Алюминиевое окно: теплопередача

По своим прочностным свойствам, высокой коррозионной стойкости и способности принимать сложную форму поперечного сечения алюминиевые профили представляются весьма подходящим материалом для изготовления каркасов для окон и других различных видов остекления зданий. Однако алюминий имеет настолько высокую теплопроводность, что температура рамы окна, которая полностью изготовлена  из алюминиевых профилей снаружи и внутри здания практически не отличается, причем как зимой, так и летом.

Алюминиевые окна с терморазрывом

Решением этой проблемы являются так называемые комбинированные профили, которые называют также «теплыми» алюминиевыми профилями. Эти профили состоят из двух алюминиевых профилей – наружного и внутреннего, которые соединяются друг с другом через материал с низкой теплопроводностью, таким как полиамид, полиуретан или поливинилхлорид. Говорят, что этот материал с низкой теплопроводностью образует терморазрыв, а такие профили называют также алюминиевыми профилями с терморазрывом.

Европейский стандарт EN 14024 и международные стандарты ISO 10077 и ISO 15099 применяют термин «thermal barrier», то есть «термический барьер», а американские нормативные документы — термин «thermal break». Российские стандарты, например, ГОСТ 22233-2001 на алюминиевые профили применяют термин «термовставка».

Терморазрыв алюминиевого профиля

Европейский стандарт EN 14024 устанавливает два типа терморазрыва для металлических профилей, в том числе, для алюминиевых профилей (рисунок 1).

termorazryv-tipy-1-2Рисунок 1 – Два технологии выполнения термобарьера (терморазрыва)
в оконных алюминиевых профилях

Первая технология изготовления алюминиевого профиля с терморазрывом заключается в том, что две противоположных кромки полиамидного профиля вставляют в специальные пазы алюминиевых профилей, наружного и внутреннего. Затем производится закатка кромок этих пазов, что обеспечивает прочное соединение термомоста с каждым из алюминиевых профилей, а алюминиевых профилей друг с другом.

Вторая технология изготовления алюминиевых профилей с терморазрывом включает заливку жидкого полиуретана в алюминиевый профиль, который имеет специальные пазы. Затем, после затвердевания полиуретана, тонкие «перепонки» между наружной и внутренней частью алюминиевого профиля удаляют – вырывают или фрезеруют – и получается алюминиевый профиль с терморазрывом.

Теплопередача и теплопроводность

Коэффициент теплопередачи окна – любого окна, алюминиевого, деревянного, пластикового – это количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу площади окна на 1 градус разности температуры между обеими сторонами окна – наружной и внутренней. Поэтому величина коэффициента теплопередачи измеряется в Вт/(м2·К) или «в ваттах на метр квадратный на градус Кельвина».

Алюминиевые, пластиковые и деревянные окна отличаются друг от друга материалом рамы. Вклад рамы в коэффициент теплопередачи этих окон может весьма сильно различаться. Это связано в первую очередь с различиями в коэффициентах теплопроводности этих материалов: алюминия, пластика ПВХ и древесины.

Нелишне отметить, что теплопроводность – это физическое свойство материала, например, древесины рамы окна. Коэффициент теплопроводности отражает способность материала передавать тепло  на расстояние под воздействием перепада температуры и поэтому имеет размерность Вт/(м·К). Иными словами, это — количество тепла на единицу длины при перепаде температуры в один градус (Кельвина или Цельсия).

Коэффициент теплопередачи в отличие от коэффициента теплопроводности – это характеристика окна как физического тела. Коэффициент теплопередачи окна отражает его способность сопротивляться пропусканию через себя тепла под воздействием перепада температуры на внутренней и наружной своих поверхностях. Поэтому коэффициент теплопередачи имеет размерность Вт/(м2·К). Иными словами, это – количество тепла на единицу площади окна при перепаде температуры в один градус.  

Коэффициент теплопередачи окна по ISO 10077-1

Самыми надежными методами для определения коэффициента теплопередачи рам окон и окон в целом являются численные методы (например, метод конечных элементов, метод конечных разностей или метод граничных элементов) в соответствии с указаниями стандарта ISO 10077-2. Кроме того применяют стандартизированные экспериментальные методы на основе измерения тепловых потоков через элементы окна и окно в целом.

Стандарт ISO 10077-1 предназначен для оценки коэффициентов теплопередачи окон различной конструкции при отсутствии данных численного расчета и экспериментальных данных.

Для простого глухого окна — окна с рамой без створок и импостов (горизонтальных и вертикальных перекладин) — формула для вычисления коэффициента теплопередачи окна согласно стандарту ISO 10077-1 упрощается до следующего вида:

formula-koefficienta-teploperedachi-okna

где:
Ag – площадь светопроникающей части окна;
Af – площадь  рамы (проекция на вертикальную плоскость);
lg – длина периметра светопроникающей части окна;
Ψg – линейная теплопередача (на стыке между рамой и светопроникающей частью окна).

