Стеклопакеты и будущее — мечты и реальность

Темпы развития оконной индустрии можно сравнить по скорости с темпами развития таких современных отраслей нашей повседневной жизни, как компьютерная техника и средства коммуникаций.

Современные окна наряду с предъявляемыми к ним высокими эстетическими, эргономическими и архитектурными требованиями должны выполнять одну очень важную функцию — экономить тепло в наших домах.
По данным Департамента Энергетики США, например, общие потери энергии через окна в жилищном и промышленном секторе обходятся американским потребителям в 25 биллионов долларов в год. Эти официальные данные послужили очень хорошим экономическим стимулом для начала разработок энергетически высокоэффективных систем остекления зданий.

Вакуумные стеклопакеты

Общим недоразумением является бытующее мнение, что обычные стеклопакеты содержат вакуум. Это не так. Обычные стеклопакеты заполнены сухим атмосферным воздухом. Они действительно "изоляционные", "изолирующие", но не вакуумные.
Для улучшения теплоизоляции внутренняя полость стеклопакета может быть заполнена инертными газами типа аргона, криптона или ксенона с меньшими значениями теплопроводности и с большими значениями вязкости, чем у воздуха. Потери за счет лучистого теплообмена также можно сократить за счет применения стекол со специальным низкоэмиссионным покрытием на одной или на обеих внутренних поверхностях стекол стеклопакета.
Использование вакуума как теплоизолятора не является новой концепцией. Это было описано в патентах еще в прошлом веке.
Применительно к стеклопакетам вакуумирование разработано с целью полного устранения теплопотерь за счет теплопроводности и конвекции в воздушной прослойке между листами стекла.
Традиционное уплотнение торцов стеклопакета с помощью металлической рамки с бутилом и вторичного герметика не может быть применено из-за недостаточной герметичности, обеспечиваемой этим соединением для содержания внутри глубокого вакуума.
Толщина вакуумного стеклопакета немногим больше 8 мм, при этом он в шесть раз тоньше, чем лист пенопласта (50 мм) и обеспечивает аналогичный уровень теплоизоляции. Кроме того, он имеет вдвое большую теплоизоляцию, чем обычный стеклопакет с двумя низ-коэмиссионными стеклами, и составляет 40% от его толщины.
В настоящее время в мире продолжаются упорные поиски оптимальных технологий производства вакуумных стеклопакетов, например, в рамках проекта Европейского Сообщества под названием "Производство технологии высокоизолирующего вакуумного остекления", других инициативных и инвестиционных разработках. В этих разработках участвуют компании Pilkington, Saint-Gobain, Датский технологический институт, Исследовательский институт по использованию солнечной энергии США, ученые университета Сиднея и др. Уже изготовлены опытные партии вакуумных стеклопакетов и они проходят сейчас натурные испытания по всему миру.
Японская компания NSG на основе разработок университета Сиднея уже с 1997 года освоила коммерческий выпуск вакуумных стеклопакетов размерами до 2000x1000 мм на нескольких своих заводах в Японии.
Все это реальные доказательства хороших перспектив применения вакуумных стеклопакетов как одного из способов энергетически высокоэффективного остекления зданий.
Рассмотрим один из вариантов конструкции вакуумного стеклопакета (рис.1).

Два листа низкоэмисионного стекла толщиной по 4 мм соединены между собой строго параллельно с помощью матрицы прокладок, представляющих собой стеклянные шарики или тонкие пластинки из нержавеющей стали, имеющих соответственно диаметр и толшину не более 0,5 мм. По периметру стекла герметично завариваются лазерным лучем или методом "холодного" соединения с помощью индия и плотного слоя эпоксидного герметика. С помощью специального вакуумного насоса через отверстие в стекле происходит откачка воздуха из стеклопакета, и в межстекольном пространстве создается сверхглубокий вакуум , не менее 1,3•10-3 ПА. Согласно теоретическим расчетам, сопротивление теплопередаче таких стеклдопакетов может достигать 2,0 м2•0С/Вт.
Реальные полученные средние значения сопротивления теплопередаче у действующих образцов вакуумных стеклопакетов составляют около 1,43 м2•0С/Вт.
Безусловно, с развитием технологий производства вакуумных стеклопакетов за счет более глубокого понимания физики процессов переноса тепла, уменьшения теплопроводности распорных прокладок, увеличения термоотражающих свойств стекол и других методов, будут достигнуты более высокие значения сопротивления теплопередаче вакуумных стеклопакетов и увеличена их надежность.
При расчете суммарных тепловых потерь очень важным является правильная оценка всех остальных потерь через оконную раму , поверхности раздела окна/стенки, стеновую краевую зону.

