Анализ: теплоизоляционные свойства
оконных систем из дерева, ПВХ и алюминия

Материал предоставлен
ведущим в Украине институтом
в области оконных технологий КиевЗНИЭП.

Окна являются элементами зданий с наименьшим сопротивлением теплопередаче, с теплотехнической точки зрения, образно говоря, «дырами», через которые происходят наибольшие теплопотери. 1м2 поверхности окна теряет теплоты в несколько раз больше, чем 1м2 наружной стены, а общие потери теплоты в здании через окна составляют от 40 до 60% общих потерь в зависимости от климатических условий.

В отличие от стен, где наблюдается молекулярный перенос теплоты путем теплопроводности, в окнах происходит сложный процесс теплопередачи и участвуют все три её вида: – теплопроводность в непрозрачных частях конструкций окон (в коробке, створках и др.), в стекле и в газовой прослойке между стеклами; – конвекция в газовой прослойке и у поверхностей остекления; – излучение в прослойке между стеклами и у поверхностей стекол. Повысить теплозащитные качества окон можно путем создания условий понижения каждой из составляющих сложного процесса теплопередачи (теплопроводности, конвекции и излучения) отдельно для каждого из двух конструктивных элементов окна — непрозрачной части (коробки, створок, штапиков, импостов) и остекления. I. 

Методы и средства повышения тепло- защитных качеств непрозрачных частей окон При выборе окна сразу возникает вопрос — какое окно лучше — деревянное, пластмассовое или металлическое, потом решается вопрос остекления. Поэтому рассмотрим влияние на теплозащитные качества окон материала, из которого выполнены непрозрачные части окон — коробка, створки, штапики и импосты. Различные материалы имеют разные значения теплопроводности: для дерева = 0,18 Вт/м^2oС; для ПВХ = 0,15–0,2 Вт/м^2oС; для стали = 58 Вт/м^2oС; для алюминия = 221 Вт/м^2oС.

а) Деревянные окна. Из всех материалов, используемых в настоящее время в строительной практике для изготовления оконных коробок и переплетов, наилучшими теплозащитными качествами обладает дерево. Согласно СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника» коэффициент теплопроводности поперек волокон сосны и ели, которые, в основном, идут на производство окон в Украине, составляет 0,18 Вт/(мЧ°С).

В таблице 1 представлены значения сопротивления теплопередаче отдельных несветопрозрачных элементов деревянных окон, полученные расчетным путем. Как видно из этой таблицы, сопротивление теплопередаче отдельных несветопрозрачных элементов деревянных окон в разных конструкциях колеблется от 0,55 до 0,85 (м^2°С)/Вт. Теплофизические испытания в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП реально выпускаемых деревянных окон как в Украине, так и в других странах показали, что эти значения выше, чем полученные расчетным путем.

Из анализа табл. 2 и 3 видно, что в испытанных окнах значение сопротивления теплопередаче деревянного профиля изменяется от Ro=0,71 (м^2oС)/Вт до Ro=1,15 (м^2oС)/Вт, т. е. выше, чем для любого остекления: – двойного, Ro=0,36-0,37 (м^2oС)/Вт; – двойного с теплоотражающим покрытием, Ro=0,51-0,60 (м^2oС)/Вт; – тройного, Ro=0,41-0,63 (м^2oС)/Вт. Известно, что приведенное по площадям сопротивление теплопередаче окон определяется еще процентным отношением площади остекления ко всей площади окна. Так как эти значения испытанных образцов изменяются от 51% до 86%, то фактические значения сопротивления теплопередаче окон получаются Ro=0,43-0,45 (м^2oС)/Вт для двойного остекления с простым стеклом, Ro=0,5-0,69 (м^2oС)/Вт для двойного остекления с теплоотражающим покрытием и для тройного остекления. Учитывая нормативные требования 0,5 (м^2oС)/Вт к сопротивлению теплопередаче окон, используемых в северной температурной зоне Украины,

можно сделать вывод о достаточности уровня теплозащиты деревянной обвязки остекления и о целесообразности максимальной экономии древесины с единственным ограничением — по прочностным показателям. К сожалению, деревянные переплеты характеризуются невысокой долговечностью, древесина поддается гниению при выпадении конденсата на стеклах, а поэтому требует при ее использовании в окнах высоких теплозащитных качеств остекления.

