Новые оконные технологии в строительстве

Александр Владимирович Спиридонов,

Президент Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК)
Международная конференция «ОКНА И ФАСАДЫ: ПРОЗРАЧНЫЙ МИР»
(доклад)

Оконная индустрия развивается очень быстрыми темпами в последние годы. За 15 лет – с тех пор, как в России появились современные светопрозрачные конструкции – их производство выросло с 0 до почти 20 миллионов квадратных метров в год. Темпы роста производства окон, фасадных конструкций и дверей в России уступают лишь тем, что наблюдаются в Китае. В России используются все современные технологии, которые применяются в основных развитых странах. Однако, в последнее время внедрение новых достижений в производство несколько замедлилось в нашей стране.

В области производства светопрозрачных конструкций в прошлом веке было отмечено 2 революционных периода. 1-й – 50-е годы, когда были разработаны и начали активно использоваться стеклопакеты и начато производство наиболее демократичного профиля из поливинилхлорида (ПВХ профили).
2-й – конец 70-х годов, когда началось полномасштабное производство стекол с теплоотражающими покрытиями, что позволило значительно улучшить теплотехнические характеристики светопрозрачных конструкций.

До начала 21-го века все развитие оконной индустрии было основано на использовании результатов этих двух периодов. Однако, следует констатировать, что мы, вероятно, исчерпали возможности улучшения светопрозрачных конструкций только на основе идей, заложенных во второй половине прошлого века. На наш взгляд мы находимся на пороге третьей революции в оконной индустрии. Результатом её будет то, что окна станут не источником теплопотерь из помещения, а, наоборот, источником дополнительной энергии, что позволит более активно строить новое поколение зданий – во всём мире их называют «интеллектуальными зданиями».

Основными критериями подобных «умных домов» должно быть:

• «нулевое» потребление энергии;
• адекватное реагирование на изменение внешних воздействий на здание;
• обеспечение возможности автоматического регулирования условий в помещениях в зависимости от требований;
• жильцов или работающих;
• Нет сомнений в том, что при создании подобных зданий окна призваны быть одним из основных энергосберегающих элементов.

Следует отметить, что, если придерживаться «коммунистической» терминологии, некоторые признаки революционной ситуации уже налицо. Ряд разработок последних лет позволяют представить, какое же окно мы получим в результате. Именно на эти признаки мы и хотим обратить внимание.

1. Стёкла

В последние годы области использования стекла постоянно расширяются. Помимо того, что оно применяется в качестве светопропускающего элемента светопрозрачных конструкций, к стеклу стали предъявляться и дополнительные требования. В частности:

• взрывобезопасность;
• прочность;
• возможность использования в качестве несущих конструкций;
• возможность 3-D исполнения;
• использование стекла максимального размера и больших (до 20 мм) толщин.
• Необходимо инициировать разработку нормативных документов, направленных на расширенное использование
• упрочненных, закалённых стёкол, а также плёночных материалов, применяемых для защиты стёкол.

2. Покрытия

Как известно, первые теплоотражающие покрытия на большеформатные стёкла были представлены на рынок в конце 70-х годов прошлого века. Их стали активно разрабатывать после энергетического кризиса 1973г. Перевод военных технологий (составы и технологии нанесения таких покрытий были разработаны существенно раньше для лобовых стекол истребителей и иллюминаторов космических аппаратов) для использования в строительстве потребовал значительных усилий специалистов в Европе и США. Первые стёкла были очень дорогими – до 80 долларов за 1 кв.м. Теперь же более 70% всех новых окон оборудуются стеклопакетами с теплоотражающими стеклами, а стоимость напыления упала до 1 доллара за 1 кв.м.

Характеристики теплоотражающих покрытий за последние 20 лет также были значительно усовершенствованы. Сегодня не проблема найти стёкла с коэффициентом эмиссии 0.01-0.02. Однако, это уже предел возможностей по улучшению характеристик подобных стёкол.

