Светопрозрачная конструкция (варианты)
TRANSLUCENT STRUCTURE (VERSIONS)

Изобретение относится к области строительства, в частности к стекольной промышленности, а именно, к светопрозрачным конструкциям  и, может быть использовано  при производстве стеклопакетов для ограждения наружных проемов зданий и сооружений в виде окон,  витражей, стеклянных фасадов к зимним садам, атриумов, зенитных фонарей, покрытий для теплиц и дверей.
Обычно одинарный стеклопакет состоит из двух стёкол, расположенных параллельно на расстоянии друг от друга с образованием камеры (воздушной изоляции) и  соединенных по контуру с помощью дистанционной рамки (распорки  между стеклами)  при помощи герметика, образуя прочную, неразборную связку между стеклами и дистанционной рамкой стеклопакета, и обеспечивая  воздухонепроницаемость стеклопакета. Стенка дистанционной рамки, обращенная к внутреннему промежутку между стеклами, содержит маленькие отверстия, а полость дистанционной рамки служит для размещения осушителя,  предотвращающего конденсацию влаги на внутренней поверхности стекол при низкой температуре окружающей среды.
Известно, что на сопротивление теплопередаче стеклопакетов значимо влияет несколько параметров:
- газонепроницаемость камер после их заполнения;
- наполненность камер воздухом или инертными газами;
-  процентное соотношение  инертных газов при заполнении камер;
- наличие  покрытий низкоэммисионных или мультифункциональных на
стеклах;
-характеристики дистанционных рамок, определяющие  теплопотери  через краевую зону.
Энергоэффективность стеклопакета может быть увеличена путем добавления количества стекол и, соответственно, слоев воздушной изоляции (двухкамерные, трехкамерные стеклопакеты).  Воздушное пространство между стеклами для снижения переноса энергии может быть заполнено более плотным газом с более низкой теплопроводимостью, например аргоном, криптоном, ксеноном и гексафторидом серы.
2
Показатель сопротивления теплопередаче стеклопакета (R, м°С/Вт) зависит от толщины камеры, определяемой шириной дистанционной рамки-распорки. При увеличении толщины камеры до определенного значения показатель сопротивления теплопередаче стеклопакета увеличивается, а затем опять начинает уменьшаться, причём для каждого заполнения (воздух или инертный газ) существует оптимальная ограниченная ширина пространства, при которой теплопередача стеклопакета минимальна. При увеличении толщины камеры больше оптимальной начинается конвекция воздуха или газа внутри камеры, что приводит к увеличению теплопроводности. Оптимальная толщина газовой камеры и соответственно ширина дистанционной рамки зависят от климатических условий, в которых будет работать (использоваться) стеклопакет. Обычно (известно из  аналогов) оптимальное расстояние между стеклами варьируется в пределах 6 -16 мм, дальнейшее увеличение расстояния приводит к потере энергоэффективности стеклопакета.
Известен стеклоблок, содержащий как минимум два стекла,   разделенные между собой  с образованием камеры,  и покрытия на стекле (см. описание изобретения к патенту № 2432329 Российской Федерации «Оконный блок с изоляционным стеклом и способ его изготовления», МПК C08L 83/04,  C09K 3/10, E06B 3/66, C03C 27/10,  опубл. 27.10.2011).
Для регулирования поступления солнечной энергии стекла известного стеклоблока содержат многослойное покрытие, включающее защитное покрытие от ультрафиолетового излучения  и защитный слой от инфракрасного излучения, содержащее серебро.   Причем защитное покрытие от ультрафиолетового излучения расположено поверх покрытия для регулирования солнечной энергии на одном стекле, а на другом - не менее одного другого диэлектрического слоя, размещенного поверх защитного покрытия от инфракрасного излучения.
Наличие многослойных покрытий блокирует проникновение солнечной энергии внутрь помещения, поэтому известный стеклоблок  не может быть пассивным источником тепла.
Известна светопрозрачная конструкция,  содержащая стекла, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга и  соединенные по контуру с помощью дистанционной рамки  при помощи герметика с образованием камер, заполненных газом,  и покрытия, нанесенные на стекла, (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2 639 750 «Изолирующие стеклопакеты с низкоэмиссионными и антиотражающими покрытиями», МПК С03С 17/36, http://www1.fips.ru/wps/portal/IPC/IPC2014_extended_XML/?xml=http://www1.fips.ru/IPC2014_extended_XML/AIpc-20140101_subclass-C_XML\AIpc20140101-C03C.xml Е06В 3/66, опубл.  22.12.2017).
