Технології XXI століття Чому не холодно білому ведмедеві або будівельні технології ХХI століття

23.12.2010

З давніх часів людина будує собі житло для захисту від негоди, прагнучи створити для себе максимальний комфорт і затишок. Вибір матеріалів для конструкцій стін, вікон, дахів і інших елементів багато в чому визначається кліматом тієї місцевості, де зводиться будинок.

Впродовж всієї історії будівництва - аж до останнього десятиліття - самою уразливою частиною будівель з погляду теплоізоляції були вікна, або, кажучи технічною мовою, світлопрозорі захищаючі конструкції. Їх особливістю є те, що вони виконують дві протилежні функції: з одного боку, вони повинні пропускати в приміщення якомога більше світла, а з іншого боку, вони повинні захищати від холоду, вітру, дощу...      

Дорожчання енергоносіїв і, як наслідок цього, прагнення до їх економії стало спонукальним мотивом численних досліджень у сфері будівельних технологій. Зусилля кращих наукових центрів Європи і Америки були направлені в останні десятиліття на вирішення цієї проблеми, в наукові розробки було інвестовано величезну кількість засобів. Причому основний акцент досліджень був зроблений саме на світлопрозорих конструкціях, як на найбільш теплотехнічно слабких елементах будівель. І якщо говорити про прогрес в області будівельних технологій, то самі вражаючі відкриття зроблені саме в цьому напрямі.

На сьогоднішній день розвиток технологій досяг такого рівня, що через вікна і скляні фасади можна більше отримувати енергії і тепло від сонця, ніж втрачати.

Якими ж будуть технології ХХI століття? Про деяких з них розповідь в нашій статті.

Тепловідбиваючі шибки

Конструкція склопакету в його первинному вигляді - дві прості шибки з осушеним повітрям між ними - в даний час не відповідає європейським нормативам по теплоізоляції і є вчорашнім днем. У Росії у ряді регіонів теж прийняті вже жорсткіші нормативи, практично відповідні європейським, загальноросійські знаходяться у стадії узгодження і затвердження Гостроєм.

У сучасному європейському будівництві застосовуються для склопакетів шибки з тепловідбиваючим покриттям.

Фізичні основи процесу заощадження тепла в ефективних склопакетах такі.

Тепловий потік через склопакети складається з трьох частин:

1.променистий теплообмін між шибками (інфрачервоне випромінювання)

2.теплопровідність газу між шибками (теплопередача)

3.конвекція газу між шибками (рух і перемішування газу)

На променисту складову теплового потоку доводиться 2/3 переносимого тепла, і лише 1/3 - на два інших чинника! Цією особливістю і скористалися вчені. За допомогою нанесення на скло якнайтонших металевих покриттів вони навчилися направляти променисту складову теплового потоку назад, всередину приміщення.

Металеве напилення володіє властивостями світлового фільтру, тому його називають «селективним», тобто «виборчим»: воно пропускає короткохвильове випромінювання, особливо добре у видимій області, тоді як для довгих хвиль - інфрачервоного спектру - воно працює як теплове дзеркало, відображаючи велику частину випромінювання. На практиці це означає, що залишаючись прозорим для людини і добре пропускаючи сонячне світло в приміщення, тепловідбиваюче покриття направляє назад в приміщення випромінювану теплову енергію.

Поверхня скла з селективним покриттям повинна бути в склопакеті третьою по рахунку з боку вулиці - тільки при такому розташуванні воно має реальний сенс. Тепловідбиваюче покриття має малу міцність на стирання, але скло, встановлене покриттям всередину пакету, не треба піддавати очищенню, оскільки завдяки герметичності склопакету скло не забруднюється з боку міжскляного простору.

Втрата прозорості (світлопровідності) склопакету з тепловідбиваючим склом в порівнянні зі звичайним складають всього 5-7%, тоді як при використанні двокамерних склопакетів (з трьома шибками) їх прозорість зменшується на 21,5 %!

Проте тільки селективне покриття теплотехнічні якості склопакету покращує мало, оскільки зростає різниця температур між внутрішнім і зовнішнім склом, що збільшує конвекцію повітря усередині склопакету, і, відповідно, втрати тепла. Але якщо склопакет з тепловідбиваючим склом наповнений інертним газом, наприклад, аргоном, то такий склопакет тримає тепло вже краще, ніж стіни в наших типових панельних будинках!

