Алюминиевые окна: теплые и холодные

Климатические воздействия на окна

Главными климатическими воздействиями, которым должны сопротивляться окна зданий – и алюминиевые окна тоже, являются:

• дождевая нагрузка – проливной, особенно косой, дождь;
• ветровая нагрузка;
• чрезмерное проникновение наружного воздуха;
• большой перепад температур снаружи и внутри и связанная с ним потеря тепла через окно;
• большие изменения наружной температуры в течение года.

Эти климатические воздействия, конечно, сильно отличаются в различных местах земного шара. Национальные стандарты различных стран, как правило, учитывают местные климатические условия, когда задают технические требования для окон – алюминиевых, деревянных, пластиковых, стальных. Поэтому требования к окнам, например, в Финляндии или Норвегии, будут значительно отличаться от требований стран Средиземноморья.

Водонепроницаемость алюминиевого окна

Проливной дождь является главной причиной повреждений, которые возникают из-за повышенной влаги. Причем не самой алюминиевой рамы окна, а смежных с окном стен. Если алюминиевое окно правильно спроектировано и установлено, то оно защищает от дождя не только самого себя, но и примыкающие к нему стены. Алюминиевые профили в отличие от других оконных профилей  позволяют организовать эффективный дренаж воды, которая так или иначе попадает внутрь окна.

Рисунок 1 – Проектирование оптимального дренажа [1]

Рисунок 2 – Взаимное расположение подкладок стеклопакетов и дренажных отверстий [1]

Ветровая нагрузка на окно

Сильный ветер может причинять повреждения зданиям, в том числе, окнам. Поэтому оконные алюминиевые профили должны обладать достаточно высокой жесткостью и прочностью, чтобы сопротивляться любым прогибам от ветровой нагрузки, как упругим, так и необратимым. Известны методы расчетов и компьютерные программы, которые позволяют определять максимальные размеры окна – высоту и ширину – для различных типов профилей и для различных ветровых нагрузок, тех, которые характерны для данной местности.

Воздухопроницаемость алюминиевого окна

Ветер создает разность давления воздуха снаружи и внутри здания. Это приводит к проникновению через окно наружного воздуха и, следовательно, к потерям тепла, особенно в холодное время года. Для каждой новой конструкции окна эту характеристику – сопротивление воздухопроницаемости – определяют экспериментально в испытательной лаборатории.

Алюминиевые оконные профили надежно держат свою форму в течение всего срока службы, в том числе, прямолинейность и плоскостность. Это обеспечивает плотное примыкание различных элементов окна, например, рамы и створки, друг к другу, и, следовательно, надежную герметичность окна.

Рисунок 3 – Герметизация между стеклом, рамой и штапиком [1]

Сопротивление теплопередаче алюминиевого окна

Рама окна из чисто алюминиевых профилей – без терморазвязки – будет пропускать через себя в холодное время года значительное количество тепла.  Такую чисто алюминиевую раму называют «холодной» алюминиевой рамой, в отличии от «теплой» алюминиевой рамы.

Рисунок 4 – Три пути потери тепла в алюминиевом профиле [1]

Каждый конструкционный элемент «теплого» алюминиевого окна состоит из наружного и внутреннего алюминиевых профилей, которые соединены между собой терморазвязкой из материала с низкой теплопроводностью. Материал терморазвязки должен не только иметь низкую теплопроводность, но и достаточную прочность, чтобы обеспечивать «теплым» алюминиевым профилям необходимую жесткость и прочность.

В качестве материала для терморазвязки алюминиевых профилей чаще всего применяют стеклонаполненный (25 %) полиамид и, реже, полиуретан.

Изменения наружной температуры

Тепловое расширение алюминия и его сплавов весьма велико. Оно составляет 0,024 мм на каждом метре при изменении температуры на 1 градус Цельсия. Перепад температуры алюминиевого профиля от зимы к лету может составлять 100 ºС, что вполне реально, особенно для алюминиевых профилей с темной поверхностью – окрашенной или анодированной. Это значит, что длина каждого метра наружного элемента окна будет пытаться измениться немного-немало на 2,4 мм.

В жарких стран, особенно для больших алюминиевых конструкций, тепловые  расширения наружных элементов окон могут быть серьезной проблемой – они могут привести к их короблению – выпучиванию. Для предотвращения коробления алюминиевых окон применяют различные специальные методы скользящих соединений, предусматривают зазоры между смежными алюминиевыми профилями и применяют специальную герметизацию стыков, которая позволяет смещение поверхностей стыка.

Алюминиевые сплавы для оконных профилей

Алюминиевые окна – рамы и створки – изготавливают почти исключительно из двух родственных и аналогичных сплавов – 6060 и 6063. Международный алюминиевый сплав 6063 почти полностью совпадает с отечественным сплавом АД31.

