Что такое «Тепловое зеркало»
Окно в жизни человека играет огромную роль. Оно обеспечивает его визуальную связь с внешним миром, гармонично вводит окружающий пейзаж в домашний быт, предоставляет возможность жить и трудиться в условиях естественного освещения. Сегодня окно все больше несет тепло-, воздухо- и звукозащитные функции, являясь в тоже время структурно-декоративным элементом внутреннего интерьера и архитектуры здания.
Стены здания выполнены из энергоэффективных теплоотражающих стеклопакетов сделанных по технологии «Тепловое зеркало» с заполненнием тяжелыми газами
Среди широкого спектра современных технических решений, начиная от использования цветных и зеркальных стекол, до внедрения энергоэффективных теплоотражающих стекол с селективными покрытиями и заполнением межстекольного пространства стеклопакетов тяжелыми газами (аргон, криптон, SF6) особняком пока стоит одна из наиболее перспективных и требующих более пристального внимания и анализа технология стеклопакетов «Heat Mirror™» («Тепловое Зеркало™») американской компании «Southwall Technologies».
Создание этой технологии имеет свою историю. Началась она во времена энергетического кризиса на Западе. Тогда, в начале 70-х годов группа профессоров из Массачусетского Технологического Института (США) поставила перед собой задачу широкого использования достижений военно-космической отрасли для целей энергосбережения в быту. Взяв за основу передовые технологии магнетронного напыления низкоэмиссионных покрытий, применяемых для защиты от радиационного и других видов излучений прозрачных частей скафандров космонавтов космических аппаратов, ученые предложили целый ряд изобретений с последующей доработкой и внедрением их в промышленность. Одним из таких изобретений является стеклопакет «Тепловое Зеркало™».
«Тепловое Зеркало» большинством экспертов признано наиболее универсальной современной системой остекления. «Тепловое Зеркало» прозрачно, но с высокой эффективностью отражает тепловые лучи.
Американская фирма «Southwall Technologies Inc.», находящаяся в Пало-Алто (Калифорния), предложила использовать «Тепловое Зеркало» в оконной индустрии в 1980 году. «Тепловое Зеркало» стало самым первым типом остекления со светопрозрачным низкоэмиссионным покрытием, и по сей день ему нет равных в использовании для любых типов зданий и сооружений.
Как работает «Тепловое Зеркало»?
Принцип действия «Теплового Зеркала» может быть выражен следующим образом: «Тепловое Зеркало» отражает тепло в сторону его источника: в летнее время, чтобы предотвратить проникновение тепла в помещение, оно отражает его наружу, а зимой, когда необходимо максимально сохранить тепло, - внутрь помещения. Уникальная конструкция «Теплового Зеркала» объединяет положительные характеристики двухкамерного остекления и низкоэмиссионного покрытия стекла, позволяя достичь наиболее высокие показатели термического сопротивления окон, близкие по значениям к термическому сопротивлению стен. В основе предложенного решения лежит учет всех особенностей передачи тепловой энергии через светопрозрачные ограждающие конструкции, которая осуществляется тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.
Схема, объясняющая принцип действия энергоэффективных теплоотражающих стеклопакетов
Теплопроводность представляет собой перенос теплоты при непосредственном соприкосновении частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность в чистом виде часто имеет место в обрамляющих элементах окна, например, в деревянных рамах. В остекленных же частях окон перенос энергии за счет диффузии молекул и атомов какого-либо газа, заполняющего межстекольное пространство, всегда сопровождается движением частиц этого газа из области с одной температурой в область с другой. Это явление называют конвекцией.
Потери тепла через остекление путем теплопроводности и конвекции относительно невелики (примерно по 15%) в сравнении с третьей составляющей теплообмена - тепловым излучением. Это процесс передачи теплоты с помощью электромагнитных волн, состоящий в превращении внутренней энергии тела в энергию излучения на поверхности тела, излучающего тепло, и лучистой энергии в тепловую на поглощающей лучистое тепло поверхности. Таким образом, светопрозрачная часть обычных окон, состоящая из любого числа стекол и воздушных (либо газонаполненных) зазоров, принципиально не может предотвратить радиационные теплопотери.
