XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Еще в древности люди строили себе жилища, с помощью которых защищались от непогоды. Помимо защитной функции, они также старались создавать внутри максимально удобную обстановку, чтобы чувствовать себя комфортно и уютно в этом жилье. Чтобы подобрать материалы для различных элементов здания, нужно было исходить из климата той местности, где непосредственно оно возводилось.

В течение целой истории строительства наиболее чувствительной составляющей строений с точки зрения теплоизоляции являлись окна, или, изъясняясь техническим языком, светопропускающие отгораживающие системы.

Cтекло–это один из строительных материалов, имеющих в настоящее время большую популярность благодаря своей экологичности и возможности дальнейшей переработки. Изделия из стекла применяются для таких целей, как производство стекловолокна, прозрачных конструкций наподобие перегородок или стен, а также осветление проёмов. Помимо этого стекла используют и в дизайне интерьеров, так как они способны визуально увеличивать площадь данного помещения.

Существуют такие виды стёкол, как энергосберегающие, солнцезащитные или матовые. Все они используются для различных нужд в строительстве. Например, энергосберегающие стёкла будут полезны для северных регионов, где зима обычно бывает холодной, а использование солнцезащитных стёкол будет необходимым для солнечных и жарких стран, ведь они нагреваются значительно медленней.

Характерной чертой светопропускающих отгораживающих современных систем является осуществление двух обратных функций, то естьс одной стороны, стекла должны пропускать в здание как можно больше солнечного света, а с другой стороны, уберегать человека от дождя, ветра, холода и других всевозможных погодных явлений. После того, как случилось резкое подорожание энергоносителей, главной причиной многочисленных наблюдений в области строительных технологий стало стремление к их экономии. Усилия и старания самых лучших академических центров Америки и Европы были ориентированы в прошедшие десятилетия на решение данной проблемы, в научные исследования было финансировано огромное количество денежных средств. При этом основной упор этих исследований был направлен непосредственно на светопрозрачные конструкции, так как упоминалось ранее, что окна–самый слабый элемент строения. Что касается прогресса в сфере строительных технологий, то наиболее внушительные и имеющие значение открытия были сделаны непосредственно в данном направлении. В настоящее время технологии достигли такого уровня, что теперь стеклянные фасады и окна отдают намного больше энергии и тепла от солнца, нежели теряют.

В первоначальном варианте система стеклопакета имела два обычных оконных стекла с имеющимся среди них осушенным воздухом, сейчас же такая конструкция по теплоизоляции не соответствует европейским канонам и считается устаревшей. В Российской Федерации в некоторых регионах установлены стандарты, которые практически схожи севропейскими. В современной постройке используются стекла, имеющие теплоотражающие покрытия. Физические основы сохранения в результативных стеклопакетах таковы, что тепловой поток в стеклопакетах имеет три части, где на лучистую часть требуется 2/3 переносимого тепла, а на остальные две составляющие только 1/3. Данную характерную черту и решили использовать ученые. Благодаря тончайшему металлическому напылению на стеклах, профессоры научились направлять лучистую часть теплового потока обратно, то есть внутрь здания.Металлическое покрытие владееткачествами светового фильтра, именно поэтому оно имеет название«селективное» или «избирательное»: оно пропускает коротковолновое излучение, особенно хорошо в видимой области, в то время как для длинных волн – инфракрасного спектра–покрытие работает как тепловое зеркало, отражая значительную долю излучения. В практике это означает, что оставаясь прозрачным для человека и хорошо пропуская солнечный свет в помещение, теплоотражающее напыление ориентирует обратно в здание, которое излучает тепловую энергию.Плоскостьстекласизбирательнымпокрытием обязана быть в стеклопакетесогласносчетутретьейсо стороны улицы, потому что только при таком месторасположении оно действительно.

Теплоотражающее напылениеобладает небольшой прочностью на износостойкость. Стекло, которое установлено покрытием внутрь пакета, не подвергается очистке, так как из-за хорошей герметичности стеклопакета само стекло не загрязняется со стороны пространства между стёклами. Избирательное покрытие лишь незначительно улучшает теплотехнические свойства стеклопакета. Происходит это из-за того, что увеличивается разность температур между внешним и внутренним стёклами, что приводит к повышению конвекции воздуха, и, соответственно, потери тепла. Однакоесли стеклопакет степлоотражающим стеклом наполнен инертным газом, например аргоном, тотакой стеклопакет держит тепло уже лучше, чем стены внаших стандартных панельных домах.

Рис.1 Принцип работы теплоотражающего стекла

Чтобы стекла были теплоотражающими, нужно нанести на поверхность самого стекла тонкую пленку, изготовленную из металлов и их оксидов, методами распыления, химического осаждения или электрохимической обработки. На самом деле тепло отражает этоспециальное покрытие, а не само стекло, как многие думают. Это покрытие наносят на стекло еще при изготовлении на заводе. В Европе выпускают стёкла с теплоотражающими покрытиями из золота, хрома, серебра, никеля, алюминия, титана, меди и их оксидов соответственно. Самыми лучшими теплоотражающими показателями обладают стекла, у которых покрытие изготовлено из золота. Однако они не получили большой популярности в промышленности, так как имели слишком высокую стоимость.Помимо покрытия из золота, весьма эффективно в применении теплоотражающие стекла с окисно-металлическими покрытиями.В нашей странеизготовлениеподобныхстекол начато в Санкт-Петербурге и Москве.

