Енергийни прозорци

Свикнали сме да приемаме прозорците като необходима, но сравнително неизменяема част от сградата. Предполага се, че щом веднъж са избрани и монтирани, те дълго време ще изпълняват функциите си и няма да се налага смяната им. Насочването на вниманието ни към съхранение и пестене на енергия помогна за разработване на системи прозорци, предназначени да осигуряват светлина, но без допълнително нагряване или загуби на топлина от вътрешността на сградата. Тук ще уточним, че търсенията в посока повишени енергоефективни показатели наложиха създаването на термина "пасивни" сгради, и оттам - пасивни прозорци. Най-общо казано, първоначално задаваните показатели за подобряване бяха видовете стъкла, видовете стъклопакети, прозоречните профили, уплътненията и детайлите. А дали няма някаква друга пътека, друга посока, друг начин на мислене - и дали това няма да ни доведе до нови технически достижения в осигуряването на светлина в интериора?

Текст: списание Строители

Нека да разширим понятието "прозорец" до "площ, пропускаща светлина". Правим това, за да обединим в една категория и прозорци, и витрини, и покривни осветителни люкове - всичко, през което преминава светлината. Ако разглеждаме само топлинните загуби, то една голяма част от тях се дължи на прозорците. Първоначалните насоки са именно в намаляване на топлинните загуби чрез повишаване качествата на стъклата, конструкцията на прозорците, уплътненията и детайлите. До къде стигнаха добрите стъклопакети? Може да се обобщи обаче, че около 50% от енергията в една средностатистическа сграда е за отопление, охлаждане и осветление. Появява се един нов, по-комплексен подход - търси се прозорец, който може да пропуска светлина, но без помещението да се нагрява от слънцето през лятото, ама през зимата е хубаво да се нагрява... Има ли такъв прозорец?

Кратък преглед на класическите стъклопакети

Идеята при стъклопакета е така да се подберат и съчетаят рамката, стъклата и уплътненията, че да се постигне максимално покриване на почти всички фактори, които са определящи за комфорта на обитателите в сградата. Същевременно се търси и намаляване на енергията за отопление, осветление и охлаждане. Един от проблемите, които трябва да се овладеят, е нагряването вътре от слънчевото греене отвън, и по-точно справянето с инфрачервените лъчи, които са причина за греенето; друг проблем е загубата на топлина през профилите на носещата рамка, през снадки и уплътнения; с проблемите спираме дотук, сега ще споменем как се решават.

Стъклата за стъклопакетите се изработват по различни начини, но най-често използваните са флоатно, флоатно закалено и триплекс - две или повече стъкла, слепени помежду си с еластично и устойчиво на разкъсване фолио. След специално третиране стъклата могат да придобият и допълнителни качества - да бъдат нискоемисионни, тонирани, рефлексни, топлоизолационни или за соларна защита. Тук няма да се спираме на стъклопакети с обикновено стъкло, а ще обобщим качествата на стъклопакети с едно особено, нискоемисионно стъкло, познато като К-стъкло, което задържа инфрачервените лъчи вътре.

Когато търсим енергийна ефективност, освен нискоемисионното стъкло, за което споменахме, добра работа ни върши и слънцезащитното. То отразява слънчевите лъчи благодарение на специалното покритие върху едната му страна или на определени добавки още при производството му. За лятото това е много добро решение, макар че е придружено от намаляване на светлината - пропускат се около 70%, но все пак това е приемливо количество. Има варианти, при които слънцезащитните стъкла могат и да поглъщат част от слънчевите лъчи.

Стремежът да се намаляват топлинните загуби на помещенията тласна разработките на стъклопакети в посока намаляване коефициента на топлопреминаване. Оказа се, че този коефициент намалява не само с употребата на К-стъкло, но и с увеличаване на броя стъкла, дебелината им, разстоянията между стъклата, както и със запълване на междините между двете или трите стъкла от пакета с инертен газ, най-често аргон. Стъклата се разделят с дистанционер, запълнен с влагоабсорбиращ материал.

