Мы в соц. сетях
Вступившим в наши группы ВК, FB, ОК - подарки при покупке проектов!
Контакты

ООО «Архитектурно-дизайнерская студия «Альфаплан»

Адрес:
Санкт-Петербург,
Большой пр.П.С., д.80, оф.13Н
Телефон:
+7-(812)-347-5357
+7-(812)-927-8702
8-800-250-0597 бесплатный звонок из регионов
E-mail:
[email protected]

www.Alfaplan.ru
www.Альфаплан.рф

Подробнее >>

Поделиться ссылкой:

"Дом - это отдвинутая граница души".

М.Жванецкий

 

 

 

 

«Что только не было обещано человеку: страна Утопия, коммунистический рай, новый Иерусалим и даже далекие планеты. Но он всегда хотел лишь только одного: собственный дом с садом».

Ж.К. Честертон, 1920

от
до

Строительные технологии ХХI века или Почему не холодно белому медведю

20.10.2009

С древних времен человек строит себе жилье для защиты от непогоды, стараясь создать для себя максимальный комфорт и уют. Выбор материалов для конструкций стен, окон, крыш и других элементов во многом определяется климатом той местности, где возводится дом.

На протяжении всей истории строительства - вплоть до последнего десятилетия - самой уязвимой частью зданий с точки зрения теплоизоляции были окна, или, говоря техническим языком, светопрозрачные ограждающие конструкции. Их особенностью является то, что они выполняют две противоположные функции: с одной стороны, они должны пропускать в помещения как можно больше света, а с другой стороны, они должны защищать от холода, ветра, дождя...

Удорожание энергоносителей и, как следствие этого, стремление к их экономии стало побудительным мотивом многочисленных исследований в сфере строительных технологий. Усилия лучших научных центров Европы и Америки были направлены в последние десятилетия на решение этой проблемы, в научные разработки было инвестировано огромное количество средств. Причем основной акцент исследований был сделан именно на светопрозрачных конструкциях, как на наиболее теплотехнически слабых элементах зданий. И если говорить о прогрессе в области строительных технологий, то самые впечатляющие открытия сделаны именно в этом направлении.

На сегодняшний день развитие технологий достигло такого уровня, что через окна и стеклянные фасады можно больше получать энергии и тепла от солнца, чем терять.

Какими же будут технологии ХХI века? О некоторых из них рассказ в нашей статье.

 

Теплоотражающие стекла

Конструкция стеклопакета в его первоначальном виде - два простых оконных стекла с осушенным воздухом между ними - в настоящее время не соответствует европейским нормативам по теплоизоляции и является вчерашним днем. В России в ряде регионов тоже приняты уже более жесткие нормативы, практически соответствующие европейским, общероссийские находятся в стадии согласования и утверждения Гостроем.

В современном европейском строительстве применяются для стеклопакетов стекла с теплоотражающими покрытиями.

Физические основы процесса сбережения тепла в эффективных стеклопакетах таковы.

Тепловой поток через стеклопакеты состоит из трех частей:

  1. лучистый теплообмен между стеклами (инфракрасное излучение)
  2. теплопроводность газа между стеклами (теплопередача)
  3. конвекция газа между стеклами (движение и перемешивание газа)

На лучистую составляющую теплового потока приходится 2/3 переносимого тепла, и только 1/3 - на два других фактора! Этой особенностью и воспользовались ученые. С помощью нанесения на стекла тончайших металлических покрытий они научились направлять лучистую составляющую теплового потока обратно, внутрь помещения.

Металлическое напыление обладает свойствами светового фильтра, поэтому его называют «селективным», то есть «избирательным»: оно пропускает коротковолновое излучение, особенно хорошо в видимой области, в то время как для длинных волн - инфракрасного спектра - оно работает как тепловое зеркало, отражая большую часть излучения. На практике это означает, что оставаясь прозрачным для человека и хорошо пропуская солнечный свет в помещение, теплоотражающее покрытие направляет обратно в помещение излучаемую тепловую энергию.

Поверхность стекла с селективным покрытием должна быть в стеклопакете третьей по счету со стороны улицы - только при таком расположении оно имеет реальный смысл. Теплоотражающее покрытие имеет малую прочность на истирание, но стекло, установленное покрытием внутрь пакета, не надо подвергать очистке, так как благодаря герметичности стеклопакета стекло не загрязняется со стороны межстекольного пространства.

Потеря прозрачности (светопропускания) стеклопакета с теплоотражающим стеклом по сравнению с обычным составляют всего 5-7%, в то время как при использовании двухкамерных стеклопакетов (с тремя стеклами) их прозрачность уменьшается на 21,5 %!