б) Окна из ПВХ. Следующим по своим теплозащитным параметрам материалом, использующимся в конструкциях окон, является пластмасса (в основном поливинилхлорид, реже — другие полимерные материалы). Такие конструкции впервые в Украине были внедрены по разработкам КиевЗНИИЭП на заводе «Надія», пос. Песочин Харьковской области. Проектная мощность этого завода составляет 500 тыс. м2 окон в год. В настоящее время завод вышел на годовую производительность 100 тыс. м2, что, с учетом снижения выпуска деревянных окон из-за дефицита древесины, явно недостаточно для Украины. Поэтому параллельно появился второй отечественный производитель пластмассового профиля в г. Ровно на базе частной фирмы «Пластик», работающей на импортном оборудовании и на импортном сырье. Коэффициент теплопроводимости жесткого ПВХ составляет 0,15-0,20 Вт/(м^2oС), т. е. практически равен древесине. Однако, в отличие от переплетов из дерева, пластмассовые профили, изготавливаемые экструзионным способом, имеют большие воздушные полости, в которых процесс теплопередачи, кроме теплопроводности, происходит также конвекцией и излучением. Поэтому для повышения теплозащитных качеств пластмассовых окон переплеты окон следует выполнять многокамерными, причем количество воздушных камер должно быть не менее 3-х (в лучших зарубежных конструкциях до 5 камер). При этом по экспериментальным данным, полученным в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП, табл. 5,

сопротивление теплопередаче трехкамерных пластмассовых створок и коробок составляет до Ro=0,53ё0,68 (м^2oС)/Вт, а в пятикамерных возрастает до Ro=0,91 (м^2oС)/Вт, т. е. по своим теплозащитным качествам они не уступают деревянным. Теплозащитные качества окон определяются, кроме профиля, еще теплозащитными свойствами остекления и его процентным отношением к площади всего окна. Диаграммы возможных вариантов использования профилей в окнах жилых и общественных зданий для всех температурных зон Украины выполняются для каждого испытанного профиля.

На рис.1 приведена такая диаграмма для профилей системы «THYSSEN», Германия. В зависимости от того, какой процент составляет остекление к общей площади окна, значения сопротивления теплопередаче должны соответ-ствовать расчетным величинам, приведенным в табл. 5, для разных температурных зон Украины. Значения сопротивления теплопередаче пластмассовых окон с однокамерными стеклопакетами, полученные при теплофизических испытаниях в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП, приведены в табл. 6.

Из анализа этой таблицы видно, что несмотря на высокие теплозащитные качества профиля ПВХ Ro=0,52ё0,69 (м^2oС)/Вт при сопротивлении теплопередаче однокамерных стеклопакетов Ro=0,33ё0,37 (м^2oС)/Вт и процентном отношении площади остекления ко всей площади окна от Fост=52ё67%, сопротивление теплопередаче окон получается в основном Ro=0,39ё0,44 (м^2oС)/Вт, т. е. не удовлетворяет требованиям для I-ой северной температурной зоны Roтр=0,5 (м^2oС)/Вт. Применение того же профиля ПВХ с однокамерными стеклопакетами с теплоотражающим покрытием на стеклах приводит к приведенному сопротивлению окон в основном Ro=0,5ё0,6 (м^2oС)/Вт, т. е. такие окна пригодны для всей территории Украины (табл. 7).

Окна из ПВХ с двухкамерными стеклопакетами имеют сопротивление теплопередаче Ro=0,44ё0,55 (м^2oС)/Вт в зависимости от толщин воздушных прослоек (табл. 8).