В течение 90-х годов многие лаборатории во многих странах были заняты разработкой покрытий стёкол, позволяющих за счёт изменения прикладываемого к ним напряжения регулировать светопропускающие свойства остекления. Года 4 назад были получены первые промышленные образцы таких стёкол. На сегодняшний день увеличены размеры подобных стёкол (до 1.6 х 2.3 м), проведены ресурсные испытания (на сегодняшний день более 100 000 включений/отключений), снижена цена на такие стёкла (цена очень зависит от фирмы-производителя). Применение электрохромных стёкол в южных регионах нашей страны, на фасадах, облучаемых солнцем, приведёт к значительной (до 25%) экономии энергии на освещение и охлаждение помещений. Такие стёкла в последний год стали появляться и на российском рынке. Некоторые фирмы (например, ДПИ-Дорма) предлагают аналогичные плёнки, наносимые на стекло. К сожалению, стоимость этих плёночных материалов пока ещё очень высока (до 600 евро за 1 кв.м). По аналогии с тем, что произошло с теплоотражающими покрытиями, следует ожидать значительного снижения стоимости электрохромных стёкол и плёнок.

4 года назад фирма Pilkington представила новый вид стекла – самоочищающиеся стёкла, которым была присвоена торговая марка Active. За прошедшие годы и другие крупнейшие стекольные фирмы разработали аналогичные материалы. Необходимость подобных стёкол была давно очевидна, особенно в связи со строительством во всём мире значительного числа высотных зданий, очистка остекления которых представляет определённую сложность.

До последнего времени представляла проблему закалка стёкол с мягким теплоотражающим покрытием – существовавшие покрытия не выдерживали тепловой обработки и разрушались. В связи с этим, для использования в составе стеклопакетов в качестве теплоотражающих закалённых стёкол использовали т.н. К-стёкла, что несколько снижало теплотехнические характеристики конструкций. Пару лет назад ряд ведущих фирм (Европейский Союз, США) представили на рынок новое поколение стёкол с мягкими теплоотражающими покрытиями, характеристики которых не ухудшаются после процесса закаливания стекла. Использование подобных стёкол в составе остекления высотных зданий позволяет существенно улучшить теплотехнические характеристики светопрозрачных конструкций, обеспечивая необходимые свойства по безопасности остекления.

Одной из основных идей, которые будоражили научную общественность, начиная с конца 70-х годов прошлого века, было желание использовать фасады зданий, облучаемые прямыми солнечными лучами, для получения электроэнергии. Действительно, в современных зданиях и проектах светопрозрачные конструкции занимают от 25 до 100% площади фасадов. Обеспечить использование непрозрачных частей фасадов удалось в середине 80-х годов. Были разработаны эффективные солнечные коллекторы и солнечные элементы. Только 2-3 года назад в Японии и США были представлены новые светопрозрачные покрытия, обладающие как теплоотражающими свойствами, так и возможностью преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Конечно, сегодня эффективность подобных покрытий составляет не более 10%, однако, по некоторым сведениям, к.п.д. последних разработок приближаются к 25%.

В России было значительное число оборонных институтов, которые имели опыт разработки различных специальных покрытий стёкол, включая и теплоотражающие. В начале 90-х годов некоторые из них пытались перевести уникальные разработки на промышленную основу с целью использования в светопрозрачных конструкциях. К сожалению, из-за отсутствия нормальной стратегии и достаточного финансирования ни одна из этих попыток, по нашим сведениям, не привела к успеху. Это очень прискорбно, т.к. среди этих идей было много необычайно интересных и перспективных.

3. Стеклопакеты

После начала массового производства стеклопакетов в 1950-х годах их основная идея практически не изменилась – два или три стекла, дистанционная рамка, один или (как правило) два слоя герметизации. Да, появились теплоотражающие стёкла, газонаполнение стеклопакетов (в основном – аргоном), но ничего особо нового в их производстве основные фирмы не используют. А зря!

