Изолированное остекление

Схема в разрезе фиксированного стеклопакета (IGU) с указанием нумерации, используемой в этой статье. Поверхность №1 обращена наружу, поверхность №2 — это внутренняя поверхность внешней панели, поверхность №3 — внешняя поверхность внутренней панели, а поверхность №4 — внутренняя поверхность внутренней панели. Оконная рама обозначена № 5, проставка обозначена № 6, уплотнители показаны красным (№ 7), внутренний откос находится с правой стороны (№ 8), а внешний подоконник - слева (№ 9).

Деревянный оконный профиль ЕВРО 68 с утепленным остеклением

Изоляционное стекло ( IG ) состоит из двух или более оконных стекол, разделенных промежутком для уменьшения теплопередачи через часть ограждающей конструкции здания . Окно или окно с четырьмя остеклением с изоляционным стеклом широко известно как двойное остекление или окно с двойным остеклением , тройное остекление или окно с тройным остеклением, четверное остекление , в зависимости от того, сколько оконных стекол используется в его конструкции.

Стеклопакеты (IGU) обычно производятся из стекла толщиной от 3 до 10 мм (от 1/8 до 3/8 дюйма). Более толстое стекло используется в особых случаях. В конструкции также может использоваться ламинированное или закаленное стекло. Большинство устройств производятся с одинаковой толщиной стекла на обоих стеклах, но для особых применений, таких как звукоизоляция или безопасность, может потребоваться использование стекла разной толщины в блоке.

Пространство между стеклами обеспечивает основную часть изоляционного эффекта и может быть заполнено воздухом, но часто используется аргон, поскольку он обеспечивает лучшую изоляцию, а иногда и другие газы или даже вакуум. трудоустроены.

История

Типовой монтаж стеклопакетов с рамами ПВХ.

Установка второго стекла для улучшения изоляции началась в Шотландии, Германии и Швейцарии в 1870-х годах.

Изоляционное стекло представляет собой эволюцию старых технологий, известных как двойные окна и ливневые окна . В традиционных двойных окнах использовалось одно стекло, чтобы разделить внутреннее и внешнее пространство.

• Летом оконную сетку, чтобы не допускать животных и насекомых. снаружи над двойным окном устанавливали
• Зимой экран снимали и заменяли ливневым окном , которое создавало двухслойное разделение между внутренним и внешним пространством, повышая изоляцию окна в холодные зимние месяцы. Для обеспечения вентиляции форточку можно подвешивать на съемных петлях и открывать с помощью складных металлических рычагов. При открытых окнах экранирование обычно было невозможно, хотя зимой насекомые обычно неактивны.

Традиционные ливневые окна и экраны являются относительно трудоемкими и трудоемкими, требуя снятия и хранения ливневых окон весной, а также повторной установки осенью и хранения решеток. Вес большой оконной рамы и стекла делает замену на верхних этажах высотных зданий сложной задачей, требующей многократного подъема по лестнице с каждым окном и попыток удержать окно на месте, одновременно закрепляя удерживающие зажимы по краям.Однако нынешние копии этих штормовых окон старого образца могут быть сделаны со съемным стеклом в нижней панели, которое при желании можно заменить съемным экраном. Это исключает необходимость замены всего ливневого окна в зависимости от сезона.

Изолированное остекление (IG) образует очень компактный многослойный сэндвич из воздуха и стекла, что исключает необходимость установки ливневых окон. Экраны также можно оставить установленными круглый год с изолированным остеклением, и их можно установить таким образом, чтобы можно было устанавливать и снимать их изнутри здания, устраняя необходимость подниматься по внешней стороне дома для обслуживания окон. Можно модернизировать изолированное остекление в традиционные двустворчатые рамы, хотя это потребует значительной модификации деревянной рамы из-за увеличения толщины стеклопакета.

Современные оконные блоки со стеклопакетами обычно полностью заменяют старые двухподвесные блоки и включают в себя другие улучшения, такие как лучшее уплотнение между верхним и нижним окном и пружинная балансировка веса, которая устраняет необходимость в подвешивании больших грузов внутри стены рядом с окнами. что позволяет обеспечить большую изоляцию вокруг окна и уменьшить утечку воздуха. IG обеспечивает надежную защиту от солнца и сохраняет в доме прохладу жарким летом и тепло зимой. Пружинные балансировочные механизмы также обычно позволяют верхней части окон поворачиваться внутрь, позволяя очищать внешнюю часть стеклопакета изнутри здания.

