Энергосберегающие технологии в производстве «умных» окон

С. Е. Рудолф, профессор, директор подразделения прикладной химии,

Д. Диекманн, директор подразделения механических систем, компания TIAX LLC, Кембридж, член ASHRAE,

Дж. Бродрик, профессор, проект-менеджер программы «Строительные технологии», Министерство энергетики США, член ASHRAE

Электрохромное стекло использует электрическую энергию для перехода от прозрачного до затемненного состояния. Данная технология уже достигла коммерческого успеха в автомобильной индустрии, где применяется для автоматического затемнения зеркал заднего вида автомобиля при различном освещении, например как защита от слепящего света фар. Остановимся подробнее на использовании электрохромного стекла в «умных» окнах (smart windows), т. е. окнах, которые могут контролировать интенсивность светового потока, поступающего в помещение.

Технология «умных» окон, основанная на применении электрохромного стекла, находится в стадии начальной коммерциализации и обладает огромным потенциалом для будущего проектирования и оснащения коммерческих и жилых зданий. Существующие в архитектуре тенденции к использованию больших площадей остекления (учитывая растущий интерес к применению естественного освещения) и постоянно повышающиеся требования к сокращению энергопотребления создают уникальные возможности для внедрения «умных» окон.

Значимость достижения различных уровней пропускания / поглощения светового потока может быть лучше всего понятна в контексте передачи энергии светопрозрачными конструкциями. Обычное прозрачное стекло (однослойное) пропускает и поглощает большую часть видимого света солнечного спектра, но не отражает (не обладая избирательной способностью) большую часть длинноволновой инфракрасной радиации, тем самым пропуская внутрь помещения солнечное излучение и удерживая часть инфракрасного излучения, испускаемого поверхностями предметов, находящихся внутри здания (что экономит энергию в отопительный период, но добавляет нагрузку на системы кондиционирования в теплое время года).

Однако обычное стекло передает максимальное количество тепла за счет конвекции / теплопроводности (увеличивая до предела поступление ненужного тепла в помещение в летний период и потерю тепла в отопительный период). Для снижения эффекта конвекции / теплопроводности почти все окна имеют два или более слоев стекла. Окна с изменяющимися светопропускными способностями и эффективными средствами контроля за этим процессом обеспечивают оптимальную комбинацию по уровню дневного освещения и объему теплоты, поступающей в помещение от солнечной радиации (минимального или максимального в зависимости от времени года), что способствует снижению энергопотребления зданием.

Представленные ниже два типа остекления с изменяющимися пропускными способностями вместо привычного пропускания светового потока основаны на механизмах его поглощения (но не отражения). При использовании наружного многослойного остекления разница между эффектами отражения и поглощения энергии на внутренние помещения стирается, поскольку наружное остекление обладает более сильными термическими связями с наружным воздухом, чем внутренним. Энергия, поглощенная в виде теплоты наружным остеклением, передается преимущественно наружному воздуху. Это описание сильно упрощает многие аспекты энергоэффективности систем остекления (гл. 15 «Поверхность остекления» Руководства ASHRAE Handbook – Fundamentals, хотя стекло с переменными пропускающими свойствами в этой главе еще не рассматривается).

Электрохромное стекло и «умное» стекло – это общие термины, охватывающие различные технологии изменения свойств стекла. Данная категория включает такие системы, как жидкокристаллические, переходящие из прозрачного в полупрозрачное состояние, и фотохромное стекло, затемняющееся под воздействием солнечного светового потока.

Рассмотрим две технологии, в которых особое внимание уделяется энергосбережению и дополнительной функциональности.

Первая – оконная конструкция с использованием окисей металлов, а вторая – устройство с использованием взвешенных частиц (Suspended particle devices – SPD). Данные технологии существенно отличаются друг от друга по рабочим компонентам, производительности, методам управления и уровню коммерциализации.

