CC BY
332
3/2011_МГСу ТНИК
ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТЬ ОКОННОГО БЛОКА ИЗ ПВХ ПРОФИЛЕЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
AIR PERMEABILLITY OF AN PVC-WINDOW WHEN EXPOSED TO FREEZING TEMPERATURES
A.B. Шеховцов
A. Shekhovtsov
НИИСФ PAACH
Сотрудниками НИИСФ совместно с фирмами-партнерами предложен новый метод определения воздухопроницаемости для регионов с холодным климатом, т.к. существующий метод не дает представлений о качестве окна.
Research Institute of Building Physics in cooperation with partner companies have proposed a new method for determining air permeability of windows for regions with cold climates. It is a possibility to manage the quality of PVC windows .
Как известно, Россия - одна из самых холодных стран мира. Поэтому проблема сохранения тепла в зданиях является одной из самых важных в строительстве. Окна -самая слабая часть здания с точки зрения сохранения тепла. В первую очередь необходимо сфокусироваться на их теплотехнических показателях.
Несколько десятилетий назад окнам была присуща функция, не только пропускать свет, но и воздух и служить в качестве приточной вентиляции, как в открытом, так и в закрытом состоянии. Важным преимуществом современных ПВХ окон считается низкая воздухопроницаемость. Отмечено, что при температуре ниже -30С резко возрастают жалобы со стороны жителей на продувание окон и сквозняки, которые не только снижают комфорт в помещениях, но и могут повлечь риск для здоровья. Задача специалистов в области строительной физики нормировать зимнюю воздухопроницаемость.
Итак, рассмотрим физику поведения окна при действии холодных температур. Во время охлаждения наружной стороны окна до расчетной зимней температуры (возможно, до -50°С) внутренняя сторона находится в помещении, обычно над прибором отопления и нагрета до 20°С. В результате термического расширения снаружи размены окна уменьшатся, а внутри - увеличатся. Эта разница вызовет температурный изгиб оконного блока.
Современные многокамерные ПВХ профили имеют сложное геометрическое сечение, и не менее сложную картину температурных полей. В качестве примера возьмем не-армированный профиль Z-створки, у которой ширина и толщина наружной и внутренней лицевых стенок одинаковы [5]. Упростим расчетную модель до двутавра с нулевой толщиной полок (см. рис 1). Внутренние стенки имеют почти равномерный градиент температуры, что позволяет не учитывать их в расчетной модели. В качестве расчетной модели на данном этапе примем балку со свободными краями, показанную на рис. 2.
Рис. 1. ПВХ профиль створки, упрощенный рис. 2. Брусок профиля как балка со сво. до двутавра бодными краями
При разнице температур dT, длина одной из полок отрезка профиля длинной L изменится на
dL=L*K*dT (1)
При этом отрезок профиля примет форму сектора кольца толщиной B и радиусом изгиба R. В принимается по средней линии толщины стенки
Для сектора кольца справедливы следующие равенства:
L= a*R или a=L/R (2)
L-dL= a*(R-B)=L/R * (R-B)=L(1-B/R) (3)
Отсюда dL=LB/R или R=LB/dL
Подставив (1) получим формулу для радиуса термического изгиба
R= B/(K*dT) (4)
Термический прогиб профиля Н, посредине отрезка L вычисляется по формуле
H=R(1-cos а/2 ) (5)
Учитывая , что а ^ 0 (стремится к нулю), после тригонометрических преобразований и подстановок предыдущих результатов, получаем,
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
н =
Ь ■ К ■ dT
87В
(7)
Таким образом, прогиб прямо пропорционален квадрату длины элемента, коэффициенту линейного расширения материала, разнице температур лицевых стенок и обратно пропорционален толщине профиля (монтажной глубине).
Типовая конструкция окна в России предполагает наличие форточки для летнего проветривания, традиционно применяемый в нашей стране более 100 лет. При производстве такой створки размером 500x500 без применения металлического армирования, что разрешено нормами [1], получим максимальный изгиб около 2мм. Это примерно в 2-3 раза выше нормируемого производителями ПВХ профиля допуска для установки уплотнений - т.е. продувание неизбежно.
