ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОКОН

Дерево: тепло, экологично, но хлопотно

На протяжении многих веков оконные рамы изготовлялись исключительно из дерева. Мы его любим за способность сохранять тепло и экологичность. Последнее достоинство довольно спорное. Дерево, материал природный, полезно не только человеку, но и другим живым организмам - бактериям, грибкам, древесным насекомым-вредителям и прочим биоагрессорам. Для борьбы с ними деревянные рамы обрабатывают, склеивают и окрашивают различными химическими составами, применение которых, увы, ставит его экологическую чистоту под сомнение.

Окна, которым сто лет.

Здание по проекту арх. П.Ф. Алешина постройки 1907-1909г.

СПб, ул. Марата, д. 72

Кроме того, древесина от повышенной влажности гниет, от пониженной - рассыхается, со временем теряет внешний вид. За ней нужен тщательный уход, как за нежным цветком. При соблюдении всех технологических процессов на производстве и во время монтажа, периодическом уходе окна из дерева одни из самых теплых и долговечных. Применение для производства окон ценных пород древесины существенно повышает долговечность и стоимость. В настоящее время не существует окон, эксплуатирующихся более ста лет, кроме деревянных.

Приведенное сопротивление теплопередаче (теплоизоляция) (R_np) окон из дерева со стеклопакетами может быть больше - 1,0 (м² °С/Вт), что значительно выше норматива в Санкт-Петербурге. Из дерева возможно изготовить окна по индивидуальному заказу, которые не получатся из других материалов, к примеру с художественной резьбой. Производители предлагают очень большое разнообразие конструкций, в том числе, окна с алюминиевыми накладками (комбинированные окна) снаружи значительно увеличивают срок эксплуатации, но не отменяют обслуживание. Обычно накладки крепятся с зазором через пластиковые фиксаторы, поэтому нет попадания прямых солнечных лучей и дождя, но есть воздействие влажности и температуры.

Наилучшую шумо- и теплоизоляцию имеют конструкции с двумя рамами остекления, которые могут быть спаренными или раздельными (скандинавские окна). Наиболее практичный вариант конструкции, когда наружная рама выполнена из алюминия с одинарным стеклом, а внутренняя из дерева со стеклопакетом.

Алюминий: прочно, но холодно

Окна из алюминия надежны в эксплуатации и долговечны. Этот материал в свое время занял небольшую рыночную нишу, и вполне приемлем для производственных, торговых, складских помещений. Он прочен, технологичен, неприхотлив, но как всякий металл, он теплопроводен и преспокойно уводит тепло из помещения: зимой окна с алюминиевым профилем промерзают. Эта проблема решается установкой в профиль «терморазрыва», или по-другому пластиковой вставки между алюминиевыми профилями, что существенно повышает стоимость. Чем шире «терморазрыв», тем лучше теплоизоляция и больше стоимость.

В высотном строительстве широко применяют окна из алюминия, что обусловлено высокой прочностью и сравнительно небольшим коэффициентом линейного расширения, отличающимся от стекла примерно в два с половиной раза. При этом на стоимость приходится внимания не обращать, единственная альтернатива окнам из алюминия для высоток это стеклопластик.

Таблица 1. Коэффициент линейного расширения

Коэффициент линейного расширения в алюминиевых конструкциях единственно может сказаться в фасадах при не внимательном проектировании и изготовлении, но это уже другая история, не относящаяся к окнам.

Очень интересны комбинированные окна из алюминия, которые со стороны помещения облицованы деревом. Получаются достоинства алюминия вид и фактур дерева.

Как известно алюминий отличный электропроводник и при малейшем повреждении краски вблизи стального анкера образует с ним гальваническую пару. Возникает электрохимическая коррозия, которая разрушает конструкцию и резко сокращает срок ее службы. Так что долговечность алюминиевого профиля не бесспорна. Во избежание коррозии следует надежно изолировать места крепления окна, иначе придется следить за покрытием профиля - периодически зачищать и подкрашивать при этом не известно, что будет происходить внутри не окрашенного профиля. Кстати, кто сказал, что алюминиевые окна не требуют ухода?!

