Изоляционное стекло ( IG ) состоит из двух или более стеклянных оконных панелей , разделенных пространством для уменьшения теплопередачи через часть оболочки здания . Окно с изоляционным стеклом обычно называют двойным остеклением или окном с двойным остеклением , тройным остеклением или окном с тройным остеклением, или четверным остеклением или окном с четверным остеклением, в зависимости от того, сколько стекол используется в его конструкции.
Стеклопакеты (IGU) обычно изготавливаются из стекла толщиной от 3 до 10 мм (от 1/8" до 3/8"). Более толстое стекло используется в специальных приложениях. Многослойное или закаленное стекло также может использоваться как часть конструкции. Большинство блоков изготавливаются с одинаковой толщиной стекла на обеих панелях, но специальные приложения, такие как звукопоглощение или безопасность, могут потребовать использования в блоке стекла разной толщины.
Пространство между стеклами обеспечивает большую часть изоляционного эффекта и может быть заполнено воздухом, но часто используется аргон, поскольку он обеспечивает лучшую изоляцию, а иногда применяются другие газы или даже вакуум [1] .
Установка второго стекла для улучшения изоляции началась в Шотландии, Германии и Швейцарии в 1870-х годах. [2]
Изоляционное стекло является развитием старых технологий, известных как двухстворчатые окна и штормовые окна . Традиционные двухстворчатые окна использовали одинарное стекло для разделения внутреннего и внешнего пространства.
Традиционные штормовые окна и экраны относительно трудоемки и требуют снятия и хранения штормовых окон весной и повторной установки осенью и хранения экранов. Вес большой рамы штормового окна и стекла делает замену на верхних этажах высотных зданий сложной задачей, требующей многократного подъема по лестнице с каждым окном и попыток удержать окно на месте, одновременно закрепляя удерживающие зажимы по краям. Однако современные репродукции этих штормовых окон старого образца могут быть сделаны со съемным стеклом в нижней панели, которое можно заменить съемным экраном при желании. Это устраняет необходимость замены всего штормового окна в зависимости от сезона.
Теплоизоляционное остекление (IG) образует очень компактный многослойный сэндвич из воздуха и стекла, что устраняет необходимость в штормовых окнах. Экраны также можно оставлять установленными круглый год с теплоизоляционным остеклением, и их можно устанавливать таким образом, чтобы можно было производить установку и снятие изнутри здания, устраняя необходимость подниматься на внешнюю часть дома для обслуживания окон. Теплоизоляционное остекление можно модернизировать в традиционных двухстворчатых рамах, хотя это потребует значительной модификации деревянной рамы из-за увеличенной толщины сборки IG.
Современные оконные блоки с IG обычно полностью заменяют старые двухстворчатые блоки и включают другие усовершенствования, такие как лучшая герметизация между верхним и нижним окнами и пружинная балансировка веса, которая устраняет необходимость в больших подвесных грузах внутри стены рядом с окнами, что позволяет улучшить изоляцию вокруг окна и уменьшить утечку воздуха. IG обеспечивает надежную защиту от солнца и сохраняет дом прохладным жарким летом и теплым зимой. Пружинные балансировочные механизмы также обычно позволяют верхней части окон откидываться внутрь, что позволяет чистить внешнюю часть окна IG изнутри здания.
Стеклопакет, состоящий из двух стеклянных панелей, соединенных вместе в один блок с уплотнением между краями панелей, был запатентован в Соединенных Штатах Томасом Стетсоном в 1865 году. [3] Он был разработан в коммерческий продукт в 1930-х годах, когда было подано несколько патентов, и продукт был анонсирован компанией Libbey-Owens-Ford Glass Company в 1944 году. [4] Их продукт продавался под торговой маркой Thermopane, которая была зарегистрирована как торговая марка в 1941 году. Технология Thermopane значительно отличается от современных стеклопакетов. Два стекла были сварены вместе стеклянным уплотнением, и два стекла были разделены менее чем на 0,5 дюйма (1,3 см), типичных для современных блоков. [5] Торговая марка Thermopane вошла в словарь стекольной промышленности как обобщенная торговая марка для любого стеклопакета. [ необходима цитата ]
Одинарное стекло является очень плохим изолятором (значение R около 1, RSI ниже 0,2), поэтому одинарные стекла обеспечивают очень слабую изоляцию. Часто используются покрытия для стекла, такие как частично отражающие или цветные покрытия для уменьшения инсоляции, а также покрытия для отражения инфракрасного излучения.