Поэтому практически единственным путем существенного увеличения теплоизоляционных характеристик окон может быть дополнительное введение в их конструкцию светопрозрачного фильтра с низкоэмиссивным покрытием, отражающего тепловое излучение.
«Суперокнами» в публикациях последних лет все чаще называют оконные конструкции, в которых применен стеклопакет «Тепловое Зеркало™», выполненный по технологии компании «Southwall Technologies». И это не случайно. Натяжение одной или двух прозрачных пленок, имеющих низкоэмиссивное покрытие, в межстекольном пространстве стеклопакета решает проблему громоздких оконных конструкций с трех- и четырехстекольным остеклением, а в комбинации с аргоном или криптоном настолько повышает энергоэффективнось окон, что они могут выполнять уже не просто ограждающую, но и отопительную функцию.Верный стратегический расчет, невиданная гибкость в "настройке" здания в зависимости от его ориентации по сторонам света и климата региона, эстетически грамотная методика выбора остекления плюс серьезная научно-техническая база позволили компании «Southwall Technologies» быстро достичь успеха на американском рынке, выдержать серьезное давление со стороны производителей традиционных стеклопакетов и начать успешно внедрять свои технологии в европейских странах и странах других континентов.
Принадлежащее исключительно компании «Southwall Technologies» и защищенное целым рядом международных патентов покрытие пленки «Southwall Technologies» было разработано в результате исследований в области Американской аэрокосмической и военной программы. Это покрытие имеет от шести до двенадцати слоев атомарной толщины различных материалов и практически невидимо для глаза. При этом оно селективно отражает, поглощает или пропускает электромагнитные излучения различных длин волн. Характеристики покрытия заданы таким образом, что оно пропускает через стекло видимую часть света, но, в большей или меньшей степени, отражает инфракрасные (тепловые) и полностью блокирует вредные ультрафиолетовые лучи.
В качестве основного компонента стеклопакета «Тепловое Зеркало™» используется суперпрочная оптическая полиэтилентерафталантная пленка толщиной 75 мкм с низкоэмиссионным напылением (с примерной структурой: диэлектрик (30 нм) — металл (10-20 нм) — диэлектрик (30нм) — металл и т.д.). Эти покрытия различаются по спектрально-селективным свойствам, и используются в зависимости от их функционального назначения. Слои металлов (золото, серебро, титан и др.) обеспечивают селективное пропускание электромагнитных волн в спектре излучения, прозрачные же для излучения слои диэлектрических покрытий (например, оксид индия) защищают металлы от окисления. Спектр излучения солнца охватывает ближний УФ-диапазон (300-400 нм), где содержится примерно 1% солнечной энергии, видимый диапазон - 53% солнечной энергии и ближний ИК-диапазон (760-250 нм) - 46% солнечной энергии. Максимум теплового излучения, выходящего из помещения с температурой около 20°С располагается в диапазоне 10000 нм. Идеальный теплосберегающий фильтр должен пропускать всю энергию солнечного излучения и полностью отражать тепловую энергию помещения, т.е. граница пропускания фильтра должна располагаться в области 2500 нм. Идеальный солнцезащитный фильтр должен полностью пропускать видимое излучение солнца и иметь граничную длину волны около 760 нм и совершенно не пропускать тепловую энергию солнца. По сочетанию двух основных свойств - степень черноты менее 0,05 и прозрачность в видимом диапазоне более 80%-некоторым пленкам фирмы «Southwall Technologies» сегодня нет равных в мире.
Вследствие установки и натяжения только одной такой пленки в межстекольном пространстве не только отсекаются огромные (70%) потери теплоты путем излучения, но и уменьшается конвекция, что в совокупности увеличивает сопротивление теплопередаче конструкции остекления на 50% и более. Небольшой вес, нормативная светопрозрачность и звукозащитные качества дополняют техническую характеристику этих изделий.
В настоящее время изготавливаются и применяются примерно 12 видов пленки «Тепловое Зеркало™»-от прозрачной до бронзовой и золотистой. Пленки маркируются в зависимости от светопропускающей способности - HPR38, HPR28, HPR18, а также HM88, ТС88, SC75, HM77 … HM22, где цифрой обозначен максимум пропускания видимого света в процентах.
