Гроші на скло чи гроші на вітер

Принцип розумної достатності працює у щоденному житті при вирішенні побутових питань. Так само він актуальний і при виборі світлопрозорих конструкцій. Багато років їхні теплотехнічні характеристики залишалися поза увагою. В основному — через відсутність інструментів регулювання. Було очевидно, що два шари скла в рамі — краще, ніж один. А якщо правильно ущільнити шпари, то з вікна не дме. 

Згодом з’явились огороджувальні конструкції на основі металопластику та алюмінієвих систем з терморозривом. Тут і з’явилися складнощі вибору. А як з’явилася опція з трьома чи чотирма шарами скла, енергоефективними покриттями різного призначення: енергозберігальні, сонцезахисні, мультифункціональні (літо та зима в одному флаконі), спеціальні (струмопровідні, самоочисні, антиконденсатні тощо) — стало ще більше хаосу. 

Представники компаній-виробників скла та його переробки пропонують варіанти склопакетів для різних завдань, починаючи від промислових, торгових, офісних будівель і закінчуючи сегментом металопластикових вікон для цивільного будівництва та реконструкції житлового фонду. Водночас від замовників іноді приховуються деякі особливості склопакетів та різного типу скла. Ці особливостіі згодом стають причиною претензій, незадоволеності, а також дефектів, що перешкоджають подальшій експлуатації виробу.

У цій статті ми спробуємо розібратися з лінзуванням. Іншими словами — зміною площинності скла у склопакетах. Це явище характерне для більшості світлопрозорих конструкцій з площею фрагмента понад 4 м2. У конструкціях з більш дрібною фрагментацією воно не настільки помітне і здебільшого не створює тих проблем, які спостерігаються у великому і середньоформатному склінні.

Як відбувається лінзування?

Ефекти «лінзування» або, у гіршому разі, «схлопування» — стискання стекол — склопакетів безпосередньо пов’язані з кліматичним навантаженням на них. Це підвищення чи зниження тиску газу в склопакеті порівняно з початковим, який був у камерах на момент виготовлення. Зміна тиску газу в склопакеті пов’язана зі зміною температури навколишнього середовища та коливаннями барометричного тиску. Зміною тиску з висотою можна знехтувати через малий вплив.

Під час виробництва всередині склопакета герметизується осушене повітря або інертний газ із відповідними рівнями атмосферного тиску та температурою. У процесі експлуатації ці показники постійно змінюються. Це призводить до появи всередині склопакета навантаження, яке більшою чи меншою мірою деформує скло. Найбільший вплив має зміна температури. Пакет герметичний, тож у замкненому об’ємі газ під час нагрівання розширюється, підвищуючи тиск. Як результат склопакет стає опуклим. А під час охолодження внутрішній тиск знижується, через що склопакет стискається та навіть може «схлопнутися». 

Приклад значної зміни міжскляного простору навіть за відносно невеликого зниження температури у двокамерному склопакеті показаний на рис.1.

Зміна внутрішнього об’єму пов’язана із внутрішнім тиском і описується рівнянням Менделєєва-Клапейрона. Навантаження від розширення чи стиснення газу сприймається одночасно двома способами. Частина навантаження — за допомогою безпосереднього опору скла деформаціям. Частина компенсується за рахунок зміни об’єму газу через деформації стекол. 

Іншими словами, щоб розрахувати прогинання стекол, потрібно визначити, яка частина внутрішнього навантаження компенсуватиметься за рахунок зміни об’єму газу, а яка сприйматиметься безпосередньо стеклами.

Як розрахувати навантаження на стекла склопакету?

Для розрахунку як ідеальні моделі розглянемо два крайові випадки:

1. Внутрішнє навантаження повністю сприймається за рахунок роботи стекол, якщо вони ідеально жорсткі, що описується законом Шарля для ідеальних газів (ізохоричний процес).

2. Внутрішнє навантаження повністю сприймається за рахунок компенсації у разі зміни обсягу, якщо стекла ідеально гнучкі, що описується законом Гей-Люссака (ізобаричний процес).

Реальний випадок має бути розрахований як проміжний стан між цими двома ідеальними моделями.

