Правильное стекло для стеклопакета

Для обеспечения энергетической эффективности окон, балконных дверей, витрин, витражей и других прозрачных конструкций из стекла, применяемых в зданиях и сооружениях, необходимо обеспечить минимальные суммарные затраты энергии не только на отопление, но и кондиционирование, вентиляцию, освещение помещений.

Создание теплозащитных и солнцезащитных стекол с твердым и мягким покрытиями, цветных стекол (окрашенных в массе) и использование самоочищающегося стекла со специальным покрытием, технологии производства которых за последние годы значительно усовершенствованы, сделало возможным применение стеклодеталей, регулирующих приток солнечного излучения, одновременно обеспечивая высокое светопропускание, теплоизолирующие свойства, защиту от шума.

Новые типы стекол позволяют придать остеклению солнцезащитные и теплоизоляционные свойства, предотвращающие потери тепла из помещения в холодную погоду и избыточное поступление солнечного тепла летом. Учитывая то, что при производстве окон применяемые профильные системы в большинстве своем обеспечивают довольно хорошие результаты по сопротивлению теплопередаче по сравнению с остеклением, поэтому мы остановимся подробнее на светопрозрачных конструкциях.

По разным данным, через светопрозрачные ограждающие конструкции зданий теряется от 40 до 50% тепловой энергии.

Существует несколько путей потери тепла. Во-первых, теплопроводность самого стекла. Сократить потери тепла в этом случае можно увеличением количества стекол в оконной системе. Например, в некоторых многоэтажных домах, построенных в конце прошлого века, устанавливались деревянные рамы с тройным остеклением. Во-вторых, потери тепла, обусловленные конвекцией воздуха. Эта проблема была решена в результате создания герметичного стеклопакета. Наконец, в-третьих, инфракрасное излучение, на долю которого приходится до 70% потерь тепла. По этому вопросу отметим следующее.

Придание энергосберегающих свойств стеклу связано с нанесением на его поверхность низкоэмиссионных оптических покрытий, а само стекло с таким покрытием получило название низкоэмиссионного. Эти покрытия обеспечивают прохождение в помещение коротковолнового солнечного излучения, но препятствуют выходу из помещения длинноволнового теплового излучения, например, от отопительного прибора. Такая избирательность получила название эмиссионной способности (поэтому стекла с такими покрытиями еще называют «селективными стеклами»). Чем ниже эмиссионная способность стекла, тем выше его энергосберегающие свойства.

Солнцеотражающие покрытия делятся на две основные категории — неселективные (отражают солнечную радиацию во всем спектре солнечного излучения) и селективные (пропускают видимый свет и отражают инфракрасное излучение с длиной волны около 0,78 мкм, куда относится и тепловое излучение). Все селективные покрытия относятся к
категории так называемых «мягких покрытий».

Характеристикой энергосбережения является излучательная способность стекла. Как известно, любое тело, в зависимости от своей температуры, излучает в пространство определенное количество энергии. Температура поверхности Солнца составляет около 6000 градусов Кельвина, и Солнце излучает не только в ультрафиолетовом и видимом, но и в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

Теплозащитные качества стекол определяются относительной долей отражаемых ими инфракрасных лучей. Теплоотражающие покрытия характеризуются высокой отражательной способностью (до 95% в инфракрасном диапазоне). Это значит, что пропускательная и поглощательная способности таких покрытий низки. Согласно закону Кирхгофа, тела с низкой поглощательной способностью имеют низкую излучательную способность. Излучательная способность (эмиссия) любого серого тела оценивается в сравнении с максимальной излучательной способностью абсолютно черного тела при той же температуре с учетом степени черноты :

E = ε·Ео

где Е — плотность потока собственного излучения серого тела;

Ео — плотность потока собственного излучения абсолютно черного тела.

Значение для различных материалов изменяется в пределах от 0 до 1 и зависит от длины
волны падающего света. В инфракрасном (ИК) диапазоне степень черноты теплоотражающего покрытия должна быть минимальной. Покрытия, для которых степень черноты составляет = 0,03…0,15, получили название «Lоw–Е» (низкая излучательная способность).

Эмиссионная способность поверхности (Е) определяет излучательную способность стекла (у обычного стекла Е>0,83, а излучательная способность селективных стекол меньше 0,04), а следовательно, и способность «отражать» обратно в помещение тепловое излучение.

Следовательно, чем ниже эмиссионная способность, тем меньше потери тепла. При этом,
стекло с оптическим покрытием, имеющим значение эмиссионной способности Е= 0,004, отражает обратно в помещение свыше 90% тепловой энергии уходящей через окно.

Существует два вида низкоэмиссионных покрытий — «мягкое» и «твердое», отличающиеся и технологией нанесения, и эксплуатационными характеристиками, к числу которых относятся теплофизические, механические и экономические параметры.

«Твердое» или «мягкое» покрытие?

