Influence of temperature effects on polyvinyl chloride window profiles
Influence of temperature effects on polyvinyl chloride window profiles
Abstract
The study evaluated the structural performance of a window unit made of polyvinyl chloride profiles with an installation width of 58 mm.
Data analysis shows that in the cities of the Siberian Federal District, such as Krasnoyarsk and Norilsk, harsh climatic conditions prevail, where temperatures during the cold period can fall below minus 30°C. These conditions are a significant load on all building envelopes, including window blocks made of polyvinyl chloride profiles.
The carried out numerical modelling of the enclosing structure shows that the impact of temperatures of the cold period of the year on the profile of the window block made of polyvinylchloride with an assembly width of 58 mm from the outside and positive air temperature inside the room leads to the formation of deflection.
When prolonged, this defect has the impact of increasing the amount of heat loss due to disorganized infiltration through windows.
1. Введение
Окно – это ограждающая светопрозрачная конструкция, основными функциями которой является связывание внутренних помещений здания с окружающим пространством, обеспечение естественного освещения и вентиляции помещений, а также защита от внешних воздействий.
Согласно действующему федеральному закону об энергосбережении
, окна должны способствовать сохранению энергетических ресурсов, так как количество тепловых потерь через данный вид ограждающих конструкций составляет до 35%. Причиной являются неисправности рамочных элементов старых окон в результате многолетней эксплуатации.Для сокращения тепловых потерь через окна повсеместно реализуются программы по замене окон старого типа с деревянными рамами и стеклянным полотном на современные оконные блоки с профильными системами.
2. Материалы и методы
Сибирский Федеральный округ РФ характерен жесткими климатическими условиями. На территории Сибири находятся районы, имеющие официальный статус районов Крайнего Севера, а также приравненные к ним местности с суровыми климатическими условиями. В районах Восточной и Центральной Сибири преобладают продолжительные холодные зимы.
Одним из самых протяженных по территории регионов Сибирского федерального округа является Красноярский край. Площадь субъекта составляет 2 366 797 км2, что соответствует второму по площади региону РФ. При этом на территории Красноярского края выделяют арктический, субарктический и умеренный климатические пояса. Для исследования выбраны 2 города Красноярского края – г. Красноярск и г. Норильск, в качестве примеров умеренного и субарктического климатических поясов.
Согласно своду правил
, продолжительность отопительного периода для г. Красноярск составляет 234 дня, температура воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 составляет -37°С. Для г. Норильск продолжительность отопительного периода составляет 296 дней, температура воздуха наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 составляет -47°С.В результате обработки данных
определено, что наиболее холодным месяцем является январь. Наибольшая температура за холодный период 2023 года: для г. Красноярск +1°С, для г. Норильск -4,4°С; наименьшая температура за холодный период 2023 года: для г. Красноярск -43°С, для г. Норильск -50,1°С.В летний период наиболее теплым месяцем является июль. Наибольшая температура за теплый период 2023 года: для г. Красноярск +35,6°С, для г. Норильск +28,9°С
.Важным условием комфортного пребывания в зданиях является температурный режим. Согласно нормативной документации
, температура в помещениях с постоянным пребыванием людей должна находиться в диапазоне 18-24 (26)оС.Процессы термического расширения при этом снаружи уменьшают размеры оконного профиля, а внутри увеличивают. Итогом разных температурных процессов является температурный изгиб оконного профиля. Стоит отметить, чем больше разность температур, тем больше изгиб оконного ПВХ профиля.
Современное окно представляет собой рамную конструкцию замкнутого типа площадью до 6 м2
. Крепление конструкции выполняется по всему периметру рамы в абсолютно жестком проеме наружной стены с малым шагом крепежных элементов по шарнирной схеме с одной степенью свободы. Данная схема закрепления предполагает возможность свободного температурного расширения изделия в плоскости проема при ограничении выгиба рамы из плоскости .
