Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Окно как интеллектуальный элемент конструкции здания

Большинство специалистов считают актуальным постулат о том, что окна – это ключ к экономии энергии в здании: теплопотери через окна в холодный период значительно превышают теплопотери через светонепрозрачные наружные ограждающие конструкции. Теплопоступления через окна в теплый период года для жилых и общественных зданий в большой степени определяют холодопроизводительность систем кондиционирования воздуха.

Во всем мире ведутся интенсивные работы по решению проблемы повышения термического сопротивления заполненными оконными проемами и одновременной защиты от проникновения солнечной радиации. Прогрессивные конструкторские решения для окон опираются на новые возможности современных высокоэффективных технологий.  Окно должно стать интеллектуальным элементом конструкции здания, учитывать меняющиеся в течение суток (день, ночь) и времени года (лето, зима) требования к его теплотехническим, светопроникающим и другим показателям.

В статье рассматриваются новые технологии заполнения оконных проемов, которые в ближайшее время, по мнению специалистов, должны получить широкое распространение.

Окно, как ограждающая конструкция здания, до середины 70-х годов ХХ века считалось самым слабым элементом, и его возможности ограничивались значениями сопротивления теплопередаче и показателем солнцезащиты. Революционные технологии в производстве окон в 80-х годах ХХ века открыли их новые теплозащитные возможности и возможности высокоэффективной солнцезащиты.

Сегодня окна рассматриваются не только как инженерные и архитектурные элементы здания, но также как высокоразвитые «живые» элементы системы климатизации здания, гибко реагирующие на состояние окружающей среды. В недалеком будущем окно станет важнейшим элементом биоархитектуры [1], способным использовать во благо человека энергию солнца, ветра, воздуха и т. д. Новые возможности окон пока известны только узкому кругу специалистов, занимающихся изучением их особенностей, параметров и характеристик в различных комбинациях.

В настоящее время уже достаточно большое количество новых технологий остекления, учитывающих главный принцип биоархитектуры – гармония с природой (рис. 1), находится на стадии разработки в различных научно-исследовательских центрах. Этот принцип реализуется главным образом за счет многофункционального остекления зданий. Представим некоторые наиболее многообещающие направления.

Гармония с природой – главный принцип биоархитектуры

Рисунок 1.

Гармония с природой – главный принцип биоархитектуры

Интеллектуальные окна

Оптические свойства идеального окна должны меняться согласно изменяющимся климатическим условиям или предпочтениям людей, находящихся в здании. Ученые усиленно работают над созданием технологий остекления для нового поколения «интеллектуальных окон». После многолетних исследований были разработаны и в данный момент проходят испытания несколько видов технологий изготовления интеллектуальных окон, которые должны поступить в коммерческую продажу в ближайшем будущем. Так же как и для существующих оконных технологий, архитектор, заказчик или подрядчик должен понимать новые решения, чтобы  сделать для себя правильный выбор.

Различают два основных вида интеллектуальных окон – пассивные устройства, реагирующие непосредственно на окружающие условия, такие как уровень освещения или температуру, и активные устройства, которые можно непосредственно регулировать по желанию жильцов или согласно требованиям систем отопления, вентиляции и кондиционирования [2]. Наиболее распространенными пассивными устройствами являются фотохромные и термохромные; активные устройства включают в себя жидкокристаллическое остекление, с дисперсными частицами и электрохромное.

Сегодня окна рассматриваются не только как инженерные и архитектурные элементы здания, но также как высокоразвитые «живые» элементы системы климатизации здания, гибко реагирующие на состояние окружающей среды. В недалеком будущем окно станет важнейшим элементом биоархитектуры, способным использовать энергию солнца, ветра, воздуха и т. д.