Стекло с низкой излучательной способностью (стекло low E) является коммерчески доступным вариантом для строительства стеклопакетов. Стекло low E изготавливается путем нанесения покрытия Low E на стеклянную панель. Это, как правило, металлические покрытия, обычно наносимые на вторую или третью стеклянную поверхность блока, которые обладают эффектом отражения инфракрасного света и блокирования или ослабления частей ультрафиолетового и видимого спектров света. Это может значительно снизить солнечное усиление стеклопакета, что влияет как на тепловые характеристики (значение R), так и на коэффициент солнечного теплового усиления (SHGC). Доступны два типа покрытий low E: твердые покрытия и мягкие покрытия. Твердые покрытия производятся с использованием оксида олова, который наносится, когда стекло еще горячее, и впитывается в стекло, они износостойкие и обычно более дешевые. Мягкие покрытия наносятся вакуумным напылением на поверхность стекла и имеют более высокие характеристики, но легко окисляются и повреждаются, и поэтому должны быть защищены заполнением инертным газом. [6]
Стеклянные панели разделены «распоркой». Распорка, которая может быть типа «теплый край », — это деталь, которая разделяет две панели стекла в системе стеклопакета и герметизирует газовое пространство между ними. Первые распорки изготавливались в основном из стали и алюминия, что, по мнению производителей, обеспечивало большую прочность, а их более низкая цена означает, что они остаются распространенными.
Однако металлические дистанционные рамки проводят тепло (если только металл не термически улучшен), что подрывает способность стеклопакета (IGU) уменьшать тепловой поток. Это также может привести к образованию воды или льда в нижней части герметичного блока из-за резкой разницы температур между окном и окружающим воздухом. Чтобы уменьшить теплопередачу через дистанционную рамку и повысить общую теплопроизводительность, производители могут изготавливать дистанционную рамку из менее проводящего материала, такого как структурная пена. Дистанционная рамка из алюминия, которая также содержит высокоструктурный тепловой барьер, уменьшает конденсацию на поверхности стекла и улучшает изоляцию, измеряемую общим значением U.
Более старый и устоявшийся способ улучшения изоляционных характеристик — замена воздуха в пространстве газом с более низкой теплопроводностью . Газовая конвективная теплопередача является функцией вязкости и удельной теплоемкости. Часто используются одноатомные газы, такие как аргон , криптон и ксенон, поскольку (при нормальных температурах) они не переносят тепло в ротационных режимах , что приводит к более низкой теплоемкости, чем многоатомные газы. Аргон имеет теплопроводность 67% от теплопроводности воздуха, криптон имеет примерно половину проводимости аргона. [7] Аргон составляет почти 1% атмосферы и изолирован по умеренной стоимости. Криптон и ксенон являются лишь следовыми компонентами атмосферы и очень дороги. Все эти «благородные» газы нетоксичны, прозрачны, не имеют запаха, химически инертны и коммерчески доступны из-за их широкого применения в промышленности. Некоторые производители также предлагают гексафторид серы в качестве изолирующего газа, особенно для звукоизоляции. Он имеет всего 2/3 проводимости аргона, но он стабилен, недорог и плотен. Однако гексафторид серы является чрезвычайно мощным парниковым газом, который способствует глобальному потеплению. В Европе SF
6подпадает под действие директивы F-Gas, которая запрещает или контролирует его использование в различных приложениях. С 1 января 2006 года SF
6запрещен в качестве индикаторного газа и во всех применениях, за исключением высоковольтных распределительных устройств . [8]
В целом, чем эффективнее заполняющий газ при его оптимальной толщине, тем тоньше оптимальная толщина. Например, оптимальная толщина для криптона ниже, чем для аргона, и ниже для аргона, чем для воздуха. [9] Однако, поскольку трудно определить, смешался ли газ в стеклопакете с воздухом во время производства (или смешался с воздухом после установки), многие проектировщики предпочитают использовать более толстые зазоры, чем были бы оптимальными для заполняющего газа, если бы он был чистым. Аргон обычно используется в изолированном остеклении, поскольку он наиболее доступен. Криптон, который значительно дороже, обычно не используется, за исключением производства очень тонких двойных стеклопакетов или чрезвычайно высокопроизводительных тройных стеклопакетов. Ксенон нашел очень мало применения в стеклопакетах из-за стоимости. [10]
Вакуумная технология также используется в некоторых непрозрачных изоляционных изделиях, называемых вакуумными изоляционными панелями .
