Новые разработки в области многофункциональных изолирующих стеклопакетов
Типичные показатели современных ИСП
Обычно изолирующая способность ИСП повышается путем газонаполнения полости
между стеклами. В сочетании с низкоэмиссионным покрытием параметр U =
1,1 Вт/(м2K) для двойного остекления и U = 0,6 Вт/(м2K) для тройного остекления
ИСП. Заполнение полупрозрачным наногелем (Translucent NANOGEL) открывает
новые возможности. Этот аэрогель («пенка») на основе силикона содержит
до 97% воздуха, но предотвращает конвекцию в межстекольном пространстве
благодаря своей наноструктуре. То есть полость, заполненная наногелем,
ведет себя как изолированный объем и позволяет достичь показателя U =
0,3 Вт/(м2K) и даже менее. Свет рассеивается, но слабо задерживается,
хорошо освещая помещение, подобно как через матированное стекло с волосками.
Другое приложение такое решение находит в умных фасадах — тенденции последних
лет. Различные компании работают над разного рода покрытиями, основанными
на использовании термо- или электрохроматики. Эти динамичные системы могут
адаптивно отреагировать на изменение температуры или электрического потенциала,
изменяя цвет или светопроводность, то есть адаптировать освещенность к
условиям окружающей среды или по заданию. Будущее принадлежит не монолитным
фасадам со светопрозрачными отверстиями в них, а многофункциональным фасадам
с зонированием свойств.
Обычные изолирующие стеклопакеты состоят минимум из двух стеклянных панелей,
отделенных проставкой. Проставка обычно заполнена десикантом для абсорбции
остатков влаги в межстекольном пространстве (полости ИСП). В результате
этого предотвращается запотевание стекол изнутри даже при весьма низких
температурах снаружи. Полость можно заполнить воздухом или специальной
газовой смесью, содержащей аргон или криптон для повышения термоизолирущей
способности. Первичное уплотнение из нетвердеющего бутилкаучука играет
роль барьера от испарения газа. Вторичное уплотнение из силикона или полисульфида
(PS) играет конструктивную роль статического крепления сэндвича «стекло-к-стеклу»
через проставку. Силикон имеет лучшие показатели стойкости к ультрафиолетовому
излучению чем PS, поэтому он чаше применяется в структурном остеклении,
где уплотнитель не прикрыт от воздействия солнечной радиации. Полисульфид
же, с другой стороны, лучше силикона удерживает инертные газы, т.е. чаще
используется для газонаполненных ИСП.
Сейчас запросы к свойствам ИСП существенно возросли. Стекло становится
все больше и больше действительно конструктивным элементом зданий, несущим
нагрузку. По этой причине статическое и динамическое нагружение следует
принимать в расчет, чтобы получить реальные результаты для обеспечения
надежности и безопасности. Вдобавок от ИСП требуется одновременно выполнять
противоречащие функции по энергосбережению, солнцезащите и освещению дневным
светом, эффективное выполнение каждой из них ведет к ухудшению показателей
двух других, кроме того:
И, более того, оболочка современных зданий должна быть как можно более
экономичной, саморегулирующейся, эстетичной и обеспечивать постоянный
комфорт обитателям в течение всего срока своей службы. Однако свойства
ИСП следует модифицировать с осмотрительностью, чтобы не навредить остальным
их качествам.
Чтобы управлять разными аспектами и выполнить весь набор противоречивых
требований, следует задействовать полость ИСП, [1]. Не только газонаполнение,
но также покрытия, контролирующие солнечное и тепловое излучение, встроенные
жалюзи, капиллярные пластины с сотовой структурой или вакуум для высокоэффективной
теплоизоляции позволят контролировать и управлять физическими свойствами
ИСП в широком диапазоне. Тем не менее предел для видимых решений по
улучшению ИСП уже виден. Это дает большую решимость обратить внимание,
например, на разработки, которые повышают теплоизолирующие свойства
ИСП. Такие параметры как теплопропускание и, соответственно, величина
U могут быть снижены вдвое, например, за счет применения высокорассеивающего
свет капиллярного наполнения типа OKAPANE или KAPIPANE (рис. 1), препятствующих
конвекции внутри полости, а величина U может быть снижена до U = 2 Вт/(м2K).