В 90-е годы прошлого века были предложены 2 блестящие идеи, которые позволяют производить светопрозрачные конструкции, практически не отличающиеся по своим теплотехническим характеристикам от непрозрачных ограждающих конструкций (стен).

Первая из них, получившая название и торговую марку 'heat mirror' (тепловое зеркало), была предложена фирмой South Wall Technology (США). Это двухкамерный стеклопакет, в котором в качестве среднего стекла установлена специальная плёнка с одним или двумя теплоотражающими покрытиями. Результаты испытаний показывают, что некоторые варианты таких стеклопакетов имеют сопротивление теплопередаче по центру стеклопакета не менее 2.0 кв.м град/Вт.
В России были попытки создания аналогичных изделий (фирма «Квадропак», середина 90-х годов), однако, результат получен не был. В настоящее время по лицензиям американской фирмы в РФ работают не менее 4 фирм (Калининград, Красноярск, Москва, Санкт-Петербург), выпускающих стеклопакеты типа 'heat mirror'.

Вторая – разработанный австралийскими специалистами вакуумный стеклопакет. Не секрет, что после начала использования в стеклопакетах стёкол с теплоотражающими покрытиями, основным источником теплопотерь стала их конвекционная составляющая. За счет вакуумирования межстекольного пространства можно уменьшить эту часть теплопотерь фактически до нуля. К сожалению, технология производства вакуумных стеклопакетов достаточно сложна, поэтому сегодня только 2 фирмы (Япония и Китай) производят их в промышленных объёмах. В России имеется полукустарное производство вакуумных стеклопакетов, однако, имеются все предпосылки для того, чтобы в 2005 году было организовано серьёзное их производство с иностранным участием.

Ещё одной технологической новинкой в этой области стала разработка стеклопакетов с электрообогревом. Это стало возможным после появления стекла с электропроводящим твёрдым покрытием. Для климатических условий России такие конструкции следует применять не только в покрытиях атриумов и зимних садов. Они необычайно эффективны и в вертикальных светопроёмах для исключения конденсата и эффекта «холодного сквозняка» от стеклянных поверхностей. До последнего времени такие стеклопакеты поставлялись из-за рубежа по сумасшедшей цене, однако, и в России стали производить такие конструкции (Мосавтостекло, Стройтрест) и по вполне вменяемой цене.

Уже упомянутая фирма «Стройтрест» (Санкт-Петербург) освоила производство охранных стеклопакетов (включённых в систему охраны зданий и срабатывающих при попытке проникновения в помещения), стеклопакетов, обеспечивающих защиту информации, а также стеклопакетов с обеззараживающим эффектом (аналог – «люстра Чижевского»). Подобные конструкции не имеют аналогов за рубежом и, наверняка, будут использованы в интеллектуальных зданиях.

До последнего времени в качестве заполнения межстекольного пространства стеклопакетов использовался аргон. Это было связано с тем, что стоимость других инертных газов (криптон, ксенон) казалась очень высокой для применения в строительстве. Однако, исследования проведённые фирмой «Неоэнергия», производящей более 30% от общего объема криптона, выпускаемого в мире, показали экономическую эффективность использования в стеклопакетах как чистого криптона, так и смесей аргон-криптон и криптон-ксенон.