У першому випадку припустимо, що є деяке внутрішнє навантаження q, що діє зсередини на шари скла в пакеті. Враховуючи, що об’єм склопакета в цьому випадку незмінний, внутрішнє навантаження q відповідатиме повній різниці між атмосферним тиском і тиском всередині склопакета ∆Рмах. Виразимо це так:

У другому випадку внутрішній тиск q не може підтримуватися в склопакеті гнучкими стінками і через деформацію стінок буде відразу ж перетворений на зміну внутрішнього об’єму ΔV. Оскільки у такій моделі може бути тільки зміна об’єму, ця зміна ΔV дорівнює максимальному ΔVмах. Виразимо це формулою:

У реальному випадку, коли задіяні обидва способи сприйняття внутрішнього навантаження, математично це можна виразити через рівняння рівноваги:

Зміна внутрішнього об’єму ΔV є функцією від прогинання стекол ΔV(f), а прогинання стекол f є функцією від навантаження f(q). Отже, це рівняння рівноваги дозволяє ітераційно визначити величину внутрішнього тиску q.

Приймемо такі позначення:

• Рв – тиск у камері склопакета на момент виготовлення.

• Тв – температура газу в камері склопакета на момент виготовлення (°К).

• Vв – об’єм камери склопакета на момент виготовлення.

• Ре – тиск у камері склопакета на момент експлуатації.

• Те – температура газу в камері склопакета на момент експлуатації (°К).

• Vе – об’єм камери склопакета на момент експлуатації.

Тоді, згідно з законом Гей-Люссака: ΔVмах = Vв*(Те/Тв-1).

І згідно з законом Шарля: ∆Рмах = Рв*(Те/Тв-1).

Тепер потрібно лише дізнатися значення температури в камері склопакета Те.

Пропонуємо розглянути два методи.

Метод 1 — прислухатися до рекомендацій провідних фахівців у галузі світлопрозорих конструкцій. Зокрема, застосувати формулу, яку пропонує пані О. Куренкова, директор НДУПЦ «Міжрегіональний інститут вікна». 

Tе = (Твул + Твн) / 2 ,

де:

Твул – температура повітря ззовні приміщення (вулична)

Твн – температура повітря всередині приміщення (внутрішня)

Метод 2 — обчислити температуру за формулою, яку дає документ СН 481-75 «Інструкція з проєктування, монтажу та експлуатації склопакетів». Зараз він утратив чинність, бо був актуальний за часів СРСР, а нові нормативи, які би визначали температуру всередині склопакетів, не прийняті. Отже, формула така:

Tе = k*Твул + (1-k) * Твн ,

де k – коефіцієнт, що дорівнює 0,39 для однокамерних і 0,26 для двокамерних склопакетів.

Результати розрахунку методом 2 для однокамерного склопакета наведено на малюнку №2.

Порахуємо в конкретних цифрах

Спробуймо провести розрахунок, взявши за основу Метод 2. Для прикладу візьмемо такі дані:

• температура газу в камері склопакета на момент виготовлення Тв = +18 °C.

• температура повітря ззовні приміщення Твул = -20 °C.

• температура повітря всередині приміщення Твн = +20 °C.

Тоді:

• ізотерма середньої частини газу в камері однокамерного склопакета на момент експлуатації Те = 0,39 * 20 - (1-0,39) * 20 = -4,4 °C.

• ізотерма середньої частини зовнішньої камери двокамерного склопакета на момент експлуатації Те = 0,26 * 20 - (1-0,26) * 20 = -9,6 °C

• ізотерма середини внутрішньої камери двокамерного склопакета на момент експлуатації Те = (-9,6 + 20) / 2 = 5,2 °C.

Для однокамерного склопакета розміром 3 х 2 м2 з дистанцією 16 мм отримаємо:

• ΔVмах = Vв*(Те/Тв - 1) = -7,39 л (початковий об’єм = 96 л).

Для двокамерного склопакета розміром 3 х 2 м2 з двома дистанціями по 16 мм отримаємо:

• для зовнішньої камери ΔVмах = Vв * (Те/Тв - 1) = -9,105 л (початковий об’єм = 96 л).

• для внутрішньої камери ΔVмах = Vв*(Те/Тв - 1) = -4,223 л (початковий об’єм = 96 л).

Як запобігти прогинанню стекол?

Після розрахунків ми отримали результат, що у двокамерному склопакеті втрата об’єму за рахунок охолодження газу всередині склопакета майже в 2 рази більша, ніж в однокамерному. І це очікувано. Але розподіл об’ємів у камерах відбувається нерівномірно. Через це втрата об’єму зовнішньої камери в понад два рази більша, ніж внутрішньої, і майже на чверть більша, ніж в однокамерного склопакета. Значна зміна об’єму призводить, відповідно, до підвищеного прогинання стекол, яке є причиною лінзування склопакетів. 

