Как правильно выбрать стеклопакеты для окон
В современных окнах и фасадных системах светопрозрачная часть, как правило, заполняется стеклопакетами. Стеклопакет представляет собой два или более листовых стекол, склеенных между собой по периметру и образующих одно или несколько герметичных пространств (камер) между стеклами. Благодаря герметичности камер значительно улучшаются эксплуатационные свойства стеклопакетов по сравнению с листовыми стеклами. Стеклопакеты выполняют основные функции, возложенные на окна: пропустить в помещение солнечный свет и осуществить визуальную связь с внешним миром. К вспомогательным функциям относятся уменьшение теплопотерь через проемы, защита от шума и ветра. Если при изготовлении стеклопакетов используется качественное стекло, то первые две функции обычно выполняются. С остальными функциями, и особенно с уменьшением теплопотерь, часто возникают проблемы. Прежде чем ответить на вопрос, как решить эти проблемы, необходимо рассмотреть конструкции стеклопакетов и те физические явления, которые способствуют выполнению отмеченных функций.
Прошло почти 200 лет с того времени, когда был зарегистрирован первый патент на стеклопакет. За это время его конструкция и технология изготовления значительно изменились. Появились различные типы стеклопакетов с применением новых материалов. Однако широкое применение их в светопрозрачных конструкциях необходимо отнести к началу 70-х годов нашего века. На российском рынке стеклопакеты появились в конце 80-х годов. Широкому внедрению их в России способствовало введение ГОСТ 24866-89 «Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия». В настоящее время утвержден новый ГОСТ 24866-99 «Стеклопакеты клееные строительного назначения. Технические условия».
Новый стандарт предусматривает деление стеклопакетов на виды в зависимости от их назначения:
- общестроительного назначения (стеклопакет изготавливают из листового стекла по ГОСТ 111);
- ударостойкие (с использованием многослойных защитных стекол, стекол с защитными пленками или закаленных стекол);
- энергосберегающие (с использованием энергосберегающих стекол);
- солнцезащитные (с использованием солнцезащитных стекол);
- морозостойкие (стеклопакеты, предназначенные для использования в климатических условиях до -60 ºС);
- шумозащитные (стеклопакеты, предназначенные для снижения уровня шума).
Для обозначения типов стеклопакетов применяется специальная маркировка, по которой можно определить толщину стекол, количество камер, каким газом они заполнены, наличие энергосберегающих факторов. Например, маркировка 4К-18 Ar-4 обозначает, что первое К-стекло имеет толщину 4 мм, одна камера с рамкой 18 мм, заполнена аргоном (Ar), второе — простое стекло толщиной 4 мм. Двухкамерные стеклопакеты имеют обозначение 4-8-4-10-4.
В зависимости от назначения стеклопакеты имеют свои характеристики, необходимые для их области применения.
Технология изготовления стеклопакетов прошла в основном три стадии своего совершенствования:
- изготовление стеклопакетов на основе силиконового герметика;
- изготовление стеклопакетов по одностадийной технологии на основе низкомодульных бутиловых герметиков;
- изготовление стеклопакетов по двухстадийному методу герметизации на основе высокомодульных полисульфидных герметиков (бутил + тиокол).
Новый стандарт предусматривает изготовление стеклопакетов только по двухстадийному способу, который позволяет использовать стеклопакеты при температурах эксплуатации от -50 до +50 оС. Другие способы производства в стандарте не рассматриваются из-за большого количества брака и несоответствия условиям эксплуатации в нашей стране.
Стеклопакеты могут быть однокамерными, двухкамерными и многокамерными.
Конструктивно стеклопакеты состоят из листовых стекол, газонаполненных камер, рамок средника, осушителя, первого герметизирующего слоя и второго герметизирующего слоя.
Средник применяется для организации пространства между стеклами. Изготавливается он чаще всего из алюминия, но бывают средники стальные или из пластмассы. Полая часть средника заполняется специальным осушителем, который поглощает влагу из камер.
