ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СОВРЕМЕННЫХ ОКОН В КРАЕВЫХ ЗОНАХ

Практика эксплуатации современных окон в различных климатических районах Российской Федерации показала, что одной из общих проблем, характерных практически для всех окон с применением стеклопакетов, является резкое понижение температуры внутренней поверхности остекления в зоне сопряжения с переплетами - так называемая "проблема краевых зон".

С необходимостью решения этой проблемы в настоящее время столкнулись производители окон самых различных конструктивных решений: из жесткого ПВХ, в деревянных переплетах, алюминия. И не только в нашей стране. Это явление имеет место практически в любых климатических условиях, однако в России, вследствие сурового климата, проявляется особенно ярко. И если в Европе эта проблема рассматривается в основном с точки зрения энергосбережения (увеличения теплопотерь через стеклопакеты в краевых зонах), что само по себе не так уж и существенно в тепловом балансе здания, то в суровых климатических условиях России на первый план выходят санитарно-гигиенические требования. В холодный период года понижение температуры внутренней поверхности остекления приводит к выпадению конденсата по периметру окна, увлажнению профилей и подоконников, а при низких температурах наружного воздуха - к замерзанию конденсата (рис.1) с образованием инея и наледей (особенно в нижней части окна), что и вызывает закономерные нарекания потребителей.

Рис.1

Результаты натурных испытаний окон различных производителей свидетельствуют, что падение температуры в зоне сопряжения стеклопакета с переплетами по сравнению с центральной частью окна может составлять от 6 до 12 0С, при этом температура внутренней поверхности остекления может опускаться намного ниже 0 0С.

Возникает определенное противоречие: с одной стороны, применение стеклопакетов открывает для отечественных производителей окон широчайшие возможности в решении задачи энергосбережения за счет повышения теплозащитных качеств светопрозрачной части (2-х, 3-х камерные стеклопакеты, заполнение межстекольного пространства инертными газами, применение стекла и пленок с селективными покрытиями и т.п.). С другой стороны, применение стеклопакетов сопровождается локальным понижением температуры внутренней поверхности в краевых зонах со всеми вытекающими последствиями.

Актуальность этой проблемы в настоящее время обостряется еще и введением в действие изменений СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника", предусматривающих ограничение минимальной температуры внутренней поверхности окна (не ниже 3 0С - при расчетной температуре наружного воздуха для района строительства), и введении обязательной сертификации оконной продукции. При строгом выполнении требований СНиП II-3-79* большинство конструктивных решений окон (особенно с однокамерными стеклопакетами) не в состоянии пройти процедуру сертификации.

Таким образом, решение проблемы краевых зон, или хотя бы снятие ее остроты в соответствии с действующими СНиП, является актуальнейшей задачей и представляет интерес как для производителей окон, так и для потребителей.

Информационный бюллетень "Окна и Двери" уже неоднократно обращался к этой теме (см. №№2,3,4, 5,10 за 1998 г.), однако ясности по данной проблеме пока нет. В большинстве отечественных и зарубежных публикаций по этому вопросу основное внимание уделяется материалу дистанционных рамок, с помощью которых формируется стеклопакет. Считается, что замена рамок из алюминия (коэффициент теплопроводности l = 220 Вт/мo0С) на оцинкованную сталь (l = 58 Вт/мo0С) или легированную сталь (l = 14 - 20 Вт/мo0С) является радикальным решением. В этой связи многие производители стеклопакетов, озабоченные необходимостью повышения качества своей продукции, уже пытаются переходить на дистанционные рамки из различных сталей или ПВХ, рамки с термовставками, дистанционные рамки в виде эластичных лент с жестким влагопоглотителем (типа "Swiggle Strip") и т.п.

Однако, как показывают результаты экспериментальных и теоретических исследований, решение этой задачи не столь однозначно и зависит от комплекса взаимосвязанных процессов, определяющих температурный режим стеклопакетов в зоне их сопряжения с оконными переплетами (рис.2),

Рис.2

в частности:

• стока тепла вдоль внутреннего стекла к торцу стеклопакета вследствие расположения его в толще профиля с пониженными температурами и уменьшения теплопритока за счет закрытия стекла оконными штапиками;
• стока тепла по герметику стеклопакетов;
• стока тепла по дистанционным рамкам.

В нижней части стеклопакетов на эти процессы накладывается дополнительно конвективный теплоперенос в воздушных прослойках (поток холодного воздуха, опускающийся вдоль наружного стекла, поворачивает, соприкасается с внутренним стеклом, охлаждает его и, постепенно нагреваясь, поднимается вверх). Именно охлаждение кон-вективным потоком воздуха нижней части стеклопакета и обуславливает в первую очередь выпадение конденсата на его поверхности в нижней части окна.

