Архитектурное строительное стекло

Международные выставки, рекламные буклеты предлагают потребителю современные энергоэффективные системы ведущих мировых производителей. Это говорит о том, что в Украине появились импортные комплектующие по изготовлению оконных систем. Однако предложения по энергоэффективному стеклу минимальны, что связано с условиями его транспортировки, определенными правилами и требованиями хранения, а также технологиями сборки стеклопакетов. В Украине производство энергоэффективного стекла отсутствует, что связано с высокой стоимостью импортного оборудования.

Стекло с заданными специальными физическими свойствами называют архитектурным.

Сегодня речь пойдет о конкретных физических свойствах архитектурного строительного стекла, улучшающих качественные характеристики для зданий различного назначения.

Стекла, пропускающие активные ультрафиолетовые лучи солнечного излучения

Использование этих стекол приобретает большое значение при проектировании и строительстве больниц, яслей, детских садов, школ, т.к. активные ультрафиолетовые лучи благотворно влияют на развитие и жизнедеятельность человека. Стекла, пропускающие ультрафиолетовые лучи, подразделяются на силикатные, боросиликатные и фосфатные. Данная способность стекла предопределяется его химическим свойствам. Наиболее прозрачным является чистый плавленый кварц, однако из-за сложности и дороговизны технологии производства в строительстве такое стекло не используется. Производство стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи, основывается на соответствующей сырьевой базе, производимой химической промышленностью в ограниченных количествах. Это фосфат кальция, алюминия, калия, магния, бария, которые используются при варке стекла. Такие стекла выпускаются за рубежом для строительных нужд. Существует зависимость пропускания ультрафиолетовых лучей от толщины стекла – она максимальна при минимальной толщине стекла. Кроме того, загрязнение стекла снижает пропускание ультрафиолетовых лучей, что уменьшает эффект его применения.

Стекла, поглощающие ультрафиолетовое излучение

Применение такого стекла обусловлено конкретным объектом и требованиями освещенности, например, для хранения книг, картин, документов, библиотечных залов, картинных галерей, музеев. Существует большой ассортимент стекол, отличающихся избирательной способностью поглощения ультрафиолетового излучения, разрушающе действующих на бумагу, краски, чернила, ткани. Стекла, активно поглощающие ультрафиолетовое излучение, могут быть окрашенными в массе и с окисно-металлическими покрытиями. Первые определяются химическим составом окислов, входящих в состав стекла. Такие стекла "работают" как светофильтры, поглощающие не только ультрафиолетовые лучи, но и фиолетовые и синие лучи видимого света, и имеют слабую желтую окраску. Такие стекла полностью исключают влияние ультрафиолета и могут применяться в качестве экранов от искусственных источников ультрафиолетового излучения. Стекла с окисно-металлическими покрытиями получают в результате воздействия на поверхностные свойства стекол не только химическим составом покрытия, но и условиями его синтеза.

Один из методов получения окисно-металлических покрытий основан на реакциях гидролиза солей металлов при высоких температурах на поверхности стекла. Окисно-металлические покрытия, непрозрачные для ультрафиолетовой радиации, могут быть как бесцветные – SnO2, так и цветные SnO2 (Sn) ,CrO3,CnO, CO3O4 и др. Все пленки наносятся на стекло чрезвычайно тонко, их толщина соизмерима с длиной видимого света.

Теплоизоляционные стекла

Один из способов защиты помещений от вредного воздействия солнечной радиации – применение стекол, поглощающих или отражающих инфракрасную часть солнечного спектра. Солнечная радиация, проходя через любое стекло, частично отражается и частично поглощается стеклом, а оставшаяся часть проходит внутрь помещения, вызывая его перегрев. Использование теплопоглощающих и теплоотражающих стекол как способ защиты от солнечного излучения позволяет сохранить высокие уровни естественного освещения помещения и экономить электроэнергию, затрачиваемую на кондиционирование воздуха.

Теплопоглощающие стекла, окрашенные в массе, определяются химическим составом, обладающим способностью поглощать инфракрасную часть солнечного спектра. К таким соединениям относятся окислы меди, кобальта, железа и никеля. Недостатком теплопоглощающих стекол является их нагрев и требование вентиляции межстекольного пространства. Теплоотражающие стекла имеют высокую отражательную способность инфракрасного спектра солнечного излучения, благодаря чему нагреваются в несколько раз меньше, чем теплопоглощающие окрашенные в массе. Это дает возможность применять их в стеклопакетах, где отсутствует вентиляция межстекольного пространства. Температура внутренней поверхности внутреннего (обращенного в помещение) стекла стеклопакета или двойного остекления и воздуха помещения, в которых установлен наружный ряд из стеклоотражающих стекол, оказывается значительно ниже, чем у стеклопакетов или обычного остекления. Таким образом, если имеются два идентичных по коэффициенту эффективности теплозащиты стекла и перед проектировщиками стоит вопрос, какое из них применить в строительстве – теплопоглощающее или теплоотражающее, следует отдавать предпочтение последнему. При монтаже светопрозрачных конструкций с использованием теплопоглощающего стекла при расчете его размеров необходимо учитывать коэффициент термического расширения. Недопустимо наличие на торцах сколов и повреждений, которые приводят к разрушению стекла. Теплозащитные стекла имеют пониженное, по сравнению с обыкновенными, светопропускание. Снижая светопропускание стекла, можно добиться значительного повышения коэффициента его тепловой защиты. Однако снижение коэффициента светопропускания должно иметь разумные пределы и лимитироваться нормируемым коэффициентом естественного освещения.

