Интеллектуальные системы фасадного остекления – возможности и проблемы применения

На строительный сектор приходится более трети мирового потребления энергии и около 26 % мировых выбросов, связанных с энергетикой, причём 8 % составляют прямые выбросы тепла от зданий и 18 % — косвенные (от производства электроэнергии и тепла, используемых в зданиях). Эти цифры относятся к потреблению энергии, связанному со строительством, отоплением, охлаждением и освещением жилых домов и нежилых зданий, а также приборов и оборудования, установленных в них. Эффективное проектирование зданий и интеграция высокоэффективных теплоизоляционных материалов, а также инновационных компонентов в настоящее время являются наиболее действенными методами в обеспечения теплового комфорта жильцов. В частности, принятие хорошо спроектированных ограждающих/фасадных конструкций зданий особенно важно, учитывая их длительный срок службы и связанную с этим стоимость эксплуатации. Окна, как правило, являются основным источником неконтролируемой теплопередачи, поскольку солнечный нагрев играет немалую роль в энергетическом балансе застроенной среды: летом они часто приводят к перегреву (и, как следствие, к необходимости больших нагрузок на охлаждение), а зимой они становятся значимой причиной тепловых потерь.

Эволюция строительных материалов, фасадных систем и компонентов за последние двадцать лет привела фасадный сектор к желанию преобразовать оболочку здания в адаптивную. Сначала строительные организации стали делать тёплое фасадное остекление, вместо холодного контура, а сейчас продвинулись ещё дальше — к принятию различных передовых технологий интеллектуального остекления, в качестве жизнеспособных заменителей традиционных высокопроизводительных статических систем остекления.

В последние годы появившиеся технологии интеллектуальных окон предоставляют многообещающее и практичное решение для снижения потребления энергии на кондиционирование воздуха в зданиях. Если говорить конкретно, интеллектуальные окна могут динамически настраивать пропускаемость солнечного света, переключаясь между прозрачным и непрозрачным состояниями, чтобы регулировать приток солнечного тепла в помещения, тем самым снижая потребность в энергии и одновременно поддерживая тепловой комфорт. Интеллектуальные окна можно разделить на электрохромные, фотохромные, механохромные и термохромные. Принцип действия основан на различных стимулах для активации регулирования пропускания. Технологии интеллектуального остекления обычно различают на пассивные и активные. Пассивные системы — это те, которые автоматически изменяют своё оптическое состояние из-за фазового изменения в интеллектуальном материале, вызванного изменениями внешних граничных условий (например, температуры или солнечного излучения).

Среди вышеупомянутых интеллектуальных окон термохромные окна характеризуются простой структурой, относительно низкой стоимостью, высокой механической прочностью, долговременной коррозионной стойкостью, плотностью света и пассивным способом реагирования (т. е. изменением цвета в ответ на температуру окружающей среды без необходимости в электричестве или человеческом контроле). Термохромное стекло представляют собой многообещающее и практичное решение для снижения энергии кондиционирования воздуха в здании за счёт автоматического снижения солнечного излучения через окна, которое создаёт большие нагрузки на системы кондиционирования воздуха. Солнечное излучение, проходящее через такие умные окна, немедленно поглощается воздухом в помещении, что игнорирует отклонение комфорта для обитателей. В области смарт-окон исследовательские усилия сосредоточены на материалах, которые направлены на максимизацию светопропускания термохромных материалов и способности солнечной модуляции, настройку температуры перехода переключения цвета, улучшение стабильности и долговечности материала, а также снижение общих затрат. В настоящее время наиболее изученный термочувствительный материал, применяемый в термохромных смарт-окнах, включает диоксид ванадия, гидрогель и перовскит.

Фотохромные решения являются экономически эффективными, поскольку им не нужны дополнительные устройства или системы нагрева для фотохромного процесса. Основная концепция для фотохромных окон, основана на способности контролировать пропускание видимого спектра и инфракрасных лучей, за счёт изменения молекулярной структуры или состояния окисления между двумя различными состояниями с различными уровнями термодинамической энергии. Самый простой способ заключается в использовании гибридной фотохромной плёнки, преобразующей длину волны солнечного излучения. Как правило, напыление фосфорновольфрамовой кислоты имеет свойство изменять цвет под воздействием УФ-излучения и снова становиться бесцветной под воздействием света видимого спектра.

Но активные интеллектуальные системы имеют больший потенциал, так как могут управляться для перехода в одно из их состояний оттенка посредством подачи внешнего сигнала, обычно с использованием электрического тока или дифференциала напряжения. Это позволяет программировать их и адаптировать к различным контекстам и потребностям. Электрохромные и жидкокристаллические технологии активного интеллектуального остекления являются наиболее распространёнными. Они позволяют модулировать оптические свойства (т.е. пропускание, поглощение или отражение) стекла для придания ему различных оттенков, включая чистый (т.е. прозрачный) и тёмный (т.е. окрашенный) внешний вид, чтобы обратимо регулировать общее видимое и суммарное пропускание солнечного света.

Эффективность этих систем в снижении потребления энергии была продемонстрирована в различных типах зданий в разных географических точках. Однако результаты не всегда были однозначными и часто зависели от типа статического остекления, используемого в качестве эталона (обычно это не высокоэффективное селективное остекление), а также от применяемой логики управления. При развёртывании с соответствующим контролем они могут быть весьма эффективными в снижении пиковых нагрузок на охлаждение и в модулировании дневного света для экономии электроэнергии на освещении при одновременном снижении бликов. Установка интеллектуального электрохромного остекления по периметру здания может обеспечить первичную экономию энергии на 10-20%. А в средиземноморском климате такие стёкла показали экономию до 37 кВт*ч в месяц с квадратного метра для фасадов, выходящих окнами на восток или на запад, и годовую экономию энергии до 54%.

Эти результаты подчёркивают, что преимущества внедрения интеллектуального остекления во многом зависят от принятых стратегий управления, направленных на повышение энергоэффективности и/или визуального комфорта, в дополнение к внутренним характеристикам системы фасадного остекления, а также оптической контрастности и теплоизоляции.

Надо признать, что доступные в настоящее время системы электрохромного остекления имеют внутреннее ограничение. Они используют тонкие плёнки оксидов переходных металлов в качестве активных материалов, которые обычно выращиваются с помощью дорогостоящих физических процессов испарения. Это ограничение, наряду с относительно высокой стоимостью, по-прежнему является основным препятствием для широкого распространения этой технологии на рынке. В идеале, интеллектуальное динамическое окно, универсально применимое для всех типов зданий и климатических зон, должно иметь возможность независимо контролировать видимый (VIS) коэффициент пропускания и поток солнечного тепла. Это означает, что независимое управление видимым и ближним инфракрасным областями солнечного спектра является ключевой целью для разработки современных динамически переключаемых окон и будет способствовать оптимальной энергоэффективности в системах отопления, охлаждения и искусственного освещения здания. Они в принципе могут позволить пользователям зданий динамически отфильтровывать количество теплового излучения, проходящего через окно, посредством блокирования/отсечения солнечного тепла в жаркие летние дни и обеспечивать радиационный обогрев солнечным светом внутренних интерьеров в зимних условиях.