С развитием строительных технологий стеклянные кровли стали очень популярны у архитекторов и заказчиков. Сейчас можно встретить немало разнообразных вариантов светопрозрачных кровель, начиная с простого остекления односкатных крыш и заканчивая сложной геометрией куполов и пирамид. Одним из важных аспектов проектирования зданий со стеклянными крышами является необходимость предотвращения образования конденсата.
Причины выпадения конденсата
Выяснение причин возникновения конденсата на поверхности остекления светопрозрачных кровель требует комплексного подхода. Как правило, это является результатом ошибок проектирования здания и его инженерных систем. Стандарты на оконные блоки не нормируют образование конденсата на поверхности стекла, так как это явление зависит от целого комплекса сторонних факторов.
Основные причины его возникновения:
• понижение температуры воздуха на улице (как следствие – понижение температуры на поверхности ограждающей конструкции);
• повышение влажности воздуха в помещениях;
• плохая работа системы вентиляции, нарушение конвекции;
• ошибки в изготовлении профильной системы и фурнитуры (особенно открывающиеся элементы), которая в недостаточной степени обеспечивает необходимые прижимные усилия и во время морозов пропускает холодный воздух в помещение, тем самым смещая «точку росы» в критическую зону.
Из официального письма начальника Управления технического нормирования Госстроя России В.В. Тишенко от 21 марта 2002 г. № 9-28/200: СНиП II-3-79* ограничивает возможность образования конденсата косвенно, устанавливая обязательные требования к сопротивлению теплопередачи оконных блоков. Стандарты на оконные блоки не нормируют образование конденсата, так как это явление зависит от комплекса сторонних факторов: влажности воздуха в помещении (как правило, выше 35-40%), конструктивных особенностей узлов примыканий оконных блоков, недостаточной конвекции воздуха по внутреннему стеклу и др.
При этом ГОСТ 24866-99 не допускает выпадение конденсата внутри стеклопакета, которое следует считать значительным дефектом, приводящим к снижению нормируемых эксплуатационных характеристик.
Появление на внутренней поверхности стекла конденсата наступает при достижении «точки росы» (рис. 1, 2) и является первым шагом к промерзанию светопрозрачной кровли. При низкой температуре воздуха на улице температура на внутренней поверхности остекления окажется существенно ниже температуры воздуха внутри помещения (в середине помещения на высоте 1,5 м от пола). В этом случае при высокой влажности внутри помещения возможно выпадение конденсата на поверхности остекления или образование изморози.
Температура воздуха, при которой будет происходить запотевание окон и выпадение на них конденсата, можно определить по формуле:
Еще раз подчеркнем, что вероятность образования конденсата на оконной конструкции будет уменьшаться пропорционально снижению влажности воздуха в помещении, при соблюдении элементарных условий по вентиляции. Ведь не секрет, что конденсат не образуется там, где помещение хорошо проветривается и воздух достаточно сух. Особенно остро проблема конденсата касается зимних садов и бассейнов, в которых неизбежна повышенная влажность.
Тем не менее, еще на стадии проектирования объекта можно максимально снизить вероятность образования конденсата на поверхности светопрозрачной кровли, заложив в проект те или иные конструктивные решения, например — обеспечив определенную температуру поверхности стекла.
В книге «Проектирование современных оконных систем гражданских зданий»* отмечается, что при проектировании остекления поверхностей, расположенных горизонтально или под углом к горизонту (мансардные окна, стеклянные крыши и т.п.), необходимо учитывать тепловое излучение стекла в сторону небосвода, которое может привести к выпадению конденсата на поверхности или образованию наледи (преимущественно в ночное время).
Как показывает российский опыт эксплуатации современных окон, на вертикально расположенных однокамерных пакетах (даже несмотря на относительно малое термическое сопротивление) практически никогда не образуется наледь. Однако стоит такой пакет установить в наклонное мансардное окно или в крышу зимнего сада – образование инея становится скорее правилом, чем исключением. Величина теплопотерь при наклонном остеклении настолько значительна, что не позволяет использовать в данном случае для теплотехнического расчета те же формулы, как и для вертикального остекления.
На рис. 3 приведены данные экспериментальных изменений теплопотерь в ночное время через стеклопакет, имеющий термическое сопротивление R0 = 1,1 м2 °С/Вт и установленный под углом 30° к горизонту. Излучательная способность наружного стекла, обращенного в сторону небосвода, e = 0,84.
