Світлотехнічні і теплозахисні властивості скління. Нормування і розрахунок теплозахисних характеристик вікон
Світлотехнічні і теплозахисні властивості скління. Нормування і розрахунок теплозахисних характеристик вікон СВІТЛОТЕХНІЧНА ВЛАСТИВОСТІ ВІКОННОГО СКЛА Як вже зазначалося, основною функцією свегопрозрачних конструкцій явяется освітлення приміщень природним світлом. Оптичним випромінюванням або світлом називають електромагнітні хвилі (електромагнітне випромінювання), довжини яких у вакуумі лежать в діапазоні від 10 нм до 1 мм. До оптичного випромінювання належать видиме, інфрачервоне і ультрафіолетове випромінювання. Інфрачервоним випромінюванням (ІК) (теплове випромінювання) називається електромагнітне випромінювання, що випускається нагрітими тілами, довжини хвиль якого у вакуумі лежать в межах від 1 мм до 770 нм (1 нм-10_9м). Видимим випромінюванням або видимим світлом називається електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль у вакуумі від 770 до 380 нм, яке здатне безпосередньо викликати зорове відчуття в людському оці. Ультрафіолетовим випромінюванням (УФ) називається електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль у вакуумі від 380 до 10 нм. В області від 10 до 200 нм УФ випромінювання сильно поглинається. Від щирого сонячного випромінювання інтенсивність УФ становить порядку I%. При цьому в ультрафіолетовому спектрі можна умовно виділити три області, які надають позитивний вплив на діяльність людини. В області 200 - 280 нм УФ випромінювання застосовується для стерилізації приміщень.
При цьому знищуються хвороботворні для людини мікроби. В області 280 - 315 нм ультрафіолет має тонізуючу дію і сприяє розвитку фосфорно-кальцієвого обміну. УФ випромінювання в цьому спектрі застосовують для лікування хворих на рахіт. В області 315 - 400 нм УФ знаходить різноманітне технічне застосування. Слід, однак, пам'ятати про специфічний біологічному дії УФ, що виражається в хімічних змінах у поглинаючих його молекулах живих клітин, що призводить до руйнування ДНК, порушення поділу та загибель клітин. Тому благотворну дію на людину і тварин УФ надає лише в малих дозах. Крім того, надлишкове ультрафіолетове випромінювання призводить до знебарвлення меблів, килимових покриттів, картин та ін При проектуванні світлопрозорих огороджень в будівельній техніці прийнято розглядати чотири аспекти, пов'язаних з дією оптичного випромінювання на мікроклімат будівель і окремих приміщень, і характеризують оптичну роботу скління в різних ділянках спектра. Природне освітлення приміщень розсіяним (дифузним) сонячним світлом, відбитим від небосхилу.
Тегоюпотері з приміщення (протягом опалювального періоду) в навколишнє середовище за рахунок довгохвильового ІК випромінювання через скло. Теплопоступленія в приміщення (сонячна радіація) за рахунок короткохвильового ІК спектру сонячного випромінювання, що проходить через скління. Інсоляція - опромінення приміщень прямими сонячними променями. Для аналізу закономірностей енергообміну через світлопрозорі конструкції перш за все необхідно виходити з того, що у природному теплообміні кожне тіло випромінює теплову енергію. При цьому довжина хвилі випромінювання залежить від температури тіла. Скло, встановлене в зовнішній огороджувальної конструкції будівлі, піддається дії теплового випромінювання, що йде від сонця і внутрішніх поверхонь приміщення, абсолютна температура яких близька до абсолютної температурі поверхні Землі (для даного кліматичного району) і становить у середньому 293К (20 еС). При цьому максимум теплового випромінювання знаходиться в діапазоні від 1600 до 2000 нм. Температура поверхні Сонця складає близько 6000 К. Його теплове випромінювання доводиться на діапазон довжин хвиль від 300 до 2500 нм. Зосереджена в цьому діапазоні теплова енергія може бути розподілена по довжинах хвиль у відповідності з табл.4. L Спектри теплового випромінювання Сонця і внутрішніх поверхонь приміщення (умовно - Землі) показані на рис. 4.1. Оскільки (як це видно з табл. 4.1 і рис. 4.1) УФ випромінювання займає незначну частку теплової енергії, випромінюваної сонцем, і зовсім відсутня в спектрі випромінювання внутрішніх поверхонь приміщення, розгляд його в будівельних розрахунках має практичне значення тільки для приміщень спеціального призначення - здебільшого в медичних установах. Таким чином, основним завданням проектування оптичних характеристик скління є цілорічне забезпечення його оптимальної роботи у видимому та ІЧ ділянках спектру у відповідності з заданими умовами для конкретного На рис. 4.2 показана схема передачі сонячного випромінювання через конструкцію скління. Частина теплової енергії, що падає на скло (або склопакет), проникає крізь нього, частина теплової енергії відбивається від поверхні скла, і частина поглинається склом. Оптична робота скла як у видимій, так і в ІЧ області характеризується рівнянням розподілу випромінювання 
У подальшому викладі будемо використовувати наступні характеристики 
У видимій частині спектру поведінка скла характеризується колірними координатами (або так званим колірним коробом), що визначають його візуальне сприйняття людським оком. Для звичайного флоат-скла характерний так званий нейтральний аспект - сприйнята зорово прозорість. На рис. 4.3 показані система колірних координат, застосовувана виробниками стекол для оцінки їх поведінки (в лабораторних умовах) у видимій частині спектру. 
= 0.32 і р v = 0.46. Здатність скла відбивати направлену на нього довгохвильове ІЧ випромінювання (в області кімнатних температур) характеризується його випромінювальною здатністю - тобто Чим менше, тим більше теплової енергії відіб'ється від скла назад в приміщення. Під випромінювальною здатністю е розуміють відношення потужності випромінювання поверхні до потужності випромінювання так званої абсолютно чорної поверхні (або абсолютно чорного тіла - АЧТ). • г - ізлучател'но-поглощател'ная здатність тіла, звана також ступенем чорноти, визначається як відношення енергій випромінювання сірого (Е) і аеолютно чорного тіл (Е в) - е - Е / Е 6 <1. Під абсолютно чорним тілом (АЧТ) розуміється таке умовне тіло, яке повністю поглинає всі падаюче на нього випромінювання. Для АЧТ е = 1, тобто енергія випромінювання АЧТ становить 100% по відношенню до всіх інших тіл, що є менш потужними випромінювачами і званими інакше сірими тілами. Всі будівельні матеріали, в тому числі і скла, відносяться до сірих тіл. Для звичайного віконного скла випромінювальна здатність Ј становить приблизно 0.84, а у стекол з низькоемісійним покриттям коливається в межах 0.04 ... 0.2 в залежності від призначення і типу покриття. Таким чином, стає зрозумілим термін низькоемісійне скло, тобто скло, що має низьку ізлучатедьную (емісійну - від англ. emission) здатність. На рис. 4.4 показана порівняльна спектральна характеристика звичайного віконного скла та скла з низькоемісійним покриттям. З малюнка добре видно, що низькоемісійне скло досить добре пропускає видиме світло, і майже повністю відображає теплову енергію в довгохвильовому ІЧ діапазоні (з довжиною хвилі понад 800 нм). Питання про роботу скління в області короткохвильового ІК сонячного випромінювання, як правило, виникає при проектуванні так званого сонцезахисного скління, - проблема актуальна не тільки для країн з жарким кліматом, але і в умовах України та Центральної Європи. Як видно з рис. 4.4, звичайне віконне скло пропускає ІКсолнечное випромінювання майже так само добре, як і видиме світло. У спектрі ІЧ випромінювання характеристики звичайного віконного скла відповідно рівні:% е = 0.82; р е - 0.07; а ті - 0.11. Тепло, що надходить в приміщення за рахунок сонячної радіації, акумулюється внутрішніми стінами та перекриттями, що призводить до їх перегріву, несприятливо відчувається людиною. Створюється так званий парниковий ефект. Аналогічні відчуття можна випробувати в автомобілі, довгий час простояв на сонці, при