Стекла с теплотражающими покрытиями

В последние годы были разработаны принципиально новые оконные материалы — стекла с теплоотражающими покрытиями. Конечно, при этом использовался опыт, полученный при проектировании специальной военной техники, космических кораблей и станций, однако задача создания промышленного оборудования для нанесения покрытий на большеформатные стекла была решена просто в фантастически короткие сроки. Это позволило уже в конце 70-х — начале 80-х годов начать промышленное производство стекол с теплоотражающими покрытиями, нанесенными с помощью магнетронных технологий. Стоимость стекол с теплоотражающими покрытиями составляла первоначально около $80 за 1 м2. Сегодня, когда такие стекла устанавливаются в огромном количестве окон, продаваемых на строительном рынке, их цена упала до $10—15 за 1 м2, а в США — до $5—8 за 1 м2 (по данным Американского совета по оценке светопрозрачных ограждающих конструкций). При этом изменились и характеристики стекол. В частности, первые теплоотражающие стекла, помимо отражения тепла внутрь помещения, значительно снижали естественную освещенность в помещениях. Новые теплоотражающие стекла — спектрально-селективные, то есть, обладающие способностью по-разному пропускать и отражать излучения различных длин волн — обеспечивают и теплозащиту помещений, и практически не ухудшают светотехнические характеристики остекления. К сожалению, установки магнетронного напыления довольно дороги. Кроме того, сами стекла необходимо устанавливать в стеклопакет практически сразу после напыления, так как на воздухе нанесенное покрытие окисляется и теряет свои свойства. (Только недавно разработаны и начинают применяться теплоотражающие покрытия, которые могут храниться до 1,5 месяцев без пакетирования). В связи с этим фирма разработала так называемые пиролитические покрытия, которые наносятся на стекло в процессах производства и обладают значительной механической прочностью. Эти стекла вначале были менее эффективны, чем стекла с теплоотражающими покрытиями, нанесенными методом напыления с использованием магнетронного оборудования. В настоящее время — при использовании многослойных пиролитических покрытий — характеристики таких стекол существенно улучшились.

В последнее время много говорят о достаточно экзотичных для нас типах стекол — электрохромных, фотоэлектрических, нагревающихся, противопыльных и других. На некоторых из этих типов стекла остановимся подробнее.

Электрохромные стекла

Это регулируемый тип стека, получаемый с помощью напыления в магнетронных установках. При подаче на стекла напряжения 2—10 В они изменяют светопропускание и пропускание тепловой части солнечной энергии от 100 до 4%. Эти стекла чрезвычайно эффективны в южных регионах и в зданиях, где установлены системы кондиционирования воздуха. По данным фирмы SAGE (США), которая является одним из лидеров в этой области, в настоящее время имеется возможность изготовления электрохромных стекол размером до 1,2 х 1,8 м, при этом к сегодняшнему дню окна с подобными стеклами нормально работают и после 80000 циклов включений-выключений электрохромного эффекта. По прогнозам Министерства Энергетики США промышленный выпуск большеформатных электрохромных стекол возможен с 2002 года, при этом их цена не должна превышать при массовом производстве $15—20 за 1 м2.

Греющиеся стекла

Этот тип стекол используется уже и сейчас в ряде стран, в которых устойчивый снежный покров наблюдается в течение длительного времени (Канада, Финляндия, Норвегия и др.), для очищения от снега стеклянных покрытий атриумов, зимних садов и пр. Принцип действия таких стекол состоит в нагреве наружного стекла за счет подведения напряжения к токопроводящим пленкам, нанесенным на внутреннюю поверхность стекла. При этом в нормальном состоянии такие пленки должны быть прозрачными. К недостаткам подобных стекол и стеклопакетов с ними следует отнести очень большие энергетические затраты на их работу и значительную стоимость. Так, на светопрозрачном покрытии Старого Гостиного Двора в г. Москве, где будут установлены около 12000 м2 таких стеклопакетов, рассеиваемая мощность составляет до 300 Вт на 1 м2 покрытия. В настоящее время ведутся работы по резкому снижению стоимости и повышению эффективности таких стекол.

Стекла — солнечные коллекторы

Такие стекла — давняя мечта всех, кто занимается использованием нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Действительно, если бы удалось использовать для получения электроэнергии огромные остекленные поверхности зданий, это позволило бы резко изменить ситуацию с нехваткой энергии, загрязнением городов и т.д. И эта задача не такая уж фантастическая. В этом направлении ведутся активные работы и в первую очередь — в США, Японии, Австралии, ряде арабских стран. По данным Министерства Энергетики США можно ожидать, что к 2010 г. подобные стекла уже будут применяться. Сегодня есть и работают фрагменты значительных размеров для непрозрачных частей зданий (Флоридский центр солнечной энергии, США). Есть и полупрозрачные покрытия для светопрозрачных частей ограждений. Основным фактором, сдерживающим использование подобных покрытий и стекол, является их очень высокая на сегодня цена. Однако есть все основания полагать, что эта цена в ближайшее время начнет снижаться.

