Программа энергосбережения в строительстве и эксплуатации зданий направлена на всемерное снижение потребления энергии, повышение энергоэффективности зданий. Большую роль при этом играют светопрозрачные ограждения – окна, витражи и другие, поскольку современный уровень их теплозащиты значительно уступает теплозащите стеновых ограждающих конструкций зданий и теплопотери через светопрозрачные ограждающие конструкции доходят до 40% от всех теплопотерь здания.

При этом теплопередача в наружных ограждающих конструкциях осуществляется по трем направлениям: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. В непрозрачных стеновых конструкциях ограничение теплопередачи осуществляется в основном в соответствии с принципами теплопроводности и с использованием теплоизоляционных материалов (пенопласта, стекловолокна, пенополиуретана и др.)

В настоящее время в России применяются следующие основные способы повышения энергоэффективности светопрозрачных конструкций:

- переход в стеклопакетах на теплоизоляционные дистанционные рамки;
- применение в стеклопакетах  стёкол с теплоотражающими покрытиями;
- заполнение стеклопакетов инертными газами. 

В светопрозрачных конструкциях (СПК) при степени остекления от 0,6 и выше тепловые потери связаны в большей степени с тепловым излучением и конвективным теплообменом. В связи с этим при разработке и проектировании СПК большое внимание уделяется мероприятиям по ограничению конвективной и лучистой составляющей теплопередачи. Так, например, при ограничении размеров полостей в профильных системах и снижении конвективной составляющей теплопередачи можно добиться существенного увеличения термического сопротивления светонепрозрачного элемента СПК. Как показывает практика эксплуатации и расчеты, замена трехкамерного ПВХ-профиля на пятикамерный позволяет повысить теплозащитные качества светонепрозрачного участка СПК более чем 15%. А при применении в стеклопакетах мягкого теплоотражающего покрытия и замещении в межстекольном пространстве воздуха на криптон позволяет повысить теплозащитные качества светопрозрачного участка до 3 и более раз. Кроме того, замена алюминиевой дистанционной рамки на менее теплопроводную рамку, например из термикса, может существенно повысить температуру поверхности краевой зоны.

Трехкамерный ПВХ-профиль

На рис. 1 представлена изотерма по сечению трехкамерного ПВХ-профиля со стальным армирующим профилем, заполненным калибровочной панелью, при перепаде температур -20°С – +20°С, полученная расчетным методом. Сопротивление теплопередаче такого профиля рама + створка в среднем составляет 0,55 м2 °С/Вт с нормативными сопротивлениями теплопереходу на границе воздух – конструкция. При расчете камеры в профиле приняты как замкнутые воздушные прослойки. Коэффициент теплопроводности ПВХ принят равным 0,17 Вт/м2 °С, коэффициент теплопроводности стального армирующего профиля – соответственно 50 Вт/м2 °С, коэффициент теплопроводности резинового уплотнителя – соответственно 0,24 Вт/м2 °С.

Пятикамерный ПВХ-профиль

На рис. 2 представлена изотерма по сечению пятикамерного ПВХ-профиля со стальным армирующим профилем, заполненного калибровочной панелью, при перепаде температур -20°С – +20°С, полученная расчетным методом. Сопротивление теплопередаче такого профиля рама + створка в среднем составляет 0,64 м2 °С/Вт с нормативными сопротивлениями теплопереходу на границе воздух – конструкция, что на 16% превышает сопротивление теплопередаче трехкамерной системы рама + створка. При расчете характеристики материалов профиля приняты такие же, как и для трехкамерного профиля.

Для оценки влияния структуры стеклопакета на его теплозащитные качества проведены теплотехнические исследования разных модификаций двухкамерного стеклопакета одной и той же ширины (32 мм).

Стеклопакет заполненный воздухом

На рис. 3 представлены результаты теплотехнического расчета стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с обычными стеклами и заполненного осушенным воздухом при перепаде температур -20°С – +20°С. При расчете приняты нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло, а коэффициент теплопроводности стекла принят равным 1,0 Вт/м2 °С. Сопротивление теплопередаче по центру исследованного стеклопакета составило 1/1,86 = 0,54 (м2 °С/Вт).

Стеклопакет заполненный аргоном

На рис. 4 представлены результаты теплотехнического расчета стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с обычными стеклами и заполненного аргоновой смесью. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущем расчете. Сопротивление теплопередаче по центру исследованного стеклопакета составило 0,59 (м2°С/Вт). Замещение осушенного воздуха на аргоновую смесь позволило повысить теплозащитные качества рассмотренного СПД до 9%.

Стеклопакет заполненный криптоновой смесью

На рис. 5  представлены результаты теплотехнического расчета стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с обычными стеклами и заполненного криптоновой смесью. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущих расчетах. Сопротивление теплопередаче по центру исследованного варианта стеклопакета составило  0,65 (м2 °С/Вт). Замещение осушенного воздуха на криптоновую смесь в СПД с обычными стеклами позволило повысить его теплозащитные качества с 0,54 (м2 °С/Вт) до 0,65 (м2 °С/Вт) – более чем на 20%.