Влагоабсорбиращият материал, погрешно наричан още десикант, защото този термин е застъпен при пестицидите, се поставя в разделителя на двете стъкла при стъклопакет. Предназначен е да поддържа определена минимална влажност вътре в стъклопакета. Използват се сорбенти на база природни материали, които са най-евтини, силиконов гел или силипорит - също сравнително евтини, и скъпото молекулярно сито. То представлява гранули на база синтетичен зеолит, с хигроскопични свойства. За препоръчване е молекулярното сито с размер на порите 3Å, или 3 ангстрьома. (Това е много-много малко, 1Å = 0,1nm = 1/10 000 000 от милиметъра.) Размерът от 3Å е толкова важен, защото при този размер на порите водните пẚри се поглъщат и не може да се появи конденз по вътрешната повърхност на стъклата, но на молекулите на инертния газ, с който се запълва пространството между двете стъкла при качествените стъклопакети, не се въздейства.

Един пример - размерът на молекулата на аргона е 3,7Å - няма как да бъде абсорбирана от гранула с размер 3Å. За уплътнители се използват различни материали, но един от най-добрите е EPDM (етилен пропилен диен мономер). Той е с изключително висока еластичност, устойчив е на ултравиолетови лъчи, запазва своите качества за много дълги периоди от време и при много високи, и при много ниски температури, както и при широки температурни амплитуди, и е издръжлив на киселинни дъждове. Това го прави лидер при избор на материал за уплътняване на външни профили и връзки.

И няколко думи за профилите - за изработката на носещата рамка на дограмата се използват предимно профили от ПВЦ, алуминий или стомана, ако се изискват големи размери. Има и стъклопакети с рамки от дърво, а дървото е с много добри топлоизолационни свойства. Недостатък е усложнената технология на изработка и поддръжка. Добри резултати дава комбинирането на дърво с алуминиева или със стоманена конструкция. ПВЦ-профилите са се наложили на пазара с едно условие - материалът изисква многокамерни рамки, за да са осигурени добри топлоизолационни показатели. Алуминиевите профили се изработват задължително с прекъснат термомост, устойчиви са на корозионни въздействия, лесно се почистват и не се нуждаят от поддръжка.

Стоманените профили се избират със затворено напречно сечение, правоъгълно или квадратно, и дебелина на стената минимум 2,00mm. Изключително внимание трябва да се обръща на елиминиране на възможностите за топлопреминаване. За целта кухините в металните профили трябва да се запълват с уплътняващи материали - пенополистирол, пенополиуретан и др. Прилагат се и разделителни дървени или пластмасови конструктивни елементи, които свързват външните и вътрешни крила. Антикорозионната им защита се постига с горещо поцинковане. Може да се използва и легирана стомана, при която химичният състав не позволява корозия. Завършеност се постига чрез прахово боядисване на поцинкованите профили или полиране - за неръждаемите.

Инфрачервени регулируеми интелигентни прозорци

През 2017г. е публикувана разработка на Хитеш Канденвал, докторант към Dutch Polymer Institute (DPI), Айндховен, Нидерландия, в която се разглежда фабричното производство на "умни" прозорци, базирани на холестеричен течен кристал. Този тип прозорци биха могли да управляват избирателно излишната слънчева радиация (инфрачервено лъчение или IR), за да спестят енергия както за отопление, така и за охлаждане в конкретната сграда. Ще поясним, че "холестеричният" течен кристал се характеризира с подреждане на молекули в слоеве с дълги молекулни оси, успоредни една на друга в равнината на всеки слой и постепенно изместени в последователни слоеве, за да се получи спирално подреждане. Приетият термин за екран, основан на тази иновация, е Cholesteric liquid crystal display (ChLCD), или само LCD (дисплей, базиран на течни кристали).

Най-интересното е, че при прилагане на напрежение екранът променя оптичните си свойства. Вече се досещате... Интелигентните прозорци стават възможни. Освен това тези прозорци могат да са прозрачни, без да е необходима допълнителна енергия за достигане регламентираното ниво на осветеност във вътрешността на помещението. Най-напред изследванията са провеждани с инфрачервени (IR) полимерни статични отражатели, разположени близо до източник на IR-излъчване, но без да пречат на потока естествена светлина. Целта е била да се отчете влиянието на такива IR-отразяващи прозорци върху вътрешната температура на определена сграда. Установено е, че използването на такава статична рефлекторна система може да осигури температурна разлика от ~5°C през лятото, но през зимата оказва отрицателно влияние върху икономията на енергия поради непрекъснатото отразяване на иначе желаното IR-излъчване.

