Как и зачем сделать пяти(ка)мерное окно20.01.2022 13:17

В этой статье я расскажу, как в метре от меня появилось дорогое водонеупорное ветронестойкое царапобоязливое ультрафиолетонестойкое окно моей мечты. С предысторией, физической теорией окностроения, чертежами и рекомендациями.

Фотографий процесса строения почти не будет, поэтому придётся компенсировать на словах. В статье не будет Ардуино, умного дома, промокодов (надеюсь), рекламы брендов, синей изоленты. Но будут грабли, физика, творчество, рождественский дух синей изоленты и хэппи-энд.

Содержание:

0. Предыстория и мотивация
1. Формулировка техзадания
2. Теория
3. Дизайн
4. Резка, краска
5. Сборка, установка
6. Эксплуатация
7. Further discussion

Под катом будет более 8 тысяч слов и около 7 МБ иллюстраций и фотографий, поэтому TL; DR: Переехал на дачу, в процессе утепления к зиме решил изобрести окно самостоятельно, сделал расчёты, дизайн, собрал ошибки, заплатил цену двух окон за одно, собрал, водрузил, остался доволен.

0. Предыстория и мотивация

Эта секция не содержит смысловой нагрузки.

Однажды в короткий промежуток времени случились сразу и пандемия с локдауном, и очередное подорожание аренды съёмной квартиры, и недоплата зарплаты. Во дворе хрущёвки, где я снимал жильё, затеялась реновация. Реновация снесла детский садик и принесла с собой шум во время утреннего сна, лужи, грязь и комаров. Да и вообще захотелось подышать загородным воздухом. И как нельзя кстати, знакомые пригласили к себе на дачу. А там через забор лесопарк, лето, солнце, слово за слово, в итоге на ту дачу я и переехал. Знакомые туда приезжают нечасто, поэтому были заинтересованы в домовом.

Осень может вызывать противоречивые чувства

Боль беспроводного интернета (после небольшой доработки напильником) была терпимая, KillingFloor2, La2, SC2 в качестве бенчмарка давали зелёный свет. Яблони, фермерское молоко неподалёку, лес с прудом… Несмотря на 10 минут до МЦД, ощущал себя опять деревенским пацаном, пусть я им никогда раньше по-настоящему и не был.

Объект «Дача» представляется летним двухэтажным домиком, построенным при союзе в три очереди с промежутком лет по 15 и находящимся в пользовании до середины нулевых. В доме есть две дровяные печки и водопровод, который по большей части не замерзает зимой.

Своим местом обитания я выбрал комнату над кухней. Из минусов — через неё проходит труба. Из плюсов — это единственная комната, которая окружена со всех сторон помещениями, а значит, её будет проще всего утеплить к зиме, если это потребуется. И это потребовалось.

Попрыгунья Стрекоза
Лето красное пропела;
Оглянуться не успела,
Как зима катит в глаза
(И. Крылов)

В фотографии окна находится окно в окне

На картинке показана схема места действий. Соорудить в подобной локации зимовку означает обнести периметр утеплителем, утеплить чердак над потолком, закупиться дровами для топки печки в комнате снизу и, да, сделать окно. По большей части, творческим заданием оказалось только окно. На этом месте присказка заканчивается.

1. Постановка задачи

«От производителя» комната была оборудована деревянной рамой с однослойным остеклением. Это, разумеется, не означает, что с таким окном не выжить в зиму. Но это означает, что через него будет уходить большой тепловой поток.

Несмотря на то что оставаться на локации на годы, я не планировал, подсчёт суммы, которая уходила бы в окно при брутфорсе нагревателями, говорил в пользу более достойного окна.

Более того, даже если денежно оценить мороку с заменой окна и перечислить эту сумму энергокомпании, то забыть о проблемах было невозможно. Причиной тому — ограниченный энергобюджет постройки в садовом товариществе. Но даже если и игнорировать ограничения на мощность на участок, то всплывёт другая неприятность: мощность на товарищество в совокупности с проводкой (вероятно). Эксперимент показал, что при нагрузке сети мощностью 1КВт просадка напряжения в доме составила порядка 8 Вольт (220–212). Без стабилизатора напряжения безопасно такой сетью пользоваться невозможно. Ну и можно добавить, что в часы пик напряжение выше 200В — большая редкость. Зимой же в среднем 190В. Порой стабилизатор тащит из 165В.

