CC BY
62
ПОЛИМЕРНАЯ СОЛНЦЕЗАЩИТА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ POLYMERIC SOLNCEZASITA IN CONSTRUCTION
, И.Л. Шубин, К.В.Люцько
, I. Shubin, K. Lutsko
НИИСФ PAACH
Рассматривается новое направление в энергосбережении - полимерная солнце-защита в строительстве. Авторами предложены три новые экструзионные технологии: способы получения и конструкции солнцезащитных монолитного, сотового двух-стеночного и наборного триплексного полимерных листовых стекол.
The new direction in power savings - polymeric sun protection in building is considered. Authors offer three new extrusion technology: ways of reception and a design of sun-protection monolithic, honeycomb double walled and composite triplexer polymeric sheet glasses.
Создание энергоэффективных материалов и конструкций, используемых для заполнений светопроёмов зданий различного назначения, является многогранной и сложной научно-технической задачей, решение которой будет способствовать реальному энергосбережению в строительстве.
Если оценить функции оконного проема в помещении, то со светотехнической точки зрения окно является источником естественного освещения и инсоляции, и является совершенно обязательным с позиции физиологии зрения и зрительной работоспособности человека. Исходя из этой логики, чем больше площадь светопроёма, тем лучше. Избыточная инсоляция может быть отрегулирована с помощью внутренних солнцезащитных устройств или обычных штор. С теплофизической точки зрения значительная площадь светопроёма является вредной, так как термическое сопротивление заполнений светопроёмов в несколько раз ниже, чем непрозрачных ограждений зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в холодные периоды года, и является источником избыточных теплопоступлений через световые проемы в теплый период года, что приводит к дополнительным затратам электрической энергии на кондиционирование воздуха. С этой точки зрения, чем меньше площадь светопроёма, тем лучше. Эти парадоксальные противоречия заставляют исследователей искать все новые решения разнонаправленных светотехнических и теплофизических требований к светопроёмам на основе энергосбережения и энергоэффективности.
Авторами предложен один из путей решения проблемы энергосбережения в строительстве. Разработан метод солнцезащиты помещений новыми полимерными стеклами и технологии их изготовления:
1. Солнцезащитного монолитного листа;
С.А.Сидорцев
S.Sidortsev
2. Солнцезащитного полимерного двухстеночного сотового листа;
3. Солнцезащитного наборного триплексного листа.
В последнее время произошёл резкий скачок в области разработок всевозможных полимерных листовых материалов. Они стали широко использоваться в строительстве в качестве заполнений светопроёмов, материалов для производства стеклопакетов, в качестве наружных ограждений балконов и лоджий, оранжерей, теплиц, пешеходных переходов и т.п. Повышается их доля в промышленном строительстве. На современном российском рынке листовых полимеров особенной популярностью пользуются листовые монолитные стекла из полиметилметакрилата - оргстекла.
Современный рынок оргстекла чрезвычайно разнообразен: на нем можно увидеть всевозможные виды этого материала - стекло литьевое и экструзионное, матовое и прозрачное, цветное, бесцветное или с рифлением. Стандартное оргстекло - отличная альтернатива силикатному стеклу, по сравнению с которым оно обладает рядом преимуществ. В частности, оргстекло не только до 10 раз превосходит обычное стекло по прочности, но и в 2,5 раза легче стекла. По тепло- и звукоизоляционным качествам лист оргстекла толщиной 2 мм аналогичен листу силикатного стекла толщиной 10 мм при одинаковой светопропускающей способности. По сравнению с другими прозрачными пластиками (поликарбонатом, полистиролом и полиэтилентерефталатом) оно обладает гораздо большей прозрачностью, более стойко к воздействию солнечного излучения, влажности и температурных факторов окружающей среды. По температурному диапазону эксплуатации, который составляет от -40°С до +(80^90)°С, оргстекло также превосходит многие пластики.
С точки зрения технологии изготовления выделяют две основные разновидности оргстекла - литьевое и экструзионное. Практически ничем не различающиеся внешне, эти разновидности оргстекла имеют немало различий в своем молекулярном строении и, соответственно, предназначены для применения в разных сферах.
