Статья "Армирование оконных блоков их ПВХ", автор А.В. Асеев, А.Ю
advertisement
Журнал "Светопрозрачные конструкции" № 5-6 (61-62) 2008 год Статья "Армирование оконных блоков их ПВХ", автор А.В. Асеев, А.Ю. Куренкова, В.Л. Миков В журнале «Оконная и фасадная практика» (№ 4, 5, 2008) была опубликована статья Д. Власенко «Почему коробит окна, или Зачем нужна армировка?», посвященная инженерному объяснению в доступной форме назначения стального армирующего усилителя ПВХ профилей оконного типа. В ней также был затронут вопрос применения «альтернативных усилительных вкладышей». Год назад в журнале «Светопрозрачные конструкции» (№ 3, 2007] вниманию читателей была представлена статья одного из авторов настоящей работы «К вопросу об армировании ПВХ профилей». Неоднократное обсуждение данной темы на страницах отраслевых изданий обусловлено её актуальностью - необходимостью повышения теплотехнических показателей ПВХ оконных блоков при одновременном обеспечении их прочности и жёсткости. Первые оконные конструкции из ПВХ были разработаны в 50-х годах прошлого века в Германии. Сначала усилительные вкладыши часто не использовались, так как считалось, что вполне достаточно жёсткости самого пластикового профиля. Лишь с появлением полых стальных усилителей удалось улучшить статику ПВХ профилей и снизить их термическое деформирование [1]. Следует отметить, что применение стальных армирующих усилителей - не единственный путь достижения требуемых статических характеристик ПВХ оконных блоков: определённое повышение жёсткости конструкции оконных блоков из ПВХ достигается при использовании на главных профилях алюминиевых накладок (рис. 1). Алюминиевый профиль выполняет при этом, кроме оформительской функции, ещё и статическую. В окнах системы AluFusion фирмы Profine GmbH стальное армирование профилей створок необходимо лишь в исключительных случаях, в условиях Германии. Заботясь об обеспечении необходимой жёсткости ПВХ профилей с помощью усилительных вкладышей, не стоит забывать и о том, что, наряду с функцией све-топропускания, окно должно обеспечить необходимые теплозащитные свойства, то есть иметь нормативное приведённое сопротивление теплопередаче. С повышением требований по тепловой защите возникла необходимость увеличения числа камер в профиле и его монтажной глубины. Другим направлением явилось использование «термически разделённых усилительных вкладышей»[1]. Одной из характерных особенностей нюрнбергской ярмарки Fenster/Frontale этого года было значительное количество конструкций оконных блоков с очень высоким показателем приведённого сопротивления теплопередаче - коэффициентом теплопередачи по-европейски. Не стали исключением и оконные блоки из ПВХ профилей: налицо рост числа камер при одновременном увеличении строительной глубины профилей, заполнение части камер теплоизоляционными вкладышами, замена стального армирования на более тепло-эффективное. Это не удивительно, ведь в этом году в Германии вводится новое постановление об экономии теплоэнергии. Ужесточение государственных норм намечено на 2010 и 2012 годы. Оно означает необходимость разработки оконных конструкций, приведённое сопротивление теплопередаче которых должно быть не ниже 1,25 м2*К/Вт [2]. В европейских странах, не исключая и Германию, считают, и вполне обоснованно, что уменьшение теплопотерь через окна ведёт к снижению выбросов углекислого газа, создающих парниковый эффект. Не последнюю роль в борьбе за сокращение теплопотребления играет и рост стоимости энергоносителей - нефти и природного газа. Не обойдёт рост цен на газ и электроэнергию и нашу страну. По данным экспертов, на 2008-2011 годы запланировано поэтапное повышение оптовых цен на газ: в 2008 году- на 28,6 %, в 2009 годуна 19,91 %, в 2010 году- на 28 % и, наконец, в 2011 году - ещё на 40 %. Таким образом, в 2011 году цена газа станет почти в 3 раза выше, чем сейчас. А во сколько раз станет дороже отопление? Действительность же, как известно, всегда опережает планы, особенно в росте цен. Нынешний планируемый рост тарифов на газ установлен правительством [3]. Рост отпускных цен на энергоносители и целеустановки правительства (см. указ президента РФ от 04.06.2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики») должны