Первое и второе низкоэмиссионные покрытия нанесены на внутренние поверхности первой и третьей подложек, при этом первое стекло (подложка) обращено к внешнему пространству, а третье – к внутреннему пространству.
Кроме того, на противоположных поверхностях второй подложки размещено первое и второе антиотражающие покрытия, а в полостях  между смежными подложками размещен  инертный газ или смесь инертных газов, например,   таких как аргон, криптон, гексафторид  серы или им подобные, с кислородом или без него.
При нанесении низкоэмиссионного покрытия   на стекло существенно улучшаются теплотехнические характеристики стекла, а именно сопротивление теплопередаче остекления с применением стекла с низкоэмиссионным покрытием увеличивается, а коэффициент теплопередачи – уменьшается.
Наличие антиотражающих покрытий уменьшает проникновение солнечной энергии внутрь помещения,  поэтому известный стеклоблок  не может быть пассивным источником тепла.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является светопрозрачная конструкция,  содержащая стекла, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга и  соединенные по контуру с помощью дистанционной рамки  при помощи герметика с образованием герметичных камер, заполненных газом,  и покрытия, нанесенные на стекла, (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации «Светопрозрачная конструкция с подогревом» № 2 510 704, МПК Н05В 3/84,  опубл. 10.04.2014).
В известной светопрозрачной конструкции используют низкоэмиссионное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность   внешнего стекла и на поверхности каждого из внутренних стекол.  Кроме того, в известном устройстве на внутреннюю поверхность одного из внешних стекол  нанесено токопроводящее покрытие с  токоведущими дорожками, нанесенными  у противоположных кромок внешнего стекла методом напыления в два этапа из сплава цинк-алюминий и сплава медь-цинк, которые  размещены в зонах изолирующих и склеивающих прокладок из герметика, а к токоведущим дорожкам подведены провода электропитания.
Недостатком известного устройства    является его энергозависимость, так как известное устройство  является активным потребителем электрической энергии, в отличие от предлагаемого устройства, являющегося пассивным отопительным прибором, использующим энергию солнца. При этом размещение в известном устройстве поверхности с повышенной температурой в плоскости минимальных сопротивлений теплопередач делает ее энергонеэффективной, то есть максимизирующей теплопотери.
Технической задачей и техническим  результатом   является создание светопрозрачной конструкции с улучшенным комплексом  физических характеристик и с расширенными функциональными возможностями,  а именно повышенной энергоэффективностью,  сглаживающей  резкие перепады температур, увеличенной   тепловой инерцией,  а также   позволяющей  устанавливать данные светопрозрачные конструкции во все широко известные профильные системы и обеспечить тем самым возможность локального демонтажа элементов конструкции без нарушения теплового контура здания.
Технический результат достигается тем,  что  светопрозрачная конструкция (вариант 1)  содержит четыре стекла:  наружные и внутренние, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга и соединенные по контуру с помощью дистанционной рамки  при помощи герметика с образованием трёх камер, заполненных газом,  и покрытия, нанесенные на стекла, при этом камеры заполнены смесью газов криптона и аргона с воздухом, при  содержании остаточного воздуха не более 10%, при этом содержание криптона составляет не менее 50%, дистанционные рамки выполнены шириной 8 - 16 мм, а в качестве стекла использовано стекло просветлённое, при этом низкоэмиссиионное покрытие расположено с внутренней стороны минимум на двух стеклах.
Технический результат достигается тем,  что  светопрозрачная конструкция (вариант 2)  содержит  четыре стекла: наружные и внутренние, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга и  соединенные по контуру с помощью дистанционной рамки  при помощи герметика с образованием трёх камер, заполненных газом,  и покрытия, нанесенные на стекла,  отличающаяся тем,  что камеры заполнены смесью газов криптона и аргона с воздухом, при  содержании остаточного воздуха не более 10%, при этом содержание криптона составляет не менее 50%, дистанционные рамки выполнены шириной 8 - 16 мм, в качестве наружных стёкол использованы стёкла просветлённые, а  в качестве внутренних  –  стёкла отличные от стёкол просветлённых, а низко-эмиссиионное покрытие расположено с внутренней стороны минимум на двух стеклах.
Кроме того, дистанционные рамки выполнены из материала с критерием тепло потерь   Ψ (пси) не более 0,04 Вт/м ˚С.
Кроме того, внутренние стёкла  могут быть выполнены из обычного оконного стекла или из светопрозрачного материала – пленки.
