Во всех сферах нашей деятельности мы пытаемся руководствоваться принципами разумной достаточности, начиная от выбора простых бытовых вещей и заканчивая выбором автомобилей, мобильных телефонов и компьютеров.
Где-то посередине этих экономических соображений лежит проблема выбора светопрозрачных конструкций, будь то новое строительство или реконструкция существующих зданий и сооружений.
Многие годы мы, в силу отсутствия определенных инструментов регулирования характеристик светопрозрачных конструкций, не обращали внимание на их теплотехнические характеристики. Все понимали, что два стекла в раме это лучше чем одно, а если правильно уплотнить щели, то из окна дуть не будет. Пришел новый ХХІ век и принес нам современные технологии энергоэффективных ограждающих конструкций на основе металлопластика и алюминиевых систем с терморазрывом. И сразу же выбор систем стал проблемой, как и в любом другом случае, когда надо выбирать больше чем из одного.
И так же, как все понимали, что два стекла лучше чем одно, так все сразу поняли – три стекла намного лучше чем два. Появились даже системы с 4-мя стеклами (трехкамерные стеклопакеты), владельцам которых обещан вообще климатический рай в отдельно взятом помещении. Более того, стекла стали не просто прозрачным листом, а получили энергоэффективные покрытия различного назначения: энергосберегающие, солнцезащитные, мультифункциональные (лето и зима в одном флаконе), специальные (токопроводящие, самоочищающиеся, антиконденсатные и т.п.). Обилие характеристик покрытий внесло еще больший хаос в процесс выбора светопрозрачных конструкций. 
Представители компаний-производителей стекла и его переработки предлагают варианты стеклопакетов для различных задач, начиная от промышленных, торговых, офисных зданий и заканчивая сегментом металлопластиковых окон для гражданского строительства и реконструкции жилого фонда.
При этом от заказчиков порой тщательно скрываются некоторые особенности стеклопакетов и различного типа стекол, которые впоследствии стают предметом претензий, неудовлетворенности, а также дефектов, препятствующих дальнейшей эксплуатации изделия.
В этой статье мы сделаем попытку разобраться в таком сложном явлении, присутствующем в большинстве светопрозрачных конструкций с площадью фрагмента более 4 кв.м (тренд крупноформатного остекления сейчас в моде), как линзование (изменение плоскостности стекол в стеклопакетах). В конструкция с более мелкой фрагментаций, это явление не так заметно и не приносит, в большинстве случаев, тех проблем, которые наблюдаются в крупно- и среднеформатном остеклении.
Эффект «линзования», или, в худшем случае, «схлопывания» (стекла соприкоснулись) стеклопакетов напрямую связаны с климатической нагрузкой на стекла стеклопакета. Под данной нагрузкой понимается повышение или понижение давления газа в стеклопакете по сравнению с начальным (в момент изготовления). Изменение давления газа в стеклопакете связано с изменением температуры окружающей среды, изменением давления с высотой (можно пренебречь из-за малого влияния) и с колебаниями барометрического давления.
При производстве внутри стеклопакета герметизируется осушенный воздух или инертный газ с соответствующими уровнями атмосферного давления и температурой. При эксплуатации эти показатели все время изменяются, что приводит к появлению внутри стеклопакета нагрузки, которая в большей или меньшей степени деформирует стекла. Наибольшее влияние оказывает изменение температуры – при нагревании газа внутри замкнутого объема (пакет герметичен) внутреннее давление возрастает, газ внутри стеклопакета расширяется, повышая давление и стеклопакет становится выпуклым, а при охлаждении – внутреннее давление снижается, и стеклопакет сжимается и даже может «схлопнуться». Пример значительного изменения межстекольного пространства даже при относительно небольшом снижении температуры в двухкамерном стеклопакете показан на рис.1.
Изменение внутреннего объема связано с внутренним давлением и описывается уравнением Менделеева-Клапейрона. Нагрузка от расширения или сжатия газа воспринимается одновременно двумя способами. Часть нагрузки воспринимается за счет непосредственного сопротивления стекол деформациям, а часть компенсируется за счет изменения объема газа при деформациях стекол. Другими словами, чтобы рассчитать прогибы стекол, нужно определить какая часть внутренней нагрузки будет компенсироваться за счет изменения объема газа, а какая восприниматься непосредственно стеклами.
Для этого как идеальные модели рассмотрим два краевых случая:
1. Внутренняя нагрузка полностью воспринимается за счет работы стекол (при идеально жестких стеклах), что описывается известным законом Шарля для идеальных газов (изохорический процесс).
2. Внутренняя нагрузка полностью воспринимается за счет компенсирования при изменении объема (при идеально гибких стеклах), что описывается известным законом Гей-Люссака (изобарический процесс).