Необходимо разделить процессы теплопередачи в краевых зонах, обусловленные теплопроводностью (что, собственно говоря, и определяет проблему краевых зон), и процессы, связанные с конвективным теплопереносом, которые происходят в любых воздушных прослойках независимо от наличия и типа дистанционных рамок. Физика этих процессов различна, и, соответственно, различны подходы к их учету и использованию.

Бесспорно, что влияние отдельных факторов на конечный результат неравнозначно и зависит от конструктивного решения стеклопакета, переплета, материала дистанционных рамок, типа герметика и пр. В качестве примера на рис.3 приведены результаты расчета температурного поля узла сопряжения деревянного профиля с двухкамерным стеклопакетом из обычного стекла.

Аналогичные расчеты, выполненные для различных стеклопакетов, показали, что при отсутствии дистанционных рамок и герметика (сток тепла происходит вдоль внутреннего стекла к торцу стеклопакета) понижение температуры по сравнению с центральной частью составляет ~10-15% (см. рис.3а). Сток тепла по герметизирующей мастике (по результатам испытаний лаборатории строительной физики СибАДИ коэффициенты теплопроводности мастик "тиокол" и "нафтотерм" l = 0,36 - 0,44 Вт/мo0С) дополнительно составляет ~15-25% (см. рис.3 б). На долю дистанционных рамок из алюминия приходится 60-75%. Комплекс этих факторов и определяет понижение температуры в рассмотренном примере по сравнению с гладью стеклопакета на t = 10,9 0С (см. рис.3 в).

Рис.3

Анализ эффективности замены материала дистанционных рамок - алюминия на оцинкованную и нержавеющую сталь, ПВХ, рамки с термовставками, как это рекомендуется в большинстве публикаций по этой теме, показывает, что переход от алюминия к оцинкованной стали, и даже к нержавеющей стали, не столь уж и эффективен, несмотря на то, что коэффициент теплопроводности материала снижается почти на два порядка (табл.1). Наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании рамок из жесткого ПВХ или стеклопластика. Однако, как показывает обзор отечественного опыта, применение таких рамок пока ограничено определенными технологическими сложностями. Удовлетворительные результаты дает применение рамок с термовставками (см. табл.1), но и это решение само по себе не является достаточным.

Таблица 1

Результаты расчета температурного режима двухкамерного стеклопакета (4+16+4+16+4) в деревянном переплете с различными дистанционными рамками *

	№№ п/п		Материал дистанционной рамки **		Температура, 0С
					t центр в		t min в		D t
	1	Алюминий (l = 220 Bт/м*0C)	6,2	- 4,7	10,9 (100%)
	2	Оцинкованная сталь (l = 58 Bт/м*0C)	6,2	- 4,0	10,2 (93,6%)
	3	Нержавеющая сталь (l = 14 Bт/м*0C)	6,2	- 2,1	8,3 (76,1%)
	4	Жесткий ПВХ (l = 0,20 Bт/м*0C)	6,2	+ 3,4	2,8 (25,7%)
	5	Алюминий с термовставкой	6,2	- 0,7	6,9 (63,3%)

* Расчеты выполнены при температуре наружного воздуха tнp = -370С, температуре внутреннего воздуха tвp = +200С, коэффициентах теплообмена наружной и внутренней поверхностей в = 8,7 Вт/м2 0С по программе "TEMPER-3D".

** Дистанционные рамки установлены в стеклопакете со смещением от грани штапика вглубь переплета на 4 мм.

Таблица 2

Результаты натурных испытаний влияния различных рамок на температурный режим краевых зон (на примере окна из ПВХ-профилей серии "Euro-92. Golden Line")

	№№ п/п		Характеристика стеклопакета		Температура, 0С
					t н		t в		t центр в		t min в		D t
	1	4+16ал+4К	-21,4	22,9	13,3	7,1	6,2
	2	4+16ст+4К	-21,2	22,7	13,4	7,8	5,6
	3	4+16нерж+4К	-20,7	23,2	13,6	9,7	3,9
	4	4+16ал+4i	-19,8	22,2	15,0	8,2	6,8
	5	4+16ал+4	-20,4	21,2	11,2	6,5	4,7

ал - алюминий; ст - оцинкованная сталь; нерж - нержавеющая сталь; К - стекло с твердым селективнымпокрытием (Pilkington); i - стекло с мягким селективным покрытием ("Профиль-С")

Представленные в табл.1 результаты теоретических расчетов достаточно хорошо корреспондируются с результатами экспериментальных исследований в холодильной камере, проведенных для однокамерного стеклопакета с дистанционными рамками различного конструктивного решения шириной 16 мм (табл.2).

Как следует из результатов испытаний, повышение теплозащитных качеств стеклопакетов за счет применения стекла с селективным покрытием не улучшает положения. Повышение температуры в центральной части остекления приводит к некоторому повышению температуры в зоне сопряжения стеклопакета с переплетом. Однако разность между этими температурами, по сравнению с обычным стеклом, в конечном счете возрастает, и проблема краевых зон становится еще более ощутимой.