стимулировать энергосбережение при эксплуатации зданий и, следовательно, побуждать (кого?) к применению оконных конструкций с более высокими теплозащитными свойствами. Кстати, если кто-то не знает или забыл, наша страна -самое суровое государство мира с точки зрения климатических условий (см. табл. 1): среднегодовая температура воздуха в Москве составляет + 4,4 °С, в Екатеринбурге только + 1,6 °С, в Новосибирске уже минус 0,1 °С, а в Бомнаке (Якутия) даже минус 5,0 °С, хотя летом температура в нём достигает + 4-0 °С. Таким образом, различия климатических условий Москвы, Екатеринбурга, Новосибирска и Бомнака показывают, что окна в России должны отвечать требованиям, отличающимся от среднеевропейских [4]: в Берлине-9,6 °С, в Париже -12,6 °С, а в Лондоне-9,Д°С. Оконные конструкции должны отвечать широкому комплексу требований, включая теплозащиту и энергосбережение, причём эти требования частично противоречат, а иногда и взаимно исключают друг друга. Поэтому необходимо стремиться к достижению компромисса желаемых характеристик не только для оконного блока в целом, но и для каждого конструктивного элемента [4]. Не являются исключением и усилительные вкладыши, используемые для армирования ПВХ профилей и придания им необходимой прочности, жёсткости и формо- и размеростабильности в условиях изменения температур. Согласно ГОСТ 3067Д-99 «Блоки оконные из по-ливинилхлоридных профилей. Технические условия» (см. п. 5.7.1) «главные ПВХ профили изделий усиливают стальными вкладышами с антикоррозийным покрытием...». Однако стальное усиление, находящееся в ПВХ профиле, существенно снижает его теплотехнические показатели, поскольку является своеобразным мостиком холода. Известно, что, например, у трёхкамерного профиля без армирования приведённое сопротивление теплопередаче составляет ~ 0,73 м2*К/Вт, а со стальным армированием - 0,63 м2*К/Вт. Таким образом, необходимы оптимальные по сочетанию показатели прочности (жёсткости], стабильности размеров и теплозащиты конструкции и/или материала усилителя. Компромиссное исполнение усилителя для ПВХ профиля принципиально может быть реализовано в виде составной (дискретной) конструкции или монолитной, выполненной из одного материала, обладающего соответствующим компромиссным комплексом свойств. Монолитным решением, хотя и не обеспечивающим необходимый компромисс в современных российских условиях, является традиционный стальной усилитель. Монолитная конструкция усилителя использована компанией «Альфапен» (рис. 2]. Если в «тёплых» алюминиевых профильных системах терморазрыв выполняется из малотеплопроводных материалов, то в профилях Smartwin этой фирмы, наоборот, применён патентованный усилитель из теплопроводного алюминиевого сплава. Поиск нового исполнения реализуется в ходе некоторого инновационного процесса, который может представлять собой сочетание уже известных технологий. Простейшим методом снижения влияния мостика холода, обусловливаемого стальным усилителем, является уменьшение толщины его стенки. По этому пути, правда, по другой причине-в стремлении удешевить производство, но забывая о соответствующей потере жёсткости и вытекающих из этого последствиях, идут некоторые отечественные производители. Осознанное решение в условиях французского климата демонстрирует фирма Finstral в конструкции оконного блока Systeme 200 PVC: армирование профилей - дифференцированное: усилитель коробки имеет более тонкую стенку, чем армирование створки (рис. 3). Уменьшение толщины стенки стального усилителя несколько повышает теплотехнические показатели оконного блока, но одновременно снижает и жёсткость конструктивных элементов. Как говорят на Руси: «Хвост вытащил - нос увяз». Сохранение жёсткости при некотором уменьшении толщины стенки армирующего профиля может быть достигнуто, согласно рекламным материалам, применением технологии Ultra Steel (US) - (рис. 4). Запатентованный компанией Handley Profiltechnik GmbH US техпроцесс предполагает создание уникальной ямочной текстуры (продавок) на поверхности холоднокатаного металла с изменением его зернистости. Металл проходит специальную обработку давлением, в результате которой формируется текстура (двойная спираль) и происходит