144783 (Стекло в архитектуре)

Институт Архитектуры и Искусства ЮФУ

Реферат

на тему:

«Стекло в архитектуре»

Ростов-на-Дону

2008г

Стеклянный, оловянный.

Сырьем для производства обычного стекла служит главным образом оксид кремния (71-73%), или, иначе говоря, обычный песок. В качестве флюссирующих (понижающих температуру плавления) материалов используется двуоксид натрия, то есть сода (13-16%), и оксид калия (5-10%). Карбонат кальция придает веществу твердость (если не включить этот компонент, то получится жидкое силикатное стекло). Оксиды магния и алюминия выполняют стабилизирующую функцию, повышая прочность стекла. Другие добавки обеспечивают материалу специфические технологические, эксплуатационные, физико-механические и декоративные свойства.

В древности стеклянные изделия изготавливались методом отливки (литья) или прессования. На рубеже новой эры (между 27 г. до н.э. и 14 г. н.э.) была изобретена технология выдувания стекла, которая продержалась без малого 2000 лет. с помощью особой трубки мастер-стеклодув выдувал болванку, которая затем подвергалась дальнейшей обработке. Оконное стекло производилось так называемым холявным методом. Сначала выдувалась «холява» - колба цилиндрической формы длинной до 3 м, диаметром до 100 см и весом до 6 пудов (96 кг). Затем у полуфабриката обрезали концы, полый цилиндр разрезали и раскатывали в лист. Начавшаяся в XIX веке научно-техническая революция и последовавшая за ней всеобщая индустриализация, небывалые ранее масштабы строительства, бурное развитие новых отраслей промышленности (автомобильной, авиационной и др.) требовали колоссальных объемов высококачественного стекла. Очевидно, что производство, основанное на полукустарном выдувании, не могло справиться с подобной задачей. В 1902 г в Бельгии был предложен метод непрерывного вертикального вытягивания листового стекла. Из ванны с расплавленной массой стекло протягивают в «щель» между прокатных вальцов. При этом за счет прокатной вязкости вещества и сил поверхностного натяжения образуется лента, которая, застывая, становится листовым стеклом. метод вертикального вытягивания очень скоро получил широкое распространение и применяется до наших дней (правда, в весьма скромных объемах). Между тем поиски более совершенной технологии начались уже в двадцатых годах прошлого столетия. Вертикальное вытягивание не устраивало стекольщиков по трем основным причинам. Во-первых, качество «вытянутого» стекла напрямую зависит от состояния вальцов, другими словами, дефекты оборудования отражаются на конечном продукте. Во-вторых, для получения заданных оптических характеристик материал нуждается в дорогостоящей полировке, оказывающейся зачастую недостаточно эффективной. В-третьих, производительность оборудования вертикального вытягивания весьма ограниченна, что не позволяет увеличивать производственные мощности и, как следствие, снижать себестоимость продукции.

Чтобы получить идеально ровное стеклянное полотно, нужно было вытянуть ленту на поверхность жидкости. Забавно, что решение этой задачи оказалось мистическим образом зашифровано в русском грамматическом правиле, объединившем в одном исключении три слова: стеклянный, оловянный, деревянный. С деревом разобрались еще средневековые мастера, которые заменили соду поташем (древесной золой), покончив тем самым с импортом соды из стран Востока и улучшив некоторые свойства стеклянных изделий (цвет, тугоплавкость).

Олово заявило о себе в новой прогрессивной технологии производства стекла. В 1959 году специалистам компании Pilkington Brothers Ltd. (Великобритания) удалось создать ванну, наполненную расплавом этого металла. Емкость с оловянной «жидкостью» была окружена специальной атмосферой, поскольку расплавленное олово быстро окислялось на воздухе. Сооружение получилось громоздким и весьма опасным. Однако цель была достигнута. Лента формировалась на поверхности оптимальной жидкости, что позволило производить высококачественное стекло со светопропусканием более 90%. В патенте инновационная продукция получила название «флоат» («плавающего») стекла. Справедливости ради отметим, что второй независимый патент на производство стекла с применением расплава олова получили советские стекольщики. Причем англичане безоговорочно признали патентную чистоту нашего метода.

Сегодня основные объемы листового стекла производятся по «флоат»-технологии. Мощные установки способны выдавать 1000-1200 тонн продукции в сутки (для сравнения: печи вертикального вытягивания – не более 400 тонн). Себестоимость «плавающей» продукции существенно ниже, чем у материала, полученного вертикальным вытягиванием.

«Флоат»-стекло - OptifloatTM (Pikington), Planibel Clear (Glaverbel) – используется не только в архитектурных целях, но и служит в качестве основы для производства стеклоизделий со специальными свойствами: солнцезащитных, энергосберегающих, ударопрочных, самоочищающихся, пожаробезопасных, с регулируемой прозрачностью.

Комментарий специалиста

Александр Скворцов, специалист группы спецпроектов и ключевых клиентов компании Glaverbel Russia

Одно из перспективных направлений развития стекольной индустрии – создание многофункциональных стекол. Например, концерн Glaverbel многие годы выпускает продукт Sunergy с «твердым» напылением, сочетающий в себе солярный контроль с повышенными энергосберегающими характеристиками. К тому же этот продукт отличается низким отражением и нейтральностью, что отвечает требованиям современной архитектуры. Однако для достижения высоких показателей по энергосбережению специалисты группы Glaverbel рекомендуют применение стекла Sunergy в составе однокамерных стеклопакетов вместе с внутренним низкоэмиссионным стеклом марки Planibel Top N, обладающим «мягким» магнетронным напылением. При такой композиции стеклопакета плюс дистанционная рамка шириной не менее 15 мм приведенное сопротивление теплопередаче (Ro) оконного остекления достигает 0,62 кв. м С/Вт, а при заполнении стеклопакета аргоном – 0,68 кв. м С/Вт.

Вместе с тем мы предлагаем многофункциональные высокоселективные стекла марки Stopray с «мягким» магнетронным покрытием. Пропуская большую часть видимого солнечного спектра, они отсекают длинноволновое тепловое излучение. Таким образом, исключается перегрев помещений и, как следствие, сокращаются расходы на вентиляцию и кондиционирование. В то же время Stopray – полноценный энергосберегающий продукт. Стеклопакеты с такими стеклами имеют высокие теплотехнические показатели, в частности сопротивление теплопередачи 0,62 кв. м С/Вт. Добавлю, что линия Stopray включает целый ряд стекол различных оттенков. Кроме того, такие стекла входят в состав многослойных комплексов (триплекса и других), обеспечивающих высокий уровень безопасности светопрозрачных конструкций.

Прозрачная «стена».

Как известно, окна представляют собой своеобразные бреши в тепловом контуре здания. И дело не только в низком сопротивлении теплопередачи стеклянного заполнения оконных проемов. В ходе научных исследований доказано, что основной объем теплопотерь происходит за счет радиационной (излучательной) составляющей тепловой энергии, направленной во внешнюю среду. Следовательно, чтобы сократить утечку тепла, необходимо обеспечить отражение инфракрасного излучения внутрь здания.

В 1960-х годах проводились активные экспериментальные работы в области металлизации поверхности стекла. Энергетический кризис 1970-х подстегнул этот процесс. В результате было налажено промышленное производство низкоэмиссионного теплосберегающего стекла с «твердым» К-покрытием. Позднее появились стеклоизделия с «мягким» И(I)-напылением.

К-стекло производится пиролитическим методом. Лента на выходе из печи плавления атакуется молекулами оксидов металлов. В результате на стекле образуется металлизированная пленка. Поскольку процесс происходит непосредственно на линии, «твердые» покрытия еще называют on-line-напылением. К-стекла хорошо противостоят механическому воздействию, не подвержены окислению при контакте с окружающей средой (можно использовать при одинарном остеклении), отлично переносят высокие температуры, что позволяет упрочнять такую продукцию методом термического закаливания. Однако энергосберегающие характеристики стекол с «твердым» напылением, увы, «не дотягивают» до современных теплотехнических требований.

В наши дни все большую популярность приобретает инновационное стекло с И-покрытием. Низкоэмиссионную пленку наносят методом магнетронного напыления в режиме off-line. Готовые листы помещают в специальное оборудование – магнетрон, где в условиях глубокого вакуума на стеклянную поверхность напыляют несколько слоев редкоземельных металлов. «Мягкое» покрытие весьма чувствительно к различным воздействиям. Стекло с таким напылением можно использовать только в составе стеклопакета, причем обработанная сторона должна быть обращена внутрь изделия. «Ранимый» характер «мягкого» напыления не препятствует участию стекол с таким покрытием в безопасных многослойных комплексах (триплексах и дт.). Кстати, в последние годы появилась закаленная продукция с И-покрытием. Закалка стекол осуществляется в высокотехнологичных печах, имеющих специальные опции. Вместе с тем энергосберегающие способности И-стекол выше всяких похвал. Достаточно сказать, что сопротивление теплопередачи однокамерных стеклопакетов, укомплектованных листами с «мягким» напылением, составляет 0,62 кв. м С/Вт (при заполнении межстекольного пространства инертными газами – 0,68 - 0,7 кв. м С/Вт). Для сравнения: согласно московским территориальным нормам, данный показатель (для окон и балконных дверей) должен быть не менее 0,55 кв. м С/Вт. Таким образом, применение низкоэмиссионных стекол позволяет сократить потери тепла за счет излучения в пять раз, а общие теплопотери – в два-три раза.

Справедливости ради отметим, что задача эффективного теплоснабжения не решается только за счет термических достоинств стеклянного заполнения. Улучшить теплотехнику окна или другого светопрозрачного элемента позволяют прогрессивные технологии и современные материалы, обеспечивающие конструкции такие качества, как герметичность и геометрическая стабильность, а также продолжительный срок безремонтной службы. В наши дни при необходимости создаются оконные системы, сопротиаление теплопередачи которых превышает 2,0 кв. м С/Вт, то есть по теплотехническим характеристикам близкие к стеновой ограждающей конструкции ( для московского региона приведенное сопротивление теплопередачи наружной стены должно быть не менее 3,0-3,2 кв. м С/Вт).

Поглощать или отражать.

Решение задачи теплосбережения обострило другую проблему – перегрев внутреннего пространства зданий и солнечную погоду. Внешнее тепло, проникнув в здание, не может вернуться обратно: путь ему преграждает низкоэмиссионное покрытие. Это приводит к возникновению парникового эффекта и повышению температуры в помещениях до 60-80˚С.

Ослабить воздействие солнца можно посредством поглощения или отражения. В первом случае применяются специальные виды окрашенных в массе стекол: Arctic BlueTM (Pilkington), Planibel Coloured (Glaverbel), Parsol (Saint-Gobian Glass). Тонирование достигается за счет добавления в расплав оксидов металлов. При этом конечный продукт приобретает не только цвет (насыщенный голубой, серый, зеленый, бронзовый, розовый), но и особые энергетические и оптические качества. Окрашенное в массе остекление частично поглощает радиационное тепло, снижая тем самым интенсивность воздействия солнечного излучения. В зависимости от толщины листа и цвета тонированное стекло поглощает от 23 до 51% тепловой энергии. На теплопоглощающем стекле почти не образуется бликов, что благотворно сказывается на визуальной экологии городской среды. Тонированная продукция (Arctic BlueTM) также характеризуется низким уровнем пропускания ультрафиолетового излучения.

Добавим, что эффект поглощения тепла используется в солнечных коллекторах, изготовленных на базе специальных стекол. Такие изделия являются продуктом нанотехнологий. На поверхность стекла наносится тончайшая пленка кремниевых наночастиц, которая в сочетании с кремовой основой (т.е. со стеклом) образует нанокремниевый фотоэлектрический элемент. Благодаря последнему поглощаемое солнечное излучение преобразуется в электричество. Тонированное остекление далеко не всегда устраивает архитекторов и дизайнеров. В современной архитектуре сильны тенденции, ориентированные на стирание границ между внутренним пространством и окружающей средой. Для достижения визуальной интеграции интерьеров и внешнего мира используются нейтральные стекла со светоотражающим напылением либо абсолютно бесцветные стекла, обладающие повышенным коэффициентом светопропускания: Pilkington Optiwhiteтм, Eurowhite (Euroglas, Германия) – с пониженным содержанием оксида железа, который придает нейтральному стеклу легкий зеленоватый оттенок.

Следует упомянуть и о рефлективных стеклах: Reflectasol, Cool-Lite (Saint-Gobain) и других. На их поверхность нанесен особый зеркальный слой, не только превосходно отражающий солнечное излучение, но и обладающий впечатляющим визуальным эффектом. При этом обеспечивается одностороннее наблюдение, т.е. изнутри нет ограничения видимости, а снаружи стекло практически не проницаемо для взгляда прохожих. Такое стекло ограждает внутреннюю жизнь здания от постороннего взгляда в условиях тесной городской застройки.

Все большую популярность приобретают антибликовые стекла, т.е. продукция, полностью лишенная отражающего эффекта. До недавнего времени такие изделия были востребованы лишь в музейном деле, в художественных салонах и галереях. Однако в наши дни остро встал вопрос визуальной экологии городской среды, а также обеспечения транспортной безопасности. Выяснилось, что зеркальные фасады оказывают негативное влияние на физиологию человека. Кроме того, отражение света фар может ослепить водителя, особенно если мощный световой поток возникает внезапно, из-за угла. Чтобы исключить возникновение аварий, Государственная инспекция по обеспечению безопасности дорожного движения предписывает использовать для остекления первых этажей стекла с низким уровнем отражения (не более 8 %).

Комментарий Специалиста