Металлопластик, ПВХ:
дешево купить, дорого владеть

Поливинилхлорид (ПВХ) относится к старейшим искусственным материалам. Впервые поливинилхлорид был получен в лабораторных условиях в 1835 году французским горным инженером и химиком Анри Виктором Реньо.

В середине XX века пластиковые оконные профили стали активно теснить деревянные и алюминиевые. Сегодня, окна из поливинилхлоридных (ПВХ) профилей занимают свыше 60% рынка. В перспективе их доля должна серьезно уменьшиться. По причинам, изложенным ниже.

Основное достоинство ПВХ кроется в его химической и биологической инертности и дешевизне. Этот полимер не гниет, не плесневеет, не коррозирует, не рассыхается, не набухает и т.п. Однако его физико-механические свойства весьма скромны. Прочность настолько низкая, что оконный профиль приходится армировать сталью, отчего падает его теплоизоляционная способность.

ПВХ-профили получают методом экструзии - непрерывного выдавливания размягченного материала через отверстие определенного сечения, определяемого типом фильеры (детали машины для формования химических волокон в виде колпачка или пластины) при температуре 80-120 °С.

По своему химической природе поливинилхлорид относится к группе термопластов, для которых характерно быстрое снижение механических свойств при повышении температуры, обусловленное линейным строением молекул полимера и их малой связью друг с другом, снижающейся при нагревании. Такое строение обуславливает сильную зависимость свойств поливинилхлорида от температуры.

В России, с приходом на рынок фирм-производителей ПВХ профилей для окон, была разработана методика искусственного старения и испытаны профили разных фирм, каждая фирма получает соответствующий сертификат. Испытания доводят до 40 условных лет эксплуатации в умеренном климате. Механические качества профилей остаются при этом в пределах норм. Но испытания профиля - это не испытания окна.

На сколько лет вы покупаете окна?

В головах у всех, кто имеет отношение к оконному рынку, прочно засела цифра «40», понимаемая иногда по-разному (от «условных лет эксплуатации» до «гарантийного срока на пластиковый профиль»), но находящая однозначное выражение во фразе менеджера по продажам: «Ваши окна прослужат не менее 40 лет». Происходит подмена понятий, испытания поливинилхлоридного профиля на старение без нагрузки представляют как долговечность металлопластиковых окон.

В журнале «Светопрозрачные конструкции» № 2 за 2009 год была опубликована статья: «О долговечности окон». В которой, как и положено, в научной статье, с соответствующими ссылками, подробно описано, что в наших ГОСТ нет ни методик испытаний окна из ПВХ профилей, а как единой конструкции, ни обязанности это делать производителю. Ниже приведены выдержки из статьи.

«Очень часто понятие стойкости материала к тем или иным воздействиям подменяется понятием долговечности. Тем самым методически неправильно объединяются в одно понятие стойкость собственно материла (его образцов) в определенных стандартных условиях и долговечность конструкции, изготовленной с применением этого материала, при внешних воздействиях на него.»

«Все бы неплохо, но в ГОСТ 30673-99 отсутствует упоминание об эксплуатационных свойствах ПВХ профиля, вероятно, потому, что сами по себе ПВХ профили не эксплуатируются?»

«Особенность вышеперечисленных нормативных документов состоит в том, что методически материалы, детали и узлы из них в ходе испытаний находятся в ненапряженном состоянии, то есть не испытывают всего комплекса эксплуатационных воздействий, как того требует ГОСТ 27.002-89. Поэтому в этом случае показатели будут определять не долговечность, а просто стойкость к старению.»

«Любопытно, что в случае оконных блоков деревянных со стеклопакетами (ГОСТ 24700-99) о долговечности деревянных брусков-профилей речь не идет.»