Цикл проведенных испытаний - это совместный проект НИИСФ и коммерческих фирм, внедряющих на российский рынок новые типы уплотнений и новые проектные решения оконных блоков: форма, тип, толщина армирования, конфигурация и монтажная глубина профиля и т.д.
©
©
_J
©
Рис. 3. Схема испытательной установки
Испытания ПВХ окон были проведены в испытательном центре «Фасады-СПК» НИИСФ РААСН. Целью испытаний было определить прогиб и воздухопроницаемость оконного блока при действии низких отрицательных температур, а также исследовать различные типы уплотнений: свариваемое ТРЕ (термоэластополимер) и протянутые ЕРБМ (этиленпропилендиеновый каучук) и силиконовые уплотнения. Вместе с НИИСФ в эксперименте приняли участие 2 европейские компании - поставщики ПВХ профиля.
Было испытано 3 оконных блока (ОБ) и 8 типов уплотнений. Были также применены 2 типа закрепления: жесткое на анкерах и со скользящей заделкой ( на клиньях и монтажной пене). Размеры всех оконных блоков 1500x1500 мм.
WIN-1: Оконный блок двухстворчатый. Жесткое закрепление. ЕРБМ, ТРЕ, Силиконовое уплотнения. Монтажная глубина - 70мм.
WIN-2-1: Оконный блок одностворчатый. Упругое защемление. ЕРБМ уплотнение. Монтажная глубина 60мм.
WIN-2-1: Оконный блок одностворчатый. Упругое защемление. ТРЕ уплотнение. Монтажная глубина 60мм.
Испытания проводились в климатической камере, способной создавать температуру до -60°С, подключенной к испытательному стенду по определению воздухопроницаемости. Методика испытаний и испытательная установка в настоящее время проходит процедуру патентирования [4].
Условные обозначения к рис. 3.
А - Перегородка с оконным проемом Б - образец для испытаний
В - герметичная перегородка Г - воздуховод
1 - холодильная установка 2 - Стенд для создания перепада давления
3 - обогреватель 4 - термометр в холодном отделении
5 - термометр в коробе 6 - термометр в теплом отделении
7 - манометр 8 - ротаметр
Примечание: Установка 2 и ротаметр 8 условно показаны внутри климатической камеры.
Таблица!. Режимы испытаний
Температура снаружи, °С 20 -20 -30 -40 -50
Перепад давлений, Па 20 50 100 150
После монтажа оконного блока, проем с обеих сторон был заклеен пленкой и проведены калибровочные испытания без температурного перепада при указанных в Таблице перепадах давлений. Эти данные представляют собой собственную воздухопроницаемость стенда и в дальнейшем вычитались из экспериментальных данных.
Затем был герметизирован только монтажный шов. Таким образом, для регистрации воздухопроницаемости осталось только притворное уплотнение. Расходом воздуха через уплотнение стеклопакета и штапика можно пренебречь. Внешний вид испытательной установки и образца представлен на рис. 4.
Рис. 4. Образец во время проведения испытаний
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
Результаты испытаний
На рис. 5приведеи график зависимости температурных деформаций импоста оконного блока WIN-1 от величины наружной температуры. Максимальный прогиб для WIN 1 составил 4,28мм; для WIN 2-1 и WIN 2-2 - 2,78мм. Форма графиков схожа для всех испытанных оконных блоков.
Температурные дефоризцМ) HMnotiа оконного блока
-¡о -to
Рис. 5. Температурные деформации импоста ОБ WIN-1
Далее были проведены испытания по определению дополнительной «зимней» воздухопроницаемости. Для этого создавался перепад давлений согласно таблице 1. 4 температурных режима; 4 режима давлений - итого 16 замеров на каждый ОБ/уплотнение.
Результаты показались нам крайне интересными, однако необходимы дополнительные исследования, для оптимального подбора всех параметров эксперимента и исключения системных ошибок. В настоящее время проводится работа по унификации испытаний и требований к образцу.