Фотохромные устройства

Фотохромные материалы изменяют свою прозрачность в зависимости от интенсивности света. Фотохромные материалы используются при изготовлении солнечных очков, изменяющихся от прозрачных – при комнатном освещении, до затуманенных – при ярком наружном свете. Фотохромику можно применять для контроля освещения, пропуская ровно столько дневного света, сколько требуется для освещения, и отсекая излишний свет, вызывающий напряжение  глаз и перегружающий систему охлаждения.  Небольшие устройства уже выпущены в серийное производство, но в продаже пока отсутствуют экономичные, большие, надежные стекла такого вида.

Термохромные устройства

Термохромные устройства изменяют прозрачность под воздействием температуры. Разрабатываемые в настоящее время материалы представляют собой гелевые сэндвичи между стеклом и пластиком, которые переходят из прозрачного состояния при низкой температуре в белое, мутное, отражающее состояние при высокой. В предельном состоянии такие окна становятся непрозрачными. Таким образом, эти окна могут полностью отключить дневное освещение, когда нагрузка на систему кондиционирования становится выше расчетной. Термохромные устройства могут быть очень полезны для предотвращения перегрева помещения. Температура стекла, которая является функцией интенсивности солнечного излучения, а также наружной и внутренней температуры, регулирует количество солнечного света, попадающего на термочувствительный элемент. Термохромика особенно хорошо подходит для застекленных крыш, поскольку низкая прозрачность не будет создавать дополнительных проблем, возможных для  окон. Такие окна могут поставляться с заданной температурой переключения состояния, которая должна быть тщательно рассчитана для конкретного объекта применения. Опытные образцы такого остекления уже прошли испытания, но пока еще не поступили в серийное производство.

Жидкокристаллическое остекление

Модернизированный вариант жидкокристаллических технологий, используемых в наручных часах, сейчас получил применение в качестве тонированных стекол. Очень тонкий слой жидких кристаллов вставляется наподобие сэндвича между двумя прозрачными электрическими проводниками на тонкой пленке, и вся система ламинируется между двумя слоями стекла. При отключенном питании кристаллы ориентированы случайно и беспорядочно. Они рассеивают солнечный свет, и стекло выглядит тонированным, не позволяя  видеть сквозь него. Такой материал пропускает большую часть падающего света с рассеиванием, но теплопоступления от солнечной радиации остаются высокими. При включении питания электрическое поле в устройстве задает необходимую ориентацию жидких кристаллов, и стекло становится полностью прозрачным за долю секунды, обеспечивая чистый обзор с обеих сторон

стекла. Большинство таких устройств предусматривают только два состояния, прозрачное и тонирующее, а для сохранения прозрачности требуется непрерывное электропитание. Такая технология ограничивает применимость жидкокристаллического остекления в архитектурных целях. Она требует постоянного питания от стандартной домашней розетки и является довольно дорогостоящей, но может быть полезна, когда требуется  защита от посторонних взглядов или  прямого солнечного света.

Остекление с дисперсными частицами

Является аналогом жидкокристаллического остекления. Прозрачная пленка с электрическим питанием контактирует с тонким жидкостным слоем, в котором взвешены многочисленные микроскопические частицы. При отсутствии напряжения частицы ориентировано хаотично и частично блокируют свет и видимость. Прозрачные электрические проводники позволяют воздействовать на частицы, упорядочивая их и увеличивая прозрачность. Такие стекла могут обладать частичной прозрачностью, а не только крайними состояниями, как жидкокристаллические. Однако эта технология пока дорогостоящая и на данный момент не предлагается на рынке.

Электрохромное остекление

Наиболее многообещающие технологии интеллектуальных окон в XXI веке основаны на электрохромных покрытиях [2]. Хотя они еще не поступили в серийное производство, велика вероятность сделать эту технологию высокопроизводительной, рентабельной, с широким освоением современного рынка.