4. «Тёплый край»

После того, как широко стали применяться современные стекла с теплоотражающими покрытиями, которые обеспечивают сопротивление передаче по центру остекления в районе 0.65-0.75 кв.м град./Вт, наиболее «узким» местом в производстве стеклопакетов стала т.н. «краевая зона» – зона герметизации и примерно 65 мм от края стекла, где наблюдаются наибольшие теплопотери. Откровенно говоря, использование наиболее распространённых алюминиевых дистанционных рамок в сочетании с теплоотражающим стеклом на сегодняшний день не оправданно. Как показывают многочисленные расчёты и испытания, все проблемы, связанные с образованием конденсата и льда в краевых частях стеклопакетов (как и большая часть претензий заказчиков) проистекают именно из-за недостаточных теплотехнических характеристик алюминиевых дистанционных рамок. В последние годы на рынке появилось довольно много новых продуктов – Thermix, Swiggle Strip, Thermo Plastic Spacer, Super Spacer, PVC Spacer и ряд других, которые призваны повысить температуру на внутренней поверхности стекла для исключения негативных явлений. Это направление разработок приобретает все больший размах. Большая часть перечисленных выше материалов присутствует и на российском рынке. Более того, некоторые из них стали производиться в России, например, фирма БФК (Новосибирск) освоила в 2004 году производство качественных дистанционных рамок из ПВХ профиля.

5. Композиционные материалы

После того, как стало очевидным, что с помощью современных технологий нет никаких проблем изготовить стеклопакеты с характеристиками, приближающимися к характеристикам стен, основной проблемой стало доведение теплотехнических характеристик рам до тех же значений. Согласитесь, глупо использовать относительно старые профильные системы совместно с современными стеклопакетами. Это как в «Запорожец» устанавливать движок от «Мерседеса». В соответствии с ГОСТ 23166-99 «Блоки оконные. Общие технические условия» различия в характеристиках различных элементов окон не должно превышать 25%. (В скобках следует отметить, что если бы этот стандарт применялся неукоснительно, никаких двухкамерных стеклопакетов с обычными стёклами в рамных элементах из стандартного ПВХ профиля использовать было бы невозможно!).

Развитие профильных систем происходит постоянно– в связи с конкуренцией между фирмами, в связи с новыми разработками и идеями, и т.д. и т.п. Однако, внедрение 5-6 камерной ПВХ системы вместо 3-х камерной не является революционным шагом в улучшении теплотехнических характеристик окон. Да, конечно, это даёт повышение сопротивления теплопередаче, но улучшение на 10-15% не являются предметом настоящего сообщения. Мы хотим рассказать о тех разработках, которые позволяют сделать «широкие шаги» в оконной индустрии.

Одним из таких шагов стала разработка американских фирм Andersen и Aspen (г.Миннеаполис). Фирма Andersen является крупнейшим в мире производителем деревянных окон в мире – страшно сказать, но в 2003 г. она произвела более 5.5 миллионов штук окон. Можно представить себе и количество отходов, которые было необходимо утилизировать. Руководство этой фирмы в середине 90-х годов привлекло исследовательскую фирму Aspen для создания абсолютно нового продукта – профиля из смеси отходов от производства деревянных и пластиковых окон. При этом были поставлены следующие задачи:

• экструдирование профиля должно осуществляться на стандартных экструдерах;
• для изготовления окон должно использоваться стандартное оборудование для производства ПВХ окон;
• характеристики нового профиля должны быть лучше и деревянных, и ПВХ профилей.

В НИОКР было вложено более 50 млн.долларов США. В настоящее время производится более 100 000 кв.м окон из материала, получившего торговую марку Fibrex. Все поставленные перед разработчиками задачи были выполнены. Следует также отметить, что подобные разработки имеются и в Европе, и в России.

Самыми «проблемными» профилями являются, конечно, алюминиевые. Многие фирмы-разработчики систем алюминиевых профилей в середине 90-х годов начали разработки принципиально новых конструкций, удовлетворяющих новому стандарту 1.0 Европейского Союза. Большинство солидных фирм: Shueco, Reynaers, Hueck и др. разработали новые варианты систем. Однако, это был не «широкий шаг». Параллельно эти же фирмы, а также много других начали думать об абсолютно новых системах. Однако, следует отметить, что даже для таких неэффективных с точки зрения теплотехники материалов как алюминий и сталь, возможно обеспечить очень высокие теплотехнические характеристики.

