Самые большие потери тепла в расчете на 1 м2 площади приходятся на окна, точнее, стеклопакеты. Так, у стен коэффициент теплопередачи примерно 0,3 Вт/(м2*К). Аналогичный показатель стеклопакетов – 1,1-1.3 Вт/(м2*К). Поэтому производители окон ищут способы уменьшить потери тепла через оконный проем. В ход идут:
- большое количество камер в стеклопакете;
- использование низкоэмиссионного стекла;
- замена воздуха инертным газом.
Предпринимаемые меры дают результат. Многокамерные стеклопакеты с инертным газом криптоном и k-стеклом повышают энергоэффективность окна – коэффициент теплопередачи снижается примерно до 0,7 Вт/(м2*К). В принципе этого достаточно. Но возникает другая проблема: оконная конструкция усложняется, что ведет к сильному росту ее стоимости (способны купить только состоятельные владельцы коттеджей) и увеличению веса стеклопакета и створок, что в свою очередь требует увеличения толщины армирующего металла. Получается заколдованный круг.
Проблему технологи и ученые пытаются решить за счет откачки воздуха из камер стеклопакетов. Дальше всех в этом направлении продвинулась Япония. Есть свои наработки и у Китая. Не отстают от них Россия и Германия.
Редакция сайта StroyGuru решила познакомить своих посетителей с инновационным видом окон и рассказать, что такое вакуумные стеклопакеты, их преимущества и недостатки, перспективы разработки.
Что это и в чем особенность
Потери тепла через стеклопакет обусловлены:
- теплопроводностью твердых материалов;
- конвекцией атомов воздуха;
- электромагнитным излучением.
Теплопроводность. Основная форма передачи тепла – теплопроводность сплошных материалов. Снизить тепловые потери таким путем можно за счет теплоизоляционных материалов или использования полых конструкций.
Конвекция. Второй путь передачи тепла – движение атомов газа (конвекция). Чем они легче, тем быстрее движутся, а, следовательно, передают больше тепла. Получается, что от нагретого стекла воздух быстро передает тепло холодному стеклу.
Уменьшить теплопотери можно двумя путями: закачать в камеры тяжелые атомы газа, такие, как аргон или криптон (медленно двигаются) или вообще убрать воздух: в вакууме тепло не передается конвекционным путем. Подсчитано, что теплопотери уменьшаются линейно с падением давления.
Излучение. Тепловые лучи распространяются в вакууме и воздухе, что наглядно демонстрирует солнце. Задержать излучение может специальное покрытие стекла, которое пропускает свет (короткие волны) и задерживает, точнее, отражает, по принципу зеркала, инфракрасное излучение.
Исследователи решили снизить потери стекла сразу двумя путями: откачать воздух из камер стеклопакета, создав там вакуум и нанести низкоэмиссионное напыление.
При откачке воздуха сразу возникает проблема слипания стекол. Ее наглядно демонстрируют обычные стеклопакеты. Летом, при высокой температуре, стекла, из-за повышенного давления, принимают выгнутый вид. Зимой, вогнутый. Если стекло деформируется при незначительном изменении давления, то, что с ним будет при полном вакууме.
а – давление повышенное; б – пониженное атмосферное давление.
Расчеты показали, что на стекло площадью 1 м2 приходится нагрузка в 10 т. Поэтому при откаченном из камеры воздухе стеклопакет если не лопнет, то слипнется Эффект пропадает, так как начинает действовать основной путь передачи тепла – теплопроводность. Избежать схлопывания стекла помогают распорки (спейсеры), которые равномерно размещаются в камере стеклопакета.
Идея таких оконных конструкций долгое время витала в воздухе, но конкретного воплощения не находила – стекло было слишком хрупким, не выдерживало давления ветра.
Все изменилось в 2016 году, когда изготовила вакуумный стеклопакет «LandVac» с повышенной прочностью – поверхностное натяжение превысило 90 МПа. Это означало, что окно способно выдерживать ветровую нагрузку и небольшие по силе удары.
Кроме этого, была предложена гибкая краевая герметизация, успешно противостоящая линейному расширению при перепаде температуры и давления.