Производство оргстекла методом экструзии осуществляется в два этапа. На первом этапе путем полимеризации изготавливается полуфабрикат, представляющий собой гранулированный полимер. Полученный полуфабрикат загружается в экструдер и подвергается нагреву до перехода в вязко-текучее состояние, а далее происходит профилирование и выдавливание вязко-текучего полимера, фиксация формы профиля термопласта в результате охлаждения до твердого состояния. Метод экструзии обеспечивает более высокую производительность по сравнению с методом литья; кроме того, он менее затратен в финансовом плане. У каждого из видов стекла, используемых в строительстве, есть свои достоинства и недостатки. Так, литьевое оргстекло отличается большей прочностью, оно более термостойко и устойчиво к воздействию химических веществ. Оргстекло, произведенное литьевым методом, легче обрабатывать, формовать и полировать. Достаточно велик и размер получаемого изделия - длина листа может достигать 6 метров. В строительстве литьевое оргстекло применяется для производства надежных и прочных конструкций, например, колонн, куполов или атриумов. По сравнению с литьевым экструзионное оргстекло хуже поддается обработке. Это связано с сохранением в листе остаточного напряжения, возникающего в результате механического воздействия. Главное преимущество экструзионного стекла заключается в возможности получить продукцию, размеры которой технологически не ограничены. Длина изделий из экструзионного стекла может быть до 12 метров. Кроме того, экструзионное оргстекло отличается более высокой стабильностью толщины. Сфера применения экструзионного оргстекла в строительстве - изготовление разнообразных
конструкций, например, витрин. Недостатком существующей экструзионной технологии получения оргстекла является то, что она не позволяет получить свето-прозрачные ограждения с высокими солнцезащитными свойствами: бесцветные прозрачные листовые ограждения из оргстекла не обладают солнцезащитными свойствами; цветные прозрачные листовые ограждения из оргстекла имеют плохую эффективность - при солнечном облучении незначительно задерживают солнечное тепло и свет, а при отсутствии облучения у помещений плохая зрительная связь с окружающей средой и пониженный уровень естественного освещения.
В НИИСФ РААСН разработан экструзионный способ получения и конструкция эффективного солнцезащитного монолитного листа из светопрозрачного полимера, в том числе из оргстекла [1]. Суть этого способа заключается в том, что в уже существующем экструзионном способе получения оргстекла выдавливание прозрачного полимера через выходное прямоугольное щелевое отверстие осуществляют при дополнительной подаче в головку основного экструдера вязко-текучего непрозрачного оргстекла из вспомогательного экструдера через дополнительные фильеры. Они устанавливаются между внутренними гранями верхней и нижней частей щелевого отверстия головки основного экструдера, и в процессе выдавливания непрозрачного полимера образуют наклонные плоскопараллельные слои толщиной К = (0,05 0,3) непрозрачного полимера, под углом а = (30 45)0 к горизонту, на расстоянии Ъ = (1 друг от друга, где € - расстояние меж-
ду верхней и нижней гранями прямоугольного щелевого отверстия, равного I = (10 +25) мм, с образованием плоской поверхности торцов непрозрачных плоскопараллельных слоев, размещенных на расстоянии 5 = (1,5 +4)мм от верхней и нижней плоских поверхностей прозрачного ограждения. Скорость подачи прозрачного полимера через прямоугольное щелевое отверстие и его температура должны быть равны скорости подачи непрозрачного полимера через выходные отверстия фильер и его температуре. Объемная производительность по непрозрачному полиметилме-такрилату вспомогательного экструдера УВСпом. связана с объемной производительностью по прозрачному полимеру основного экструдера Уосн соотношением:
V™ = _ Я' ^ , _ (м3/час), (1)
фпл.щел.отв. П ф
где п - количество фильер;
Бф - площадь выходного отверстия одной фильеры, м2 ;
8 пл.шел.отв - площадь плоскощелевого отверстия, м2.