Для изготовления стеклопакетов годятся практически любые стекла. Но чаще всего используются стекла М1, М2, закаленные, многослойные и специальные. В шумозащитных стеклопакетах используются специальные мероприятия для гашения шума в определенных диапазонах частот. Виды стекол в стеклопакетах и их толщина принимаются в зависимости от назначения свето-прозрачных конструкций, условий эксплуатации и обеспечения восприятия механических нагрузок от снега (для зенитных фонарей), ветра и температурных воздействий. Современная технология производства стекол позволяет изготавливать их большой площадью (10 м2 и более), поэтому становится актуальной проблема обеспечения безопасности при эксплуатации, связанной с их прочностью. К сожалению, у нас в настоящее время отсутствует методика расчета на прочность стеклопакетов с учетом особенностей работы стекла на механические нагрузки.
Минимально допустимые значения толщины стекла определяют в зависимости от габаритных размеров створок и класса сопротивления изделий ветровой нагрузке. Рекомендуемые новой редакцией ГОСТ 23166 минимальные значения толщины стекол (мм) для однорядного остекления и наружного стекла пакетов приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Размер створки по высоте(мм) | Класс изделий по сопротивлению ветровой нагрузке | Размер створки по ширине (мм) | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 650 | 750 | 1050 | 1350 | ||
| 1050 | 1 | 3 | 3 | 4 | 5 |
| 2 | 3 | 3 | 4 | 4 | |
| 3 | 3 | 3 | 3 | 4 | |
| 1350 | 1 | 3 | 4 | 5 | 5 |
| 2 | 3 | 3 | 4 | 5 | |
| 3 | 3 | 3 | 4 | 4 | |
| 4 | 3 | 3 | 3 | 4 | |
| 1600 | 1 | 4 | 4 | 5 | 5 |
| 2 | 3 | 4 | 5 | 5 | |
| 3 | 3 | 3 | 4 | 5 | |
| 4 | 3 | 3 | 3 | 4 | |
| 1900 | 1 | 4 | 5 | 5 | 6 |
| 2 | 4 | 4 | 5 | 6 | |
| 3 | 3 | 4 | 5 | 5 | |
| 4 | 3 | 3 | 4 | 5 | |
| 5 | 3 | 3 | 3 | 4 | |
Значения толщины стекол, приведенные в таблице 1, приняты исходя из максимального значения напряжения в стекле, возникающего под действием ветровой нагрузки, — 15 МПа. При проектировании и изготовлении стеклопакетов необходимо учитывать фактическую величину расчетного сопротивления используемого стекла.
Значения, указанные в таблице 1, не распространяются на одинарные оконные блоки для остекления балконов и лоджий, требования к которым следует устанавливать в технических условиях на конкретные конструкции изделий.
В Самарской области изделия по ветровой нагрузке относятся к 3 классу.
Теплотехнические свойства стеклопакетов зависят от толщины стекол, количества камер, от того, каким газом заполнены камеры, и от специальных энергосберегающих мероприятий. В российских нормативных документах теплотехнические свойства характеризуются сопротивлением теплопередаче R0 (м2 К/Вт или м2 ºС/Вт), которое соответствует разности температур внутреннего и наружного воздуха, отнесенной к плотности теплового потока, проходящего через единицу площади конструкции. Фактическая величина сопротивления теплопередаче стеклопакетов должна быть не ниже требуемой R0тр.ст, которая, в свою очередь, зависит от приведенного сопротивления теплопередаче окна в целом и от сопротивления теплопередаче материала рамы. Для Самарской области при расчетной температуре -30 ºС согласно ТСН 12-308-97 СО требуемое приведенное сопротивление теплопередаче для окон составляет R0пр = 0,53 м2 К/Вт. Приведенное сопротивление теплопередаче оконного блока зависит от теплотехнических характеристик и геометрических размеров рамы, створок и стеклопакетов.