Рис.2 Тепловые потери через вакуумный стеклопакет

На рис.2 показаны основные теплопотери через вакуумный стеклопакет.
Как и в стандартном стеклопакете, в вакуумном стеклопакете имеется неравномерность в значениях сопротивления теплопередаче на отдельных участках поверхности стекла. Здесь свое влияние оказывает повышенная теплопроводность на краях стеклопакета, а также через внутренние прокладки.
Для эффективного использования высоких теплоизоляционных свойств вакуумных стеклопакетов необходимо пересмотреть конструкции традиционных способов монтажа стеклопакетов и окон в проемы.

Рис.3 Вакуумный стеклопакет в стандартной оконной раме

Полное значение сопротивления теплопередаче конструкции на рис.3 составляет 0,95 м2•0С /Вт, т.е. ниже сопротивления теплопередаче вакуумного стеклопакета. В области рамы и подоконника практически происходит смыкание наружного и внутреннего температурных полей. В этой конструкции высокие теплоизоляционные свойства вакуумного стеклопакета используются малоэффективно.
На рис.4 показана усовершенствованная конструкция установки вакуумного стеклопакета. Благодаря установке краевой части вакуумного стеклопакета, между рамой и подоконником, которые сделаны из плотного теплоизоляционного материала, температурные поля уже не пересекаются, и сопротивление теплопередаче конструкции в этой области значительно увеличивается.

Рис.4 Вакуумный стеклопакет в тандартной оконной раме

Полное сопротивление теплопередаче конструкции на рис.4 составляет уже величину 2,32 м2•0С /Вт, что выше сопротивления теплопередаче вакуумного стеклопакета.
Широкий рост промышленного выпуска вакуумных стеклопакетов по всему миру ожидается уже в начале ХХI века.

Аэрогель в окнах ХХI века!!!

Другим высокоэффективным перспективным способом повышения теплоизоляционных свойств стеклопакетов является применение светопрозрачной теплоизоляции из аэрогеля диоксида кремния в качестве заполнения межстекольного пространства стеклопакета. Аэрогель диоксида кремния состоит из небольших сфер аморф-ного кремнезема, соединенного между собой в цепочки, образующие трехмерную сетку, поры которой заполнены воздухом.
Аэрогель состоит из более чем на 96% из воздуха и имеет поры (средний размер от 10 до 20 нм) меньше чем средняя длина свободного пробега молекул воздуха. Остальные 4% — тонкая матрица SiO2 — основного сырья для изготовления стекла. Аэрогель имеет удельную плотность 0,003 гр/см3 — только в три раза больше, чем у воздуха, и в 1000 раз меньше, чем у стекла. Аэрогель — это самый легкий твердый материал, он один из немногих существующих материалов (веществ), которые являются одновременно и прозрачными, и пористыми.
Аэрогель обладает высокой термической изоляцией — до 800 ОС, акустической изоляцией — скорость звука через аэрогель составляет только 100 м/сек. Коэффициент преломления аэрогеля очень мал: — 1,0-1,05. Одна унция (28,349 г) аэрогеля имеет площадь поверхности, равную площади 10-ти футбольных полей.
Аэрогель кремнезема — лучший твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный на Земле.
Аэрогель имеет теплоизоляционные свойства намного выше, чем пенополиуретаны, и в отличие от хлорфторуглеродов он безвреден для стратосферного озонового слоя Земли. Согласно данным Управления по защите окружающей среды США, озоновый слой за последние 10 лет истощился почти на 5%. Погнозируется в течение следующих 50 лет развитие заболевания раком кожи у более чем 12 миллионов американцев и около 200000 смертельных исходов.