Стеклопакеты часто изготавливаются на заказ на заводских производственных линиях, но также доступны стандартные блоки. Размеры ширины и высоты, толщина стекол и тип стекла для каждого стекла, а также общая толщина блока должны быть предоставлены производителю. На сборочной линии дистанционные рамки определенной толщины разрезаются и собираются в требуемые общие размеры ширины и высоты и заполняются осушителем. На параллельной линии стеклянные панели разрезаются по размеру и промываются, чтобы стать оптически прозрачными.
.svg/1280px-Passivhaus_Fenster_Beispiele_(blank).svg.png){kind=spacer}
На лицевую сторону распорки с каждой стороны наносится адгезивный первичный герметик ( полиизобутилен ), а панели прижимаются к распорке. Если блок заполнен газом, в распорке собранного блока просверливаются два отверстия, присоединяются линии для отвода воздуха из пространства и замены его (или оставления только вакуума) желаемым газом. Затем линии снимаются, а отверстия герметизируются для удержания газа. Более современная технология заключается в использовании онлайн-газонаполнителя, что исключает необходимость сверления отверстий в распорке. Цель первичного герметика — не допустить утечки изолирующего газа и попадания водяного пара. Затем блоки обертываются с краевой стороны с использованием полисульфидного или силиконового герметика или аналогичного материала в качестве вторичного герметика, который ограничивает движения резино-пластикового первичного герметика. Осушитель удалит следы влажности из воздушного пространства, так что на внутренних поверхностях стеклянных панелей, обращенных к воздушному пространству, не будет появляться вода (не будет конденсации) в холодную погоду. Некоторые производители разработали специальные процессы, объединяющие спейсер и осушитель в одноэтапную систему нанесения.
Максимальная эффективность изоляции стандартного IGU определяется толщиной пространства. Большее пространство увеличивает значение изоляции до определенной точки, но в конечном итоге при достаточно большом зазоре конвекционные потоки начинают течь, перенося тепло между панелями внутри блока. Как правило, большинство герметичных блоков достигают максимальных значений изоляции, используя пространство 16–19 мм (0,63–0,75 дюйма) при измерении в центре IGU. [11]
Толщина IGU — это компромисс между максимизацией изоляционных свойств и способностью каркасной системы, используемой для поддержки блока. Некоторые жилые и большинство коммерческих систем остекления могут вместить идеальную толщину двухкамерного блока. Проблемы возникают при использовании тройного остекления для дальнейшего снижения потерь тепла в IGU. Сочетание толщины и веса приводит к тому, что блоки становятся слишком громоздкими для большинства жилых или коммерческих систем остекления, особенно если эти панели находятся в подвижных рамах или створках.
Этот компромисс не применим к вакуумному изолированному стеклу (VIG) или вакуумному остеклению, [13], поскольку потери тепла из -за конвекции устраняются, оставляя потери на излучение и проводимость через краевое уплотнение и требуемые опорные столбы над лицевой областью. [14] [15] В этих блоках VIG большая часть воздуха удалена из пространства между стеклами, оставляя почти полный вакуум . Блоки VIG, которые в настоящее время представлены на рынке, герметично запечатаны по периметру припоем из стекла, то есть стеклянная фритта (порошкообразное стекло) с пониженной температурой плавления нагревается для соединения компонентов. Это создает стеклянное уплотнение, которое испытывает возрастающее напряжение с увеличением перепада температур по всему блоку. Это напряжение может ограничивать максимально допустимый перепад температур. Один производитель дает рекомендацию 35 °C. Для усиления остекления, чтобы противостоять давлению атмосферы, требуются близко расположенные столбы. Расстояние между столбами и диаметр ограничивали изоляцию, достигаемую конструкциями, доступными с 1990-х годов, до R = 4,7 ч · ° F · фут2 / БТЕ (0,83 м2 · К/Вт), что не лучше, чем у высококачественных стеклопакетов с двойным остеклением. Последние продукты заявляют о производительности R = 14 ч · ° F · фут2 / БТЕ (2,5 м2 · К/Вт), что превышает показатели стеклопакетов с тройным остеклением. [15] Требуемые внутренние столбы исключают приложения, где желателен беспрепятственный обзор через стеклопакет, т. е. большинство жилых и коммерческих окон, а также холодильные витрины для продуктов питания. Однако окна, оборудованные VIG, не обеспечивают достаточной производительности из-за интенсивной теплопередачи по краям. [12]
Эффективность изоляции может быть выражена как значение R или значение RSI . Чем выше значение, тем больше его сопротивление теплопередаче. Стандартный стеклопакет, состоящий из прозрачных непокрытых стекол (или окон) с воздухом в полости между окнами, обычно имеет значение RSI 0,35 К·м 2 /Вт.