Одним словом, брать тепло из розетки выходит не только дорого, но и практически невозможно.

Ну и последний аргумент в пользу самого факта необходимости апгрейда окна — отказоустойчивость. В случае аварии электросети для такого пира будет нужен бесперебойник ценой больше, чем траты на отопление за год.

Что хотим от окна?

Жизненный цикл проекта — одна-две зимы, поэтому нет необходимости строить что-то на века, промышленное и с гарантией. Перефразируя, вундервафли изобретать я себе разрешил. Хозяин помещения тоже.

Прозрачность. Если бы я был ещё большим раздолбаем, то задача решилась бы тривиально: установить МГЛ лампочку, а оконный проём закрыть панелями утеплителя. Однако душа просила других приключений и настояла на включении пункта «прозрачность» в ТЗ.

Проветривание. Должна быть форточка, либо другой способ устраивать проветривание, 157 этого никак. Дом не новый, на тот момент ещё и попахивал, поэтому продувать помещение необходимо. Датчик СО2 меня в этом поддержал тоже.

Срок выполнения. За дело я взялся в сентябре, то есть было месяца полтора на всё удовольствие. В случае полного провала был запасной вариант спать в тёплом помещении со второй печкой в другой части дома. No pressure, как говорится.

Цена вопроса. Чтобы перебить вариант со сжиганием электричества, по оценкам надо было уложиться в 30 тысяч плюс-минус трамвайная остановка из-за невозможности точно предсказать погоду на зиму (оценка сверху). Окно у фирм установщиков по знакомству начинается от 10 тысяч. Суммы такого порядка меня вполне устраивали для проекта «на поиграть». Авось, ещё и статью на сайт себе напишу (пусть воз и ныне там). Бесплатно я получаю удовольствие от DIY, которое, как известно, бесценно.

▍ 1 ½. Варианты исполнения

Рассмотрим варианты различного окнообразования:

Коммерческие стеклопакеты. Бывают одно-, двух-, трёх-камерные. Бывают со всевозможными покрытиями, наполнителями, материалами и «топологиями» рам. Цены от 10 тысяч. Морока околоникакая. Срок выполнения порядка недели.
Когда-то услышал интересный рецепт от студенческого товарища. Оказывается, окна иногда выбрасывают в мусор, поэтому можно походить по свалкам и поспрашивать у местных направления на стеклопакеты. Преимущества у данного способа налицо: цена, уменьшение выбросов и азарт. Никогда не знаешь, что за клад можно найти за почти бесплатно. Более того, это самый экологичный из возможных вариантов и поддерживает принцип RRR: Reuse, Reduce, Recycle. Минусы тоже очевидны: заказать в размер не у кого, некоторые люди не любят риск. Вероятностный подход даёт средний результат на больших выборках, но не гарантирует его на минимальной нетривиальной, то есть, моей.Также подпунктом в этом пункте будет площадка для частных объявлений. Честно говоря, об этом я вспомнил уже после установки, но, оказывается, что люди реально продают откуда-то взявшиеся стеклопакеты.
Утеплитель. Плюсы: цена одного обеда, установка за время одного обеда, лёгкий ремонт и демонтаж в случае чего (не знаю, кому нужно учитывать фактор демонтажа при выборе окна. Просто люблю искать плюсы). Минусы — не попадает в ТЗ.
Оставить как есть и давить тёплом/прокачать тот вариант, что есть. Оставлять как есть тоже не вписывается в ТЗ. Однако ещё можно вспомнить про советы умельцев как дёшево и сердито увеличить к-мерность окон.
Этот вариант тоже достоин рассмотрения. Его главная проблема в том, что уж очень неказистый объект, это старое окно, и элегантно его не прокачать.
Деревянное окно на заказ или самостоятельно. Посмотрел цены, отложил вариант. Самостоятельно тоже не вариант из-за отсутствия столярного опыта и подходящей мастерской.
Будем синтезировать. В этом случае фантазия — ограничитель. Звучит как вызов: дорого, долго, требует продумать всё, придумать всё, начертить, изготовить, собрать, протестировать, переделать… Ну короче, вы видели содержание этой статьи.

