РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СТЕКЛОПАКЕТОВ С ДИСТАНЦИОННЫМИ РАМКАМИ ТИПА "SWIGGLE STRIP", "TPS", "THERMIX"

Повышение требований к теплозащитным качествам светопрозрачных ограждающих конструкций и ограничение минимальной температуры их внутренней поверхности, предусматриваемое изменениями СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника", заставляет производителей современных окон все более пристально обращать внимание на слабые места своей продукции и искать резервы повышения ее потребительских качеств.

В этой связи, в последнее время все больший интерес стала привлекать информация о конструктивных решениях стеклопакетов с применением дистанционных рамок нового типа, предназначенных для улучшения теплового режима в местах сопряжения светопрозрачной части окна с переплетами (так называемых "краевых зонах") и повышения их теплозащитных качеств в целом.

ИБ "Окна и Двери" уже неоднократно обращался к этой теме (см. №№5,9, 1998 г., №№1,3,5,6, 1999 г.). В данной статье вниманию читателей предлагается анализ результатов сравнительных испытаний теплового режима краевых зон стеклопакетов с новыми типами дистанционных рамок, проведенных в лаборатории строительной физики СибАДИ в 1999 г.

В настоящее время наибольшее распространение в нашей стране получил способ изготовления стеклопакетов с применением металлических дистанционных рамок и двухстадийным уплотнением соединительного шва (бутиловым шнуром или лентой - внутренний шов между дистанционной рамкой и стеклом, и вторичным уплотнением наружного шва полисульфидной мастикой).

Металлические дистанционные рамки из алюминия, оцинкованной или нержавеющей стали, применяемые большинством отечественных производителей, обеспечивают заданный размер воздушных прослоек и одновременно служат полостью для заполнения абсорбентом - материалом, поглощающим влагу из воздушной прослойки и обеспечивающим прозрачность стеклопакетов при низких температурах наружного воздуха.

Необходимость процедуры двойной герметизации обусловлена тем, что бутиловая мастика, несмотря на высокое сопротивление диффузии газов и водяных паров, недостаточно устойчива к высоким и низким температурам. Полисульфидная мастика компенсирует этот недостаток, обеспечивая необходимую прочность соединения и создает, кроме того, дополнительный барьер для диффузии водяных паров и газов. Есть примеры использования для вторичного уплотнения полиуретана или силикона, однако, и тот и другой материал по ряду показателей пока уступают полисульфидной мастике.

Широкое распространение такого метода обусловлено тем, что несмотря на многооперационность, он позволяет организовать производство стеклопакетов при относительно небольших затратах на оборудование и производственные площади, обеспечивая при этом достаточно высокую стабильность эксплуатационных качеств.

Однако, как показывает практика эксплуатации современных окон в климатических условиях РФ, наличие металлических дистанционных рамок и герметиков по периметру стеклопакетов приводит к образованию "мостиков холода". При низких температурах наружного воздуха наличие таких "мостиков холода" сопровождается появлением конденсата, изморози, а в отдельных случаях и наледей по периметру окна, что вызывает закономерные нарекания потребителей. В качестве примера на рис.1 приведены результаты натурных замеров распределения температур по горизонтальному сечению окна с двухкамерным стеклопакетом, изготовленного с использованием традиционных дистанционных рамок из алюминия. Если в центральной части окна температура поверхности характеризуется более или менее равномерным распределением, то в краевых зонах наблюдается резкое понижение, обуславливающее, кроме того, еще и понижение теплозащитных качеств окна.

Рис.1

Стремление исключить данные неблагоприятные последствия или хотя бы снять их остроту побуждает наиболее крупных производителей окон искать как новые конструктивные решения дистанционных рамок, так и новые способы изготовления стеклопакетов. В последние 2-3 года на российском рынке появилась информация о новых типах дистанционных рамок (Swiggle Strip, Termix и др.), предлагаемых рядом фирм, и новых способах изготовления стеклопакетов (TPS), исключающих необходимость применения дистанционных рамок в традиционном понимании.

В этой связи у многих отечественных производителей окон возникает закономерный вопрос: позволит ли применение дистанционных рамок нового типа решить проблему краевых зон, и окупится ли, в конечном счете, удорожание продукции улучшением ее потребительских качеств?

Для сравнительной оценки этих решений и прогнозирования их теплового режима при низких температурах наружного воздуха в лаборатории строительной физики СибАДИ проведена серия испытаний стеклопакетов различного конструктивного решения, предоставленных рядом фирм (Tremco, Lenhardt, "Полет и К", "Полет-ФРИС", "Симбиоз" и др.), с проверкой результатов испытаний моделированием теплового режима на ЭВМ.

Краткая характеристика некоторых технических решений дистанционных рамок нового типа, представлена на рис.2 - рис.5.