Анализ возможных технических решений, основанных на рассмотренных физических процессах теплопередачи, позволил сформулировать ряд подходов к решению проблемы краевых зон, помимо замены материала дистанционных рамок. В частности:

• глубокая посадка стеклопакетов;
• рациональное размещение стеклопакетов по ширине профиля;
• увеличение теплопритока к торцу стеклопакета за счет изменения размеров штапиков и др.

В качестве одного из наиболее простых и эффективных решений (в тех случаях, когда это конструктивно возможно) может быть рекомендовано смещение дистанционных рамок вместе с герметиками вглубь переплетов на 10-15 мм. Как показывают расчеты и экспериментальные исследования, смещение дистанционных рамок вглубь профилей позволяет повысить минимальную температуру в зоне стыка стеклопакета с переплетом на 3-4 0С без каких-либо других мероприятий (то есть в состоянии дать тот же эффект, что и применение рамок с термовставками).

В качестве примера на рис.4 представлены результаты натурных испытаний окна из ПВХ-профилей фирмы "Brugmann" серии "Duo kompakt. Serie 81". Профили этой серии отличаются возможностью глубокой посадки стеклопакетов, что и было реализовано при испытаниях окна ООО "Кратер-ДОКС". Для исключения возможных погрешностей (различия в температуре внутреннего воздуха, влияние приоконных зон и т.п.), стеклопакет был установлен со смещением в одну из сторон с получением в одном сечении двух вариантов размещения дистанционных рамок. Распределение температур по поверхности стеклопакета, представленное в виде графиков на рис.5, убедительно свидетельствуют об эффективности этого решения.

Рис.4


Рис.5

Возможны и другие варианты улучшения теплового режима стеклопакетов в краевых зонах с применением комплекса различных мероприятий.

Гораздо сложнее дело обстоит с конвективным теплопереносом и охлаждением нижней части окна. Как уже отмечалось, этот процесс происходит независимо от типа и материала дис-танционных рамок и определяется плотностью, вязкостью газа, заполняющего воздушную про-слойку, ее шириной, температурным перепадом между поверхностями и рядом других факто-ров. Рассмотрение этих процессов выходит за рамки данной статьи. Авторы надеются изложить свою точку зрения по этой проблеме в последующих публикациях.

Необходимо отметить, что рассмотренные решения позволяют лишь снять остроту про-блемы краевых зон для большинства производителей. Однако, ни замена материала дистанци-онных рамок, ни глубокая посадка стеклопакетов, ни ряд других возможных решений не по-зволяют полностью исключить понижение температуры поверхности стеклопакетов в зоне их сопряжения с переплетами.

Анализ результатов технологических и сертификационных испытаний в климатической камере "ОмскстройЦНИЛ" окон различного конструктивного решения: с одинарными, спарен-ными, раздельными переплетами (как со стеклопакетами, так и с тройным остеклением в раз-дельно-спаренных деревянных переплетах), привел к выводу, что радикальное решение про-блемы краевых зон возможно при размещении со стороны помещения одинарного остекления в самостоятельном переплете. Сопоставительные результаты испытаний окна со стеклопакетом и стеклом в раздельных деревянных переплетах, представленные на рис.5, свидетельствуют об отсутствии понижения температуры остекления при расположении стеклопакета с наружной стороны. Более того, в краевой зоне отмечается даже некоторое повышение температуры остек-ления вследствие дополнительного притока тепла от переплета.

По мнению авторов статьи, для суровых климатических условий это решение является наиболее удачным. Установка стеклопакета с внутренней стороны менее эффективна, хотя при наличии стекла с наружной стороны, проблема краевых зон проявляется менее ярко.

Необходима детальная проработка конструктивных решений, позволяющих реализовать отмеченные достоинства как в окнах из ПВХ-профилей, так и в традиционных деревянных ок-нах с раздельными или спаренными переплетами.

Заключение

Проведенные исследования показывают принципиальную возможность улучшения потребительских качеств современных окон с применением стеклопакетов и обеспечение требо-ваний СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника" по минимальной температуре внутренней поверхности.

Многофакторность рассмотренных процессов не позволяет разработать общие рекомендации и обуславливает необходимость индивидуального подхода с учетом возможностей кон-кретных производителей, конструктивных и технологических возможностей отдельных серий.

Организации, заинтересованные в решении рассмотренной проблемы приглашаются к сотрудничеству.

644080, г.Омск-80, пр-т Мира, 5

тел.: (3812) 23-61-01, 24-36-91; факс: 65-03-23

e-mail: info@sibadi.omsk.ru.

СибАДИ, кафедра "Архитектуры промышленных и гражданских зданий"