может повлиять на энергоэффективность конструкции в целом. На практике монтаж любых оконных систем очень часто заканчивается после нанесения монтажной пены, но это не значит, что больше с пеной ничего делать не надо. Функция пены заключается в том, что бы придать жесткость установленному оконному блоку и утеплить разрыв между окном и стеной, но пена не защищает от попадания атмосферной влаги, она паропроницаема и подвержена воздействию ультрафиолета, от которого ее структура разрушается.
Зимою давления насыщенного паром воздуха внутри помещения будет всегда выше, чем снаружи и поэтому пар всегда будет стремиться в сторону более низкого давления, а значит в сторону улицы. Находясь в зоне резкого перепада температур, незащищенная от проникновения пара пена может накапливать влагу. Это приводит к уменьшению ее теплоизоляционных свойств.

Для полноценной защиты пены изнутри необходимо использовать пароизоляционную ленту.

Такой лентой заклеивают пену внутри помещения между откосом и окном. Обычно она выполнена в виде алюминиевой самоклеющейся фольги, но так же встречаются бутиловые каучуковые и их разновидности.

Снаружи, для уплотнения расстояния между оконной рамой и четвертью используют уплотнительную ленту (ПСУЛ) на самоклеющейся основе или эластичные герметики для наружных работ.

Подоконную наружную часть следует заклеить гидроизоляционной лентой. Она предупредит намокание пены из-за попадания атмосферной влаги между подоконным отливом и оконным профилем. (см.рис.16). В случаи если в конструкции стены не предусмотрены четверти, то следует заклеить весь монтажный наружный периметр гидроизоляционной лентой.

Рис.16

СТЕКЛОПАКЕТ

Это самое ответственное место в окне. Оно составляет наибольшую часть оконной конструкции и имеет на первый взгляд достаточно понятное строение. Принято считать, что чем толще стеклопакет и чем больше в нем камер, тем он теплее, но это не всегда так. Конструкция стеклопакета представляет собой пустотный материал с прозрачными ребрами из стекла, скрепленными между собой дистанционными рамками и герметиком. Листы стекла, которые используют для стеклопакетов, могут иметь различную толщину от 4мм и выше до нескольких сантиметров. Количество стекол в стеклопакете влияет на его светопрозрачность. Важно знать, что чем больше стекол и чем больше их толщина, тем меньше в целом светопрозрачность стеклопакета. Плотность стекла достаточно большая 2500 кг/м³, поэтому при небольших габаритах стекло имеет значительную массу. Основные виды стекла перечислены ниже (см.рис.17)

Таблица видов остекления

Рис.17

Дистанционные рамки всегда расположены непрерывным контуром по периметру листов стекла и устанавливаются на бутиловый герметик. Их толщина обычно составляет от 6 до 24 мм с шагом 2мм. Если посмотреть на стеклопакет через тепловизор, то сразу можно заметить, что в местах расположения дистанционных рамок происходит наибольшие теплопотери (см.рис.18)

Рис.18

Каркасный материал дистанционных рамок традиционно выполняется из алюминия, реже из стали, но в последнее время так же используют полимеры. Одни из самых известных брендов в этой сфере, которые представлены на нашем рынке являются thermix и swisspacer. Полимерные материалы, как вы уже знаете, имеют в несколько десятков и сотен раз меньший коэффициент теплопроводности по сравнению с металлами, поэтому для энергоэффективных окон желательно использовать именно их.
Заполнение камер межстекольного пространства обычно производится сухим воздухом или инертными газами, такими как аргон или криптон. Так же практикуют использование смесей двух разных газов. Наполнение камер требует высокой герметичности, которая достигается в большинстве современных пакетов использованием герметиков из двухкомпонентных полиуретанов или полисульфидов. Преимущество инертных газов состоит в их большей по сравнению с воздухом плотности и вязкости, а так же более низком коэффициенте теплопроводности. Если коэффициент теплопроводности у сухого воздуха при 0°С, λ= 0,026 Вт/(м•°С), то у аргона λ= 0,0165 Вт/(м•°С), и у криптона λ= 0,0096 Вт/(м•°С).

То есть, инертные газы значительно хуже проводят тепло чем воздух.