Как видно из рис. 3, при установке стеклопакета в наклонном положении теплопотери в сторону небосвода достаточно велики даже при очень высоком термическом сопротивлении (R0 = 1,1 м2 °С/Вт). С этой точки зрения, по мнению авторов книги «Проектирование современных оконных систем гражданских зданий», действенной мерой может послужить установка в таком стеклопакете низкоэмиссионного стекла. Другим решением, по мнению авторов, может служить применение электроподогреваемых стеклопакетов. Об этих решениях и пойдет речь ниже.
Николай Коломейченко, региональный менеджер компании «AGC Flat Glass Россия»
Конечно, есть письмо Госстроя, согласно которому стандарты на оконные блоки не нормируют образование конденсата, однако существуют и санитарные требования к зданиям. Повышенная влажность в помещениях отрицательно сказывается на состоянии мебели, стен и потолков, приводит к формированию нездорового микроклимата, развитию плесени и грибков. Таким образом, проблема конденсата – это не только эстетическая проблема. Проектирование светопрозрачных конструкций подразумевает комплекс мероприятий, учитывающих нагрузки, вопросы энергосбережения и солнцезащиты. В качестве одной из мер борьбы с конденсатом можно обеспечить высокий уровень конвекции под стеклом путем организации специальной перфорации в алюминиевом профиле.
Применение энергосберегающего стекла
Рис. 4. Принцип «работы» низкоэмиссионного стекла
Один из путей предотвращения образования конденсата — улучшение теплофизики стеклопакета путем применения низкоэмиссионного энергосберегающего стекла.
Низкоэмиссионное стекло представляет собой стандартное флоат-стекло, на одну из сторон которого нанесено специальное прозрачное покрытие.
Основным показателем, характеризующим способность стекла отражать тепловое излучение, является его излучающая способность (Е) или – «коэффициент эмиссии». У обычных стекол коэффициент эмиссии составляет 0,83, а у низкоэмиссионных может доходить до 0,03, при этом свыше 90% накопленного тепла будет отражаться назад в помещение. Чем меньше коэффициент эмиссии, тем эффективнее материал отражает тепло, тем выше его теплосберегающие свойства. Именно поэтому энергосберегающие окна называют также низкоэмиссионными.
Низкоэмиссионные стекла обладают высокой светопропускающей способностью и прозрачностью и, в то же время, обеспечивают достаточно высокие показатели коэффициента теплоизоляции, отражая тепловую энергию назад в помещение. Иными словами, благодаря своей прозрачности они позволяют солнечному свету проникать внутрь помещения, а аккумулированное внутри помещения тепло отражать внутрь помещения. Из-за такой избирательности низкоэмиссионные окна также называют селективными.
С технической точки зрения такие стекла представляют собой полированное стекло, на которое нанесено специальное покрытие из оксидов металлов, обеспечивающее снижение доли энергии, излучаемой стеклом в направлении этого покрытия. Низкоэмиссионное стекло отражает тепловое излучение, идущее изнутри, обратно в помещение (рис. 4). То есть, если в случае с обыкновенным стеклом, накопленная им энергия излучается с одинаковой интенсивностью как внутрь, так и наружу (что означает потери тепла), то в случае с низкоэмиссионным стеклом интенсивность излучения наружу многократно падает, соответственно уменьшаются теплопотери. Таким образом, уменьшаются теплопотери через окна (которые, при обычном остеклении, составляют около 50% всех теплопотерь здания).
В настоящее время применяются два типа покрытия, принципиально различающиеся по технологии нанесения – «твердое» и «мягкое».
«Твердое покрытие» (на основе оксида олова) наносится непосредственно на одной из стадий производства флоат-стекла за счет химической реакции пиролиза (разложения вещества под действием высоких температур). Во время этой реакции слой оксида олова оседает на поверхность горячего стекла, становясь неотделимой его частью. При этом образуется крепкое и прочное металлическое покрытие, которое является прозрачным и в то же время обладает электропроводностью, что, как известно, напрямую связано с излучательной способностью Е-поверхности. Величина излучательной способности стекла с твердым покрытием в несколько раз меньше, чем у обычного стекла. Твердые покрытия устойчивы к воздействию погодных условий и выдерживают воздействия температур до 620°С. Стекла с таким покрытием называют также k-стеклом.
«Мягкое покрытие» (на основе серебра) наносится на уже готовое флоат-стекло вакуумным напылением и удерживается на нем силами молекулярного взаимодействия. Состоит из нескольких тонких слоев серебра и диэлектрика, выбор которых зависит от требуемых характеристик остекления — излучательной способности, светопропускания, а также оптических свойств. Стекла с таким покрытием называют также i-стеклом.