Кроме того, наружное стекло может быть выполнено из стекла самоочищающегося  просветленного.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция  позволяет:
- повысить энергоэффективность  за счет использования просветленных стекол, газовых смесей с лучшим коэффициентом теплопроводности (лямбдой) и  наличия нескольких низкоэммисионных покрытий;
- сглаживать резкие перепады температур,  за счет высокого сопротивления теплопередаче, в результате чего предлагаемая конструкция имеет большую тепловую инерцию и при резком изменении температуры на улице, и  характеристика сопротивления теплопередаче будет меняться дольше (в течение нескольких часов) при неизменной температуре воздуха внутри помещения.
- снизить конвекцию за счёт выполнения  камер толщиной 8 - 16 мм;
При заполнении камер   смесью инертных газов криптоном и аргоном оптимальная ширина дистанционных рамок  составляет от 8 до 16 мм. При увеличении ширины дистанционных рамок  больше 16 мм происходит увеличение конвекционных теплопотерь  при климатических данных Российской Федерации, а при уменьшении ширины дистанционных рамок менее 8 мм может происходить слипание стекол и образование эффекта линзы, кроме того   усложняется процесс заполнения стеклопакета  газом.
2
Дистанционная рамка шириной более 16 мм  может быть применена только при размерах стеклопакетов более 4м для обеспечения величины прогиба стекла не более ½ ширины дистанционной рамки.
Незначительные межстекольные пространства (8 – 16мм) позволяют монтировать предлагаемую светопрозрачную конструкцию практически во все широко известные профильные системы как из ПВХ, так из алюминия с термовставками, в композитные рамы   и деревянные рамы, а также снизить конвекцию, повысить звукоизоляцию, обеспечить возможность локального демонтажа элементов конструкции без нарушения теплового контура здания.
Кроме того, наличие в смеси криптона позволяет  увеличить срок  службы заявленного стеклопакета в разы  и приводит к долгосрочному сохранению характеристик, как теплоизоляции, так и шумоизоляции. Данное свойство обусловлено тем, что размер молекулы криптона больше чем молекулы стандартного газа аргона или воздуха, которым заполняют камеры стеклопакета, а так как молекула больше, то по закону Гремма процессы эффузии газов из камер стеклопакета значимо снижаются.
Наличие низкоэмиссиионных покрытий позволяет  повысить энергоэффективность, снизить теплопотери в холодное время, сгладить резкие перепады температур, обеспечить возможность применения при строительстве зданий менее мощных источников тепла.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция иллюстрирована чертежами, где  изображен её поперечный разрез.
Светопрозрачная конструкция, выполненная по варианту 1, содержит два   наружных стекла  1 и 2 и два внутренних стекла  3 и 4  толщиной  1,2 - 5мм,   расположенные параллельно друг другу, и объединенные в один стеклопакет  с помощью дистанционной  рамки 5 шириной от 8 до 16 мм,    первичного герметика 6 и вторичного герметика 7 с образованием  трёх   газонепроницаемых  камер  8.
Камеры 8 заполнены смесью газов криптона не менее 50%, аргона и остаточного воздуха не более 10%.
Стёкла  1, 2, 3 и 4 выполнены  просветленные.   Наружные стёкла 1 и 2, а также одно  из внутренних стёкол 3 или 4 выполнены из просветленного стекла с предварительно нанесенным  низкоэмисионным  покрытием  9, 10 и 11 соответственно с коэффициентом эмисивитета от 0,01 до 0,06.
Низкоэмиссионное покрытие позволяет существенно улучшить теплотехнические характеристики стекла (сопротивление теплопередаче остекления с применением такого стекла повышается, а теплопроводность - понижается).
Светопрозрачная конструкция, выполненная по варианту 2, содержит  два     наружных стекла 1 и 2 и два внутренних стекла  3 и 4,  расположенные параллельно друг другу, и объединенные в один стеклопакет  с помощью дистанционной  рамки 5 шириной от 8 до 16 мм,    первичного герметика 6 и вторичного герметика 7 с образованием  трёх   газонепроницаемых  камер  8.  В качестве наружных стёкол 1 и 2 использованы стёкла просветлённые, а в качестве внутренних стёкол 3 и 4 - стёкла отличные от просветлённых, например из  обычного оконного стекла или  использованы светопрозрачные материалы – пленки в виде высокопрочной полимерной мембраны с низкоэмиссионным  покрытием,   «натянутой» в межстекольном пространстве стеклопакета  (см.http://www.eagfacades.com/Technologies/ heat.html).
В качестве наружных стёкол 1 и 2 использованы стёкла просветленные   с предварительно нанесенными низкоэмисионным  покрытием  9, 10 соответственно с коэффициентом эмисивитета от 0,01 до 0,06.