Состязание между фирмами, производящими ПВХ, алюминиевые, стекловолоконные и другие профили принимает форму «больших гонок». Что появится в ближайшее время на рынке – будет большим сюрпризом даже для нас!

6. Изделия и фасады «полной заводской готовности»

Столкнувшись с проблемами некачественного монтажа своих конструкций, ведущие фирмы-разработчики профилей (в основном, алюминиевых) разработали новые системы, представляющие собой крупные блоки фасадов – размеры таких конструкций до 5 х 5 м. Применение элементов фасадов «полной заводской готовности» позволяет значительно снизить сроки монтажа, а также повысит качество светопрозрачных конструкций. Кроме того, подобные конструкции способны производить только серьёзные фирмы, имеющие квалифицированных специалистов в конструкторских отделах. Это даёт дополнительные гарантии заказчикам. К сожалению, эти конструкции сегодня несколько дороже, чем традиционные фасадные системы. Следует ожидать, по-нашему мнению, снижения стоимости фасадов «полной заводской готовности».

7. Новые фасадные системы

За последние пять в строительной индустрии появились новые разработки, направленные на повышение теплозащитных качеств фасадных конструкций, улучшение их эксплуатационных качеств, а также улучшающие внешний вид зданий. Среди этих разработок следует отметить т.н. «двойные фасады» (в дословном переводе с английского – «двойная кожа»), планарные фасады и ряд других разработок.

Ряд этих разработок, например, двойные фасады – могут быть очень полезными для нашей страны с её резкоконтинентальным климатом. Так, использование подобных фасадов позволит значительно повысить теплотехнические характеристики ограждающих конструкций, а также улучшить внешний вид зданий старой советской застройки. Использование «двойных фасадов» позволяет примерно в 1.3 – 1.5 раза повысить сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций.

В этом году в Москве и Московской области предполагается начать строительство нескольких подобных зданий. Насколько нам известно, аналогичные технологии рассматриваются и для использования при реконструкции жилых и общественных зданий.

8. Вентиляционные системы

Одной из проблем, с которыми столкнулись заказчики современных окон, стала неудовлетворительная вентиляция помещений. С этим сталкивались все страны, где внедрялись новые более герметичные светопрозрачные конструкции. В США даже появилась новая профессия – «адвокаты по плесени». Еще более неприятным это было в нашей стране в связи с тем, что в пору индустриального домостроения (50-90-е годы прошлого века), когда в зданиях устанавливались некачественные деревянные окна старой конструкции типа ОС и ОР, считалось, что вентиляция помещений будет осуществляться через неплотности окон. Принудительная система вентиляции не была предусмотрена в принципе. Только на кухнях и в санитарных кабинах были некоторые выходы на естественную вентиляцию, которые, в большинстве случаев, практически не работают.

Оконные фирмы откликнулись на создавшуюся проблему. В 90-х годах появилось довольно много вентиляционных устройств, встраиваемых в окна. К сожалению, значительная часть из них неприменима в российских климатических условиях – промерзают и отказываются работать.

Абсолютно очевидно, что без систем вентиляции при установке современных окон нельзя обойтись, как в реконструируемых, так и во вновь строящихся зданиях. Вызывает только сомнение, что встроенные в окна вентиляционные клапаны – а именно они и предлагаются в основном на нашем рынке – способны обеспечить требуемый воздухообмен в большинстве помещений. Во многих странах наряду с оконными вентиляционными устройствами предлагают и клапаны, устанавливаемые в стены. Этот вариант обеспечения комфортных условий в помещениях представляется более перспективным для российских климатических условий. Как и оконные вентиляционные клапаны, эти устройства также могут быть саморегулируемыми, что позволяет предположить значительное распространение их в новом строительстве и реконструкции.

Автор статьи
Александр Владимирович Спиридонов
Президент Ассоциации производителей энергоэффективных окон (АПРОК)

Источник: АПРОК