Наличие больших площадей остекления в современных жилых, общественных и промышленных зданиях приводит не только к перегреву помещений солнечной радиацией, но и к значительным теплопотерям в зимнее время. Это обусловлено относительно низким термическим сопротивлением стекла.

40% вырабатываемой энергии расходуется на отопление и кондиционирование помещений. В первом случае значительная часть энергопотерь происходит за счет того, что тепловое излучение (составляющее 9000-10000 нм) поглощается стеклом и в холодное время излучается на улицу, иными словами, стекло "отапливает" улицу. Мировой энергетический кризис 1973 года заставил обратить внимание проектировщиков на экономию энергоресурсов за счет создания энергоеффективных светоограждающих конструкций. Впервые попытки создания энергоеффективных окон были предприняты в США на заводах Форда, где устанавливалось высокопроизводительное технологическое оборудование, позволяющее производить сотни тысяч квадратных метров окон с функциональным назначением теплозащиты и теплоотражения. Несмотря на то, что США – мировой лидер производства электроэнергии, применение энергоэффективного стекла экономит 6% вырабатываемой там энергии. Объем закупок такого стекла составляет более 9 млрд. долларов в год. Стоимость энергоресурсов, рост тарифов на тепловую энергию, повышение требований к их экономии, поиск альтернативных источников энергии – все это заменило санитарно-гигиенический принцип проектирования, в частности светоограждающих конструкций, принципом приведенных затрат, увеличив требования к повышению сопротивления теплопередаче светоограждающих конструкций. Строительные фирмы развитых стран поощряют применение энергоэффективного стекла и вводят новые нормы теплофизических показателей. Энергоэффективные окна из источника потери тепла превращаются в источник его добычи. Солнечное тепло через окно, попадая в помещение, нагревает его, а в ночное время припятсвует теплопотерям.

В строительстве появилось направление биоклиматической архитектуры, использующее светоограждающие конструкции с функциональным назначением, в зависимости от расположения здания на север-юг, запад-восток.

В Украине в последнее время появилось импортное оборудование и комплектующие по изготовлению стеклопакетов и оконных систем с высокими теплотехническими показателями. Однако развитие индустрии создания ресурсосберегающего стекла сдерживается из-за отсутствия высокопроизводительного отечественного и высокой стоимости импортного оборудования.

Мировыми лидерами производства ресурсосберегающего стекла являются компании Alaverbel (Бельгия), Pilkington (Англия), Interpaine (Германия), Sun-Goben (Франция).

Наиболее эффективным энергосберегающим является стекло с покрытием серебра, нанесенным методом магнетронного распыления в вакууме, благодаря чему снижается степень черноты (напомним, для стекла степень черноты E = 0,95), а значит, его излучательная способность. Применение серебра в качестве покрытия обусловлено высокими электрической проводимостью и прозрачностью для видимого света. Тепловое излучение возбуждает колебательное движение свободных электронов, частота которых равна частоте излучения. Причем электроны генерируют собственное излучение, которое регистрируется как отраженная радиация. Такое стекло пропускает полностью видимый свет, частично инфракрасное излучение и до 90% отражает тепловое излучение помещения. Это стекло можно использовать в конструкциях стеклопакетов исключительно покрытием внутрь. Необходимо жестко соблюдать условия транспортировки и хранения такого стекла. Последнее составляет не более 8-ми месяцев, и только в герметичной заводской упаковке в помещении без значительных колебаний температуры и влажности воздуха. После вскрытия заводской упаковки стекло должно быть использовано в течение двух месяцев; порезанные же листья стекла – не более чем через три недели. Перед установкой стекла в стеклопакет необходима его сложная технологическая обработка: стекло режут только со стороны покрытия; снимают слой покрытия шириной 8 мм по периметру листа для обеспечения адгезии дистанционной рамки стекла и герметика. Для увеличения приведенного сопротивления теплопередаче стеклопакет заполняют инертным газом – аргоном.

Самоочищающиеся стекла

Загрязнение светоограждающих конструкций в городе является актуальной проблемой, решить которую можно с помощью использования самоочищающегося стекла.

Для изготовления самоочищающегося стекла на внешнюю поверхность стекла наносится тонкая пленка (толщиной 15 нм) оксида титана. Благодаря взаимодействию пленки окиси титана (катализатор) и ультрафиолетового излучения грязь на поверхности стекла разлагается на легко смываемые водой "компоненты". Этот процесс, получивший название фотокаталитического и гидрофильного эффекта, способствует тому, что стекло всегда имеет красивый голубой отлив.

Благодарим за помощь в подготовке материала
ведущего инженера НТУУ "КПИ" Лобанова В.И.