Изолирующий стеклопакет, состоящий из двух стекол, соединенных в одно целое с уплотнением между краями стекол, был запатентован в США Томасом Стетсоном в 1865 году. Он был разработан в коммерческий продукт в 1930-х годах, когда было подано несколько патентов, а в 1944 году компания Libbey-Owens-Ford Glass Company анонсировала этот продукт. Их продукция продавалась под торговой маркой Thermopane, которая была зарегистрирована как торговая марка в 1941 году. Технология Thermopane существенно отличается от современных стеклопакетов. Две панели стекла были сварены вместе с помощью стеклянного уплотнителя, и две панели были разделены расстоянием менее 0,5 дюйма (1,3 см), типичным для современных единиц. Торговая марка Thermopane вошла в словарь производителей остекления как обобщенный товарный знак для любого стеклопакета.

Строительство

Состав стеклопакета

Стекло

Одинарное стекло является очень плохим изолятором (значение R около 1, RSI ниже 0,2), поэтому одиночные стекла обеспечивают очень низкую изоляцию. Часто используются стеклянные покрытия, такие как частично отражающие или цветные покрытия для уменьшения инсоляции, а также покрытия для отражения инфракрасного излучения.

Стекло с низким коэффициентом излучения (Low E-стекло) является коммерчески доступным вариантом для изготовления стеклопакетов. Стекло Low E изготавливается путем нанесения покрытия Low E на оконное стекло. Обычно это металлические покрытия, обычно наносимые на вторую или третью стеклянную поверхность устройства, которые отражают инфракрасный свет и блокируют или ослабляют части спектров ультрафиолетового и видимого света. Это может значительно снизить солнечную выгоду стеклопакета, что влияет как на тепловые характеристики (значение R), так и на коэффициент солнечной теплопередачи (SHGC). Доступны два типа покрытий с низким содержанием E: твердые покрытия и мягкие покрытия. Твердые покрытия производятся с использованием оксида олова, который наносится, когда стекло еще горячее, впитывается в стекло, отличается износостойкостью и обычно дешевле. Мягкие покрытия напыляются на поверхность стекла в вакууме и имеют более высокие эксплуатационные характеристики, но легко окисляются и повреждаются, поэтому их необходимо защищать заполнением инертным газом.

Проставка

Гибридные прокладки — примеры (слева направо): TGI, Swisspacer V, Thermix TX.N и Cromatech Ultra.

Стекла разделены «проставкой». Дистанционная рамка, которая может относиться к типу теплой кромки , представляет собой деталь, которая разделяет две панели стекла в системе изоляционного стекла и герметизирует газовое пространство между ними. Первые проставки изготавливались в основном из стали и алюминия, что, по мнению производителей, обеспечивало большую долговечность, а их более низкая цена означает, что они остаются распространенными.

Однако металлические прокладки проводят тепло (если металл не термически улучшен), подрывая способность стеклопакета (IGU) уменьшать тепловой поток. Это также может привести к образованию воды или льда в нижней части герметичного блока из-за резкой разницы температур между окном и окружающим воздухом. Чтобы уменьшить теплопередачу через прокладку и повысить общие тепловые характеристики, производители могут сделать прокладку из менее проводящего материала, например конструкционного пенопласта. Прокладка из алюминия, которая также содержит высокоструктурный тепловой барьер, уменьшает образование конденсата на поверхности стекла и улучшает изоляцию, что измеряется общим коэффициентом теплопередачи .

• Прокладка, уменьшающая тепловой поток в конфигурациях остекления, также может обладать характеристиками звукопоглощения, когда внешний шум является проблемой.
• Обычно прокладки заполнены осушителем или содержат его для удаления влаги, попавшей в газовое пространство во время производства, тем самым снижая точку росы газа в этом пространстве и предотвращая образование конденсата на поверхности № 2 при падении температуры внешнего стекла.
• Появилась новая технология для борьбы с потерями тепла от традиционных проставок, включая улучшение структурных характеристик и долговечность улучшенных металлических (алюминий с термическим барьером) и прокладок из пенопласта.