Тем не менее пусть это и выглядит как подвод под реализованное решение (а я и правда мог нечаянно исказить какие-то вещи, пока писал), но для того, чтобы принять решение, нужен расчёт. Для расчёта нужно знать теорию.

2. Теория

Безумству храбрых можно спеть песнь. Храбрыми я бы назвал тех, кто попытается изучать тему через копипасту на миллионе сайтов и куче форумов. Текста там много, единственно верных решений ещё больше. Добавим порой странную терминологию и самое неприятное — противоречия одного другому.
Я бы посоветовал идти с основ. Самое основное — уравнение теплопроводности.

$\frac{\partial a}{\partial b}-a^2 \Delta u=f(\mathbf {r}, t)$

Если не пытаться изображать из себя умного, то в простом случае тонкой плоскопараллельной пластины его можно свести к такому. Уметь это делать оконщику не обязательно

$P=-\varkappa {\frac {S\Delta T}{l}}$

где P — полная мощность тепловой передачи, S — площадь сечения параллелепипеда, $\Delta T$ — перепад температур граней, l — есть расстояние между гранями.

Поддерживаем различные температуры по обе стороны от исследуемого образца и замеряем мощность теплового потока через образец

Это самое главное уравнение, которое надо понимать. Оно не открывает портал между мирами, не описывает излучения чёрных дыр, не предсказывает неизвестных частиц и даже не связывает квантовую физику с гравитацией. Оно говорит что-то очень простое. Если с одной стороны стены держать температуру выше, чем с другой стороны стены, то через стену будет уходить тепло (Более умный термин: установится тепловой поток некоторой мощности). И чем тоньше стена — тем больше тепла уходит («Спасибо кэп,» — рабочие крестьяне). И чем сильнее утеплена стена — тем меньше надо её греть изнутри (Тут аудитория свистит, плюёт на пол, встаёт и уходит).

Несмотря на тривиальность сказанного, можно сделать один не очень тривиальный вывод: как дом ни утепляй*, всё равно греть изнутри придётся. Вопрос — насколько сильно.

Для зануд

Да, можно представить себе дом, спрятанный за несколькими метрами утеплителя. В этом случае его будет прогревать уже человеческий метаболизм. А если добавить ещё порядок величины, то можно будет сглаживать не только дневные колебания температуры, но и годичные. Правда, проветривать нельзя. Но идея, безусловно, отличная. Едем дальше.

Второй занимательный вывод: если есть заданная мощность нагрева, то эта мощность может поддерживать определённый перепад температуры относительно температуры снаружи. То есть если обогреватель включён на макс. и в помещении комфортно при 0С, то при понижении до -10С внутри установится температура в точности равная [[$комфортно-10]]С.

Для зануд

«Установится в точности» если изменение температуры не повлияет на теплопроводящие свойства материала. Например, фазовый переход воды внутри деревянных балок изменяет их теплопроводность. Другой пример: при повышении температуры может начаться реакция самоподдерживающегося окисления, в простонародье именуемая «пожар». Эти эффекты мы здесь не учитываем.

Чтобы понять, насколько сильно можно разделить температуры, давайте подставим значения для понимания величин.

1. Вспененный полипропилен 10 см вокруг комнаты 5×3 м высотой 2.5 м в мороз -20С при поддержании внутри +20С:

$P = \frac {0.038\cdot (2\cdot(5+3)\cdot2.5+2\cdot5\cdot3)\cdot(20-(-20))}{0.1}=1064W$

Таблица теплопроводности для справки.

То есть, для отопления примерно бытовки 157 окон и дверей на сваях, утеплённой прилично по всему периметру, в большой мороз будет достаточно одного электрочайника.