Охлаждение листа ограждения до твердого состояния осуществляется на двух участках, причем скорость охлаждения ленты на первом участке выше скорости охлаждения её на втором участке. На рис. 1 изображена технологическая цепочка оборудования, на котором реализуется способ получения солнцезащитного монолитного листа из светопрозрачного полимерного пластика.
Обрвмцмш«
м резал шзя ыалша
Дозатор, я* ТО*
устройства смены фияьсрсен КЭСЕС
Джлннтатиш! узел в щииыямяю намлщуадо имюпогаю Рис. 1. Технологическая цепочка из оборудования для изготовления солнцезащитного монолитного стекла из полиметиметакрилата.
На рис. 2 проиллюстрирован способ получения монолитного солнцезащитного ограждения, где:
И - расстояние между соседними слоями непрозрачного полимера; К - толщина слоя непрозрачного полимера;
I - расстояние между верхней и нижней гранями прямоугольного щелевого отверстия;
а - угол наклона к горизонту слоев непрозрачного полимера.
Рис. 2. Способ получения монолитного солнцезащитного ограждения из полиметилметакрилата.
Процесс получения монолитного солнцезащитного листового материала состоит в следующем. Гранулы прозрачного полимера подаются в основной экструдер, и после их нагрева до пластичного состояния происходит подача вязко-текучей массы прозрачного полимера через головку основного экструдера и выдавливание массы через горизонтальное выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие со скоростью У1 и температурой Одновременно с этим процессом происходит подача гранул непрозрачного полимера во вспомогательный экструдер, где осуществляется их нагрев до пластичного состояния, подача вязко-текучей массы непрозрачного полимера через головку вспомогательного экструдера, трубопровод, подводящий непрозрачный полимер к головке основного экструдера, и распределительные патрубки к фильерам с одинаковой заданной геометрией выходных сечений, откуда происходит выдавливание со скоростью У2 = У1 массы непрозрачного полимера с температурой ^ = ^ в вязко-текучем состоянии в форме плоскопараллельных слоев , которые располагаются внутри замкнутого по периметру листа прозрачного полимера прямоугольной формы. На рис. 3 изображено устройство из солнцезащитного монолитного листа (это могут быть ставни или просто заполнение оконного проема). Конструкция такого ограждения является энергосберегающей, и оно может защищать помещения от перегрева солнечным излучением, салоны транспортных средств в дневное время, выполняя одновременно функции жалюзи и пассивного кондиционера.
«МОК^ППНМ» ПйЧЭ№4 -
5 -
'Н7ГЦ*
цнчхнк
Рис. 3. Конструкция солнцезащитного монолитного листа из полиметилметакрилата.
Угол наклона а плоскопараллельных слоев непрозрачного полимера ( рис. 2, 3 ) и расстояние Ъ между слоями определяются аналогично расчёту угла наклона ламелей жалюзи и расстояния между ними. Для географических территорий , ограниченных широтами от 10° до 55° с.ш. , расчетный защитный угол, определяющий расстояние между слоями непрозрачного пластика в ограждении, равен а = ( 30 + 45 )°, т.е. при
таком интервале угла наклона слоев расстояние между слоями равно Ь=(1^2)-£. Толщина слоев непрозрачного полимера К с одной стороны должна обеспечивать эффективное отражение солнечных лучей, с другой стороны исходя из соображений эстетического восприятия ограждения, слои непрозрачного полимера должны быть как можно тоньше. Таким образом, величина К является оптимизационным параметром. Наибольшая толщина монолитного ограждения €шах определяется техническими возможностями современных экструдеров и не превышает величины в 25 мм, а наименьшая толщина £га|п ограждения будет определяться техническими возможностями размещения фильер для выдавливания непрозрачного полимера в прямоугольном щелевом отверстии и не может быть меньше величины в 10мм. хПринципиальным в разработанном способе является необходимость обеспечения одинаковых скоростей выхода прозрачного полимера из замкнутого прямоугольного щелевого отверстия и непрозрачного полимера из фильер, т.е. У1 = У2 и их температур ^ = 12 . Только при этих условиях возможно получение ограждения с заданной геометрией солнцезащитных ламелей из непрозрачного полимера. Таким образом, технико-экономический эффект от использования разработанного способа изготовления и самой конструкции заключается в создании эффективных, достаточно простых в реализации и дешёвых как способов получения, так и самих устройств полимерных солнцезащитных энергосберегающих ограждений.
