IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Сравнительно-сопоставительный анализ энергоэффективности стекла с мультифункциональным напылением и стекла марки М-1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Невозможно представить более универсальный материл чем стекло. Его научились производить много столетий назад и по наши дни стекло остается востребованным материалом в разных сферах и отраслях деятельности человека. Его популярность обуславливается значительным списком свойств и качеств. С развитием современных технологий стало возможным придавать стеклу дополнительные свойства за счет изменения его состава и нанесения на его поверхность специальных покрытий. Помимо тех свойств, которые имело стекло изначально (твердость, хрупкость, прозрачность), ему стали присущи новые качества (теплоизоляция, светопропускание, защита от солнечного излучения, прочность). Это позволило использовать разные виды стекла в самых различных сферах: в строительстве, в оптической промышленности, медицине, машиностроении, приборостроении, интерьере, современной архитектуре, электротехнике и в быту.
В своей работе я рассмотрю и исследую новое направление в технологии производства стекла – стекло с мультифункциональным покрытием. Это стекло обладает уникальным свойством – повышенной энергоэффективностью. Производство данного стекла стало возможным благодаря развитию технологий сравнительно недавно. Энергосбережение является одной из самых серьезных задач XXI века и должно быть отнесено к стратегическим задачам государства. Стратегическая цель энергосбережения одна и следует из его определения - это повышение энергоэффективности во всех отраслях и в стране в целом. Энергосбережение важно не только в экономике, но и играет огромную роль в сохранении и улучшении экологической ситуации, климата и сохранения природных ресурсов, что позволит нам сберечь нашу планету.
Цель данной работы:
Проанализировать и сравнить свойства стекла марки М-1 и стекла с мультифункциональным покрытием.
Задачи:
Доказать энегроэффективность стекла с мультифункциональным покрытием.
Доказать экономическую выгоду использования мультифункционального стекла в строительстве.
Гипотеза:
При помощи изученной литературы, данных лабораторных исследований, использования наглядных материалов, специального оборудования и программ доказать, что мультифункциональное стекло благодаря своему покрытию имеет ряд неоспоримых преимуществ в энергосбережении и экономической эффективности по сравнению с использованием стекла без нанесения данного покрытия.
Методы исследования:
библиографический анализ литературы и публикаций сети Internet по истории, производству и использованию материалов;
применение программных комплексов «Pilikington Spectrum» версия 4.0.0. для вычисления светотехнических характеристик и «WindowTherm 6.3» для вычисления теплотехнических параметров;
консультация со специалистами компаний по производству стекла и стеклопакетов («AGC», «STIS», «Pilikington», «RGC»);
использование статистических данных;
изучение свойств материалов опытным путем при помощи специального оборудования;
исследование наглядных образцов материалов;
фотографирование объектов;
Глава 1.
Обзор стекла с мультифункциональным покрытием.
1.1. Что такое мультифункциональное стекло.
Стекло — вещество и материал, один из самых древних и, благодаря разнообразию своих свойств, — универсальный в практике человека. История стекла охватывает примерно 5,5 тысяч лет. В настоящее время считается, что родиной стекла является Древний Египет. Годы идут, человечество эволюционирует, и в 19 веке ученные налаживают массовое производство стекла. Благодаря появлению новейших технологий на стыке 20-21-хх веков был разработан революционный метод нанесения энергосберегающего, а потом и мультифункционального покрытия, которое позволяло отражать инфракрасные лучи.
1.2. Структура мультифункционального стекла.
Мультифункциональное стекло получается путем нанесения на обычное стекло редкоземельных металлов или оксида металла (серебра) в вакуумной установке (коутере), путем удержания покрытия силами молекулярного взаимодействия (поверхность стекла бомбардируется молекулами металлов). Чтобы получить высокоэффективное многослойное покрытие используют несколько последовательных камер нанесения покрытий. Количество и состав тонких слоев зависит от требуемых характеристик остекления, а именно излучательной способности, светопропускания, солярного фактора и отражения излучения в определенном спектральном диапазоне. Такое покрытие является своеобразным фильтром.
Верхний и нижний слои: оксиды, нитриды. Влияют на зеркальность, светопропускание и цвет напыления.
Функциональный слой: серебро, хром. Отражение коротковолнового и длинноволнового теплового излучения.
Защитные слои: защита функциональных слоев от механических и химических повреждений, отражение и поглощение коротковолнового теплового излучения.