Специальным «низкоэмиссионным» покрытием стекла и газонаполнением можно
достичь показателей U = 1,0 Вт/(м2K), в зависимости от толщины полости
(рис. 2). ИСП с тройным остеклением может дать результат даже U = 0,6
Вт/(м2K) — показатель, типичный для ИСП с заполнением OKAGEL. Для заполнения
NANOGEL типично U = 0,3 Вт/(м2K) [2]. Вакуумные армированные панели
достигают показателя U = 0,1 Вт/(м2K).
Таким образом, видимые пределы для технологического улучшения уже обозначены
и практически достигнуты. Дальнейшее снижение теплопропускания непосредственно
влияет на степень прозрачности ИСП, максимального размера и в не меньшей
степени — стоимости. Функционально прозрачные вакуумные ИСП с U = 0,1
Вт/(м2K) недостижимы по техническим проблемам вследствие разгерметизации.
Использование полупрозрачного наногеля в качестве термоизолирующего
наполнителя полости ИСП взамен вакуума представляется крайне оправданным
и эффективным подходом, лучшим компромиссом на сегодня.
Рис. 1. Теплопроводность ИСП за последние несколько лет
Рис. 2. Величина U в типичных ИСП из двух листов 6 мм стекла в зависимости
от полости
Полупрозрачный суперизолирущий аэрогель
Наногель (Nanogel) — торговая марка семейства гранулятного аэрогеля
(granular Aerogel), производимого Cabot Corporation. Этот материал был
разработан для повышения степени термоизоляции обычного стекла с невысокими
показателями по теплозащите.
Невероятно легкий наногель производится с помощью патентованного процесса
Sol-Gel. Создаются частички-гранулы с нанопорами и диаметром от 0,7
мм до 3,5 мм, в основном состоящие из SiO2, основного материала для
песка и стекла. Однако Nanogel содержит воздуха более 97% , поэтому
весит всего 75 г на литр. Это делает Nanogel легчайшим и наилучшим твердым
изолирующим материалом в мире на сегодня. Наногель гидрофобен на все
100%, то есть постоянно сопротивляется воздействию влаги и сырости.
Материал обладает выдающимися характеристиками по подавлению шума и
звука, что вместе с термоизоляционными свойствами создает уникальную
комбинацию свойств с учетом полупрозрачности и высокой светорассеивающей
способности. Эти преимущества дают дизайнерам фасадных оболочек возможность
по-новому решать вопросы максимальной освещенности дневным светом вместе
с оптимальной энергоэффективностью.
Рис. 3.
Капиллярно-сотовая полупрозрачная пластина KAPIPANE из пластика для
уменьшения конвекции в полости ИСП
Вследствие низкого содержания твердого вещества в грануляте теплопроводность из-за конвекции минимальна. Дополнительная особенность Nanogel в том, что он образует трехмерную решетчатую структуру с размерами пор примерно 20 нм. Молекулы газа оказываются запертыми в этих порах, чем снижается их возможность мигрировать внутри полости и переносить тепло путем столкновения одних частиц с другими (рис. 4 и 5). Итак, подавляются не только конвекция, но и термоперенос в газовой фазе. В результате происходит резкое снижение скорости звука и повышаются звуко- и теплоизоляция.