Съвсем логично следващата стъпка е била да се произведат електрически превключващи се IR-отражатели, които могат да се превключват между IR отражателни и предавателни състояния, като остават прозрачни във видимата област. Тази нова технология позволява създаването на прозорци, които отразяват излишната слънчева енергия през лятото, но ѝ позволяват да преминава през зимата. Спестява се енергия, която би била изразходвана за отопление и за охлаждане. Използването на такава система е най-целесъобразно в области с горещо лято и студена зима, и неоправдано през пролетта и есента, когато обичайните температури са умерени. Тези "превключваеми" прозорци все пак консумират енергия при преминаване от едно състояние в друго, както и за поддържането им в дадено конкретно състояние. Така се стига до следващата стъпка - да се генерира енергия от прозорците, за да могат те сами да осигурят собствените си нужди от енергия. За тази цел се използва принципа на луминисцентния слънчев концентратор (LSC). Бегло ще отбележим, че това е начин да се концентрира слънчевата радиация, и да се произведе електричество.

Слънчевото греене върху голяма площ се превръща чрез луминесценция в светлина и генерираното излъчване се насочва в сравнително малко крайно устройство, обикновено това са соларни клетки, а оттам - в електрическа енергия. Разработен е и двойно реагиращ инфрачервен рефлектор, който се променя от широколентов към теснолентов при стимулиране с топлина и електрическо поле; прилага се изключително фина настойка на концентрацията на полимерната мрежа, използвана в превключващата система на IR-рефлектора. През тези стъпки се достига до създаването на удобен за потребителя електрически регулируем IR-рефлектор, който може да бъде настроен да отразява избирателно излишъка от слънчева инфрачервена радиация в отговор на промените в температурата на околната среда. Превключването става за секунди, независимо дали е ръчно или автоматизирано.

При описаните методи се използва притискане на активния материал между две стъклени плоскости. За да се реализират тези прозорци, ще е необходима подмяна на съществуващите прозорци, което е едно неудобство. Това неминуемо води до следващия етап - върху гъвкава поликарбонатна основа да се положи IR-отразяващо покритие, което да отразява различни дължини на вълната на IR-лъчение в зависимост от температурното състояние на околната среда. Такова покритие евентуално би могло да бъде използвано за обновяване на съществуващи прозорци. Като се използват свойствата на холестеричните течни кристали, вече са проектирани различни видове интелигентни прозорци и покрития. Техните свойства да отразяват невидимата светлина с дължина на вълната, характерна за IR-спектър, могат да бъдат настройвани в зависимост от условията на околната среда. Същевременно те остават прозрачни за лъчите във видимия спектър. Използването на интелигентни прозорци не бива да се ограничава само за сгради, тъй като тази технология има огромен потенциал да бъде полезна и в автомобилостроенето, и при оранжерии и зимни градини.

Прозорци с течност?

В своя публикация от декември миналата година Euronews ги наричат "прозорци на бъдещето", макар че все още тези прозорци са идея, подлежаща на доразработване, допълнителни изпитвания и не малко усилия за внедряването им. Te изглеждат съвсем обикновени, но между стъклата на всеки прозоречен панел струи непрекъснат поток от дестилирана вода и гликол. Идеята идва от Мадрид. Разработва се интелигентна система, при която воден поток между две стъкла да увеличава слънчевата топлина през зимата, но и да не позволява прегряване през лятото. Как? Звучи просто - ако навън е студено, потокът вода може да бъде спрян. Слънцето нагрява неподвижната вода в камерата, т.е.между двете прозоречни стъкла.