Заполнить газом

Более старый и проверенный способ улучшить изоляционные характеристики — заменить воздух в помещении газом с более низкой теплопроводностью . Конвективная теплопередача газа зависит от вязкости и теплоемкости. одноатомные газы, такие как аргон , криптон и ксенон, Часто используются поскольку (при нормальных температурах) они не переносят тепло во вращательных режимах , что приводит к более низкой теплоемкости, чем многоатомные газы. Теплопроводность аргона составляет 67% от теплопроводности воздуха, а проводимость криптона примерно вдвое ниже, чем у аргона. Аргон составляет почти 1% атмосферы и выделяется за умеренную плату. Криптон и ксенон представляют собой лишь следовые компоненты атмосферы и очень дороги. Все эти «благородные» газы нетоксичны, прозрачны, не имеют запаха, химически инертны и коммерчески доступны ввиду их широкого применения в промышленности. Некоторые производители также предлагают гексафторид серы в качестве изолирующего газа, особенно для звукоизоляции. Его проводимость составляет всего 2/3 от проводимости аргона, но он стабилен, недорог и плотен. Однако гексафторид серы является чрезвычайно мощным парниковым газом, который способствует глобальному потеплению. В Европе Сан-Франциско
₆ подпадает под действие директивы по фторсодержащим газам, которая запрещает или контролирует его использование для ряда применений. С 1 января 2006 года СФ
₆ запрещен в качестве индикаторного газа и во всех применениях, кроме высоковольтных распределительных устройств .

В общем, чем эффективнее заполняющий газ при оптимальной толщине, тем тоньше оптимальная толщина. Например, оптимальная толщина криптона ниже, чем у аргона, и ниже, чем у аргона, чем у воздуха. Однако, поскольку трудно определить, смешался ли газ в стеклопакете с воздухом во время изготовления (или смешивается с воздухом после установки), многие проектировщики предпочитают использовать более толстые зазоры, чем было бы оптимально для заполняющего газа, если бы он был смешан с воздухом после установки. были чистыми. Аргон обычно используется в изолированном остеклении, поскольку он наиболее доступен по цене. Криптон, который значительно дороже, обычно не используется, за исключением производства очень тонких двойных стеклопакетов или тройных стеклопакетов с чрезвычайно высокими эксплуатационными характеристиками. Ксенон нашел очень мало применения в стеклопакетах из-за своей стоимости.

Вакуумная технология также используется в некоторых непрозрачных изоляционных изделиях, называемых панелями с вакуумной изоляцией .

Производство

Стеклопакеты часто производятся на заказ на заводских производственных линиях, но доступны и стандартные изделия. Размеры ширины и высоты, толщина стекол и тип стекла для каждого стекла, а также общая толщина устройства должны быть предоставлены производителю. На конвейере проставки определенной толщины вырезаются и собираются до необходимых габаритных размеров по ширине и высоте и заполняются влагопоглотителем. На параллельной линии стеклянные панели разрезаются по размеру и промываются до оптической прозрачности.

Примеры современных пластиковых и деревянных оконных профилей с утепленным остеклением

Клей, первичный герметик ( полиизобутилен ) наносится на поверхность прокладки с каждой стороны и стекла прижимаются к проставке. Если агрегат газонаполненный, в проставке собранного агрегата сверлятся два отверстия, прикрепляются магистрали для отвода воздуха из пространства и замены его (или оставления просто вакуума) на нужный газ. Затем трубопроводы снимают, а отверстия заделывают, чтобы удержать газ. Более современный метод заключается в использовании онлайн-газонаполнителя, который исключает необходимость сверления отверстий в проставке. Цель первичного герметика — предотвратить утечку изолирующего газа и проникновение водяного пара. Затем блоки герметизируются с краевой стороны с использованием полисульфидного или силиконового герметика или аналогичного материала в качестве вторичного герметика, который ограничивает движения резино-пластического первичного герметика. Осушитель удалит следы влаги из воздушного пространства, чтобы в холодную погоду на внутренних поверхностях стекол, обращенных в воздушное пространство, не появлялась вода (не образовывался конденсат). Некоторые производители разработали специальные процессы, в которых прокладка и влагопоглотитель объединяются в одноэтапную систему нанесения.

