Распечатать

Стекло и энергия. Физика конструкций.

01.08.2014

Стекло и энергия. Физика конструкций
Часть 1.

  Стекло всегда было призвано снабжать нас достаточным количеством солнечного света или, говоря научным языком, обеспечивать необходимый уровень инсоляции. Это с одной стороны. С другой стороны, оно обязано защищать нас от нестабильных природно-климатических факторов, таких как: ветер, дождь или холод.
Благодаря избирательной прозрачности стекла солнечная энергия может быть выгодно использована для обогрева помещения. Например, некоторое количество коротковолновой солнечной радиации может свободно проникать сквозь стеклянную преграду, что способствует хорошему освещению интерьера. В то время как длинноволновое тепловое излучение самой комнаты, освещённой солнцем, задерживается, скажем, матовым или тонированным стеклом и остаётся в помещении. Этот известный эффект энергетически чистого «зелёного дома» вдохновляет архитекторов на возведение стеклянных домов в самом центре довольно холодной Европы, что было ранее возможно лишь в тропических поясах.
  Сегодня стекло представляет собой высокотехнологичный материал, физические характеристики которого отнюдь не уступают, а в некоторых случаях превосходят качества других материалов. На современном этапе развития технологий необходимо учитывать и использовать как физический функционал стекла, так и всё, что связано с его возможностью работать с солнечной и тепловой энергией.

Энергетически значимые свойства стекла

1. Прозрачность.
  Прозрачность в бытовом понимании - это способность материала пропускать свет, а также возможность проникновения сквозь прозрачный материал теплового излучения и некоторых других его видов. Однако такое описание не даёт полного ответа о природе проникновения различных энергетических потоков сквозь прозрачный объект. Светопроницаемость того или иного объекта обычно ассоциируется у нас с определённым видом излучения, определённой длиной волны или волнового спектра. В то время как светопрозрачные компоненты пропускают непрерывный поток тепловой и световой энергии при полной ясности вида: сквозь частично прозрачные конструкции проходят энергетические потоки, но ясность обзора через такие конструкции затруднена. Светопрозрачность означает проницаемость, например, стекла для излучения независимо от качества «картинки» за его пределами. Для большей ясности вышеизложенного рассмотрим свойства радиации прежде свойств самого стекла.

   Что спектр солнца нам готовит?
  Итак, коротко о спектре излучения. В сферах строительства и дизайна спектр излучения обычно разделяют на три группы в зависимости от длины волны: 
•    ультрафиолетовое излучение (с длиной волны 0- 380 нм),
•     видимый свет, который чувствуется человеческим глазом (380- 780 нм),
•    инфракрасное тепловое излучение (с длиной волны 780-2 800 нм).
В ясный день солнечный свет на поверхности Земли представлен, в основном, видимым светом (47%) и инфракрасным излучением (46%). Связанные с этим небольшие пропорции ультрафиолета (7%) охватывают биологически активную УФ-радиацию типа Б (218- 315 нм) и длинноволновую УФ-радиацию типа А (315- 380 нм). Для полноценного использования стекла, кроме значения солнечного спектра, с одной стороны большую роль играет способность человеческого глаза различать диапазон видимого света. С другой стороны, только смена длины волны с коротковолнового солнечного излучения на длинноволновое тепловое позволяет проявиться «диодному» эффекту стекла, при котором пропускается солнечное тепло, но задерживается солнечная радиация.
 Пропускание спектрального излучения стеклянными панелями, прежде всего, работает как светопоглощение. Так, прозрачное стекло пропускает биологический ультрафиолет. Но при толщине стекла более 5 мм длинноволновое ультрафиолетовое излучение полностью поглощается. Этот эффект прекрасно зарекомендовал себя в самих конструкциях и управлении большими «экодомами», поскольку ультрафиолет благотворно влияет на живые организмы и очищает атмосферу помещения от микробов и бактерий.  Правда, есть ощутимый минус УФ-излучения: даже небольшие порции ультрафиолета способны привести к «выгоранию», потере яркости определённых поверхностей и, более того, к уменьшению прочности конструкций.