Стеклопакет со стеклами с мягкими покрытиями

На рис. 6 представлены результаты теплотехнического расчета стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с двумя стеклами с  мягкими покрытиями и заполненного осушенным воздухом. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущих расчетах. Сопротивление теплопередаче по центру исследованного варианта стеклопакета составило 0,96 (м2 °С/Вт). Использование в СПД двух стекол с мягким покрытием позволило повысить его теплозащитные качества с 0,54 (м2 °С/Вт) до 0,96 (м2 °С/Вт) – более чем на 75%.

Стеклопакет со стеклами с мягкими покрытиями и криптоновой смесью

На рис. 7  представлены результаты теплотехнического расчета стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с двумя стеклами с  мягкими покрытиями и заполненного криптоновой смесью. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущих расчетах. Сопротивление теплопередаче по центру исследованного варианта стеклопакета составило 1,74 (м2 °С/Вт). Использование в СПД двух стекол с мягким покрытием и одновременным замещением осушенного воздуха на криптоновую смесь в СПД позволило повысить его теплозащитные качества с 0,54 (м2 °С/Вт) до 1,74 (м2 °С/Вт) – более чем в три раза.

Стеклопакет с алюминиевыми дистанционными рамками

На рис. 8  представлены изотермы  стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с алюминиевыми дистанционными рамками. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущих расчетах. Коэффициент теплопроводности алюминиевого сплава принят равным 160 Вт/м °С. Температура на поверхности стеклопакета в зоне    алюминиевой дистанционной рамки при tн= -20°С и   tв= +20оС  составляет не более 0,2°С (недопустимую всеми действующими нормативными документами).

Стеклопакет с дистанционными рамками из термикса

На рис. 9  представлены изотермы  стеклопакета СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с дистанционными рамками из термикса. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущих расчетах. Коэффициент теплопроводности термикса принят равным 0,17 Вт/м °С. Температура на поверхности стеклопакета в зоне дистанционной рамки при tн= -20°С и   tв= +20°С составляет более 10°С. Таким образом, замена в рассматриваемой СПД алюминиевой дистанционной рамки на менее теплопроводную рамку из термикса  повысило температуру в краевой зоне стеклопакета на  10°С.

Трехкамерный ПВХ-профиль со стальным армированием

На рис. 10 представлена изотерма по сечению трехкамерного ПВХ-профиля со стальным армирующим профилем, заполненного стеклопакетом СПД 4-10-4-10-4 с алюминиевой дистанционной рамкой,  при перепаде температур -20°С – +20°С, полученная расчетным методом. Сопротивление теплопередаче такого профиля рама + створка в среднем составляет 0,46 м2 °С/Вт с нормативными сопротивлениями теплопереходу на границе воздух – конструкция. При расчете камеры в профиле приняты как замкнутые воздушные прослойки. Коэффициент теплопроводности ПВХ принят равным 0,17 Вт/м °С, коэффициент теплопроводности стального армирующего профиля – соответственно 50 Вт/м °С, коэффициент теплопроводности резинового уплотнителя – соответственно 0,24 Вт/м °С. Температура на поверхности рамы в краевой зоне составляет не более 5,4°С и не всегда удовлетворяет  требованиям действующих нормативных документов.

Пятикамерный ПВХ-профиль со стальным армированием и стеклопакетом с дистанционной рамкой из термикса

На рис. 11  представлена изотерма по сечению пятикамерного ПВХ-профиля со стальным армирующим профилем, заполненного стеклопакетом СПД 4-10-4-10-4 с дистанционной рамкой из термикса  при перепаде температур -20°С – +20°С, полученная расчетным методом. Сопротивление теплопередаче такого профиля рама + створка в среднем составляет 0,59 (м2 °С/Вт) с нормативными сопротивлениями теплопереходу на границе воздух – конструкция. При расчете, как и в предыдущем расчете, камеры в профиле приняты как замкнутые воздушные прослойки. Коэффициент теплопроводности ПВХ принят равным 0,17 Вт/м °С, коэффициент теплопроводности стального армирующего профиля – соответственно 50 Вт/м °С, коэффициент теплопроводности резинового уплотнителя – соответственно 0,24 Вт/м °С. Температура на поверхности рамы в краевой зоне составляет 10,9°С и удовлетворяет  требованиям действующих нормативных документов для большинства климатических районов РФ.

Стеклопакет с обычными стеклами заполненном воздухом

На рис. 12 представлены результаты теплотехнического расчета оконного блока со стеклопакетом СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с обычными стеклами и заполненного осушенным воздухом при перепаде температур -20°С – +20°С. При расчете приняты нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло, а коэффициент теплопроводности стекла принят равным 1,0 Вт/м °С. Приведенное сопротивление теплопередаче такого оконного блока составило не более  0,51 (м2 °С/Вт) при степени остекления 0,68.

