Применимость современных светопрозрачных ограждающих конструкцийдля климатических регионов России Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 691:624.72

А.А. ВЕРХОВСКИЙ, канд. техн. наук (V2508@rambler.ru), А.Н. ЗИМИН, инженер, С.С. ПОТАПОВ, инженер

Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, Москва, Локомотивный проезд, 21)

Применимость современных светопрозрачных ограждающих конструкций для климатических

регионов России

Статья посвящена вопросам использования светопрозрачных ограждающих конструкций (оконных блоков и светопрозрачных фасадных систем) в климатических условиях различных регионов России. Приведены результаты экспериментальных исследований по авторским методикам. Даны предложения по созданию нового комплекса нормативных документов, позволяющих четко и однозначно оценить возможность использования той или иной светопрозрачной ограждающей конструкции в различных климатических регионах России.

Ключевые слова: светопрозрачная ограждающая конструкция, оконный блок, температура, воздухопроницаемость, термические деформации.

A.A. VERKHOVSKY, Candidate of Sciences (Engineering) (V2508@rambler.ru), A.N. ZIMIN, Engineer, S.S. POTAPOV, Engineer Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)

The Applicability Of Modern Translucent Walling For The Climatic Regions Of Russia

The article is devoted to questions of use of the translucent building envelopes (windows and light transmission curtain walls) in climatic conditions of various regions of Russia. Results of experimental studies on author's techniques are given. Offers on creation of a new complex of the normative documents giving the chance accurately and unambiguously to estimate possibility of use of this or that of the translucent protecting designs in various climatic regions of Russia are given.

Keywords: translucent cladding, window, temperature, air leakage, thermal deformation.

Современные светопрозрачные ограждающие конструкции (СОК) начали активно использоваться в России в начале 1990-х гг. Сначала это были в основном оконные блоки из ПВХ профиля, поставляемые в Россию из европейских стран. Требования к оконным блокам, изложенные в действовавшем на тот момент СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника», были невысоки [1, 2] и их успешно перекрывали стандартные оконные блоки в раздельных и спаренных переплетах. Возникшие уже при начале эксплуатации новых конструкций проблемы вынудили зарубежных и отечественных разработчиков профильных систем начать их адаптацию к российским климатическим условиям, а также начать разработку специализированных для условий России конструкций.

Принятая в конце 1990-х - начале 2000-х гг. нормативная база на основные типы оконных блоков и методы испытаний помогла сформировать рынок СОК и предложила классификацию по основным эксплуатационным характеристикам (ГОСТ 23166-99 «Блоки оконные и дверные. Общие технические условия»). При этом требования к условиям эксплуатации оконных блоков практически так и остались за рамками нормативной базы. С точки зрения теплотехнических характеристик все требования к оконным блокам ограничены требованиями таблицы 3 СП 50.13330.2012 (актуализированная версия СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий») и п. 5.7 этого же нормативного документа. Методика оценки энергоэффективности здания, предложенная как этим документом, так и его предшественником (СНиП 23-02-2003 «Теп-

1б| -

ловая защита зданий»), оперирует только значением приведенного сопротивления теплопередаче.

Вопросы использования конструкции в реальных условиях эксплуатации, вклад его в баланс здания [3] в нашей стране мало изучен. Режим эксплуатации СОК в летнее время, активно исследуемый зарубежными специалистами [3, 4], в нашей стране также не нормируется и практически не исследуется.

В ходе многолетней работы по техническому сопровождению и судебно-экспертной деятельности, мы столкну-

Рис. 1. Внешний вид образца с датчиками температуры и тепловых потоков, установленного в проем климатической камеры КТК-2009

62015

Научно-технический и производственный журнал

Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"

10

о

о

н?

2

1

-50

-40

-30

-20

-10

t„, ос

Рис. 2. Зависимость минимальной температуры на внутренней поверхности стеклопакета от наружной температуры. Температура на внутренней поверхности стеклопакета: 1 — в створке; 2 — в глухой части

лись с фактами существенного изменения эксплуатационных характеристик СОК, зачастую делающих невозможным их эксплуатацию. Был разработан комплекс исследовательских методик и уникального оборудования [5, 6] и проведены исследования оконных блоков из ПВХ профиля [7] и профилей алюминиевых сплавов, а также нескольких типов светопрозрачных фасадных конструкций.

