Распечатать

Стекло и энергия. Физика конструкций. Часть 3

04.12.2014

Полный вакуум.

  В вакуумной среде конвекция и кондукция сокращаются до нуля.  Однако атмосферное давление обеспечивает возможность контакта между стеклянными панелями или, при слишком большой деформации, их разрушения даже при незначительном отрицательном давлении внутри камеры стеклопакета. Поэтому вакуумное заполнение камеры может применяться только совместно с жёстким фиксированием панелей относительно друг друга. Для стеклянных панелей подобной механической поддержкой являются как специальные распорки или прокладки, так и  широкомасштабное применение светопропускающих, устойчивых к давлению изоляционных материалов, которые легко удаляются в случае необходимости (например, аэрогель). Таким образом, различные теплопотери в вакуумной конструкции практически полностью устраняются из- за слоя вакуума и уменьшения воздушной конвекции между стеклянными панелями.  

Конвекцию к барьеру!

  Помимо уменьшения конвекции за счёт использования газов, на пути конвекционных теплопотерь можно поставить и механические барьеры. Наиболее распространены четыре группы таких элементов: параллельное деление, вертикальное деление, камерные системы и практически однородное заполнение. С точки зрения нашей проблемы мы будем рассматривать только параллельные системы, поскольку они сохраняют полную прозрачность конструкции и не позволяют ей превращаться в некий полупрозрачный компонент.

  Параллельные конвекционные барьеры обычно изготавливаются из стекла или плёнки, которые могут иметь дополнительное покрытие. Подобное сочетание создаёт уникальную камеру, которая препятствует конвекции с одной стороны, а с другой- сохраняет сопротивление температурной кондукции на всей поверхности стекла. К преимуществам конвекционных барьеров трёх- четырёхслойного остекления относятся уменьшение веса, отсутствие проблем с перегревом средней панели и общая небольшая толщина конструкции.

Лёгкий абрис или влияние контурного уплотнителя.

   Контурный уплотнитель оказывает большое влияние на энергетические характеристики стеклоконструкции. Камера в изолированном остеклении необходима из конструктивных соображений. Но она же является классическим температурным мостиком. В конструкции обычно применяется металл. Теплопроводность, к примеру, алюминия равна 0.9- 2.2 Вт/мК в зависимости от профиля. Из- за низкого температурного сопротивления контурного уплотнения температура панели здесь ниже в сравнении с центральной частью стекла. Это ведёт к тепловой кондукции параллельно поверхности остекления, так что снижение температурного сопротивления во всей стеклянной конструкции в целом идёт в двух направлениях. В случае с остеклением с улучшенными теплоизоляционными характеристиками необходимо принимать в расчёт тепловой разрыв и свойства теплоизоляционного материала, используемого в контуре.

В рамках или за гранью.  Материальные ценности.

    Помимо всего вышеописанного в изучении энергетических свойств стеклянных конструкций необходимо учитывать особенности рамы и контура. Зона стеклянной кромки и рама оказывают влияние друг на друга. Тепловой поток, проникающий сквозь контур, может быть ослаблен, или, напротив, увеличен в зависимости от типа рамы и покрытия кромки.

  Материал рамы, разумеется, играет существенную роль в оценке стеклянной конструкции в целом. При расчёте коэффициента теплопередачи оконной конструкции принимается во внимание качество стекла и теплоэффективность контурного уплотнения. Специалисты отмечают необходимость выбора хорошего материала для рамы, особенно, если рамное заполнение недостаточно эффективно в плане концентрации энергии.

Эффектное сочетание. Смышлёное стекло.

  Сочетание теплоизоляции с теплопередачей и дневным светом производит очень интересный эффект. При попытках оптимизировать теплопередачу с помощью взаимозависимости различных энергетических параметров нельзя игнорировать энергию солнечного или дневного света. Остекление с высокой теплоизоляцией может компенсировать теплопотери с помощью солнечной энергии в тёплый период времени и способно само по себе стать источником тепла. Для этого очень часто используется специальное покрытие внутреннего стекла в стеклопакете. Таким образом достигаются сразу три цели: отличное светопропускание, использование естественной солнечной энергии и отражение теплового потока внутрь помещения из- за специального покрытия.

 Кроме того, нельзя упускать из виду расположение остекления относительно сторон света. Например, согласно немецким исследованиям остекление, ориентированное на север, уменьшает теплопотери преимущественно за счёт теплоизоляции. Окна, обращённые на юг, могут увеличить количество тепла из- за удерживания внутри помещения тепловой энергии солнца. Словом, одинаковые по своей работе окна и прочие стеклянные конструкции скоро должны уйти в прошлое. Для каждого помещения рациональнее применять остекление, наиболее выгодно работающее именно в данных условиях(ориентация по сторонам света, инсоляция, время года, освещённость- затенённость и пр.).