Одной из разновидностей такого стекла является К-стекло или энергосберегающее стекло с жестким покрытием. Иначе его называют стеклом с «твердым» покрытием. Такое стекло имеет покрытие на основе оксида олова (полупроводниковое покрытие). Наносится покрытие непосредственно на одной из стадий производства флоат-стекла по технологии on-line («на линии», англ.). Действительно, К-стекло значительно уменьшает теплопроводность окна.

«Мягкое покрытие» стекла на основе серебра, обозначаемое в литературных источниках как i-стекло, наносится на готовое флоат-стекло по технологии off-line («вне линии», англ.) и удерживается на стекле силами молекулярного взаимодействия. У «мягких» покрытий эмиссионная способность самая низкая.Такие свойства могут быть получены за счет применения в качестве функционального (рабочего) слоя многослойной системы на основе серебра. Типичное расположение отдельных слоёв представлено на рисунке .



«Мягкое» покрытие наносится на обычное флоат-стекло методом катодного распыления в магнитном поле в условиях вакуума. Такое покрытие подвержено влиянию внешней среды (отсюда термин «мягкое»). Поэтому покрытие должно быть обращено внутрь стеклопакета. Оптимальный эффект достигается в том случае, если покрытие в стеклопакете находится на внутренней поверхности стекла, обращенного в помещение. В таком случае будет достигнута максимально возможная величина солнечного фактора g (полученная совокупная теплоэнергия от солнца) при оптимальной величине коэффициента теплопроводности k (или принятого у нас коэффициента сопротивления теплопередаче R — величина обратная k).

Для иллюстрации эффективности использования энергосберегающих стекол приведем некоторые результаты исследований различных стеклопакетов в климатическом комплексе ОАО «КиевЗНИИЭП».



Нужно учитывать, что k и R0 реальной оконной системы зависят от множества факторов и
в большинстве случаев сильно отличаются от расчетных величин, поэтому их точные значения можно определить только экспериментальным путем. Методики испытаний, принятые в России и странах ЕС, сильно отличаются. Если в Европе измерения производятся по единственной точке в средней части стеклопакета, то по нашим стандартам параметры системы измеряются в нескольких краевых и одной центральной точке, после чего полученные значения усредняются по площадям. Эти значения сильно отличаются в сторону уменьшения, причем не существует и надежной методики перевода из одной системы в другую. По этой причине специалисты в основном ориентируются на значения, полученные экспериментальным путем по нашим методикам.

Достоинства и недостатки применения стеклопакетов с энергосберегающим стеклом

Во-первых, і-стекло отражает длинноволновые тепловые лучи в сторону их излучателя (то есть зимой в сторону квартиры, где работают отопительные приборы, а летом в сторону улицы, где находятся нагретые солнцем камни, асфальт и т.д.), что значительно снижает расходы на отопление зимой и на кондиционирование летом. Иными словами, покрытие оставляет тепло там, где его больше.

Твердое покрытие стойко к механическим воздействиям, его можно использовать даже при одинарном остеклении. Мягкое легко деформируется, поэтому та сторона стекла, на которую нанесено такое напыление, обязательно должна быть обращена внутрь стеклопакета.

К-стекла имеют целый ряд достоинств: они улучшают теплоизоляцию и, соответственно, затраты на отопление, оптимизируют поступление в помещение солнечного тепла, уменьшают конденсацию и к тому же хорошо пропускают свет. Внешне k-стекло похоже на обычное прозрачное. Влияние низкоэмиссионного покрытия на светопропускаемость и отражение едва заметно.

I-стекло по техническим характеристикам превосходит своего собрата «на букву k». Использование стеклопакетов с i-стеклом позволяет не только существенно повысить комфорт в помещении, но и добиться снижения энергозатрат. В течение отопительного сезона тепло, сохраняемое окном средних размеров с i-стеклом, эквивалентно эффекту от сжигания 120 кг жидкого топлива.

Кстати, если «твердое» покрытие позволяет сохранить в помещении примерно 70% теплового потока, падающего на окно, то «мягкое» — все 90% и даже больше. За счет более высоких энергосберегающих свойств i-стекла можно отказаться от двухкамерного стеклопакета, ограничившись однокамерным, что в значительной мере облегчает конструкцию.

Следует также отметить, что при использовании энергосберегающих стекол экономия энергии в помещениях возможна не только благодаря защите от потерь тепла, но и за счет снижения потерь на кондиционирование, которые порой превосходят расходы на отопление в 2–3 раза.

Единственный, пожалуй, недостаток i-стекол — низкая абразивная стойкость, доставляющая определенные неудобства при транспортировке. Однако поскольку покрытие всегда обращено внутрь стеклопакета, при эксплуатации это не сказывается.

Низкоэмиссионное стекло с «мягким» покрытием в среднем примерно в 2–2,5 раза дороже
обычного. Но расчеты показывают: за счет экономии энергоносителей дополнительные вложения окупаются в течение 1,5–2 лет. Также надо учитывать, что наряду с прямой окупаемостью существует целый ряд факторов, стимулирующих спрос на низкоэмиссионные стекла. Например, благодаря снижению веса стеклопакета удается сохранить геометрию окна и снять проблему долговечности фурнитурных элементов в оконном переплете.

