Технологии остекления и детали производства стеклопакетов

Современная технология остекления сочетает в себе уникальную изоляционную систему и газовое наполнение между стеклами. Так создаются энергетически эффективные изолированные стеклянные блоки (IGU — Insulating Glass Unit). Блочный стекло-пакет собирается, начиная от рамы с различными опциями формы и обеспечения работоспособности, до формирования полноценной оконной сборки. Рассмотрим некоторые интегрированные технологические инновации производства окон, которыми должны быть интересны современные продукты остекления.

Типичные варианты остекления

Количество слоёв стекла, различные вариации покрытий, оттенков и прочие способы обработки поверхности оконных стекол – все эти факторы оказывают влияние на энергетические свойства стекло-пакетов. Посмотрим, каким может быть это влияние.

Многослойные окна

Несколько слоёв стеклянных панелей или пластиковых прослоек способствуют увеличению термического сопротивления, за счёт чего уменьшаются потери тепла, связанные с эффектом конвекции между слоями.

Двойное остекление снижает тепловые потери (что наглядно отражает U-фактор) более чем на 50% по сравнению с однослойным остеклением. При существенном снижении U-фактора (коэффициент теплопередачи), параметры VT (видимость) и SHGC (коэффициент усиления солнечного тепла) для стекло-пакета с прозрачным стеклом остаются относительно высокими.

Добавление третьего слоя стекла уменьшает значения VT и SHGC. Добавление же покрытия с низкой эмиссией на одну поверхность (или на несколько) увеличивает энергетические характеристики. В зависимости от типа низко-эмиссионного покрытия, параметры SHGC и VT также меняются.

Дополнительные стекла увеличивают вес и толщину стекло-пакета. Сборка и обработка конструкции стекло-пакета усложняется, транспортировка и монтаж становятся дороже. Поэтому существуют естественные физические и экономические ограничения на число стеклянных панелей для процесса сборки оконных стекло-пакетов.

Между тем блоки из нескольких панелей не ограничиваются только стеклянными сборками и могут содержать один или несколько слоёв суспензионной вставки-прослойки. Средний слой (или несколько слоёв) стекла нередко заменяются внутренними суспензионными вставками на основе пластика. Легкий вес пластиковой вставки и меньший размер по толщине делают этот материал более предпочтительными, чем стекло.

Оконная сборка с использованием пластиковых вставок, где внутреннее воздушное пространство разделено на несколько камер, характеризуется снижением U-фактора. Прочность и долговечность панелей из пластика очевидный факт, но при условии их защиты с внутренней и наружной стороны стеклянными панелями.

Пластиковые вставки специально обрабатываются, чтобы противостоять ультрафиолетовой деградации, имеют высокую степень теплостойкости, поэтому на протяжении длительного времени сохраняют изначальную (девственную) форму.

Как и традиционное стекло, вставки из пластика обрабатываются теплоотражающим покрытием (Low-e), чтобы дополнительно снизить U-фактор стекло-пакета. Пластиковые вставки допустимо обрабатывать спектрально-селективными покрытиями для ограничения солнечной радиации без существенной потери VT.

Сочетание нескольких стеклянных панелей c пластиковой начинкой, теплоотражающим покрытием типа «Low-e» и газовым наполнением, позволяет достичь очень низких параметров U-фактора для стекло-пакета.

Покрытия с низкой способностью излучения

Любые материалы, включая окна, выделяют (излучают) тепло в виде длинноволновой, инфракрасной энергии в зависимости от температуры этих материалов. Тепловое излучение является одним из важных компонентов теплопередачи окон, поэтому уменьшение эмиттанса даёт улучшение изоляционных свойств.

Покрытием стеклянной поверхности материалом с низкой теплоотражающей способностью и обрамлением этим материалом зазоров между слоями остекления, добиваются блокировки значительного количества лучистого теплообмена, снижают общий тепловой поток через окно.

Когда тепло или свет поглощается стеклом, каждый вид энергии либо передаётся конвекцией через воздух, либо излучается поверхностью стекла. Поэтому способность материалов покрытий окон излучать энергию, характеризуется термином — излучающая способность.

Низко-эмиссионные покрытия окон прозрачны и практически невидимы, но обладают высокой отражательной способностью по отношению к длинным волнам инфракрасного диапазона. Покрытия с низкой эмиссией ограничивают длинноволновую радиационную теплопередачу между слоями остекления в 5-10 раз, тем самым снижая общий теплообмен.

Низко-эмиссионные покрытия допустимо наносить непосредственно на стеклянные поверхности или на плёнку, размещённую между внутренними и наружными остекленными слоями. Эффект солнечной отражающей способности покрытий с низким уровнем теплопередачи (Low-e) позволяет манипулировать включением определенных частей инфракрасного и видимого спектра.