процесс местного растягивания, а поверхностная закалка дополнительно упрочняет металл. Фирма Dimex в ряде случаев использует армирующий усилитель, изготовленный по технологии Ultra Steel. А в ряде государств СНГ сразу же появились «умельцы», решившие заработать на «клонировании» путём имитации внешнего вида усилительных профилей, изготовленных по Ultra Steel-технологии. Не отказываясь от стального армирования, разработчики компании FBS-Over GmbH для улучшения теплотехнических показателей ПВХ оконных блоков выполнили усилительный вкладыш из оцинкованной стали соответствующей толщины, перфорированной продольными рядами смещённых относительно друг друга полос (рис. 5). Аналогичную перфорацию имеют строительные профили Lindab (рис. 6), целевое назначение которой состоит в снижении перетока тепла теплопроводностью. Для исключения конвективного теп-лопереноса и уменьшения лучистого фирмой FBS-Over GmbH используется вкладыш из жёсткого пенопласта. Эта конструкция получила название Stalotherm. В зависимости от конструктивного исполнения оконного блока из ПВХ профиля с армированием Stalotherm, его приведённое сопротивление теплопередаче может достигать -1,37 м2*К/Вт. Кроме монолитных решений, используются составные конструкции армирующих усилителей. Фирма SELO (Германия) производит комбинированный усилитель на основе профиля из тонколистовой стали, облицованного профилем из композиционного материала. Название такой конструкции Evolutherm (рис. 7). Надо сказать, что ещё в конце 90-х годов прошлого века компания Kommerling, ныне входящая в состав Profine, в одной из своих профильных систем использовала комбинированный усилитель под названием Infratherm (рис. 8). Ещё одним решением, обеспечивающим компромисс между повышением требований к теплотехническим показателям оконного блока и необходимостью сохранения его размеростабильности и жёсткости, являются конструкции усилительных вкладышей из вальцованной листовой стали с те рмо разрыва ми. Такие армирующие усилители производят в Германии фирмы Term Tec GmbH (рис. 9] и Н. Hiittenbrauck Profil GmbH (рис. 10). Такие термически разъединённые стальные усилители могут использоваться в сочетании с теплоизоляционными вкладышами из жёстких пенопластов на основе полистирола или полиуретана. Подобное армирование нашло своё применение в ряде профильных систем, например у Dimex в ELEGANCE 80 (без теплоизолирующего вкладыша) (рис. 11), или ранее у Aluplast Ideal 6000 (с теплоизолирующим вкладышем) (рис. 12, а) и Rehau (рис. 12, б). С помощью термически разделённого армирования и теплоизолирующих вкладышей профильная система CONCEPT-80 (фирма L.B. Profile GmbH) с монтажной глубиной 80 мм, с семью камерами и средним уплотнителем обеспечивает сопротивление теплопередаче Rf = 1,0 м2*°С/Вт, а в сочетании с соответствующим остеклением позволяет достичь нормативной величины Rw = 1,25 м2*°С/Вт для всего оконного блока. Компания Salamander для профильных систем разработала несколько вариантов армирующих усилителей с терморазрывами из полимеров и заполнением вспененным полиуретаном (рис. 12, в]. Для уверенности в эксплуатационной пригодности таких оконных блоков необходимо точно определять статические характеристики и усталостные свойства (старение и долговечность) этих систем [1]. Немецкая компания Schiico пошла по другому пути. Её система Corona SI 82+ является восьмикамерной. При трёхкамерном уплотнении притвора и двухкамерном стеклопакете с Ro ~ 1,3 м2*К/Вт сопротивление теплопередаче оконного блока, по данным фирмы, составляет около 1,1 м2*К/Вт. Вместо традиционного стального армирования в профилях коробки (рамы) и створки (вероятно, и импоста) используются алюминиевые полосы, соэкструдируемые одновременно с получением профиля. Удержание алюминиевых полос от сдвига не составляет технической проблемы (рис. 13). Ещё более высокие теплотехнические показатели достигаются оконным блоком системы Schiico Corona SI 82+ Passiv (приведённое сопротивление теплопередаче - до 1,25 м2-К/Вт) (рис. 14-). Повышение Ro достигается теплоизоляционными вставками, размещёнными в некоторых камерах коробки и створки. Кроме того, аналогичный вкладыш заполняет зазор между торцом стеклопакета и профилем створки. Как