О тепловой эффективности стеклопакетов

Ниже представлены основные факторы, которые влияют на теплозащитные характеристики стеклопакетов. Эти факторы нужно принимать во внимание при проектировании, заказе и изготовлении стеклопакетов для светопрозрачных конструкций зданий.

Конструкция стеклопакета

Обычно стеклопакет состоит из двух или трех листов стекла, которые имеют одинаковую ширину и высоту. При этом толщина стекол может быть как одинаковой, так и различной. Эти стекла устанавливаются на заданном расстоянии друг от друга и склеиваются вместе по их кромкам. Поэтому их называют клееными стеклопакетами [1]. Между стеклами образуется герметичная полость – камера стеклопакета.

Эта камера содержит сухой воздух или, иногда, инертные газы аргон или криптон. При этом никакого вакуума в этой полости не создается, как это иногда ошибочно считают.

Дистанционная рамка, которая отделяет листы стекол друг от друга, имеет определенное влияние на теплоизолирующие свойства стеклопакета и, особенно, на точку росы на кромках стеклопакета. Часто дистанционные рамки называют спейсерами от соответствующего английского термина «spacer». Ниже для краткости и мы будем их так называть.

изготовление стеклопакета

Далее для простоты будем рассматривать только стеклопакеты из двух стекол. Такие стеклопакеты называют однокамерными [1]. Два стекла стеклопакета склеиваются вместе с применением двухстадийной системы герметизации.

Первичная герметизация

Эта система заключается в следующем. Между стеклами по всему периметру кромок устанавливается спейсер и непрерывная лента бутилового герметика. Два стекла оказываются склеенными друг с другом. Бутиловый герметик, который называют первичным герметиком, предотвращает проникновение водяных паров внутрь стеклопакета, а также диффузию наружу инертных газов, если они применяются.

Осушение воздуха

Спейсер содержит зернистый осушающий материал, который называют влагопоглотителем [1], диссикантом или молекулярным ситом. Этот влагопоглотитель через небольшие отверстия в спейсере поддерживает воздух внутри стеклопакета постоянно сухим (см. рисунок 1).

Удаление покрытий с кромок

В процессе герметизации стеклопакета очень важно, чтобы сторона стекла с энергосберегающим покрытием была направлена внутрь стеклопакета. Эти покрытия перед нанесением первичного герметика механически удаляют по всей кромке стекла. Это важно, чтобы обеспечить высокую адгезию герметика к стеклу и, следовательно, надежную герметизацию стеклопакета. Кроме того, внутри стеклопакета это покрытие оказывается надежно защищенным от погодных и механических воздействий.

Вторичная герметизация

Затем выполняют вторичную герметизацию по всему периметру первичной герметизации. Для вторичной герметизации обычно применяют двухкомпонентные герметики, полисульфидные или полиуретеновые.

Если кромки стеклопакетов будут подвергаться воздействию ультрафиолетового излучения (например, при структурном остеклении), то вместо обычных герметиков применяют стойкие к ультрафиолету силиконовые герметики.

Теплозащитная функция стеклопакета

Три фактора определяют передачу тепла через стеклопакет:

• тепловое излучение;
• теплопроводность;
• конвекция.

Механизмы потери тепла через однокамерный стеклопакет

Каждое тело излучает в зависимости от своей температуры электромагнитные волны теплового излучения. Это излучение не требуют никакой среды для своего распространения.

Теплопроводность – это поток тепла в материальной среде в результате разности температуры, а, именно – всегда от более горячего к более холодному.

Конвективный поток – это поток частиц газа во внутренней полости стеклопакета вследствие разности температуры между его внутренним и наружным стеклами. Эти частицы опускаются вдоль холодного стекла и снова поднимаются вверх вдоль теплого стекла. В результате газ циркулирует, создавая поток тепла от теплого стекла к холодному.