Так выглядит аэрогеь кварца

Первые аэрогели кварца были получены в 1931 году Стивеном Кистлером в Калифорнии. Кистлер получил первый аэрогель путем пропитывания водного геля в этиловом спирте, чтобы заменить воду. Он нагрел этиловый спирт и гель в закрытом контейнере при температуре + 2400С и давлении 80 атмосфер и медленно разгерметизировал контейнер. Это позволило этиловому спирту, теперь пару, вытекать из контейнера, оставляя заполненную воздухом сотовую матрицу. Кистлер также обнаружил, что теплопроводность аэрогеля может еще более уменьшиться под воздей- ствием вакуума.
В конце 70-х годов применение золь-гель химии позволило получать высококачественный аэрогель кварца в одном цикле, устранив два недостатка в технологии Кист-лера, а именно, обменный шаг вода-алкоголь и присутствие неорганических солей в геле. В начале 80-х дальнейшие разработки шли по пути замены этилового спирта углекислым газом, что повысило безопасность приготовления аэрогеля кварца.
В конце 80-х годов учеными Ливерморской Национальной Лаборатории был получен аэрогель кварца с самой низкой удельной плотностью 0,003 г/см3.
Помимо пока еще достаточно дорогой технологии изготовления, причина достаточно медленной коммерциализации использования аэрогелей для окон состоит в их недостаточной прозрачности. При светлом фоне аэрогель имеет слегка желтый оттенок, а при черном фоне — легкий молочно-голубой оттенок.

Стеклопакет с аэрогелем

Все усилия ведущих ученых мира в области аэрогелей сейчас направлены на решение двух задач — добиться максимальной прозрачности аэрогелей кварца и максимально уменьшить затраты на его производство.
Согласно некоторым оценкам аэрогель стоит в три раза дороже стекла, и его стоимость составляет около 10% общей стоимости окна. Широкая коммерциализация применения аэрогеля в окнах ожидается через 10-15 лет. Типичный аэрогель кварца имеет полную тепло-проводность около 0,017 Вт/м2•0С. Аэрогель содержит в своих порах газы, которые являются хорошим "транспортным средством" для передачи тепла. Существует три способа повышения сопротивления теплопередаче окон с аэрогелем.

1. Увеличивая среднюю длину свободного пробега молекул газа по сравнению с диаметром пор аэрогеля, в результате чего газовые молекулы сталкивались бы более часто со стенками пор, чем друг с другом, путем замены воздуха газом с более низкой молекулярной массой.

2. Уменьшая диаметр пор аэрогеля во время его изготовления.

3. Снижая давление газов в пределах аэрогеля.

Самым простым и доступным способом повышения сопротивления теплопередаче стеклопакетов с аэрогелем является создание небольшого вакуума ( около 90%). Это небольшой вакуум, который можно легко получить и поддерживать.
При этом можно достичь значения теплопроводности аэрогеля кварца около 0,008 Вт/м2•0С.

Теперь цветок не боится огня

Окно с таким аэрогелем кварца толщиной один дюйм (25,4 мм) может иметь сопротивление теплопередаче около 2,0 м2•0С/Вт и это эквивалентно сопротивлению теплопередаче окна с десятью двойными панелями стекол.
Полное сопротивление теплопередаче окна размерами 1x1 м со стеклопакетом из аэрогеля с небольшим вакуумом, полученное в Лаборатории Теплоизоляции Датс-кого Технического Университета в ноябре 1995 года составляет 1,79 м2•0С/Вт. По периметру стеклопакет с аэрогелем должен быть надежно загерметизирован, так как аэрогель теряет свои свойства при контакте с влагой.
В рамках научной программы NASA совместно с Национальной Лабораторией Беркли (США) в 1996 году первые аэрогели были получены в условиях космоса на орбите 200 миль. В 1997 году аэрогель был применен для теплоизоляции батарей марсохода Sojourner. Уже разрабатываются на основе аэрогелей специальные пленки, применение которых обеспечит появление к 2006 году 24-ГГц компьютеров.

