Энергосберегающее стекло — актуальность проблемы
Остекленность фасада административного здания ИФНС по улице Станционной составляет 11,6 %. Для снижения теплопотерь через окна в течение последних десяти лет активно ведутся работы по таким основным направлениям: разработка составов стекол, окрашенных в массе; разработка технологий и оборудования для нанесения на стекло покрытий с целью снижения радиационной и конвективной составляющей теплопотерь через оконный проем; совершенствование конструкции оконного блока. Уменьшение теплопотерь через оконные проемы достигается прежде всего простым увеличением количества стекол в конструкции (одно, двух и т.д. камерные стеклопакеты).
Другим способом повышения энергоэффективности светопрозрачных конструкций является теплопоглощающее остекление, стекла покрывают металлическими или полимерными пленками. Коэффициент теплопропускания таких стекол составляет 0,2^0,6. В ряде стран применяют трехслойные теплоотражающие пленки, приклеиваемые к стеклам после окончания работ по остеклению. В этом случае удается снизить теплопропускание до 0,13 нм. Среди технологий теплопоглощающего остекления выделяется технология стеклопакетов типа «тепловое зеркало». Принцип действия «тепловое зеркало» — отражение тепла в сторону его источника, предотвращая проникновение тепла в помещение: в летнее время — наружу, а зимой — внутрь помещения. Уникальная конструкция «теплового Зеркала» объединяет положительные характеристики двухкамерного остекления и низкоэмиссионного покрытия стекла, позволяя достичь наиболее высоких показателей термического сопротивления окон, близкие по значениям к термическому сопротивлению стен. В основе предложенного решения лежит учет всех особенностей передачи тепловой энергии через светопрозрачные ограждающие конструкции, которая осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Окна с «тепловое зеркало» называют «самоокупаемыми». Подсчитано, что в среднем 1 м «теплового зеркала» экономит 340 кВт-ч в год. Повышенные затраты на установку «тепловое зеркало» быстро окупаются за счет экономии на системах отопления и кондиционирования. Установка «тепловое зеркало» при реставрации старых зданий окупается в течение 35 лет, в то время как замена старых окон на окна с обычными однокамерными стеклопакетами — только в течение 15-20 лет.
Основные достоинства стеклопакетов типа «тепловое зеркало»: — обеспечивают отсутствие потоков холодного воздуха и ощущения холода вблизи окон в зимнее время;
- позволяют сократить тепловые потери зимой на 60%;
- исключают солнечный перегрев летом без использования штор или затемненных стекол;
- позволяют снизить затраты на кондиционирование летом на 30%;
- поддерживают равномерную температуру в помещении в течении всего года;
- на 18% эффективнее противодействие внутреннему запотеванию;
- обладают улучшеными показателями звукоизоляции;
- предотвращают выцветание обоев, картин, обивки мебели и ковров.
Еще одним энергоэффективным способом является такой, при котором не меняя конструкции стеклопакета возможно улучшить его теплоизоляционные свойства. Для наполнения стеклопакетов предложили использовать инертные газы, обладающие большими вязкостью, плотностью и меньшей теплопроводностью, чем воздух. При этом уменьшаются конвекционные токи внутри стеклопакета, что приводит к снижению потерь тепла. Для заполнения стеклопакетов были предложены аргон и криптон, а также их смеси.
За последние годы в строительстве и остеклении стало широко использоваться листовое стекло с разнообразной свето- и теплопрозрачностью. Это стекло имеет различные оттенки и низкую излучательную способность, его получают путем введения в состав специальных красителей, либо нанесением на поверхность разнообразных покрытий. Последние могут быть реализованы на установках с использованием специального оборудования и химических реактивов физическим и химическим способом. Как правило, за рубежом все вновь вводимые и реконструированные объекты остекляются стеклопакетами.
По условиям зарубежных фирм появление загрязнения и конденсата в стеклопакетах возможно не ранее, чем через 5-20 лет. При этом затраты окупаются через 8-10 лет эксплуатации стеклопакета. Поэтому представляет определенный интерес рассмотрение видов стекол, поставляемых на рынок, и оценка их свойств.
Исследованиями установлено, что если через теплопоглощающее стекло, окрашенное в массе, в помещение проникает в среднем 64% солнечной энергии (теплопоступление снижается в 1,3 раза), то через солнцеотражающие стекла — 39%, что обеспечивает снижение в 2,2 раза.