Железно
  Главным элементом в структуре стекла, отвечающим за светопоглощение, является оксид железа. Он придаёт стеклу тот самый зеленоватый оттенок и позволяет пропускать излучение длиной волны около 1000 нм. Уменьшение пропорции оксида железа способствует снижению светопоглощения стеклом и увеличению светопропускания. Таким образом, например, в медицинских целях для создания полностью УФ прозрачного стекла используют состав без оксида железа или кварцевое стекло.

Дневной свет: пропуск и поглощение
  Решающую роль в освещении комнаты наряду с величиной оконного проёма играет пропускание стеклом видимого излучения, так называемого «дневного света» с длиной волны от 380 до 780 нм. Различные свойства оконного стекла (величина, прозрачность) и степень глянцевитости поверхностей в интерьере определяют его потребность в освещении. Светопропускание - ключевое понятие в данном случае. Не стоит забывать, что даже видимое световое излучение является типом энергии, которая, поглощаясь поверхностью, преобразуется в тепло.
  Светопропускание или оптическая прозрачность определяет пропорцию видимого излучения, направленно проникающего в стекло и связанного со светочувствительностью глаза человека. Светопропускание выражается в процентах и зависит от толщины стекла так же, как и от некоторых других факторов. Светопропускание стекла выбирают на основании функции здания и внутреннего пространства. Величина светового проёма в этом случае может быть различной. Она особенно важна в контексте использования стекла с функцией «солнцеконтроля», поскольку глянец стеклянной поверхности служит защитой от солнца. Однако такое стекло всё же должно показывать достаточно высокий уровень пропускания солнечного света и не допускать замещения естественного освещения искусственным. 
  Учитывая все эти различия в уровне пропускания глобального цветового спектра и части, занятой видимым светом, необходимо обозначать границу между световым и тепловым излучением при описании и подборе типов стекла для различных конструкций.

Пропускаемость излучения
  Пропускание излучения стеклом, или энергопропускание, определяет количество солнечной радиации, направленной непосредственно сквозь стекло. Оно тесно связано с солнечным спектром. Общее энергопропускание с длинной волны от 300 до 2 500 нм складывается из направленного солнечного излучения и теплового потока, которое образуется после поглощения радиации стеклом в виде теплового излучения и его конвекции непосредственно в интерьере.

Равновесие и ещё раз равновесие: баланс излучения, отражения и поглощения
Энергия, направленно попадающая на стекло, а также проходящая сквозь него, либо отражается от поверхности стекла, либо поглощается ею и преобразуется в тепло. Нагретое стекло отдаёт свою энергию вновь в окружающее пространство в форме теплового излучения и конвекции.

Следствие: эффект энергетически чистого «зелёного дома»
  Следствием спектральной зависимости пропускной способности стекла в описываемом случае является эффект «зелёного дома». Большое количество коротковолнового солнечного излучения может проникнуть в интерьер через стеклянные плоскости. Внутри это излучение частично поглощается, частично отражается, чтобы быть поглощённым другими поверхностями. Поглощённая солнечная энергия преобразуется в тепловую на поверхностях объектов, подвергшихся излучению. Однако объекты реагируют на это повышением температуры и испусканием, в свою очередь, длинноволнового теплового потока, часть которого снова достигает поверхности стекла. В результате снова происходит частичное поглощение и частичное отражение, то есть практически замкнутый круговорот энергии в одном помещении.
 
Не забываем про цвет
    Цветопередача чрезвычайно важна для физиологического и психического самочувствия человека в интерьере. Цвет помещения находится в прямой зависимости от трансформации спектрального состава входящего дневного света. Цветопередающие качества стекла обозначаются специальным индексом Rа. Максимальное значение данного индекса равно 100, но зачастую к максимальному приравнивают значение 99. Нормой считается значение от 90 и выше, при котором стекло имеет наилучшие цветопередающие свойства. Хорошим считается индекс Rа 80 и больше. Следует заметить, что реальная цветопередача зависит ещё и от угла зрения, который порождает различные цветовые отклонения. Самая верная цветопередача осуществляется при направлении светопотока и взгляда перпендикулярно освещаемой поверхности. Преломление света внутри стекла также даёт цветовые модификации.

