Теплые алюминиевые окна

По своим прочностным свойствам, высокой коррозионной стойкости и способности принимать сложную форму поперечного сечения алюминиевые профили представляются весьма подходящим материалом для изготовления каркасов для окон и других различных видов остекления зданий. Однако алюминий имеет настолько высокую теплопроводность, что температура рамы окна, которая полностью изготовлена из алюминиевых профилей снаружи и внутри здания практически не отличается, причем как зимой, так и летом.

Теплые алюминиевые окна

Решением этой проблемы являются так называемые комбинированные профили, которые называют также «теплыми» алюминиевыми профилями. Эти профили состоят из двух алюминиевых профилей – наружного и внутреннего, которые соединяются друг с другом через материал с низкой теплопроводностью, таким как полиамид, полиуретан или поливинилхлорид. Говорят, что этот материал с низкой теплопроводностью образует терморазрыв, а такие профили называют также алюминиевыми профилями с терморазрывом.

Европейский стандарт EN 14024 и международные стандарты ISO 10077 и ISO 15099 применяют термин «thermal barrier», то есть «термический барьер», а американские нормативные документы – термин «thermal break». Российские стандарты, например, ГОСТ 22233-2001 на алюминиевые профили применяют термин «термовставка».

Алюминиевые профили для окон и дверей

Европейский стандарт EN 14024 устанавливает два типа терморазрыва для металлических профилей, в том числе, для алюминиевых профилей (рисунок 1).

Рисунок 1 – Два типа терморазрыва в алюминиевых профилях

Первая технология изготовления алюминиевого профиля с терморазрывом заключается в том, что две противоположных кромки полиамидного профиля вставляют в специальные пазы алюминиевых профилей, наружного и внутреннего. Затем производится закатка кромок этих пазов, что обеспечивает прочное соединение термомоста с каждым из алюминиевых профилей, а алюминиевых профилей друг с другом.

Вторая технология изготовления алюминиевых профилей с терморазрывом включает заливку жидкого полиуретана в алюминиевый профиль, который имеет специальные пазы. Затем, после затвердевания полиуретана, тонкие «перепонки» между наружной и внутренней частью алюминиевого профиля удаляют – вырывают или фрезеруют – и получается алюминиевый профиль с терморазрывом.

Теплопередача и теплопроводность

Коэффициент теплопередачи окна – любого окна, алюминиевого, деревянного, пластикового – это количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу площади окна на 1 градус разности температуры между обеими сторонами окна – наружной и внутренней. Поэтому величина коэффициента теплопередачи измеряется в Вт/(м²·К) или «в ваттах на метр квадратный на градус Кельвина».

Алюминиевые, пластиковые и деревянные окна отличаются друг от друга материалом рамы. Вклад рамы в коэффициент теплопередачи этих окон может весьма сильно различаться. Это связано в первую очередь с различиями в коэффициентах теплопроводности этих материалов: алюминия, пластика ПВХ и древесины.

Нелишне отметить, что теплопроводность – это физическое свойство материала, например, древесины рамы окна. Коэффициент теплопроводности отражает способность материала передавать тепло на расстояние под воздействием перепада температуры и поэтому имеет размерность Вт/(м·К). Иными словами, это – количество тепла на единицу длины при перепаде температуры в один градус (Кельвина или Цельсия).

Коэффициент теплопередачи в отличие от коэффициента теплопроводности – это характеристика окна как физического тела. Коэффициент теплопередачи окна отражает его способность сопротивляться пропусканию через себя тепла под воздействием перепада температуры на внутренней и наружной своих поверхностях. Поэтому коэффициент теплопередачи имеет размерность Вт/(м²·К). Иными словами, это – количество тепла на единицу площади окна при перепаде температуры в один градус.

Теплопередача окна по ISO 10077-1

Самыми надежными методами для определения коэффициента теплопередачи рам окон и окон в целом являются численные методы (например, метод конечных элементов, метод конечных разностей или метод граничных элементов) в соответствии с указаниями стандарта ISO 10077-2. Кроме того применяют стандартизированные экспериментальные методы на основе измерения тепловых потоков через элементы окна и окно в целом.

Стандарт ISO 10077-1 предназначен для оценки коэффициентов теплопередачи окон различной конструкции при отсутствии данных численного расчета и экспериментальных данных.

Для простого глухого окна – окна с рамой без створок и импостов (горизонтальных и вертикальных перекладин) – формула для вычисления коэффициента теплопередачи окна согласно стандарту ISO 10077-1 упрощается до следующего вида:

где:
A_g – площадь светопроникающей части окна;
A_f – площадь рамы (проекция на вертикальную плоскость);
l_g – длина периметра светопроникающей части окна;
Ψ_g – линейная теплопередача (на стыке между рамой и светопроникающей частью окна).