 

Однако только лишь селективное покрытие теплотехнические качества стеклопакета улучшает незначительно, так как возрастает разница температур между внутренним и наружным стеклом, что увеличивает конвекцию воздуха внутри стеклопакета, и, соответственно, потери тепла. Но если стеклопакет с теплоотражающим стеклом наполнен инертным газом, например, аргоном, то такой стеклопакет держит тепло уже лучше, чем стены в наших типовых панельных домах!

Теплоотражающие стекла получают в результате нанесения на поверхность стекла тонких пленок из металлов и оксидов металлов распылением, химическим осаждением, электрохимической обработкой или термическим разложением. В Европе, где стекла с селективным напылением стали стандартом, в промышленности выпускаются стекла с теплоотражающими покрытиями из золота, серебра, никеля, меди, алюминия, хрома, титана и их оксидов. Наилучшими теплоотражающими свойствами обладают стекла с покрытием из золота, но из-за их высокой стоимости они не получили широкого применения. Очень эффективно использование теплоотражающих стекол с окисно-металлическими покрытиями.

В России производство таких стекол начато в Москве и С. Петербурге.

 

Прозрачная теплоизоляция

Во всяком ином доме это было бы наоборот. Но у Вильгельма Шталя в г. Фрайбурге наружные стены дома теплые, а внутренние - прохладные. Ученый - физик живет в доме, который отапливается только солнцем, светом и воздухом. Это происходит без капли нефти, газа или электрического тока. Одной из волшебных формул этого дома является TWD (transperente Waermedaemmung), или прозрачная теплоизоляция (ПТИ).

Принцип ПТИ ученые «подсмотрели» у белого медведя. Белые волокна его шерсти надежно защищают его от холода, однако пропускают много света до его кожи, которая черного цвета, и которая таким образом, нагреваясь, отдает тепло телу.

Понятие ПТИ включает в себя обширную группу светопрозрачных материалов, например, акриловую пену, капиллярное стекло, сотовый поликарбонат. Кроме прозрачности, общими свойствами этих материалов являются: пористая или трубчатая структура - они примерно на 95% состоят из воздуха, благодаря чему они обладают великолепной теплоизоляцией; очень мелкий размер пор, из-за чего в них практически отсутствует конвекция воздуха; и эти материалы непрозрачны для теплового излучения. Слой такого материала толщиной 20 мм в 3 раза лучше сохраняет тепло, чем толстая кирпичная стена толщиной 510 мм традиционного российского дома!

Наилучшими свойствами обладают материалы, называемые аэрогелями, в частности, силикагель - материал на основе кремниевой кислоты. Этот материал был изобретен немецким ученым Кистлером в 1931 году, однако практическое применение он получил лишь в последние годы. Размер микропор в силикагеле намного меньше длины волны видимого света, и вследствии малого рассеивания образцы толщиной 12 мм на 10% прозрачнее, чем двухслойное остекление! На просвет силикагель имеет чуть желтоватый оттенок.

Исходя из технологии производства и ради избежания загрязнений ПТИ заключают между двумя стеклами в рамах из различных материалов, то есть, по сути дела , в стеклопакет.

Используется в строительстве ПТИ двояким образом. м

Первый вариант, который ученые считают наиболее перспективным, это как раз принцип «белого медведя». Прозрачная теплоизоляция размещается перед массивной стеной из бетона или иного тяжелого материала, наружная сторона которой окрашивается в черный цвет и которая играет роль накопителя тепловой энергии. Солнечное излучение проникает сквозь ПТИ и на черной поверхности стены преобразуется в тепловую энергию. Стена, в свою очередь, постепенно отдает тепло внутрь здания.

Таким образом, стены дома больше берут тепла от солнца, чем отдают его наружу! «Мы отапливаем дом стенами...» - так говорит о своем доме Вильгельм Шталь.

А как отрегулировать такую систему отопления, когда на улице светит нещадное солнце и отметка термометра ползет к 30С? Очень просто: между наружным стеклом и ПТИ размещается затеняющее устройство, которое регулируется автоматическими датчиками, и которое опускается при высокой уличной температуре, обеспечивая оптимальный поток энергии и максимальный комфорт в здании. Как уже показала практика, температура внутренней поверхности стены с прозрачной теплоизоляцией в среднем за зимний сезон на 2°С выше, чем стены с непрозрачным утеплением, что обеспечивает оптимальные условия теплового комфорта для жителей.