 Рис. 4. Схема движения молекул газа в воздушной полости ИСП |
 Рис. 5. Схема движения молекул газа, заключенных в нанопорах Nanogel |
OKAGEL — многофункциональный фасадный элемент
Изготовители и потребители стекломодулей, наполненных высокопористым
материалом, нуждаются в новой производственной технологии в области
производства ИСП. Однако Nanogel заполняется при непрерывном и управляемом
производственном процессе в связи с необходимостью достичь высокой визуальной
гомогенности светорассеивающего фасада. Вдобавок заполнение проводится
при некоторых гидростатических толках, чтобы придать наногелю определенное
предварительное напряжение для устранения неумышленных подвижек и гарантирования
устойчивой и долговечной эксплуатации при неизменных физических свойствах
фасада. Сейчас выпущен первый элемент фасада такого типа — модуль OKAGEL.
Он выполнен из многослойного поликарбонатного стекла с заполнением полости
наногелем.
Светопрозрачный фасадный модуль OKAGEL представляет собой новый класс
стеклопакетов (рис. 6). Эта система способна удовлетворить одновременно
самые различные требования. Свет и солнечная энергия проникают через
фасад из модулей OKAGEL индивидуально, в зависимости от замысла и требований
дизайнера. Встроенный между стеклами 60 мм слой обеспечивает величину
потерь энергии не больше U = 0,3 Вт/(м2K), см. рис. 2.
Такой показатель открывает совершенно новые возможности по замене массивных
стен легкими и светопрозрачными энергоэффективными фасадными модулями.
Изолирующая способность остается высокой, если эти элементы использовать
в качестве крышных модулей. Внутри обычного ИСП поднимающийся кверху
теплый воздух практически беспрепятственно пропускает тепло, если ИСП
находится в горизонтальном положении. Таким образом, наклонные или горизонтальные
ИСП, даже газонаполненные, теряют свои теплоизолирующие свойства (рис.
7). То есть, если имеются какие-то преимущества газонаполненных ИСП
или по сравнению с наногелем, или по сравнению с пористой пластиной,
они теряются тем быстрее, чем угол наклона ближе к вертикали.
Общий показатель передачи солнечной энергии (total solar energy transmittance,
TSET) модуля OKAGEL относительно невысок, поскольку передача энергии
за счет инфракрасного излучения тоже очень низка. Частицы Nanogel внутри
ИСП остаются холодными и не нагреваются даже прямыми солнечными лучами.
Фасад из OKAGEL также пропускает ровный рассеянный свет в течение дня,
поддерживая уровень освещенности на протяжении светового дня практически
постоянным. В это же время затраты на кондиционирование воздуха в помещении
практически постоянны и намного ниже, чем в помещениях с атриумами из
обычного стекла или с традиционными светопрозрачными фасадами. Равномерная
освещенность — очень важный показатель для обустройства производственных,
общественных или спортивных сооружений.
Рис. 6.
Фасадный модуль OKAGEL размером 70 х 70 мм, заполненный светопрозрачным
наногелем
Рис.7. Величина U, Вт/(м2К), в зависимости от угла наклона ИСП горизонту
Тенденции развития
Высокоэффективные термоизолирующие стеклопакеты становятся все более
и более востребованы. Жесткие требования по энергосбережению и сокращения
эмиссии парниковых газов заставляют современное общество усилить развитие
и степень применения «зеленых» технологий в самом ближайшем будущем.
По нашему мнению, технология стеклопакетов получит развитие в светопрозрачных
модулях для оболочки здания.
Конструкции фасадов будут играть в этом ведущую роль, а в перспективе
— главную. Индивидуально сконструированные ИСП, включающие металлические
усилители, капиллярные вставки, встроенные жалюзи и даже ставни, становятся
все популярнее. Это развитие не только потребует инновационных идей
от архитекторов, но и особого ноу-хау и гибкости производителей. Новые
технологии как цифровя цветная печать или технология спекания многоцветной
фритты также присутствуют на сегодняшнем рынке. Далее путь лежит ко
все более художественным решениям по отделке фасадов без ограничений
для замысла дизайнера.