Гидрофобные стекла

Так называют стекла, на наружную поверхность которых нанесены специальные покрытия, снижающие возможность загрязнения. Проблема мытья стекол для больших городов, зданий со значительными поверхностями остекления в последнее время стала очень актуальной. Следует сказать, что, например, небоскребы моют постоянно. Расходуются на это значительные средства, что и побудило многие фирмы заняться разработкой покрытий, которые бы отталкивали большую часть грязи. В этом направлении достигнуты значительные успехи (Япония, США, Германия). Промышленное производство таких стекол может начаться уже в следующем году.

Стекла с наливными теплоотражающими покрытиями

Одним из неудобств использования стекол с обычными или пиролитическими теплоотражающими покрытиями является необходимость использования для их получения громоздкого и дорогостоящего технологического оборудования. Ряд фирм занимается в настоящее время разработкой составов, которые могли бы быть распылены на стекла в нормальной среде (например, на уже установленных в квартирах окнах) с помощью элементарных устройств типа распылителей, а после окончания обработки стекло будет иметь теплозащитные свойства. Для нашей страны эта проблема очень актуальна потому, что огромное количество неэффективных окон можно было бы усовершенствовать без их замены. В настоящее время существуют опытные образцы таких покрытий, однако пока их характеристики значительно отличаются от обычных стекол с теплоотражающими покрытиями.

СТЕКЛОПАКЕТЫ

Как бы ни отличались между собой современные конструкции окон, есть то общее, что объединяет их между собой,- в них практически всегда применяются стеклопакеты. Стеклопакет — это два стекла или более, соединенных по периметру с образованием герметичных пространств, заполненных осушенным воздухом или специальными газами. Несложная идея соединения стекол в единый блок с дальнейшей установкой его в окно стала столь популярной в «оконном мире» по трем основным причинам:

- изготовление окон со стеклопакетами оказалось очень технологичным, позволило снизить трудоемкость изготовления окон и уменьшить затраты материалов;

- эксплуатационные качества окон со стеклопакетами резко повысились, хотя бы ввиду отсутствия необходимости чистки межстекольного пространства;

- использование многостекольных конструкций, специальных покрытий на стеклах, пленок и газов внутри стеклопакетов позволило достигнуть небывалых значений по теплозащите окна.

Когда начали производиться первые стеклопакеты, разработчикам надо было решить много сложных задач:

- как удалить влагу из воздуха в межстекольном пространстве и предотвратить тем самым внутреннюю конденсацию и обмерзание при низких температурах;

- как обеспечить герметичность при температурных расширениях и сжатиях стекол;

- как сохранить герметичность при изменениях атмосферного давления, например, при транспортировке изделия к месту его установки.

Эти и другие сложные задачи были решены путем разработки специальных конструкций стеклопакетов и выбора используемых при изготовлении материалов. Например, была установлена оптимальная толщина двухстекольного (однокамерного) стеклопакета — 12—16 мм между стеклами при заполнении стеклопакета воздухом. При меньшей толщине увеличивается теплопроводность воздушного промежутка, а при большей — конвекция, что в обоих случаях приводит к ухудшению теплозащиты. Конструктивно стеклопакеты делятся на два основных вида:

- стеклопакеты клееные (с дистанционной рамкой);

- стеклопакеты <системы ТРЕМКО> (с дистанционной лентой).

В клееных стеклопакетах стекла отделяются друг от друга специальными полыми дистанционными рамками, сделанными, как правило, из алюминия. Полости рамок заполняются водопоглотителем, который через специальные отверстия абсорбирует влагу из межстекольного пространства, препятствуя запотеванию и обледенению стеклопакетов изнутри при низких температурах.

Большинство современных стеклопакетов имеет два контура герметизации, препятствующих проникновению водяных паров и воздуха в стеклопакет. Первый барьер создает герметик, обычно бутил, который в разогретом состоянии наносится на края рамки и с помощью которого рамка клеится к стеклам. Второй герметик (им может быть бутил, силикон, полисульфид или полиуретан) наносится слоем не менее 4 мм с торца рамки и обеспечивает, кроме герметизации, структурную прочность стеклопакета и компенсацию температурных деформаций.

Существенно изменились и используемые в стеклопакетах герметики — их характеристики улучшились значительно. За счет использования герметиков с пониженной проницаемостью для различных газов многие зарубежные фирмы получили возможность предоставлять потребителям гарантии на свои изделия на 20 лет и больше. По данным фирмы , одного из крупнейших мировых производителей стеклопакетов, при использовании новых материалов за 20 лет выходит из строя не более 0,2% стеклопакетов.

Поскольку алюминий является хорошим проводником теплоты, для снижения теплопотерь по краям стеклопакета начали применяться другие материалы (сталь, пластмасса) или другие конструкции дистанционных рамок. В начале 80-х годов стремление к снижению теплопотерь через края стеклопакетов, а также к повышению технологичности их изготовления привело к появлению принципиально нового класса изделий, получившего название <система ТРЕМКО>, по имени компании, эксклюзивно заявившей новый товар на рынке. В таких стеклопакетах герметизация осуществляется с помощью единственного элемента — ленты , представляющей собой полосу герметика, внутри которого запаяна гофрированная металлическая пластина и находится водопоглотитель. В разогретом состоянии с помощью специальных прессов лента склеивает стекла по периметру, при этом металлическая пластина создает жесткость и формирует размер воздушной прослойки.