2. Дубовый сруб 5×5 м, толщина брёвен 30 см. Мороз -20С:

$P=\frac{0.1\cdot(2\cdot(5+5)\cdot2.5)\cdot(20-(-20))}{0.3}+\frac{0.1\cdot(5\cdot5\cdot2)\cdot(20-(-5))}{0.3} = 1083W$

Здесь погрешность вычисления сильно больше, ибо сильно больше недоопределённых переменных, которые я беспечно и безосновательно выделил во втором члене суммы. Было принято, что есть чердак, на котором поддерживается -5С и подпол, в котором тоже установилась температура -5С. Также в этом примере нет ни окон, ни дверей, но стоит обратить внимание, что стена толще в три раза, а потери примерно равны (потому что теплопроводность лучше (в смысле хуже, то есть больше) в те же три раза). Также ещё стоит понимать, что в подобной избе углы будут морозиться ещё сильнее, так как теплопроводность дуба вдоль ещё вдвое выше, чем поперёк волокон.

И ещё одна вещь, на которую стоит обратить внимание: инженерам проще считать, когда в уравнении величина «теплопроводность/толщина» называется теплосопротивление, точнее — обратное теплосопротивление. Это логично: бессмысленно сравнивать теплопроводность материала в отрыве от толщины слоя утепления, потому что продают обычно готовые блоки заданной толщины и теплопроводности. Поэтому хочешь такое теплосопротивление — получай. Хочешь вдвое больше — делай в два слоя и будет тебе вдвое меньше потери. Красота.

А если посмотреть на уравнение прищурившись, то можно прозреть и увидеть любимый (возможно) закон Ома: U=IR. Только тут теперь не Вольт гоняет Ампера через Ома, а Разница температур гоняет Мощность через Теплосопротивление заданной площади.

С уравнением разобрались. Давайте теперь посмотрим реальности в глаза и поищем в таблице самый теплоизолирующий материал (чуть потерпите, про аэрогель будет через пару абзацев). Мы увидим, что предел находится на уровне 0,032 Вт/м/К у высокопористых материалов. А потом мы ради интереса сходим в Википедию на страницу теплопроводность и увидим, что ВОЗДУХ имеет коэффициент теплопроводности 0,022 Вт/м/К. То есть, получается, что лучшая теплоизоляция — это отсутствие теплоизоляции, физика не работает и пора постигать Дзен или Матрицу? Почти так. Однако в действительности воздух не только очень плохо проводит тепло, но ещё и очень плохо сопротивляется любым внешним воздействиям. Другими словами, течёт. Другими словами, нагретый воздух очень быстро улетает, а на его место приходит холодный. И поэтому, когда мы ходим сушить простыни на морозе своим теплом, то мы стараемся не двигаться, чтобы создавать меньше нежелательных потоков воздуха, которые нас с простынёй более эффективно охлаждают. Я проверял на себе. Можете не поверить.

И как следствие, лучшими утеплителями (по критерию минимальной теплопроводности) будут те, что меньше всего увеличивают теплопроводность воздуха внутри них, но при этом лучше всего задерживают движение воздуха.

Перерыв в лекции 5 минут. Разомнитесь, выпейте воды.

Идём дальше. Воздух — это уже не стройматериал, поэтому можем уйти ещё дальше от строительной таблицы и задаться вопросом «а есть ли что-то лучше воздуха?». Ответ: есть. Смотрим на таблицу от, пожалуй, самого авторитетного в этой статье источника и разыгрываем воображение, чем бы накачать окно. В том числе есть, например, газ со страшным названием Гексафторид, которым накачивают окна (кто-то уже подключил сюда конспирологов? Нет? Пора: людям продают окна с ГЕКСАФТОРИДОМ СЕРЫ)

Подключаем сюда сознание и понимаем, что закономерность простая: чем легче (молекулярный вес) газ —тем резвее он будет переносить температуру от стенки до стенки. Для любителей можно вспомнить, что температура связана с кинетической энергией. Поэтому более лёгкие газы будут более быстрыми при той же температуре, а следовательно, и более хорошими проводниками тепла.

С одним исключением: вакуум. Это не фантастика. Мы живём в мире, где существуют помещения с вакуумными окнами для простых смертных и гражданских. Это однокамерные окна, в которых в качестве газа-наполнителя камер используется отсутствие газа. Есть мифические японские компании, которые этим занимаются (не умею в японет, 157 ссылок), а есть вполне себе «стартап» бывшего товарища из НАСА, который не просто делает окна, а делает технологию, которая бы превосходила современные стеклопакеты по всем (ВСЕМ, да, всем) параметрам. Искренне желаю ему удачи.