При достигане на комфортна температура или ако навън е топло, водният поток се включва и разпределя енергията в сградата там, където е необходимо. Първият тестов модел се намира в София. Във всеки от прозорците му има постоянен приток на 70 литра дестилирана вода и 30 литра етиленгликол като антифриз. С помощта на соларни клетки слънчевата радиация се преобразува в топлинна енергия, която може да се използва за отопление на постройката. Решението да се експериментира с течности между стъклата се дължи на факта, че водата е с по-голяма плътност от използваните газове, и следователно поглъща IR-лъчи в по-широк диапазон. В построения модел, тип павилион, непрекъснато се отчитат температурата и влажността, разпределението на топлината вътре зад всеки отделен прозорец и ред други показатели.

Целта е да се проследи какво количество топлина влиза през прозореца и какво се губи, дали е възможно да се получава и използва енергия за дълъг период от време или при силно променящи се климатични условия. Иска ни се да имаме сгради с максимално занижени енергийни нужди, като в същото време се добива и топлинна енергия. Макар че е заложено наблюдението да продължи и през следващите 10 години, досега резултатите от експеримента са изключително обнадеждаващи. Вече се обмисля и провеждането на експеримент с такива прозорци, но в голяма сграда.

Полупрозрачен соларен прозорец

Технологиите за устойчиво използване на слънчевата енергия създават прозорец с полупрозрачно фотоволтаично стъкло, който да генерира електроенергия и да елиминира ултравиолетовите и инфрачервените лъчи. Една от първите разработки е на Рейнбоу Солар Инкорпорейшън (RSi). Те използват закалено стъкло и интегрирана към него многостепенна система фотоволтаични клетки. Прозорците могат до достигнат до 2,74x2,74m, да генерират от 80÷250W и да бъдат съобразени за различни изисквания - дизайн, климат, строителни норми и др. Възможно е в прозорците да бъдат вградени различни опции за интелигентното им поведение, например вградена електрическа завеса, която да блокира напълно вече затъмнения стъклен прозорец. Налична е и нова технология, която преобразува целия прозорец в светлинен панел.

Соларният стъклен прозорец използва слънчевата светлина и топлина, за да генерира електричество, да намалява топлината и да осигурява полупрозрачен екран. Има изследвания, които показват, че се спестяват над 50% от енергията, необходима за една тестова оранжерия. Тази технология наистина има бъдеще, тъй като слънчевата енергия е достъпна и приложима към собствеността на отделния индивид, поддръжката е лесна, а и не се налагат драстични промени в съществуващата сграда. И още нещо - RSi предлагат и първата модулна система за съхранение на електроенергията, чрез използване на нова технология за батерия с прогнозен срок на експлоатация 55 години (според тестове, проведени от Energy Sandia Lab, САЩ).

Вече са създадени и стъклопакети с вградени соларни клетки. Те също не са напълно прозрачни, но това може да стане предимство при подходящо архитектурно и топлотехническо решение. Голямото предизвикателство се състои в намиране на най-добрата комбинация от пропускащ светлина панел и максимално ефективна соларна батерия. Много добри резултати са регистрирани при използване на иновативната полимерна соларна клетка, наночастици и нановлакна. В най-смелите си мечти някои учени дори си представят как фино прозрачно соларно покритие се нанася върху който и да е прозорец по съвсем лесен начин, примерно със спрей, и тогава слънчевата енергия ще се използва още по-пълноценно.

Прозрачният бетон - един екстравагантен начин за осветяване

Споменаваме тук полупрозрачните бетони само като намигване към архитектите! Това е комбинация от оптични влакна - стъклени нишки или специално формовани полимерни частици, и финозърнест бетон. Влакната пропускат светлина, бетонът осигурява якостта. Светлината, било тя естествена или изкуствена, преминава от едната страна до другата на бетона. Двете страни са полирани още при производството. Създава се усещане за нереалност, за приказна игра на светлини и сенки. С различни технологични похвати може да се достигне до поне 20% от светлината да преминават през изделието - панел или пано.

Светлина, повече светлина...

Открай време човекът търси светлината. С напредване на технологиите прозоречните системи се превръщат в красиви, големи и функционални. Преминал през обикновено стъкло и стъклопакет, прозорецът вече се появява като интелигентен елемент от нашето обкръжение. Хубавото е, че имаме избор. За всяка наша идея можем да намерим подходящото решение насочено към съхранение и пестене на енергия.