Остекление , которое происходит от среднеанглийского слова «стекло», является частью стены или окна , сделанной из стекла . [1] [2] Остекление также описывает работу, выполняемую профессиональным « стекольщиком ». Остекление также реже используется для описания вставки офтальмологических линз в оправу очков. [3]
Распространенные типы остекления, которые используются в архитектурных приложениях, включают прозрачное и тонированное флоат-стекло , закаленное стекло и ламинированное стекло , а также различные стекла с покрытием, все из которых могут быть остеклены по отдельности или как двойные, или даже тройные стеклопакеты. Обычное прозрачное стекло имеет легкий зеленый оттенок, [4] но несколько производителей предлагают специальные бесцветные стекла. [5]
Стекло может быть установлено на поверхности оконной створки или дверного бруса , обычно изготавливаемых из дерева , алюминия или ПВХ . Стекло крепится в паз (фальц) в раме несколькими способами, включая треугольные точки остекления, замазку и т. д. Закаленное и ламинированное стекло может быть остеклено путем прикручивания панелей непосредственно к металлическому каркасу болтами, проходящими через просверленные отверстия.
Остекление обычно используется в низкотемпературных солнечных тепловых коллекторах, поскольку оно помогает сохранять собранное тепло.
Первое зафиксированное использование остекления в окнах было римлянами в первом веке нашей эры. Это стекло было примитивным, по сути, выдувным цилиндром, который был сплющен и не был очень прозрачным. В одиннадцатом веке были разработаны методы, при которых стекло скручивалось в диск, создавая более тонкое круглое окно, или снова формировался цилиндр, но на этот раз он был разрезан от края до края и развернут, чтобы сделать окно прямоугольной формы. Более новый метод цилиндра оставался доминирующим методом до XIX века, и поэтому отдельные панели стекла были ограничены по размеру размерами этих цилиндров.
Непрерывное производство пластин было изобретено в 1848 году Генри Бессемером, который протягивал ленту стекла через ролики. Это стандартизировало толщину стекла, но его использование в массовом производстве было ограничено необходимостью полировать обе стороны стекла после изготовления, что было трудоемким и дорогим. Процесс медленно совершенствовался в течение следующего столетия, с добавлением автоматизированных шлифовальных и полировальных машин для снижения стоимости.
Прорыв в крупном, массовом, непрерывном производстве стекла произошел в 1950-х годах с разработкой процесса производства флоат-стекла . Расплавленное стекло выливается на поверхность расплавленного олова, где оно распрямляется и может быть вытянуто в виде ленты. Преимущество этого процесса в том, что он масштабируется до любого размера и производит высококачественные панели без какой-либо дальнейшей полировки или шлифовки. Флоат-стекло продолжает оставаться наиболее используемым типом остекления и по сей день. [6]
Наиболее распространенным стеклом, используемым для остекления, является натриево-кальциевое стекло , которое имеет много преимуществ по сравнению с другими типами стекла. Кремний (SiO 2 ) составляет большую часть состава этого материала в 70–75% по весу. Чистый кремний имеет температуру плавления, достичь которой при крупномасштабном производстве было бы непомерно дорого, поэтому добавляется оксид натрия (сода, Na 2 O), который снижает температуру плавления. Однако ионы натрия растворимы в воде, что не является желаемым свойством, поэтому добавляется оксид кальция (известь, CaO) для снижения растворимости. Конечным результатом является продукт, который является высококачественным, прозрачным, относительно дешевым в производстве и легко перерабатываемым. [7]
Примерно 25–30 % затрат на энергию HVAC обусловлены теплопотерями и теплопритоками через остекление окон. [8] Поэтому было разработано несколько методов для минимизации теплопередачи через стекло. Само остекление является барьером для теплопередачи посредством конвекции, поэтому две стратегии снижения теплопередачи направлены на минимизацию теплопроводности и излучения.