1 - рамка "Termix"; 2 - герметик наружного шва; 3 - бутил; 4 - металлическая фольга
Рис.2

"Termix" - дистанционная рамка из пластика, содержащая тонкую перемычку из высококачественной стали. Рамка заполняется осушителем (силикагелем) аналогично традиционным дистанционным рамкам. Герметизация стеклопакета производится в две стадии.

1 - герметик; 2 - слой с осушителем; 3 - алюминиевая лента
Рис.3

"Swiggle Strip" - система герметизации стеклопакетов, основным элементом которой является эластичная лента, включающая герметик, гофрированную алюминиевую перемычку и осушитель.

Применение "Swiggle Strip" позволяет упростить и ускорить процесс изготовления стеклопакетов, поскольку лента совмещает функции дистанционной рамки, влагопоглотителя и герметика наружного шва, что обеспечивает возможность

1 - герметик наружного шва; 2 - бутиловая масса, содержащая осушитель
Рис.4

TPS - метод герметизации стеклопакетов, основанный на формировании дистанционной рамки из термопластических материалов непосредственно при изготовлении стеклопакетов (Thermo Plastic Spacer). Осушитель содержится в бутиловом среднике и вводится в пространство между стеклами на автоматизированной линии в одну стадию одновременно с герметизирующим наружным швом.

1 - рамка из алюминия; 2 - герметик наружного шва; 3 - термовставка
Рис.5

Дистанционная рамка из алюминия с термовставкой - содержит перемычку из пластмассы между двумя рамками из алюминия. Рамка заполняется осушителем аналогично традиционным дистанционным рамкам.

Испытания проводились на фрагментах стеклопакетов в холодильной камере при постоянных температурах воздуха в холодном и теплом отделениях. Стеклопакеты устанавливались одинаковым образом в коробку из ПВХ-профилей Brugmann серии "Euro-92. Golden Line". Замеры распределения температур производились в горизонтальном сечении стеклопакета на одинаковом расстоянии от низа окна. Для исключения побочных влияний запись температур производилась автоматическим потенциометром КСП-4.

Основные результаты испытаний представлены в табл.1.

Оценку тепловой эффективности дистанционных рамок различного конструктивного решения было предложено производить по разности температур в центральной части стеклопакета и в зоне сопряжения остекления с переплетом Dt = tвцент-tвmin. Такой подход позволил исключить влияние разброса граничных условий (температур воздуха и коэффициентов теплообмена) при проведении испытаний и расчетов.

Анализ результатов испытаний позволил сделать следующие выводы:

• применение дистанционных рамок типа Swiggle Strip, рамок с термовставками, Termix позволяет существенно улучшить тепловой режим стеклопакетов в краевых зонах и повысить минимальную температуру в зоне сопряжения стеклопакетов с переплетами на 2,5 - 3,0 0С;
• применение таких дистанционных рамок особенно эффективно в стеклопакетах с низкоэмиссионным покрытием внутреннего стекла (низкоэмиссионное покрытие обеспечивает улучшение теплового режима светопрозрачной части стеклопакета за счет уменьшения отдачи тепла тепловым излучением, однако, в краевых зонах наличие мостиков холода через дистанционную рамку обуславливает сток тепла за счет теплопроводности, не зависящей от покрытия стекла, что и приводит к снижению температуры);
• наилучшие результаты отмечались для стеклопакетов, изготовленных методом TPS (Dt = 3,0 0С) и Swiggle Strip (Dt = 3,1 0С).

Результаты моделирования теплового режима стеклопакетов на ЭВМ представлены в табл.2. Их анализ показывает достаточно хорошее совпадение теоретических и экспериментальных данных и подтверждает сделанные выводы. Результаты расчетов позволяют с определенным допущением прогнозировать температурный режим краевых зон одно- и двухкамерных стеклопакетов при различных температурах наружного воздуха и различных типах дистанционных рамок. К сожалению, как показывают результаты расчетов, при низких температурах наружного воздуха исключить понижение температуры внутренней поверхности и выпадение конденсата не удается даже для стеклопакетов TPS. Причины - охлаждение торца стеклопакета, наличие герметизирующей мастики, через которую происходит сток тепла и др. (см. ИБ "Окна и Двери", №5, 1999 г.).

Испытания окон различного конструктивного решения в натурных условиях показали, что наибольший перепад температур между центральной частью остекления и краевыми зонами наблюдается в нижней части стеклопакетов. Причем, если перепад температур между центральной частью остекления и краевой зоной составляет в центре стеклопакета 6-8 0С, то между центром и нижней частью стеклопакета может доходить до 12-14 0С. Анализ результатов испытаний позволил сделать вывод, что основная причина заключается в конвективном переносе тепла в воздушных прослойках. Именно движение воздуха или газа в прослойках обуславливает дополнительное понижение температуры остекления в нижней части окна со всеми негативными последствиями (воздух или газ, находящийся в воздушной прослойке между стеклами, соприкасается с поверхностью внутреннего стекла, нагревается, поднимается вверх, поворачивает и, охлаждаясь, опускается вниз, где вновь поворачивает и ударяется о внутреннее стекло, охлаждая его, и тем самым дополнительно понижая температуру поверхности остекления).

