Украина, как известно, относится к странам с малыми энергетическими запасами. Цены на мировом рынке энергетических ресурсов стремительно растут, а их запасы истощаются.
Поэтому первоочередной задачей является минимизация затрат теплоты на отопление жилых зданий. Уменьшение энергопотребления эксплуатируемых зданий может достигаться путем повышения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций.
Анализ теплового баланса зданий показывает, что тепловые потери составляют: через стены — 39%; через окна — 22%; через подвальные и чердачные перекрытия — 9%; на вентиляцию — 30%, то есть потери через оболочку здания составляют 70% всех теплопотерь.
Снижение до минимума теплопотерь через ограждения здания позволяет на 30% и более уменьшить расходы теплоты на отопление и, соответственно, на столько же снизить выбросы в атмосферу продуктов сгорания, что очень важно в нынешней непростой экологической ситуации.
К окну, как атрибуту среды существования человека предъявляются требования комфорта, светопропускания, теплоэнергосбережения и безопасности.
Светопрозрачные ограждающие конструкции обеспечивают естественную освещенность помещений и возможность визуального контакта человека с окружающей средой.
К светопрозрачным ограждающим конструкциям жилых и общественных зданий относятся:
•  окна и остекленные двери;
•  витрины и витражи;
•  остекленные стены фасадов;
•  элементы остекления крыш, ограждения зимних садов, торговых павильонов и так далее.
В отличие от стен, где наблюдается молекулярный перенос теплоты путем теплопроводности, в окнах происходит сложный процесс теплопередачи трех видов:
•  теплопроводности в непрозрачных частях конструкции окон, в стекле и в газовой прослойке между стеклами;
•  конвекции в газовой прослойке и у поверхностей остекления;
•  излучения в прослойке между стеклами и у поверхностей стекол.
Повышение теплозащитных качеств окон достигается путем создания условий по понижению каждой составляющей процесса теплопередачи (теплопроводности, конвекции и излучения) отдельно для каждого из двух конструктивных элементов окон — непрозрачной части и остекления.

 Выбор материала и конструкции рамы

а) деревянные окна

Среди “модных” материалов для строительства, пальму первенства удерживает натуральное дерево.
Дерево позитивно воздействует на микроклимат в помещении. Древесина принимает на себя избыточную влажность, аккумулирует ее и при необходимости вновь возвращает в помещение.
Теплопроводности материалов разные:
для дерева lдер= 0,18 Вт/(м x °С);
для ПВХ lпвх= 0,15ѕ0,2 Вт/(м x °С);
для алюминия lалюм= 221 Вт/(м x °С).
Теплофизические исследования в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП выпускаемых деревянных окон показали, что сопротивление теплопередаче деревянного профиля в зависимости от толщины оконных блоков изменяется от R0= 0,72 (м2 x °С)/Вт до R0= 0,98 (м2 x °С)/Вт. Деревянные окна требуют качественного остекления, так как конденсат, стекая со стекла, попадает в дерево, которое гниет. Что касается остекления, то сопротивление теплопередаче составляет:
– для однокамерных стеклопакетов с теплоотражающим покрытием R0= 0,51ѕ0,53 (м2 x °С)/Вт;
– для двухкамерных стеклопакетов с простым стеклом R0= 0,47ѕ0,64 (м2 x °С)/Bт.
Учитывая действующие нормативные требования к светопрозрачным конструкциям (R0= 0,50 (м2 x °С)/Вт (I зона); R0= 0,42 (м2 x °С)/Вт (II-III зона); R0= 0,39 (м2 x °С)/Вт (IV зона)), можно сделать вывод о достаточности уровня теплозащиты обвязки остекления для самой северной температурной зоны Украины при использовании однокамерных стеклопакетов с теплоотражающим покрытием и двухкамерных.
Анализ теплового баланса зданий показывает, что тепловые потери составляют: через стены — 39%; через окна — 22%; через подвальные и чердачные перекрытия — 9%; на вентиляцию — 30%, то есть потери через оболочку здания составляют 70% всех теплопотерь.
В связи с ограничением по прочностным показателям деревянные профили достаточно редко применяются в витражных конструкциях. На сегодняшний день дерево является единственным оконным материалом, применяемым для реставрации и замены окон в зданиях, являющихся памятниками архитектуры и представляющих историческую ценность.