На данный момент различают «мягкое» и «жёсткое» теплоотражающие покрытия. Эти два вида существенно отличаются друг от друга по своим эксплуатационным показателям. «Мягкое» покрытие– это двухслойное покрытие, где первый слой – серебряное напыление, отражающее инфракрасные лучи, а второй– оксид титана. «Мягкое» покрытие стекла наносится на готовое флоат-стекло по специальной технологии off-line, и удерживается на стекле только благодаря силам молекулярного взаимодействия. У этого вида покрытия самая низкая эмиссионная способность. Такие свойства могут быть получены за счет применения в качестве функционального слоя многослойной системы на основе серебра. Стандартное расположение отдельных слоёв представлено на Рис.2.

Рис.2 Расположение отдельных слоёв «мягких» покрытий.

Что касается «жёсткого» покрытия, то оно наносится сложным и достаточно трудоёмким способом. Сначала стекло нагревали до высокой температуры и дожидались того момента, когда стекло начинает раскаливаться, а после на него наносили металлизированное покрытие.Для закрепления результата поверх предыдущих слоёв наносился тончайший слой стекла. Это нужно было для того чтобы само металлизированное покрытие служило дольше.Если сравнивать два вида покрытий, то «жёсткое» почти по всем показателям уступает «мягкому». Это обусловлено тем, что «мягкое» покрытие имеет более легкую технологию изготовления, лучше отражает тепло, сам процесс изготовления данного покрытия более экологичен, нежели процесс производства стёкол с «жёстким» покрытием, также применение «мягкого» покрытия позволит придать стеклу желаемый оттенок стекла. Еще немало важным является тот факт, что по сравнению с «жёстким» покрытием, «мягкое имеет более низкую стоимость, следовательно, покупателю будет выгоднее использовать именно «мягкое» покрытие.

Чтобы не допустить попадание яркого солнечного света и перегрева помещения, строители пользуются специальными материалами, которые изменяют светопрозрачность. Такие материалы меняют свои свойства под воздействием солнечного света, электрического поля или тепла. Одним из открытий этого рода является гель TALD, который был разработан в институте строительной физики в г.Штутгарт в Германии. Этот гель, в свою очередь, основан на органических материалах и является термохромным. Слой (около 0,3мм) геля TALD помещают между поверхностями двух стёкол. Под воздействием солнечного света увеличивается температура нагрева самого стекла, а материал из прозрачного состояния переходит в непрозрачное. Следовательно, чем выше температура нагрева стекла, тем больше в материале выстраивается молекулярных цепочек, не пропускающих свет, а при понижении температуры материал вновь возвращается в прозрачное состояние. В обычном состоянии гель TALD пропускает 80% солнечной радиации, а в непрозрачном эта цифра снижается до 10-40%. Использование таких материалов позволит не использовать в строительстве зданий и сооружений затеняющие устройства.

В домах распределение солнечного света происходит неравномерно. К слову, чем дальше от источника света, т. е.окна находится рабочий стол, тем меньше этого света получает человек. При пасмурной погоде в середине комнат обычно недостаток света, а при солнечной погоде, наоборот, возникает некая слепящая игра света и тени. Решением данной проблемы занялись немецкие ученые. Благодаря им была получена система, способная решить этот вопрос. Эта неравномерность освещения в большей степени может быть предотвращена с помощью светоуправляющих оптических элементов. Изогнутые тонкие полоски из акрилового или гидрокарбонатного стекла, располагающиеся внутри стеклопакетов в верхней части окна способны перенаправлять рассеянный свет из зенита в середину помещения и на потолок. В отличие от нижней части, верхняя светоуправляющая часть окна не затеняется солнцезащитными устройствами. Ученые из г.Кельна смогли практически доказать свои теоретические выкладки. В помещениях естественное освещение, не только стало качественнее, но и продолжительнее, то есть не было нужды в искусственном освещении. Немецкие исследователи обнаружили, что не только повысилась работоспособность сотрудников, но и значительно уменьшились затраты на электрическую энергию, по сравнению с обычными окнами почти на 80%.

В настоящее время нет сомнений в том, что в Европе будущее в строительстве принадлежит именно энергоэффективным, саморегулирующимся, автоматическим системам. К сожалению, использование этих систем не распространено должным образом в нашей стране. Однако возможно, что через некоторое время мы все-таки поймем необходимость в их использовании, тем самым значительно сократим расход электрической энергии.

Список литературы:

1.Микульский В.Г. Строительные материалы, учебник. М.: АСВ 2000 г.­ 536 с.

2. Домокеев А.Г. Строительные материалы, учебник для вузов. М.: Высшая школа 1989г. – 495 с.

3. Китайгородский И.И. Технология стекла. М.:Изд. лит.по строительству 1967г.– 564с.

4.Шульц М. М., Мазурин О. В. «Современные представления о строении стёкол и их свойствах». Л.: Наука. 1988.

5.Строительные технологии ХХI века или почему не холодно белому медведю[Электронный ресурс]. –URL: https://www.alfaplan.ru/articles/vt/124/