Теплопередача пластикового окна

Международный стандарт ISO 10077-1 дает минимальные величины коэффициентов теплопередачи рам окна ПВХ с двумя камерами и тремя камерами. Эти минимальные коэффициенты теплопередачи рам окон ПВХ – металлопластиковых окон – составляют соответственно 2,2 и 2,0 Вт/м²·К.

Рисунок 2 – Минимальный коэффициент теплопередачи окон ПВХ

Обычно рамы окон ПВХ имеют именно 3 камеры. Встречаются рамы ПВХ с 4-мя и даже 5-тью камерами, но они дороже обычных. Стандарт ISO 10077-1 указывает, что камерой окна ПВХ может считаться только полость шириной не менее 5 мм. Данных о коэффициенте теплопередачи рам таких «экзотических» окон ПВХ стандарт не приводит.

Рисунок 3 – Минимальная ширина камеры рамы окна ПВХ

Теплопередача деревянного окна

На рисунке 4 приведен график зависимости минимального коэффициента теплопередачи рамы деревянного окна, во-первых, от типа древесины (мягкая или твердая) и, во-вторых, от толщины рамы.

Рисунок 4 – Коэффициент теплопередачи деревянных рам
1 – твердые породы (700 кг/куб. м и 0,18 Вт/м К);
2 -мягкие породы (500 кг/куб. м и 0,13 Вт/м К)

Для типичной толщины деревянного окна 50 мм коэффициент теплопередачи рамы составляет для мягких пород 2,0 Вт/м2 К, а для твердых пород – 2,2 Вт/м2 К. С увеличением толщины рамы за 150 мм коэффициент теплопередачи рамы приближается к единице.

Теплопередача алюминиевой рамы

Терморазрыв алюминиевой рамы

На рисунке 5 показаны основные конструкционные характеристики алюминиевой рамы с терморазвязкой в виде полиамидных вставок.

Рисунок 5 – Алюминиевая рама с полиамидными вставками:
0,2 < λ ≤ 0,3 Вт/(м² К)
b₁ + b₂ + b₃ + b₄ ≤ 0,2 b_f

Коэффициент теплопередачи оконной рамы из алюминиевых профилей с терморазрывом зависит от:

коэффициента теплопроводности материала терморазрыва;
длины терморазрыва, d, то есть минимального расстояния между наружным и внутренним алюминиевыми профилями;
ширины терморазрыва, b₁+b₂+b₃+b₄;
отношения общей ширины терморазрыва (b₁+b₂+b₃+b₄) к ширине рамы b_f.

Длина терморазрыва

Производители алюминиевых окон обычно декларируют длину (или ширину) полиамидных вставок, которые образуют терморазрыв в алюминиевых профилях рамы. Однако эти полиамидные вставки имеют заделку в алюминиевых профилях не менее 2,5 мм с каждой стороны. Поэтому, если применяются полиамидные вставки, например, длиной 34 мм, то они обеспечивают эффективный терморазрыв в лучшем случае длиной всего 29 мм.

Формула

Формула для вычисления коэффициента теплопередачи рамы алюминиевого окна выглядит следующим образом:

где
A_f_,_i /A_f,di– отношение площади проекции внутренней поверхности рамы на плоскость окна к полной внутренней поверхности рамы (рисунок 6);
A_f_,_e /A_f,d_e – отношение площади проекции наружной поверхности рамы на плоскость окна к полной наружной поверхности рамы (рисунок 6);
R_si – сопротивление теплопередаче внутренней поверхности рамы (прослойки воздуха на внутренней поверхности рамы), (м² ·К)/Вт;
R_se – сопротивление теплопередаче наружной поверхности рамы (прослойки воздуха на наружной поверхности рамы), (м²·К)/Вт;
R_f – сопротивление теплопередаче сечения рамы, (м²·К)/Вт.

Рисунок 6 – Параметры формы алюминиевой рамы,
которые влияют на величину ее коэффициета теплопередачи

Сопротивление теплопередаче алюминиевой рамы

Сопротивление рамы алюминиевого окна без терморазрыва принимается равным нулю: R_f = 0.

Минимальное сопротивление алюминиевой рамы в зависимости от длины терморазрыва d принимается по сплошной линии графика на рисунке 7.

