СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ С ПОВЫШЕННЫМИ

122
Материалы 58-й научно-технической конференции
УДК 692.82
Н.Н. ТЕЛЕЛИЧКО, студентка 3 курса
Научный руководитель:
Е.В. ПЕТРОВ, канд. техн. наук, доцент
СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
С ПОВЫШЕННЫМИ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИМИ
СВОЙСТВАМИ И РЕГУЛИРУЕМЫМИ
ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
В современных условиях постоянного роста цен на энергоносители задача снижения тепловых потерь зданий является наиболее приоритетной.
Комплекс инженерно-технических мероприятий по повышению энергетической эффективности зданий предусматривает разработку рациональных объемно-планировочных решений, повышения уровня тепловой защиты, использование энергоэффективного оборудования и регулируемых систем энергообеспечения.
В нашей стране в качестве одной из приоритетных поставлена задача
экономии топливно-энергетических ресурсов, поэтому проблемы энергосбережения при строительстве новых и реконструкции существующих зданий
приобретают особую остроту. По оценкам специалистов около 43 % всей вырабатываемой тепловой энергии расходуется в нашей стране на содержание
жилых и общественных зданий. Для сравнения в западных странах на энергопотребление зданий расходуется 20…22 % тепловой энергии. Эти цифры доказывают необходимость структурного изменения потребления тепловой
энергии и актуальность мероприятий по теплосбережению в зданиях. Большая
часть энергии, затрачиваемой на отопление зданий, фактически расходуется
на компенсацию тепловых потерь через наружные ограждения.
Существенным звеном в решении задачи экономии топливно-энергетических ресурсов является разработка и внедрение в практику строительства новых конструкций светопрозрачных ограждений с высокими теплозащитными качествами.
Теплопередача через светопрозрачные конструкции осуществляются
путем теплопроводности, конвекции и излучения, причем наиболее значимыми составляющими являются конвекция и тепловое излучение.
Для повышения сопротивления теплопередаче светопрозрачных конструкций применяют стеклопакеты, которые представляет собой конструкцию из нескольких стекол, разделенных промежутком. Соединение стекол происходит через металлическую или пластиковую дистанционную рамку. По количеству камер стеклопакеты бывают однокамерные и двухкамерные. При изготовлении
стеклопакета применяют обычное стекло, энергосберегающее стекло с низкоэмиссионным покрытием, шумозащитное, солнцезащитное, ударопрочное стекло
и т. д. Формула стеклопакета, например, 8M1–16–4M1–12Ar–4K означает: 8 мм
стекло марки М1, 16 мм воздушный промежуток, 4 мм стекло марки М1, 12 мм
промежуток, заполненный инертным газом аргоном, 4 мм К–стекло.
Строительный факультет
123
Одним из путей влияния на теплообмен в межстекольном пространстве
является заполнение его различными газами, которые имеют иные теплофизические свойства, чем воздух, тем самым воздействуя на конвективную составляющую теплообмена в межстекольном пространстве [1]. Для уменьшения конвекции в настоящее время используют метод замены воздуха на
инертные газы аргон, криптон, ксенон. Замена воздуха аргоном позволяет
увеличить термическое сопротивление межстекольного пространства до 10 %
по сравнению с воздушным заполнением.
Аргон наиболее распространенный и часто используемый газ для заполнения межстекольного пространства стеклопакетов. Криптон – это реже
встречающийся и более дорогой по сравнению с аргоном инертный газ. Использование криптона улучшает теплоизолирующую способность стеклопакета в большей степени, чем аргон, а применение ксенона еще в большей степени повышает теплоизолирующую способность стеклопакета даже по сравнению с криптоном. Для заполнения промежуточного пространства стеклопакетов можно использовать также газовые смеси. Изменение сопротивления
теплопередаче для различных газов в зависимости от толщины газового промежутка представлено на рис. 1. На графике видна одна особенность, заключающаяся в смещении максимума сопротивления теплопередаче стеклопакета
в область меньшей толщины прослойки для более плотных газов. Так, например, для воздуха этот максимум соответствует 12 мм, а для криптона – 8 мм. Однако зазор толщиной 10…12 мм является верхним пределом, и дальнейшее его
увеличение нецелесообразно, так как может приводить к обратному эффекту.
