|
Как уже отмечалось, основной функцией светопрозрачных конструкций является
освещение помещений естественным светом.
Оптическим излучением или светом называют электромагнитные
волны (электромагнитное излучение), длины которых в вакууме лежат в диапазоне
от 10 нм до 1 мм. К оптическому излучению относятся видимое, инфракрасное
и ультрафиолетовое излучения.
Инфракрасным излучением (ИК) (тепловое излучение) называется
электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами, длины волн которого
в вакууме лежат в пределах от 1 мм до 770 нм (1 нм = 10-9 м).
Видимым излучением или видимым светом называется электромагнитное
излучение с длинами волн в вакууме от 770 до 380 нм, которое способно
непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе.
Ультрафиолетовым излучением (УФ) называется электромагнитное
излучение с длинами волн в вакууме от 380 до 10 нм. В области от 10 до
200 нм УФ излучение сильно поглощается.
От всего солнечного излучения интенсивность УФ составляет порядка 1%.
При этом в ультрафиолетовом спектре можно условно выделить три области,
оказывающие позитивное влияние на деятельность человека.
1. В области 200-280 нм УФ излучение применяется для стерилизации помещений.
При этом уничтожаются болезнетворные для человека микробы.
2. В области 280-315 нм ультрафиолет оказывает тонизирующее действие и
способствует развитию фосфорно-кальциевого обмена. УФ излучение в этом
спектре применяют для лечения больных рахитом.
3. В области 315-400 нм УФ находит разнообразное техническое применение.
Следует, однако, помнить о специфическом биологическом действии УФ, выражающемся
в химических изменениях в поглощающих его молекулах живых клеток, что
приводит к разрушению ДНК, нарушению деления и гибели клеток. Поэтому
благотворное действие на человека и животных УФ оказывает лишь в малых
дозах. Кроме того, избыточное ультрафиолетовое излучение приводит к обесцвечиванию
мебели, ковровых покрытий, картин и др.
Таблица 1 Распределение тепловой энергии Солнца по спектру излучения
Спектр излучения
|
Длина волны,
нм |
Тепловая энергия,
% |
| Ультрафиолет — УФ |
< 380 |
1 |
| Видимый спектр |
380-760 |
53 |
| Инфракрасное излучение — ИК |
760-2500 |
46 |
Рис. 1. Спектры теплового излучения Солнца и “Земли” — внутренних поверхностей
помещения
При проектировании светопрозрачных ограждений в строительной
технике принято рассматривать четыре аспекта, связанных с воздействием
оптического излучения на микроклимат зданий и отдельных помещений и характеризующих
оптическую работу остекления в различных участках спектра.
1. Естественное освещение помещений рассеянным (диффузным) солнечным
светом, отраженным от небосвода.
2. Теплопотери из помещения (на протяжении отопительного периода) в окружающую
среду за счет длинноволнового ИК излучения через остекление.
3. Теплопоступления в помещения (солнечная радиация) за счет коротковолнового
ИК спектра солнечного излучения, проходящего через остекление.
4. Инсоляция — облучение помещений прямыми солнечными лучами.
Для анализа закономерностей энергообмена через светопрозрачные конструкции
прежде всего необходимо исходить из того, что в естественном природном
теплообмене каждое тело излучает тепловую энергию. При этом длина волны
излучения зависит от температуры тела. Стекло, установленное в наружной
ограждающей конструкции здания, подвергается воздействию теплового излучения,
идущего от солнца и внутренних поверхностей помещения, абсолютная температура
которых близка к абсолютной температуре поверхности Земли (для данного
климатического района) и составляет в среднем
293 К (20°С). При этом максимум теплового излучения находится в диапазоне
от 1600 до 2000 нм.
Температура поверхности Солнца составляет около 6000 К. Его тепловое излучение
приходится на диапазон длин волн от 300 до 2500 нм. Сосредоточенная в
этом диапазоне тепловая энергия может быть распределена по длинам волн
в соответствии с Табл.1
Спектры теплового излучения Солнца и внутренних поверхностей помещения
(условно — Земли) показаны на Рис. 1.
Поскольку (как это видно из Табл. 1 и Рис. 1) УФ излучение занимает незначительную
долю тепловой энергии, излучаемой Солнцем и совсем не присутствует в спектре
излучения внутренних поверхностей помещения, рассмотрение его в строительных
расчетах имеет практическое значение только для помещений специального
назначения — большей частью, в медицинских учреждениях.