Обычный однокамерный воздушный стеклопакет из стекол без покрытий, теряет около двух третей тепла из комнаты за счет излучения между двумя стеклами и одну треть – за счет теплопроводности и конвекции.

Пути повышения тепловой эффективности стеклопакета

Повышение тепловой эффективности стеклопакета может достигаться следующими тремя путями:

• Передача тепла за счет излучения может быть почти полностью исключена (до 98 %) путем применения стекол со специальными покрытиями
• Заполнение полости стеклопакета аргоном или криптоном снижает потери тепла за счет теплопроводности
• Конвекция может быть снижена путем оптимизации ширины внутренней полости стеклопакета, то есть расстояния между его стеклами.

Низкоэмисионные покрытия

В современных стеклопакетах, по крайней мере, одно из стекол обычно имеет низкоэмиссионное покрытие, так называемое, покрытие low-E. Эти покрытия способны отражать до 98 % длинноволнового теплового излучения и, тем самым, почти полностью предотвращать потери тепла за счет излучения. Это дает улучшение теплозащитных свойств стеклопакета примерно на 66 % по сравнению со стеклопакетом из обычных стекол без покрытий [2, 3].

инертные газы

Снижение потерь тепла стеклопакета за счет теплопроводности может быть достигнуто путем применения в его внутренней полости вместо сухого воздуха инертного газа (аргона или криптона). Инертные газы имеют значительно более низкую теплопроводность, чем воздух и поэтому снижают поток тепла через стеклопакет. Применение инертных газов в стеклопакетах имеет как преимущества, так и недостатки, поэтому они требуют отдельного рассмотрения. Далее речь пойдет только о стеклопакетах с воздушной внутренней прослойкой.

Ширина внутренней полости стеклопакета

В зависимости от применяемого в стеклопакете вида газа изменяется оптимальное расстояние между стеклами, которое обеспечивает минимальную передачу тепла за счет конвекции. В случае воздуха это расстояние составляет 14-16 мм [2, 3].

спейсеры

Пути повышения теплозащитной эффективности стеклопакета, которые были изложены выше, относятся в основном к центральной части стеклопакета. Конструкция и материал спейсера значительно влияют на теплозащитные свойства краев стеклопакета.

алюминиевые спейсеры

До недавнего времени, почти во всех стеклопакетах применялись алюминиевые спейсеры. 

Однако, известно, что алюминий отличается весьма высокой теплопроводностью. Поэтому, по мере роста требований к теплозащитным характеристикам стеклопакетов, были разработаны альтернативные конструкции спейсеров с применением других материалов. Вместе с тем, стеклопакеты с алюминиевыми спейсерами все еще остаются вполне стандартизированной продукцией [1, 3].

Спейсеры из нержавеющей стали

Очень тонкие профили из нержавеющей стали, теплопроводность которой в несколько раз ниже, чем у алюминия, является самой простой заменой алюминиевым спейсерам.

Металлопластиковые спейсеры

Пластиковый спейсер обеспечивает высокую тепловую изоляцию, но не обладает высокой стойкостью к диффузии газов в течение всего срока службы стеклопакета. Поэтому применяют комбинацию пластика с газонепроницаемой нержавеющей сталью или алюминиевой фольгой.

Термопластичные спейсеры

Эти спейсеры получают горячим экструдированием из специального пластмассового состава, который помещают между двумя стеклами при изготовлении стеклопакета. После охлаждения эти спейсеры обеспечивают требуемую механическую прочность, а также необходимое сопротивление газовой диффузии. Диссикант в буквальном смысле «замешан» внутри этой пластической массы.

Коэффициент теплопередачи U

Эта величина характеризует потери тепла через соответствующий компонент наружной оболочки здания – стену, окно, стеклопакет. Она показывает, сколько джоулей тепла проходит за 1 секунду через 1 квадратный метр при разности температуры между наружной и внутренней поверхностью 1 градус Кельвина (или Цельсия). С учетом того, что 1 Вт = 1 Дж/с, размерностью этой величины является Вт/(м2К).