б) поливинилхлоридные окна

Следующим материалом по своим теплозащитным качествам является поливинилхлорид (ПВХ). Эксплуатация окон из ПВХ в стране с суровым континентальным климатом связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными сильной зависимостью свойств материала от температуры. Не случайно оконные фирмы с достаточным опытом работы приостанавливают монтаж окон из ПВХ в зимнее время при температуре наружного воздуха ниже –15ѕ–20 °С во избежание риска хрупкого разрушения профиля.
Стоит учитывать и резкое падение прочностных свойств ПВХ при температуре выше + 40 °С, а вблизи температуры + 80 °С находится его точка размягчения. Следовательно, применение ПВХ-окон недопустимо в помещениях с повышенными тепловыделениями.
Теплофизические исследования в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП выпускаемых ПВХ-окон показали, что сопротивление теплопередаче ПВХ-профиля в зависимости от количества воздушных каналов изменяется от R0= 0,55 (м2 x °С)/Вт до R0= 0,91 (м2 x °С)/Вт (в зависимости от количества камер в профиле). Что касается остекления, то сопротивление теплопередаче составляет:
•  для однокамерных стеклопакетов с теплоотражающим покрытием R0= 0,46ѕ0,49 (м2 x °С)/Вт;
•  для двухкамерных стеклопакетов с простым стеклом R0= 0,67 (м2 x °С)/Вт.

в) алюминиевые окна

Алюминиевые окна хорошо известны в нашей стране еще со времен Советского Союза. “Холодный” алюминиевый профиль применялся при строительстве большинства административных зданий. В отличие от профильных систем из ПВХ, которые ориентированы на заполнение небольших оконных проемов жилых и общественных зданий, алюминий занимает одно из основных мест в фасадных технологиях (остекленные фасады многоэтажных административных зданий, купола и своды, а также фонари верхнего света). То есть алюминий в светопрозрачных конструкциях применяется там, где крайне необходимо остеклить большие площади, воспринимающие значительные по величине динамические и статистические нагрузки. Фасадные системы воспринимают значительные по величине ветровые нагрузки, на профили воздействует собственный вес стекла и температурные напряжения.
На сегодняшний день алюминиевые профили подразделяются на две группы: “холодный профиль”, служащий для изготовления окон применяемых в неотапливаемых объектах и “теплый профиль” для окон и остекленных дверей отапливаемых помещений. Отличием между этими двумя профилями является наличие термоизолирующей вставки, разделяющей наружную и внутреннюю часть профиля.
Теплофизические исследования в климатическом комплексе КиевЗНИИЭП выпускаемых алюминиевых окон (табл. 4) показали, что сопротивление теплопередаче алюминиевого профиля изменяется от R0= 0,31 (м2 x °С)/Вт до R0= 0,45 (м2 x °С)/Вт. Что касается остекления, то сопротивление теплопередаче составляет:
– для двухкамерных стеклопакетов с теплоотражающим покрытием R0= 0,53ѕ0,81 (м2 x °С)/Вт;
– для двухкамерных стеклопакетов с простым стеклом R0= 0,47ѕ0,57(м2 . °C)/Вт.

Выбор остекления

а) многослойное остекление

Термическое сопротивление стекла теплопроводностью l = 0,76 Вт/(м2 x °С) толщиной З мм составляет RT=0,004 (м2 x °С)/Вт, им можно пренебречь. Термическое сопротивление остекления создается только воздушной прослойкой. Толщина воздушной прослойки ограничена толщиной до 5 см, так как дальнейшее увеличение воздушных прослоек не приводит к увеличению сопротивления. Исходя из климатических условий Украины необходимо две прослойки, то есть тройное остекление или двухкамерный стеклопакет.

