CC BY
89
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2019, №2, Том 11 / 2019, No 2, Vol 11 https://esj.today/issue-2-2019.html URL статьи: https://esj.today/PDF/70SAVN219.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Копылов А.Б., Любин Н.С., Герасимова В.О. Применение аэрогеля при остеклении фасадов зданий // Вестник Евразийской науки, 2019 №2, https://esj.today/PDF/70SAVN219.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Kopylov A.B., Liubin N.S., Gerasimova V.O. (2019). The use of aerogel glazing facades of buildings. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(11). Available at: https://esj.today/PDF/70SAVN219.pdf (in Russian)
УДК 691 ГРНТИ 67.09.45
Копылов Андрей Борисович
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет», Тула, Россия
Профессор Доктор технический наук E-mail: [email protected] РИНЦ: http://elibrary.ru/author_profile. asp?id= 119690
Любин Никита Сергеевич
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет», Тула, Россия
Студент
E-mail: [email protected] ORCID: http://orcid.org/0000-0002-2196-7064
Герасимова Виктория Олеговна
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет», Тула, Россия
Магистрант E-mail: [email protected]
Применение аэрогеля при остеклении фасадов зданий
Аннотация. В данной статье представлены возможности внедрения в строительную практику одного из инновационных строительных материалов в области остекления - аэрогеля - нанопористого материала, изготовленного на основе диоксида кремния. Этот материал характеризуется следующими свойствами: низкой плотностью, низкой теплопроводностью, хорошей светопроницаемостью, превосходной огнестойкостью и сильным акустическим сопротивлением. В ходе исследования даны подробные физические характеристики и проведен анализ тепловых характеристик аэрогелевого остекления путем контроля модификации используемых материалов в его составе, а также дан анализ энергоэффективности и экологичности этого материала. Описаны физические и оптические свойства. Приведена сравнительная таблица аэрогелевого и стандартного остекления по следующим показателям: значению ультрафиолета, видимой пропускаемости, солнечному фактору. Рассмотрены конкретные случаи успешного применения этого материала, проанализированы условия эксплуатации, благодаря которым оно стало возможным. К осуществленным случаям применения аэрогеля в области остекления общественных зданий можно отнести: жилой дом в Холменколлене, Осло, Норвегия; супермаркет Rema 1000 в Кроппанмарке, Тронхейм, Норвегия; вестибюль торгового центра, Тамсвег, Австрия. В выводе статьи проанализированы условия внедрения аэрогелевого остекления в перечисленных зданиях, рассмотрены пути дальнейшего исследования аэрогеля, приведены необходимые для использования в проектной
деятельности знания, которыми должен обладать как проектировщик, так и строитель. Первое из них общая информативная осведомленность о данном материале. Второе - необходимость оценки и оптимизации производительности здания на этапе проектирования. Третье - важность дальнейшего исследования свойств и влияния аэрогеля на окружающую среду.
Ключевые слова: архитектура; аэрогель; остекление; стекло; фасад; материал; окно
Введение
В большинстве европейских стран строительный сектор потребляет около 40 % всей энергии, создавая около 30 % выбросов парниковых газов; поэтому повышение энергоэффективности зданий рассматривается как одно из важных средств достижения целей ЕС в области энергетики и климата на 2020 год [1]. Однако, для повышения энергоэффективности зданий могут потребоваться разные технологии, поскольку здания обычно состоят из различных структурных и функциональных компонентов, таких как окна, стены, полы и крыши - каждый из них имеет довольно разные энергетические характеристики и играет разные, но важные роли, влияя на общую энергоэффективность зданий. Например, предыдущие исследования показали, что до 45 % от общей потери энергии через ограждающие конструкции здания происходит именно через окна, а окна с низким коэффициентом теплопередачи (т. е. и-значением) могут существенно снизить потери энергии и снизить финансовые затраты (рис. 1) [2; 3]. Не удивительно, что высокоизолирующие стеклопакеты и окна находятся в стадии быстрого развития. Коммерческие продукты, такие как многослойные окна, вакуумное остекление и аэрогелевое остекление, распространяются для широкого спектра задач [4].
Рисунок 1. Двойное стандартное остекление (http://nano.elcosh.org/mdex.php?module=NanoProduct&id=221&title=Insulated%20Glass%20Un
its %20with %20Lumira® %20aerogel)
Особенно интересен аэрогель, который представляет интересную технологию остекления и показывает многообещающий потенциал в строительном секторе. Остекление аэрогелем архитектурно аналогично обычному двойному остеклению, где воздушная полость между двумя прозрачными стеклянными панелями заполнена аэрогелем на основе диоксида кремния - изготовленным нанопористым материалом с низкой плотностью, низкой
теплопроводностью, хорошей светопроницаемостью, превосходной огнестойкостью и акустическим сопротивлением. Как зеркальные, так и диффузные стеклопакеты могут быть получены с использованием монолитных и зернистых аэрогелевых материалов соответственно. На практике, из-за высокой стоимости изготовления и низкой механической прочности монолитных стекол из аэрогеля, они обычно собираются из гранул, что дает полупрозрачные элементы остекления с улучшенной теплоизоляцией, улучшенным рассеянием света и уменьшенной передачей звука [5].