Коэффициент теплопередачи стеклопакета Ug

Величина Ug, которую применяют в зарубежных технических условиях на стеклопакеты [3], является коэффициентом теплопередачи центральной части стеклопакета без учета краевых эффектов на его кромках. Эти краевые эффекты обычно заключаются в более низких теплозащитных характеристиках кромок по сравнению с характеристиками центральной части.

Коэффициент теплопередачи Ug для наклонных стеклопакетов

Влияние ориентации стеклопакета на коэффициент теплопередачи Ug:
90º: Ug = 1,1 Вт/(м2К);45º: Ug = 1,6 Вт/(м2К);
0º: Ug = 1,7 Вт/(м2К)[/caption]

Обычно коэффициент теплопередачи Ug применяется для описания остекления, которое располагается вертикально. Установка стеклопакета наклонно меняет механизм конвективного теплообмена внутри стеклопакета и поэтому может значительно снижать его величину. Чем больше наклон стеклопакета, тем быстрее происходит циркуляция воздуха в его внутренней полости и тем более снижается его коэффициент теплопередачи.

Точка росы и конденсат

В любом воздухе всегда в той или иной мере присутствует влага. Чем теплее воздух, тем больше влаги он может содержать. Когда воздух остывает, количество влаги в нем остается прежним, а его относительная влажность возрастает. Температура точки росы – это температура, при которой относительная влажность воздуха достигает 100 %. Поэтому на стекле с такой температурой выпадает конденсат влаги в виде мельчайших капель воды: стекло «запотевает».

Конденсат, в принципе, может выпадать на различных поверхностях стеклопакета.

• во внутренней полости стеклопакета (поверхности #2 и #3);
• на поверхности стекла внутри помещения (поверхность #4);
• на наружной поверхности стеклопакета (поверхность #1).

Конденсат во внутренней полости стеклопакета

Это явление редко происходит с современными стеклопакетами, так как они хорошо герметизируются и наполнены осушенным воздухом или газом. Если конденсат выпал внутри стеклопакета, чаще – на более холодной поверхности #2, то это говорит об его разгерметизации. Такой стеклопакет требует замены.

Конденсат на стекле внутри помещения

Выпадение конденсата на стекле внутри помещения может происходить на одинарных стеклах или однокамерных стеклопакетах без энергосберегающих покрытий. В холодное зимнее время температура внутреннего стекла часто бывает ниже точки росы воздуха внутри помещения. Теплый воздух быстро охлаждается вблизи окна и осаждает влагу на холодном стекле.

У современных стеклопакетов со специальными теплозащитными покрытиями, да еще, вдобавок, заполненными инертными газами, температура внутреннего стекла может оставаться достаточно теплой даже в морозы, и поэтому стекла внутри помещений запотевают редко. Если запотевание случается только при экстремально низкой наружной температуре, то это может считаться вполне приемлемым.

Если относительная влажность внутреннего воздуха очень высокая, например, в кухне при приготовлении пищи или мойке посуды, а также рядом с горячей ванной или душем, то стекла даже хороших стеклопакетов могут запотевать. Простое решение этой проблемы – быстрая полная смена воздуха, например, проветриванием.

Конденсат на наружной поверхности стеклопакета

Это явление возникло с появлением современных эффективных стеклопакетов. Оно особенно заметно в ранние утренние часы, в случае, если содержание влаги в течение ночи резко возросло.

Высокие термоизоляционные свойства этих стеклянных поверхностей не пропускают тепло изнутри наружу, поэтому наружное стекло остается очень холодным. Солнечные лучи начинают быстро прогревать наружный воздух, а поверхность #1 стеклопакета остается еще холодной. Это может приводить к конденсации влаги на этом наружном стекле. Это явление не является признаком дефектного стеклопакета. Наоборот, это говорит о его высоких теплоизоляционных характеристиках.