Коэффициент теплопередачи рамы окна ПВХ

Международный стандарт ISO 10077-1 дает минимальные величины коэффициентов теплопередачи рам окна ПВХ с двумя камерами и тремя камерами. Эти минимальные коэффициенты теплопередачи рам окон ПВХ – металлопластиковых окон — составляют соответственно 2,2 и 2,0 Вт/м2·К.

okna-pvxРисунок 2 – Минимальный коэффициент теплопередачи окон ПВХ

Обычно рамы окон ПВХ имеют именно 3 камеры. Встречаются рамы ПВХ с 4-мя и даже 5-тью камерами, но они дороже обычных. Стандарт ISO 10077-1 указывает, что камерой окна ПВХ может считаться только полость шириной не менее 5 мм. Данных о коэффициенте теплопередачи рам таких «экзотических» окон ПВХ стандарт не приводит.

kamera-plastikovogo-okna

Рисунок 3 – Минимальная ширина камеры рамы окна ПВХ

Коэффициент теплопередачи рамы деревянного окна

На рисунке 4 приведен график зависимости минимального коэффициента теплопередачи рамы деревянного окна, во-первых, от типа древесины (мягкая или твердая) и, во-вторых, от толщины рамы.
koefficient-teploperedachi-derevjannoj-ramy+

Рисунок 4 – Коэффициент теплопередачи деревянных рам
1 — твердые породы (700 кг/куб. м и 0,18 Вт/м К);
2 -мягкие породы (500 кг/куб. м и 0,13 Вт/м К)

Для типичной толщины деревянного окна 50 мм коэффициент теплопередачи рамы составляет для мягких пород 2,0 Вт/м2 К, а для твердых пород – 2,2 Вт/м2 К. С увеличением толщины рамы за 150 мм коэффициент теплопередачи рамы приближается к единице.

Коэффициент теплопередачи алюминиевой рамы

Параметры терморазрыва алюминиевой рамы

На рисунке 5 показаны основные конструкционные характеристики алюминиевой рамы с терморазвязкой в виде полиамидных вставок.

termorazryv-tip-1

Рисунок 5 – Алюминиевая рама с полиамидными вставками:
0,2 < λ ≤ 0,3 Вт/(м2 К)
b1 + b2 + b3 + b4 ≤ 0,2 bf

Коэффициент теплопередачи оконной рамы из алюминиевых профилей с терморазрывом зависит от:

  • коэффициента теплопроводности материала терморазрыва;
  • длины терморазрыва, d, то есть минимального расстояния между наружным и внутренним алюминиевыми профилями;
  • ширины терморазрыва, b1+b2+b3+b4;
  • отношения общей ширины терморазрыва (b1+b2+b3+b4) к ширине рамы bf.

Длина терморазрыва — это не длина термовставки

Производители алюминиевых окон обычно декларируют длину (или ширину) полиамидных вставок, которые образуют терморазрыв в алюминиевых профилях рамы. Однако эти полиамидные вставки имеют заделку в алюминиевых профилях не менее 2,5 мм с каждой стороны. Поэтому, если применяются полиамидные вставки, например, длиной 34 мм, то они обеспечивают эффективный терморазрыв в лучшем случае длиной всего 29 мм.

Формула коэффициента теплопередачи алюминевой рамы

Формула для вычисления коэффициента теплопередачи рамы алюминиевого окна выглядит следующим образом:

formula-koefficienta-teploperedachi-ramy

где
Af,i /Af,di – отношение площади проекции внутренней поверхности рамы на плоскость окна к полной внутренней поверхности рамы (рисунок 6);
Af,e /Af,de – отношение площади проекции наружной поверхности рамы на плоскость окна к полной наружной поверхности рамы (рисунок 6);
Rsi — сопротивление теплопередаче внутренней поверхности рамы (прослойки воздуха на внутренней поверхности рамы), (м2 ·К)/Вт;
Rse — сопротивление теплопередаче наружной поверхности рамы (прослойки воздуха на наружной поверхности рамы), (м2·К)/Вт;
Rf — сопротивление теплопередаче сечения рамы, (м2·К)/Вт.

naruzh-vnutrРисунок 6 – Параметры формы алюминиевой рамы,
которые влияют на величину ее коэффициета теплопередачи

Сопротивление теплопередаче алюминиевой рамы

Сопротивление рамы алюминиевого окна без терморазрыва принимается равным нулю: Rf = 0.

Минимальное сопротивление алюминиевой рамы в зависимости от длины терморазрыва d принимается по сплошной линии графика на рисунке 7.

soprotivlenie-teploperedache-ramy-aljuminievojРисунок 7 – Величины Rf для алюминиевой рамы с терморазрывом

Заштрихованная область на рисунке 7 выше сплошной линии соответствует величинам сопротивления теплопередаче рамы, полученным для различных алюминиевых окон при различных условиях в различных европейских странах. Поэтому верхнюю линию надо понимать как практический максимум сопротивления теплопередаче алюминиевых рам для заданных величин терморазрыва d.