Рисунок 7 – Величины R_f для алюминиевой рамы с терморазрывом

Заштрихованная область на рисунке 7 выше сплошной линии соответствует величинам сопротивления теплопередаче рамы, полученным для различных алюминиевых окон при различных условиях в различных европейских странах. Поэтому верхнюю линию надо понимать как практический максимум сопротивления теплопередаче алюминиевых рам для заданных величин терморазрыва d.

Наружная и внутрення поверхности рамы

Величины сопротивления теплопередаче внутренней и наружной поверхностей рамы вертикального окна по ISO 10077-1 принимаются:

R_si = 0,13 м²·К/Вт (для внутренней поверхности рамы);
R_se = 0,04 м²·К/Вт (для наружной поверхности рамы).

Теплопередачи алюминиевой рамы

При заданной длине терморазрыва d максимальная величина коэффициента теплопередачи алюминиевой рамы по формуле достигается при A_i = A_id и A_e = A_ed (см. рисунок 6).

В этом случае

U_f = 1/ (0,13 + R_f + 0,04) = 1/(R_f + 0,17)

Алюминиевая рама без терморазрыва

Для алюминиевой рамы без терморазрыва принимается R_f = 0, что дает

U_f = 1/(0 + 0,17) = 5,9 Вт/м²·К

Алюминиевая рама с терморазрывом d = 19 мм

Для полиамидной термовставки 24 мм

1) Минимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по сплошной линии графика рисунка 7):

R_f = 0,18 м²·К/Вт

2) Максимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по пунктирной линии графика рисунка 7):

R_f = 0,30 м²·К/Вт

3) Максимальный (худший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 19 мм:

U_f = 1/(0,18 + 0,17) = 1/0,35 = 2,9 Вт/м² К.

4) Минимальный (лучший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 19 мм:

U_f = 1/(0,30 + 0,17) = 1/0,47 = 2,1 Вт/м² К.

Алюминиевая рама с терморазрывом d = 28 мм

Для термовставки 33 мм

1) Минимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по сплошной линии графика рисунка 7):

R_f = 0,22 м²·К/Вт

R_f = 0,35 м²·К/Вт

3) Максимальный (худший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 28 мм:

U_f = 1/(0,22 + 0,17) = 1/0,39 = 2,6 Вт/м² К.

4) Минимальный (лучший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 28 мм:

U_f = 1/(0,35 + 0,17) = 1/0,52 = 1,9 Вт/м² К.

Коэффициент теплопередачи алюминиевого окна

На основании известного коэффициента теплопередачи алюминиевой рамы и известного коэффициента теплопередачи стеклопакета (таблица 1) по соответствующим таблицам производится определение минимального коэффициента теплопередачи всего окна.

Таблица 1 – Коэффициенты теплопередачи стеклопакетов (фрагмент)

Стандарт ISO 10077-1 дает четыре таблицы для определения коэффициента теплопередачи окан в зависимости от отношения площади рамы к общей площади окна – 20 и 30 %, а также для различных типов спейсеров стеклопакетов – обычных и с улучшенными тепловыми характеристиками.

Таблица 2 – Коэффициенты теплопередачи окон с отношением площади рамы 20 % от общей площади окна (стеклопакеты с обычными спейсерами) – алюминиевые рамы

Таблица 3 – Коэффициенты теплопередачи окон с отношением площади рамы 30 % от общей площади окна (стеклопакеты с обычными спейсерами) – рамы пластиковые и деревянные

Рамы деревянных окон имеют самый низкий (самый лучший) коэффициент теплопередачи. При толщине рамы деревянной рамы 50 мм коэффициент теплопередачи рамы составляет около 2,0 Вт/м²·К. При увеличении толщины деревянной рамы до 100 мм коэффициент теплопередачи рамы снижается до 1,5 Вт/м²·К, а до 150 мм – до 1,0 Вт/м²·К.
Лучшие алюминиевые окна способны обеспечивать коэффициент теплопередачи до 1,9 Вт/м²·К. “Худшие” трехкамерные металлопластиковые окна имеют раму с коэффициентом теплопередачи около 2,2 Вт/м²·К. То есть, худшие пластиковые окна могут быть хуже лучших алюминиевых окон.
Более высокая прочность алюминиевых сплавов по сравнению с пластиками и древесиной позволяет снижать ширину рамы окна. Доля площади рамы типичного алюминиевого окна составляет около 20 %, тогда как у пластиковых и деревянных окон – около 30 %.
Поскольку коэффициент теплопередачи хорошего стеклопакета всегда ниже, чем коэффициент теплопередачи любой рамы, то это дает алюминиевым окнам возможность конкурировать с окнами других типов, в первую очередь, с пластиковыми, по тепловой эффективности. Остается, правда, вопрос возможного выпадения конденсата на алюминиевой раме.