В отличие от k-стекла i-стекло менее устойчиво к погодным и температурным условиям, механическим (абразивным) воздействиям. Однако при установке в стеклопакете покрытием внутрь воздушной камеры i-стекло имеет долговечность, сопоставимую с k-стеклом, а по своим теплосберегающим свойствам в полтора раза его превосходит. Поэтому во всем мире предпочтение отдается именно i-стеклу.
Применение низкоэмиссионного стекла позволяет повысить температуру поверхности стеклопакета, которая, таким образом, не достигает «точки росы».
Говоря о низкоэмиссионных стеклах и их повышенных теплосберегающих свойствах, нелишним будет отметить, что использование низкоэмиссионных стекол позволяет не только снизить вероятность образования конденсата в холодное время года, но и в некоторой степени снизить тепловую нагрузку на помещения в летнее время. Это очень важно для зданий с большой площадью остекления кровли. Двухкамерный стеклопакет с обычным стеклом пропускает в помещение приблизительно 70% всего солнечного излучения, падающего на оконную конструкцию, а с низкоэмиссионным стеклом, например, марки Planibel Top N — до 58%.
Оптимальным решением для остекления кровель является применение однокамерных стеклопакетов с энергосберегающими стеклами. Во-первых, такой однокамерный стеклопакет имеет даже лучшие характеристики по энергосбережению, чем двухкамерный стеклопакет с обычным стеклом. Во-вторых – однокамерный стеклопакет, включающий в себя стекло с мягким напылением, в настоящее время не дороже двухкамерного. И, в-третьих – однокамерный стеклопакет (при прочих равных условиях) легче двухкамерного, что облегчает перемещения на производстве, доставку, монтаж и снижает нагрузку на несущие конструкции здания.
В Европе 90% строительного остекления приходится именно на низкоэмиссионное стекло, в России за последние годы доля этого материала выросла с 5 до 20% в среднем по стране, причем такие стеклопакеты устанавливаются преимущественно на окна в частном порядке собственниками жилой или коммерческой недвижимости. В общероссийском масштабе, мы, в отличие от прагматичных граждан ЕС, с упорством, достойным лучшего применения, продолжаем «отапливать улицу».
Применение обогреваемого стекла
Второе решение проблемы образования конденсата – применение электрообогреваемого стекла. (О данном виде стекла журнал «Кровли» уже писал в № 4 (19) 2008.)
Главная задача применения электроподогреваемых стеклопакетов – предотвращение скопления на стеклянной кровле снежных сугробов. Тем самым значительно снижается металлоемкость несущих конструкций и повышается их безопасность, поскольку устраняются дополнительные снеговые нагрузки. Однако применение обогреваемого стекла позволяет также предотвратить образование конденсата, прогревая поверхность стекла и обеспечивая около него циркуляцию теплых воздушных потоков.
При производстве обогреваемого стекла в качестве активного сопротивления используется нанесенный на стекло сплошной прозрачный слой из оксидов благородных металлов. Нагревающий слой находится внутри стеклопакета, что исключает любую возможность контакта с ним.
Тепловая мощность, выделяемая поверхностью стеклопакетов с электронагревом, составляет до 350 Вт/м2 в зависимости от назначения стеклопакета и режима его использования. Электропитание осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В или 380 В частотой 50 Гц с заземлением, что позволяет автоматически регулировать температуру поверхности стеклопакета.
Производители низкоэмиссионного стекла в России:
• AGC Flat Glass Europe (Московская область);
• Guardian (Рязанская область).
Производители энергообогреваемого стекла:
• «Мосавтостекло»;
• «Сибирская стекольная компания»;
• «Метробор».
Высокие технологии завоевывают российский рынок
Постепенно высокотехнологичные стекла находят все более широкое применение при создании светопрозрачных кровель. Этому способствует, в числе прочего, и фактор расширения ассортимента со стороны производителей и поставщиков такого стекла благодаря развитию производств в нашей стране и поставкам продукции ведущих зарубежных производителей.
Конструкции из стекла позволяют по- новому решать вопросы декоративной выразительности зданий и сооружений, обеспечивать освещенность широких помещений большой площади, оригинально решать вопросы обзора внутри помещений и окружающей местности. Крыши со сбалансированными эксплуатационными характеристиками стеклянной кровли, бесспорно, имеют широкую перспективу при строительстве общественных, промышленных и уникальных зданий. Чтобы архитекторы и проектировщики имели возможность более свободно использовать стекло в кровельных системах, стекольные предприятия расширяют свой ассортимент.
Редакция благодарит компанию AGC Flat Glass Europe за помощь в подготовке статьи