Таким образом, основной задачей проектирования оптических характеристик
остекления является круглогодичное обеспечение его оптимальной работы
в видимом и ИК участках спектра в соответствии с заданными условиями для
конкретного помещения.
На Рис. 2 показана схема передачи солнечного излучения через конструкцию
остекления. Часть тепловой энергии, падающей на стекло (или стеклопакет),
проникает сквозь него, часть тепловой энергии отражается от поверхности
стекла, и часть поглощается стеклом.
Оптическая работа стекла как в видимой, так и в ИК области характеризуется
уравнением распределения излучения
t + r + a = 1 (1)
В дальнейшем изложении будем использовать следующие характеристики
В видимой части:
t v — пропускание; r v — отражение;
a v — поглощение
В ИК части:
t е — пропускание; r е — отражение;
a е — поглощение
В видимой части спектра поведение стекла характеризуется
цветовыми координатами (или так называемым “цветовым
коробом”), определяющими его визуальное восприятие человеческим глазом.
Для обычного флоат-стекла характерен так называемый “нейтральный аспект”
— воспринимаемая зрительно прозрачность.
На Рис. 3 показана система цветовых координат, применяемая производителями
стекол для оценки их поведения (в лабораторных условиях) в видимой части
спектра.
Характеристики обычного стекла, имеющего пропускание в видимой части t
v = 0,9 и отражение r v = 0,08, могут служить в качестве ориентира для
оценки зрительного восприятия. Так у “k-стекла” с напылением, воспринимаемого
зрительно почти так же, как обычное стекло, эти величины составляют соответственно
t v = 0,84 и r v = 0,11, а для зеркального стекла t v = 0,32 и r v = 0,46.
Рис. 2. Передача солнечного излучения через стеклопакет
Способность стекла отражать направленное на него длинноволновое
ИК излучение (в области комнатных температур) характеризуется
его излучательной способностью — e. Чем меньше e, тем больше тепловой
энергии отразится от стекла обратно в помещение. Под излучательной
способностью e понимают отношение мощности излучения поверхности к мощности
излучения так называемой абсолютно черной поверхности (или абсолютно черного
тела — АЧТ).
e — излучательно-поглощательная способность тела, называемая также степенью
черноты, определяется как отношение энергий излучения серого (Е) и абсолютно
черного тел (Е0) — e = Е/Е0<1. Под абсолютно черным телом (АЧТ) понимается
такое условное тело, которое полностью поглощает все падающее на него
излучение. Для АЧТ e = 1, т.е. энергия излучения АЧТ составляет 100% по
отношению ко всем другим телам, являющимся менее мощными излучателями
и называемыми иначе серыми телами. Все строительные материалы,
в том числе и стекла, относятся к серым телам.
Для обычного оконного стекла излучательная способность e составляет приблизительно
0,84, а у стекол с низкоэмиссионным покрытием колеблется в пределах 0,04-0,2
в зависимости от назначения и типа покрытия.
Таким образом, становится понятным термин “низкоэмиссионное стекло”, т.е.
стекло, имеющее низкую излучательную (эмиссионную — от англ, emission)
способность.
Рис. 3. Цветовые координаты для оценки поведения стекла в видимой части
спектра
На Рис. 4 показана сравнительная спектральная характеристика обычного
оконного стекла и стекла с низкоэмиссионным покрытием. Из рисунка хорошо
видно, что низкоэмиссионное стекло достаточно хорошо пропускает видимый
свет и почти полностью отражает тепловую энергию в длинноволновом ИК диапазоне
(с длиной волны более 800 нм).
Вопрос о работе стекления в области коротковолнового ИК солнечного
излучения, как правило, возникает при проектировании так называемого
“солнцезащитного” остекления, — проблема, актуальная не только для стран
с жарким климатом, но и в условиях России и Центральной Европы.
Как видно из Рис. 4, обычное оконное стекло пропускает ИК солнечное
излучение почти так же хорошо, как и видимый свет. В спектре
ИК излучения характеристики обычного оконного стекла соответственно равны:
t е = 0,82; r е = 0,07; a е = 0,11.
Тепло, поступающее в помещение за счет солнечной радиации, аккумулируется
внутренними стенами и перекрытиями, что приводит к их перегреву, неблагоприятно
ощущаемому человеком. Создается так называемый “парниковый эффект”. Аналогичные
ощущения можно испытать в автомобиле, долгое время простоявшем на солнце,
при аккумуляции тепла салоном.