отмечает в своей статье руководитель ift Rosenheim Ulrich Sieberath [5], герметизация этого зазора (см. рис. 15, взятый из этой работы) позволяет повысить приведённое сопротивление теплопередаче комбинации профилей «коробка - створка» с 0,56 до 0,67 м2*К/Вт, если, к тому же, заменить трёхкамерную створку на пятикамерную без стального усиления. Компания Hermann Otto GmbH предлагает необходимый герметик (рис. 16), а также теплоизолирующие вкладыши из экструдированного пенополистирола. Смысл такой операции достаточно очевиден: снижение конвективного и лучистого теплопереноса в этом зазоре. Надо сказать, что уплотнение с герметизацией зазора между стекло пакетом и профилем практикуется в Канаде в конструкциях оконных блоков из стеклокомпозита (стеклопластика) фирмы Inline Fiberglass ещё с начала 90-х годов прошлого века (рис. 17). Анализ вышеприведённых вариантов повышения теплотехнических показателей ПВХ оконных блоков при одновременном обеспечении размеростабильнос-ти и жёсткости позволяет разделить их на две группы. Первая группа включает в себя решения, сохраняющие усилительный профиль, но изменяющие его конструктивное исполнение и используемые материалы. Ко второй можно отнести проекты, в которых функция армирующего усилителя передаётся самим ПВХ профилям за счёт соэкструзии с ними усиливающих элементов (Schuco Corona SI 82+, Aluplast Ideal 6000, Rehau). Использование первой группы решений позволяет заменить стальное армирование в любой профильной ПВХ системе на более тёплое без модернизации собственно главных профилей. Во второй группе необходимо изменение устройства сечения профильной системы. На строительной выставке Mosbuild 2007 международная компания WINTECH, известная в России как 000 «Винтек Пластик», анонсировала инновационный способ усиления ПВХ профилей с помощью композиционного профиля (рис. 18) на основе ПВХ полимера, армированного древесным наполнением. Надо сказать, что о проблемах экструдирования ПВХ профилей с древесным наполнением сообщалось в работе [6]. Согласно имеющимся в этой публикации данным модуль упругости при изгибе для древеснонаполненной композиции с ПВХ смолой в качестве матрицы составляет около 4,8*103 Н/мм2 (у ПВХ профилей величина модуля упругости при изгибе не превышает 2,2*103 Н/мм2). Близкий по характеристикам материал Fibrex используется в США для экструзии ПВХ профилей оконного назначения. Коэффициент линейного термического расширения Fibrex в три раза ниже, чем у ПВХ профиля [6]. В России также, как отмечается в работе [7], несмотря на возрастающую конкуренцию, основные производители профильных систем делают ставку на повышение теплотехнических характеристик оконных блоков и морозоустойчивые системы. Осенью 2004- года в Красноярске на семинаре «Энергоэффективные окна - 4» было сделано сообщение о сравнительных оценочных исследованиях теплотехнических характеристик трёхкамерных ПВХ профилей, армированных стандартным стальным усилителем и его аналогом из стеклокомпозита. Результаты оказались многообещающими. И сейчас в Красноярске компания «БФК-Красноярск» использует стеклопластиковый армирующий профиль «Армовин» в своих оконных блоках, построенных на профильной системе VEKA. Усилитель «Армовин» (рис. 19) разработан коллективами трёх организаций: НИУПЦ «Межрегиональный институт окна», компаниями «Армопроект» и «БФК-Красноярск». «Межрегиональный институт окна» рекомендует применять этот усилитель совместно с утеплителем, заполняющим его полость. Использование армирующего усилителя с теплоизолятором в полости позволяет добиться линеаризации изотерм, обеспечивает значительное повышение приведённого сопротивления теплопередаче комбинации «рама-створка» [Д]. Как известно из информации, любезно предоставленной 000 «REHAU», исследования по применении усилителей из стеклопластика проводились и в ряде европейских стран в 80-90-х годах прошлого столетия Естественно, интерес к новой теме не обошёл стороной и технический отдел REHAU в Германии, много времени посвятивший исследованиям, в том числе и в этой об ласти. Каковы же результаты? Исследования показали хорошие теплотехнические и статические характеристики стеклопластикового армирования на фоне «...