Используя общепринятые в США единицы измерения, правилом при стандартной конструкции стеклопакета является то, что каждое изменение компонента стеклопакета приводит к увеличению коэффициента сопротивления теплопередаче на 1 единицу. Добавление аргона увеличивает эффективность примерно до R-3. Использование стекла с низкой излучательной способностью на поверхности № 2 добавит еще один коэффициент сопротивления теплопередаче. Правильно спроектированные стеклопакеты с тройным остеклением с покрытиями с низкой излучательной способностью на поверхностях № 2 и № 4, заполненные аргоном в полостях. Некоторые многокамерные стеклопакеты дают коэффициент сопротивления теплопередаче до R-24. Блоки с вакуумным изоляционным стеклом (VIG) дают коэффициент сопротивления теплопередаче до R-15 (в центре стекла). Объединение блока VIG с другим стеклопакетом и дистанционной рамкой с теплым краем дает коэффициент сопротивления теплопередаче R-18 (в центре стекла) или более в зависимости от низкоэмиссионного покрытия(й). Двойные блоки VIG с дистанционной рамкой с теплым краем достигают коэффициента сопротивления теплопередаче R-25 (в центре стекла) или более в зависимости от низкоэмиссионного покрытия и других факторов.
Дополнительные слои остекления обеспечивают возможность улучшения изоляции. Хотя стандартное двойное остекление используется наиболее широко, тройное остекление не является редкостью, а четверное остекление производится для холодных сред, таких как Аляска или Скандинавия. [16] [17] Доступны даже пяти- и шестикамерные остекления (четыре или пять полостей) — с коэффициентами изоляции средней панели, эквивалентными стенам. [18] [19] [20]
В некоторых ситуациях изоляция относится к снижению шума . В этих обстоятельствах большое воздушное пространство улучшает качество шумоизоляции или класс звукопередачи . Асимметричное двойное остекление с использованием стекла разной толщины вместо обычных симметричных систем (одинаковая толщина стекла, используемая для обоих огней) улучшит акустические свойства затухания стеклопакета. Если используются стандартные воздушные пространства, гексафторид серы может использоваться для замены или дополнения инертного газа [21] и улучшения акустических характеристик затухания.
Другие вариации материалов остекления влияют на акустику. Наиболее широко используемые конфигурации остекления для звукоизоляции включают ламинированное стекло с различной толщиной промежуточного слоя и толщиной стекла. Включение структурной, термически улучшенной алюминиевой тепловой барьерной воздушной прокладки в изоляционное стекло может улучшить акустические характеристики за счет снижения передачи внешних источников шума в системе окон.
Проверка компонентов системы остекления, включая материал воздушного пространства, используемый в изоляционном стекле, может обеспечить общее улучшение звукопередачи.
Коэффициент пропускания — это мера того, сколько видимого света пропускает стекло, выраженная в виде дроби. Часть света также будет поглощена и отражена.
Некоторые типы света включают радиоволны. В частности, многие низкоэмиссионные стекла и полуотражающие металлизированные покрытия значительно ослабляют сигналы Wi-Fi и сотовых телефонов. [ необходима цитата ]
Срок службы стеклопакета варьируется в зависимости от качества используемых материалов, размера зазора между внутренним и внешним стеклом, разницы температур, качества изготовления и места установки как с точки зрения направления фасада, так и географического положения, а также обработки, которой подвергается блок. Срок службы стеклопакетов обычно составляет от 10 до 25 лет, а срок службы окон, выходящих на экватор, часто составляет менее 12 лет. Гарантия на стеклопакеты обычно составляет от 10 до 20 лет в зависимости от производителя. Если стеклопакеты были изменены (например, установлена изоляционная пленка на окна ), гарантия может быть аннулирована производителем.
Альянс производителей изоляционного стекла (IGMA) [22] провел обширное исследование, чтобы охарактеризовать отказы коммерческих изоляционных стекол за 25-летний период.
Для стандартной конструкции стеклопакета конденсат собирается между слоями стекла, когда периметральное уплотнение выходит из строя, а осушитель становится насыщенным, и обычно может быть устранен только путем замены стеклопакета. Выход из строя уплотнения и последующая замена приводят к значительному фактору в общей стоимости владения стеклопакетами. [23]
Большие перепады температур между внутренними и внешними стеклами нагружают клеи дистанционных рамок, которые в конечном итоге могут выйти из строя. Блоки с небольшим зазором между стеклами более подвержены выходу из строя из-за повышенного напряжения.