Таблица 2
|
R0пр.нп, м2 °С/Вт |
0,80 | 0,70 | 0,60 | 0,55 | 0,50 | 0,4 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Вт/м °С | 0,025 | 0,030 | 0,035 | 0,040 | 0,045 | 0,048 |
Зная геометрические размеры оконного блока, материал, из которого будет изготовлен блок, и климатический район, в котором будет эксплуатироваться оконный блок, по формуле более точно можно определить требуемое приведенное сопротивление стеклопакета. Например, оконный блок будет эксплуатироваться в Самаре (требуемое приведенное сопротивление R0пр = 0,53 м2 К/Вт), блок двухстворчатый будет изготовлен из дерева (сосна, l0 = 0,09 Вт/м К), размер (для простоты расчетов) 1500х1200 мм. Подставляя данные в формулу, получим, что стеклопакет должен иметь приведенное сопротивление теплопередаче не менее R0пр.ст = 0,48 м2 К/Вт. Для оконных блоков, рамы и створки которых изготовлены из алюминиевого профиля с термовставкой, стеклопакеты должны иметь приведенное сопротивление теплопередаче не менее R0пр.ст = 0,55 м2 К/Вт, поскольку приведенное сопротивление теплопередаче алюминиевого профиля ниже, чем сосны. Однако приведенные расчеты справедливы при отсутствии теплопотерь в узле сопряжения оконного блока со стеной, что маловероятно. Для учета этих потерь необходимо к расчетному сопротивлению теплопередаче прибавить 0,02 м2 К/Вт.
Фактическая величина сопротивления теплопередаче стеклопакета R0пр.ст может быть определена теоретически, с использованием компьютерных программ, или путем теплотехнических испытаний в климатической камере. Она зависит от теплотехнических характеристик стеклопакетов.
Перенос тепла через светопрозрачное покрытие происходит в основном тремя способами: излучением, теплопередачей и конвекцией. Тепловое излучение в стеклах частично проникает сквозь них, частично отражается обратно, частично поглощается. Потери тепла через стеклопакет составляют 15 % за счет теплоотдачи, 15 % — за счет конвекции и 70 % — за счет излучения.
Теплозащитные свойства стекла можно улучшить путем увеличения отражения или абсорбции за счет селективного и низкоэмиссионного покрытия стекла. Нанесение пиролитического низкоэмиссионного покрытия (К-стекло) приводит к снижению потерь тепла за счет излучения почти в 10 раз, низкоэмиссионное покрытие методом магнетронного распыления (i-стекло) позволяет снизить потери на излучение более чем в 20 раз. Использование пиролитического низкоэмиссионного покрытия (К-стекло) позволяет не только снизить тепловые потери пассивным путем, но и активно регулировать теплообмен через свето-прозрачное покрытие путем подключения К-слоя к внешнему источнику электроэнергии. В зарубежных, и особенно в скандинавских, странах стеклопакеты с электронагревом широко используются в конструкциях окон и витражей, в остекленных участках кровли, а также при устройстве зимних садов и теплиц. В России делаются только робкие попытки использования энергосберегающих стекол, в основном с применением теплоотражающих покрытий. В Самаре есть две организации, которые пытаются использовать в стеклопакетах энергосберегающие покрытия, однако автор не располагает сведениями об объемах и их фактической эффективности. В центре «Самара-стройиспытания» такие стеклопакеты не испытывались.
Для уменьшения светового потока, проникающего через стеклопакеты в помещение, используются стекла, тонированные в массе или с рефлектным покрытием. Хотелось бы обратить внимание производителей таких стеклопакетов на то, что коэффициент поглощения световой энергии стекол не должен превышать 0,25. Такое требование заложено в новой редакции ГОСТ 23166. В Самаре были случаи, когда использовались стекла с коэффициентом поглощения до 0,47. В осенний период большая часть таких стекол разрушилась.