Производительность

Термальный

Максимальная изоляционная эффективность стандартного стеклопакета определяется толщиной пространства. Увеличение пространства до некоторой степени увеличивает значение изоляции, но в конечном итоге при достаточно большом зазоре конвекционные потоки начинают течь, перенося тепло между стеклами внутри устройства. Обычно большинство герметичных блоков достигают максимальных показателей изоляции при зазоре 16–19 мм (0,63–0,75 дюйма) при измерении в центре стеклопакета.

Толщина стеклопакета представляет собой компромисс между максимальной изоляцией и способностью каркасной системы, используемой для перевозки устройства. Некоторые жилые и большинство коммерческих систем остекления могут обеспечить идеальную толщину двойного остекления. Проблемы возникают при использовании тройного остекления для дальнейшего снижения теплопотерь в стеклопакете. Сочетание толщины и веса приводит к тому, что блоки становятся слишком громоздкими для большинства систем остекления жилых или коммерческих помещений, особенно если эти стекла содержатся в подвижных рамах или створках.

Окно, оборудованное VIG, TIR-визуализация

Этот компромисс не применим к стеклу с вакуумной изоляцией (VIG) или вакуумному остеклению. поскольку потери тепла из-за конвекции устраняются, оставляя потери излучения и проводимость через краевое уплотнение и необходимые опорные стойки по лицевой поверхности. В установках VIG большая часть воздуха удаляется из пространства между стеклами, оставляя почти полный вакуум . Представленные в настоящее время на рынке агрегаты VIG герметично запаиваются по периметру припоем стекла, то есть для соединения компонентов нагревается стеклянная фритта (порошковое стекло), имеющая пониженную температуру плавления. Это создает стеклянное уплотнение, которое испытывает возрастающую нагрузку с увеличением разницы температур по всему блоку. Это напряжение может ограничить максимально допустимый перепад температур. Один производитель рекомендует 35 °C. Близко расположенные столбы необходимы для усиления остекления и устойчивости к давлению атмосферы. Расстояние между колоннами и диаметр ограничивали изоляцию, достигаемую конструкциями, доступными начиная с 1990-х годов, до R = 4,7 ч·°F·фут2/БТЕ (0,83 м2·К/Вт), что не лучше, чем у высококачественных стеклопакетов с двойным остеклением. В последних продуктах заявлена ​​производительность R = 14 ч·°F·фут2/БТЕ (2,5 м2·К/Вт), что превышает показатели стеклопакетов с тройным остеклением. Требуемые внутренние стойки исключают случаи, когда желателен беспрепятственный обзор через остекление, т. е. большинство окон жилых и коммерческих помещений, а также холодильные витрины с пищевыми продуктами. Однако окна, оснащенные VIG, неэффективны из-за интенсивной теплопередачи по краям.

Значение изоляции

Офисное здание с четырехкратным остеклением в Осло, Норвегия, коэффициент теплопередачи 0,29 Вт/м. ² K, значение R 20

Эффективность изоляции может быть выражена как значение R или значение RSI . Чем выше значение, тем больше его сопротивление теплопередаче. Стандартный стеклопакет, состоящий из прозрачных стекол без покрытия (или фонарей) с воздухом в полости между светильниками, обычно имеет значение RSI 0,35 К·м. ² /В.

Используя общепринятые в США единицы измерения , практическое правило стандартной конструкции стеклопакета заключается в том, что каждое изменение компонента стеклопакета приводит к увеличению эффективности агрегата на 1 R. Добавление аргона увеличивает эффективность примерно до R-3. Использование стекла с низким коэффициентом излучения на поверхности № 2 добавит еще одно значение R. Правильно спроектированные стеклопакеты с тройным остеклением с низкоэмиссионными покрытиями на поверхностях № 2 и № 4 и заполненные аргоном в полостях. Некоторые многокамерные стеклопакеты имеют значения R, достигающие R-24. Установки с вакуумным изоляционным стеклом (VIG) обеспечивают значения R до R-15 (центр стекла). Объединение блока VIG с другим стеклом и проставкой с теплым краем дает R-18 (центр стекла) или более, в зависимости от низкоэмиссионного покрытия. Двойные блоки VIG с прокладкой по теплому краю достигают R-25 (центр стекла) или более в зависимости от низкоэмиссионного покрытия и других факторов.