Изменения атмосферного давления в сочетании с влажной погодой в редких случаях могут привести к заполнению трещины водой.
Гибкие уплотнительные поверхности, предотвращающие инфильтрацию вокруг оконного блока, также могут деградировать, порваться или повредиться. Замена этих уплотнителей может быть затруднена или невозможна, поскольку окна IG обычно используют экструдированные рамы каналов без винтов или пластин для фиксации уплотнителей. Вместо этого краевые уплотнители устанавливаются путем вдавливания стреловидной вдавленной односторонней гибкой кромки в паз на экструдированном канале, и часто их нелегко извлечь из экструдированного паза для замены.
В Канаде с начала 1990-х годов есть несколько компаний, предлагающих обслуживание неисправных стеклопакетов. Они обеспечивают открытую вентиляцию в атмосферу, просверлив отверстие(я) в стекле и/или дистанционной рамке. Это решение часто устраняет видимую конденсацию, но не может очистить внутреннюю поверхность стекла и пятна, которые могли возникнуть после длительного воздействия влаги. Они могут предлагать гарантию от 5 до 20 лет. Это решение снижает теплоизоляционные свойства окна, но может быть «зеленым» решением, когда окно все еще находится в хорошем состоянии. Если стеклопакет был заполнен газом (например, аргоном или криптоном или их смесью), газ естественным образом рассеивается, и значение R страдает.
С 2004 года в Великобритании также есть несколько компаний, предлагающих тот же процесс восстановления вышедших из строя стеклопакетов [24] , а в Ирландии с 2010 года есть одна компания, предлагающая восстановление вышедших из строя стеклопакетов.
Разница температур на поверхности стеклянных панелей может привести к трещинам в стекле. [25] Это может произойти, когда стекло частично затенено и частично нагревается от солнечного света. Тонированное стекло увеличивает нагрев и термическое напряжение, в то время как отжиг снижает внутреннее напряжение, заложенное в стекле во время производства.
Тепловое расширение создает внутреннее давление или напряжение, где расширяющийся теплый материал сдерживается более холодным материалом. Обычно трещины возникают и распространяются от узкой затененной кромки среза, где стекло холоднее, а мелкие канавки и выемки вызывают концентрацию напряжения . Толщина стекла не оказывает прямого влияния на термическое растрескивание в окнах, поскольку и термическое напряжение, и прочность материала пропорциональны толщине. Отожженное и закаленное стекло обычно более устойчиво к растрескиванию.
Учитывая тепловые свойства створки, рамы и подоконника, а также размеры остекления и тепловые свойства стекла, можно рассчитать скорость теплопередачи для данного окна и набора условий. Это можно рассчитать в кВт (киловаттах), но более полезно для расчетов затрат и выгод можно указать как кВт·ч в год (киловатт-часы в год), исходя из типичных условий в течение года для данного местоположения.
Стеклянные панели в окнах с двойным остеклением передают тепло в обоих направлениях излучением, через остекление посредством теплопроводности и через зазор между стеклами посредством конвекции, посредством теплопроводности через раму и путем инфильтрации вокруг уплотнений по периметру и уплотнения рамы в здании. Фактические показатели будут меняться в зависимости от условий в течение года, и хотя прирост солнечной энергии может быть весьма приветствуемым зимой (в зависимости от местного климата), летом это может привести к увеличению расходов на кондиционирование воздуха. Нежелательную передачу тепла можно смягчить, например, используя шторы ночью зимой и солнцезащитные шторы днем летом. В попытке обеспечить полезное сравнение между альтернативными конструкциями окон Британский совет по рейтингу окон определил «рейтинг энергоэффективности окна» WER, варьирующийся от A для лучшего до B и C и т. д. Он учитывает комбинацию потери тепла через окно (значение U, обратное значению R ), прироста солнечной энергии (значение g) и потери через утечку воздуха вокруг рамы (значение L). Например, окно с рейтингом A в типичный год получит столько же тепла от солнечного тепла, сколько потеряет другими способами (однако большая часть этого прироста будет приходиться на летние месяцы, когда тепло может не понадобиться жильцам здания). Это обеспечивает лучшую теплоизоляцию, чем типичная стена.
Программы оценки и сертификации окон:
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
Медиа, связанные с Изолированное остекление на Wikimedia Commons