Тэхналогія вытворчасці шкла, якая адаптуецца да тэмпературы навакольнага асяроддзя
Шкло даўно вядома як трывалы, стабільны і універсальны празрысты матэрыял — ад вокнаў да хмарачосаў. Аднак, акрамя сваёй «пасіўнай» прыроды, дасягненні ў матэрыялазнаўстве ператвараюць шкло ў «актыўны» будаўнічы элемент: здольны рэагаваць на змены тэмпературы навакольнага асяроддзя, рэгуляваць цеплаперадачу і нават зніжаць патрэбы ў энергіі для астуджэння і ацяплення. Гэтую тэхналогію часта называюць адаптыўным шклом або разумным шклом, якое падладжваецца пад тэмпературу.
На фоне праблем, звязаных са змяненнем клімату і ростам спажывання энергіі ў будаўнічым сектары, інавацыі ў галіне шкла, якія могуць рэгуляваць прапусканне цяпла і святла, маюць вырашальнае значэнне. У гэтым артыкуле абмяркоўваецца канцэпцыя, тыпы тэхналогій, вытворчыя працэсы і іх прымяненне ў паўсядзённым жыцці.
Чаму шкло павінна рэгуляваць тэмпературу?
Сучасныя будынкі часта выкарыстоўваюць шкляныя фасады для максімальнага павелічэння натуральнага асвятлення і эстэтыкі. Аднак звычайнае шкло мае істотны недахоп: яно можа выступаць у якасці «моста» для перадачы цяпла. У спякотныя дні сонечная радыяцыя пранікае ў памяшканне і павышае тэмпературу ў памяшканні (прыбытак ад сонечнага цяпла), прымушаючы кандыцыянеры працаваць больш інтэнсіўна. Уначы ці зімой цяпло ў памяшканні лёгка губляецца на вуліцу.
Адаптыўнае шкло спрабуе вырашыць гэтую праблему, змяняючы свае аптычныя і цеплавыя ўласцівасці ў залежнасці ад умоў навакольнага асяроддзя. Яго асноўныя мэты:
1. Зменшце спажыванне цяпла ў спякотнае надвор'е.
2. Падтрымлівайце цяпло ў пакоі ў халодную пару года.
3. Захоўвайце візуальны камфорт (не занадта цёмна) і празрыстасць пры неабходнасці.
4. Зніжэнне спажывання энергіі і выкідаў вугляроду.
Асноўны прынцып тэмпературна-адаптыўнага шкла
Увогуле, шкло, якое рэгулюе тэмпературу, працуе шляхам змены аднаго з наступных фактараў:
– Прапусканне бачнага святла (VLT): колькасць святла, якое пранікае.
– Інфрачырвонае (ІЧ) выпраменьванне: звязанае з прамяністым цяплом.
– Каэфіцыент сонечнага цеплавога ўзмацнення (КАСГ): доля сонечнай энергіі, якая трапляе ў памяшканне.
– Эмісіўная здольнасць (нізкаэмісійная): здольнасць паверхні выпраменьваць цеплавое выпраменьванне.
Гэтыя змены могуць быць выкліканыя тэмпературай (тэрмахрамныя), электрычным напружаннем (электрахрамныя) або спалучэннем датчыкаў і аўтаматычнага кіравання ў сістэмах будынкаў. Гэты артыкул прысвечаны шклу, якое ў першую чаргу адаптуецца да тэмпературы навакольнага асяроддзя, хоць на практыцы яго часта спалучаюць з іншымі тэхналогіямі.
Тып шкляной тэхналогіі, якая рэгулюе тэмпературу
1. Тэрмахромнае шкло (змяняецца ў залежнасці ад тэмпературы)
Тэрмахромнае шкло змяняе сваю непразрыстасць або ўласцівасці ўтрымання цяпла па меры павышэння тэмпературы. Калі надвор'е спякотнае, шкло становіцца больш «ўтрымліваючым» сонечнае выпраменьванне, памяншаючы пранікненне цяпла. Калі тэмпература паніжаецца, шкло становіцца больш празрыстым, што дазваляе сонечнаму святлу і цяплу дапамагаць награваць памяшканне.
Найбольш вядомым тэрмахромным матэрыялам з'яўляецца дыяксід ванадыя (VO₂). Гэты матэрыял перажывае фазавы пераход пры пэўнай тэмпературы (каля 68°C у чыстым стане), што змяняе яго ўзаемадзеянне з інфрачырвоным выпраменьваннем. Задача заключаецца ў тым, каб знізіць тэмпературу пераходу да тэмпературы, больш адпаведнай умовам навакольнага асяроддзя будынка (напрыклад, бліжэй да 25–35°C), шляхам кампазіцыйнай інжынерыі (легавання) і структуры пакрыцця.
лішак:
– Для працы не патрабуецца электрычнасць (пасіўны рэжым).
– Аўтаматычная рэакцыя ў залежнасці ад тэмпературы.