Совсем недавно появились и другие технологии изготовления стеклопакетов с теплым краем:

- с использованием лент из поризованных силиконов;

- с использованием алюминиевых рамок с терморазрывом.

Однако как бы мы ни снижали теплопотери через край стеклопакета, основная их доля идет через центральную остекленную часть.

Поэтому для повышения теплотехнических и акустических характеристик стеклопакетов стали использовать стекла с теплоотражающими покрытиями, о которых шла речь выше, и специальное заполнение межстекольного пространства — инертные газы (аргон, криптон, даже ксенон), а также гексофторид серы и другие газы и их комбинации. Использование газонаполненных стеклопакетов имеет смысл только, если по крайней мере одно из стекол имеет теплоотражающее покрытие, при двух прозрачных стеклах заполнение межстекольного пространства какими-либо газами приводит лишь к удорожанию изделия при очень незначительном повышении теплотехнической их эффективности. В последнее время появились действительно революционные разработки в области стеклопакетов — вакуумные, так называемые <Тепловые ЗеркалаT>, с заполнением межстекольного пространства специальными гелями и др. Остановимся на этих разработках более подробно.

Вакуумные стеклопакеты

Работы по созданию принципиально новых стеклопакетов — вакуумных — ведутся необычайно активно во всем мире (Япония, США, Австралия), а фирма уже выпустила более 100000 м2 таких пакетов. Конструкция вакуумного пакета следующая. Два листа плоского стекла, одно из них (или оба) имеет теплоотражающее покрытие, соединены через узкие — примерно 0,2 мм рамки. По всему полю стеклопакета между стеклами устанавливаются проставки с низкой теплопроводностью. Пространство между стеклами вакуумировано. Преимущество таких пакетов в том, что они практически исключают конвективную составляющую теплопотерь при помощи вакуумирования, а лучистая составляющая снижена за счет использования теплоотражающих стекол. Как показывают расчеты и анализ уже изготовленных стеклопакетов, при использовании хороших теплоотражающих стекол, возможно достичь значения сопротивления теплопередаче таких пакетов около 1,5—1,75 (м2-°С)/ Вт. А если использовать вакуумный стеклопакет в качестве одного из стекол традиционного пакета с еще одним теплоотражающим стеклом, то значение сопротивления теплопередаче может достичь и 2,3 (м2-°С)/Вт. Из-за того, что вакуумные стеклопакеты имеют малую толщину, их можно использовать и для реконструкции существующих окон, заменяя на такой стеклопакет внутренне стекло.

Стеклопакеты <Тепловое ЗеркалоT>

Эти стеклопакеты разработаны фирмой (США) в начале 80-х годов. Конструктивно они представляют собой двухкамерный стеклопакет, в котором среднее стекло заменено на теплоотражающую спектрально-селективную полимерную пленку. За счет термоусадки при изготовлении пленка практически прозрачна в видимом диапазоне, поэтому <Тепловое ЗеркалоT> по внешнему виду практически не отличается от однокамерного стеклопакета (имеет такую же толщину и вес), но по теплозащитным свойствам значительно превышает двухкамерный. В зависимости от типа применяемой пленки и толщины воздушных прослоек сопротивление теплопередаче стеклопакета <Тепловое ЗеркалоT> без заполнения инертными газами составляет 0,7 -0,9 (м2-°С)/ Вт, что превышает по теплозащитным характеристикам полуметровую кирпичную стену. Применение же в конструкциях стеклопакетов <Тепловое ЗеркалоT> нескольких пленок, а также заполнение их инертными газами позволяет довести сопротивление теплопередаче изделия до 1,2 — 1,5 (м2-°С)/ Вт и выше. В настоящее время продажа таких стеклопакетов на рынке США составляет около 5% от общего объема продаж. Их преимущества очевидны — они имеют хорошие теплотехнические характеристики, малый вес, не требуют больших объемов транспортировки, так как пленка перевозится на фирму — производитель стеклопакетов в рулонах. Первые производители <Тепловых ЗеркалT> появились в Украине и России.

Стеклопакеты с заполнением специальными гелями

В таких стеклопакетах в межстекольное пространство помещается специальное вещество с низкой теплопроводностью — прозрачный гель. По предварительным оценкам сопротивление теплопередаче в подобных стеклопакетах может достигать значений 1,5 (м2-°С)/ Вт. Проблемы при создании стеклопакетов с заполнением гелями следующее: высокая на сегодняшний день стоимость материалов и технологий, нестабильное пока поведение геля при воздействии солнечного облучения, в том числе снижение видимости и помутнение. Тем не менее, ряд фирм, которые занимаются разработкой этих стеклопакетов, утверждают, что они предполагают выпустить его на рынок до 2005 г.