Увеличенная вязкость инертного газа замедляет конвекцию. Показатели эффективности работы газовых прослоек зависят от стандартов проведения испытаний и расчетов, которые могут отличатся. Например, в США измерения проводят согласно условий NRFC стандарта. Температура в испытаниях наружного воздуха составляет -18•°С , а внутреннего 21°С, а расчеты ведут согласно ISO 15099. В европейских нормах используют условия испытаний с другими температурными значениями. Температура наружного воздуха составляет 0•°С , а внутреннего 20°С, а для расчетов используется документ EN 673:2011 Glass in building. Determination of thermal transmittance (U value). Calculation method.

Подробнее об этом можно прочесть тут.

Адаптированная версия документа для нашей страны называется ДСТУ EN 673:2009 "Стекло строительное. Методика определения коэффициента теплопередачи многослойных конструкций". Количество камер в стеклопакете тоже оказывает определенное влияние(см.рис.19).

Графики зависимости эффективности коэффициента теплопередачи Ug однокамерного и двухкамерного стеклопакетов от ширины межстекольного расстояния и заполняющего газа согласно EN. 673:2011

Рис.19

Из графика видно, что и для однокамерного и для двухкамерного стеклопакета использование инертных газов улучшает их энергоэффективность, однако разница значений коэффициента теплопередачи по мере увеличения межстекольного расстояния падает. Также важно отметить, что параллельно происходит тенденция к уменьшению разницы значений между инертными газами и воздухом. Так, например, разность величин сопротивления теплопередаче между двумя одинаковыми двухкамерными стеклопакетами с размером дистанционной рамки 8мм , заполненными в одном случае воздухом и во втором криптоном, составит около 17%. При увеличении дистанционной рамки до 18мм эта разница составит уже 11%. Это связано с тем, что инертные газы и воздух уменьшают передачу тепла только теплопроводностью и конвекцией, для излучения вышеперечисленные газы и газовые смеси прозрачны. Излучение проходит сквозь них как нож сквозь масло, никак не уменьшаясь. Напомню, что с увеличением толщены газовой прослойки излучение начинает отыгрывать более значительную роль (см.рис.5). Так у стеклопакета с дистанционной рамкой не менее 10мм передача тепла излучением будет составлять до 70%.
Важным будет отметить, что даже для двухкамерного стеклопакета с дистанционной рамкой 18мм и заполнением межстекольного пространства криптоном, коэффициент теплопередачи составляет Ug =1,56(Вт/м² °С), то есть сопротивление теплопередаче будет равно приблизительно R=0,64(м²°С /Вт), что удовлетворяет условия второй температурной зоны. Как вы уже знаете, номинальное значением сопротивления теплопередаче окна для первой температурной зоны должно составить не менее R=0,75(м²°С /Вт).

Таким образом, становится понятно, что кроме двух камер с тяжелым заполняющим газом необходимо еще какое-то дополнительное инженерное решения, улучшающие теплозащитные свойства стеклопакета.

Необходимо как-то уменьшить передачу тепла излучением. Если рассмотреть весь спектр солнечного излучения, то можно выделить три основных, которые больше всего несут тепловое излучение. Это ультрафиолетовый спектр(10...380 нм), видимый спектр(380...780 нм),инфракрасное излучение(780..1000000 нм).
Инфракрасный спектр по версии стандарта ISO 20473 разделяется на еще три:
-ближнее(короткое) инфракрасное излучение — от 780 до 3000 нм;
-среднее(длинное) инфракрасное излучение — от 3000 до 50 000 нм;
-дальнее(длинное ) инфракрасное излучение — от 50 до 1000 мкм

Рис.20

Обычное силикатное стекло пропускает только небольшую часть ультрафиолетового излучения, начиная от 320нм, полностью пропускает видимый спектр и часть инфракрасного излучения(780..2000нм), пропускная способность спектра от 2000 нм начинает резко уменьшаться и уже спектр 5000 нм обычное стекло практически не пропускает!

Это значит, что проникновение сквозь стекло инфракрасного спектра происходит лишь в части коротковолнового или ближнего излучения.