Не менее популярным и важным по своим характеристикам является такой материал, как сотовый поликарбонат. Он широко используется в строительстве в качестве материала для кровельного и вертикального остекления, начиная от жилых зданий и заканчивая спортивными объектами (стадионы, бассейны, теннисные корты), а также для объектов сельскохозяйственного назначения (теплицы). Высокие декоративные качества позволяют применять данный материал в наружной рекламе и в декоративном оформлении витрин и перегородок.
Современные технологии производства сотового поликарбоната позволяют создавать панели с очень тонкими стенками и малым весом без потери ударопрочных характеристик. Ячеистый листовой поликарбонат содержит воздух, находящийся в пустотах, образованных внутренней конструкцией листа. Именно воздух обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства этого листового материала, а ребра жесткости -большую конструктивную прочность по отношению к весу. Сотовый поликарбонат является высокотехнологичным строительным материалом и предназначен для конструирования светопрозрачных ограждений и конструкций. Поскольку лист этого материала выпускается размерами 2,1 мх12 м, это дает проектировщику широкие возможности для воплощения сложных инженерных задач. Панели сотового карбоната способны выдерживать значительные ветровые и снеговые нагрузки, материал химически стоек и экологичен, сохраняет свои свойства в диапазоне температур от -400С до + 120°С.
В помещениях с зенитными фонарями или в других закрытых помещениях с остеклением из сотового поликарбоната, остро стоит проблема кондиционирования воздуха и снижения температуры в теплые периоды года. Обычный цветной поликарбонат решает такие вопросы лишь отчасти, так как он способен снизить лишь светопро-пускание.
В НИИСФ РААСН разработаны способ получения и конструкция солнцезащитного двухстеночного профильного листа из поликарбоната [2].
На рис. 4 представлена технологическая цепочка оборудования, на котором может быть реализован способ получения двухстеночного ячеистого солнцезащитного профильного листа из поликарбоната или метилметакрплата.
I Н1У1Ц11 ЩИЯМ|1М1И| ЫШЫММ1 МММН1
ЦЛЦ^^ЛЛ'ЧЛ
Рис. 4. Технологическая цепочка из оборудования для изготовления солнцезащитного сотового двухстеночного профильного листа
На рис. 5 изображена конструкция двухстеночного солнцезащитного ограждения,
где :
И - расстояние между ламелями жалюзийной решетки; 5 - толщина светопрозрачной наружной стенки ограждения; К - толщина ламели жалюзийной решетки; I - толщина полимерного ограждения; а - угол наклона жалюзийной решетки.
Рис.5. Конструкция солнцезащитного полимерного сотового двухстеночного листа
Процесс получения двухстеночного солнцезащитного листового материала сводится к следующему. Из основного экструдера происходит подача вязко-текучей массы прозрачного поликарбоната и выдавливание массы через горизонтальное выходное замкнутое прямоугольное щелевое отверстие со скоростью V: и температурой 11. Одновременно с этим процессом происходит подача гранул непрозрачного полимера во вспомогательный экструдер, где осуществляется их нагрев до пластичного состояния, подача вязко-текучей массы непрозрачного полимера через головку вспомогательного экструдера, трубопровод, подводящий непрозрачный полимер к головке основного экструдера, и распределительные патрубки к фильерам с одинаковой заданной геомет-
рией выходных сеченнй, откуда происходит выдавливание со скоростью У2 = VI массы непрозрачного полимера с температурой 12 = 1! в вязко-текучем состоянии в форме плоскопараллельных слоев толщиной К, которые располагаются внутри замкнутого по периметру листа прозрачного полимера; при этом в местах сочленения непрозрачных плоскопараллельных слоев с внутренними верхней и нижней гранями стенок прозрачного ограждения образуются плоские поверхности.