Уменьшить потери тепла через промежуток (камеры) между стеклами можно за счет правильного подбора типа газа, которым заполнен этот промежуток. Лучшим для заполнения камер является газ, который одновременно имеет наиболее низкую теплопроводность (высокое сопротивление теплопередаче) и удельную теплоемкость, а также как можно большую вязкость. Газы для заполнения камер стеклопакетов с учетом их свойств можно расположить в следующей последовательности: ксенон, криптон, аргон, воздух. По стоимости эти газы располагаются в обратном порядке. В шумозащитных стеклопакетах используется газ SF6.
Расчетные величины сопротивления теплопередаче некоторых стеклопакетов приведены в таблице 3. Фактическую величину сопротивления теплопередаче можно определить только путем испытания стеклопакетов в климатической камере. Такие испытания проводятся в центре «Самарастройиспытания».
Таблица 3
| N п/п | Тип стеклопакета | Единица измерения | Сопротивление теплопередаче |
|---|---|---|---|
| 1 | 4-16-4 | м2 ºС/Вт | 0,360 |
| 2 | 4-16Ar-4 (аргон) | м2 ºС/Вт | 0,380 |
| 3 | 4К-16-4 | м2 ºС/Вт | 0,590 |
| 4 | 4-18-4 | м2 ºС/Вт | 0,363 |
| 5 | 4-18Ar-4 (аргон) | м2 ºС/Вт | 0,381 |
| 6 | 4-20-4 | м2 ºС/Вт | 0,365 |
| 7 | 4-6-4-6-4 | м2 ºС/Вт | 0,435 |
| 8 | 4-6Ar-4-6Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,488 |
| 9 | 4-8-4-8-4 | м2 ºС/Вт | 0,474 |
| 10 | 4-8Ar-4-8Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,525 |
| 11 | 4-8-4-10-4 | м2 ºС/Вт | 0,488 |
| 12 | 4-8Ar-4-10Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,538 |
| 13 | 4-10-4-10-4 | м2 ºС/Вт | 0,503 |
| 14 | 4-10Ar-4-10Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,552 |
| 15 | 4-8-4-12-4 | м2 ºС/Вт | 0,500 |
| 16 | 4-8Ar-4-12Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,549 |
| 17 | 4-12-4-12-4 | м2 ºС/Вт | 0,526 |
| 18 | 4-12Ar-4-12Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,572 |
| 19 | 4-10-4-12-4 | м2 ºС/Вт | 0,515 |
| 20 | 4-10Ar-4-12Ar-4 | м2 ºС/Вт | 0,562 |
Учитывая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:
- тип стеклопакетов зависит от материала, из которого изготовлены рама и створки, и от их размеров;
- в Самаре и Самарской области однокамерные стеклопакеты рекомендуется применять при условии, если они изготовлены из стекол с теплоотражающими покрытиями;
- для деревянных окон минимальная толщина двухкамерных стеклопакетов составляет 4-8-4-10-4, заполненных воздухом, или 4-8-4-8-4, заполненных аргоном;
- фактическое сопротивление теплопередаче стеклопакетов должно подтверждаться испытаниями в климатической камере;
- производителям стеклопакетов необходимо применять новые технологии по нанесению на стекла низкоэмиссионного покрытия методом магнетронного распыления (i-стекло), которое позволяет снизить потери на излучение более чем в 20 раз.
Автор надеется, что информация, приведенная в данной статье, позволит потребителям и производителям окон правильно выбрать тип стеклопакетов, чтобы они во время эксплуатации не покрывались наледью и на их поверхности не образовывался конденсат даже при самой низкой температуре наружного воздуха. И чтобы жители Самары не вспоминали производителей окон недобрым словом за то, что они установили не такие стеклопакеты. Но необходимо отметить, что результаты многочисленных обследований квартир и торговых центров показывают, что конденсат и наледь на стеклах могут образовываться вследствие неправильного устройства откосов и подоконных досок или высокой (более 70 %) влажности воздуха в помещении.
Автор: В. Зубков, руководитель испытательного центра «Самарастройиспытания», к.т.н., доцент кафедры МДК Самарской государственной архитектурно-строительной академии