Дополнительные слои остекления дают возможность улучшить изоляцию. Хотя стандартное двойное остекление наиболее широко используется, тройное остекление не является редкостью, а четверное остекление производится для холодных регионов, таких как Аляска или Скандинавия. Доступно даже пяти- и шестикамерное остекление (четыре или пять полостей) с коэффициентом изоляции среднего стекла, эквивалентным стенам.

Звукоизоляция

В некоторых ситуациях изоляция предназначена для снижения шума . В этих условиях большое воздушное пространство повышает качество шумоизоляции или класс звукопередачи . Асимметричное двойное остекление с использованием стекла разной толщины вместо традиционных симметричных систем (одинаковая толщина стекла, используемого для обоих светильников), улучшит звукопоглощающие свойства стеклопакета. Если используются стандартные воздушные пространства, гексафторид серы. для замены или дополнения инертного газа можно использовать и улучшить характеристики акустического затухания.

Другие варианты материалов остекления влияют на акустику. Наиболее широко используемые конструкции остекления для звукоизоляции включают многослойное стекло с различной толщиной промежуточного слоя и толщиной стекла. Включение структурной, термически улучшенной алюминиевой термобарьерной воздушной прокладки в изоляционное стекло может улучшить акустические характеристики за счет уменьшения передачи внешних источников шума в оконную систему.

Анализ компонентов системы остекления, включая материал воздушного пространства, используемый в изоляционном стекле, может обеспечить общее улучшение звукопередачи.

Пропускание, поглощение и отражение

Коэффициент пропускания — это мера того, сколько видимого света пропускает стекло, выраженная в долях. Часть света также будет поглощаться и отражаться.

Некоторые типы света включают радиоволны. Примечательно, что многие низкоэмиссионные стекла и полуотражающие металлизированные покрытия значительно ослабляют сигналы Wi-Fi и мобильных телефонов.

Долголетие

Пиковые летние температуры стеклопакета с тройным стеклопакетом, наполненным аргоном и низкоэмиссионным покрытием

Зависимость паропроницаемости первичного герметика ПИБ от температуры

Срок службы стеклопакета зависит от качества используемых материалов, размера зазора между внутренним и внешним стеклом, разницы температур, качества изготовления и места установки как с точки зрения направления облицовки, так и географического положения, а также от обращения с устройством. Стеклопакеты обычно служат от 10 до 25 лет, а окна, выходящие на экватор, часто служат менее 12 лет. На стеклопакеты обычно предоставляется гарантия от 10 до 20 лет в зависимости от производителя. В случае изменения стеклопакетов (например, установки изоляционной пленки на окно ) производитель может аннулировать гарантию.

Альянс производителей изоляционного стекла (IGMA) провела обширное исследование, чтобы охарактеризовать неисправности коммерческих стеклопакетов за 25-летний период.

В стандартном стеклопакете конденсат собирается между слоями стекла, когда герметизация по периметру выходит из строя и когда влагопоглотитель становится насыщенным, и, как правило, его можно устранить только путем замены стеклопакета. Выход из строя уплотнения и последующая его замена существенно влияют на общую стоимость владения стеклопакетами.

Большая разница температур между внутренними и внешними стеклами вызывает нагрузку на клеящие элементы, которые в конечном итоге могут выйти из строя. Агрегаты с небольшим зазором между стеклами более склонны к выходу из строя из-за повышенных нагрузок.

Изменения атмосферного давления в сочетании с влажной погодой в редких случаях могут в конечном итоге привести к заполнению щели водой.

Гибкие уплотнительные поверхности, предотвращающие проникновение жидкости вокруг оконного блока, также могут деформироваться, порваться или повредиться. Замена этих уплотнений может быть затруднена или невозможна из-за того, что в стеклопакетах обычно используются экструдированные швеллерные рамы без винтов или пластин, удерживающих уплотнения. Вместо этого краевые уплотнения устанавливаются путем вставления стреловидной односторонней гибкой кромки с зазубринами в прорезь на выдавленном канале, и их часто невозможно легко извлечь из выдавленной прорези для замены.