Электрохромика может изменять прозрачность стекла плавно,  приблизительно от 5 до 70 % пропуска за семь минут, с соответствующим регулированием теплопоступлений за счет солнечной радиации. Переключение состояния происходит при очень малом постоянном токе (напряжение 1–2 В), поэтому питание и подводящие провода не будут стоить дорого. Отключение напряжения останавливает электрохромный процесс, фиксируя текущую пропускную способность окна. При обратном изменении напряжения характеристики окна возвращаются к  первоначальному состоянию. Этот обратимый процесс может иметь тысячи циклов на протяжении всего срока службы окна. В [2] приводится схема пятислойного электрохромного покрытия (рис. 2). Обратимый источник низкого напряжения заставляет ионы переходить между активным электрохромным слоем и пассивным контрэлектродом. Когда ионы лития переходят в активный электрохромный слой, электрохромная реакция заставляет слой затемниться. При подаче обратного напряжения ионы удаляются, и электрохромный слой возвращается в прозрачное состояние.

Схема пятислойного электрохромного покрытия

Рисунок 2 (подробнее)

 

Схема пятислойного электрохромного покрытия

Исследования в области электрохромных технологий проводятся уже более 20 лет во всем мире и привели к разработке и демонстрации прототипов новых окон. Прототипы электрохромных окон были продемонстрированы во многих зданиях в Японии, а затем в Европе и США. Миллионы небольших электрохромных зеркал уже используются в качестве зеркал заднего вида в легковых и грузовых автомобилях. Электрохромные стекла исследуются также в качестве опытных образцов для автомобильных солнечных люков. Прежде чем такие люки поступят в серийное производство, они должны пройти целый ряд испытаний для подтверждения их долговечности.

 В отличии от термохромных и фотохромных покрытий, электрохромные окна обладают плавной регулировкой. В термохромных и фотохромных окнах должна быть заданная точка переключения, после которой они изменяют состояние. Хотя такую пороговую величину можно задавать, но после ее фиксации она остается постоянной на весь срок службы окна. Динамическая регулировка при электрохромной технологии осуществляется при помощи контроллера (или ручного сигнала) с использованием простого термостата или фотодатчика.

Первоначальные исследования показывают, что интеллектуальные окна несут существенную выгоду для общественных зданий с точки зрения экономии, т. к. расходы на освещение и охлаждение составляют значительную часть общих эксплуатационных расходов. Расширяя использование дневного освещения и снижая  нагрузку по холоду, интеллектуальные окна не только снижают годовые  расходы энергии, но также позволяют уменьшить расходы на пиковую электрическую нагрузку и снизить максимальную мощность холодильного оборудования.

Электрохромные покрытия близки к стадии серийного производства. Первая полномасштабная демонстрация электрохромных окон была проведена в Оклэнде, штат Калифорния. На двух офисных зданиях, расположенных рядом, были установлены 10 электрохромных  панелей в полностью остекленные фасады. Самая большая из них  была размером 3 на 6 футов. Панели были подключены к фотодатчикам и регулируемому люминесцентному освещению. Они работали таким образом, чтобы пропускать максимальное количество дневного света (Tv = 38 %) при повышенной облачности, и минимальное при преобладании солнечной погоды (Tv = 11 %). Люди, находящиеся в зданиях, могли по желанию перейти с автоматического на ручное управление. Первая краткосрочная демонстрация подтвердила способность интеллектуальных окон обеспечивать энергосбережение, при этом повышая уровень комфорта в помещениях [2].

Многие из этих преимуществ применимы и для жилых зданий, особенно в условиях экстремального климата. В принципе, большую часть преимуществ интеллектуальных окон можно реализовать при переменном использовании  технологий ручного и автоматического управления. Для  практического использования она должна включать в себя фотодатчик на самом изделии, связь с системой управления всем зданием и/или ручное дистанционное управление, похожее на пульт от телевизора. Но опыт показывает, что люди часто закрывают занавески и регулируют жалюзи непоследовательно и непредсказуемо, что входит в противоречие с автоматическим управлением, увеличивая затраты на него. Сделав оба средства управления интегрированной и надежной частью здания, интеллектуальные окна превратят потенциальное энергосбережение  в предсказуемое и гарантированное.