Реальный же случай должен быть рассчитан как промежуточное состояние между данными двумя случаями (идеальными моделями).
В первом случае, допустим, есть некоторая внутренняя нагрузка q, действующая изнутри на стекла пакета. Учитывая, что объем стеклопакета в данном случае неизменен, внутренняя нагрузка q будет соответствовать полной разнице между атмосферным давлением и давлением внутри стеклопакета ∆Рмах. Выразим это следующим образом:
Во втором случае, внутреннее давление q не может поддерживаться в стеклопакете гибкими стенками и через деформацию стенок будет сразу же преобразовано в изменение внутреннего объема ΔV. Так как в такой модели может быть только изменение объема, данное изменение объема ΔV будет равно максимальному ΔVмах. Выразим это формулой:
В реальном случае, когда задействованы оба способа восприятия внутренней нагрузки, математически это можно выразить так (уравнение равновесия):
Изменение внутреннего объема ΔV является функцией от прогибов стекол ΔV(f), а прогибы стекол f являются функцией от нагрузки f(q). Следовательно, данное уравнение равновесия позволяет итерационно определить величину внутреннего давления q.
Примем следующие обозначения:
• Ри – давление в камере стеклопакета в момент изготовления.
• Ти – температура газа в камере стеклопакета в момент изготовления (К0).
• Vи – объем камеры стеклопакета в момент изготовления.
• Рэ – давление в камере стеклопакета в момент эксплуатации.
• Тэ – температура газа в камере стеклопакета в момент эксплуатации (К0).
• Vэ – объем камеры стеклопакета в момент эксплуатации.
Тогда согласно закона Гей-Люссака: ΔVмах = Vи*(Тэ/Ти-1).
И согласно закона Шарля: ∆Рмах = Ри*(Тэ/Ти-1).
Остается лишь определить значение температуры в камере стеклопакета Тэ.
Предлагается рассмотреть два метода.
Метод 1 – прислушаться к рекомендациям ведущих специалистов в области светопрозрачных конструкций, в частности, применив формулу, которую предлагает г-жа А. Куренкова (Директор НИУПЦ «Межрегиональный институт окна»).
Tэ=(Тн+Тв)/2
Метод 2 – если заглянуть в историю, то согласно действующему в СССР документу СН 481-75 “Инструкция по проектированию, монтажу и эксплуатации стеклопакетов” (уже не действующем в Украине, и на сегодняшний день в Украине нет нормативных документов, определяющих температуру внутри стеклопакетов) температура (С0) в наружной камере однокамерного или двухкамерного стеклопакета вычисляется по формуле:
Tэ=k*Тн+(1-k)*Тв
Где:
Тн - температура воздуха снаружи помещения (улица).
Тв - температура воздуха внутри помещения.
k – коэффициент, принимаемый равным 0,39 для однокамерных и 0,26 для двухкамерных стеклопакетов.
Результаты расчета по методу 2 для однокамерного стеклопакета приведены на рисунке №2.
Попробуем провести расчет, приняв за основу Метод 2.
Так, например, если:
• Температура газа в камере стеклопакета в момент изготовления Ти = +18 С0.
• Температура воздуха снаружи помещения Тн = -20 С0.
• Температура воздуха внутри помещения Тв = +20 С0.
То:
• Изотерма средней части газа в камере однокамерного стеклопакета в момент эксплуатации Тэ = 0,39*20-(1-0,39)*20 = -4,4 С0.
• Изотерма средней части наружной камеры двухкамерного стеклопакета в момент эксплуатации Тэ = 0,26*20-(1-0,26)*20 = -9,6 С0, и изотерма середины внутренней камеры двухкамерного стеклопакета в момент эксплуатации Тэ = (-9,6+20)/2 = 5,2С0.
Тогда для однокамерного стеклопакета размерами 3х2 м с дистанцией 16 мм получим:
• ΔVмах = Vи*(Тэ/Ти-1) = -7,39 л (исходный объем = 96 л).
Тогда для двухкамерного стеклопакета размерами 3х2 м с обеими дистанциями по 16 мм получим:
• Для наружной камеры ΔVмах = Vи*(Тэ/Ти-1) = -9,105 л (исходный объем = 96 л).
• Для внутренней камеры ΔVмах = Vи*(Тэ/Ти-1) = -4,223 л (исходный объем = 96 л).