Рис. 8. Освещенность (%) в течение дня для прозрачного стекла и фасадного
модуля, заполненного наногелем
Дальнейшая эволюция произойдет в виде полной замены массивных фасадов большими фасадными светопрозрачными покрытиями. Этот подход не только изменит внешность оболочки зданий, но затронет системы обеспечения освещенности, системы воздухоснабжения, отопления и кондиционирования, потребует новой философии от архитекторов и проектантов жизненного пространства. Рис. 9 показывает светопрозрачную стену одного из новых супермаркетов в Австрии, которая удовлетворила сразу несколько запросов заказчика:
До этого такие пространства освещались не иначе как искусственным светом. Комфортная освещенность и нагрев осуществляются даже под прямыми солнечными лучами, при этом общее энергопотребление существенно снижено. Но условия по освещенности не могли быть выполненными, если бы не выдающиеся показатели по теплоизоляции.
Другие тренды показывают движение в строну создания адаптивных «умных» фасадов, контролирующих уровень освещенности и температуры согласно заданным алгоритмически или предварительно описанным параметрам. Новые интерфейсы взаимодействия инженерных систем здания с его умным фасадом еще требуют своей проработки и стандартизации. Такие фасадные системы будут существенно использовать энергию солнца.
Инновационная возможность регулировать свойства самих фасадов — использование стекла с изменяемой прозрачностью. Разные компании работают над стеклом с термо- или электрохромным покрытием. В прошлом такие покрытия были весьма проблемными с точки зрения надежности из-за химической или физической деградации. Эти проблемы, по-видимому, уже устранены сегодня, но стоимость и приемлемые размеры не позволяют широко развить применимость таких покрытий. Поэтому другие системы и другие решения займут их место ввиду функциональности и возможности манипулировать с цветом. Будущие фасады будут адаптивно изменять свои свойства по желанию обитателей и под управлением различных сервисных систем здания для обеспечения требуемого комфорта и экономии энергии для нагрева, освещения, охлаждения, кондиционирования и воздухоподготовки.
Рис. 9. Освещенность торгового зала через витрины с пластинами KAPIPANE
в полости ИСП
Стеклопакеты сейчас способны решать множество функций. В качестве
фасадных элементов с заполнением светопрозрачным аэрогелем ИСП могут
изменить традиционный взгляд проектировщиков и дизайнеров на проблему
естественного освещения, верхнего и бокового света и теплоизоляции здания.
традиционное остекление — стеклянное окно в массивной стене — должно
уступить место светопрозрачным фасадам. Развиваясь далее, пассивные
системы дадут дорогу активным, адаптивным системам контроля инсоляции
и терморежима с применением стекол с изменяемой прозрачностью, а далее
к активным системам, генерирующим, а не поглощающим энергию или препятствующим
ее перетоку.
Более того, индивидуальные решения для каждого фасада будут доминировать
в будущем. ИСП со специально сконструированными вставками, заполнением
и покрытиями, включая цифровую цветную печать, станут применяться повсеместно.
Таким образом, здания обретут индивидуальные оболочки, архитекторы и
дизайнеры получат необъятный простор для воплощения самых смелых замыслов,
обитатели обретут желанный комфорт при значительно меньших энергозатратах.
Литература
[1] Frank Schneider: Technik im Scheibenzwischenraum, Deutsche BauZeitschrift
12 2006 GIas, S 68-70, Bau Verlag, Springer Baumedien, 2006.
[2] Frank Schneider, Georg Gertner: use of transparent aerogels for
efficient thermal insulation, Intelligent Glass Solutions, Issue 1,
5 39-42, Intelligent Publications Limited (IPL), Beijing, London, Munich,
New Delhi, 2007
Франка Шнайдера (Frank Schneider)
и Оливье М. Хюблера (Oliver M. Hubler), OKALUX GmbH, Германия, на GLASS PERFORMANCE DAYS 2007,
Тампере, Финляндия