Наш ответ Чемберлену?

Попытался найти, кто делает вакуумные окна в России. Не смог. Загорелся сделать вакуумные панели, да опыта с вакуумом особо нет. Соорудить орочьи технологии домашней вакуумной откачки теплоизоляции стен раз в день было бы прикольно. Но пока не срослось.

С точки зрения физики тут довольно понятно: нет молекул, чтобы таскать энергию — нет переноса энергии. Коэффициент теплопроводности ровно ноль (не ровно потому, что идеального вакуума даже с Луны не привезём), за вычетом тепловых мостиков, которые сдерживают две стеклянные пластины от имплозии. Два стекла окна будут очень хотеть друг с другом «слипнуться» под действием атмосферы: 101КПа это 101 000 Н/м² или 10 100 кгс/м². То есть, примерно по 100-килограммовому серверу на каждые 10×10 см окна. С двух сторон, чтобы они не упали. Кто искал тему курсовой по сопромату —ловите на блюдечке. Дайте только потом ссылку на результат, пожалуйста.

Остаётся осветить только экзотику. Людям хочется чего-то эдакого Супер-нано-ультра-мега. Люди порой готовы предлагать людям купить чего-то эдакого, не имея при этом в этом эдаком чего-то такого, но готовые это придумать. Другими словами, нам хочется верить в чудеса. Посмотрим на список экзотики, которая будоражит умы.

Скандалы, интриги

Однажды видел сайт, который был создан как антиреклама одного бренда утеплителя. Тот бренд использовал обычную технологию, но бодро рисовал сертификаты испытаний, демонстрирующие характеристики на десятки процентов превосходящие реальные.

Аэрогель.
Представляет собой сверхвысокопористую структуру, которой едва хватает для поддержания формы. Теплопроводность максимально приближена к воздуху. Крайне охотно впитывает воду, хрупкий. Все кликбейтные видео с горелками, по сути, демонстрируют его главное преимущество: может выдерживать температуру горелки, в отличие от большинства общедоступных утеплителей с похожими коэффициентами теплопроводности. Возможно, я сейчас убил чьего-то Деда Мороза. Извините.

Аэрогель на защите растительности
Аэрогель.
Есть предложения продажи аэрогелесодержащих утеплителей в рулонах. В руках не держал, но даже если там рулон с аэрогелем — использовать такой нужно крайне внимательно, и далеко не любую дырку будет эффективно таким затыкать.
Старлайт.
Старики помнят эту байку, заговор и повисшую интригу. Освежить можно тут. А заодно ещё и на русский статью перевести.С тех пор с большой вероятностью рецепт был воспроизведён одним талантливым ютубером. И оказалось, что предел этого материала — воздух, а киллер-фичей с появлением теплоизолирующей структуры уже пользуются производители противопожарных красок. После этого события, кто только на Ютубе не воспроизводил этот состав.
Добавить по вкусу.
Я не пытаюсь топить к тому, что любой утеплитель с выдающимися характеристиками сразу же означает скам. Однако надо понимать, что в лучшем случае за повышенную цену можно будет получить не украденную технологию, которую делают по лицензии из сертифицированных материалов с контролем качества, обладающую водоотталкивающими противогорючими противогрызунными и противоультрафиолетовыми свойствами. Другими словами, в любом случае придётся читать маны, понимая, что оптимизация по одному параметру чревата несоизмеримыми потерями по другим параметрам (бесплатно можно мазать стены глиной из карьера, а максимум теплоизоляции будет в сосуде Дьюара.

Дальше стоит упомянуть второй способ уноса тепла: излучение. Кто не знал, любые тела (зануда: обладающие ненулевой абсолютной температурой) излучают электромагнитное излучение.