Стратегия снижения теплопроводности заключается в использовании изолированного остекления , когда два или более стекол используются последовательно, каждое из которых отделено друг от друга пространством. Окна с двойным остеклением являются нормой в новых жилых помещениях, поскольку они обеспечивают существенную экономию энергии по сравнению с одинарным стеклом. Каждое отдельное стекло имеет плохие изоляционные свойства, с R-значением (изоляцией) или мерой сопротивления объекта теплопроводности, равной 0,9. Однако, когда два стекла устанавливаются последовательно с зазором между ними, удерживаются на месте и герметизируются распоркой, неподвижный газ в зазоре действует как изолятор. Идеальный размер зазора варьируется в зависимости от местоположения, но в среднем он составляет от 15 до 18 мм, что дает окончательный размер сборки 23-26 мм, предполагая типичную толщину остекления 4 мм. [9] Окно с двойным остеклением и воздухом в зазоре имеет значение R 2,1, что намного лучше, чем 0,9, которые дает одинарное стекло. Окно с тройным остеклением, которое не так популярно, но иногда используется в средах с экстремальными температурами, имеет значение R 3,2. Хотя эти значения намного ниже, чем у стен, у которых значения R начинаются от 12 до 15, снижение теплопередачи, тем не менее, существенно. Более высокие значения R все еще можно получить, заполнив зазор менее проводящим газом, таким как аргон (или реже, криптон или ксенон). [10] Последний альтернативный метод снижения теплопроводности заключается в создании и поддержании вакуума между стеклами, достигая очень высокого значения R 10, а также значительно минимизируя требуемый зазор между стеклами до 2 мм, что дает размер сборки всего 10 мм. Эта технология была впервые запущена в коммерческую эксплуатацию в 1996 году, и хотя за последующие десятилетия было произведено несколько миллионов единиц, она остается непомерно дорогой для большинства случаев использования и пока не получила широкого распространения. [11]
Стратегия снижения излучения включает покрытие стекла низкоэмиссионным (Low-E) покрытием, которое отражает большую часть инфракрасного света, который на него попадает. Существует два типа низкоэмиссионного покрытия. [12] Первый — Solar Control Low-E, цель которого — блокировать поступающее солнечное излучение, что снижает приток тепла внутрь здания и, следовательно, расходы на охлаждение, связанные с отводом этого тепла. При установке на двухкамерном окне покрытие размещается на внутренней поверхности внешнего стекла и, при необходимости, на внутренней поверхности внутреннего стекла для улучшения изоляционных характеристик. Этот тип покрытия наиболее подходит для климата с преобладанием охлаждения и зданий с большими внутренними нагрузками, где целью является в первую очередь предотвращение перегрева зданий.
В климате с преобладанием отопления второй тип низкоэмиссионного покрытия более уместен. Это пассивное низкоэмиссионное покрытие, цель которого — сохранить тепло внутри здания. Эти покрытия не блокируют так много коротковолнового инфракрасного света от солнца, но блокируют любой длинноволновый инфракрасный свет, поступающий изнутри, функционируя как своего рода теплица. Эти покрытия размещаются на внутренней панели стекла, на внешней поверхности, если требуется меньше солнечного тепла, и на внутренней поверхности, если требуется больше солнечного тепла. Особенно в сочетании с окнами с двойным или тройным остеклением, значения R, достигаемые с низкоэмиссионными покрытиями, могут быть довольно высокими, с окном с 3 стеклами, заполненным аргоном, с одним низкоэмиссионным покрытием, имеющим значение R 5,4. [10] Одним из компромиссов низкоэмиссионных покрытий является то, что, хотя они в первую очередь направлены на уменьшение количества инфракрасного света, проходящего через окно, они также несколько уменьшают количество видимого света, проходящего через него, и в результате здание может столкнуться с более высокой потребностью в освещении.
Существует два метода нанесения покрытия Low-E на остекление: Hard Coat и Soft Coat. Hard Coat наносится либо в оловянной ванне, либо сразу после нее в процессе производства флоат-стекла. Это создает очень прочное и недорогое покрытие, поскольку оно добавляется в ходе существующего производственного процесса. Однако оно не так энергоэффективно и пропускает больше инфракрасного света, чем метод Soft Coat. Soft Coat, с другой стороны, наносится после того, как стекло уже изготовлено и вырезано, и, как правило, более прозрачно и лучше изолирует. Однако дополнительный этап производства увеличивает стоимость производства, и покрытие будет разрушаться под воздействием стихий, поэтому его можно наносить только на внутренние поверхности двухкамерного окна. Как правило, солнцезащитные окна Low-E имеют мягкое покрытие, а пассивные окна Low-E имеют твердое покрытие из-за более низкой излучательной способности мягкого покрытия. [13] [14]