Еще одним из экспериментальных объектов, на которых была проверена ПТИ была Паул-Робертсон-школа в Лейпциге. Проведенные измерения показали, что после реконструкции школы с ее утеплением прозрачной теплоизоляцией расходы на отопление снизились от 225 кВТчас/м2 до 58 кВТчас/м2, что означает уменьшение потерь энергии на 70%.

Второй вариант использования ПТИ - наружные стены, сочетающие в себе обычные окна и ПТИ, что значительно увеличивает их светопропускание. Многих наших туристов на Западе вводят в заблуждение кристаллы зданий, когда все наружные стены кажутся состоящими из стекла. На самом деле, как правило, это - навесные стеклянные фасады, за которыми скрываются массивные стены с окнами обычного размера. И лишь ПТИ дает реальную возможность без ущерба для сохранения тепла и теплового комфорта людей делать стены практически полностью прозрачными, открывая архитекторам новые, неизвестные ранее возможности.

 

Материалы с изменяющейся прозрачностью

Для защиты помещений от яркого солнечного света и от перегрева можно использовать материалы с изменяющейся светопрозрачностью. Такие материалы изменяют свои свойства под воздействием света (фотохромные), тепла (термохромные) или электрического поля (электрохромные).

Одним из новейших материалов этого рода является гель TALD, разработанный в институте строительной физики в Штутгарте. TALD является термохромным материалом и основан на органических метериалах.

Тонкий слой (0,3 мм) TALD размещается между двумя стеклами. В зависимости от температуры нагрева стекла под воздействием солнечных лучей материал переходит из прозрачного состояния в непрозрачное: чем выше температура, тем больше в материале выстраивается молекулярных цепочек, размер которых больше длины световой волны и которые не пропускают свет. При уменьшении температуры материал возвращается снова в прозрачное состояние.

В прозрачном состоянии TALD пропускает 80% солнечной радиации, в непрозрачном эта величина снижается до 10-40%.

При использовании таких материалов отпадает необходимость использования в зданиях затеняющих устройств. Большое преимущество имеют материалы с изменяющейся прозрачностью по сравнению с тонированными солнцезащитными стеклами, которые значительно уменьшают светопропускание и не обладают способностью к саморегуляции.

 

Светоуправляющие оптические элементы

Окна неравномерно распределяют свет в помещениях. Чем дальше от окна находится рабочее место, тем меньше света оно получает. При пасмурной погоде в глубине комнат недостаточно света, а при солнце возникает слепящая игра света и тени.

Решением этой проблемы занялись ученые из Института Света и Строительной техники (ILB) в Кельне.

Они разработали систему, которая способна успешно решить проблему. Неравномерность освещения в значительной мере может быть устранена с помощью светоуправляющих оптических элементов.

Они представляют собой определенным образом изогнутые тонкие полоски из акрилового или гидрокарбонатного стекла, которые располагаются внутри стеклопакетов в верхней части окна. Эти элементы перенаправляют рассеянный и солнечный цвет из зенита в глубину помещения и на потолок. В подвесном потолке монтируются отражательные элементы, которые имеют специальную рассеивающую структуру из микро-пирамидок. Ослепления солнечным светом при этой системе никогда не наступает, так как отражение лучей отводит их от уровня глаз и рассеивает благодаря отражающим устройствам на на потолке.

Верхняя светоуправляющая часть окна никогда не затеняется солнцезащитными устройствами, в то время как нижние части окон оборудуется затенением, которым, при необходимости, можно воспользоваться.

Уже осуществленные на практике дома со светоуправляющими голлограммами в Кельне показали полную правильность теоретических выкладок исследователей. Качество и продолжительность естественного освещения стали значительно лучше, помещения глубиной более 7 м не требовали искусственного освещения. Ощущение комфорта и работоспособность сотрудников офиса ощутимо улучшились. Замеренный в условиях Германии расход электроэнергии на освещение уменьшился по сравнению с обычными окнами на 80% !

В настоящее время ученые ведут разработку интегрированных систем естественного и искусственного освещения, когда светоуправляющие голлограммы будут автоматически дополняться искусственным светом при уменьшении естественной освещенности в помещениях.

Все чаще и чаще в Европе, когда речь идет о современных строительных технологиях, используется новый термин: интеллегентные строительные системы. Под этими словами ученые и инженеры понимают энергоэффективные, саморегулирующиеся, автоматические системы.

Сегодня в Европе нет сомнений в том, что будущее в строительстве принадлежит именно интеллегентным системам.

Хотелось бы только, чтобы это будущее как можно скорее пришло и к нам, в Россию.

 

Владимир Тарасов
архитектор, генеральный директор
ООО «Архитектурно-Дизайнерская Студия «АЛЬФАПЛАН»