ВЛ. Миков, кф.-м.н., ведущий специалист НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»,

А.Ю. Куренкова, директор НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»

Поливинилхлорид имеет очень высокий коэффициент температурного(линейного) расширения, равный 80×10^-6 [1/°С]. Для сравнения: эта величина для стали и бетона составляет порядка 10×10^-6 [1/°С], а для стекла 8,5×10^-6 [1/°С]. Таким образом, ПВХ имеет коэффициент в 10 раз больший по сравнению со стеклом и с материалом примыкающих к окну наружных стен. Такое соотношение величин приводит к тому, что температурные деформации, а соответственно, и напряжения в профиле, остеклении и примыкающих к окну конструкциях, резко отличаются по величине. Эта особенность, в сочетании с низким модулем упругости ПВХ практически полностью определяет долговечность и эксплуатационные характеристики металлопластиковых окон по сравнению с окнами из других материалов - дерева, алюминия и стеклопластика.

«...длина двухметрового отрезка профиля может колебаться в пределах одного сантиметра (9,6 мм) при изменении температуры поверхности от +40 до -20 °С»

«Справочник монтажника», том 1, авторы: В.Л. Миков, А.Ю. Безруков.

В странах с умеренным климатом (Германия, Франция, Англия) долговечность окон из ПВХ достигает 40 лет. В скандинавских странах, близких нам по климатическим условиям окна из металлопластика практически не встречаются. Почти во всех западных странах включая США и Канаду, существуют жесткие ограничения по применению окон, ограничиваются размеры окон, цвет профилей, этажность.

Таблица 2. Характеристики материалов применяемых в производстве окон

Для наших условий эксплуатации не рекомендуется устанавливать окна из ПВХ размером более 1,4×1,4 метра и выше 4-го этажа, тем более на открытой местности. При этом реальная долговечность составит 10-15 лет.

Эксплуатация пластиковых окон.

Эксплуатация пластиковых окон в странах с суровым континентальным климатом, к числу которых относится и Россия, связана с определенными техническими ограничениями, обусловленными физико-механическими свойствами поливинилхлорида.

Набор необходимых свойств определяется в соответствии с характером напряжений, возникающих в окне под воздействием эксплуатационных и технологических нагрузок. ПВХ - профили при эксплуатации в окне испытывают нагрузки на растяжение, сжатие и удар. Все это происходит под воздействием изменяющейся температуры, ультрафиолета и других атмосферных факторов. Поэтому для поливинилхлорида важны и такие показатели, как температура размягчения, коэффициент линейного расширения и цветоустойчивость. Все эти воздействия и свойства материала следует рассматривать вместе как влияющие в совокупности на эксплуатацию и долговечность окна.

Таблица 3. Модуль упругости различных материалов

При понижении температуры модуль упругости ПВХ повышается, а следовательно, растут и его прочностные характеристики на растяжение, сжатие и изгиб. Однако, при этом увеличивается его хрупкость (падает ударная вязкость). При понижении температуры ПВХ с 23 до 0 °С, его ударная вязкость падает вдвое. Не случайно оконные фирмы, имеющие достаточный опыт работы, приостанавливают монтажи окон из ПВХ в зимнее время при температуре наружного воздуха ниже -10÷15 °С, когда риск хрупкого разрушения ПВХ при механическом воздействии велик. При температуре ниже -20 °С следует оберегать окно от ударных воздействий, которые могут возникнуть, в том числе от ветра при открытой створке.

Физические характеристики поливинилхлорида с различной стабилизацией

С повышением температуры поливинилхлорид постепенно размягчается - его относительное удлинение при разрыве увеличивается, прочность на сжатие и изгиб падает. В зоне температур от +10 °С до +40 °С механические характеристики уменьшаются очень незначительно, и в большинстве случаев этими изменениями можно пренебречь.