В таблице 1 представлены физико-технические характеристики физической модели двухстеночного солнцезащитного ограждения из полиметилметакрилата.
Таблица 1.
Параметры и характеристика Примеры №
№1 №2 №3
Толщина ограждения £, мм 10 10 10
Угол наклона солнцезащитных слоев а, град.С 30 37 45
Расстояние между слоями Ъ, мм 20 20 20
Коэффициент светопропускания при плотности солнечного излучения 500 Вт/м2 0,31 0,26 0,21
Коэффициент теплопропускания при плотности солнечного излучения 500 Вт/м2 0,33 0,31 0,20
Наибольшей эффективности новый способ достигает в том случае, если солнцезащитный двухстеночный листовой полимер дополнительно снабдить замкнутой рамкой, размещаемой по периметру листа. При этом рамка должна обеспечивать герметичность внутреннего объёма, который заполняется теплоаккумулирующим веществом с обратимым фазовым переходом; причём при нагреве непрозрачное твёрдое вещество после фазового перехода становится прозрачной жидкостью (рис. 6).
Конструкция солнцезащитного двухстеночного теплоаккумулирующего листового полимера работает следующим образом. Теплоаккумулирующим веществом могут быть, например, композиции из смеси парафинов с соответствующими растворителями, или эвтектических солей с растворителями. При комнатной температуре аккумулирующее вещество находится в твёрдом состоянии и имеет равномерный белый цвет. При облучении экрана солнечными лучами вещество аккумулирует солнечное тепло в твёрдом состоянии, его температура повышается до температуры фазового перехода. При этой температуре оно плавится, становится прозрачным и одновременно аккумулирует тепло фазового перехода. Затем вещество в жидком состоянии нагревается до равновесной температуры, соответствующей плотности падающего солнечного излучения. Слои непрозрачного полимера работают в устройстве как ламели обычных солнцезащитных жалюзи. При снижении плотности потока солнечного излучения, экран отдаёт запасенное тепло, например в помещение, нагревая в нём воздух; экран при этом теряет прозрачность и становится полупрозрачным. При дальнейшем естественном охлаждении экрана вещество в нём постепенно мутнеет и становится полностью непрозрачным, образуя дополнительный теплоизоляционный слой, препятствующий потерям тепла из помещения наружу.
Утл ННЛОНВ »лкннйш' н *Ц]>1ъи
Герметичная рамка по периметру экрана'
Рис. 6. Солнцезащитный двухстеночный экран с теплоаккумулирующим веществом.
Перспективным направлением в создании солнцезащитных полимерных ограждений является разработка наборного триплексного стекла [3]. Основным элементом такой разработки является профильный элемент солнцезащитного ограждения из полиметилметак-рилата, который имеет поперечное сечение в виде ромба с толщиной 4-30 мм, получаемый способом экструзионного выдавливания на стандартном линейном экструдере. На рис. 7 представлен общий вид оборудования для его производства и схема выходного сечения фильеры головки экструдера. Особенностью разработки является то, что нижняя и верхняя грани элемента образуют с соответствующей вертикальной гранью угол, составляющий 300-450, а нижняя или нижняя и верхняя грани покрываются слоями для отражения солнечного излучения, или нижняя грань покрывается слоем, отражающим солнечное излучение, а верхняя грань - отражающим инфракрасное излучение.
Рис. 7. Оборудование для изготовления профильного элемента.
На рис. 8 показаны возможные конструкции солнцезащитных элементов, которые могут быть изготовлены способом экструзионного выдавливания со слоем соответствующего покрытия.
а
I
Рис. 8. Конструкции профильных элементов для наборного триплексного
стекла.
