Естественное освещение и окна: компромисс между светотехническими и теплотехническими характеристиками

Сообщение, сделанное заместителем директора НИПТИС по научной работе, к.ф.-м.н. Л. Н. Данилевским на 2-й научно-практической конференции "Энергоэффективные системы освещения зданий".

Теплопотери через окна составляют до 20% суммарных теплопотерь здания. Поэтому в течение последних десяти лет сделано многое по созданию конструкций окон с пониженным уровнем теплопотерь. Основные направления совершенствования конструкций окон - в уменьшении радиационной и конвективной составляющих теплопотерь через остекленный проем и в совершенствовании конструкции оконной коробки.

Уменьшение теплопотерь через оконный проем достигается увеличением количества стекол (использование однокамерных и двухкамерных стеклопакетов). В двухкамерных стеклопакетах снижается значение конвективной составляющей теплообмена по сравнению с однокамерным стеклопакетом при равной толщине воздушной прослойки. Дополнительное снижение значения конвективной составляющей теплообмена можно достигнуть заполнением межстекольного промежутка газом с низкой теплопроводностью - криптоном или аргоном. Наиболее эффективно, однако технически труднореализуемо вакуумирование межстекольного пространства.

Снижение радиационных теплопротерь через окна достигается использованием селективного напыления металлического покрытия (серебряного или золотого) на поверхность стекол. Такое покрытие обладает тем свойством, что коэффициент отражения образующейся пленки имеет частотную зависимость с максимумом в инфракрасной области. Это уменьшение теплопотери с инфракрасным излучением из помещений. В таблице 1 представлены значения коэффициента теплопроводности для различных типов остекления.

Из приведенных в таблице значений очевидны широкие возможности управления теплофизическими характеристиками окон. В отечественной строительной практике наиболее часто используются стекла с однокамерным стеклопакетом и воздушным заполнением межстекольного пространства. Такая конструкция дает возможность достижения значения термосопротивления не более 0,7 м 2€°К/Вт. Дальнейшую перспективу увеличения термосопротивления следует искать не в увеличении кратности остекления, а в применении стеклопакетов с напыленной металлической пленкой и заполнении межстекольного пространства инертным газом, желательно криптоном.

Однако, говоря об улучшении теплофизических характеристик окон, мы не должны забывать, что окно прежде всего является светопрозрачным элементом ограждающей конструкции. В ином случае логически оправданным было бы строительство зданий без окон. Поэтому, выбирая тот или иной тип остекления, важно определить потери освещенности помещений по сравнению с обычным, применяемым в настоящее время остеклением.

Следует отметить, что коэффициент светопропускания стеклянной пластины, то есть относительное количество светового потока, прошедшего через стекло, зависит от угла альфа падения относительно нормали к стеклу. Для диффузно рассеянного света (что соответствует пасмурной погоде) принимается среднее значение коэффициента пропускания. В таблице 2 приведены значения коэффициента пропускания света для различных типов остекления.

Из таблицы видно, что всякое улучшение теплофизических характеристик приводит к уменьшению светопропускания стекол. Для сохранения нормированного значения освещенности при снижении светопропускания необходимо соответственно увеличить площадь остекления, что может привести к общему снижению термосопротивления стены в целом и к увеличению суммарных теплопотерь.

Чтобы оценить энергетическую эффективность применения окон с улучшенными теплофизическими свойствами, необходимо выполнить сравнение теплопотерь в исходном варианте и после установки новых окон.

В соотношениях Q 1=k 0+k 1S 2, Q 2=k 0(S 1-(а-1)S 2)+k 2аS 2 и Q 2
где Q 1 - теплопотери через стену с окном в исходном варианте, Q 2 - теплопотери через стену с окном после замены окон на окна с улучшенными теплофизическими характеристиками, S 1 и S 2 - площадь стены и окна соответственно, k 0 и k 1 - коэффициенты теплопроводности стены и окна соответственно, а - коэффициент относительно изменения площади окна с целью сохранения нормативной освещенности в помещении.

Последнее неравенство задает условие уменьшения теплопотерь в помещении после установки окон нового типа. После простых преобразований получим еще одно: k 2(k 1+k 0(1-a))/a.

В таблице 3 приведены верхние границы для k 2, полученные из этого неравенства при замене остекления типа 2-к на более экономичные типы остекления. При расчетах задавалось, что относительная остекленность стены в исходном состоянии S 2/S 1=0,2, а k 0=0,4.

Из таблицы становится очевидным выигрыш при переходе от простого однокамерного стеклопакета к типам 2-с или 4-к. Дальнейшее усложнение конструкции стеклопакета не дает такого выигрыша. Обращает на себя внимание также тот факт, что переход к окну типа 3-с-а требует двойного увеличения, а к окну 3-с-к более, чем тройного увеличения площади остекления. То есть помимо усложнения конструкции и технологии изготовления стеклопакета окна становятся слишком большими, что также усложняет производство и приводит к дороговизне. Поэтому очень важно найти решение задачи увеличения освещенности помещений при сохранении площади остекления. Эту задачу можно решить, только используя методы неизображающей оптики.