На рис. 6 представлен график, из которого видно, как возрастает воздухопроницаемость ОБ при неизменном перепаде давлений и росту градиента температуры. Для WIN-1 этот рост составляет десятикратную величину. Учитывая, что схожая тенденция наблюдалась для всех видов уплотнений, в том числе силиконовых, можно сделать вывод, что в основном воздухопроницаемость осуществлялась за счет температурных деформаций.
-■- МП» нпа VMM La -■-lEona
ИЛ 5S fin fifp
Перепад (ииШфттуры, "С
Рис. 6. Воздухопроницаемость ОБ WIN-1 при равных перепадах давлений
Оконные блоки WIN-2-1 и WIN-2-2 были поставлены другим производителем и не крепились жестко анкерами, а распирались клиньями в проеме климатической камеры. Результаты оказались на порядок лучше (см. рис. 7). Воздухопроницаемость при -50°С выросла всего на 0,5 м3. В качестве одной из причин можно предположить, что взаимная деформация профилей импоста и створки не достигла критической величины, и зазоры в притворе не появились._
Рис. 7. Воздухопроницаемость ОБ WIN-2-2 при равных перепадах давлений
Прогиб импостов в 2,8 мм на WIN-2-1 и WIN-2-2 и, особенно, прогиб 4,3мм на WIN-1 - очень значительные величины. Для лучшего их представления сравним этот прогиб с прогибом от ветрового давления. Наши эксперименты показали, что при давлении 1000 Па прогиб импоста составит всего 2,2мм. Прогиб 2,7мм соответствует примерно 1500 Па ветрового давления. Это в 10 раз выше максимального ветрового давления для Москвы в зданиях средней этажности.
Цикл исследований, проведенный в НИИСФ, показал высокую степень влияния зимней воздухопроницаемости на общие теплопотери здания и тепловой комфорт помещений. Результаты, полученные в ходе таких испытаний, позволяют оценить качество окна в целом. Для производителя - это возможность модернизации компонентов оконного блока для холодных условий: сечения и рецептуры ПВХ профилей и уплотнений, конфигурации оконной фурнитуры и узлов примыкания оконного блока к проему.
Автор выражает благодарность Верховскому A.A., Власенко Д.В. и Карявкину A.B. за помощь в проведении испытаний, предоставлении оконных блоков, сопроводительной информации, литературы, а также накопленного опыта эксплуатации окон в зимних климатических условиях России.
Выводы
1. Разработанная и отработанная методика оценки воздухопроницаемости в климатической камере позволяет оценить поведение оконных блоков при климатических воздействиях и сравнить работу различных марок уплотнений в условиях, приближенных к режиму эксплуатации.
2. Традиционная методика ГОСТ [2] не дает объективных данных для оценки ПВХ окон в наиболее суровых зимних условиях.
3/2011_МГСу ТНИК
3. В существующие российские стандарты, определяющие характеристики оконных блоков [2,3] необходимо включить требования по определению воздухопроницаемости при действии отрицательных температур для оконных блоков.
Литература
1. ГОСТ 30674-99 Блоки оконные из ПВХ профилей:
2. ГОСТ 26602.2-99 Блоки оконные. Методы определения воздухо- и водопроницаемости:
3. ГОСТ 231666 Блоки оконные. Общие технические условия:
4. Заявка на патент на полезную модель испытательного стенда
5. Власенко Д. В. Почему коробит окна? // Оконная практика N 4, 2008
References
1. National Standard GOST 30674-99. Windows of PVC profiles
2. National Standard GOST 26602.2-99 Windows and Doors. Methods of determination of air and water permeability.
3. National Standard GOST 23166. Windows. Technical specifications
4. Application for a patent of the test rig model
5. Vlasenko Dmitry. Why are windows deformating? // Window Practice N4, 2008.
Ключевые слова: воздухопроницаемость, оконный блок, узлы примыкания, климатическая камера, термические деформации, энергоэффективность, оконное уплотнение.
Keywords: air Permeability, window, contiguity seam, climatic test chamber, thermal deformation, energy efficiency, window sealing.
127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21 + 7(499)488-6625 [email protected]
