Гибридные элементы из стекла для фасадов зданий

Share Проф., д. т. н. Андреа Диммиг Осбург (Andrea Dimmig-Osburg), Институт строительного материаловедения F. A. Finger-Institute

ВВЕДЕНИЕ Мотивация Проблема достижения теплового комфорта внутри зданий в основном относится к оболочке/фасаду здания [1]. Полная передача энергии через полупрозрачную систему подобна тому, что происходит в остеклении в сочетании с солнцезащитой с той разницей, что светопропускание дневного света в полупрозрачных системах обычно выше примерно на треть. Благодаря их специфической конфигурации, теплопередача сэндвич-элементов из стекла и пластика (СПС, стеклопластиковый сэндвич) примерно на 30% выше, чем у перспективных с этой точки зрения стеклопакетов, отвечающим требованиям директивы EnEV для энергоэффективности наружных стен, которая будет введена в действие через ряд лет. Если эти СПС-элементы используются для замены матовых стеновых элементов, тепловой комфорт и визуальное восприятие, как правило, улучшаются, и в то же время существенно снижаются потребности здания в обогреве. Таким образом, данные элементы являются существенными для развития идеи самообеспечивающихся и энергонезависимых зданий, которая базируется на концепции разделения понятий «потребность в энергии» и «комфорт внутри помещений».

Граничные условия

Если обратиться к нынешним требованиям по энергоэффективности и самообеспечиваемости современных зданий, то строительная физика дает ответ, что это в основном зависит от теплопроводности используемых материалов.
На рис. 1 показаны уровни теплопроводности различных строительных материалов по сравнению с обычным воздухом. Можно видеть, что вакуум имеет самый высокий энергосберегающий потенциал. Однако здесь возникают трудности по уплотнению кромки, которая должна обеспечивать долговременную газовую герметичность, то есть со временем могут возникнуть проблемы с точки зрения характеристик теплоизоляции.

Рис. 1. Теплопроводность различных строительных материалов

При разработке полупрозрачных элементов для формирования оболочек зданий большинство материалов разрабатывались именно с точки зрения теплоизоляции фасадов и крыш, и они не подходили с точки зрения малой светопроницаемости. Однако, когда разрабатывались СПС-модули, то одной из главных задач был подбор и испытание такого сочетания материалов, чтобы удовлетворить противоречивые требования.

ПРИНЦИПЫ ИСПЫТАНИЙ

Возможное решение при разработке СПС может быть достигнуто введением между двумя стеклами элемента полупрозрачного слоя с низкой теплопроводностью. Это комбинация высокой стойкости стекла и замечательных свойств пластика.
Исследования сосредоточились на испытаниях различных трубчатых элементов, способных быть эффективно произведенными, и наполнителей из стойких материалов с большим сроком службы, а также их сочетаний. При подготовке исследовались различные вариации (рис. 2), при этом проводились разные численные расчеты конфигурации СПС-элементов чтобы выяснить все «за» и «против» в смысле теплового сопротивления и поведения при максимальной несущей нагрузке. И вариант №6 был признан наилучшим [2].

Рис. 2. Вариации образцов для испытаний

ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Определение теплопроводности

Для измерений теплопроводности был разработан аппарат для испытаний по требованиям стандарта DIN EN 12 667 [3] (аппарат для измерения теплового потока), который легко адаптируется к образцам различной толщины. Размеры образцов для испытаний должны были позволять быстро и легко их снимать и устанавливать, чтобы было возможно провести испытания как можно большего числа образцов в одинаковых условиях, и затем сравнить их результаты с параметрами, полученными в результате численного моделирования. Главная цель была не в том, чтобы определить оптимальные геометрические характеристики для дальнейшего практического применения, а в том, чтобы четко и надежно записать измеренные величины для последующей верификации и сравнения данных математического и экспериментального моделирования.

Определение механических параметров

Изгибные напряжения — особый интерес проектировщиков, которые хотят применять СПС-элементы. Во время испытаний образцы подвергаются силовому нагружению. Деформации поперечной балки снимаются датчиками, связанными с устройствами регистрации проводным шлейфом.
Образцы для испытаний были 80 см в длину и 20 см в ширину. Вследствие определенной осевой ориентации труб-наполнителей ожидалось наличие существенной анизотропии. Однако для испытаний были приготовлены образцы только двух типов — с трубами, размещенными вдоль и поперечно. Для сравнения были также испытаны листы флоат-стекла толщиной 4 мм, которые формируют наружные слои СПС-элементов. Неоднородная структура элементов не годится в данном случае для надежных вычислений напряжений, сравнивались только усилия, см. рис. 3.

Рис. 3. Результаты испытаний на изгиб

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Конструкция СПС-элементов соответствовала ряду конечно-элементных моделей, которые воспроизводили некоторые вариации расположения труб в СПС, см. рис. 4.

Рис. 4. Конечно-элементные модели для численного моделирования

Вариация №6 была использована и для практических испытаний, и для численного моделирования параметров. Изменение параметров (переменные величины) использовалось для моделирования и анализа влияния на теплопроводность следующим образом:

• Диаметр и толщина стенок труб-наполнителей.
• Давление газа в полостях труб-наполнителей.
• Толщина слоя пены между трубами-наполнителями и лицевыми слоями (стекло).
• Теплопроводность полостей между трубами (в торец).

Моделирование подтвердило, что самый большой тепловой поток проходит по стенкам труб-наполнителей. Другая критичная зона — в месте контакта между лицевым слоем и трубой-наполнителем. Абсолютные величины, полученные численным методом, были более чем на 20% меньше, чем полученные в результате измерений. Эту разницу можно объяснить неучетом конвекции в численной конечно-элементной модели.

ВЫВОДЫ

Численное моделирование и исследование специфических параметров позволяет выбрать пригодный для практического использования элемент еще до этапа натурных испытаний. Это минимизирует использование материалов и снижает расходы на проведение экспериментов. Таким образом, можно выполнить численно большую часть работ по моделированию СПС-элементов и определить основные факторы, влияющие на их теплопроводность.
Полученные результаты теплопроводности можно использовать для верификации параметров, занесенных в базы данных строительных материалов для численного моделирования. Для повышения точности вычислений в матмодель следует ввести также модули, имитирующие конвекцию и тепловое излучение.
Для технического применения еще предстоит определить (смоделировать) различные механические параметры, а затем их верифицировать путем практических испытаний. Это должно включать в себя измерения изгибной жесткости и напряжений образцов с другими геометрическими размерами и из разных материалов, например, поведение при деформации пены, напряжения в местах склейки наполнителей и стекла, а также на краях панелей. Все эти характеристики можно надежно определить только практическими испытаниями, что и составляет предмет нашей дальнейшей исследовательской работы.

Литература

1. D. Schulze, Burkhard: Energieeffiziente Wohngebäude (Energy efficient residential buildings), 3. Aufl., Berlin Verlag Solarpraxis (BINE-Informationspaket), 2009
2. Gypser, A.; Wittor, B.; Wolf, M.; Hildebrand, J.; Dimmig-Osburg, A. Glas-Kunststoff-Sandwichelemente mit transluzenten Zwischenschichten (Glass-plastic sandwich elements with translucent interlayers) in: Tagungsband, Thüringer Werkstofftag 2010, 24. März 2010, Ilmenau.
3. DIN EN 12 667 : 05/2001: Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods — Products of high and medium thermal resistance

---

Проф., д. т. н. Андреа Диммиг-Осбург (Andrea Dimmig-Osburg),
Институт строительного материаловедения F. A. Finger-Institute