Светопрозрачные ограждающие конструкции (методы снижения тепловых потерь и мировой опыт применения)

Подковырина Ксения Алексеевна преподаватель, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Podkovyrina Kseniya Alekseevna Educator, the department of Building Engineering and Real Estate Expertise, Siberian Federal University 660028, Russia, Krasnoyarsk, Prospekt Svobodnyi 82 A suusha92@mail.ru Другие публикации этого автора

Подковырин Владимир Сергеевич аспирант, Сибирский федеральный университет 660028, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Podkovyrin Vladimir Sergeevich Post-graduate student, the department of Building Design and Real Estate Expertise, Siberian Federal University, Architectural Engineer, LLC “Noria” 660028, Russia, Krasnoyarsk, Pereulok Svobodnyi 82a v.pdk@yandex.ru Другие публикации этого автора

Введение

Природные условия региона строительства играют важную роль при подборе светопрозрачных ограждающих конструкций с позиции теплотехнических параметров. В регионах с неблагоприятными, холодными климатическими условиями оконным блокам необходима высокая способность пропускать внутрь помещения энергию Солнца, при этом они должны обладать подходящими теплозащитными характеристиками. В районах с жарким климатом окнам необходимы теплозащитные свойства для уменьшения затрат на охлаждение помещений.

Потери тепла посредством оконной конструкции происходят через профиль, остекление, краевые зоны и монтажные узлы. Для изготовления профиля применяют разнообразные материалы, такие как поливинилхлорид, дерево, алюминиевые сплавы и т.д. Каждый материал, а соответственно и профиль из этого материала, имеет различные свойства, теплозащитные характеристики и конструкцию. В качестве остекления в настоящее время чаще всего применяются стеклопакеты. В работе ^[1] при отрицательных наружных температурах были исследованы температуры на разных частях внутренней поверхности оконной конструкции и установлено, что на стеклопакете температура всегда ниже, чем на профиле. В структуре общей площади оконного блока 70% приходится на стеклопакет, а на профиль - оставшиеся 30%, при этом в общей стоимости 1м2 окна стоимость стеклопакета составляет 30%, а стоимость профиля 70%. Таким образом, разумнее минимизировать потери посредством светопрозрачных ограждающих конструкций за счет применения энергоэффективных стеклопакетов. ^[2]

Основная часть

При нормировании потерь тепла основным теплотехническим показателем, применяемым в России, является приведенное сопротивление теплопередаче, а за границей используют показатель U-factor - величину, обратную сопротивлению теплопередаче.

Повышение приведенного сопротивления теплопередаче стеклопакета достигается тремя основными методами:

- увеличением ширины камер и их количества;

- применением низкоэмиссионных стекол;

- заполнением камер инертным газом.

Теплопередача происходит тремя способами: теплопроводностью, конвекций и излучением (лучистый теплообмен). Процесс передачи тепла через оконные конструкции связан со всеми тремя видами теплопередачи, однако особое внимание необходимо обратить на излучение и конвекцию, так как эти процессы преобладают в светопрозрачных ограждающих конструкциях.

Энергосберегающие свойства стеклу придаются путем нанесения на его поверхность оптического покрытия, за счет напыления металлов. Такое покрытие, благодаря низкой излучательной способности (эмиссии), сдерживает выход из помещения теплового излучения, длина волны которого меньше 16000 нм, но в то же время обеспечивает прохождение коротковолнового солнечного излучения внутрь помещения. Чем ниже эмисситет поверхности, который определяет излучательную способность стекла, тем меньше потери тепла (у энергоэффективного стекла эмисситет поверхности равен 0,04, а у обычного стекла марки М1 эмисситет равен 0,83). На рисунке 1 представлен принцип работы низкоэмиссионного стекла.

Рис. 1 - Принцип работы низкоэмиссионного стекла

В процессе изготовления низкоэмиссионных стекол используется два типа покрытий:

- твердое низкоэмиссионное покрытие (K – стекло);

- мягкое низкоэмиссионное покрытие (I – стекло).

Для придания теплосберегающих характеристик K –стеклу при изготовлении на его поверхность при высокой температуре методом химической реакции (пиролиз) из окислов металлов InSnO2 наносится тонкий слой, который является прозрачным, но в то же время обладает электропроводностью. Эмисситет поверхности при этом равен 0,2. Для придания теплосберегающих характеристик I – стеклу при изготовлении вакуумным напылением создается трехслойная (или более) структура из чередующихся слоев серебра диэлектрика (BiO, AlN, TiO2, и т.п.). Эмисситет поверхности при этом равен 0,04. ^[4]

На энергосберегающие характеристики оконной конструкции влияют свойства газа, который заполняет камеры стеклопакета. При заполнении камер инертным газом, стеклопакет имеет более высокие теплоизоляционные свойства, по сравнению со стеклопакетом, камеры которого заполнены сухим воздухом. В связи с тем, что любой инертный газ имеет плотность намного больше, чем сухой воздух, в вязкой среде снижаются теплопотери за счет конвекции, следовательно, повышаются теплозащитные свойства конструкции. Кроме того инертный газ имеет коэффициент теплопроводности ниже, чем сухой воздух, поэтому потери тепла за счет теплопроводности так же снижаются. Свойства сухого воздуха и инертных газов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Свойства воздуха и инертных газов

