Электростекло и комфорт в помещении

С. Михненко

Современная тенденция «open-air» в архитектуре, чтобы использовать как можно больше открытого пространства за счет широкоформатного остекления, стала возможной, когда появились стеклопакеты с энергосберегающими покрытиями, существенно снизившие энергопотери через светопрозрачную оболочку здания. Тем не менее, комфорт в помещениях с большой площадью остекления в зимний период оставлял желать лучшего. Благодаря технологическим новациям сейчас ситуация c «зимним» дискомфортом коренным образом изменилась

Широкоформатное или даже панорамное остекление сегодня применяется повсюду – от офисных центров и жилых многоэтажек до индивидуальных коттеджей, в том числе в холодном климате с суровыми зимами. Современные энергосберегающие стеклопакеты имеют очень низкие показатели теплопропускания, сравнимые или даже превышающие теплоизолирующие характеристики наружной оболочки здания из других материалов. Главная проблема в зимний период в помещениях, которые имеют большую площадь остекления, – ощущение «веяния холодом» от стекла и нежелательные воздушные потоки, вызывающие сквозняки и дискомфорт, несмотря на благоприятные температурные показатели, поддерживаемые системой отопления и климат-контроля в целом.

Несмотря на энергосберегающие свойства стеклопакета, благодаря которым отражается поток тепла внутрь помещения, его поверхность, обращенная внутрь, все равно остается более холодной, чем температура внутри обогреваемого объема. Вдоль внутренней поверхности стекла возникают нисходящие холодные потоки, образующие около поверхности пола слой воздуха с дискомфортно низкой температурой, который к тому же плохо перемешивается с остальным воздухом в помещении. Для перемешивания слоев и выравнивания температуры в помещении по высоте нужно применять специальные меры – принудительное вентилирование (перемешивание воздуха), даже, несмотря на то, что ситуация, когда в данном помещении применяются теплые полы, в целом оказывается лучше, чем при других системах обогрева.

В помещениях с большой площадью остекления обычно устанавливают фанкойлы, теплый поток воздуха от которых, с одной стороны, призван нагреть холодную внутреннюю поверхность остекления обдувом, а с другой – обогреть помещение и создать конвекционную циркуляцию теплого воздуха во всем объеме. Теплый воздух от фанкойлов поднимается вверх к потолку, то есть туда, где он, собственно, мало нужен. Другие системы отопления, установленные вдалеке от остекления, тоже генерируют восходящие к потолку тепловые потоки.

Рис. 1. Типичные конвекционные потоки в помещении с большой площадью остекления и с обогревом фанкойлами

На практике же, в помещении образуется картина потоков, как показано на рис. 1 – теплый воздух от фанкойлов «отслаивает» холодный нисходящий поток, удаляя его от поверхности стекла и перенося его внутрь. То есть, фанкойлы радикально не решают проблему прогрева внутренней поверхности стекла, и лишь переносят дискомфортные потоки холодного воздуха вглубь помещения. Измерения показывают, что при этом существенного нагрева внутренней поверхности остекления также не происходит, и она по-прежнему остается холодной, часто сохраняя температуру ниже точки росы, что вызывает запотевание стекла.

Рис. 2. Картина конвекционных потоков у остекления с большим коэффициентом теплового сопротивления

Энергосберегающее остекление с электрообогревом

Современные двухкамерные стеклопакеты с заполнением инертным газом (аргоном или криптоном) и высокотехнологичным энергосберегающим покрытием (Low-E) имеют очень высокие теплоизолирующие характеристики. Внутренняя поверхность на стеклопакете оказывается значительно теплее, чем у обычного стекла, однако сохраняется перепад температур между общей температурой в помещении и поверхностью стекла. Этот перепад инициирует возникновение конвекционных потоков. Тем не менее, он оказывается небольшим, и ощущение дискомфорта от «веяния холодом» и возникновения сквозняков в целом уменьшается, см. рис. 2, даже когда не применяются фанкойлы возле больших светопрозрачных проемов, а отопление осуществляется от теплого пола и/или от других обогревающих элементов радиаторного типа, расположенных вдали от остекления.

Однако опасность запотевания стекла внутри помещения остается, если температура его поверхности ниже точки росы. Это актуально для помещений с повышенной влажностью (бассейны, зимние сады, кухни), а также с нормальной влажностью, поддерживаемой увлажнителями на уровне 60-70% при температуре 20-22°C.

Идея, чтобы для устранения зимнего перепада температур между внутренней поверхностью стекла и воздухом в помещении использовать стекло с электрообогревом, в целом не нова. Подобное стекло известно любому автолюбителю. В нем в ламинирующем слое триплекса проложены проводки с высоким сопротивлением, они нагреваются при пропускании тока, за счет чего внутренняя поверхность стекла прогревается на пару градусов выше точки росы, и причины выпадения конденсата полностью устраняются. Кроме того, комфорт в салоне тоже улучшается. Огромным недостатком такого остекления есть то, что проводки на самом деле видны, особенно изнутри. Поэтому такое стекло не получило широкого распространения для архитектурного остекления, к тому же есть вопросы по равномерности нагрева.

Технологические новации позволили устранить недостатки «проводного» электростекла и позволили получить новые положительные эффекты. Например, осенью 2018 г. на выставке в Дюссельдорфе финская компания Finnglass представила свою разработку – многокамерный стеклопакет с электрообогревом, где роль нагревательного элемента выполняет слой покрытия Low-E. Данное решение испытано и проверено на разных архитектурных объектах, построенных в суровом климате – от небоскребов до коттеджей.

Конструкция такого пакета с одним нагревательным слоем показана на рис. 3. Однако имеются и варианты остекления, где второй нагревательный слой расположен также на внутренней поверхности Low-E-покрытия «первого», наружного стекла.