Рисунок 1 - Расположение крепежных элементов для оконного блока с профилем из ПВХ
Примечание: источник [7]
Рисунок 2 - Схема размещения затворов створки оконного блока с профилем из ПВХ
Примечание: источник [8]
Рисунок 3 - Размеры импоста в сечении (а) и схема крепления ПВХ-импоста к раме оконного блока (б)
Примечание: источник [6]
В рамках исследований было проведено численное моделирование работы импоста оконного блока из ПВХ монтажной шириной 58 мм в климатических условиях г. Красноярска и г. Норильск.
В качестве модели предложена конструкция оконного блока из армированных ПВХ профилей. Размеры расчетной модели составляют 1280х1520 мм. Расчетная модель оконного блока представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Расчетная модель оконного блока
Расчет проводился в стационарных условиях с целью установления достоверности предложения о возникновении дефектов. В расчете были использованы пакетные модули Heat transfer in solid и Solid mechanics.
Граничные условия для профилей оконных блоков, которые были использованы в исследовании работы конструкции, представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Граничные условия эксплуатации конструкций
Наименование | Показатель |
Heat transfer in solid | |
Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности окна, αint | 8 Вт/(м2∙К), |
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, αext | 23 Вт/(м2∙К), |
Внутренняя температура, 𝑇int | +21 ℃ , |
Наружная температура (г. Красноярск), 𝑇ext | -37 ℃ |
Наружная температура (г. Норильск), 𝑇ext | -47 ℃ |
Solid mechanics | |
Граничные условия | Rigid connector |
Тип соединения | Rigid type of connection |
Перемещения и повороты на нижнем конце | Перемещение по X,Y,Z; поворот по оси X,Y |
Перемещения и повороты на верхнем конце | Перемещение по Y,Z; поворот по оси X,Y |
Такой тип закрепления оконного профиля в большей степени отражает реальные условия работы в конструкции окна.
Заданные свойства материалов, используемые в расчете, представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Характеристики материалов оконных блоков
Наименование | ρ, кг/м3 | λ, Вт/(м∙К) | 𝐶p, Дж/(кг∙К) | ɑн, (1/К) | Е, (Ра) | n |
Поливинилхлорид | 1350 | 0,2095 | 1005 | 6,5·10-5 | 3,275·109 | 0,38 |
Сталь 1008 (КВЕ 203) | 7850 | 60 | 485 | 12,5 | 205·109 | 0,3 |
Воздушная прослойка | 1,3 | 0,422 | 1005 | 0,0037 | 6·105 | 1,4 |
3. Результаты исследования
В ходе численного моделирования были получены расчетные значения отклонений от линейности импостов в виде прогибов конструкции. Результаты расчёта модели в COMSOL Multiphysics® в стационарных условиях представлены на рисунках 5-9.
Рисунок 5 - Оконный блок (а) и стык импоста и створок оконного блока (б)
Примечание: принятая к расчету численная модель оконных профилей из ПВХ
Рисунок 6 - Деформированная схема импоста оконного блока из ПВХ профиля с монтажной шириной 58 мм для г. Красноярск
Рисунок 7 - Деформированная схема импоста оконного блока из ПВХ профиля с монтажной шириной 58 мм для г. Норильск
Рисунок 8 - График отклонения от линейности импоста оконного блока из ПВХ профиля с монтажной шириной 58 мм для г. Красноярск
Рисунок 9 - График отклонения от линейности импоста оконного блока из ПВХ профиля с монтажной шириной 58 мм для г. Норильск
4. Заключение
Результаты, приведенные на схеме и графике отклонения от линейности профиля ПВХ, показывают, что при наружной температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 принятой -37оС и температуре воздуха внутри помещения принятой +21оС прогиб импоста в центре составляет 1,75 мм. При наружной температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 принятой -47оС и температуре воздуха внутри помещения принятой +21оС прогиб импоста в центре составляет 1,98 мм. Полученное значение на 35% больше предельно допустимого значения принятого 1,4 мм
, , . Исходя из особенности конструкции оконного блока , , , деформация исследуемого элемента (импоста) влечет неплотную герметизацию проема, что усиливает неорганизованную инфильтрацию воздуха через оконный блок в холодный период эксплуатации.