В мировой истории после энергетического кризиса 1970х годов началось масштабное развитие энергоэффективных зданий, а вследствие этого развитие энергоэффективных оконных блоков. Сначала разработчики пытались повысить теплозащитные свойства окон, не меняя их конструкции, путем применения на стекла полимерных пленок, однако этот способ не ввели в эксплуатацию из-за низкой пропускной способности получившихся стекол. Далее было предложено заполнить камеры стеклопакета инертным газов вместо сухого воздуха ^[5]. В современное время в Западной Европе и США масштабно применяются стеклопакеты, камеры которых заполнены аргоном, криптоном и аргоно-криптоновыми смесями. К сожалению, в России инертные газы для заполнения камер стеклопакетов применяются не так широко, как заграницей. Более того, в Российской Федерации если же используют инертный газ, то чаще всего применяют аргон из-за его доступности и относительно недорогой цены, хотя по теплопроводности и плотности он уступает криптону, который оказывается значительно эффективнее для повышения тепловой защиты.

Впервые низкоэмиссионное стекло было разработано в 1981 году. Его созданием при финансовой поддержке Министерства энергетики США занимались компании Lawrence Berkeley National Lab и Southwall с 1976 года. Появление низкоэмиссионных стекол стало новым словом в стекольной индустрии, так как в ближайшее время после их разработки примерно 20% жилого сектора США применило окна с этими стеклами. Большую популярность получили стекла с мягким низкоэмиссионным покрытием, так как по энергосберегающим свойствам они превосходят стекла с твердым низоэмиссионным покрытием, ввиду более низкого эмисситета, и в то же время процесс производства K – стекла является более трудоемким и дорогостоящим. I – стекло тоже имеет свои недостатки, например низкую стойкость покрытия к механическим повреждениям. Для устранения этого недостатка в процессе производства стеклопакета I – стекло устанавливают покрытием внутрь, и вследствие этого оно не подвергается повреждениям. Следующим этапом в развитии энергоэффективных стекол считаются динамические стекла. Они обладают способность изменять свою прозрачность и реагировать на понижение или повышение температуры. Динамическое стекло представляет собой сложный продукт, состоящий из семи слоев. Рабочие слои (ионизированные и электрохроматические) разделяются электролитом и заключаются между токопроводящими оксидными плёнками с внутренней стороны, а с наружной стороны расположены слои обычного стекла. Затемнение стекла вызывает напряжение, которое подается на оксидные электроды, а обратный ток улучшает прозрачность стекла. ^[6].

Лидером по использованию энергосберегающих разработок в гражданском строительстве является Германия. Так же широко применяют энергоэффективные технологии Великобритания, Словения, Франция, Дания. Россия немного отстает от них, но, несомненно, движется в этом направлении. Причинами не такого активного прогресса в области энергосбережения являются более жесткие климатические и экономические условия, однако в Сибири, где в таких городах, как Красноярск отопительный сезон продолжается 233 дня, необходимо сохранять как можно больше тепла в гражданских зданиях, хотя это и является достаточно трудной задачей. Климатические условия в Сибири являются неблагоприятными. Климат в Восточной и Центральной Сибири считается резко-континентальным с суровыми морозами в зимний период, который длится продолжительное время. Наиболее часто природные условия Сибири приравнивают к условиям Канады, Аляски, Финляндии, Скандинавии, однако это не совсем корректно. Россия по большей части – это северная страна. Около 70% ее территорий имеют официальный статус районов Крайнего Севера и приравненных к ним местностей с суровыми климатическими условиями (около 12000 км²). В таких районах живет чуть более 11,5 миллиона человек, но в то же время плотность населения считается низкой (около 1 человек на км²). Тем не менее российский Север многолюднее, чем американский. Самые северные территории РФ не так пустынны, как северные территории Канады, для которых среднегодовая температура составляет «-4,4°С», более того канадцы расселены так, что живут при температурах около «+5,8°С». Морозы в Канаде и России длятся более 200 дней. Доля районов с продолжительными зимами в Канаде составляет 73%, а количество жителей - 2,5%. В России доля таких районов составляет 69%, а количество жителей 8,5% ^[7]. Учитывая вышеизложенный материал, мороз на канадской и российской территориях почти одинаков. Но их север не такой многолюдный, население сосредоточено на южной границе. В свою очередь, вода морей и океанов, которая заходит внутрь страны, влияет на климат и смягчает его. Таким образом, говорить, что климатические условия Сибири идентичны условиям в Канаде не совсем корректно.

Заключение

Сохранять тепло в домах, которые находятся в регионах с неблагоприятными, холодными климатическими условиями, где отопительный сезон длится около двух третьих года, является одной из основных задач на стадии проектирования и эксплуатации зданий. В структуре теплопотерь жилого дома большую часть занимают стены и окна, а так как суммарная площадь окон на фасаде в разы меньше площади стен, но суммарные потери тепла через окна сопоставимы с потерями через стены, то большое внимание необходимо уделять подбору и правильной установке светопрозрачных ограждающих конструкций. Следует применять оконные блоки, стеклопакеты которых имеют две камеры, заполненные инертным газом, а внутренние стекла являются низкоэмиссионным. В мировом опыте применения энергоэффективных технологий Россия немного отстает от Германии, Америки, Великобритании, Франции, но стоит отметить, что в нашей стране более жесткие климатические и экономические условия.