Научные основы энергоёмкости окна

Окно – один из основных конструктивных элементов, используемых в строительстве различных объектов, предназначенный для естественного освещения и вентилирования помещений, а также для их защиты от внешних шумовых и погодных явлений.

Как и любой другой элемент внешних конструкций, окна являются источником существенных теплопотерь (q), величина которых достигает до 35% от расчётного значения для всего объекта. Она имеет обратно пропорциональную зависимость от сопротивления теплопередачи (R) и прямо пропорциональную от разности температур (ΔT) между помещением и улицей. (Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.; Высшая школа, 1969 -560с).

Согласно СП 50.13330.2012, коэффициент сопротивления теплопередачи окон зависит от среднесуточных колебаний температур и варьируется в пределах от 0,3 до 0,8 м2∙°С/Вт. При использовании многослойных конструкций величины теплосопротивлений суммируются. Поэтому, чтобы минимизировать теплопотери, необходимо использовать рамы, выполненные из материалов с высоким теплосопротивлением, и энергоэффективные стеклопакеты.

Теплопотери световых проемов зависят от теплопередачи следующих конструктивных элементов окна:

• стеклопакета;
• оконной рамы и места примыкания стекла к раме.

Величина теплопотерь через оконную раму зависит от конструктивного решения профиля: эффективности отведения конденсата через специальные пазы, количества герметичных камер и газовых конвективных потоков внутри них и пр. Конструктивно стеклопакет может состоять из одной или нескольких герметичных камер.

В соответствии с ГОСТ 24866, стеклопакеты классифицируются по следующим критериям:

• По количеству камер, представляющих собой герметичное пространство, ограниченное двумя стёклами и рамкой стеклопакета (спейсером), соединяющей их торцевые части. Стеклопакеты могут быть однокамерные, двухкамерные и т.д.
• По типам применяемого стекла:
• обычное;
• энергосберегающее - стекла со специальным напылением (низкоэмиссионное покрытие);
• шумозащитное – триплекс;
• ударопрочное - стекло триплекс с высоким классом защиты;
• солнцезащитное - тонированное стекло в массе или тонированное пленкой.

3. По ширине. Ширина стеклопакета - это полная ширина блока вместе со стеклянной и воздушной частью.

Энергосберегающие стекла

Энергосберегающие стекла существуют двух типов и I-стекло и К-стекло.

К-стекло (твёрдое покрытие)

Энергосбережение стекла с твёрдым покрытием на основе прозрачных окислов металлов основано на снижении тепловых потерь путём излучения за счёт прямой зависимости электропроводности от излучательной способности (E). Особый состав покрытия позволяет отражать тепловую энергию длинноволнового диапазона обратно в помещение. Для сравнения, Eобычного стекла=0,84, а Ек-стекла=0,2, то есть потери тепла путём излучения снижаются почти в 4 раза. (Под ред. А. Е. Шейндлина. Излучательные свойства твердых материалов – М.; Энергия, 1975 – 471 с.)

Этот тип стекла отличается стойкостью к абразивам, высокими показателями прочности и твердостью покрытия. По светопроницаемым характеристикам К-стекло схоже с обычным стеклом. Недостатком К-стекол является появление лёгкой дымки на стёклах в условиях яркого солнечного освещения.

I -стекло (мягкое покрытие)

Данный тип стекол производится на высоковакуумном оборудовании методом магнетронного распыления металлсодержащих веществ, обладающих селективными свойствами. Обычно осуществляется нанесение двух покрытий: серебряного и оксидно-титанового.

По светопропускным и энергосберегающим свойствам они превосходят К-стёкла, но обладают минимальной стойкостью к внешним повреждениям. (Охрана труда и основы энергосбережения. Учебное пособие для ВУЗов – Э.М. Кравченя, Р.Н.Козел, И.П. Свирид. Мн. 2004). Поэтому стёкла в стеклопакете располагают таким образом, чтобы покрытие располагалось вовнутрь конструкции.
Современный сектор оконных конструкций отдает большее предпочтение I -стеклам из-за более высокого коэффициента теплопередачи.

Теплопотери

Теплопотери стеклопакетов зависят от следующих факторов:

• теплопроводность;
• тепловое излучение;
• конвекция.