Здесь следует отметить, что при установке нового типа окон необходимо иметь в виду теплотехнические характеристики не только стеклопакета, но и его обвязки, а также особенностей монтажа окна в стеновую конструкцию.

Уровень теплопотерь через окна принято считать, исходя из значений коэффициентов теплопроводности для остекления и для рамы. В то же время на этот показатель оказывают влияние также качество сопряжения рамы и стеклопакета, глубина вставки стекла в раму и соединение оконной коробки с фасадом здания.

Особенно важны эти показатели для окон с высокими теплотехническими характеристиками (К Вт/м 2€°К).

Для исследований возможного улучшения теплозащитных свойств окон было выбрано стандартное окно размером 1280х1480 мм с двухкамерным стеклопакетом, теплозащитным напылением и заполненным криптоном межстекольным пространством.

Было исследовано влияние следующих факторов (для Т наружн.=-15°, Т комн.=+20°С). В итоге исследования положения стекла в окне относительно несущей конструкции и теплоизоляции оказалось, что оптимальное расположение окна позволяет снизить коэффициент теплопередачи с 1,81 (тогда термосопротивление составляет 0,6, это самый неблагоприятный случай) до 1,02 (в этом случае термосопротивление составляет 1). При этом остается неблагоприятно низкой температура окантовки стекла (5,52°С). Это приводит к неприятному появлению конденсата в местах соединения рамы со стеклом.

Устранение этого фактора достигается двумя путями, оба из которых связаны с устранением мостиков тепла. Наиболее простое решение - более глубокое погружение стеклопакета в материал рамы. Увеличение глубины погружения стеклопакета с 12 мм в исходном варианте до 49 мм позволяет снизить значение коэффициента теплопередачи окна с 1,02 до 0,74 Вт/м 2€°К. При этом температура края стекла повышается от 5,52°С до 13,77°С, что исключает возможность конденсации влаги на стекле.

Вторая возможность - выбор материала разделителя стекол в стеклопакете.

Все вышесказанное показывает, что даже при стандартно используемых конструкциях окон повысить их теплозащитные свойства можно достаточно простыми средствами, которые зачастую не требуют затрат. Например, путем выбора оптимальной конструкции сопряжения окна со стеной.

Дальнейшая перспектива уменьшения теплопотерь через окна заключается в применении вакуумированных стеклопакетов. Однако это является в настоящее время темой для исследований.

Более простой путь лежит в сокращении площади остекления путем использования оптических систем дневного освещения.
Таблица 1

Тип остекления	Коэффициент теплопроводности Вт/м2•°К
Двойное (2-к)	2,847
Тройное (3-к)	1,810
Четырехкамерное (4-к)	1,327
Двойное с серебряным напылением (2-с)	1,451
Двойное с серебряным напылением и аргоновым заполнением стеклопакета (2-с-а)	1,298
Тройное с серебряным напылением и аргоновым заполнением стеклопакета (3-с-а)	0,748
Тройное с серебряным напылением и криптоновым заполнением стеклопакета (3-с-к)	0,630
Четырехкратное с серебряным напылением и криптоновым заполнением стеклопакета (4-с-к)	0,413
Двойное с вакуумированием (2-в)	0,474
Тройное с вакуумированием (2-в)	0,270

Таблица 2

Тип освещения	Тип остекления	Коэффициент пропускания
Диффузное освещение	2-к 3-к 4-к 2-с 3-с-а 3-с-к	0,611 0,520 0,4449 0,456 0,291 0,189
Направленное излучение, cos альфа = 0,2	2-к 3-к 4-к 2-с 3-с-а 3-с-к	0,265 0,176 0,121 0,195 0,095 0,048
Направленное излучение, cos альфа = 0,4	2-к 3-к 4-к 2-с 3-с-а 3-с-к	0,531 0,435 0,364 0,396 0,243 0,153
Направленное излучение, cos альфа = 0,6	2-к 3-к 4-к 2-с 3-с-а 3-с-к	0,646 0,554 0,481 0,483 0,312 0,205
Направленное излучение, cos альфа = 0,8	2-к 3-к 4-к 2-с 3-с-а 3-с-к	0,686 0,590 0,511 0,515 0,337 0,223
Направленное излучение, cos альфа = 1	2-к 3-к 4-к 2-с 3-с-а 3-с-к	0,7 0,605 0,525 0,527 0,348 0,232

Таблица 3

Тип остекления	Значение а	Верхняя граница k2, Вт/м2•°К	Фактическое значение Вт/м2•°К	(Q2/Q1-1)•100%
2-к	1		2,847	0
3-к	1,175	2,48	1,81	16
4-к	1,36	2,2	1,327	24
2-с	1,33	2,23	1,451	22
3-с-а	2,1	1,56	0,748	35
3-с-к	3,23	1,158	0,63	35