крайнего неудобства или даже невозможности его применения в реальном технологическом процессе изготовления оконных конструкций из ПВХ. В процессе механической обработки стеклопластика (резка, сверление отверстий и пр.) в рабочей зоне появляется мельчайшая стеклопластиковая пыль, смертельно опасная для человека и не менее негативно влияющая на находящееся в помещении оборудование. Пожалуй, единственно надёжным способом борьбы со стеклянной пылью является проведение работ в специально оборудованных и отдельных от основного производства помещениях с применением специальных защитных комбинезонов для производственного персонала». Далее исследователи столкнулись с дороговизной вышеперечисленных решений для применения их в оконном производстве, а также с необходимостью более частой замены инструментов и оборудования. На фоне высокой себестоимости стеклопластиковых профилей, полученных методом пултрузии, и устойчивой тенденции к принятию парламентами европейских стран всё более жёстких законодательных решений по защите жизни и здоровья граждан к началу 90-х годов вышеназванное техническое решение было признано нерентабельным и опасным для жизни и здоровья граждан. Работы по исследованию возможностей использования армирующих профилей из стеклопластика для усиления конструкционных ПВХ профилей прекращены. (Были ли?) Однако в апреле этого года в Нюрнберге REHAU представляет профильную систему GENEO с использованием инновационного фиброволоконного материала RAU FIPRO, который отличается рекордной прочностью и сопротивляемостью к нагрузкам. Приведённое сопротивление теплопередаче профильной системы Rf = 1,0 м2*°С/Вт (рис. 20). Строительная глубина профиля 86 мм. На круглом столе ведущих производителей ПВХ систем в России, материалы которого опубликованы в сборнике «Окна. Двери. Фасады» (2006. № 18. С. 72-84), президентом АПРОК А.В. Спиридоновым на вопрос «Каково Ваше мнение о тенденциях и путях совершенствования ПВХ профиля в российских условиях?» было сказано следующее: «... Путь совершенствования оконных профилей,связанный с увеличением числа камер, с точки зрения теплотехники достаточно проблематичен. Увеличение числа камер с 5 до 7 даёт недостаточное преимущество с точки зрения показателя цена/качество. Вероятно, тенденции совершенствования ПВХ профилей в РФ будут теми же, что и во всём мире. То есть это будут попытки заполнения камер материалами с низкой теплопроводностью, замены стали на стекловолокно в качестве усилителей, использования стеклопакетов с теплоотражающими стёклами и новыми более эффективными дистанционными рамками...». Кстати, в Вене (Австрия) фирма Gaulhofer Vertrieb GmbH & Со KG Fenster und Tiiren для армирования ПВХ оконных блоков использует замкнутые профили из стек-локомпозита, близкие по прочности к стали. Полость армирующего усилителя заполнена теплоизолятором (рис.21). Резюмируя все вышесказанное, можно закончить настоящий обзор словами из известного всем детского стихотворения Сергея Михалкова «А что у Вас?»: «Мамы разные нужны, мамы разные важны». Главное - выбрать из арсенала возможных средств и способов то, которое обеспечит конструктивное решение, удовлетворяющее комплексу требований, предъявляемых к оконному блоку в конкретных условиях эксплуатации, не забывая, что зарубежные конструкции итехнологические решения в российских условиях нельзя просто копировать. Они должны быть адаптированы к нашему климату, так как перепады температур у нас гораздо больше европейских. Литература 1. Шпехт К. Теплотехнические характеристики профилей оконных рам из пластика // Окна-BZ. 2005. № 3 (10]. 2. Окна, фасады и остекление во времена изменения климата // Bauelement Bau International. 2007. № 27. С. 12-13. 3. Шеркх Д. Широкий жест ко Дню Победы // Санкт-Петербургские ведомости. 2008. № 84 (4-121). 4. Ласе И.П. Конструктивные принципы новых разработок // Bauelement Bau International. 2007, март. Вып. 25. С. 54-57. 5. Sieberath U. Window, facades and glass. Energy Conservation // Ift Roseuhaim. 2008. № 3. P. 2-9. 6. Шиллер М., Эггер А., Фишер В. Экструзия ПВХ с древесным наполнением // Светопрозрачные конструкции. 2003. № 6. С. 30-32. 7. Монтаж окон: факторы риска // Светопрозрачные конструкции. 2007. № 6. С. 51-52. Версия для печати