Если кратко и к нашему вопросу, то там есть формула:

$J=\frac{c}{4}\int u_{\nu}d\nu \sim { \rm {const}}\cdot T^4$

которая показывает, что МОЩНОСТЬ этого излучения сильно зависит от температуры. Любителям физически-исторических детективов искать «Ультрафиолетовая катастрофа», в которой эта формула была получена. Это ещё зависит от параметра чернотельности. Параметр говорит, что зеркало не только всё (привет занудам!) излучение отражает, но и никакого излучения не излучает.

Понять это можно так: в космосе холодно. Когда над головой голый космос, то мы излучаем в него электромагнитную энергию из-за своей температуры. И он излучает в нас. Но он холоднее, поэтому равновесия не наступает, мы охлаждаемся (дополнительно к охлаждению злым воздухом из пункта выше). А если над головой горячее солнце, то наоборот. А если тёплые облака, то что-то среднее. Вспомним Пушкина:

Мороз и солнце …

В некоторых странах так дневное тепло из дома ночью через крышу в космос излучают. А Циолковский предполагал, что на космических кораблях будут чёрно-белые шторки для целей терморегуляции.

Чтобы понять масштаб бедствия: с одного квадратного метра приблизительно чёрного тела температурой около 20С излучается за счёт чернотельного излучения порядка 400Вт мощности. А с такого же тела при температуре -20С уже 228Вт. То есть если их отделить вакуумной прослойкой, исключив молекулярную теплопроводность, то мы будем передавать почти 200Вт тепловой мощности с квадратного метра.

Глазами мы это излучение не видим, оно находится в диапазоне длин волн порядка десятка микрометров. Глаз видит сотни нанометров.

Но мы можем придумать прибор, который бы детектировал такие длинные волны электромагнитного спектра. И если расположим такие детекторы в ячейках и сопряжём эти ячейки особой оптикой с источником излучения, то мы изобретём тепловизор. Не велосипед, но тоже полезно.

К чему это всё: через окно вне зависимости от его теплосопротивления уходит тепловая мощность. Раньше с этим боролись ставнями на окнах. Сейчас производители окон предлагают специальные покрытия. А производители покрытий предлагают специальные плёнки. Возможно, автолюбителям такими «греющими» покрытиями на окна уже прожужжали уши. Суть заключается в том, чтобы не видимое глазу длинноволновое излучение либо отражать, либо поглощать. Здесь надо учесть ещё один нюанс: солнце излучает и длинные (мы тут длинными называем 10 микрон, напомню) волны, и ближний инфракрасный диапазон, и оптический, и ещё дальше. Поэтому производители летних окон хотят всё невидимое излучение оставить снаружи, чтобы не греть помещения. А производители зимних окон хотят это же излучение оставить внутри. В идеале оба этих желания достигаются материалом, который отражает весь инфракрасный спектр зеркально, а видимый пропускает.

А дальше надо читать датащиты на покрытия и плёнки. Если плёнка ИК поглощает (то есть для него чёрная), то для зимнего окна такую лучше держать внутри. Зимой задумываться про ближний ИК смысла нет: от солнца за день приходит мало, изнутри тепловыми фотонами этого диапазона излучается мало. То есть, стоит искать плёнку, не пропускающую комнатно-тепловое излучение. В довесок у плёнок и покрытий есть коэффициент пропускания видимого света, и он не равен 1. Ну и разная цена;, но в этой главе таким термином мы не оперируем.

Давайте теперь, обладая каким-никаким багажом знаний, проанализируем результаты эксперимента. В эксперименте мы сходим в Интернет и скачаем таблицу теплопроводности для различных окон с разной толщиной воздушной прослойки. Вот результат (график построен по и по):

Влияние толщины воздушного зазора в стеклопакете на его термосопротивление. По оси Х расстояние между стёклами, мм. По оси У отложено термосопротивление, м^2*K/Вт. Фиолетовый: одна камера, зелёный: две камеры, голубой: две камеры с аргоном, оранжевый: две аргоновые с К-покрытием. Комментарий относительно данных в 7 главе.