Процесс получения качественного низкоэмиссионного стекла довольно трудоемок и требует от производителя высочайшей квалификации. Неслучайно в мире существует всего несколько компаний, выпускающих энергосберегающие стекла в больших объемах.

«Твердое» покрытие обладает меньшей эффективностью и большей стоимостью, но оно
прочнее мягкого покрытия, а также, с точки зрения переработчиков, имеет определенные технологические преимущества. Дело в том, что при сборке стеклопакетов, в которых используется Low-E-стекло с «твердым» покрытием, отсутствует ряд технологических операций, неизбежных при работе со стеклом с «мягким» покрытием. К таким операциям относится, в частности, снятие покрытия с кромки стекла на ширину около 10 мм по всему периметру полотнища, обеспечивающее необходимый уровень адгезии герметика к стеклу в зоне примыкания к дистанционной рамке. Твердое покрытие не снижает уровень адгезии, поэтому необходимости в удалении низкоэмиссионного слоя нет. Кроме того, стекло с твердым покрытием имеет неограниченный срок годности и может эксплуатироваться в оконных системах с одинарным остеклением, а материалы с «мягким» покрытием должны использоваться не позднее, чем через 3 месяца после отгрузки от изготовителя и предназначены только для стеклопакетов.

Все это значительно усложняет выбор типа покрытия, применение которого было бы оптимальным в каждом конкретном случае. По мнению специалистов, более высокая эффективность стекол с «мягким» покрытием, а также наметившаяся тенденция снижения стоимости этого материала приведет к постепенному снижению доли стекол с «твердым» покрытием. Косвенное подтверждение этого: в странах Западной Европы около 80% зданий, в ограждающих конструкциях которых использованы материалы типа Low-E, остеклены стеклами с «мягким» напылением.

Помимо защиты от холода, дождя, шума, обеспечения воздухообмена, окна должны обеспечивать помещения естественным светом. Это одна из основных функций окна.

Сохранение показателей высоких коэффициентов светопропускания стекла обеспечивает
максимально эффективное использование всех преимуществ естественного освещения. Известно, что размеры остекления для каждого помещения должны учитывать необходимый уровень естественной освещенности и пропускания света. Бесцветное стекло выбирают для того, чтобы в помещение проникало как можно больше света.

Так, минимальный коэффициент светопропускания света для прозрачных стекол в зависимости от номинальной толщины от 2 мм до 10 мм уменьшается и составляет от 89% до 79%. Этот показатель для наиболее распространенных типов стеклопакетов уже равен от 75% до 65%.

При нанесении теплосберегающих покрытий, светопроницаемость изменяется незначительно и практически не отличается от обычного изолирующего остекления. Оценка нейтральности по шкале от 0 (черный) до 100 (нейтральное) показывает, что этот коэффициент у стеклопакета из обычного стекла составляет 99, а с i-стеклом — порядка 98, т.е. практически стеклопакеты неотличимы визуально. Прозрачное листовое стекло толщиной 4 мм (в зависимости от марки стекла) пропускает 85-90% видимого света, отражает около 8% и лишь 2-7% видимого излучения поглощается стеклом. УФ и ИК излучение до 2500 нм проходит сквозь стекло лишь частично (примерно 75 и 80% соответственно), а при длинах волн более 2500 нм поглощается практически полностью.



В то же время применение солнцезащитного стекла с низким коэффициентом теплопередачи делает возможным использование больших площадей остекления без значительных потерь тепла и затрат на кондиционирование и отопление. Это существенно расширяет архитектурно-дизайнерские возможности проектирования и строительства как современных зданий и сооружений, так и реконструируемых. Для обеспечения сбалансированного микроклимата в зданиях и сооружениях необходимо использовать солнцезащитные возможности остекления.

Стекло должно решать не только проблемы обеспечения людей естественным светом, защищать от шума, излишнего солнечного излучения, влаги, но и вопросы безопасности и надежности конструкции.

Коэффициент направленного пропускания света стекол с солнцезащитным покрытием, стекол, окрашенных в массе, многослойных стекол с солнцезащитными свойствами может быть значительно ниже бесцветного стекла. При выборе варианта остекления следует рассчитывать количество световых проемов и их размеры, исходя из требований и нормативов уровня естественной освещенности помещений.

Для остекления окон и балконных дверей обязательным является применение стеклопакетов класса 1 (сопротивление теплопередаче 0,54 — 0,64 м2. °С/ Вт) и класса 2 (сопротивление теплопередаче 0,65 — 0,84 м2.°С/ Вт). При строительстве энергоэффективных зданий рекомендуется использовать стеклопакеты 3 класса (сопротивление теплопередаче 0,85 — 1,24 м2.°С/ Вт) и 4 класса (сопротивление теплопередаче более 1,24 м2.°С/ Вт).

Черных Л.Ф., руководитель отдела строительной теплофизики КиевЗНИИЭП, к.т.н., ст.н.с.;
Одринская В.А., председатель подкомитета ТКС «Строительное стекло»;
Бондарева О.С., мл.н.с.