Рис.21

Наиболее интенсивное тепловое излучение от летнего солнца не полностью проходит через стекло, оно частично отражается и поглощается стеклом, но большая часть, это более 70%, проходит дальше. Зимой наиболее интенсивное излучение исходит из помещения. Наибольшая плотность излучения будет преимущественно в дальнем ИК диапазоне, который не пропускается и хорошо поглощается стеклом. Такое положение вещей привело к использованию уже давно известного сочетания стекла и металла, под названием селективное стекло (от англ.- selective/ избирательный). Это стекло способно избирательно блокировать и пропускать определенный спектр излучения. В данном случаи речь пойдет о энергосберегающем светопрозрачном покрытии. Эти стекла в зарубежных аналогах обозначаются как "Low-E"(от англ.- low- emissivity /низко-излучающие).

То есть, это и есть то самое решение, которое может уменьшить передачу тепла излучением.

На отечественном рынке больше всего представлены энергосберегающие селективные стекла с "k" и "и" покрытием. Так называемое k-стекло имеет пиролитическое покрытие в виде слоя оксида олова. Оно наносится на одну поверхность стекла еще на этапе изготовления, когда еще не остывшая стекольная масса двигается по конвейеру. Молекулы оксида за счет сильного нагрева поверхности перемешиваются с молекулами стекла как бы запекаясь. Слой оксида после охлаждения стекла не подвержен абразивному воздействию, поэтому это покрытие называется твердым покрытием.
Так называемое и-стекло покрыто методом вакуумного напыления из нескольких чередующихся слоев диэлектрика и серебра, но иногда вместо серебра может использоваться цинк или олово. Диэлектриком зачастую выступают оксиды некоторых металлов. В зависимости от количества слоев серебра покрытие имеет соответствующую пометку (single, double или triple Low-E), то есть одинарное, двойное или тройное низкоэмиссионное покрытие(см.рис.22).
 

На фотографии низкоэмиссионное покрытие ( triple Low-E) отснятое электронным микроскопом ( х 50 000 крат). Общая толщина покрытия составляет приблизительно 250 нм, это около 1/200-й толщины человеческого волоса.

Чем больше слоев серебра, тем сильнее это покрытие будет снижать передачу тепла излучением. Такое покрытие легко царапается, поэтому называется мягким покрытием и обычно наносится лишь с одной стороны, всегда обращенным внутрь стеклопакета. Серебро, как и алюминий имеет достаточно низкий коэффициент излучения С = 1,15-1,73 Вт/(м² °К⁴). Олово имеет немного более высокое значение С = 2,03 Вт/(м² °К⁴), но энергосберегающее преимущество и-стекла в сравнении с k-стеклом более весомое. Значения коэффициента излучения k-стекла С =0,86...1,04 Вт/(м² °К⁴), а для и-стекла (double Low-E) всего лишь С =0,12 ...0,35 Вт/(м² °К⁴). Коэффициент излучения таких покрытий строго регламентирован и определяется методом испытаний у поверхности с низкоэмиссионным покрытием согласно "EN 12898:2001Glass in building - Determination of the emissivity" ( адаптированный аналог ГОСТ EN 12898)

Очевидно, что использование и-стекла намного лучше способствует уменьшению теплового излучения чем k-стекла .

Рис.22

Как видно из спектрограммы и-стекло (double Low-E) пропускает излучение приблизительно от 320 нм и до 1500 нм, то есть часть коротковолнового инфракрасного спектра все же проходит через такое покрытие. Так же оно частично блокирует ультрафиолетовый спектр. Оптические свойства Low-E стекол слегка ухудшаются, из-за незначительного тонирующего эффекта. Такое стекло также оказывает экранирующее воздействие и может создавать помехи в радио, спутниковой и сотовой связи.

Рис.23

Теплоэффективность Low-E покрытия намного больше чем использование тяжелых газов в межстекольном пространстве. Например, если сравнить два аналогичных двухкамерных стеклопакета заполненных воздухом, но в один из которых установлено одно и-стекло, то разница в значениях сопротивления теплопередачи стеклопакетов R составит около 30% с добавлением второго и-стекла эта разница составит уже 50%.
На многих рекламных проспектах стеклопакетов с таким остеклением можно увидеть картинку, на которой тепловое излучение отражается от стекла как теннисный мячик и возвращается обратно, но с точки зрения физики это не достоверно.

Селективное "Low-E" стекло, на самом деле, уменьшает теплопередачу излучением, а не отражает лучи! То есть служит некой дамбой для теплового излучения.