Из проведенных экспериментов следует, что для I-ой температурной зоны Украины в двухкамерном стеклопакете нет смысла делать воздушные прослойки меньше, чем по 8 мм каждая (табл. 8). Среди полимерных материалов для применения в конструкциях окон наиболее приемлемы стеклонаполненные термореактивные материалы на основе полиэфирных, эпоксидных смол, в частности полиэфирные стеклопластики. Полиэфирные стеклопластики обладают теплопроводностью дерева, прочностью и долговечностью металла. Применение стеклопластиков в производстве окон сдерживалось, в основном, отсутствием технологии, позволяющей производить из него профили требуемой сложной конфигурации с высокой производительностью. С помощью прессования трудно получать профили с внутренними полостями. Технология, позволяющая получать профили любой сложности — это пултрузия. Процесс пултрузии представляет собой, упрощенно, протягивание через нагретую фильеру стекловолоконного материала, пропитанного термореактивной смолой. В результате на выходе из фильеры получается готовое изделие. В Украине разработки по изготовлению полиэфирного стеклопластика ведет Северодонецкий технологический институт «Армопласт». Он представил КиевЗНИИЭП на теплофизические испытания экспериментальные образцы окон из такого стеклопластика. Хорошие теплоизоляционные качества этого стеклопластика на уровне дерева позволили получить сопротивление теплопередаче окна с двойным остеклением в одинарном переплете Ro=0,38 (м^2oС)/Вт, почти такое же как в деревянном двойном спаренном переплете Ro=0,39 (м^2oС)/Вт. в) Алюминиевые окна Отдельно по своим теплозащитным качествам стоят конструкции из металлов (стали и алюминия), поскольку теплопроводность этих материалов 58 Вт/(мЧ°С) и 221 Вт/(мЧ°С) и, соответственно, в 300 и 1000 раз выше, чем дерева и пластмассы. Это обстоятельство привело к тому, что окна в металлических переплетах применялись в бывшем СССР для остекления только общественных (алюминиевые конструкции) и производственных (стальные конструкции) зданий, нормы защиты для которых по СниП II-3-79** «Строительная теплотехника» были существенно ниже, чем для жилья. Однако, долговечность этих материалов, технологичность изготовления конструкций и мировой опыт показывают возможность их применения во всех типах зданий. Основными отечественными производителями алюминиевых окон является Броварской завод алюминиевых строительных конструкций (БЗАСК), созданный на основе разработок КиевЗНИИЭП, завод «Эфкон» — бывшая производственно-экспериментальная база КиевЗНИИЭП, и киевская компания «Талисман». Теплофизические испытания в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП позволили определить значения сопротивления теплопередаче алюминиевого профиля, используемого для изготовления окон и балконных дверей.

Из анализа табл. 9 видно, что алюминиевый профиль с термомостом небольшой толщины, порядка 16 мм, имеет низкие теплозащитные качества Ro=0,3-0,42 (м^2oС)/Вт. Самые высокие теплозащитные качества имеет алюминиевый профиль фирмы «HUECK», Германия, термомостик выполнен из полиамидных пластин толщиной 30 мм, армированных стекловолокном, пространство между которыми залито эффективным утеплителем — пенополиуретаном. Его Ro=0,47 (м^2oС)/Вт.

Из табл. 10 видно, что только с теплоотражающим покрытием однокамерный стеклопакет при большом процентном отношении остекления Fост=81% может привести к нормативному значению алюминиевого окна для I-ой температурной зоны Roтр=0,45 (м^2oС)/Вт. Применение двухкамерных стеклопакетов также позволяет получить нормируемые значения приведенного сопротивления теплопередаче от Ro=0,38ё0,48 (м^2oС)/Вт в зависимости от толщины воздушных прослоек (табл. 11).

Анализ исследований позволяет сделать вывод, что для создания алюминиевых и стальных конструкций с сопротивлением теплопередаче, соответствующим нормативному значению 0,45 (м^2oС)/Вт, несветопрозрачная часть этих конструкций в варианте с трехслойным остеклением или теплоотражающим покрытием должна иметь сопротивление теплопередаче не менее 0,48ё0,5 (м^2oС)/Вт при большой площади остекления.

В заключение укажем, что для повышения теплозащитных качеств несветопрозрачных частей окон из металлов и ПВХ следует учитывать следующие требования:
Общие требования для металлических и ПВХ профилей:
– использование большого количества воздушных камер в профилях коробки и переплета; – замена прямых стенок профилей в направлении распространения теплового потока на зигзагообразные;
– по возможности уменьшение толщины стенок профилей.

Требования для металлических конструкций:
– использование термовкладышей с большим сопротивлением теплопередаче (пористая структура, наличие внутренних полостей с минимальной шириной стенок);
– для заполнения пустот металлических профилей использование утепляющего материала, например, пенополистирола, пенополиуретана и др.;
– применение раздельных конструкций с соединением наружных и внутренних створок деревянными или пластмассовыми конструктивными элементами;
– использование комбинированных дерево-алюминиевых или дерево-стальных конструкций.

Шевелев В. Б., директор КиевЗНИЭП,
Черных Л. Ф., руководитель отдела