В ходе исследований было выявлено, что необходимо оценивать применимость каждого типа СОК по следующим параметрам:

1. Приведенное сопротивление теплопередаче для регионов строительства. Испытания необходимо и целесообразно проводить для всего диапазона эксплуатационных температур наружного воздуха = 0 - -55оС) [8].

2. Минимальная температура на внутренних поверхностях светопрозрачного и непрозрачного заполнений СОК [8].

3. Термические деформации профильной системы [9].

4. Воздухопроницаемость конструкции при эксплуатацио-ном перепаде температур [7].

Ограничиваться оценкой эксплуатационных характеристик, изложенных в ГОСТ 23166 «Блоки оконные и дверные. Общие технические условия» и [10], нецелесообразно, а с точки зрения государственного подхода и преступно.

На рис. 1 представлена фотография оконного блока из профиля из алюминиевых сплавов одного из ведущих европейских производителей, установленного в проем климатической камеры КТК-2009 [6]. Для данного оконного блока размером 2510x2468 мм с двухкамерным стеклопакетом СПД 6И-14Аг-43-14Аг-И63 (6ТорЫ+#2..-14ммТ01. АВ-4. Прит.Зак,-14ммТО!.АЯ - 6ТорЫ+#5) был проведен весь комплекс исследований по определению диапазона его применимости.

После предварительной оценки термически однородных зон и участков с минимальными значениями температур на внутренней поверхности были установлены датчики температуры теплового потока. На внутреннюю поверхность рамы, створки и импоста установлены датчики линейных перемещений, позволяющие контролировать термические деформации элементов конструкции.

10

—

3 1

2

1

10,7 9,3

-50

-40

-30

tB, оС

-20

-10

Рис. 3. Зависимость минимальной температуры на внутренней поверхности оконного блока из профилей алюминиевых сплавов. Температура на внутренней поверхности рамы: 1 — открывающегося элемента; 2 — глухого элемента; 3 — открывающегося элемента

Согласно результатам теплотехнических испытаний в соответствии с ГОСТ 54861-2011 «Окна и наружные двери. Методы определения сопротивления теплопередаче» блок оконный из профилей алюминиевых сплавов в диапазоне температур наружного воздуха = 0 - -30оС имеет приведенное сопротивление теплопередаче выше В^ > 0,8 м2 оС/Вт и согласно таблице СП 50.13330.2012 (актуализированная версия СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий») и может быть применен для жилых и общественных зданий на всей территории России. Одновременно уже при температуре наружного воздуха = -27оС температура на внутренней поверхности стеклопакета ^в ниже 3оС (рис. 2), температура на внутренней поверхности открывающейся части выше температуры точки росы при ¿н > -20оС, а на внутренней поверхности неоткрывающейся части при > -11 оС (рис. 3). Таким образом, согласно п. 5.7 того же нормативного документа для жилых и общественных зданий данный оконных блок может быть использован при температуре наружного воздуха ¿н не ниже -12оС.

В каком состоянии будет данный оконный блок при температуре наружного воздуха > -50оС, показано на рис. 4-5.

Конечно же, режим выпадения конденсата и образования наледи на внутренней поверхности

Рис. 4. Нижний участок оконного блока из профилей алюминиевых сплавов при 4 = -50оС

Рис. 5. Зазор между профилем створки и профилем рамы в центральной части оконного блока

62015

17

5

5

3

0

0

Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

Ц M .1

Научно-технический и производственный журнал

оконного блока существенно зависит от температурно-влажностного режима внутреннего воздуха, эффективности работы систем вентиляции и расположения отопительных приборов. Однако термические деформации рамы и створки, приводящие практически к сквозным зазорам между открывающимися элементами конструкции (рис. 5), могут существенно повлиять на режим инфильтрации-эксфильтрации через оконный блок, существенно снизить энергоэфективность конструкции, сделать проживание в помещениях с такими оконными блоками невозможным по несоблюдению условий комфортности.