Рисунок 4 – Химический состав алюминиевых сплавов 6060, 6063 и других сплавов серии 6ххх [1]

Алюминиевые оконные профили

Эти алюминиевые сплавы – сплавы 6060, 6063 и АД31 хорошо прессуются на экструзионном прессе – имеют хорошую прессуемость. Это позволяет изготавливать из них профили со сложным поперечным сечением с тем, чтобы обеспечивать им максимальную функциональность в качестве оконных профилей.

Кроме того, профили из этих сплавов хорошо поддаются механической обработке: их легко резать, сверлить, фрезеровать, пробивать в них отверстия. В свежезакаленном, несостаренном состоянии, а также после естественного старения эти сплавы хорошо поддаются гибке. При необходимости сплавы 6060, 6063 и АД31 легко свариваются.

Алюминиевые оконные профили имеют следующие преимущества по сравнению с другими оконными профилями, например, поливнилхлоридными (ПВХ) и деревянными:

• поперечное сечение алюминиевых профилей может принимать самые сложные формы;
• алюминиевые профили обладают высокой химической устойчивостью под воздействием окружающей среды;
• оконные алюминиевые профили имеют малый вес погонного метра;
• алюминиевая оконная рама имеют высокое сопротивление коррозии;
• алюминиевая оконная рама практически не требуют технического обслуживания;
• алюминиевая рама не выделяет отравляющих газов в случае пожара;
• поверхность алюминиевой рамы может иметь практически любой цвет;
• алюминиевые оконные рамы легко подаются металлургической переработке и повторному применению после окончания их срока службы.

Терморазвязка алюминиевых профилей

Единственная серьезная «слабость» алюминия, как материала для оконной рамы – это его высокая теплопроводность. Этот вопрос решается путем применения «теплых» алюминиевых профилей – алюминиевых профилей с терморазвязкой.

Рисунок  5 – Алюминиевое окна без терморазвязки

В мире применяют два основных способа изготовления «теплых» алюминиевых профилей.

Один из них заключается в том, что между наружным и внутренним алюминиевыми профилями вставляют и механически закрепляют так называемые термоизолирующие вставки или термовставки. Иногда их также называют термомостами. Материалом этих термовставок чаще всего является полиамид с добавкой 25 % стекловолокна (рисунок 6).

Рисунок  6 – Алюминиевое окно с терморазвязкой из полиамидных термовставок.

Другим способом, распространенным в основном в Северной Америке, является метод, который называют «pour and cut», что-то вроде «залить и отрезать» (рисунок 7). Алюминиевый профиль состоит из двух половинок, наружной и внутренней, которые соединены между собой тонкими перемычками. В полузакрытые полости алюминиевого заливают специальную жидкую пластическую массу, обычно, полиуретан. После того, как полиуретан затвердеет, перемычки между наружной и внутренней частями алюминиевого профиля вырезают. Таким образом, полиуретан образует термоизолирующую вставку между двумя алюминиевыми профилями.

Рисунок  7 – Алюминиевое окно с терморазвязкой «pour and cut»
(или «fill and de-bridge»)

Рисунок 8 – Три метода изготовления комбинированных профилей для лучшей теплоизоляции [1]

Сопротивление теплопередаче алюминиевого окна

На рисунке 9 показан результат численного сравнительного расчета распределения температуры по сечению окна для зимних условий: «холодного» алюминиевого окна (без терморазвязки) и «теплого» алюминиевого окна (с терморазвязкой).

Рисунок 9 – Распределение температуры по сечению окна в зимнее время:
а – алюминиевое окно без терморазвязки,
б – алюминевое окно с терморазвязкой

Видно, что в алюминиевом окне без терморазвязки холод снаружи легко проходит внутрь окна и внутренняя поверхность рамы окна значительно ниже температуры внутренней поверхности стеклопакета.

В «теплом» алюминиевом окне терморазвязка останавливает холод и температура на внутренней поверхности алюминиевой рамы не ниже, чем на внутренней поверхности стеклопакета. Фронт отрицательной температуры проходит по середине стеклопакета и термомостам.

Влияние конструкции окна на сопротивление теплопередаче

Примеры влияния особенностей конструкции окна на сопротивление теплопередаче показаны на рисунках 10-13.

Рисунок 10 – Влияние особенностей конструкции на теплопередачу [1]

Рисунок 11 – Установка в окна стеклопакетов различной толщины [1]

Рисунок 12 – Угловое соединение под углом 45 градусов [1]

Рисунок 13 – Угловое соединение под углом 90 градусов [1]

См. также Алюминиевое окно: теплопередача