Резкое падение прочностных свойств ПВХ начинается выше температуры +40 °С, а вблизи t = +80 °С находится его точка размягчения. Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение ПВХ-окон недопустимо в помещениях с повышенными тепловыделениями. Категорически не рекомендуется устанавливать ПВХ окна, окрашенные в темные тона в силу того что, поверхность профиля может нагреться до 80 °С под воздействием прямых солнечных лучей при температуре атмосферного воздуха более 30 °С. Во избежание застаивания в профилях горячего воздуха, производители окон проводят «конструктивные мероприятия» по вентиляции наружных камер, т.е. сверлятся отверстия в профиле для вентиляции снизу и сверху, которые зимой уменьшают теплоизоляцию окон.

В статье, опубликованной в журнале «Светопрозрачные конструкции» № 3 за 2008 год, Павел Коротин, управляющий партнер группы компаний «Добрые Окна» пишет:

«К сожалению, следует отметить, что в настоящее время не существует публикаций, описывающих реальное деформационное поведение оконного блока (с учетом температурных расширений, наличия армирования, неравномерности прогрева и неподвижности точек крепления)»

Попробуем рассмотреть, что происходит с окном в процессе эксплуатации. Естественно с изменением времени года меняется и температура атмосферного воздуха, «вступает в свои права» коэффициент температурного расширения. Зимой наружная стенка профиля стремится сжаться, летом удлиниться, сторона профиля находящаяся в помещении не изменяет своих размеров. (Рис. Термические деформации ПВХ профилей) Поэтому профиль изгибается тем больше, чем больше разница температур между помещением и улицей. Рама деформируется меньше, ее держат крепления окна к стене, а створка окна имеет большую степень свободы, поэтому возникают щели между профилями.

Термические деформации ПВХ профилей

Термические деформации ПВХ оконного блока при закреплении в проеме

а) схема крепления оконного блока (А=700 мм; Е=100-150мм)

б) деформирование летом

в) деформирование зимой

Кроме этого происходит деформация оконного блока и в другой плоскости. (Рис. Термические деформации ПВХ оконного блока при закреплении в проеме). С учетом принятой в Германии схемы крепления оконного блока в проеме его термическое деформирование показано на рис. б), в). Данные деформации существенно влияют на закрепленный стеклопакет в створке, что приводит к провисанию оной и необходимости приподнимать ее при закрывании или переставлять стеклопакет и естественно регулировать фурнитуру. Так же происходит деформация, сжатие и разрушение не эластичной полиуретановой пены монтажного зазора между окном и стеной. Во избежание накопления и замерзания затекающей в щели воды, производители окон проводят «конструктивные мероприятия» по отводу влаги из окна, т е сверлятся отверстия в профиле снизу, которые влияют на теплоизоляцию окон.

Производители ПВХ профилей борются за улучшение теплоизоляции окон увеличением количества камер и толщины профиля, но его приходится армировать для повышения прочности, что понижает теплоизоляцию. Об этом же говорит д.т.н., профессор В. Миллер, технический директор фирмы Gealan Fenster Systeme GmbH.:»... помимо соответствующего приведенного сопротивления теплопередаче профиль должен обладать и необходимой механической стабильностью. Последнее почти целиком обеспечивается стальным усилителем профиля, который, в свою очередь, существенно снижает приведенное сопротивление теплопередаче профиля в целом» (Стройпрофиль. 2007, № 2 (56). С. 96-98).

В статье сотрудника ЗАО «Профайн РУС» В.А. Калабина «Тонкости проектирования ПВХ конструкций (СК/СБ. 2004. № 2. С. 42-45) рассматривались проблемы ПВХ оконных блоков, обусловившие необходимость использования в них армирующих усилителей. И как совершенно справедливо отмечается в этой статье, главный компромисс при проектировании светопрозрачных конструкций из ПВХ профилей заключается в правильном выборе противоречащих друг другу характеристик: теплозащите и прочности (жесткости).