То есть мультифункциональное стекло способно пропускать необходимые, только требуемые волны, присутствующие в составе солнечного излучения. По внешнему виду изделие практически ничем не отличается от обычного оконного стекла. Однако основным отличием является зеленоватый или голубоватый цвет поверхности.
1.3. Достоинства многофункционального стекла.
В летнее время жилье надежно защищено от перегрева;
Зимой из помещения не уходит тепло;
Несмотря на то, что на поверхность стекла наносится специальное покрытие, естественное освещение комнат не становится хуже;
Высокая прочность и устойчивость к появлению царапин, другим механическим повреждениям;
Благодаря зеркальному эффекту многофункциональное стекло существенно уменьшает возможность просмотра комнат со стороны улицы;
Такой материал может поддаваться дополнительной обработке: закаливанию, резке, ламинации, нагреву;
Благодаря тому, что некоторые типы ультрафиолетовых лучей попадают в помещение, это дает возможность снизить концентрацию болезнетворных микроорганизмов в нем. Происходит своеобразная дезинфекция комнат, улучшается микроклимат в помещении;
Исключается малейшая вероятность образования конденсата как на поверхности стекла, так и внутри стеклопакета;
Не стоит беспокоиться об интерьере, если в нем использовано много ярких оттенков. Мультифункциональный материал надежно защищает их от выцветания;
Мультифункциональное покрытие обеспечивает дополнительную звуковую изоляцию;
1.4. Принцип работы мультифункционального стекла.
В летнее время напыление «сортирует» инфракрасные лучи, что позволяет избежать перегрева жилого помещения. Поэтому даже в очень жаркий день в комнате атмосфера остается комфортной. Благодаря металлизированному слою более 55% тепловой энергии отсеивается и не попадает в помещение. В зимнее время изделие ведет себя иначе. Оно работает как энергосберегающее. Напыление способно отражать длинные волны теплового излучения, исходящие от отопительных приборов, обратно в комнату, не поглощая их и не выпуская наружу. Теплопотери при этом снижаются более чем на 20%. Доказано, что охладить помещение в три раза затратнее, чем его обогреть.
Принцип работы мультифункционального стеклопакета
1.5. Анализ показателей энергоэффективности стекла марки М-1 и стекла с мультифункциональным покрытием.
Стекло и стеклопакеты с мультифункциональным покрытием производят все крупнейшие предприятия в стекольной промышленности. У каждого производителя существует несколько видов мультифункционального стекла. Проанализировав данные лидеров среди производителей стекла (AGC, «Gardian», «Pilikington») можно выделить основные показатели энергоэффективности.
|
Показатель |
Двухкамерный стеклопакет со стеклом М-1 толщиной 32 мм |
Двухкамерный стеклопакет с МФ стеклом толщиной 32 мм |
Преимущества |
|
Приведенное сопротивление теплопередаче R0 (м2о С/вт) Чем выше этот показатель, тем теплее в помещении зимой. |
0,54 |
0,80 |
Сохраняет тепло зимой. Уменьшает потери тепла через окна. Сохраняет до 80% тепловой энергии от отопительных приборов. |
|
Солнечный фактор SF (%). Полное пропускание солнечной энергии. Чем ниже этот показатель, тем прохладнее в помещении в летнюю жару |
71 |
39 |
Защита от жары. Отражает на 32% больше солнечной энергии |
|
Светопропускание LT (%) Чем выше данный показатель, тем больше естественного освещения в помещении |
74 |
64 |
Высоко прозрачное стекло с универсальным покрытием Не искажает цвета за окном, светопропускание на 10% выше по сравнению с аналогами. |
1.6. Области применения мультифункционального стекла.
для обустройства жилых помещений в частных домах и квартирах (Приложение №1);
применение в офисных зданиях, спортивных сооружениях, торгово-развлекательных центрах (Приложение №2);
в автомобилестроении.
Итак, мультифункциональное стекло обладает очень полезными свойствами: солнцезащитой, теплосбережением и незначительно уступает стеклу марки М-1 по светопропусканию.
Глава 2.
Расчет энергоэффективности мультифункционального стекла применительно к объекту «Торговый центр»
(строительный адрес г. Ижевск, ул. Ленина, 48)
2.1. Формулы остекления. Конфигурация стеклопакетов.