Тепловідбиваючі шибки виробляють в результаті нанесення на поверхню скла тонких плівок з металів і оксидів металів розпилюванням, хімічним осадженням, електрохімічною обробкою або термічним розкладанням. В Європі, де шибки з селективним напиленням стали стандартом, в промисловості випускаються шибки з тепловідбиваючим покриттям із золота, срібла, нікелю, міді, алюмінію, хрому, титану та їх оксидів. Якнайкращими тепловідбиваючими властивостями володіють шибки з покриттям із золота, але із-за їх високої вартості вони не отримали широкого застосування. Дуже ефективне використання теплоотражающих шибок з окисно-металевими покриттями.

В Росії виробництво таких шибок почате в Москві та С. Петербурзі.

Прозора теплоізоляція

У всякому іншому будинку це було б навпаки. Але у Вільгельма Шталя в м. Фрайбурзі зовнішні стіни будинку теплі, а внутрішні - прохолодні. Учений - фізик живе в будинку, який опалюється тільки сонцем, світлом і повітрям. Це відбувається без краплі нафти, газу або електричного струму. Однією з чарівних формул цього будинку є TWD (transperente Waermedaemmung), або прозора теплоізоляція (ПТІ).

Принцип ПТІ учені «підглянули» у білого ведмедя. Білі волокна його шерсті надійно захищають його від холоду, проте пропускають багато світла до його шкіри, яка чорного кольору, і яка таким чином, нагріваючись, віддає тепло тілу.

Поняття ПТІ включає обширну групу світлопрозорих матеріалів, наприклад, акрилову піну, капілярне скло, стільниковий полікарбонат. Окрім прозорості, загальними властивостями цих матеріалів є: пориста або трубчаста структура - вони приблизно на 95% складаються з повітря, завдяки чому вони володіють прекрасною теплоізоляцією; дуже дрібний розмір пір, із-за чого в них практично відсутня конвекція повітря; і ці матеріали непрозорі для теплового випромінювання. Шар такого матеріалу завтовшки 20 мм в 3 рази краще зберігає тепло, ніж товста цегляна стіна завтовшки 510 мм традиційного російського будинку!

Якнайкращими властивостями володіють матеріали, звані аерогелями, зокрема, силікагель - матеріал на основі кремнієвої кислоти. Цей матеріал був винайдений німецьким ученим Кистлером в 1931 році, проте практичне застосування він отримав лише останніми роками. Розмір мікропор в силікагелі набагато менше довжини хвилі видимого світла, і внаслідок малого розсіювання зразки завтовшки 12 мм на 10% прозоріші, ніж двошарове скління! На просвіт силікагель має трохи жовтуватий відтінок.

Виходячи з технології виробництва і заради уникнення забруднень, ПТІ укладають між двома шибками в рамах з різних матеріалів, тобто, по суті справи, в склопакет.

Використовується в будівництві ПТІ двояким чином.

Перший варіант, який учені вважають найбільш перспективним, це якраз принцип «білого ведмедя». Прозора теплоізоляція розміщується перед масивною стіною з бетону або іншого важкого матеріалу, зовнішня сторона якої забарвлюється в чорний колір і яка грає роль накопичувача теплової енергії. Сонячне випромінювання проникає крізь ПТІ і на чорній поверхні стіни перетворюється в теплову енергію. Стіна, у свою чергу, поступово віддає тепло всередину будівлі.

Таким чином, стіни будинку більше беруть тепла від сонця, ніж віддають його назовні! «Ми опалюємо будинок стінами...» - так говорить про свій будинок Вільгельм Шталь.

А як відрегулювати таку систему опалювання, коли на вулиці світить нещадне сонце і відмітка термометра повзе до 30С? Дуже просто: між зовнішнім склом і ПТІ розміщується затінюючий пристрій, який регулюється автоматичними датчиками, і який опускається при високій вуличній температурі, забезпечуючи оптимальний потік енергії і максимальний комфорт в будівлі. Як вже показала практика, температура внутрішньої поверхні стіни з прозорою теплоізоляцією в середньому за зимовий сезон на 2С вища, ніж стіни з непрозорим утепленням, що забезпечує оптимальні умови теплового комфорту для жителів.

Ще одним з експериментальних об'єктів, на яких була перевірена ПТІ була Паул-Робертсон-школа в Лейпцігу. Проведені вимірювання показали, що після реконструкції школи з її утепленням прозорою теплоізоляцією витрати на опалювання знизилися від 225 кВТчас/м2 до 58 кВТчас/м2, що означає зменшення втрат енергії на 70%.