В Канаде с начала 1990-х годов появились компании, предлагающие обслуживание вышедших из строя агрегатов СИГ. Они обеспечивают открытую вентиляцию атмосферы путем сверления отверстий в стекле и/или распорке. Этот раствор часто устраняет видимый конденсат, но не может очистить внутреннюю поверхность стекла и пятна, которые могли возникнуть после длительного воздействия влаги. Они могут предложить гарантию от 5 до 20 лет. Это решение снижает изоляционную ценность окна, но оно может быть «зеленым» решением, когда окно все еще в хорошем состоянии. Если стеклопакет заполнен газом (например, аргоном, криптоном или смесью), газ естественным образом рассеивается, и значение R ухудшается.

С 2004 года некоторые компании предлагают аналогичный процесс восстановления вышедших из строя стеклопакетов. в Великобритании, а в Ирландии с 2010 года есть одна компания, предлагающая восстановление вышедших из строя агрегатов ИС.

Растрескивание при термическом напряжении

Растрескивание при термическом напряжении

Разница температур на поверхности стекол может привести к появлению трещин на стекле. Это может произойти, если стекло частично затенено и частично нагрето от солнечного света. Тонированное стекло увеличивает нагрев и термическую нагрузку, а отжиг снижает внутреннее напряжение, возникающее в стекле во время производства.

Тепловое расширение создает внутреннее давление или напряжение, при котором расширение теплого материала сдерживается более холодным материалом. Обычно трещины возникают и распространяются от узкой затененной кромки среза, где стекло холоднее, а мелкие бороздки и зазубрины вызывают концентрацию напряжений . Толщина стекла не оказывает прямого влияния на термическое растрескивание окон, поскольку как термическое напряжение, так и прочность материала пропорциональны толщине. Отожженное и закаленное стекло обычно более устойчиво к растрескиванию.

Рейтинг эффективности

Зная тепловые свойства створки, рамы и подоконника, а также размеры остекления и тепловые свойства стекла, можно рассчитать скорость теплопередачи для данного окна и набора условий. Это можно рассчитать в кВт (киловаттах), но для расчета рентабельности более полезно указать кВтч в год (киловатт-часы в год), исходя из типичных условий в течение года для данного места.

Стеклянные панели в окнах с двойным остеклением передают тепло в обоих направлениях путем излучения, через остекление путем проводимости и через зазор между стеклами путем конвекции, путем проводимости через раму и путем проникновения по периметру уплотнений и уплотнения рамы к здание. Фактические тарифы будут варьироваться в зависимости от условий в течение года, и, хотя зимой выгода от использования солнечной энергии может быть весьма желательна (в зависимости от местного климата), летом это может привести к увеличению затрат на кондиционирование воздуха. Нежелательную теплопередачу можно уменьшить, например, используя шторы ночью зимой и солнцезащитные козырьки днем ​​летом. В попытке обеспечить полезное сравнение между альтернативными оконными конструкциями Британский совет по рейтингу окон определил «рейтинг энергоэффективности окон» WER, начиная от A для лучшего качества до B и C и т. д. При этом учитывается сочетание теплопотерь. через окно (значение U, обратное значению R ), усиление солнечной энергии (значение g) и потери из-за утечки воздуха вокруг рамы (значение L). Например, окно с рейтингом А в обычный год будет получать столько же тепла от солнечной энергии, сколько оно теряет другими способами (однако большая часть этого прироста будет происходить в летние месяцы, когда тепло может не понадобиться жильцам здания). ). Это обеспечивает лучшие тепловые характеристики, чем обычная стена.

Программы и сертификаты оценки окон:

• NFRC (Национальный рейтинговый совет фенестрации)
• Пассивный Дом (Passive Haus)
• ЭнерджиСтар
• Задача «Живое здание»
• AFRC (Австралийский рейтинговый совет фенестрации)
• AMMA (Американская ассоциация архитектурных производителей)
• АСТМ
• NAMI

См. также

• Навесная стена
• Четырехместное остекление
• Пассивная солнечная конструкция
• Окно

Ссылки

• Справочник по химии и физике, 62-е издание, CRC Press, ISBN   0-8493-0462-8

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с изолированным остеклением, на Викискладе?