Тепловое излучение

Тепловое излучение возникает на поверхности нагретых тел за счёт преобразования энергии молекул, находящихся в постоянном движении при температурах выше 0°К, в электромагнитную. В его волновой спектр входит инфракрасный диапазон волн (от 0,8 до 800 мкм) и небольшая часть видимого спектра (от 0,7 до 0,8 мкм).

Излучение тепла подчиняется законам отражения, преломления и распространения электромагнитных волн в определённых средах. Интенсивность излучения напрямую зависит от температуры нагрева тела.
Любые материалы, в том числе, естественно, и строительные отдают тепловую энергию в окружающее пространство. Её величина характеризуется коэффициентом теплового излучения, который зависит от вида обработки излучающей поверхности и химического состава.

Потери тепла в стеклопакетах за счёт отдачи тепловой энергии могут достигать 60%. Поэтому многие производители энергосберегающих окон применяют стеклопакеты со специальными тонкоплёночными покрытиями на основе оксидов металлов, позволяющих снизить теплопотери до 95%.

Теплопроводность

Теплопроводность характеризует способность различных материалов или сред передавать тепловую энергию от более нагретых участков к менее нагретым посредством межатомного взаимодействия. Скорость отдачи тепловой энергии зависит от величины градиента температур, а коэффициент теплопроводности является неизменным для каждого конкретного вещества. Например, для обычных стёкол λ = 0,76 Вт/(м·°С).

Для удобства тепловых расчётов, согласно приложению К.2 в СП 50.13330.2012, принимают λ = 1 Вт/(м·°С) при условии, что толщина стекла менее 4 мм. (Основы энергосбережения: Учебное пособие /Б. И. Врублевский, С. Н. Лебедева, А. Б. Невзорова и др.; Под ред. Б. И. Врублевского. — Гомель: ЧУП «ЦНТУ «Развитие», 2002).

Поскольку теплопроводность стёкол достаточно высокая, улучшить энергоэффективность стеклопакетов можно следующими способами:

• заполнить камеры инертными (аргон, криптон) или активными газами (углекислым и смесями на его основе), обладающими минимальным межатомным взаимодействием;
• создать вакуум внутри стеклопакета.

Последний способ не стал массовым из-за необходимости использования сложного вакуумного оборудования, а также обеспечения высокой прочности и герметичности камер стеклопакетов.

Конвекция

Конвекция представляет собой способ теплообмена, при котором обеспечивается обмен внутренней энергии внутри среды за счёт создания тепловых потоков, возникших в результате температурного градиента. В результате такого процесса внутри стеклопакета происходит перемещение нагретого газа в верхнюю часть камеры, а охлаждённого -  в нижнюю. Длительность такого процесса зависит от времени установления теплового равновесия.

Чтобы снизить конвективные теплопотери, необходимо обеспечить оптимальную энергоёмкость стеклопакета. Это значит, что при увеличении объёма камеры, наполненной газом, должна снижаться теплопроводность, однако за счёт повышения энергоёмкости существенную роль начинают играть конвективные процессы. Поэтому важно найти некий компромисс за счёт грамотного подбора расстояния между стёклами, позволяющего максимально снизить естественную конвекцию.

Чем ниже скорость перемещения атомов газа внутри камеры стеклопакета, тем выше уровень энергосбережения стеклопакета. Оптимальным расстоянием между стёклами считается диапазон от 16 до 24 мм.
Простой однокамерный стеклопакет уменьшает теплопотери на 30-40% в сравнении с классическим двойным остеклением. При использовании специальных энергосберегающих стекол (К-стекло и I-стекло) можно значительно уменьшить затраты на отопительные услуги в помещениях благодаря увеличению коэффициента сопротивления теплопередачи.

Литература:

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.; Высшая школа, 1969 -560с.
2. Основы энергосбережения: Учебное пособие /Б. И. Врублевский, С. Н. Лебедева, А. Б. Невзорова и др.; Под ред. Б. И. Врублевского. — Гомель: ЧУП «ЦНТУ «Развитие», 2002.
3. Охрана труда и основы энергосбережения. Учебное пособие для ВУЗов – Э.М. Кравченя, Р.Н.Козел, И.П. Свирид. Мн. 2004