Если соединить профильные элементы верхними и нижними гранями соседних элементов, то образуется солнцезащитное ограждение; стыки между элементами конструкции выполняют функцию нерегулируемых ламелей, а само ограждение дополнительно может содержать внешние защитные слои. В качестве покрытий граней профильного элемента, могут быть использованы красители различных составов как на неорганической, так и на органической основе, в том числе на основе полимеров, например, составы, содержащие дисперсию сульфата бария в водном растворе силиката натрия или в виде суспензии в органическом связующем; составы, содержащие в качестве минеральных пигментов пирофосфаты магния, кальция, стронция, диспергированные в этилсиликате; составы, содержащие поливинилбутираль и оксиды олова, индия, сурьмы, а также соединения лантана; покрытие может быть получено вакуумным напылением металлов или с использованием современных нанотехнологий, а также в процессе соэкструзии элемента с одновременным нанесением соответствующих отражающих слоев.
При изготовлении солнцезащитного ограждения профильные элементы соединяются между собой либо с помощью адгезива, например, клея, либо путем, так называемой, сварки за счет нагревания до температуры, например, 1800С+50С, при которой происходит размягчение полиметилметакрилата, а при остывании поверхности граней соединяются прочно между собой.
В зависимости от конкретного применения солнцезащитное ограждение дополнительно может содержать внешние слои, выполненные из обычного стекла, или полимера, а также специального стекла, например, пуленепробиваемого или ударостойкого.
Угол наклона и расстояние между слоями определяют также как в вышеприведенных конструкциях. Такое солнцезащитное ограждение является энергосберегающим, так как защищает от перегрева и избыточной солнечной радиации помещение дома, или например, салонов транспортных средств в дневное время, выполняя одновременно функции жалюзи и пассивных кондиционеров, а также сберегать тепло в заданных объемах в вечернее и ночное время.
На рис. 9 и рис. 10 представлены варианты получения двухстеночных и трип-лексных листов из различных профильных элементов.
Рис.9. Варианты двухстеночного и триплексного листов из профильных элементов.
Рис. 10. Варианты двухстеночного и триплексного листов из профильных элементов.
Принцип объединения светопрозрачного ограждения с жалюзи в конструкциях монолитного, двухстеночного ячеистого и триплексного стекол и технологиях их изготовления является основой нового направления в энергосбережении - жалюзийной полимерной солнцезащиты в строительстве.
Литература:
1. Сидорцев С.А. Патент на изобретение № 2306397 «Способ получения и устройство солнцезащитного ограждения из полимерного материала».
2. Шубин И.Л., Сидорцев С.А., Люцько К.В. Заявка на изобретение № 201021540/03 от 21.07.2010 г «Способ получения и устройство двухстеночного ячеистого солнцезащитного ограждения».
3. Сидорцев С.А. Патент на изобретение № 2304682 «Элемент солнцезащитного ограждения из полиметилметакрилата и солнцезащитное энергосберегающее ограждение».
Literature:
1. Sidorcev S.A. Patent na izobretenie № 2306397 «Sposob polucheniya i ustroistvo solnceza-schitnogo ograjdeniya iz polimernogo materiala».
2. Shubin I.L., Sidorcev S.A., Lyuc'ko K.V. Zayavka na izobretenie № 201021540/03 ot 21.07.2010 g «Sposob polucheniya i ustroistvo dvuhstenochnogo yacheistogo solncezaschitnogo og-rajdeniya».
3. Sidorcev S.A. Patent na izobretenie № 2304682 «Element solncezaschitnogo ograj-deniya iz polimetilmetakrilata i solncezaschitnoe energosberegayuschee ograjdenie».
Ключевые слова: солнцезащита, экструзия, полимерный материал, технология изготовления, жалюзийная решётка.
Keywords: sun protection, extrusion, polymeric material, manufacturing techniques, louvered array
Авторы: Шубин Игорь Любимович.127238, Россия, г.Москва, Локомотивный проезд, дом 21;
тел. +7(495) 482-40-76, e-mail: niisf@ipc.ru ;
Люцько Константин Владимирович. 127238,Россия,г. Москва, Локомотивный проезд, дом
21; тел. +7 (499) 488-76-97, e-mail: svetoten09@rambler.ru .