В свете солнечной радиации. Получение энергии из стекла.

Климат ставит условия.

Изображение 1: Стекло и энергия. Физика конструкций. Часть 3 – ГлавСтеклоСтрой

  Прозрачность и светопропускание стеклянных конструкций позволяют нам освещать и обогревать интерьер с помощью солнечного света и солнечной радиации. Местные погодные условия- основополагающий показатель для оценки способов получения энергии и уменьшения теплопотерь. Это справедливо как для энергетической части спектра, так и для видимого солнечного света. Солнечная энергия, достигающая земли, направленная и диффузная, играет ключевую роль для получения запаса энергии. С другой стороны, господствующие температуры, скорость ветра, облачность, внутренняя температура в помещении также определяют теплопотери на квадратный метр площади остекления. Необходимо учитывать и такие климатические факторы как географическое положение, высота над уровнем моря, различные виды морских течений и пр. Всё это вкупе позволяет делить поверхность Земли на различные климатические зоны, крупные первичные и далее на более мелкие. Помимо этого, специфическое расположение строений определяет собственный микроклимат здания, который имеет решающее значение в плане регулирования теплопередачи и уменьшения теплопотерь.

  Основное влияние на процесс теплообмена в стеклянных конструкциях оказывают следующие климатические факторы:

· Количество солнечной радиации, состоящей из направленного и диффузного излучения, в зависимости от азимута(направления по компасу), горизонта(высоты над уровнем моря) и времени года.

· Среднегодовые температуры в регионе, при которых минимальная температура в холодный период и длительность последнего оказывают определяющее воздействие на определение общей теплопередачи стеклянных конструкций.

· Скорость ветра, которая увеличивает охлаждение внешней панели стеклоконструкции и способствует проникновению воздушных потоков внутрь помещения.

·Влажность, способствующая появлению конденсата и влияющая на комфорт интерьера.

· Инфракрасное излучение как дополнительный фактор риска для внешней стеклянной панели. Оно определяется степенью облачности.

Лестница в небо: энергетические уровни и солнечное излучение.

  Для изготовления и эксплуатации энергоэффективных стеклянных конструкций очень важно учитывать качество и количество солнечной радиации.

  Космическая солнечная радиация фильтруется земной атмосферой. Озон в стратосфере буквально рвётся под воздействие ультрафиолета. В яркие солнечные дни большее количество ультрафиолетовых лучей солнечной радиации достигает поверхности Земли. Часть этих лучей отражается от земной поверхности обратно в космос, часть поглощается и конвертируется в тепло с помощью озона, углекислого газа и водяного пара, который представляет собой атмосферную контр- радиацию. Сумма атмосферной контр- радиации, прямого и диффузного солнечного излучения образует  общую солнечную радиацию. Процент диффузного излучения напрямую зависит от облачности, чистоты воздуха и длительности излучения. Наибольшая плотность солнечной радиации наблюдается весной.

  Среднегодовая температура внешней среды зависит от распределения солнечной радиации. Облачный покров выступает как двусторонний щит против солнечного излучения и теплопотерь с поверхности Земли. То есть, облачность выполняет функцию временной свето- и теплоизоляции. Всё это нужно принимать в расчёт при изготовлении и эксплуатации энергосберегающих стеклконструкций.

  Помимо прочего также необходимо учитывать перепады дневных и ночных температур, которые различны, скажем, летом и зимой. К тому же свойства ветра оказывают сильное влияние на внешнюю панель стеклопакета, её способность сопротивляться ветровым нагрузкам.

  Таким образом можно сделать вывод, что энергоэффективные окна  и другие стеклянные конструкции нового поколения должны быть многофункциональными, вариативными, гибко подстраиваться под климатические условия данной местности. Такие конструкции нацелены на избирательное пропускание и отражение электромагнитных волн солнечного спектра разной длины: например, основная масса инфракрасного излучения отражается, что не допускает перегрева помещения, а свет свободно проходит сквозь стеклянные грани.  Большинство современных стеклянных элементов обеспечивает  как высокий уровень защиты от УФ радиации и теплозащиту с помощью специальных конструкций и покрытий стекла, так и устойчивость к механическим и физическим воздействиям окружающей среды (ветровым нагрузкам, влажности и пр.).

 Помимо получения личного комфорта при использовании таких конструкций мы также уменьшаем вредное воздействие на окружающую среду и более рационально используем природные ресурсы.

Продолжение следует.


Похожие статьи

Вы точно знаете, что хотите иметь в доме стеклянную конструкцию?  Узнайте как выбрать подрядчика.

В современном мире нет, наверное, ни одного человека, который не знаком со стеклом.

Двойная природа стекла на страже света и тепла

Комментарии