Пленки марки HM88 и пленка с двухсторонним покрытием марки ТС88 - практически прозрачны и рассчитаны на применение в стеклопакетах в северных климатических зонах, где важны дополнительные теплопоступления от солнца для обогрева помещений.
Такие окна могут выполнять роль пассивных гелиосистем. Для климатических условий стран со значительной солнечной нагрузкой по всей ее территории - интенсивность солнечных энергопоступлений на вертикальные поверхности конструкций зданий в отопительный период сопоставима с июльскими.
Расчет теплового баланса месячных (январских) теплопотерь и теплопритоков через несколько типов окон при различной их ориентации для января показал, что для исследованного стеклопакета «Тепловое Зеркало™» марки ТС88 при его ориентации на юг поступления тепла в отопительный период через 1 м² вертикально расположенной светопрозрачной конструкции превышают теплопотери. Поэтому применение таких стеклопакетов возможно в любых строительных сооружениях. Они обеспечивают не только высокие теплозащитные характеристики окон, но и дополнительный обогрев помещений, а также защиту интерьера от выцветания. В первую очередь это важно для жилых и общественных зданий массового строительства, а также аэропортов, музеев, памятников архитектуры, магазинов и ресторанов.
Стеклопакеты с пленками марок HM77, HM66 и НМ55 обладают более высокой теплоотражающей способностью и рекомендуются к применению в окнах на западных и южных фасадах с большой площадью остекления и в любых зданиях, где требуется хорошая светопроницаемость и одновременно высокая солнцезащита. Это могут быть школы, больницы, музеи, библиотеки. Целесообразно также устанавливать стеклопакеты на вертикальных плоскостях теплиц, соляриев, зимних садов и оранжерей. Внешне стеклопакеты с пленками указанных марок похожи на HM88, но обладают большим солнцезащитным действием, чем матовые или затемненные стекла, так часто используемые в банках и торговых центрах.
В свою очередь стеклопакеты с пленками марок SC75 и HM44 обеспечивают еще большую степень солнцезащиты и применяются при наклонном остеклении зданий, где требуется более сильная солнцезащита и достаточная светопроницаемость - оранжереи, помещения с вертикальным остеклением, обращенным преимущественно на юг и т.д.
Максимальной солнцезащитой и высокой степенью отражения обладают стеклопакеты с пленками марок HM33 и HM22. Именно поэтому они широко используются в крупных нежилых зданиях с естественным освещением, поступающим сквозь остекленные крыши, а также при наклонном остеклении соляриев для защиты от вредных излучений.
Особняком стоит класс пленок HPR, прозрачных с одной стороны и зеркальных с другой. Такие пленки, получившие у нас название "интим", могут защитить от посторонних глаз банк, офис, любое помещение на первом этаже, оставляя его сравнительно прозрачным изнутри.
Необходимо особо подчеркнуть следующую особенность. Вследствие уменьшения температурных колебаний возле окон с «Тепловым Зеркалом™» создаются благоприятные условия для роста комнатных растений. Кроме того, условия для роста и развития растений зависят от количества и качества попадающего в помещение естественного света. Качество света зависит от способности остекления идентифицировать и пропускать именно полезные излучения (видимый свет и фотосинтетические активные излучения), снижая при этом температурные напряжения и вредные излучения (инфракрасные и ультрафиолетовые). Чувствительные к длине волны излучений пленки «Тепловое Зеркало™» обеспечивают повышение качества света и, как следствие, комфортные условия для роста растений.
Небольшой вес, высокая теплоотражающая способность в диапазоне инфракрасного как коротковолнового, так и длинноволнового излучения, возможность выбора типов пленки с различными показателями светопропускания и солнцезащиты в зависимости от характера климатических условий, уровня теплоизоляции окон, этажности и ориентации здания по сторонам света, позволяют говорить о системном комплексе оптимального размещения и проектирования светопрозрачных конструкций со стеклопакетом «Тепловое Зеркало™» в различных точках планеты. Поэтому продукт «Тепловое Зеркало™» находит применение как в холодных Финляндии, Норвегии, на Аляске, так и в жарких Саудовской Аравии и Кувейте.