Это очень важно понимать, потому что расположение селективного"Low-E" стекла в стеклопакете будет сказываться по разному на его теплозащитных свойствах. Так, если расположить стекло со стороны помещения, селективной поверхностью обращенной к улице (рис. 24а), оно будет уменьшать лишь то излучение которое будет стремится в сторону улицы, то есть тепловое излучение приборов отопления в зимний период, а излучение солнца пропускать без препятствий во внутрь. Этим достигается принцип энергопассивности, то есть уменьшение затрат на отопление за счет энергосбережения и использования энергии солнца зимой.
Летом же это стекло практически не окажет никакого останавливающего действия на излучение солнечных лучей, со стороны улицы. Оно лишь совсем немного отразит солнечное излучение в разных спектрах. В зарубежных аналогах такое стекло называют (HSG glass от англ.- high solar heat gain/ стекло с высокой пропускаемостью солнечной тепловой мощности). В европейских холодных климатических регионах рекомендуют использовать стеклопакеты с HSG glass, а именно с твердым селективным покрытием.
И наоборот, если селективное стекло расположить со стороны улицы (рис. 24б), направленное низкоэмиссионной поверхностью в сторону помещения, то оно будет уменьшать излучение солнечных лучей и не окажет практически ни какого воздействия на инфракрасные волны вытекающее из помещения зимой. В зарубежных аналогах такое стекло называют (LSG glass от англ.- low solar heat gain/ стекло с низкой пропускаемостью солнечной тепловой мощности). На эту роль часто рекомендуют использовать стекла с мягким покрытием которые оказывают более сильное тепло-останавливающее действие.

Таким образом, становится понятным, что для данных типов энергосберегающего покрытия очень важно их расположение в стеклопакете.(см.рис.24).

 

Расположение low-e стекла со стороны помещения

Рис.24а

Расположение low-e стекла со стороны улицы

Рис.24б

Есть мнение, что стекла с "LOW-E" покрытием могут быть подвержены термошоку, то есть разрушению от сильного нагрева, и поэтому рекомендуют использовать "LOW-E" только на тэрмоупрочненных или закаленных стеклах, но в своей практике я никогда с таким не сталкивался. Рекомендую по этому вопросу консультироваться с изготовителями стеклопакетов. Эффективность такого стекла значительно больше, чем газовой прослойки в стеклопакете. Так, например, однокамерный стеклопакет с заполнением межстекольного пространства воздухом и с одним и-стеклом более энергоэффективен, чем аналогичные двухкамерные стеклопакеты с таким же заполнением, но без такого стекла.
Из этого напрашивается вывод, что в современном стеклопакете LOW-E стекла должны быть непременным атрибутом, но важно знать, что у нас в Украине не регламентируется использование "LOW-E" стекол для разных типов помещений, а к примеру в Российской Федерации их использование разрешено кроме лечебно-профилактических, детских учебных заведений, а также жилых помещений. На мой взгляд, это связано с низкой пропускаемостью "ультрафиолета А"(с длиной волны 320-380нм), а значит и уменьшением действия инсоляции, то есть прямого попадания солнечного света в помещение через окна в течении определенного времени.
Наряду с тем существуют более совершенные покрытия в виде сложных полимерных многослойных пленок, эффективность которых больше, чем у вышеуказанных покрытий, но на отечественном рынке они, на данный момент представлены очень мало.

ШУМОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА СТЕКЛОПАКЕТА.

Стекло имеет ничтожный коэффициент поглощения звука и поэтому практически вся звуковая волна отражается от него. На шумозащиту стеклопакета в большей степени влияет количество камер в стеклопакете, но так же важно знать, что определенную роль отыгрывает и толщина стекла. С увеличением толщены стекла возрастает шумозащита. Например, согласно ISO 717-1:2013(Acoustics -- Rating of sound insulation in buildings and of building elements) для стекла толщенною 6мм Rw =32 дБ, для стекла толщиною 8мм Rw =33дБ и для 10мм Rw =35 дБ, но не стоит думать, что два стекла в стеклопакете дадут суммарное значение по шумопонижению. Однокамерный стеклопакет с толщиною стекла 4мм с дистанцией между стеклами 12....16 мм отвечает понижению звукового давления Rw =30 дБ, а с толщиною стекла 8мм с дистанцией между стеклами 16 мм отвечает понижению звукового давления Rw =34 дБ. Если конструкция стекла выполнена в виде триплекса то ее звукоизоляционные свойства будут лучше, чем у одного стекла с такой же общей толщиной. Межстекольное расстояние тоже влияет на звукоизоляцию, но в приделах толщины стеклопакета это влияние совсем небольшое, из-за незначительных размеров дистанционных рамок.