R, м2оС/Вт
0.44
0.42
0.40
Kr
0.38
Ar
0.36
Воздух
0.34
CO2
0.32
0.30
0.28
0
10
20
30
40
50
L, мм
Рис. 1. Зависимость сопротивления теплопередаче стеклопакета для различных газов
в зависимости от толщины прослойки
124
Материалы 58-й научно-технической конференции
В том случае, когда промежуточное пространство стеклопакета заполняется более плотным, по сравнению с воздухом газом, потери тепла, происходящие за счет конвекции в межстекольном пространстве, снижаются. Теплопроводность, плотность, динамическая вязкость и теплоемкость газов оказывают влияние на термическое сопротивление газовой прослойки.
Конвективные процессы в прослойке меняются в зависимости от собственной
температуры газов и ширины промежуточного пространства.
Для того, чтобы уменьшить лучистую составляющую теплообмена применяют теплоотражающие покрытия [1, 3]. Стекло в диапазоне длин волн
0,3…2,5 мкм прозрачно для солнечного излучения, а в диапазоне 2,5…16 мкм
непрозрачно для теплового излучения, идущего из помещения. При использовании теплозащитных покрытий происходит существенное уменьшения количества тепловой энергии, теряемой в виде инфракрасного излучения через поверхность стекла, что в свою очередь, обусловлено спектрально-селективными
свойствами покрытия, пропускающим видимое и отражающим инфракрасное
излучение. За счет снижения величины лучистой составляющей теплообмена
тепловые потери через светопрозрачные конструкции уменьшаются. Однако
теплоотражающие покрытия снижают коэффициент пропускания света.
В качестве теплоотражающих покрытий широко используют покрытия
на основе различных металлов, таких как серебро, золото, медь с системой
просветляющих окислов, а также полупроводниковые оксиды олова и индия.
Условно теплоотражающие покрытия можно разделить на твердые и мягкие.
Различаются они по излучательной способности. Покрытия с излучательной
способностью до 0,15 считаются мягкими покрытиями, а покрытия с излучательной способностью 0,15…0,25 являются твердыми покрытиями.
По способу нанесения существуют теплоотражающие покрытия Off-line
и On-line. Низкая излучательная способность стекол с покрытиями типа Off-line
достигается, в основном, благодаря слою серебра. Нанесение покрытий производят вакуумными ионно-плазменными методами. Слой серебра защищают
слоем оксида металла: алюминия или титана. Чтобы внешний вид стекол был
как можно более нейтральным, наносят еще два слоя просветляющих полупроводниковых оксидов. Между стеклом и слоем серебра расположен первый
слой из полупроводникового оксида, задачей которого является прочно закрепить слой серебра на стекле. В стеклах с покрытиями типа On-line есть только
один слой оксида олова. В основе метода нанесения слоя покрытия из оксида
олова лежит реакция пиролиза, которая происходит на одной из стадий производства стекла. Во время этой реакции слой оксида оседает на поверхность
горячего стекла, становясь неотделимой его частью. Слой оксида олова почти
бесцветный и незаметный. Значения излучательной способности стекол с покрытиями типа On-line составляют порядка 0,16…0,20, с покрытием типа Off-line
порядка 0,04…0,12.
При использовании теплосберегающего покрытия снижение тепловых
потерь светопрозрачных конструкций может достигать 50 % и более по сравнению со светопрозрачными конструкциями без покрытий. При этом происходит экономия топлива на отопление зданий. Температура внутренней поверхности остекления с таким стеклом в зимний период в среднем на 5…6 °С
Строительный факультет
125
выше, чем у обычного остекления. Благодаря этому повышается тепловой
комфорт зон, располагаемых у окон, и исключается возможность появления
конденсата на поверхности остекления.
Потери тепла в стеклопакете из двух прозрачных стекол распределены
следующим образом: около 2/3 приходится за счет излучения и 1/3 – посредством теплопроводности и конвекции. Самый эффективный способ для ограничения потерь тепла из помещения – это применение таких стекол, излучательная способность которых как можно ниже. Зависимость сопротивления
теплопередаче стеклопакетов от коэффициента излучения в случае, когда одним из стекол является обычное строительное стекло, а воздух в промежуточном пространстве шириной 12 мм заменен на аргон, приведена в табл. 1.