При проектировании торгового центра (площадь остекления 240м2, общая площадь помещений 947м2) (Приложение №3) было выбрано два варианта двухкамерных стеклопакетов производителя «Pilikington» (Англия):
1 вариант: 6 OptifloatClear – 12 – 4 OptifloatClear – 14 – 4 OptifloatClear (в дальнейшем: стекло без мультифункционального покрытия (стекло без МФП));
2 вариант: 6 Suncool 70/35 – 12 – 4 OptifloatClear – 14 – 4 OptithermS3 (в дальнейшем: стекло с мультифункциональным покрытием (стекло с МФП)).
2.2. Свето-теплотехнические параметры остекления.
В расчете теплотехнических параметров остекления мною учитывались:
Температура наружного воздуха -31оС, температура внутри помещения +20оС
Скорость ветра вблизи остекления 3,4 м/с
Рекомендации параметров остекления даны на основе расчетов, выполненных а программных комплексах «Pilikington Spectrum» версия 4.0.0. для вычисления светотехнических характеристик и «WindowTherm 6.3» для вычисления теплотехнических параметров.
Свето-теплотехнические параметры остекления:
|
Формула стеклопакета |
LT (пропускание света), % |
SF (солнечный фактор), % |
R (сопротивление теплопередачи), [м2 С/Вт] |
U (коэффициент теплопередачи), [Вт/м2С] |
|
6 Optifloat Clear – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optifloat Clear |
74 |
66 |
0,56 |
1,7 |
|
6 Suncool 70/35 – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optitherm S3 |
64 |
34 |
1,08 |
0,7 |
Расчет светотехнических параметров остекления ведется на основании ГОСТ 54164-2010 Стекло – Методы определения светотехники.
Расчет теплотехнических параметров остекления ведется на основании:
СП 50.13330.2012 Тепловая Защита Зданий;
СП 131.13330.2012 Строительная климатология;
ГОСТ 54166-2010 Стекло – Методы расчета сопротивления теплопередаче.
2.3. Анализ эффективности солнцезащиты.
|
Формула стеклопакета |
Экономия на кондиционировании на 1 м2, кВт*ч |
Экономия на кондиционировании на 1 м2, % |
Экономия на кондиционировании на 1 м2, руб |
|
6 Optifloat Clear – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optifloat Clear |
0 |
0 |
0 |
|
6 Suncool 70/35 – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optitherm S3 |
11 725 |
48% |
37 500 |
Использование высокоселективных стекол данного производителя, позволяет существенно экономить на кондиционировании в летний период. Так, выбирая рекомендованное стекло с мультифункциональным покрытием, экономия на кондиционировании составит 37 500 рублей за год.
2.4. Анализ эффективности теплосбережения.
|
Формула стеклопакета |
Экономия на отоплении на 1 м2, Гкал |
Экономия на отоплении на 1 м2, % |
Экономия на отоплении на 1 м2, руб |
|
6 Optifloat Clear – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optifloat Clear |
0 |
0 |
0 |
|
6 Suncool 70/35 – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optitherm S3 |
19 210 |
46% |
23 500 |
В зимнее время использование высокоселективных стекол данного
производителя, позволит уменьшить затраты на отопление на 46%, что в денежном эквиваленте составляет 23 500 рублей за год.
2.5. Анализ энергоэффективности проекта в целом.
|
Формула стеклопакета |
Экономия на кондициониро- вании всего, руб. |
Экономия на отоплении на Всего, руб. |
Энергоэффективность проекта в целом, руб. |
|
6 Optifloat Clear – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optifloat Clear |
0 |
0 |
0 |
|
6 Suncool 70/35 – 12 – 4 Optifloat Clear – 14 – 4 Optitherm S3 |
37 500 |
23 500 |
61 000 |
Проанализировав и сопоставив данные расчетов эффективности солнцезащиты и теплосбережения, видно, что энергоэффективность при применении стекла с мультифункциональным покрытием составляет 61 000 рублей за год эксплуатации, что на 47% превосходит показатели энергоэффетивности стекла без мультифункционального покрытия.
Если принять во внимание тот факт, что разница в стоимости вышеуказанных стеклопакетов составляет 600 руб/м2 (по данным фирмы-производителя), то можно произвести элементарные расчеты:
Если площадь используемого стекла с мультифункциональным покрытием составляет 240 м2, а его удорожание, по сравнению с обычным стеклом составляет 600 руб/м2, то стоимость удорожания данного проекта в целом составляет 144 000 рублей. Если энергоэффективность при его использовании составляет 61 000 рублей за год эксплуатации, то:
144 000 : 61 000 = 2,36 (лет)
Значит, можно констатировать, что затраты на установку стеклопакетов с мультифункциональным покрытием окупятся через 2 с небольшим года. Если учесть, что минимальный срок службы стеклопакета 25 лет, то выгода использования очевидна даже ребенку.