2. Теплоизоляция
Сопротивление на границе
  Теплоизоляционные свойства стекла определяются его ролью прозрачной границы между двумя «климатическими зонами»: внутри помещения и снаружи. Эти свойства базируются на температурном сопротивлении самого материала и сопротивлении передаче тепла сквозь поверхность. Увеличение сопротивления может быть достигнуто с помощью нескольких слоёв стекла, перемежающихся с воздушным пространством между ними, что позволяет стеклу управлять тепловым потоком сравнительно эффективно. Конденсат или иней на поверхности стекла сигнализируют о его низком тепловом сопротивлении.
 
Ключ к теплу
  Теплопроводность - ключевой параметр для определения потерь тепла через любой компонент. Теплопроводность означает количество тепла, проходящего через 1 кв. м поверхности за 1 секунду при температурной разнице в 1К между воздухом внутри и снаружи помещения. И, естественно, чем выше теплоизоляция, тем ниже теплопроводность стеклянного элемента.

Как увеличить теплоизоляцию?
    Например, две или более одиночных стеклянных плоскостей могут быть помещены параллельно друг другу, и между ними должны быть созданы воздушные подушки. Тепловые потоки разделяются под действием конвекции и теплопроводности в воздушном зазоре и циркулируют между стёклами.  Сопротивление внутренней поверхности слоя воздуха зависит, например, от площади стекла, наличия четверти в стене. Толщина воздушной камеры должна быть минимум 15 мм. Именно эта цифра представляется наиболее оптимальным компромиссом между конвекцией (которая увеличивается при расширении воздушной полости) и теплопроводностью (которая уменьшается при аналогичных обстоятельствах). Так работает стеклопакет и его производные - одно из энергосберегающих изобретений в области стеклянных конструкций.

Все на борьбу с конденсатом
  Для решения проблемы конденсата в замкнутых камерах между стёклами в настоящее время применяют осушители из гигроскопичных материалов, которые поглощают влагу из содержимого межстекольной воздушной камеры. Их помещают внутрь дистанционной рамки. Такие абсорбирующие элементы долговечны, считается, что срок их службы адекватен сроку жизни стекла (30- 35 лет).
  Воздушное заполнение камеры теплозащитной стеклянной конструкции (не вакуум!) требует особых условий производства и эксплуатации. Изделие должно быть изготовлено для эксплуатации строго на определённой проектом высоте, иначе конструкция просто лопнет от высотного перепада давления. Особенно это актуально для горной местности.

Нет предела совершенству: многослойность
    Стоит лишь посмотреть на различные механизмы циркуляции тепла, как становится ясным, что для уменьшения теплопотери необходимо минимизировать транспортировку излучения.  Тройное остекление справляется с этой задачей: «тёплая» внутренняя стеклянная панель обменивается теплом только со средней плоскостью, никак не контактируя с внешней, «холодной» панелью. В данном виде остекления используется флоат-стекло - листовое стекло, которое изготавливается при использовании метода термического формования на расплаве металла. Это самый современный и самый массовый метод в производстве листового стекла. Флоат-стекло - основа для производства большого количества новых улучшенных стеклопакетов, оно часто применяется в многослойном остеклении. Этот вид стекла (термополированное) характеризуется малыми оптическими искажениями, отличным качеством поверхности и одинаковой толщиной. Две воздушные камеры между стёклами имеют толщину 15 мм.
  В целом, такой метод снижения потерь тепла означает, что солнечное излучение заставляет среднее стекло изрядно нагреваться. Во избежание трещин на стекле из-за расширения материала при нагреве, его принято делать из закалённого стекла.

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.

Взгляд архитектора на причины растущей популярности стеклянных конструкций

Комментарии