недахоп:
– Узровень цёмнасці не заўсёды дакладны.
– Вытворчыя працэсы і каляровая/аптычная стабільнасць усё яшчэ з'яўляюцца абласцямі маштабных даследаванняў.
2. Шкло з адаптыўным нізкаэмісійным пакрыццём
Low-E (нізкая эмісія) — гэта тонкае пакрыццё на аснове металу/аксіду металу, якое адлюстроўвае інфрачырвонае выпраменьванне, змяншаючы цеплаперадачу. Адаптыўная тэхналогія выкарыстоўвае пакрыцці, прызначаныя для змены прадукцыйнасці ў залежнасці ад тэмпературы або ў спалучэнні з іншымі пакрыццямі для дасягнення больш дынамічнай цеплавой рэакцыі.
Хоць многія нізкаэмісійныя сістэмы з'яўляюцца «статычнымі», нядаўнія інавацыі накіраваны на вывучэнне шматслаёвых канструкцый, якія могуць збалансаваць летнія і зімовыя патрэбы. У трапічным клімаце ўвага звычайна надаецца зніжэнню цеплапрытоку пры захаванні натуральнага святла.
3. Шкло, якое змяшчае матэрыял з фазавым пераходам (PCM) у шклопакетах
Іншы падыход заключаецца ў тым, каб уключыць у шкляную структуру матэрыялы з фазавым пераходам (ФПМ), як правіла, у канфігурацыі з падвойным шклом або ламінаваным шклом. ФПМ паглынаюць цяпло пры плаўленні і вылучаюць цяпло пры замярзанні, тым самым дапамагаючы стабілізаваць тэмпературу.
Напрыклад, удзень PCM паглынае лішняе цяпло, памяншаючы рэзкія перапады тэмпературы ў памяшканні. Уначы PCM павольна вызваляе цяпло. Гэтая тэхналогія не абавязкова змяняе колер шкла, а хутчэй змяняе «цеплавыя ўласцівасці» аконнай сістэмы.
лішак:
– Стабілізуе тэмпературу ў памяшканні без электрычнасці.
– Падыходзіць для памяншэння штодзённых ваганняў тэмпературы.
недахоп:
– Можа паўплываць на выразнасць (у залежнасці ад тыпу PCM).
– Для забеспячэння працяглага тэрміну службы і прадухілення дэградацыі або ўцечак неабходная добрая канструкцыя.
4. Фатоннае шкло і цепларэгулявальныя нанаструктуры
Сучасныя даследаванні матэрыялаў таксама прыводзяць да выкарыстання нанаструктур, якія кантралююць спектр святла: прапускаюць бачнае святло, але адлюстроўваюць пэўнае інфрачырвонае выпраменьванне. Дзякуючы распрацоўцы структур у нанамаштабе, шкло можа быць больш селектыўным: заставацца яркім, але не гарачым.
У некаторых канструкцыях рэакцыю можна зрабіць адчувальнай да тэмпературы, змяняючы паказчык праламлення або канфігурацыю матэрыялу пры награванні. Гэтая тэхналогія перспектыўная, але патрабуе высокадакладных вытворчых працэсаў.
Як вырабляецца адаптыўнае шкло?
Вытворчасць адаптыўнага шкла звычайна складаецца з двух асноўных этапаў: выраб шкляной падкладкі, затым нанясенне функцыянальных пакрыццяў або інтэграцыя спецыяльных матэрыялаў.
1. Выраб шкляной падкладкі (флоат-шкла)
Большая частка архітэктурнага шкла вырабляецца метадам флоат-шкла, пры якім расплаўленае шкло выліваецца на пласт расплаўленага волава, каб стварыць вельмі роўную паверхню. Затым шкло кантралявана астуджаецца (адпальваецца), каб паменшыць унутраныя напружанні.
Гэты субстрат можа тады:
– Нарэзаць па памеры,
– Узмоцнены (загартаваны) для бяспекі,
– Ламінаваныя з выкарыстаннем прамежкавага пласта, напрыклад, PVB або EVA, для паляпшэння бяспекі і акустыкі.
2. Тонкаплёнкавае пакрыццё
Для тэрмахромнага або нізкаэмісійнага шкла асноўныя характарыстыкі дасягаюцца тонкім пакрыццём, дададзеным на паверхню шкла. Распаўсюджаныя метады ўключаюць:
– Распыленне (PVD/фізічнае асаджэнне з паравой фазы): часціцы матэрыялу абпальваюцца і прыліпаюць да шкла, утвараючы тонкую плёнку. Гэта звычайная з'ява для высокадакладных нізкаэмісійных і шматслаёвых пакрыццяў.
– CVD (хімічнае асаджэнне з паравой фазы): хімічная рэакцыя газаў утварае пласт на паверхні шкла. Падыходзіць для некаторых буйных вытворчых партый.