Уникальные свойства аэрогелевого остекления не только делают их интересным компонентом здания для различных применений, но и создают трудности при их интеграции в конструкцию здания. Например, замена традиционных прозрачных стеклянных окон на аэрогелевое остекление может изменить комфорт внутри помещений. Аэрогелевые остекления могут использоваться для замены, частичного или полного, непрозрачного компонента оболочки здания (например, стен или крыш) для управления дневным светом, что, однако, может вызвать другие проблемы, такие как стоимость, энергетические характеристики и безопасность остекления аэрогелем [6]. Очевидно, что дальнейшие исследования все еще необходимы и важны для применения аэрогелевого остекления, связанного со строительством. В этой статье мы обсудим различные подходы к интеграции остекления аэрогелем, представив ряд успешных примеров; преимущества интеграции определены количественно, и даны предложения для решения возможных проблем. Эта работа способствует разработке принципов, регулирующих использование аэрогелевого остекления в строительном секторе.
1. Свойства аэрогелевого остекления
То, как аэрогелевое остекление используются в зданиях, зависит в основном от их физических свойств, особенно от тепловых и оптических. Прежде всего, включение гранул аэрогеля в полость двойного остекления значительно улучшает теплоизоляционные характеристики [7]. Как показано в Таблице 1, двойное остекление с воздушной полостью 14 мм обычно имеет и-значение около 2,86 Вт/(м2К); нанесение покрытий с низким коэффициентом излучения (low-e) и заполнение аргоном (Аг) может еще больше снизить значение и до ~ 1,20 Вт/(м2К). Напротив, аналогичное значение и ~ 1,19 Вт/(м2К) может быть легко достигнуто путем заполнения воздушной полости обычного двойного остекления гранулами аэрогеля. Что еще более важно, тепловые характеристики остекления также можно контролировать путем модификации используемых материалов аэрогеля [6; 8]. Например, при увеличении толщины слоя аэрогеля с 14 до 30 мм соответствующие значения и могут быть дополнительно уменьшены до примерно 0,60 Вт/(м2К). Следовательно, тепловые характеристики аэрогелевого остекления могут быть предварительно разработаны, что многообещающе по сравнению с другими технологиями остекления.
Таблица 1
Тепловые характеристики разных типов остекления
Тип остекления Значение Ультрафиолета (Вт/(м2К)) Видимая пропускаемость Солнечный фактор Контрольное значение
Двойное остекление (14 мм) 2.86 0.81 0.76 [6]
Двойное остекление (low-e/Ar/low-e) 1.20 0.74 0.52 [6,9]
Аэрогельное остекление (14 мм) 1.19 0.50 0.57 [6,8]
Аэрогельное остекление (30 мм) 0.60 0.17 0.34 [6]
Составлено авторами
Аэрогелевое остекление, как правило, представляет собой полупрозрачную (или диффузную) технологию остекления и не может обеспечить чёткий внешний вид. Однако данная технология позволяет равномерно распространять видимое солнечное излучение в жилой зоне, сводя к минимуму проблемы дневного света, такие как блики и зоны высокой контрастности, которые обычно связаны с остеклением из прозрачного стекла [6]. Высокое качество рассеянного света важно для удобства пользователя; поэтому аэрогелевые стекла являются интересным решением для управления дневным светом в зданиях. Стоит отметить, что увеличение толщины аэрогелевых остеклений может уменьшить их видимое пропускание, как показано в таблице 1. Очевидно, что тепловые и оптические свойства необходимо оптимизировать для удовлетворения практическим требованиям.
Аэрогели представляют собой нанопористый материал с высокой стоимостью изготовления и воздействием на окружающую среду [6]; следовательно, включение материалов из аэрогеля в блоки остекления может вызвать другие проблемы, такие как стоимость, долговечность, срок службы и безопасность, которые также важны для их применения в зданиях [10]. Например, по сравнению с двойным остеклением, аэрогелевые остекления обычно имеют более высокую стоимость изготовления из-за использования относительно дорогих материалов из аэрогеля. Однако подобная технология все еще может быть экономически эффективным решением, поскольку увеличение стоимости может быть компенсировано их значительной экономией энергии во время обслуживания. Например, предыдущее исследование показало, что по сравнению с аналогами с аэрогелевое остекление может способствовать снижению энергопотребления примерно на 21 %, что дает короткий срок окупаемости в несколько лет [6]. В связи с этим очень важна улучшенная конструкция остекления из аэрогеля, которая обеспечивает лучшую долговечность и длительный срок службы. На практике альтернативные материалы, такие как поликарбонат и безопасное стекло, использовались для повышения безопасности аэрогелевого остекления; Другие инновационные конструкции, такие как контейнер с сотовой сердцевиной (рис. 3), также были использованы для уменьшения эффекта осаждания гранул аэрогеля.