Таким образом, мы получаем результат, что в двухкамерном стеклопакете потеря объема за счет охлаждения газа внутри стеклопакета почти в 2 раза больше чем в однокамерном, что, в принципе, и ожидаемо, но распределение объемов по камерам происходит неравномерно, и потеря объема наружной камеры более чем в два раза больше, чем внутренней и почти на четверть больше, чем у однокамерного стеклопакета. Значительное изменение объема приводит, соответственно, к повышенным прогибам стекол, которые и являются причиной линзования стеклопакетов. Если жесткостные характеристики стекла не соответствуют нагрузкам от потери парциального давления внутри стеклопакета, то возникает большая вероятность, что стекла в стеклопакете деформируются до такой степени, что возникнет эффект схлопывания стеклопакета, явным признаком которого является наличие в зоне контакта стекол интерференции в виде колец Ньютона (интерференционная картина в виде колец возникает при отражении света от двух поверхностей, одна из которых плоская, а другая имеет относительно большой радиус кривизны и соприкасается с первой).
Таким образом, при больших размерах стеклопакетов и значительных перепадах температуры (от +20 С0 до -20 С0) эффективность работы двухкамерного стеклопакета снижается из-за уменьшения межстекольного пространства в первой камере, что приводит к снижению конвективных процессов в камере, которые, в свою очередь, отвечают за теплообмен внутри камеры, обеспечивая относительное усреднение температуры по объему стеклопакета, резкому увеличению теплоотдачи от среднего стекла к наружному (идет локальное переохлаждение центральной части стеклопакета), т.к. количество тепла, передаваемого от более нагретого тела к менее нагретому находится в квадратичной зависимости от расстояния между телами, т.е. уменьшив расстояние от 16 мм до 5 мм (т.е. в три раза) мы получим увеличение теплопотерь в 9 раз.
Вы можете спросить, а к чему весь этот разговор? Что можно сделать для предотвращения подобных явлений?
А вариантов несколько.
Для больших форматов остекления, когда возникает вероятность значительного снижения теплотехнических характеристик двухкамерного стеклопакета можно применять для наружной камеры стекла повышенных толщин, жесткость которых компенсирует нагрузку от изменения давления в камере, можно применить однокамерный стеклопакет с повышенной энергоэффективностью, и можно провести доусиление контура первой камеры стеклопакета по методике, разработанной в компании «ПИК Групп», позволяющей в значительной мере повысить жесткость стеклопакета.
С первым методом все более-менее понятно, а вот на втором и третьем хотелось бы немного остановиться.
Выбор количества камер стеклопакета. Чем больше – тем лучше?
С появлением на рынке светопрозрачных конструкций листового стекла с мультифунциональным покрытием теплотехнические характеристики однокамерного стеклопакета вплотную приблизились к таковым простого двухкамерного стеклопакета. Для сравнения приведем расчеты on-line калькулятора компании Guardian.
Как видно из расчета, в идеальном состоянии два стеклопакета практически идентичны по теплотехническим характеристикам в плане энергосбережения в зимний период, но однокамерный стеклопакет выигрывает по энергосбережению в плане солнцезащиты. А это еще без учета вероятного уменьшения межстекольного пространства в двухкамерном стеклопакете.
Что влечет за собой установка двухкамерного стеклопакета? Это выбор другого, более широкого и более прочного профиля (двухкамерный стеклопакет на треть тяжелее и почти в два раза шире). Это усиление несущих конструкций в случае наличия кронштейнов для выноса фасадной системы. Это усложнение монтажа и увеличение рисков при логистике.
Мы ни в коем случае не призываем к замене всех двухкамерных стеклопакетов на однокамерные, и, особенно, в случае малых форматов (в этом случае двухкамерный стеклопакет вне конкуренции), но при использовании крупноформатного остекления, рекомендуем провести прочностные и теплотехнические расчеты для правильного выбора светопрозрачных конструкций, которые обеспечат необходимые визуальные и эксплуатационные характеристики фасадной системы.
Вторым вариантом, являющимся, на наш взгляд, одним из самых эффективных методов улучшения визуальных и теплотехнических характеристик фасадных систем рекомендуется использование стеклопакетов повышенной жесткости, разработанных компанией «ПИК Групп», которые позволяют с одной стороны снизить толщины используемых стекол, как минимум, на 30% снизить эффект линзования, сделав его практически незаметным для нашего взгляда, а также исключить до 70% несущих алюминиевых конструкций, которые в значительной степени вносят свой негативный вклад в теплотехнические характеристики фасадной системы из за высокого коэффициента теплопроводности алюминия.
И что немаловажно, правильный выбор системы остекления должен оптимизировать разовые и эксплуатационные затраты на светопрозрачные конструкции, чтобы сработала формула «Деньги на стекло», а не формула «Деньги на ветер».
Леонид Лазебников
Игорь Щедрин
«ПИК –Групп»