Электрохромные технологии с использованием оксидов металлов

Данная технология использует пятислойное покрытие оксидов металлов, заключенное между двумя слоями стекла. Перечислим эти слои:

• проводящий;
• содержащий положительно заряженные ионы – бесцветный оксид металлического лития;
• проводника / электролита;
• электрохромный – отрицательно заряженный оксид вольфрама;
• проводящий.

Все слои наносятся методом вакуумного насаждения (напыления). При подаче напряжения ионы лития переходят из положительного слоя через слой проводника / электролита в электрохромный слой, где они вступают в реакцию с оксидом вольфрама для образования вольфрамата лития. При этом процессе компенсационный электрон проходит по цепи из слоя с ионами в электрохромный слой. Вольфрамат лития поглощает световой поток, и, по ходу реакции, стекло темнеет, а солнечный свет поглощается в стекле в виде теплоты.

Как уже было сказано, в наружном слое стекла эта теплота передается преимущественно наружному воздуху. При смене полярности реакция протекает в обратном направлении, и стекло возвращается в прозрачное состояние. Для типичных продуктов этой категории пропускание видимой части спектра солнечного излучения составляет от 62 % для прозрачного состояния до 3,5 % для полностью затемненного состояния.

Стекло такого состава от ведущих разработчиков обычно поставляется в стандартных изоляционных блоках и монтируется в рамах от разработчика, его партнеров или независимых поставщиков. Изоляционные блоки контролируются системой управления – от систем ручной регулировки индивидуальных окон до автоматической системы, рассчитанной на все здание. На питание и управление застекленной поверхностью площадью 140 м² (приблизительно 100 окон) в дневные часы затрачивается меньше электроэнергии, чем на лампочку мощностью 60 Вт, а когда стекло находится в полностью прозрачном состоянии, затраты электроэнергии равны нулю.

Электрохромное стекло на оксидах металлов было разработано на средства федеральных грантов и прошло испытания в нескольких правительственных лабораториях США. Результаты испытаний показывают, что электрохромное стекло данного вида долговечно и может переходить из прозрачного в затемненное состояние и обратно более 100 000 раз без утраты функциональности.

Исследование, опубликованное ASHRAE в 1997 году, по электрохромному стеклу, созданному на тот момент, показало, что «умные» окна с таким стеклом, установленные преимущественно в помещениях, требующих отопления, в зимнее время увеличивают поступление тепла солнечной радиации по сравнению со стандартными окнами, тем самым снижая расходы на отопление. В летний период, когда требуется охлаждение помещений, «умные» окна существенно снижают теплопоступление и, соответственно, расход энергии на охлаждение. И в любом случае снижаются расходы на освещение (электроэнергию).

Единственное, что ограничивает возможности широкого применения описанного выше электрохромного стекла – скорость перехода из одного состояния в другое. Время перехода для небольшого окна из прозрачного в матовое состояние занимает от трех до пяти минут, и затемнение происходит неравномерно (от краев к центру окна). Для окон с большой площадью поверхности, а также при снижении температуры наружного воздуха временной интервал перехода увеличивается. Из-за этого средства управления обычно позволяют устанавливать систему только в два пограничных состояния: прозрачное и полностью затемненное.

В будущем, возможно, будут предложены промежуточные уровни затемнения. Кроме того, данная технология не позволяет реагировать на такие быстротекущие изменения, как движущиеся облака, снижающие поток солнечной радиации. То есть невозможна точная регулировка пользователем (или системой управления) интенсивности светового потока, попадающего в помещение в реальном времени.

Изменение светопропускной способности «умного» окна

Устройства со взвешенными частицами (SPD)

Окна с технологией SPD состоят из двух слоев стекла (или прозрачного пластика) с проводящим покрытием внутренних поверхностей. Пленочный слой, содержащий малые взвешенные частицы специально разработанного химического состава, заключается между двумя слоями стекла. Стандартное распределение этих частиц таково, что они случайно направлены и блокируют до 99,75 % падающего света, проходящего сквозь стекло. При подаче переменного тока на проводящие слои взвешенные частицы ориентируются по электрическому полю и пропускают световой поток. Контроль подаваемого напряжения позволяет непрерывно регулировать пропускную способность стекла от прозрачного, даже более прозрачного, чем у обычного окна, до практически полностью затемненного.