Уникальная особенность аэрогелевого остекления делает его многофункциональным компонентом здания для различных целей [11]. Например, оно может использоваться в оболочке здания в качестве окон, стен или даже крыш. В связи с этим необходимо применять интегрированный процесс проектирования, чтобы аэрогелевые остекления стали неотъемлемой частью, а не дополнительной функцией.
На рис. 2 показан дом, построенный в 2013 году в Холменколлене, Осло, Норвегия [12]. На третьем этаже он был спроектирован так, чтобы стены, обращенные на восток, юг и запад, были с панелями остекления из аэрогеля (65 % площади стен), что позволяет свету быть достаточно непрозрачным для сохранения конфиденциальности. Использование аэрогелевого остекления в этом проекте оказалось весьма успешным. Например, оно создает ~ 13 м2 жилой площади за счет более тонкой изоляции; рыночная стоимость этих дополнительных квадратных метров частично компенсирует первоначальные инвестиции в аэрогелевые стекла. Кроме того, он значительно экономит энергопотребление, что окупает затраты при обслуживании. Самое главное, что использование аэрогелевого остекления обеспечивает яркую среду для жизни, которая значительно повышает комфорт пользователя.
2. Интеграция в строительстве
Рисунок 2. Жилой дом в Холменколлене, Осло, Норвегия (https://aerogelnorge.no)
В коммерческом секторе очень важно сократить бюджет энергозатрат от эксплуатации здания. В целом это требует применения множества различных энергоэффективных технологий. Довольно хороший пример - новый супермаркет Rema 1000 в Кроппанмарке, Тронхейм, Норвегия (рис. 3). В этом проекте стена (также частично крыша) была спроектирована со встроенными аэрогелевыми стеклами, которые эффективно распространяют дневной свет в магазине и в то же время избавляют от необходимости устанавливать дорогостоящие системы затенения. Автоматическая система управления освещением позволяет отключить люминесцентные лампы в потолке, когда в магазине достаточно дневного света. Вместе с полностью интегрированной системой отопления, охлаждения и вентиляции этот проект оказывается очень энергоэффективным. Недавние измерения показали, что он потребляет на 30 % меньше энергии, чем четыре других сопоставимых магазина.
Рисунок 3. Супермаркет Rema 1000 в Кроппанмарке, Тронхейм, Норвегия (https://aerogelnorge.no/category/prosjekter/segment/)
В общественных зданиях, где освещение играет немаловажную роль, аэрогелевое остекление может быть многообещающим решением (рис. 4). Существует много разных
способов интеграции аэрогелевого остекления в оболочку здания. Например, его можно использовать вместе с остеклением из прозрачного стекла, чтобы оптимизировать визуальный комфорт (включая внешний вид и доступ рассеянного света). Стоит отметить, что у аэрогелевого остекления могут также быть проблемы с бликами, особенно у тех, что обладают небольшой толщиной. Следовательно, такой тип остекления можно использовать как крышу или мансардные окна для управления дневным светом что на сегодняшний день является наиболее успешным применением данной технологии.
Рисунок 4. Вестибюль торгового центра, Тамсвег, Австрия (http://www.arcЫexpoxom/prod/ecodis/product-66185-377400.html)
Вывод
Из приведенных выше примеров видно, что аэрогелевое остекление действительно является компонентом оболочки многофункционального здания. Его возможности по обеспечению высокого качества рассеянного света при сохранении высокого уровня теплоизоляции указывают на большой потенциал в энергоэффективном строительстве. Чтобы способствовать дальнейшему применению аэрогелевого остекления, было сделано три общих замечания:
1. Оформление аэрогелевых стекол имеет немаловажное значение. Данная технология, вероятно, является не единственной, а только одной из тех, которые можно использовать для удовлетворения требований пользователя (например, стоимости, внешнего вида, комфорта в помещении и энергозатрат от эксплуатации здания). Поэтому для архитектора важно иметь достаточно информации об этой новой технологии.
2. Должен применяться интегрированный процесс проектирования. Важно отметить, что свойства (например, оптические и термические) остекления с применением аэрогеля могут быть изменены путем контроля включенных материалов из аэрогеля. В связи с этим, производительность здания должна быть оценена, а затем оптимизирована на этапе проектирования.