В 70-х годах в Европе, а в 1983 г. в США, освоили выпуск теплоизолирующих стекол — стекол с покрытием, обладающих низкой излучательной (эмиссионной) способностью типа Low-E. Такие стекла пропускают в помещение извне коротковолновую часть солнечного спектра и одновременно задерживают (отражают) длинноволновое тепловое излучение от всех предметов, находящихся внутри помещения. Это обеспечивает сокращение потерь тепла в зимнее время. В летнее время солнечный свет проходит в помещение, но длинноволновая составляющая излучения солнца от окружающих объектов отражается, что обеспечивает снижение температуры в помещении, а соответственно, и расходов на кондиционирование
Как правило, покрытие типа Low-E состоит из трех слоев — адгезионного оксидно-металлического слоя (SnO2 Bi2O3, ZnO); основного слоя — серебра; и защитного оксидно-металлического, аналогичного адгезионному слою, обеспечивающих светопропускание стекла и внешнюю декоративность.
Металлические и оксидно-металлические покрытия получают методом вакуумного магнетронного напыления и пиролиза.
При первом (основном) способе — лист стекла с предварительно подготовленной поверхностью помещают в вакуумную камеру, снабженную специальным катодом с системой подачи на него отрицательного потенциала. Создание вакуума способствует образованию плазмы. Положительные ионы газа из горячей плазмы притягиваются к отрицательно заряженной мишени, представляющей собой источник металлизирующего покрытия. Положительные заряды, ударяясь о мишень, выбивают атомы, осаждаемые на поверхности стекла, формируя покрытие.Строение энергосберегающего стеклопакета представлено на рисунке 2.1
Рисунок 2.1 — Строение энергосберегающего стеклопакета.
1. i-стекло
1а. стекло с внутренней стороны
2. специальное покрытие ионами серебра (Ag)
3. газ аргон (Ar) в воздушной камере
4. дистанционная рамка
5. первый изолирующий барьер
6. осушитель (абсорбент)
7. второй изолирующий барьер
При этом аргон абсолютно безвредный газ без цвета, запаха и вкуса, который вопреки заявлениям многих никуда не улетучится через полгода, т.к. с одной стороны этому препятствует серебряное покрытие (инертные газы не проходят сквозь металлы), с другой — дистанционная рамка с двойным слоем изоляторов.
Аргон — это инертный газ, который предохраняет серебро от окисления в процессе взаимодействия с воздухом, т. е. препятствует разрушению энергосберегающего покрытия стеклопакета. Но это не единственная цель, преследуемая производителями металлопластиковых окон и стеклопакетов к ним. Аргон также повышает уровень звукоизоляции, т.к. его динамический модуль упругости выше, чем у воздуха и повышает уровень теплоизоляции.
|
Таблица 2.2 — Сравнение характеристик аргона и воздуха.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Из таблицы следует, что теплопередача аргона ниже, чем воздуха, значит и теплоизоляция выше.
Теплоёмкость аргона почти вдвое ниже, чем воздуха. Соответственно, теплоизоляция почти вдвое выше, т.к. чем больше теплоёмкость, тем больше тепла требуется затратить для нагревания какого-то определенного количества газа.
Динамическая вязкость отвечает за интенсивность конвекционных процессов. Чем она выше, тем газ менее активен (argon с греческого переводится как ленивый, неактивный), т. е. конвекционный путь теплопотерь значительно снижается.
Серебряное покрытие отражает длинноволновое излучение. То есть в помещении не будет душно, а зимой тёплый воздух не уходит на улицу.
К тому же, подобная конструкция великолепно справляется с эффектом плачущих окон.
Суть вакуумных окон состоит в том, что между двумя листами стекла толщиной в 4 мм оставляется зазор на распорках толщиной не более 0,5-0,7 мм. Из данного зазора откачивается воздух.
Теплоизоляция достигается путем использования основного свойства вакуума — нулевой теплопроводности. В итоге конструкция получается толщиной не более 1 см, что уже значительно уже и проще в изготовлении, чем изготовление трехслойного стеклопакета.
Чтобы конструкция могла противостоять атмосферному давлению, разработчики предлагают в межстекольном пространстве равномерно устанавливать определенное число распорок, диаметром в 0,5 мм. Подобный диаметр не помешает прозрачности стекла и не ограничит видимости.