Из практики могу сказать, что оптимальный стеклопакет должен обладать следующими характеристиками:

Во-первых, он должен быть двухкамерным. Третье стекло значительно улучшает звукоизоляцию, и при этом пакет будет иметь достаточную светопрозрачность. Конечно желательно использовать полимерные дистанционные рамки.
Во-вторых, не смотря на то, что увеличение расстояния между стеклами более 12...16мм уже не сильно влияет на улучшения сопротивление теплопередаче газовых прослоек, оно все же способствует увеличению сопротивления теплопередаче дистанционных рамок, так как увеличивается их толщина, а в месте с этим и их термическое сопротивление. Таким образом, теплопотери по периметру стеклопакета снижаются.
В-третьих, в нашем умеренно-континентальном климате присутствует и холодная зима и жаркое лето, поэтому стеклопакет желательно делать с двумя селективными стеклами, наружным и внутренним, обращенных покрытием друг к другу. В паре они будут значительно уменьшать утечку тепла зимою и проникновение жары от солнца летом. Больше всего от солнца нагревается южные западные румбы, но иногда и восточные румбы тоже могут быть подвержены сильному нагреву, поэтому такое расположение LOW-E стекол будит здесь кстати. Для северных румбов можно использовать комбинацию внутреннего и среднего LOW-E стекла, обращенного селективной поверхностью к улице. Летом солнце практически не освещает северную сторону, а зимою такое расположение еще больше снизит теплопотери от отопительных приборов, по сравнению с оппозитным расположением. (Однако не следует забывать, что установке такого окна должен предшествовать теплотехнический расчет потому, что это окно будет хорошо впускать тепло и очень плохо выпускать). Использование больше двух LOW-E стекол, будет ощутимо увеличивать тонирующий эффект, поэтому я бы не рекомендовал бы этого делать. Стоить добавить, что увеличение межстекольного расстояния на пакетах с LOW-E стеклами приведет к незначительному снижению теплопотерь, так как с увеличением размера газовой прослойки, излучение тоже увеличит свое пропорциональное значение, по отношению к конвекции и теплопроводности (см.рис.5). Эффективность теплозащиты "LOW-E" стекла, как вы знаете, выше, чем газовой прослойки. Это, в общем, и приведет к еще к небольшому улучшению теплозащитных свойств стеклопакета.
Так же стоит упомянуть о трехкамерных стеклопакетах. Они конечно должны были бы улучшат теплозащиту еще, где то на треть, но этого не происходит. Из диаграмм на рис.13 видно, что разница значений Ug между однокамерным и двухкамерным стеклопакетами не удваивается, а лишь увеличивается на 30-50%. Скорее всего тенденция теплоэффективности третьей камеры будет еще меньше. Если же сопоставить одинаковые по толщине двухкамерный и трехкамерный стеклопакет с одинаковым заполняющим газом, то разница в сопротивлении теплопередаче будет не на столько сильно ощутима.
В первую очередь из-за увеличения количества более теплопроводного стекла. Во-вторых, потеря тепла через дистанционные рамки тоже немного увеличится, так как их количество станет больше, а их суммарная толщина уменьшится. Трехкамерная конструкция увеличит на треть массу стеклопакета, а значит и нагрузку на петли открывающихся створок.
Единственным реальным преимуществом будит значительное улучшение звукоизоляции.

В конце концов предлагаю сравнить стоимость разных по материалам оконных систем. Для сравнения я принимаю толщину оконной системы между 70мм и 80 мм включительно.(См. рис. 25)

Рис.25

Сравнительная таблица оконных систем ( цены указаны на момент лета 2017 года )

 

И так, как оказалось выбор окон и стеклопакетов это не такое уж простое дело. Конечно, вооружившись этими знаниями можно принять достаточно взвешенное решение в пользу того или иного окна, но я как архитектор обязательно рекомендую все же консультироваться со специалистами в этой сфере перед тем как принять окончательное решение.

Дата издания: 24.10.2017
Авторы: арх.Литинский Ан.В. и арх. Литинский Ал.В.