Спектрально-селективные покрытия как эффективный фильтр

Таким образом, спектрально-селективные покрытия это эффективный фильтр, который выбирает определенные участки энергетического спектра. Благодаря такому фильтру, желательные длины волн световой и тепловой энергии передаются беспрепятственно, а нежелательные отражаются.

Стандартное прозрачное стекло имеет коэффициент пропускания 0,84 по длинноволновой части спектра. Это значение показывает, что 84% длинноволнового инфракрасного излучения, попадающего на поверхность стекла, поглощается и отражается только 16%.

Для сравнения стоит отметить: покрытия с низким уровнем солнечного излучения и теплопередачи, как правило, обладают значениями эмиттанса не выше 0,04. Здесь отражение достигает 96% по длинным волнам инфракрасного диапазона.

Зачастую информация производителей окон не содержит сведения по эмиттансу. Обычно параметры эффективности влияния низко-эмиссионного покрытия включаются в общий показатель U-фактора и SHGC стекло-пакета.

Коэффициент солнечного излучения и уровень эмиттанса

Фильтры с высоким коэффициентом солнечного излучения обычно имеют значение SHGC более 0,40 и предназначены для уменьшения потерь тепла, но допускают усиление солнечной радиации.

Такой вид стекло-пакетов лучше всего подходят для зданий, расположенных в климатических условиях с преобладанием тепла, в частности, этот вариант оптимален для окон пассивно-солнечных конструкций, выходящих на южную сторону.

За исключением грамотно выполненного затенения, окна с высоким солнечным излучением способны привести к перегреву от избыточного солнечного усиления в период смены сезонов.

Фильтры умеренного действия обычно имеют значение SHGC в диапазоне 0,25-0,40. Такие покрытия уменьшают потери тепла, обладают высоким коэффициентом пропускания света, пропускают разумное количество солнечной радиации и удачно подходят для условий, где есть сложности с отоплением и охлаждением.

Фильтры с низким уровнем солнечного излучения обычно имеют значение SHGC менее 0,25. Этот тип низко-эмиссионного продукта наделяется высокочувствительными спектрально-селективными стеклами с низким уровнем отражения тепла, что приводит к уменьшению потерь зимой и уменьшению теплопритока летом.

По сравнению с большинством тонированных и отражающих стекол, этот тип остекления с низким уровнем теплоотражения (Low-e) пропускает видимый свет, но при этом блокирует большую часть солнечной инфракрасной энергии, тем самым уменьшая нагрузку на системы охлаждения.

Изоляторы с низкой проводимостью и газовые наполнения

Различные вариации слоёв остекления применяются в конструкциях стекло-пакетов (IGU). Возможное улучшение тепловых характеристик стекло-пакетов заключается в уменьшении проводимости пространства между слоями за счёт наполнения газом и установки слабо проводящих изоляторов. Именно эти два компонента управляют свойствами пространств между слоями.

При использовании покрытия «Low-e» передача тепла через зазоры доминирует в виде естественной теплопроводности и конвекции. Воздух является относительно хорошим изолятором, но другие газообразные вещества:

• аргон,
• диоксид углерода,
• криптон,
• ксенон,

имеют более низкую теплопроводность. Использование любого из этих нетоксичных газов в конструкции стекло-пакета способствует уменьшению теплообмена между слоями остекления.

Внутри герметичного стекло-пакета воздушные потоки между двумя слоями остекления переносят тепло к верхней части конструкции. За счёт естественного охлаждения воздуха может образовываться конденсат в нижней части.

Поэтому разумно воздух между стеклами заменить менее проводящим и более вязким газом. Эта замена минимизирует конвекционные токи в пространстве, что уменьшает проводимость через газ и общий перенос тепла между внутренней и внешней областями.

Производители обычно используют газовые заправки аргона или криптона с улучшенными тепловыми характеристиками. Оба газа:

• инертные,
• нетоксичные,
• нереактивные,
• прозрачные,
• без запаха.

Криптон обладает лучшими тепловыми характеристиками, чем аргон, но этот газ дороже производить. Оптимальный зазор для наполнения газовой средой с аргоном, такой же, что используется в конструкциях с воздушным заполнением — около 12 мм.

Криптон показывает свои лучшие характеристики, когда пространство заполнения не более 6 мм. Но такая технология также дороже. Поэтому смесь газов криптона и аргона нередко используется как компромисс между тепловыми характеристиками и стоимостью.

Между тем сохранение долгосрочных тепловых характеристик аргона и криптона видится технической проблемой. Исследования показали утечки менее 0,5% в год для хорошо спроектированной и качественно изготовленной конструкции или 10%  потерь газа за 20 лет эксплуатации.