акумуляції тепла салоном. Відповідно до рівняння (4,1), ідея сонцезахисного скління полягає в зниженні його пропускання% єв ІЧ спектрі з відповідним збільшенням відбиття або поглинання сонячної енергії. Аналогічно роботі скла в довгохвильовому ІЧ діапазоні, відбиття або поглинання сонячного тепла досягається за рахунок використання металів або їх оксидів, що вводяться в масу скла або напилюваних в якості покриття. Оксиди заліза, міді або кобальту, що вводяться в скломасу, забарвлюють скло в зеленувато-блакитні або сірі тони. Скло, пофарбовані в масі, звичайно визначаються в спеціальній літературі як теплопоглинальні і мають осереднені характеристики, близькі до наступних значень:% е = 0.19; р е = 0.08; а е = 0.73. Високе значення осі характеризує здатність таких стекол поглинати сонячну енергію. Стекла з сонцезахисними покриттями мають характерну забарвлення у відбитому світлі і класифікуються в літературних джерелах як теплоотражающий-щие. Цей термін можна вважати не цілком коректним, оскільки: по-перше, покриття може бути нанесено на скло, забарвлене в масі (теплопоглинальне), а по-друге, покриття, що проводить за своєю природою, саме по собі досить добре абсорбує сонячну енергію. Іншими словами, що абсорбує здатність тешюотражающіх стекол достатня висока, а їх осереднені характеристики виглядають наступним чином: 
Співвідношення абсорбції та відображення видимого світла і сонячної енергії знаходиться в тісному взаємозв'язку з колірними рішеннями скління, закладаються на стадії архітектурного проектування. У зв'язку з цим необхідно відзначити, що сучасні технології нанесення покриттів дозволяють отримати практично необмежену кольорову гаму скління з різним ступенем рефлективно яскравості. Колірні рішення, особливо у фасадному склінні, диктуються архітектурними стилями і традиціями кожної країни. Так, наприклад, у ряді країн існують обмеження на яскравість відображення сонця фасадними стеклами з точки зору їх впливу на протиборчі будівлі, а також на безпеку дорожнього руху. Солнцеотражающіе покриття, що відрізняються великою різноманітністю, можуть бути поділені на дві основні групи, що характеризують відображення сонячної енергії. Неселективні покриття відображають сонячну радіацію в усьому спектрі сонячного випромінювання, включаючи видиме світло. Селективні покриття пропускають видиме світло (до = 0.38 - 0.78 мкм) та відображають ІК випромінювання з довжиною хвилі X ~ 0.78 мкм. Неселективні покриття виконуються на основі оксидів заліза, хрому, нікелю і титану; наносяться з однієї або з обох сторін скла. Ці покриття наносяться, як правило, за технологією on - line і відносяться таким чином до жорстких покриттів. Солнцеотражающей ефект неселективних стекол заснований на відображенні і абсорбції металевого шару, товщиною 5 - 30 нм, в основному складається з елементів восьмий підгрупи періодичної таблиці - хрому (Cr), NiCr чи інших сплавів. Металевий шар може бути покритий низько абсорбуючим шаром діелектрика або двома шарами - з метою отримання ефекту інтерференції. Селективні покриття виконуються на основі срібного шару, товщиною 10 - 20 нм (до недавнього часу в якості базового шару використовувалося золото). Сонцезахисний ефект таких покриттів заснований на відображенні короткохвильового ІК випромінювання за рахунок наявності в покритті вільних електронів. Робота покриття може бути поліпшена за рахунок додаткових шарів з низько абсорбуючих діелектричних матеріалів - олова, цинку, оксиду титану, сульфату цинку та інших Ці додаткові шари визначають колір покриття. Всі селективні сонцезахисні покриття відносяться до так званих м'яким покриттям, і можуть бути застосовані тільки в склопакетах за умови, що покриття звернено всередину повітряної камери. Таким чином, вище були описані конструктивні рішення стекол, орієнтовані на вирішення певних будівельних завдань, і що характеризують роботу скління в різних ділянках спектра сонячного випромінювання.