Диапазон светопропускной способности такой оконной конструкции зависит от количества взвешенных частиц в пленке и может составлять от менее 1 % до 50 %. Возможны и более широкие диапазоны.

Переключение SPD-стекла происходит очень быстро и не зависит от размера окна и температуры воздуха. Обычно окно переходит из одного пограничного состояния в другое (от затемненного к прозрачному) приблизительно за одну секунду, а в обратном направлении – менее чем за три секунды. Разработчик считает быстрое переключение существенным конкурентным преимуществом «умных» окон, использующих технологию SPD.

Это позволяет не только точно настраивать уровень интенсивности поступления светового потока в помещение в любое время, но и проектировать системы управления, реагирующие на конкретные условия освещенности, и учитывать занятость помещения в реальном времени. Напряжение может подаваться (отключаться) на оконную конструкцию мгновенно по сигналу различных датчиков. Система управления может быть запрограммирована на оптимальный уровень освещения и энергопотребления с поминутной разбивкой в течение дня и учитывать наличие людей в помещении и наружные климатические условия. Систему также можно запрограммировать на внесение необходимых изменений в зависимости от смены времен года.

Поскольку технология SPD основана на использовании ламинированной пленки SPD на стеклянных или пластиковых поверхностях, она может применяться на искривленных и неправильной формы поверхностях. Светопрозрачные поверхности, использующие технологию SPD, прошли испытания в ускоренном режиме в специальных климатических камерах и продемонстрировали отличную надежность. Количество переходов от одного состояния к другому неограниченно, и для этого требуется совсем небольшой объем энергии.

Потребление электроэнергии максимальным числом, которое может находится в помещении, больших SPD-окон в прозрачном состоянии не превышает расхода на обычный ночник. И, конечно, SPD-окна совсем не потребляют электроэнергию в состоянии полного затемнения.

Технология SPD уже широко применяется, например, в самолетах, транспортных средствах специального назначения, таких как скорая помощь и автомобили инкассаторов. Все крупные производители автомобилей рассматривают возможность использования технологии SPD в своей продукции. SPD-окна установлены во многих коммерческих и жилых зданиях. Крупнейший в мире на сегодняшний день SPD-проект недавно был завершен в здании Медицинской информации и переходных наук Медицинской школы Университета Индианы.

Энергосберегающий потенциал

Согласно Сборнику данных по энергопотреблению зданий за 2008 год (2008 Building Energy Databook), в США в 2006 году на здания пришлось 39 % от общего энергопотребления и 73 % потребления электричества. Согласно исследованиям Энергетической комиссии штата Калифорнии за 2006 год, электрохромные окна обеспечивают 44 % экономии расхода энергии на освещение по сравнению с базовым сценарием (без осуществления контроля дневного освещения). Кроме того, за счет охлаждающих возможностей «умных» окон в ясные солнечные дни отмечено снижение на 19–26 % пиковых нагрузок, связанных с работой систем кондиционирования воздуха.

Рыночные факторы

Рынок «умных» окон, основанных на вышеописанных технологиях (и других, которые будут предложены в будущем), уже довольно велик. Поэтому, приступая к выбору нужной технологии для конкретного применения, следует оценить все преимущества и недостатки, а также отметить основные различия данных технологий, начиная с того, что одна под действием электрического тока затемняет стекло, а другая делает его прозрачным. Одно это различие уже может стать решающим при выборе. Другим важным моментом является время (скорость) перехода из одного состояния в другое и, конечно, относительная экономия энергии.

На данный момент нет исследований, непосредственно сравнивающих описанные технологии по стоимости, преимуществам и времени окупаемости. Конечным решающим фактором для занятия и расширения определенной рыночной ниши может оказаться то, насколько и как быстро каждый производитель сможет снизить цены на такую продукцию.

Материал предоставлен журналом ASHRAE, июль 2009 года