Однако эффект от потерь газа на 10% способен изменить U-фактор всего на несколько процентных пунктов. Надёжность хранения газа внутри блока остекления во многом зависит от качества конструкции, материалов и главное, от качества сборки уплотнений остекления.

Изоляторы тепла по кромке

Теплопередающие свойства металлических распорок, что используются для разделения слоев остекления, приводят к увеличению потерь тепла и способствуют образованию конденсата на кромках окна. Поэтому распорки по «тёплой кромке» стараются выполнять из термостойких материалов при оптимальной конструкции для уменьшения эффекта.

Стеклянные панели стекло-пакета крепятся и разносятся на соответствующее расстояние при помощи распорок. В дополнение к сохранению стеклянных панелей от повреждений, разделительная система должна выполнять ряд функций:

• сдерживать напряжение, вызванное тепловым расширением и разностью давлений.
• обеспечивать влажный барьер прохождению воды или водяного пара.
• создавать герметичное уплотнение потерям газа-наполнителя.
• снижать образование внутренней конденсации на кромках.

Традиционным подходом для стекло-пакетов является использование металлических изоляторов и герметиков. Эти компоненты, выполненные  обычно из алюминия, дополнительно содержат осушитель для поглощения остаточной влаги.

 

Изолятор герметизируется на панелях с помощью органических герметиков. Этими компонентами обеспечивается конструктивная опора и барьер для влаги. Существуют две общие системы стекло-пакетов:

1. Одинарное уплотнение.
2. Двойное уплотнение.

К сожалению, алюминий является отличным проводником тепла. Поэтому алюминиевая распорка, используемая в традиционных стекло-пакетах, представляет собой значительное термическое «короткое замыкание» на кромке.

Этот фактор существенно снижает преимущества остекления стекло-пакетов. В дополнение к повышенным потерям тепла, алюминиевые компоненты способствуют образованию влаги по причине конденсации.

Чтобы преодолеть эти проблемы, стали применять так называемые «теплые» прокладки на кромках, которые отныне используются в 90% конструкциях новых окон. Были разработаны инновационные кромочные системы, в том числе решения по зависимостям от замены материалов.

Новые подходы к инновационным конструкциям окна

Одним из новых решений, приводящих к уменьшению потерь тепла, стало решение на замену алюминиевой прокладки металлической конструкцией. При этом используется менее проводящий металл (например, нержавеющая сталь).

Также конструкторами изменена форма поперечного сечения металлической прокладки. Эти относительно новые конструкции широко используются в современных конструкциях стекло-пакетов.

Другим подходом, также предусматривающим замену металлической прокладки иной конструкцией, является решение с использованием материалов, которые являются улучшенными изоляторами.

Наиболее часто применяемые решения включают:

• прокладку,
• герметик,
• осушитель.

Все три компонента присутствуют в термопластичном соединении, которое содержит композицию влагопоглотителей и включает тонкую металлическую прокладку из алюминия или нержавеющей стали.

Применение изоляционной прокладки

Ещё один подход: применение изоляционной прокладки из силиконовой пены, которая включает осушитель и высокопрочный клей на кромках соединения со стеклом. Пена снабжена вторичным герметиком. Вместо металлических конструкций используются экструдированные виниловые и стекло-волоконные прокладки.

Несколько гибридных конструкций включают разрывы в герметичных металлических прокладках или используют один либо несколько элементов, описанных выше. Некоторые из них специально разработаны для трех-, четырехслойных стекло-пакетов, содержащих растянутые пластиковые пленки.

Все эти решения предназначены для прерывания путей теплопередачи на кромках остекления между двумя или более слоями остекления.

Изолирование «тёплых» кромок становится всё более важными фактором, поскольку производители переключаются с обычного двойного остекления на более высокопроизводительные стекло-пакеты.

Определение общего U-фактора окна

Чтобы определить общий U-фактор такого окна, кромочный изолятор должен иметь эффект, который выходит за пределы его физического размера — до полосы, шириной около 63,5 мм. Вклад этой «стеклянной кромки» шириной 63,5 мм в общий параметр U-фактора окна напрямую зависит от размера окна.

Для типичного стекло-пакета под жилой сектор (910 × 1220), переход от стандартной алюминиевой кромки к высококачественной «теплой» разделительной кромке, уменьшит общий U-фактор окна примерно на 0,006 Вт/ч/°С. Более значительным преимуществом может быть повышение внутренней температуры поверхности на нижней кромке окна, где существует наибольший риск конденсации.

При наружной температуре -18°С, термически улучшенная прокладка может привести к увеличению температуры до 6-8°С на линии зрения окна или на 4-6°С в центральной точке. По мере разработки новых эффективно изолирующих многослойных стекло-пакетов, улучшение кромочной изоляции становится еще более важным фактором.

Таблица эксплуатационных параметров стеклопакетов

---

По материалам: Energy