При выборе окон из ПВХ профилей следует обратить внимание не только на само окно, но и на монтаж от которого зависит значительная часть комфорта от эксплуатации.

Выводы:

Категорически не рекомендуется устанавливать ПВХ окна, окрашенные в темные тона.

При температуре ниже минус 20 °С следует оберегать окно от ударных воздействий, которые могут возникнуть, в том числе от ветра при открытой створке.

Для наших условий эксплуатации не рекомендуется устанавливать окна из ПВХ размером более 1,4×1,4 метра и выше 4-го этажа тем более на открытой местности.

Реальная долговечность окон из ПВХ профилей для наших климатических условий, составляет 10- 15 лет.

Окна из стеклопластика

В середине прошлого века в СССР провели исследование, показавшее, что лучшим материалом для изготовления оконных рам является стекло-композит (стеклопластик). На Саратовском заводе технического стекла было освоено производство. Для изготовления оконных профилей использовали стеклохолст и связующее, представлявшее собой смесь жидкого бакелита, олеиновой кислоты и красителя. Стеклохолст после пропитки связующим подсушивали при температуре 100-120 °С, а затем разрезали на заготовки, из которых впоследствии изготавливали переплеты. Переплеты изготавливались в пресс-формах при 135 °С с выдержкой в течение 40-50 мин под давлением.

Данная технология отличалась большими затратами и произведенные окна высокой себестоимостью, но при этом повышенной теплоизоляцией, неприхотливостью в эксплуатации и непревзойденной долговечностью.

Современные оконные профили из стеклопластика, получают методом пултрузии - протягивания через нагретую фильеру стекловолоконного материала, пропитанного термореактивной смолой. На выходе из фильеры получается готовое изделие - профиль. Впоследствии на профиль может наносится окрасочное покрытие.

В настоящее время стеклокомпозитные профили используют для изготовления окон, фасадов, зимних садов и других светопрозрачных конструкций.

Применение в светопрозрачных конструкциях стек- лопластиковых профилей позволило соединить достоинства, исключив недостатки. Коэффициент линейного расширения стеклокомпозита близок к стеклу (составляет 11...13×10⁶ 1/°С), что положительно влияет на такие характеристики окон как звукоизоляция, воздухо- и водопроницаемость (не образуются щели) и не зависят от климатических условий, сохраняются неизменными и зимой и летом, не требуют сезонной регулировки фурнитуры.

Благодаря армирующему эффекту стекловолокна стек-локомпозиты отличаются очень высокой прочностью (порядка 410-1180×10⁶ Н/м² при сжатии и 690 - 1240×10⁶ Н/м² при изгибе) профиль не нуждается в дополнительном армировании металлом, уменьшающем теплоизоляцию, в отличие от поливинилхлорида. Низкая теплопроводность стеклопластика (λ = 0,3 - 0,35 Вт/м °С) и заполнение внутренней полости профиля теплоизоляционным материалом позволяет получить лучшее сопротивление теплопередаче при равной глубине профиля.

Окна из стеклопластика стабильно эксплуатируются в любых климатических условиях в силу свойств материала профиля. Стеклокомпозит без изменения характеристик выдерживает воздействие температуры от минус 70 до плюс 170°С. При этом имеет повышенную устойчивость к агрессивным средам, что позволяет применять в зданиях со специальными требованиями (в промышленных с агрессивной воздушной средой и интенсивными тепловыделениями), где не могут быть установлены окна из алюминия, дерева и ПВХ.

Стеклопластик исключительно долговечен, и по сравнению с такими материалами, как дерево, ПВХ, сталь и алюминий, не требует ремонта, не гниет, не ржавеет, устойчив к ультрафиолетовым лучам. Совокупность характеристик стеклокомпозита делает его, наиболее подходящего для изготовления окон и других светопрозрачных конструкций.

Миронов А.Ф.

Генеральный директор компании «BEZET»

Журнал «Ценообразование и сметное нормирование в строительстве», ноябрь 2009 г. № 11