Использование в качестве внутренних стёкол 3 и 4  светопрозрачных материалов – пленки  позволяет  дополнительно снизить  вес  светопрозрачных конструкций.
В качестве наружного стекла 1  для более комфортной эксплуатации окон может  быть использовано стекло самоочищающееся,  обеспечивающее чистоту светопрозрачных конструкций и не требующее регулярного ухода.
В качестве наружного стекла 1  может  быть использовано  стекло просветлённое  с нанесением пленки или  напыления.
На  наружное стекло 1  как по варианту 1 или 2 может быть нанесён  спрей антигрязь, для повышения коэффициента пропускания солнечного света и солнечной энергии в реальных условиях эксплуатации.
Светопрозрачную конструкцию изготавливают следующим образом.
Изготовление стеклопакетов начинается с точной резки и подготовки стёкол как наружных 1 и 2, так  и внутренних 3 и 4, как с предварительно нанесенными низкоэмисионным  покрытием   9, 10 и 11, в зависимости от варианта исполнения светопрозрачной конструкции. Затем  низкоэмисиионное покрытие 9, 10 и 11 в плоскости дистанционных рамок 5 частично снимают, после чего  при помощи дистанционной рамки  5,  первичного герметика 6 склеивают в трехкамерный стеклопакет с образованием трёх газонепроницаемых  камер  8.
Затем производят  контроль газонепроницаемости камер 8. В случае подтверждения газонепроницаемости камер 8   производят  последовательное поэтапное заполнение каждой газовой камеры 8 смесью газов.
В таблице  приведены физические характеристики светопрозрачных конструкций, выполненных по вариантам 1 и 2.
Предлагаемую светопрозрачную конструкцию можно использовать как в
качестве глухого (неподвижного, не открывающегося) остекления так и открывающегося (оконного и дверного) остекления, которое может встраиваться в глухое витражное остекление.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция при установке на южных, западных и восточных фасадах зданий  может служить обогревательным прибором в зимний период времени для большей части климатических зон Российской Федерации, так как теплопоступления через данную конструкцию при умеренном затенении больше, чем теплопотери.
Светопрозрачная конструкция может быть использована зимой как пассивный прибор отопления, не требующий при этом дополнительных энергоресурсов, что  обеспечивает автономность зданий от систем центральных коммуникаций и снижает уязвимость зданий (время до замерзания гидравлических систем здания) от аварий на центральных системах теплоснабжений, газоснабжения или электроснабжения, увеличивая время производства аварийных работ до понижения температуры внутри здания до критического уровня.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция может быть  использована при реализации зданий в отдалении от центральных коммуникаций, автономных зданий, а также  в зданиях повышенной значимости, таких как больницы, родильные дома и т.д.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция может быть использована в транспортных средствах, для понижения затрат на отопление и кондиционирование, а также увеличения автономности данных транспортных средств в случае аварийной ситуация, в том числе может использоваться на кораблях, поездах и т.д.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция может быть использована в аэропортах, для повышения акустического комфорта людей внутри здания и прочих зданиях, где необходимо снижение уровня шума.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция позволяет получить  повышенные теплоизоляционные показатели, защиту от рентгеновского излучения, улучшенные характеристики акустического комфорта внутри помещения или между помещениями одного здания.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция в виду высокого сопротивления теплопередаче позволяет отказаться от традиционного размещения обогревательного прибора под оконными проемами со светопрозрачной конструкцией, уменьшает мощность отопительных приборов, а в отдельных случаях может, приводит к отсутствию необходимости в отдельной системе отопления.
Предлагаемая светопрозрачная конструкция снижает риск полного замораживания дома в случае отключения от центральной системы отопления или газоснабжения или электроснабжения, а также может быть использована в местах удаленных от коммуникаций для повышения автономности здания и снижения потребности в энергии для отопления или кондиционирования.
В таблице   представлены физические характеристики   предлагаемой  светопрозрачной конструкции.
Таблица
Физические характеристики
Предлагаемая светопрозрачная конструкция
Показатель сопротивления теплопередаче R, м<sup>2</sup> С/Вт, при дельте температур 23,1 С, по центру стеклопакета
Более 2,0
Коэффициент теплопередачи, U, Вт/м<sup>2</sup> С, при дельте температур 23,1 С, по центру стеклопакета
Менее 0,5
Звукоизоляция, Дб
Более 40
Отсечение рентгеновского излучения
Есть
Пропускание солнечной энергии, %
Более 45