Деградация стеклопакетов: тепловые характеристики, измерения и энергетические воздействия

Дата: 8 августа 2023 г.

Авторы: Мэдисон Ликинс-Уайт, Роберт К. Тенент и Чжицян (Джон) Чжай

Источник: Дома 2023, 13(2), 551; МДПИ

ДОИ:https://doi.org/10.3390/buildings13020551

(Эта статья относится к разделу «Энергетика, физика, окружающая среда и системы строительства»).

Деградация стеклопакетов (IGU) тщательно изучалась. Однако существует ограниченное понимание того, как существующие стандарты оценки долговечности связаны со сроком службы продукции. Кроме того, ведутся споры о том, как количественно оценить производительность установленных окон с течением времени, чтобы лучше понять процессы деградации. Требуется больше знаний по этим темам, чтобы связать оценку долговечности с прогнозами срока службы продукта, основанными на энергоэффективности. Энергетические модели дают полезную оценку общего годового энергопотребления зданий. Однако большинство моделей основаны на характеристиках компонентов оболочки «как установлено» и не учитывают снижение производительности. Это может привести к недооценке потребления энергии в течение срока службы здания.

Лучшее понимание взаимосвязи между долговечностью и энергетическими характеристиками может способствовать интеграции динамики деградации в программное обеспечение для энергетического моделирования. Это улучшит оценку энергопотребления здания в течение всего срока службы, а также предоставит информацию о соответствующих стратегиях и сроках модернизации. В этом документе рассматриваются текущая литература по долговечности, различные стандарты характеристик окон и методы защиты от атмосферных воздействий, существующие методы измерения энергетических характеристик стеклопакетов на месте, а также энергетические эффекты всего здания. Анализируются и обсуждаются проблемы и различия между различными исследованиями. Авторы надеются, что дальнейшая работа в этой области приведет к разработке улучшенных методов испытаний на месте для оценки деградации стеклопакетов в полевых условиях и свяжет эти знания с усовершенствованными подходами к моделированию энергетических характеристик.

На строительный сектор приходится 40% общего потребления энергии и более 35% выбросов парниковых газов в США, как показано на рисунке 1 [1].

Ограждающая конструкция здания является основным тепловым барьером между внутренней и внешней средой и включает в себя стены, окна, крышу и фундамент. Ограждение здания является слабым местом в общем расходе здания и имеет жизненно важное значение для улучшения эксплуатационных характеристик здания. Подсчитано, что на оболочку здания приходится 30% энергопотребления жилых и коммерческих зданий, при этом на окна приходится 15–50% общих потерь передачи оболочки и 10% общего энергопотребления зданий [3,4,5,6 ]. Эффекты производительности конверта распространяются на все системы в здании; более эффективная оболочка не только уменьшает передачу тепла, но также может уменьшить размер оборудования, сократить потребление воды, улучшить общий жизненный цикл здания и повысить тепловой комфорт. Однако тепловые характеристики ограждающих конструкций не являются статичными на протяжении всего срока службы здания; оно уменьшается с возрастом и погодой, что приводит к более высоким энергетическим потребностям. По оценкам, деградация оболочки и систем отопления, вентиляции и кондиционирования может привести к увеличению энергопотребления здания на 20–30% [7].

Окна составляют большую часть потерь оболочки в зависимости от типа окна, климата и типа здания [4,5]. Окна не только имеют более высокий U-фактор по сравнению с непрозрачными компонентами ограждающих конструкций, но также обладают коэффициентом притока солнечного тепла, который способствует их общей теплопередаче в помещения (коэффициент притока солнечного тепла). На рисунке 2 показано, что 84% солнечной радиации, попадающей на окно, передается в пространство в виде тепла [8].

Солнечное излучение и теплопроводность приводят к увеличению притока тепла летом, что увеличивает нагрузку на охлаждение. Зимой только проводимость способствует увеличению потребности в обогреве. Проводимость, связанная с экстремальными перепадами температур и попаданием солнечной радиации в окна, также приводит к деградации [9]. Окна обычно разбиваются на два физических компонента: стеклопакет (IGU) и рама. Стеклопакет состоит как минимум из двух стекол, разделенных разделительной системой, обычно содержащей влагопоглощающий материал, а края блоков герметизированы различными полимерными материалами. Внутренняя часть герметичного блока обычно заполнена инертным газом с низкой теплопроводностью, а стеклянные пластины могут иметь покрытия с низкой излучательной способностью (Low-e) для уменьшения притока солнечного тепла.