Проанализировав вышеперечисленное, можно утверждать, что при помощи изученной литературы, данных лабораторных исследований, использования наглядных материалов, специального оборудования и программ доказано, что мультифункциональное стекло благодаря своему покрытию имеет ряд неоспоримых преимуществ в энергосбережении и экономической эффективности по сравнению с использованием стекла без нанесения данного покрытия.
Заключение.
Итак, в своей работе я отразил историю создания и эволюцию материала под названием стекло. Рассказал о важности и значимости этого материала во всех сферах жизнедеятельности человечества. И как, благодаря новейшим, революционным технологиям были получены качественно новые по характеристикам стеклопакеты, названные мультифункциональными.
Как я уже подчеркнул в начале своей работы, тема энергоэффективности является приоритетной в XXI веке. Это особенно актуально для России, т.к. сфера жилищно-коммунального хозяйства имеет свою особенность: значительная часть населения страны живет на северных территориях. По мнению экспертов, энергопотребление в жилищно-коммунальном хозяйстве РФ в несколько раз превышает аналогичный показатель развитых стран. 90% всей потребляемой российскими ЖКХ энергии расходуется на отопление. Как следствие, жилой сектор России потребляет 45% всей тепловой энергии, производимой в стране. Эти цифры убеждают в том, что энергосбережение в ЖКХ ничуть не менее актуально, чем в промышленности, и подчеркивают значение экономии именно тепловой энергии. Действительно, сегодня теплосбережение является одной из основных задач в области жилого
домостроения, при этом важная часть обеспечения энергоэффективности жилых зданий приходится на этап проектирования. Поэтому при создании проекта жилья необходимо предусматривать использование передовых технологий, а также конструктивных решений и строительных материалов, позволяющих добиться максимального уровня экономии тепловой
энергии. Безусловно, одним из таких материалов является мультифункциональное стекло. Уже сегодня, ведущие строительные компании города Ижевска строят жилые здания и сооружения с использованием данного материала, чем вносят весомый вклад не только в экономику, но и в сбережение природных ресурсов и климата на нашей планете.
Список литературы:
Борискина И.В. Здания и сооружения со светопрозрачными фасадами и кровлями. – С.-Петербург, Инженерно-информационный Центр Оконных Систем, 2012.
Википедия. Стекло. [Электронный ресурс] - режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Стекло
ГОСТ Р 54166-2010 (ЕН 673:1997) Стекло и изделия из него. Методы определения тепловых характеристик. Метод расчета сопротивления теплопередаче. –М., 2010.
Дроздов В.А., Глинкин С.М., Тарасов В.П. Применение стекла в строительстве. – М.: Стройиздат, 1983.
Методическая и справочная литература AGCGlassEurope Брюссель – Бельгия, 2011.
Методическая и справочная литература Gardian. 2012.
Мультифункциональное стекло: характеристики, главные преимущества [Электронный ресурс] - режим доступа: http://fb.ru/article/261987/multifunktsionalnoe-steklo-harakteristiki-glavnyie-preimuschestva.
Стратегия повышения энергоэффективности в муниципальных образованиях [Электронный ресурс] - режим доступа: http://www.energosovet.ru/stenergo.php?idd=13
Строительная климатология. Актуализированная версия СНиП 23-01-99. –М., 2012.
Сферы и области применения стекла [Электронный ресурс] - режим доступа: https://naruservice.com/articles/oblasti-primeneniya-stekla
Тепловая Защита Зданий, СНиП 23-02-2003. -М., 2012.
Энергосбережение – одна из приоритетных задач современного мира [Электронный ресурс] - режим доступа: http://green-dom.info/отопление-водоснабжение-коммуникац/энергосбережение-одна-из-приоритет/
Приложение №1
ЖК «Олимпия» г. Ижевск, ул. С.Ковалевской, 11а
Приложение 2
Автосалон «Датсун» г. Ижевск
Приложение №3
ТОРГОВЫЙ ЦЕНТР (строительный адрес: г. Ижевск, ул. Ленина, 48)
площадь остекления 240 м2, общая площадь помещений 947м2