Особенностью производства вакуумного стеклопакета остается то, что необходимо использовать материалы, герметические свойства которых способны сохранятся очень длительное время. В вакуум не должны проникать молекулы воздуха. Кроме того, герметик должен быть эластичным и выдерживать давление атмосферы.
В сравнении с двухкамерным остеклением применение вакуумного стеклопакета позволит создавать относительно легкие конструкции. Уже сейчас разработчики признаются, что двухкамерные системы стоят на грани технических возможностей. Двухкамерное остекление на 50 % увеличивает вес конструкции по сравнению с однокамерным, что требует увеличения прочности несущих частей конструкции. Поэтому необходимым является использование качественного армирования для профилей ПВХ и специальной фурнитуры.
Причины, по которым предлагаемые энергоэффективные технологии не применяются в массовом масштабе
В России, несмотря на то, что в соответствии с действующими нормативными документами теплотехнические требования к окнам достаточно высоки, стекла с теплоотражающими покрытиями применяются не так широко. По нашим оценкам их применяют в 5-7% случаев.
По вопросу широкого применения энергоэффективных окон в строительстве приходится констатировать, что основной упор делается на установление более жестких норм по энергосбережению, в то время как требуется разработка и реализация комплекса мер по регулированию рыночных отношений и стимулированию участников рынка за внедрение мероприятий по энергосбережению.
Несмотря на имеющиеся производственные возможности, до настоящего времени энергоэффективные конструкции стеклопакетов остаются мало востребованными. К сожалению, значительная часть заказчиков изначально нацелена на установку наиболее дешевых оконных конструкций. За последние годы цены на жилье на рынке выросли в 2 раза, а цены на окна, наоборот, снизились в 2 раза. При постоянном увеличении стоимости 1 м жилья доля стоимости светопрозрачных конструкций неуклонно снижается, это происходит, как правило, одновременно с потерей качества.
Основными факторами, сдерживающими распространение криптонозаполненных стеклопакетов в России являются:
- низкая информированность производителей и потребителей;
- отсутствие нормативных документов;
- дискредитация самого факта газонаполнения стеклопакетов производителями низкокачественной продукции (несоблюдение технологии, некачественные материалы, несертифицированный газ и т.д.);
- заниженные проектные сметы на оконные конструкции;
- низкая платежеспособность населения.
С целью обеспечения последовательного увеличения доли энергоэффективных окон, повышения эффективности работ по энергосбережению в новом строительстве, при реконструкции, ремонте и эксплуатации зданий и сооружении необходима разработка и реализация комплекса мер по стимулированию внедрения мероприятий по энергосбережению, учитывающих экономические интересы как строителей и инвесторов, так и эксплуатирующих организаций и арендаторов или владельцев недвижимости. Необходим комплексный подход и четкая программа действий для решения задач, связанных с реформой ЖКХ. При этом приоритет должен быть отдан обновленным
конструкциям энергоэффективных окон, которые без утепления наружных стен должны позволить на 30% снизить энергопотребление при высокой рентабельности капиталовложений.
Выбор трех вариантов окон для последующего сравнения
Критерии отбора.
В здании ИФНС по улице Станционной были установлены двухкамерные стеклопакеты. Поэтому первым из сравниваемых вариантов было выбрано двухкамерное окно с коэффициентом теплопередачи 1,81 Вт/(м -°С). Вторым вариантом для сравнения было выбрано двухкамерное окно с аргоновым заполнением межстекольного пространства и с серебряным покрытием поверхности наружного стекла, так как такие стеклопакеты сравнительно недавно появились на оконном рынке Хабаровска. Необходимо проверить на сколько с экономической точки зрения оправдана установка таких окон, ведь коэффициент теплопередачи таких стеклопакетов равен 0,63 Вт/(м -°С), а стоимость выше чем у обычных не энергосберегающих окон. Третьим вариантом для сравнения было выбрано окно с тремя стеклами и вакуумированием межстекольного пространства. Коэффициент теплопередачи равен 0,474 Вт/(м -°С), что существенно уменьшает теплопотери по сравнению с обычными стеклопакетами и снижает нагрузку на систему отопления. Но целесообразно ли будет транспортировать эти окна из Москвы, так как в Хабаровске таких стеклопакетов не производят. В таблице 3.3 представлен сравнительный анализ трех видов окон по различным критериям.