Рис. 3. Энергосберегающий стеклопакет с одним электронагревательным слоем

Электричество подается на полосовые электроды на краях внутренней стеклянной панели, и ток для нагрева пропускается через само покрытие Low-E, которое представляет собой очень тонкий слой серебра с некоторыми добавками. При этом слой Low-E имеет равномерное электросопротивление по всей площади, эффективно и равномерно согревая стекло по всей панели, и продолжает выполнять свои основные функции – отражать тепло во внутреннее пространство. Второй слой Low-E покрытия (рис. 2) на наружном стекле отражает тепло внутрь и препятствует потерям тепла наружу. На полоски электродов, соединенные с нагревательным покрытием, подводят электрический ток от очень гибкого кабеля с двойной изоляцией. Стеклопакеты заполнены внутри воздухом или аргоном. Для уплотнения стеклопакетов для оконных проемов используется стандартный полиуретановый герметик, а для крепления структурного остекления – силиконовый герметик.

Опыт эксплуатации таких стекол с электрообогревом в условиях суровой финской зимы показал, что такое стекло имеет ряд новых полезных функций. Для того, чтобы избавиться от запотевания достаточно поддерживать температуру на внутренней поверхности стеклопакета на 1-2°C выше точки росы. При этом характер конвекционных потоков воздуха будет таким, как показано на рис. 2. Если же больше прогреть стекло, и поддерживать температуру на 1-2°C выше температуры воздуха в помещении, то можно полностью избавиться от нисходящих конвекционных потоков и сквозняков и устранить эффект «холодной стены». Для этого затрачивается электроэнергии в пределах всего 20-30 Вт на квадратный метр стекла.

Если второй Low-E-слой (на наружном стекле) тоже оснастить электрообогревом, то можно оттаивать наледь и снег, что крайне важно для наклонного (мансардного) остекления в высотных домах. При строительстве небоскребов в холодном климате предотвращение образования льда и снега на наклонных крышах зданий и безопасное удаление зимних осадков имеет решающее значение для обеспечения безопасности всех людей вокруг. Механическое удаление осадков в этом случае – не вариант. Снег и лед необходимо постоянно растапливать нагреванием наружного стекла, чтобы оно не упало на улицу с высоты более 300 метров. Стекло с одним нагревательным слоем все-таки нуждается в механической очистке от снега, а стекло с двумя обогревающими слоями без проблем справляется с наледью и слоем снега на наклонном остеклении, см. рис. 4. Визуально определить, что стекло электрически подогревается, можно только из-за того, что оно остается всегда прозрачным, без конденсата, изморози и налипания снега даже в холодном климате.

Рис. 4. Стекло с электрообогревом небоскреба эффективно очищает наружную поверхность на наклонном остеклении пентхауса от снега и наледи

Непосредственное нагревание поверхности стекла исключает необходимость в других нагревательных устройствах, устанавливаемых рядом с остеклением и предназначенных для предотвращения холодных потоков внутри и обмерзания снаружи, таких, как радиаторы или фанкойлы. Более того – электростекло можно использовать в качестве эффективного обогревателя излучающего типа. Согласно исследованию, проведенному Техническим исследовательским центром Финляндии (VTT), в обогреваемом стекле практически 100% электроэнергии преобразуется в тепло, при этом более 90% такого тепла направляется внутрь помещения.

Свойства электропроводящего Low-E-покрытия таковы, что стеклопакет с электрообогревом можно подключать к обычной электросети напрямую, без трансформаторов и адаптеров. Можно использовать как постоянный, так и переменный ток.

Основные технические характеристики стеклопакетов с электрообогревом показаны ниже.

Коэффициент U: стандарт 0,5–1,0 Вт/м²•К.
Эффективность:> 90% тепла направляется в помещение.
Комфортный расход для отопления: 20–30 Вт/м².
Расходы на оттаивание снега: примерно 1 евро/м²/год (по тарифам и в условиях климата в Финляндии).
Мощность: 0-700 Вт/м² для домов, до 3000 Вт/м² для морских применений (наружное стекло морских судов).
Напряжение: 0-400 В.

Стекло с электрическим подогревом – это единственное архитектурное решение, которое может предотвратить конденсацию и конвекцию, обеспечить беспрепятственный обзор в любое время и поддерживать комфорт обитателей, даже если температура наружного воздуха падает на 15°C менее чем за час. С помощью специальных датчиков осадков можно своевременно включать слой для оттаивания и тем самым сохранять прозрачность остекления даже в непогоду. Поэтому одно из используемых применений такого стекла – наружное остекление морских судов, эксплуатирующихся в арктических широтах.
Электрическое отопление также может быть установлено даже в движущихся стеклянных панелях, таких как раздвижные двери с высотой до 6,5 м и шириной до 12 м.

С помощью электростекла можно существенно улучшить комфорт зимой в помещениях с большой площадью остекления. При этом можно избавиться от неэффективных фанкойлов и радиаторов, установленных рядом со стеклом для обогрева поверхности остекления, обращенной внутрь помещения, и экономично устранить «зимний» дискомфорт, а также предотвратить холодные сквозняки. Это упрощает систему HVAC и тем самым можно сэкономить на стоимости энергии, потребляемых системой отопления и поддержания микроклимата, и уменьшить капитальные затраты на установку инженерных систем такого рода. Благодаря эффективности (>90%) можно использовать пакеты с электростеклом в качестве основного или дополнительного источника отопления для помещений в домах, как при модернизации зданий, так и для нового строительства жилых и коммерческих помещений.

По материалам, предоставленным редакции AW-Therm оргкомитетом Международной научной конференции «Glass Performance Days», г. Тампере, Финляндия.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!