Особенность этого окна: много прорывных достоинств и не меньше слабостей. В исследовательских центрах продолжилась работа по борьбе с недостатками. Строители надеются, что через небольшой промежуток времени у них для установки будут долговечные энергоэффективные окна с вакуумным стеклопакетом.
Почему стоит выбрать стеклопакеты с i-стеклом?
При выборе энергосберегающих окон особое внимание следует уделять характеристикам непосредственно стекол, так как они составляют до 80% всей конструкции. Важен не только коэффициент теплопередачи, но также свойства пропускания света и тепловой энергии от солнечного излучения.
- Стекла с низкоэмиссионными покрытиями уменьшают потери длинноволнового теплового излучения, испускаемого радиаторами, осветительными приборами, и в то же время пропускают тепло солнечного излучения внутрь.
- Энергосберегающее стекло эстетически нейтрально, благодаря чему точно отражает цвета и формы. Таким образом, обеспечивается комфортные условия в интерьере и прекрасного вида снаружи.
- Стеклопакеты с «умным» стеклом могут передавать до 65% тепловой энергии солнечного света, который мягко нагревает помещения за счет пассивной теплоотдачи. Благодаря этому можно сэкономить вдвойне – на искусственном освещении и на обогреве помещений.
Конструкция вакуумного окна
Вакуумное окно состоит из привычного оконного блока из пластика или дерева и инновационного стеклопакета. Остекление выполнено с помощью двух закаленных противоударных стекол «LandVac» толщиной 4-6 мм, расположенных на расстоянии примерно 0,7 мм. Чтобы стекла не «схлопывались» под атмосферным давлением, между ними ставятся кварцевые распорки или «спейсеры» по-научному. Диаметр прокладок всегда равен ширине камеры.
Герметичность обеспечивает стеклоприпой – специальная стеклянная паста, размягчающаяся при температуре 350oС. Для повышения теплоизоляционных свойств на одно из стекол наносится низкоэмиссионное покрытие. Его расположение всегда на внутреннем стекле со стороны камеры.
Вакуумный стеклопакет с торца.
Вакуум в стеклопакете ранее создавался насосами, выкачивающими воздух через пластиковую капсулу, размещенную в слое герметика. Такое решение оказалось не совсем удачным: в течение небольшого времени герметичность нарушалась. Решила проблему откачка воздуха через стекло – капсула после отсоединения насоса всасывается в камеру, упирается в противоположное стекло и намертво перекрывает доступ воздуха внутрь стеклопакета.
Капсула, через которую откачивается воздух.
Стекло
Используемое стекло не полностью удовлетворяет производителей. В настоящее время сразу в нескольких странах мира ведутся работы по усовершенствованию стекла «LandVac». Исследователи пытаются увеличить его прочность с одновременной придачей свойств i-стекла.
Герметизация
Существующие способы герметизации не позволяют поддерживать вакуум в камере стеклопакета весь срок эксплуатации. При этом не все виды герметизирующего материала имеют низкий коэффициент проводимости тепла. Поэтому поиски новых средств для герметизации торцов ведутся сразу по нескольким направлениям:
- увеличить эксплуатационный ресурс герметика до 25-30 лет при рабочей температуре от -40oС до +60oС;
- снизить теплопроводность до приемлемых показателей (0,7-1,1 Вт/(м2*К);
- повысить упругость – позволяет предотвращать возникновение трещин при увеличении нагрузки на кромки стекол.
Спейсеры
Распорки в камерах могут быть металлические и кварцевые. Металлические с расстояния 1 м видны, кварцевые сложно заметить с близкого расстояния. Расположены спейсеры в шахматном порядке на расстоянии 30-40 мм друг от друга. По подсчетам специалистов занимают менее 0,1% площади. Поэтому существенного влияния на теплопроводность и видимость не оказывают.
Звукоизоляция: VIG vs триплекс
Еще одно важное свойство вакуумного стекла — звукоизоляционные характеристики. Звукоизоляция такого стекла, как показано в докладе Питера Шобера (Peter Schober, Holzforschung Austria, Wien Ulrich Pont, TU Wien), сравнима с триплексом
со стеклами аналогичной толщины. Т. е. применение VIG в составе стеклопакета приводит к улучшению звукоизолирующих характеристик в тех же случаях, где для этого применялся триплекс.