Сопротивление теплопередаче поверхности рамы

Величины сопротивления теплопередаче внутренней и наружной поверхностей рамы вертикального окна по ISO 10077-1 принимаются:

  • Rsi = 0,13 м2·К/Вт (для внутренней поверхности рамы);
  • Rse = 0,04 м2·К/Вт (для наружной поверхности рамы).

Коэффициент теплопередачи алюминиевой рамы

При заданной длине терморазрыва d максимальная величина коэффициента теплопередачи алюминиевой рамы по формуле достигается при Ai = Aid и Ae = Aed (см. рисунок 6).

В этом случае

Uf = 1/ (0,13 + Rf + 0,04) = 1/(Rf + 0,17)

Алюминиевая рама без терморазрыва

Для алюминиевой рамы без терморазрыва принимается Rf = 0, что дает

Uf = 1/(0 + 0,17) = 5,9 Вт/м2·К

Алюминиевая рама с терморазрывом d = 19 мм

Для полиамидной термовставки 24 мм

1) Минимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по сплошной линии графика рисунка 7):

Rf = 0,18 м2·К/Вт

2) Максимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по пунктирной линии графика рисунка 7):

Rf = 0,30 м2·К/Вт

3) Максимальный (худший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 19 мм:

Uf = 1/(0,18 + 0,17) = 1/0,35 = 2,9 Вт/м2 К.

4) Минимальный (лучший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 19 мм:

Uf = 1/(0,30 + 0,17) = 1/0,47 = 2,1 Вт/м2 К.

Алюминиевая рама с терморазрывом d = 28 мм

Для термовставки 33 мм

1) Минимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по сплошной линии графика рисунка 7):

Rf = 0,22 м2·К/Вт

2) Максимальная величина сопротивления теплопередаче алюминиевой рамы (по пунктирной линии графика рисунка 7):

Rf = 0,35 м2·К/Вт

3) Максимальный (худший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 28 мм:

Uf = 1/(0,22 + 0,17) = 1/0,39 = 2,6 Вт/м2 К.

4) Минимальный (лучший) коэффициент теплопередачи рамы с d = 28 мм:

Uf = 1/(0,35 + 0,17) = 1/0,52 = 1,9 Вт/м2 К.

Опредление коэффициента теплопередачи алюминиевого окна по ISO 10077-1

На основании известного коэффициента теплопередачи алюминиевой рамы и известного коэффициента теплопередачи стеклопакета (таблица 1) по соответствующим таблицам производится определение минимального коэффициента теплопередачи всего окна.

Таблица 1 – Коэффициенты теплопередачи стеклопакетов (фрагмент)

tablica-steklopaketov

Стандарт ISO 10077-1 дает четыре таблицы для определения коэффициента теплопередачи окан в зависимости от отношения площади рамы к общей площади окна – 20 и 30 %, а также для различных типов спейсеров стеклопакетов – обычных и с улучшенными тепловыми характеристиками.

Таблица 2 – Коэффициенты теплопередачи окон с отношением площади рамы 20 % от общей площади окна (стеклопакеты с обычными спейсерами) — алюминиевые рамыkoefficient-teploperedachi-okna-20-procentov-ramy-iso-10077-1

Таблица 3 – Коэффициенты теплопередачи окон с отношением площади рамы 30 % от общей площади окна (стеклопакеты с обычными спейсерами) — рамы пластиковые и деревянные
koefficient-teploperedachi-okna-30-procentov-ramy-iso-10077-1

  1. Рамы деревянных окон имеют самый низкий коэффициент теплопередачи. При толщине рамы деревянной рамы 50 мм коэффициент теплопередачи рамы составляет около 2,0 Вт/м2·К. При увеличении толщины деревянной рамы до 100 мм коэффициент теплопередачи рамы снижается до 1,5 Вт/м2·К, а до 150 мм — до 1,0 Вт/м2·К.
  2. Лучшие алюминиевые окна способны обеспечивать коэффициент теплопередачи до 1,9 Вт/м2·К. «Худшие» трехкамерные металлопластиковые окна имеют раму с коэффициентом теплопередачи около 2,2 Вт/м2·К.
  3. Более высокая прочность алюминиевых сплавов по сравнению с пластиками и древесиной позволяет снижать ширину рамы окна. Доля площади рамы типичного алюминиевого окна составляет около 20 %, тогда как у пластиковых и деревянных окон — около 30 %.
    Поскольку коэффициент теплопередачи хорошего  стеклопакета всегда ниже, чем коэффициент теплопередачи любой рамы, то это дает алюминиевым окнам возможность конкурировать с окнами других типов, в первую очередь, с пластиковыми, по тепловой эффективности. Остается, правда, вопрос возможного выпадения конденсата на алюминиевой раме.