– Золь-гель пакрыццё: хімічны раствор наносіцца/заліваецца, а затым награваецца для ўтварэння тонкага аксіднага пласта. Выдаткі могуць быць ніжэйшымі, але неабходна падтрымліваць кансістэнцыю прамысловых маштабаў.
У тэрмахромным шкле на аснове VO₂ да праблем працэсу адносяцца:
– Кантралюйце таўшчыню пласта (каб ён не быў занадта цёмным),
– Захоўваць адгезію і ўстойлівасць да надвор'я,
– Кантроль тэмпературы пераходу шляхам легіравання,
– Абараняе пакрыццё ад акіслення і дэградацыі з дапамогай дадатковага ахоўнага пласта.
3. Інтэграцыя матэрыялаў (напрыклад, PCM)
Пры выкарыстанні PCM працэс больш падобны на зборку шклопакета:
– Два лісты шкла, падзеленыя пракладкай,
– Прастора паміж шклом запоўнена інэртным газам або пэўнымі матэрыяламі,
– ПКМ размяшчаецца ў выглядзе мікракапсул (мікраінкапсуляцыя) або дысперсных слаёў, каб зрабіць яго стабільным і герметычным,
– Прылада шчыльна зачынена, каб прадухіліць трапленне вільгаці.
Рэальныя прымянення і перавагі
Тэхналогія шкла з рэгуляваннем тэмпературы непасрэдна ўплывае на:
– Офісныя і камерцыйныя будынкі: зніжэнне нагрузкі на астуджэнне, паляпшэнне цеплавога камфорту.
– Жылыя: дапамагаюць падтрымліваць прахалоду ў памяшканнях без шкоды для натуральнага асвятлення.
– Зялёныя фасады будынкаў: падтрымка сертыфікацыі ўстойлівых будынкаў праз эканомію энергіі.
– Транспарт (пэўныя): падобныя канцэпцыі можна ўжываць для зніжэння цяпла ў салоне, хоць патрабаванні да даўгавечнасці і бяспекі больш жорсткія.
Перавагі, на якія часта звяртаюць увагу, - гэта зніжэнне спажывання энергіі сістэмай ацяплення, вентыляцыі і кандыцыянавання паветра, памяншэнне блікаў і паляпшэнне якасці навакольнага асяроддзя ў памяшканні.
Праблемы і будучыя напрамкі
Нягледзячы на шматабяцальнасць, шырокае ўкараненне адаптыўнага шкла сутыкаецца з некалькімі праблемамі:
1. Выдаткі на вытворчасць і мантаж: перадавыя пакрыцці і кантроль якасці павялічваюць цану.
2. Даўгавечнасць і ўстойлівасць да сыходу: пакрыццё павінна быць устойлівым да ультрафіялетавага выпраменьвання, кіслотных дажджоў, ізаляцыі і забруджвання.
3. Аптычны баланс: шкло павінна заставацца прыемным для вока (натуральны колер), не занадта цёмным і заставацца эстэтычным.
4. Прыдатнасць да мясцовага клімату: патрабаванні да адаптыўнага шкла ў трапічным клімаце адрозніваюцца ў залежнасці ад сезона; спектральны дызайн неабходна карэктаваць.
У далейшым развіццё падзей прывядзе да:
– Тэрмахромнае пакрыццё з тэмпературай пераходу, больш «прыдатнай» для трапічнага клімату,
– Спалучэнне тэрмахрамнага + нізкаэмісійнага + нанафатонічнага дызайну,
– Вытворчасць больш танных і экалагічна чыстых пакрыццяў,
– Інтэграцыя з канструкцыяй пасіўнага будынка (зацяненне, перакрыжаваная вентыляцыя) для дасягнення аптымальных вынікаў.
Закрыццё
Тэхналогія шкла, якая адаптуецца да тэмпературы навакольнага асяроддзя, з'яўляецца важным крокам да больш энергаэфектыўных і кліматычна адаптаваных будынкаў. Дзякуючы тэрмахромным, адаптыўным нізкаэмісійным, PCM і нанаструктураваным падыходам, шкло — гэта ўжо не проста «акно», а актыўны кампанент, які спрыяе цеплавому камфорту. Нягледзячы на тое, што праблемы з коштам, даўгавечнасцю і аптымізацыяй прадукцыйнасці застаюцца нявырашанымі, інавацыі ў матэрыялах і вытворчых працэсах працягваюць развівацца. У бліжэйшыя гады адаптыўнае шкло мае патэнцыял стаць новым стандартам устойлівай архітэктуры, асабліва ўлічваючы, што патрэба ў энергаэфектыўнасці становіцца ўсё больш актуальнай.
Калі жадаеце, я магу адаптаваць гэты артыкул, каб ён быў больш тэхнічным (напрыклад, дадаўшы параметры SHGC, значэнні U і схемы слаёў) або больш папулярным для шырокага кола чытачоў, а таксама дадаць спіс літаратуры.