Звукоизоляция вакуумного стекла, по данным доклада Питера Шобера (Peter Schober, Holzforschung Austria, Wien Ulrich Pont, TU Wien), сравнима с триплексом со стеклами аналогичной толщины Фото: IFT Rosenheim
Плюсы и минусы вакуумных стеклопакетов
Новая технология только пробивает себе дорогу на рынок оконных конструкций. Поэтому у нее много слабых сторон. Но имеющиеся преимущества дают надежду на прекрасные перспективы вакуумных окон в будущем.
- рекордно низкий коэффициент теплопроводности – 0,5 Вт/(м2*К);
- прекрасная шумоизоляция – эффективно блокируются звуковые волны средней и низкой частоты (воспроизводят строительная и дорожно-транспортная техника). В результате уровень шума снижается на 39 дБ, что на 10 дБ больше по сравнению с обычным стеклопакетом;
- увеличивается светопропускная способность оконного проема за счет меньшего количества стекол в стеклопакете;
- уменьшается вес оконной конструкции – армирующий металл может быть тоньше;
- нет дистанционной планки, что делает конструкцию легче. Кроме того исчезает мостик холода, а с ним и запотевание стекла;
- створка становится легче (меньше камер), что увеличивает эксплуатационный ресурс фурнитуры.
- хрупкость конструкции. Даже закаленное стекло LandVac, специально разработанное для вакуумных стеклопакетов, не обладает той прочностью, которое имеется в обычном остеклении. Технологи продолжают работу в этом направлении;
- проблемы с герметизацией. Достаточно малейшей микротрещины, чтобы вакуум исчез;
- реальный срок службы около 8 лет. Затем замена стеклопакета или повторная герметизация;
- тонкое остекление не гармонирует по размерам с рамой. Поэтому окно смотрится непривычно;
- высочайшая цена из-за сложной технологии изготовления – пока такие окна могут позволить себе состоятельные люди.
Особенности применения
Вакуумный стеклопакет
пока не применяется повсеместно из-за нескольких факторов. Первый из них – слишком высокая стоимость (так как дешевой технологии производства пока не создано). Вторая причина в эстетической составляющей. Стеклопакеты толщиной около 8 мм не очень хорошо гармонируют со стандартным ПВХ профилем, а профилей соответствующих по толщине с надежными теплоизоляционными свойствами пока не производятся.
Чаще всего такие стеклоблоки устанавливают в гибридные светопрозрачные конструкции вместо одного из стекол, да и то только в оправданных случаях (из-за высокой стоимости). Установка такой конструкции может быть оправдана только хорошей теплоизоляцией.
Перспективы
Полученные характеристики энергосберегающих вакуумных окон дают основание утверждать: поставленная перед учеными задача успешно решена. Сейчас все усилия исследователей будут направлены на решение частных вопросов: увеличение прочности стекла и поиски новых способов герметизации.
Если результаты исследований позволят увеличить эксплуатационный ресурс таких окон до 25-30 лет, то у технологии впереди блестящее будущее. Увеличение объемов производства непременно положительно скажется на стоимости – она будет неуклонно снижаться. Ведь сейчас в цене вакуумных стеклопакетов заложена не только себестоимость изготовления, но и затраты на научно-исследовательские работы. А они значительные.
Нужно отметить и еще один важный момент: производители оконных профилей активно занялись разработкой рам для инновационного остекления. Если и эта проблема будет решена, то в скором будущем новые виды окон станут вытеснять традиционные пластиковые и деревянные оконные блоки.
Нанесение покрытий на стекло
Стекольная – производитель высококачественных зеркальных стекол разных размеров, вплоть до 2500х1600мм. Наши изделия производятся нанесением металлических тонкоплёночных покрытий. При этом используется вакуумное напыление износостойких материалов – титана и его, оксидных и окси-нитридных соединений. Данная технология позволяет наносить на стекла прочные тонирующие низкоэмиссионные напыления с заданной эффективностью. Покрытия из металлов и их окислов обладают большой прочностью и устойчивостью к химическим и механическим воздействиям.