Якщо жорсткісні характеристики скла не відповідають навантаженням від втрати парціального тиску всередині склопакета, то велика ймовірність, що стекла деформуються аж до ефекту схлопування склопакета. Явною ознакою цього є наявність у зоні контакту стекол інтерференції у вигляді кілець Ньютона. Вона виникає у разі відбиття світла від двох поверхонь, одна з яких плоска, а інша має відносно великий радіус кривизни і стикається з першою.

За великих розмірів склопакетів та значних перепадів температури — від +20 °C до -20 °C — ефективність роботи двокамерного склопакета знижується через зменшення міжскляного простору в першій камері, що призводить до зниження конвективних процесів у камері. Вони, своєю чергою, відповідають за теплообмін усередині камери, забезпечуючи відносне усереднення температури за об’ємом склопакета. А також до різкого збільшення тепловіддачі від середнього скла до зовнішнього: відбувається локальне переохолодження центральної частини склопакета. Кількість тепла, що передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, перебуває у квадратичній залежності від відстані між тілами. Іншими словами, зменшивши відстань із 16 мм до 5 мм (тобто втричі), ми отримаємо збільшення тепловтрат у 9 разів.

Ви можете запитати, а навіщо вся ця розмова? Що можна зробити для запобігання таким явищам?

А варіантів кілька.

Для великих форматів скління, коли виникає ймовірність значного зниження теплотехнічних характеристик двокамерного склопакета, можна застосовувати для зовнішньої камери стекла підвищених товщин, жорсткість яких компенсує навантаження від зміни тиску в камері. Можна застосувати однокамерний склопакет із підвищеною енергоефективністю. А ще — провести посилення контуру першої камери склопакета за методикою, розробленою в компанії Aestech. Це дозволить значною мірою підвищити жорсткість склопакета.

З першим методом все більш-менш зрозуміло, а ось на другому та третьому хотілося б  спинитись докладніше.

Одна чи дві камери склопакета — як краще?

З появою на ринку світлопрозорих конструкцій листового скла з мультифункціональним покриттям теплотехнічні характеристики однокамерного склопакета впритул наблизилися до параметрів простого двокамерного склопакета. Під час розрахунків за допомогою онлайн-конфігуратора склопакетів ми порівняли однокамерний енергоефективний та двокамерний склопакети.

Як видно з розрахунку, в ідеальному стані два склопакети практично ідентичні за теплотехнічними характеристиками щодо енергозбереження в зимовий період, але однокамерний склопакет виграє стосовно енергозбереження, якщо йдеться про сонцезахист. І це без урахування можливого зменшення міжскляного простору у двокамерному склопакеті.

Що тягне за собою встановлення двокамерного склопакета? Це вибір іншого, ширшого і міцнішого профілю (двокамерний склопакет на третину важчий і майже вдвічі ширший). Це посилення тримальних конструкцій у разі наявності кронштейнів для винесення фасадної системи. Це ускладнення монтажу та збільшення ризиків для логістики.

Ми в жодному разі не закликаємо до заміни всіх двокамерних склопакетів на однокамерні, особливо в разі малих форматів — у цьому випадку двокамерний склопакет поза конкуренцією. Але в разі використання великоформатного скління рекомендуємо провести міцнісні та теплотехнічні розрахунки для правильного вибору світлопрозорих конструкцій, які забезпечать необхідні візуальні та експлуатаційні характеристики фасадної системи.

Другим варіантом, що є, на наш погляд, одним з найефективніших методів покращення візуальних та теплотехнічних характеристик фасадних систем рекомендується використання склопакетів підвищеної міцності, розроблених компанією Aestech. Вони дозволяють, з одного боку, знизити товщини використовуваних стекол, значно знизити ефект лінзування, зробивши його практично непомітним для ока. А ще — виключити більшість тримальних алюмінієвих конструкцій, які додають значний негативний внесок у теплотехнічні характеристики фасадної системи через високий коефіцієнт теплопровідності алюмінію.

Важливо, що правильний вибір системи скління має оптимізувати разові та експлуатаційні витрати на світлопрозорі конструкції, щоби спрацювала формула «Гроші на скло», а не формула «Гроші на вітер».

AR&D (Analytical Research and Development) Aestech