Таблица 1

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

	№№ п/п		Характеристика стеклопакета		Температура, оС
					t н		t в		t в цент		t в min		D t
	Однокамерные стеклопакеты с новыми типами рамок
	1	4+16+4К "Termix"	-23,0	18,3	10,3	6,3	4,0
	2	4+12+4 "Al+т/встав."	-15,2	30,1	19,9	16,4	3,5
	3	4+16+4 "Swiggle Strip"	-19,2	22,3	13,7	10,6	3,1
	4	4+12+4 "TPS"	-16,3	23,0	11,5	8,5	3,0
	Однокамерные стеклопакеты с рамками из алюминия
	5	4+16+4 "Al"	-20,4	21,2	11,2	6,5	4,7
	6	4+16+4K "Al"	-21,4	22,9	13,3	7,1	6,2
	7	4+16+4 i "Al"	-19,8	22,2	15,0	8,2	6,8

Условные обозначения:
Al - рамка из алюминия; Al+т/встав. - рамка из алюминия с термовставкой; К - стекло с твердым селективным покрытием (Pilkington); i - стекло с мягким селективным покрытием ("Профиль-С")

Схема расположения термопар

Таблица 2

Результаты моделирования теплового режима краевых зон стеклопакетов различного конструктивного решения на ЭВМ

	Температура наружного воздуха, tн, 0С		Разность температур между центральной частью остекления и зоной сопряжения с переплетом D t 0C, при различных дистанционных рамках**
			Алюминий		С термо- вставкой	Termix		Swiggle Strip		TPS
	Однокамерный стеклопакет 4-16-4
	-10	3,6	2,7	3,1	2,5	1,8
	-20	5,0	3,5	4,2	3,4	2,4
	-30	6,3	4,4	5,3	4,2	3,0
	-40	7,7	5,3	6,3	5,0	3,6
	Двухкамерный стеклопакет 4-12-4-12-4
	-10	5,7	4,2	4,8	3,9	2,6
	-20	7,6	5,4	6,3	5,2	3,6
	-30	9,5	6,9	7,9	6,5	4,6
	-40	11,3	8,3	9,5	7,8	5,6

* Расчеты выполнены при температуре внутреннего воздуха tвp = +200С, коэффициентах теплообмена наружной и внутренней поверхностей aв = 8,7 Вт/(м2 0С), aн = 23 Вт/(м2 0С) по программе "TEMPER-3D".

** Дистанционные рамки установлены в стеклопакете со смещением от грани штапика на 4 мм. Заполнение стеклопакетов - воздух.

Этот процесс практически не зависит от типа дистанционных рамок и определяется шириной воздушных прослоек, заполнения их тем или иным газом, разностью температур остекления и рядом других факторов.

В качестве примера на рис.6 приведены результаты натурных испытаний окна размерами 1000х1500 мм с тройным остеклением в раздельно-спаренных деревянных переплетах, то есть без дистанционных рамок и, фактически, без проблемы краевых зон в чистом виде (распределение температур по горизонтальному сечению аналогичного окна приведено в ИБ "ОД", №5, 1999 г.). Распределение температур, представленное на рис.6, убедительно свидетельствует о существенном влиянии конвекции внутри воздушных прослоек на температуру поверхности остекления, причем как в верхней, так и в нижней части окна.

Рис.6

В этой связи представляется, что дальнейшие усилия по улучшению теплового режима современных окон с применением стеклопакетов в первую очередь должны быть направлены на уменьшение (в идеале - исключение) конвективного теплообмена в воздушных прослойках.

В качестве возможных направлений решения этой задачи можно отметить:

• заполнение стеклопакетов газом с большой вязкостью (то есть газом, движение которого в прослойке затруднено внутренним трением);
• вакууммирование стеклопакетов;
• изготовление стеклопакетов с воздушными прослойками различной ширины и др.

В сочетании с дистанционными рамками нового типа и применением низкоэмиссионного стекла уменьшение конвективного теплообмена позволит существенно улучшить потребительские качества современных окон.

Результаты исследований эффективности некоторых из перечисленных решений предполагается рассмотреть в последующих публикациях.

Выводы.

Применение дистанционных рамок нового типа действительно позволяет существенно улучшить тепловой режим стеклопакетов в краевых зонах. Однако, только лишь за счет дистанционных рамок полностью решить проблему понижения температуры внутренней поверхности остекления в зоне сопряжения с переплетами нельзя. Необходима разработка конструктивных решений стеклопакетов, обеспечивающих уменьшение конвекции внутри воздушных прослоек.

Заинтересованным организациям предлагается программный комплекс "TEMPER-3D", предназначенный для расчета трехмерных температурных полей ограждающих конструкций.

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"