И сразу же видим, что профессор — лопух. На графике нет прямой зависимости между толщиной слоя теплоизолятора воздуха и теплосопротивлением. Профессор просит помиловать и начинает говорить про конвекцию. Прислушиваемся, вникаем: если жидкость поместить в сосуд и нагревать с одной стороны, а охлаждать с другой, то в разных частях сосуда окажется жидкость разных плотностей. Такие разные жидкости будут пытаться занять положение равновесия, в котором лёгкая будет находиться над тяжёлой. В процессе устаканивания холодная часть внизу будет греться горячей стенкой, а горячая вверху охлаждаться холодной.

Явление конвекции и принцип борьбы с ней

Но из-за противохода этих двух течений возникает зона повышенного трения, которая противодействует движению. Так как противодействие зависит от площади и градиента скорости (градиент скорости — это насколько резко меняется скорость в пространстве), то чем шире расстояние между соседними стёклами, тем меньше будет эффект торможения. Поэтому из графика мы должны выяснить, что ширина больше 12 мм не приносит пользы: теплосопротивление не меняется. То есть, по определению теплосопротивления: толщина растёт, а теплопроводность уменьшается, когда их произведение остаётся постоянным.

С получением этого знания невольно начнёшь коситься с подозрением на старые окна, в которые на зиму яблоки клали. Виним технологии, благодарим прогресс. Яблоки, кстати, увеличивают трение, то есть уменьшают конвекцию. Но при этом обладают теплопроводностью воды (или льда).

Факт дня: похожая конвекция происходит и в атмосфере, и в ядре, и в мантии, и в океанах Земли. И в чашке чая. И в Солнце. Так что не принципиально заключать жидкость в некотором сосуде.

Холодное облако, которое оказалось над горячим воздухом. Фото моё

Читать про вымеобразные облака.

Зная про конвекцию, теперь ещё обратим внимание на рамы окна. Рамы делают из профиля. У профиля есть материал и воздух внутри. Суть та же: материал проводит, воздух изолирует, конвекция портит. Формально рамы составляют порядка десятка процентов площади, но если теплопроводность рамы выйдет вдвое выше, чем у стеклопакета (гипотетически, но недалеко от реальности), то через рамы будет уходить 18% от всего потока тепла. Теплопроводность алюминия на несколько порядков больше воздуха, поэтому его можно не учитывать вообще. С пластмассой получше, но, по сути, вклад в теплосопротивление вносит только воздух в пустотелых рамах. Деревянные рамы можно рассмотреть аналогично примеру со срубом выше, только толщина уже будет не 30 см, а меньше. Соответственно, теплосопротивление пропорционально меньше.

С одной стороны выглядит пресно, но можно добавить не очень очевидное следствие: случай толстых стен. Если стена однородная, то температура внутри неё будет изменяться непрерывно и линейно. Посередине стены будет температура среднеарифметическая. Теперь в стене образуем проём, а в проём вставим окно. У окна толщина сильно меньше стены, и рассуждение про градиент температуры применимо здесь тоже. Мы получим ситуацию, в которой образуется зона низкой температуры внутри помещения. В реальности это соответствует повышенной вероятности конденсирования влаги из воздуха на этой внутренней части оконного проёма. Вывод: оконные проёмы надо утеплять. А с точки зрения отказоустойчивости, лучше всего будет иметь окно в ширину стены.

Конденсат выпадает, когда содержание воды превышает 100% влажность в процессе охлаждения

В теории стоит ещё упомянуть вещи, которые в моём случае большой роли не играли. Во-первых, это устойчивость к физическим воздействиям. Будь то ветер, коты, дождь-град, дети, ультрафиолет, термиты или мячи для гольфа — всё это меня не беспокоило из-за удачного расположения «на второй линии», за стеклом балкона (в случае термитов — удачное географическое расположение. Вот только это не спасло от нашествия жуков-кожеедов. Но песня сейчас не о том). Во-вторых, герметичность. Сейчас происходит немного анекдотичная ситуация, когда окна настолько хорошо закупоривают помещение, что это радикально ухудшает проветриваемость после «свистящих» деревянных окон. В итоге приходится либо изобретать режим «закрыть окно плотно, но не совсем», либо вставлять искусственные щели в подоконник, либо использовать бризеры, либо не знать об этом всём и просто втихую страдать на длинной дистанции. В моём случае было очевидно, что даже с щелями от «стокового» окна, если его плотно закрыть, то продуваемость помещения становилась недостаточная, чтобы поддерживать концентрацию углекислого газа в комфортном диапазоне. И в-третьих, акустика. В эту тему я не углублялся. По слухам от шума помогают различные толщины прослоек между стёклами. Я не могу описать этот факт аналитически; да и нужды не было: со стороны леса максимум раз в месяц слышно ночных бензопильщиков, а с другой стороны, когда едут гружёные составы, то от «акустики» бывает и люстра качается. Как в анекдоте про эльфа.