Стеклопакет со стеклами с мягким покрытием

На рис. 13 представлены результаты теплотехнического расчета оконного блока со стеклопакетом СПД 4-10-4-10-4 (шириной 32 мм) с двумя стеклами с мягкими покрытиями и заполненного криптоновой смесью. При расчете приняты такие же нормативные значения сопротивлений теплопереходу на границе воздух – стекло и коэффициент теплопроводности стекла, что и в предыдущих расчетах. Приведенное сопротивление теплопередаче такого оконного блока составило  1,04 (м2 °С/Вт). Принятые мероприятия по повышению  теплозащитных качеств оконного блока из ПВХ-профиля позволили в несколько раз улучшить его энергоэффективность.

«Теплая» алюминиевая фасадная конструкция

На рис. 14 (см. Журнал "Окна. Двери. Фасады" № 2 ( 41 ) 2011, стр. 74) представлена изотерма по сечению теплой алюминиевой фасадной системы со стеклопакетом и алюминиевой дистанционной рамкой. Сопротивление теплопередаче по раме составляет всего 0,29 (м2 °С/Вт), и такое техническое решение не может быть рекомендовано для большинства климатических районов РФ.

«Теплая» алюминиевая фасадная конструкция со стеклопакетом с дистанционной рамкой из термикса

На рис. 15  представлена изотерма по сечению теплой алюминиевой фасадной системы со стеклопакетом и дистанционной рамкой из термикса. Сопротивление теплопередаче по раме рассматриваемой фасадной системы при замене алюминиевой дистанционной рамки на термикс увеличивается с 0,29 (м2 °С/Вт) до 0,49 (м2 °С/Вт), и в сочетании с энергосберегающим стеклопакетом это может быть рекомендовано для большинства климатических районов РФ.

«Теплая» алюминиевая фасадная конструкция со стеклопакетом заполненным криптоновой смесью

На рис. 16 представлены результаты теплотехнического расчета СПК из теплой фасадной системы  со стеклопакетом 4-10Kr-4И-10Kr-4И, заполненного криптоновой смесью и с дистанционной рамкой  из термикса. Приведенное сопротивление теплопередаче СПК из алюминиевой профильной фасадной системы со стеклопакетом 4-10Kr-4И-10Kr-4И, заполненного криптоновой смесью и с дистанционной рамкой из термикса,  составляет уже 0,95 (м2 °С/Вт)  при степени остекления 0,68.

Итоги исследования и рекомендации

Приведенные выше результаты теплофизических исследований дают основание полагать, что есть все возможности разработать энергоэффективные СПК с сопротивлением теплопередаче 1,0 и более единиц.

Вот некоторые мероприятия по проектированию энергоэффективных СПК.

- Переход с трехкамерного ПВХ-профиля на пятикамерный позволит повысить теплозащитные свойства рамочных ПВХ-элементов до 20%.

- Замещение в межстекольном пространстве воздушной смеси на аргоновую смесь может повысить теплозащитные качества рамочных ПВХ-элементов до 10%.

- Замещение в межстекольном пространстве воздушной смеси на криптоновую смесь может повысить теплозащитные качества рамочных ПВХ-элементов до 20%.

- Применение в стеклопакетах стекол с мягким теплоотражающим покрытием вместо обычных позволит повысить теплозащитные свойства стеклопакетов до 70%.

- Применение в стеклопакетах стекол с мягким теплоотражающим покрытием вместо обычных в сочетании с замещением в межстекольном пространстве воздушной смеси на криптоновую смесь может повысить теплозащитные качества стеклопакетов в три и более раз.

- Замена в стеклопакетах теплопроводной алюминиевой дистанционной рамки на менее теплопроводный термикс существенно повышает температуру поверхности в краевой зоне остекления.

Указанные мероприятия по проектированию энергоэффективных СПК могут быть перенесены на большинство существующих видов светопрозрачных конструкций.

Комплекс приведенных выше мероприятий по повышению энергоэффективности позволит снизить теплопотери через СПК до 2 и более раз.

Повышение энергоэффективности СПК позволит не только снизить теплопотери и привести их к нормативным показателям, но и обеспечит повышение архитектурной выразительности зданий различного назначения и в первую очередь жилых домов как наиболее массового вида строительства. В свою очередь, эти мероприятия уменьшат энергопотребление, снизят потребления топлива, оплату за тепловую энергию, высвобождение дополнительной тепловой мощности, улучшение качества теплоснабжения, повысят экологическую безопасность, а следовательно, улучшат среду обитания человека.

С анализом текущего и потенциального спроса и предложения на российском рынке продуктов переработки ПВХ Вы можете познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

«Рынок суспензионного ПВХ в России».
«Рынок оконного ПВХ профиля в России»
«Рынок ПВХ подоконников в России»
«Рынок стеновых ПВХ панелей в России»
«Рынок напольного ПВХ плинтуса в России»
«Рынок настенных кабель-каналов в России»

Журнал "Окна Двери Фасады"