Таблица 1
Значения сопротивления теплопередаче однокамерного стеклопакета
Излучательная способность
0,8–0,8
0,8–0,7
0,8–0,6
0,8–0,5
0,8–0,4
0,8–0,3
0,8–0,2
0,8–0,1
Сопротивление теплопередаче
R, м2оС/Вт
0,37
0,38
0,41
0,43
0,47
0,53
0,59
0,69
Таким образом, как видно из таблицы, применение теплотражающих
покрытий ведет к существенному снижению потерь тепла через светопрозрачные конструкции. Следует отметить, что применение теплоотражающего
покрытия эффективно одновременно с применением заполнения межстекольного пространства инертными газами. Так, например, применение только
лишь одного аргона в однокамерном стеклопакете ведет к повышению сопротивления газового промежутка до 10 % по сравнению с воздушным промежутком. В тоже время применение аргонового заполнения одновременно
с теплоотражающим покрытием ведет уже к повышению сопротивления газового промежутка до 30 %.
Еще одним способом повышения теплотехнических свойств светопрозрачных конструкций является применение вакуумного стеклопакета, конструкция которого представляет собой два листа плоского стекла, одно из них
или оба имеют теплоотражающее покрытие и соединены между собой через
узкие рамки. По всему полю стеклопакета между стеклами устанавливаются
прокладки с низкой теплопроводностью. С помощью специального вакуумного насоса происходит откачка воздуха из стеклопакета, и в межстекольном
пространстве создается вакуум.
Преимущество таких пакетов в том, что они практически исключают
конвективную составляющую тепловых потерь за счет создания в межстекольном пространстве вакуума, а лучистая составляющая снижена за счет использования теплоотражающих покрытий. Как показывают расчеты и анализ,
126
Материалы 58-й научно-технической конференции
при использовании теплоотражающих стекол, возможно достичь значения
сопротивления теплопередаче вакуумных стеклопакетов более 1 м2оС/Вт.
За счет того, что вакуумные стеклопакеты имеют малую толщину, их можно
использовать и для реконструкции существующих окон.
Одним из эффективных способов повышения температуры внутреннего
остекления является электрический обогрев окон [2]. Стеклопакеты с электронагревом представляют собой изделие, состоящее из двух или трех листов
стекла, как минимум одно из которых, энергосберегающее низкоэмиссионное
с твердым покрытием, на котором установлены электроды с выводами для
подключения к источнику электрического тока. Идея базируется на принципе
выделения тепла при прохождении электрического тока по покрытию низкоэмиссионного стекла.
Обогреваемый стеклопакет имеет следующие преимущества:
– выравнивает разницу температур внутреннего стекла и воздуха в помещении, в результате чего меняется циркуляция воздуха вблизи стекла, что
позволяет создать наиболее комфортные условия в помещении при минимальных затратах на отопление.
– предотвращает образование конденсата на светопрозрачных конструкциях, препятствует образованию плесени и грибков на всех поверхностях.
– позволяет автоматизировать поддержание постоянного микроклимата
в помещении.
– применение стеклопакетов с электронагревом в остеклении светопрозрачных крыш позволяет удалять снег и лед с поверхности остекления, значительно снижает металлоемкость несущих конструкций и повышает их безопасность, устраняет дополнительные нагрузки от снега и льда.
– позволяет максимально эффективно использовать естественное освещение.
– стеклопакеты с электронагревом рекомендуется использовать в остеклении промышленных объектов, где температура, влажность, отсутствие конвекционных потоков воздуха является неотъемлемой частью технологического процесса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гныря, А.И. Термические сопротивления заполнений оконных блоков // Известия ВУЗов. Строительство / А.И. Гныря [и др.]. – 1998. – № 11, 12. – С. 90–94.
2. Гныря, А.И. Использование обогрева межстекольного пространства для повышения теплотехнических характеристик окон с тройным остеклением // Строительные материалы /
А.И. Гныря [и др.]. – 2000. – № 11. – С. 10–12.
3. СНиП II–3–79*. Строительная теплотехника / Госстрой России. – М. : ГУП ЦПП, 2001. –
29 с.