Дополнительные демонстрации прототипов электрохромных окон уже запланированы, и первые окна для  использования скоро будут доступны.

Как и с любыми новыми технологиями, первоначальное внедрение будет происходить медленно, пока производители, монтажники и домовладельцы приобретут необходимый опыт. Первые изделия, скорее всего, найдут свое применение в застекленных крышах.  Эти новые интеллектуальные окна  значительно расширят функциональность домов XXI века.

Вакуумированные окна

Наиболее эффективный с точки зрения теплопроводности газ – это его полное отсутствие, т. е. вакуум. Многие исследователи по всему миру занимаются разработкой изолирующих оконных блоков, в которых между стеклами создается вакуум. Если вакуум довольно высокий, между стеклами не будет конвективного теплопереноса, что позволит снизить общий коэффициент теплопередачи. Вакуумные стекла должны иметь хорошо отражающее покрытие, которое снизит передачу теплоты  за счет излучения – только вакуумного эффекта самого по себе недостаточно. На протяжении многих лет этот принцип применяется при изготовлении термосов, где серебристое покрытие выполняет роль поверхности с низким  коэффициентом теплоотдачи путем излучения.

Однако изготовление вакуумных стеклопакетов представляет некоторые трудности с инженерной точки зрения. Одна из основных проблем – это высокие требования к структурной прочности для выдерживания атмосферного давления воздуха и переменного давления, возникающего под воздействием ветра и вибрации. Между большими панелями оконного стекла могут возникать существенные термические напряжения и механические нагрузки. Термос  легко выдерживает такие нагрузки за счет своей специальной формы. Большие плоские поверхности окна имеют тенденцию сжиматься и изгибаться под воздействием изменений давления. В прототипах таких окон использовались стеклянные стержни или шары, позволяющие сохранять постоянное расстояние между двумя стеклами. Эти элементы обладают очень малыми размерами, но все равно заметны и снижают прозрачность окон. В [2] приведено термографическое изображение вакуумного стеклопакета (рис. 3), на котором четко видны стержнивставки. Сетка стержней видна из-за проводимости стекло-стекло через стержни.

Термографическое изображение вакуумного стеклопакета

Рисунок 3.

Термографическое изображение вакуумного стеклопакета

Еще одна проблема заключается в сохранении герметичности по периметру оконного блока в местах стыковки стекол. Задача герметизации заключается в предотвращении просачивания воздуха и поддержании давления внутри стеклопакета на уровне менее одной миллионной доли нормального атмосферного давления воздуха. Если   превысить эту величину всего в десять раз, этого будет достаточно для восстановления нормируемой теплопередачи. Вакуумное уплотнение должно сохранять свою функциональность на протяжении всего срока службы окна – при изготовлении, транспортировке, установке, эксплуатации  и износе. Австралийские исследователи довольно успешно использовали специальное стеклянное уплотнение при разработке больших образцов. На сегодняшний день уже был достигнут коэффициент теплопередачи  в середине стекла, равный 0,2 от стандартного, а в перспективе эту величину предполагается снизить до 0,12. При этом сохраняется требуемый  теплоприток за счет солнечной радиации. Эта разработка выделяется своей тонкостью и применимостью при модернизации многих существующих окон. Однако теплопотери по краям больше, чем у традиционных изолирующих стеклопакетов, хотя эти потери можно компенсировать конструкцией оконной рамы. Крупный производитель  окон уже предлагает эту продукцию на японском рынке.

Аэрогель

Аэрогель – это основанный на силиконе пенообразный материал с открытыми порами, состоящий приблизительно на 4 % из силикона и на 96 % – из воздуха. Микропоры пены захватывают воздух, предотвращая конвекцию, но пропуская свет. Частицы, из которых состоят тонкие стенки пор, немного рассеивают проходящий свет, создавая голубоватое мерцание, похожее на цвет неба.