На рис. 6 приведен график зависимости абсолютного значения термических деформаций профилей створки и рамы блока оконного, а на рис. 7 - график зависимости разности абсолютных значений термических деформаций профилей створки и рамы той же конструкции.

В настоящее время нормативного документа, регламентирующего максимальные значения термических деформаций профильных систем светопрозрачных ограждающих конструкций, в России не существует.

Максимальный относительный прогиб от воздействия ветровой нагрузки, регламентированный ГОСТ 23166-99, составляет 1/300 от размера конструкции. Поскольку требования к предельной термической деформации в данный момент отсутствуют, в качестве реперной точки можно использовать данное требование, а также требование максимального абсолютного прогиба 6 мм.

Как видно из результатов эксперимента, абсолютный прогиб створки 6 мм, соответствующий значениям ветрового давления ДР = 1200 Па, возникает при температуре наружного воздуха iH = -29 - -30оС, что соответствует градиенту температуры между наружным и внутренним воздухом Дг = 49-50оС.

Максимальная термическая деформация, соответствующая 1/300 высоты конструкции (8,37 мм), наступает при температуре наружного воздуха tH = -49оС, а соответствующая 1/300 ширины конструкции (8,23 мм) наступает при температуре наружного воздуха = -46оС, что соответствует градиенту температуры между наружным и внутренним воздухом Дг = 66-69оС.

Определить критерий оценки предельных термических деформаций для различных климатических регионов России еще только предстоит на основе набора дополнительной экспериментальной статистики.

2

1 S,

s

V S.

N

-50

-40

-30 -20

tH, 0С

-10

Рис. 6. Зависимость абсолютного значения термических деформаций профилей створки (1) и рамы (2) оконного блока

Таким образом, по воздействию на блок оконный из профилей алюминиевых сплавов термическая деформация при отрицательных температурах, соответствующих климатическим условиям Центральной России, сопоставима с воздействием ветрового давления для высотных зданий.

Оценка изменения воздухопроницаемости блока оконного производилась при наружной температуре воздуха: = -0оС; -10оС; -20°С; -30°С; -40°С; -50°С.

Замеры проводились одновременно с замерами термических деформаций после выхода конструкции на стационарный режим. Замеры проводились для перепадов давления Ар = 10-200 Па. Результаты измерений объемной воздухопроницаемости при различных значениях температуры наружного воздуха при пошаговом замере воздухопроницаемости приведены на рис. 8.

Как видно из результатов испытаний, при повышении градиента температуры между наружным и внутренним воздухом воздухопроницаемость конструкции возрастает в 2,7-10 раз для различных типов конструкции.

Таким образом, несостоятельность существующей системы стандартизации и регламентирования параметров СОК для различных регионов строительства России можно считать доказанной. Возникает насущная необходимость

-30

оС

Рис. 7. Зависимость разности абсолютных значений термических деформаций профилей створки и рамы оконного блока

1,3

1,2

1,1

1

0,9

0,8

0,7

1!г 0,6

:s

0,5

s

0,4

(J

0,3

0,2

■ -10оС

• -20оС

* -30оС ► -40оС □ -50оС

ШР

* : *

SB .

:

Ар, Па

Рис. 8. Зависимость объемной воздухопроницаемости при различной наружной температуре воздуха

18

6'2015

6

0

6

6

5

4

3

2

Научно-технический и производственный журнал

Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"

разработки нового нормативного документа (СП, Рекомендаций по проектированию), учитывающего накопленный опыт эксплуатации различных типов конструкций и инновационные разработки НИИСФ РААСН.

Список литературы

Грошков А.С., Ливчак В.И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3 (30). С. 7-37.

Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-23.

John Carmody, Stephen Selkowitz, Dariush Arasteh, Liza Heschong. Resinential Windows // W.W.Noton&Company. NewYork. London. 2000. 232 с.

Oesterle Lieb, Lutz Heusler. Duoble-Skin Fasades // Prestel Verlag, Munich, 2001. 207 с.