3. Важно проводить дальнейшие исследования остекления аэрогеля. Его потенциальные недостатки должны быть уточнены для разработки ключевых принципов во время практики. В отношении остекления аэрогелем отсутствует
точная информация о его воздействии на окружающую среду, что может потребовать дальнейших исследований в этой области.
ЛИТЕРАТУРА
1. Capros, P., Tasios N., De Vita A., Mantzos L., Parousos L.,Technical report accompanying the analysis of options to move beyond 20 % GHG emission reductions in the EU by 2020: Member State results. Report to DG Climate Action, European Commission. Energy-Economy-Environment Modelling Laboratory (E3MLab), National Technical University of Athens, 2012, 221 p.
2. Gustavsen A., Grynning S., Arasteh D., Jelle B.P., Goudey H. Key elements of and material performance targets for highly insulating window frames. Energy and Buildings, 2011, vol. 43, pp. 2583-2594. doi.org/10.1016/j.solmat.2011.08.010.
3. Jelle B.P., Hynd A., Gustavsen A., Arasteh D., Goudey H., Hart R. Fenestration of today and tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2012. Vol. 96, pp. 1-28. doi.org/10.1016/j.solmat.2011.08.010.
4. Горелик П.И., Золотова Ю.С. Современные теплоизоляционные материалы и особенности их применения // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014 № 3 (18). С. 93-103.
5. Давыдова Е.И., Гнам П.А., Тарасова Д.С. Светопрозрачные конструкции и методы повышения их энергоэффективности // Строительство уникальных зданий и сооружений, 2015 № 5 (32). С. 112-128.
6. Gao T., Ihara T., Grynning S., Jelle B.P., Lien A.G. Perspective of aerogel glazings in energy efficient buildings. Building and Environment, 2016, vol. 95, pp. 405-413. doi.org/10.1016/j.buildenv.2015.10.001.
7. Z. Liua, Y. Dinga, F. Wanga, Z. Dengbm, Thermal insulation material based on SiO2 aerogel. Construction and Building Materials, 2016, Vol. 122, pp. 548-555.
8. Gao T., Jelle B.P., Ihara T., Gustavsen A. Insulating glazing units with silica aerogel granules: The impact of particle size. Applied Energy, 2014, vol. 128, pp. 27-34. doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.04.037.
9. Jelle B.P. Solar radiation glazing factors for window panes, glass structures and electrochromic windows in buildings. Measurement and calculation Solar Energy Materials & Solar Cells, 2013, vol. 116, pp. 291-323. doi.org/10.1016/j.solmat.2013.04.032.
10. Плотников В.В., Ботаговский М.В. Инновационные ограждающие конструкции и материалы для реализации ресурсоэнергоэффективного строительства // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии, 2015 № 4 (12). С. 3544.
11. Меньшутина Н.В., Каталевич А.М., Лебедев А.Е. Наноструктурированные материалы на основе диоксида кремния: аэрогель, ксерогель, криогель // Естественные и технические науки, 2013 № 2(64). С. 374-376.
12. Oberg L.0. Supertynn isolasjon slipper lyset inn. Hus & Bolig, 2013, vol. 4, 74-79.
Kopylov Andrey Borisovich
Tula state university, Tula, Russia E-mail: [email protected]
Liubin Nikita Sergeevich
Tula state university, Tula, Russia
E-mail: [email protected]
Gerasimova Victoria Olegovna
Tula state university, Tula, Russia E-mail: [email protected]
The use of aerogel glazing facades of buildings
Abstract. This article presents the possibility of introducing into the construction practice of one of the innovative building materials in the field of glazing - aerogel - a nanoporous material made on the basis of silicon dioxide. This material is characterized by the following properties: low density, low thermal conductivity, good light transmission, excellent fire resistance and strong acoustic resistance. During the study, detailed physical characteristics were given and an analysis of the thermal characteristics of the aerogel glazing was carried out by monitoring the modification of the materials used in its composition, as well as an analysis of the energy efficiency and environmental friendliness of this material. Physical and optical properties are described. A comparative table of aerogel and standard glazing for the following indicators: the value of ultraviolet radiation, visible transmittance, solar factor. Considered specific cases of successful use of this material, analyzed the conditions of use, thanks to which it became possible. Implemented cases of aerogel application in the glazing of public buildings include: residential building in Holmenkollen, Oslo, Norway; Rema 1000 supermarket in Kroppanmark, Trondheim, Norway; Lobby of shopping center, Tamsweg, Austria. In the conclusion of the article, the conditions for the introduction of aerogel glazing in the listed buildings are analyzed, ways for further research of the aerogel are considered, the necessary knowledge for use in the project activity, which both the designer and the builder should possess, is given. The first is general informational awareness of this material. The second is the need to evaluate and optimize the performance of the building at the design stage. The third is the importance of further research on the properties and effects of aerogel on the environment.
Keywords: architecture; aerogel; glazing; glass; facade; material; window