Аэрогель широко исследуется из-за своих свойств, обеспечивающих одновременно высокую прозрачность и изоляцию. Эти свойства позволяют отнести его к классу веществ, называемых «прозрачной изоляцией». Технически, возможно изготавливать окна из аэрогеля, с коэффициентом теплопередачи в середине окна не более 0,05 от стандартного. Однако на данный момент аэрогель был получен в малых количествах и малых размеров, и в экспериментах изготавливались только окна из аэрогеля размером с керамическую плитку. Европейские производители изготовливают двойные окна, заполненные небольшими каплями аэрогеля. Хотя такие окна обладают высокой изоляционной способностью, они существенно рассеивают свет и не имеют хорошей прозрачности. В будущем, возможно, аэрогель найдет свое применение в качестве компонента (разделителя) больших стеклянных витрин или для изготовления застекленных крыш и стеклоблоков.

Застекление с оптическим регулированием поступления света

Наиболее интересные исследования интеллектуальных окон относятся к области застекления с оптическим регулированием. Результаты исследований в области контроля поступления дневного света в общественных зданиях могут быть использованы и для жилых зданий. Здесь предлагается множество продуктов, позволяющих контролировать передачу света в здания. Наиболее известные – это  рассеиватели (рассеивающие поверхности), изменяющие направление и рассеивающие свет в пространстве. Они частично блокируют обзор, но обеспечивают некоторый уровень секретности и перераспределяют прямые лучи солнечного света, улучшая вид и функциональность помещения. Для создания этих рассеивателей можно поместить рассеивающие элементы внутри оконных блоков. Такими элементами могут быть тонкая пленка или иной метод изменения стеклянной поверхности, например, при помощи гравировки или шелкографии. Более совершенный контроль падающего солнечного света достигается при использовании  дорогих оптических материалов, таких как призматические устройства или голографические решетки, изменяющие направление света к потолку. Эти виды систем все еще находятся на стадии опытных образцов в США, и их эффективность существенно зависит от параметров изготовления и установки.

Самоочищающееся стекло

Сколько бы люди не любили окна, никто не любит их мыть. Эта проблема может остаться в прошлом, если текущие исследования и разработки в области новых самоочищающихся покрытий завершатся успехом. Исследователи в нескольких лабораториях усовершенствовали поликристаллические покрытия, которые переваривают и разрушают многие органические вещества, например отпечатки пальцев, оставляющие следы на стекле. Прозрачное фотокаталитическое покрытие реагирует с кислородом под воздействием ультрафиолетового излучения. Активированный кислород затем разлагает различные органические материалы на водяные пары и углекислый газ, создавая «самоочищающуюся» поверхность.

Какая именно технология будет востребована на практике, покажет ближайшее будущее. Несомненно одно, что здания обязательно «нарядятся» в новые интеллектуальные окна, одновременно выполняющие множество различных функций: обеспечение визуального комфорта, потребности в освещенности, поступление свежего воздуха, снижение теплопотерь в холодный период и теплопоступлений от солнечной радиации в летнее время и защита от любых неблагоприятных воздействий природы.

Литература

1. Табунщиков Ю. А. Неизученные возможности окон // АВОК. – 2003. – № 6. – С. 6–12

2. Carmody J., Selkowitz S., Heschong L. Residential windows: a guide to new technologies and energy performance // New York, 2000.

3. Табунщиков Ю. А. Ночные окна – окна с существенно переменной теплозащитой // Энергосбережение. – 2008. – № 1. – С. 18–20.

Сегодня окна рассматриваются не только как инженерные и архитектурные элементы здания, но также как высокоразвитые «живые» элементы системы климатизации здания, гибко реагирующие на состояние окружающей среды. В недалеком будущем окно станет важнейшим элементом биоархитектуры, способным использовать энергию солнца, ветра, воздуха и т. д.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №2'2008

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте