Вакуумные стеклопакеты

Никого давно не удивить наличием дома окон энергосберегающим или мультифункциональным стеклом – современные тенденции диктуют необходимость подходить к обустройству дома не только с точки зрения удобства и красоты, но и практичности.

Устойчивая тенденция повышения требований к теплозащите зданий привела к созданию вакуумного остекления в качестве прозрачного теплоизоляционного материала. Как известно, вакуум является совершенным теплоизолятором. В вакуумном стеклопакете, который состоит из двух листов стекла, системы поддерживающих распорок и безвоздушного пространства, изолирующая способность зависит от теплопроводности распорок, теплового излучения от внутренней поверхности стекла и конвекции очень малого количества газа (воздуха), который остается в пространстве между стеклами. Для улучшения изолирующей способности был разработан низкотемпературный производственный процесс, позволивший увеличить расстояние между распорками, применяя закаленное стекло. Этот процесс был реализован с помощью применения металлического герметика без использования свинца. Более того, излучение от поверхности стекла может быть уменьшено с помощью специального низкоэмиссионного покрытия. Образец стеклопакета, сделанный таким образом, показал рекордно низкое значение коэффициента потери тепла 0,45 Вт/м²К. Это значение показателя равно теплопроводности изоляции из стекловаты толщиной 10 см. Вакуумный стеклопакет, произведенный по технологии низкотемпературных процессов, может решительно изменить существующие концепции дизайна в архитектуре.

Межстеклольное пространство составляет всего около 0,2 мм, поэтому главным требованием к производству вакуумных стеклопакетов является использование материалов, которые длительное время сохраняли бы герметичность,  чтобы молекулы воздуха не проникали в вакуумный зазор, иначе стеклопакет быстро потеряет свои теплоизоляционные свойства. Известно, что тепло передается тремя способами: излучением, теплопроводностью и конвекцией. Сверхтонкий стеклопакет VIG исключает теплопроводность и конвективный теплообмен, но не лучистый теплообмен. Для дальнейшего улучшения теплоизоляционных свойств стеклопакета VIG используют низкоэмиссионное Low-E стекло.

Стеклопанели VIG в базовой версии оснащаются флоат-стеклом, но для некоторых условий применения предусматриваются улучшенные характеристики безопасности и эксплуатации. В зависимости от требований проекта могут быть установлены термоупрочненные или полностью закаленные стекла, а также ламинированные или изолирующие стеклопанели.

Базовый проект концепции структуры вакуумного стеклопакета был создан австралийской группой ученых в 1992 году. В 1994, используя эту концепцию, специалисты Nippon Sheet Glass перепроектировали стеклопакет с учетом особенностей японского рынка и начали развивать его промышленное производство. В 1997 году на рынок был выпущен стеклопакет для остекления жилых домов, названный SPACIA®. Он обладал высокими теплоизоляционными свойствами при малой толщине. С тех пор технология вакуумных стеклопакетов вносила свой ощутимый вклад в улучшение теплоизоляции окон жилых домов в Японии. Для рынков Германии и США данное направление стеклопакетов все еще является относительно новым, несмотря на наличие ряда производств. В России производство вакуумных стеклопакетов также не носит массовый характер из-за высокой стоимости продукта. В Германии, например, данные разработки финансируются на уровне правительства и носят название VIG (Vacuum insulating glass). Работы ведутся Институтом оконных технологий в Розенхайме. В разработках также участвуют компании Pilkington, Saint-Gobain, Датский технологический институт, Исследовательский институт по использованию солнечной энергии США, ученые университета Сиднея и др. 

Производственный процесс вакуумного стеклопакета состоит из нескольких этапов: после раскроя двух листов стекла, в одном из углов стекла сверлится отверстие для последующей откачки воздуха с помощью трубки и помпы. Затем стекло моется и с помощью специального оборудования к нему прикрепляются распорки. Лист стекла с распорками накрывается другим листом стекла. Герметик, состоящий из стеклянной пасты (либо металлической, не содержащей свинец спайки), наносится по краям соединенных листов. Затем получившаяся светопрозрачная конструкция нагревается в печи до рабочей температуры герметика 350°С (либо 200°С при применении металлической спайки). Достижение этой температуры необходимо, чтобы расплавить герметик. Затем конструкция извлекается для усиления откачки газа из внутренней полости в горячем состоянии. В конце производственного процесса крышка трубки, через которую был откачан воздух, расплавляется и закрывается.

Различные модификации вакуумных стеклопакетов могут включать в себя гибриды, в которых сочетается применение вакуумного остекления с низкоэмиссионными стеклами, применением инертных газов и обычной дистанционной рамкой и системой герметизации. Другими словами, гибридный стеклопакет - это однокамерный стеклопакет, в котором вместо одного из стекол используется вакувакуумный пакет. Этот пакет обладает более высокими теплоизоляционными характеристиками, чем простой вакуумный стеклопакет.

Вакуумные стеклопакеты могут найти применение не только в архитектуре, но и в таких областях как холодильные и морозильные комнаты, бытовые и коммерческие холодильники и морозилки, и т. п. Первой областью применения стеклопанелей VIG стали проекты реконструкции старинных зданий с заменой оконных рам, направленные на повышение энергосбережения без необходимости увеличения исходной толщины стекла или оконной рамы. Теперь, с внедрением более эффективных производственных технологий, пакеты VIG стали более широко применять в проектах современных коммерческих зданий. Одним из примеров является здание городской библиотеки в Чжэнчжоу (Китай), где для фасада и зенитных фонарей на крыше было использовано более 10 тыс. м² стеклопакетов VIG.

Поскольку продукты VIG становятся все более популярными, возникает растущая потребность в создании системы стандартизации и процедур тестирования. До сих пор Китай остается единственной в мире страной, имеющей подобные национальные стандарты. В настоящее время такая работа ведется в США. 

Вакуумный стеклопакет без сомнения является высококачественной изоляционной, современной конструкцией, но ее цена, на сегодня, по сравнению с традиционным стеклопакетом, просто огромная. Этот факт ставит преграду для прорыва этой технологии в среднесрочной перспективе. Отдельного акцента заслуживает и внешний вид стеклопакета толщиной всего 8 мм, инсталлированного в оконную раму с монтажной глубиной 70-80 мм. Это выглядит просто некрасиво. Конечно, можно использовать двухкамерный стеклопакет с интегрированной вакуумной и клееной технологией, но стоимость производства такого гибрида, со стандартными размерам, еще выше. В целом вакуумная технология изготовления стеклопакетов считается революционной. В настоящее время многие научные учреждения во всем мире работают над созданием рам, сопоставимых по размеру и степени термоизоляции с такими светопрозрачными элементами.