Согласно уравнению (1), идея солнцезащитного остекления состоит
в понижении его пропускания t e в ИК спектре с соответствующим увеличением
отражения или поглощения солнечной энергии.
Аналогично работе стекла в длинноволновом ИК диапазоне, отражение или
поглощение солнечного тепла достигается за счет использования металлов
или их оксидов, вводимых в массу стекла или напыляемых в качестве покрытия.
Оксиды железа, меди или кобальта, вводимые в стекломассу, окрашивают стекло
в зеленовато-голубоватые или серые тона. Стекла, окрашенные в массе, обычно
определяются в специальной литературе как “теплопоглощающие” и имеют усредненные
характеристики, близкие к следующим значениям: t е = 0,19; r е = 0,08;
a е = 0,73. Высокое значение a е характеризует способность таких стекол
поглощать солнечную энергию.
 Рис. 4. Спектральная характеристика пропускания различных стекол:
1 — обычное оконное стекло, 2 — стекло с низкоэмиссионным покрытием
Стекла с солнцезащитными покрытиями имеют характерную окраску в отраженном
свете и классифицируются в литературных источниках как “теплоотражающие”.
Этот термин можно считать не вполне корректным, поскольку, во-первых,
покрытие может быть нанесено на стекло, окрашенное в массе (теплопоглощающее),
а во-вторых, покрытие, проводящее по своей природе, само по себе достаточно
хорошо абсорбирует солнечную энергию.
Иными словами, абсорбирующая способность “теплоотражающих” стекол достаточно
высока, а их усредненные характеристики выглядят следующим образом:
t е = 0,42; r е = 0,31; a е = 0,27.
Соотношение абсорбции и отражения видимого света и солнечной
энергии находится в тесной взаимосвязи с цветовыми решениями остекления,
закладываемыми на стадии архитектурного проектирования.
В этой связи необходимо отметить, что современные технологии нанесения
покрытий позволяют получить практически неограниченную цветовую гамму
остекления с различной степенью рефлективной яркости. Цветовые решения,
особенно в фасадном остеклении, диктуются архитектурными стилями и традициями
каждой страны. Так, например, в ряде стран существуют ограничения на яркость
отражения солнца фасадными стеклами с точки зрения их влияния на противостоящие
здания, а также на безопасность дорожного движения.
Солнцеотражающие покрытия, отличающиеся большим разнообразием, могут быть
подразделены на две основные группы, характеризующие отражение солнечной
энергии. Неселективные покрытия отражают солнечную радиацию во всем спектре
солнечного излучения, включая видимый свет. Селективные покрытия пропускают
видимый свет (l = 0,38-0,78 мкм) и отражают ИК излучение с длиной волны
l = 0,78 мкм.
Неселективные покрытия выполняются на основе оксидов
железа, хрома, никеля и титана; наносятся с одной или с обеих сторон стекла.
Эти покрытия наносятся, как правило, по технологии “on-line” и относятся,
таким образом, к “жестким покрытиям”. Солнцеотражающий эффект неселективных
стекол основан на отражении и абсорбции металлического слоя толщиной 5-30
нм, в основном состоящего из элементов 8-ой подгруппы периодической таблицы:
хрома (Cr), NiCr или других сплавов. Металлический слой может быть покрыт
низко абсорбирующим слоем диэлектрика или двумя слоями — с целью получения
эффекта интерференции.
Селективные покрытия выполняются на основе серебряного
слоя толщиной 10-20 нм (до недавнего времени в качестве базового слоя
использовалось золото).
Солнцезащитный эффект таких покрытий основан на отражении коротковолнового
ИК излучения за счет наличия в покрытии свободных электронов. Работа покрытия
может быть улучшена за счет дополнительных слоев из низко абсорбирующих
диэлектрических материалов: олова, цинка, оксида титана, сульфата цинка
и др. Эти дополнительные слои определяют цвет покрытия. Все селективные
солнцезащитные покрытия относятся к так называемым “мягким покрытиям”
и могут быть применены только в стеклопакетах при условии, что покрытие
обращено внутрь воздушной камеры.
Таким образом, выше были описаны конструктивные решения стекол, ориентированные
на решение определенных строительных задач и характеризующие работу остекления
в различных участках спектра солнечного излучения.
И.В. Борискина, А.А. Плотников, А.В. Захаров
“Проектирование современных оконных систем гражданских зданий”
|