Стеклопакеты — ближайшие перспективы

Все сложное в результате развития и применния высоких технологий неизбежно стремится к упрощению — этот закон эволюционного развития применим и для развития технологий стеклопакетов. Современные стеклопакеты с правом можно отнести к продукции высоких технологий.
Огромный опыт накоплен в мире в результате более чем 30-летнего периода развития индустрии стеклопакетостроения.
"Плохие" технологии производства стеклопакетов отмирают, а "хорошие" продолжают жить, развиваясь и совершенствуясь, впитывая в себя все применимые достижения научно-технического прогресса.
Что нового ожидается на рынке технологий стеклопакетов в ближайшее время? Ожидается упрощение технологичности при безукоризненном соблюдении самых строгих критериев качества.
Рынок Украины, к сожалению, с большим опозданием интегрируется с передовым мировым и европейским опытом в этой области.
Уже достаточно много говорилось и еще много раз будет говориться о проблемах обеспечения качества стеклопакетов. Имеются в виду виды дистанционных рамок, системы сборки готовых рамок, требования по обязательному применению первичной стадии герметизации полиизобутиленом (бутилом) и необходимости обеспечения надежной герметизации угловых соединений, применение только высококачественного и соответствующего молекулярного сита, правильный выбор герметика вторичной герметизации и т.д.
Срок эксплуатации оконных рам из ПВХ составляет около 50 лет, в то время, как из-за применения уже устаревших технологий изготовления стеклопакетов, герметичность окна гарантируется в течение 5-10 лет эксплуатации, что более чем в пять раз ограничивает срок полноценной эксплуатации окна.

Vitromatic VE

Традиционная технология сборки дистанционных рамок при помощи угловых соединителей имеет два больших недостатка:
а) наличие восьми мест проникновения влаги через вторичный герметик прямо в молекулярное сито;
б) наличие восьми мест возможной разгерметизации стеклопакета из-за знакопеременных напряжений в зоне углов, возникающих по причине линейных расширений рамки при смене тепла и холода.
Простым решением, устраняющим эти два недостатка, является оформление угла в виде изгиба и перенос соединения в ненагруженную область, в результате чего число возможных мест разгерметизации уменьшается с восьми до одного. Около 90% средних и крупных производителей стеклопакетов в Европе пользуются гибочной техникой и это с лихвой оправдывает затраты на это оборудование. Рассмотрим, например,гибочную технологию компании Bayer Technologies (Германия) — одного из ведущих производителей оборудования для производства стеклопакетов.
Среди достаточно широкой номенклатуры продукции этой компании, заслуживает внимания, например, гибочная машина марки vitromatic VE для гибки практически всех видов дистанционных рамок, включая алюминиевые, стальные, в том числе тонкостенные, пластмассовые всех известных марок. Она обладает специальным механизмом четырехстороннего заполнения рамки молекулярным ситом, имеет автоматический магазин для хранения 8000 м профилей. Особое место занимает технология VITROFORM.

Система VITROFORM

Это система производства стеклопакетов по праву относится к продукции высоких технологий.
Система VITROFORM представляет собой экструдированную алюминиевую дистанционную рамку, заполненную молекулярным ситом. Молекулярное сито защищено от поглощения водяных паров, так как в дистанционной рамке отсутствует перфорация, а концы рамки закупорены бутиловыми пробками. На боковых гранях нанесен полиизобутилен, который закрыт от повреждений защитной пленкой. Перфорация рамки производится в процессе изготовления стеклопакета. Благодаря особой перфорации хранение изготовленных рамок возможно до 24 часов. Для изготовления стеклопакетов по технологии VITROFORM компания Bayer предлагает ряд специальных машин серии vitromatic HANDY. Ассортимент этих машин перекрывает диапазон от полуручных до автоматических способов изготовления рамок VITROFORM при производительности от 100 до 600 стеклопакетов в смену и выше. В местах изгиба

полностью отсутствуют перепады толщины, щели и другие опасные концентраторы напряжений. Соединение двух отрезков рамки происходит на прямолинейном участке с помощью прямолинейного соединителя. Эта технология позволяет при минимальных затратах изготавливать стеклопакеты по самым высоким стандартам качества. Используя технологию VITROFORM, небольшие и средние предприятия по выпуску стеклопакетов получат возможность представить на рынок продукцию такого же и даже лучшего качества, что и крупные предприятия с более дорогим оборудованием, т.е. укрепить и повысить свою конкурентоспособность. Начинающим предприятиям эта технология даст возможность уже с самого начала выпускать высококачественные стеклопакеты при минимальных стартовых затратах. Научно-технический прогресс, безусловно, преодолеет все трудноразрешимые сегодня проблемы в области технологий стеклопакетов будущего, но это будет завтра. Однако, уже сегодня необходимо принимать решения, которые ускорят наступление этого будущего.