Другий варіант використання ПТІ - зовнішні стіни, що поєднують в собі звичайні вікна і ПТІ, що значно збільшує їх світлопроникненність. Багато наших туристів на Заході вводять в оману кристали будівель, коли всі зовнішні стіни здаються такими, що складаються з скла. Насправді, як правило, це - навісні скляні фасади, за якими ховаються масивні стіни з вікнами звичайного розміру. І лише ПТІ дає реальну можливість без збитку для збереження тепла і теплового комфорту людей робити стіни практично повністю прозорими, відкриваючи архітекторам нові, невідомі раніше можливості

Матеріали з прозорістю, що змінюється

Для захисту приміщень від яскравого сонячного світла і від перегріву можна використовувати матеріали з світлопрозорістью, що змінюється. Такі матеріали змінюють свої властивості під впливом світла (фотохромні), тепла (термохромні) або електричного поля (електрохромні).

Одним з новітніх матеріалів цього роду є гель TALD, розроблений в інституті будівельної фізики в Штутгарті. TALD є термохромним матеріалом і заснований на органічних матеріалах.

Тонкий шар (0,3 мм) TALD розміщується між двома шибками. Залежно від температури нагріву скла під впливом сонячних променів матеріал переходить з прозорого стану в непрозорий: чим вища температура, тим більше в матеріалі шикується молекулярних ланцюжків, розмір яких більше довжини світлової хвилі і які не пропускають світло. При зменшенні температури матеріал повертається знову в прозорий стан.

У прозорому стані TALD пропускає 80% сонячній радіації, в непрозорому ця величина знижується до 10-40%.

При використанні таких матеріалів відпадає необхідність використання в будівлях затінюючих пристроїв. Велику перевагу мають матеріали з прозорістю, що змінюється, в порівнянні з тонованими сонцезахисними шибками, які значно зменшують світлопропускання і не володіють здібністю до саморегуляції.

Світлоуправляючі оптичні елементи

Вікна нерівномірно розподіляють світло в приміщеннях. Чим далі від вікна знаходиться робоче місце, тим менше світла воно отримує. При похмурій погоді в глибині кімнат недостатньо світла, а при сонці виникає сліпуча гра світла і тіні.

Вирішенням цієї проблеми зайнялися учені з Інституту Світла і Будівельної техніки (ILB) в Кельні.

Вони розробили систему, яка здатна успішно вирішити проблему. Нерівномірність освітлення значною мірою може бути усунена за допомогою світлоуправляючих оптичних елементів.

Вони є певним чином зігнутими тонкими смужками з акрилового або гідрокарбонатного скла, які розташовуються усередині склопакетів у верхній частині вікна. Ці елементи перенаправляють розсіяний і сонячний колір із зеніту в глибину приміщення і на стелю. У підвісній стелі вмонтовуються відбивні елементи, які мають спеціальну розсіюючу структуру з мікро-пірамідок. Засліплення сонячним світлом при цій системі ніколи не наступає, оскільки віддзеркалення променів відводить їх від рівня очей і розсіює завдяки відбиваючим пристроям на стелі.

Верхня світлоуправляюча частина вікна ніколи не затінюється сонцезахисними пристроями, тоді як нижні частини вікон обладнані затінюванням, яким, при необхідності, можна скористатися.

Вже здійснені на практиці будинки з світлоуправляючими голограмами в Кельні показали повну правильність теоретичних викладень дослідників. Якість і тривалість природного освітлення стали значно кращими, приміщення глибиною більше 7 м не вимагали штучного освітлення. Відчуття комфорту і працездатність співробітників офісу відчутно покращали. Заміряна в умовах Німеччини витрата електроенергії на освітлення зменшилася в порівнянні із звичайними вікнами на 80% !

В даний час учені ведуть розробку інтегрованих систем природного і штучного освітлення, коли світлоуправляючі голограми автоматично доповнюватимуться штучним світлом при зменшенні природної освітленості в приміщеннях.

Все частіше і частіше в Європі, коли йдеться про сучасні будівельні технології, використовується новий термін: інтелігентні будівельні системи. Під цими словами учені і інженери розуміють енергоефективні, саморегульовані, автоматичні системи.

Сьогодні в Європі немає сумнівів в тому, що майбутнє в будівництві належить саме інтелігентним системам.

Хотілося б тільки, щоб це майбутнє якнайскоріше прийшло і до нас, до Росії.