Патент на изобретение РФ №2445610. Способ определения воздухопроницаемости строительных ограждающих конструкций / Верховский А.А., Шубин И.Л., Шеховцов А.В. Заявл. 15.12.2010. Опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8.

Патент на полезную модель РФ № 105998 РФ. Стенд для измерения сопротивления теплопередаче строительных ограждающих конструкций, оснащенный передвижной кассетой для установки образца / Шубин И.Л., Верховский А.А., Шеховцов А.В., Нанасов И.М., Кры-мов К.С. Заявл.15.12.2010. Опубл. 27.06.2011. Andrey Shehovtsov, Alexey Verhovskiy. AirPermeability of a PVC-Window When Exposed to Freezing Temperatures // Материалы Международной конференции GLASS PERFORMANCE DAYS, 2011. С. 90-93. Верховский А.А., Шеховцов А.В., Нанасов И.М., Энергоэффективность высотных зданий // Высотные здания. Октябрь-ноябрь. 2011. С. 96-101. Власенко Д. В. Почему коробит окна, или Зачем нужна армировка // Оконная и фасадная практика. 2008. № 4-5.

Белоедов А.Ю., Карявкин А.В., Тихонов А.Ю. Европейские подходы к оценке качества, проектированию и монтажу светопрозрачных конструкций // Светопрозрачные конструкции. 2013. № 3 (89). С. 53-60.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

10

2.

3.

4.

References

Groshkov A.S., Livchak V.I. History, evolution and development of normative requirements for building envelopes. Stroitelstvo unikalnih zdanii I soorugenii. 2015. No. 3 (30), pp. 7-37. (In Russian)

Umnjakova N.P., Butovskij I.N., Chebotarev A.G. Development of methods of normalization of a thermal protection of energy-efficient buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 7, pp. 19-23. (In Russian).

John Carmody, Stephen Selkowitz, Dariush Arasteh, Liza Heschong. Resinential Windows. London: W.W. Noton&Company. 2000. 232 p. Oesterle Lieb., Lutz Heusler., Duoble-Skin Fasades. Munich: Prestel Verlag. 2001. 207 p.

5. Patent RF 2445610. Sposob opredelenija vozduhoproni-caemosti stroitelnyh ograzhdajushhih konstrukcij [Air permeability determination method for the building envelopes]. Verhovskij A.A., Shubin I.L., Shehovcov A.V. Declared 15.12.2010 . Published 20.03.2012. Bulletin No. 2. (In Russian).

6. Patent RF 105998. Stend dlja izmerenija soprotivlenija teploperedache stroitel'nyh ograzhdajushhih konstrukcij, osnashhjonnyj peredvizhnoj kassetoj dlja ustanovki obrazca [The stand for thermal resistance measurement of the building envelopes equipped with the mobile cartridge for installation of a sample]. Shubin I.L., Verhovskij A.A., Shehovcov A.V., Nanasov I.M., Krymov K.S. Declared 15.12.2010. Published 27.06.2011. (In Russian).

7. Andrey Shehovtsov, Alexey Verhovskiy. AirPermeability of a PVC-Window When Exposed to Freezing Temperatures: Materialy Mezhdunarodnoj konferencii. Tampere: GLASS PERFORMANCE DAYS, 2011, pp. 90-93.

8. Verhovskij A.A., Shehovcov A.V., Nanasov I.M., Energy efficiency of tall buildings, Vysotnye zdanija. 2011, No. 5-6. pp. 96-101. (In Russian).

9. Vlasenko D.V., Why windows are deformed, or reinforcing why is necessary, Okonnaja i fasadnaja praktika. 2008. No. 4-5. (In Russian).

10. Beloedov A.Ju., Karjavkin A.V., Tihonov A.Ju. European approaches to a quality assessment, design and installation of translucent designs, Svetoprozrachnye konstrukcii. 2013. No. 3 (89), pp. 53-60. (In Russian).

Подписка

Актуальная информация для всех работников

строительного комплекса

СТРОИТЕЛЬСТВО

http://ejournal.rifsm.ru/

6'2015

19

02854884