б) теплоотражающие покрытия на стеклах

Тепловая эффективность трехслойного остекления основана на снижении конвективных теплопотерь — 15% и теплопотерь теплопроводностью 15%. Однако более 70% теплоты уходит через остекление за счет излучения. Снижение лучистой составляющей достигается путем применения теплоотражающих покрытий на стеклах. Теплоотражающие покрытия на стеклах обладают низкой степенью черноты e в инфракрасном диапазоне длин волн от 2,5 до 25 мкм. Стекла с такими покрытиями на 5% снижают светопропускание и отражают обратно в помещение до 90% теплоты, уходящей за счет излучения.
В летний период времени такие покрытия отражают инфракрасную составляющую на улицу, предотвращая тем самым перегрев помещения.
Отражение инфракрасных лучей возникает за счет создаваемого электромагнитного поля подвижных свободных электронов поверхностных атомов. Для теплоотражающих покрытий используются полупрозрачные металлические пленки толщиной 1 мкм — от 8 до 20 атомарных слоев (золото, серебро, медь, а также полупроводниковые оксиды металлов олова, индия, титана и так далее).
Выбор оптимальной толщины воздушной прослойки стеклопакета
Под “оптимальной” толщиной воздушной прослойки понимают такую толщину, при которой сопротивление теплопередаче будет наибольшим и исключается конвективная составляющая воздуха внутри стеклопакета. В этом случае толщина воздушной прослойки будет определяться толщинами двух сходящихся пограничных слоев у поверхности стекол внутри стеклопакета. Таким образом, при оптимальной толщине воздушной прослойки воздух внутри прослойки неподвижен (скорость равна нулю), и передача теплоты осуществляется теплопроводностью и излучением.
В климатическом комплексе КиевЗНИИЭП были проведены исследования по определению оптимальной толщины воздушной прослойки при различных наружных температурах воздуха. Построены графики нелинейных зависимостей, сопротивления теплопередаче стеклопакетов различной толщины от температуры.
Наличие газов-заполнителей в стеклопакетах
В последнее время используется возможность повышения сопротивления теплопередаче стеклопакетов путем заполнения пространства между стеклами различными газами или смесью газов, имеющую меньшую теплопроводность и способность к конвекции, чем воздух (аргон, двуокись углерода, неон и так далее). При увеличении воздушного зазора увеличивается теплопередача, так как увеличивается передача теплоты конвекцией.
В то же время в пространстве, заполненном двуокисью углерода, теплопроводность почти в 1,5 раза, при заполнении неоном в 5 раз меньше, чем при заполнении воздухом. Потери тепла однокамерного стеклопакета, заполненного воздухом, составляют 70% за счет излучения, 15% за счет теплопроводности и 15% за счет конвекции.
В большинстве случаев в качестве газов-заполнителей используют безвредные и сравнительно дешевые газы, такие как аргон и двуокись углерода.
Технология теплого торца
При использовании хорошего профиля, остекления с теплоотражающими покрытиями не стоит забывать об утеплении торца стеклопакетов. Значительные тепловые потери будут приходиться на периферийные зоны стекла, так как тепловые потоки всегда проходят в местах с наименьшим сопротивлением. Торец стеклопакета влияет как на периферийные зоны стекла, так и на раму.
Утепление торца стеклопакета влияет на повышение температуры периферийных зон остекления тем самым уменьшая вероятность выпадения конденсата.
При замене старых, “холодных” окон на энергоэффективные, появляется перспектива уменьшения потребления тепловой энергии в расчете на 1 м отапливаемой площади — примерно на 20%.

Журнал Окна. Двери. Витражи №3 2006