Конец лекции. Продолжим на начальной инженерной подготовке.

3. Дизайн

С учётом всего вышесказанного я понял, что двухкамерное окно меня не удовлетворит по причине теплоизоляции, трёхкамерное окно меня не удовлетворит по причине цены, искать по интересным локациям подходящие пакеты меня не устроит по причине проклятия окончательной подгонки (это когда создание переходников и подгонка по месту занимает бОльшую часть работы), затыкать пенополистиролом дырку в стене недостаточно «романтично», в случае изначального промаха я смогу включить план Б с увеличением теплоизолированности путём доклейки дополнительных слоёв плёнки. У меня в запасе ещё есть время.

Решено окно синтезировать. С перламутровыми пуговицами.

Карта окна:

Из фиксированных параметров: размеры проёма составляют около 1300×1300 мм с глубиной примерно 120 мм. Размеры неточные, потому что представители древней развитой цивилизации умели строить так, чтобы высота одной комнаты была бы одновременно и 2200 и 2400. И никакой квантовой запутанности.

В это пространство надо вписать сколько-то плоскопараллельных камер с любой разумной толщиной перегородок и расстоянием 10–16 мм между ними. Заполнять смешными газами окно я бы не смог: создание герметичности не будет того стоить по сравнению с грубым линейным увеличением теплосопротивления от количества камер. Провести RnD и создать опытный образец вакуумного окна я точно не успею в срок. Толщину рамок стоит уменьшить до минимума, так как они и обзор закрывают, и тепло проводят лучше, чем воздушный бутерброд.

Изначально я планировал сделать настоящего монстра Франкенштейна: «премиум» четырёхкамерное окно по следующей схеме.

Начинающим инженерам: давайте размеры от одной базы, а не так, как здесь. Думайте, как оператор

На картинке изображён набросок, который я отправил семи менеджерам для приценки. Мы видим два слота для 4 мм «стёкол», один большой слот для заводского стеклопакета под мой чертёж конфигурации 4–16–4–16–4i (читается: 4 мм стекло, 16 мм прослойка, 4 стекло, 16 прослойка, 4 стекло с i-напылением), и два торца для дополнительного экстренного уплотнения плёнкой.

Этот план в производство не пошёл по причине цены на новые стеклопакеты. Оказалось, что цена изготовления трёх пакетов для моей конфигурации не сильно отличается от цены всего окна, не сильно отличающейся от цены окна с установкой, не сильно отличающейся от создания всего пакета самостоятельно с ещё большим количеством камер.

С этими данными уже и пошла история своего Луна-парка. С «Угадай мелодией» и музейными смотрительницами.

Схема сборки оконного блока. Не в масштабе

Такой дизайн оставляет довольно мало пространства для лажи, но не буду спойлерить. Из листового прозрачного материала режем прямоугольники на стёкла, из пластика режем+фрезеруем рамы. Слово «фрезеровка» пускай не пугает, так как делается она на обычной циркулярной пиле. Окно состоит из трёх разновидностей деталей. Соединяется без столярного порно (извиняйте, мне пока негде разгуляться) в виде соединений под 45, потайных шпонок, ласточкиных хвостов и подобных шип-пазов. У меня — обычные уголки из строймага. Максимум извращения —это выбрать паз, чтобы уголок с торца сел бы заподлицо. Если будет желание.

Это принципиальная схема. Теперь стоит определиться с материалами. Изначально моя интуиция повторяла мантру «Хочешь хорошо — используй HDPE». В качестве разделителей-стёкол интуиция просила акрил или, возможно, тонкое 2–3 мм стекло. С этими вводными я обратился за рецензией к св