Умное стекло

Большие площади остекления, которые сегодня стали неотъемлемой частью современной архитектуры, требуют эффективных решений проблемы их затенения. Использовать традиционные ролеты не всегда удобно, т.к. они являются слишком конкретной преградой для света. Очевидно, что нужно искать новые и более тонкие и функциональные решения.

Впрочем, и стеклам обычных окон тоже есть к чему стремиться, ведь через них уходит большое количество тепла. Площадь стеклопакета по отношению к общей площади окна составляет около 95%, и только 5% приходится на обрамление. Это означает, что защищающие свойства окна в основном зависят от параметров стеклопакета.

Сопротивление теплопередаче оконных конструкций и способность стекла служить преградой солнечной радиации – это те сферы, которые больше всего сегодня волнуют разработчиков новых оконных технологий. Исследования в этих областях ведутся во всем мире, и везде они опираются на современные сверхэффективные технологии.

Главным направлением в этих разработках является управление интенсивностью пропускания солнечного излучения стеклом. Это управление бывает активным и пассивным.

Пассивные эффекты такого управления присущи фотохромному и термохромному стеклу, а активные эффекты реализованы в так называемом «умном» стекле. Это стекло также можно встретить под названием smart-стекло, которое в свою очередь бывает жидкокристаллическим (LC, PDLС) и электрохромным (EDC, SPD).

Чтобы было понятнее, давайте начнем с известных всем примеров «умного» стекла, которое используется в очках- хамелеонах. Такое стекло в технологических справочниках называется фотохромным. Оно реагирует на интенсивность освещения изменением собственной светопропускной способности. В составе фотохромного стекла присутствуют хлорид серебра, оксид бора и соединения меди, которые выполняют функцию катализатора. Секретом, обеспечивающим эффект затемнения, является реакция этих химических веществ, протекающая с выделением атомарного серебра. Условием этой реакции является свет, а при его уменьшении стекла просветляются, т.к. происходит обратная реакция. В фотографии тоже используется эффект выделения серебра, но там реакция является необратимой, т.к. выделение происходит из соединения с бромом.

Фотохромное стекло используется не только в оптике, но и в оконных стеклопакетах. Оно позволяет в автоматическом режиме регулировать освещенность в помещениях, где использовано панорамное остекление. Очевидно, что у фотохромного стекла огромное преимущество над обычным энергосберегающим тонированным. Последнее не может просветляться, когда, к примеру, на улице пасмурно. К тому же, тонированные стекла остаются темными и утром и вечером, т.е. когда их тонировка только мешает. Дело в том, что естественное освещение является самым лучшим для глаз, да и зачем тратить электроэнергию, если есть бесплатный и к тому же полезный свет.

Вместе с уровнем освещения монохромное стекло также регулирует и поступление тепла вместе с солнечными лучами. Чем оно становится темнее, тем меньше тепла проникает в помещение. Нельзя сказать, что это всегда полезно. К примеру, в пассивных домах, южные фасады которых имеют большую площадь остекления, стекла должны пропускать зимой как можно больше света и тепла. Фотохромные стекла для этого совсем не подходят.

Термохромное стекло изменяет свои оптические свойства под воздействием температуры. Такое стекло имеет слоеную структуру, в которую включен слой специального геля, который при повышении температуры мутнеет и, в конце концов, полностью утрачивает всякую прозрачность. Вот это свойство очень полезно для пассивных домов, где в холодное время нужна максимальная прозрачность, а в теплое, наоборот, затенение. Термохромное стекло работает автоматически и без привлечения каких-либо источников энергии.

Температура термохромного стекла зависит от интенсивности инсоляции, а также от наружной и внутренней температуры. Такие стекла в автоматическом режиме способны предотвратить перегрев помещения и снять нагрузку с системы кондиционирования. Кроме того, термохромный эффект может быть полезен для стеклянных крыш и мансардных окон, для которых оптическая прозрачность стекол не так важна.

В процессе производства термохромного стекла имеется возможность задать температурный диапазон изменений его оптических свойств. Для каждого объекта этот диапазон рассчитывается индивидуально.

Однако самыми продвинутыми технологично являются электрохромные стекла, т.е. те, свойства которых управляются электрическим способом. Активным элементом электрохромного стекла является стекло со специальным напылением, либо т.н. смарт-пленка. Как уже было сказано ранее, электрохромные стекла изготавливаются по технологиям PDLS и SPD. Смарт-пленка представляет собой два слоя лавсана, имеющих токопроводящее покрытие ITO film, и заключенной между ними полимерной суспензии.

Основой электрохромного стекла являются смарт-полимеры, которые имеют свойство под воздействием определенной силы электрического поля изменять светопропускные способности в видимом и инфракрасном диапазонах. То есть они параллельно с изменением оптических свойств, также обладают и свойствами низкоэмиссионного стекла.

Существует три типа смарт-полимеров – это LC или PDLC, ЕСD ил SPD. У каждого из них есть свои особенности. Тип LC увеличивает или уменьшает прозрачность без значительных изменений светопроницаемости. Оно может становиться матовым, но при этом в помещении не становится темнее, причем его матовость будет наблюдаться как изнутри помещения, та и со стороны улицы.

Следующие две технологии ЕСD ил SPD одновременно изменяют и прозрачность стекла и его светопропускную способность. С помощью питающего напряжения можно варьировать степень стветопропускания.

Реакция смарт-полимеров зависит как от типа самого материала, так и от внешних условий, в частности, температурных. Так пленки типа LC практически мгновенно реагируют на подачу или отключение питания, тогда как другим типам электрохромных полимеров может понадобится от 2 секунд до 5 минут. Скорость реакции замедляется в разы при отрицательных наружных температурах. Но эффект все равно, пусть и с задержкой, но будет присутствовать в полном объеме.

Жидкокристаллическая пленка в неактивном состоянии является матовой. Прозрачной она становится при подаче на нее электропитания – переменного тока 24…110 В. Когда напряжения нет, жидкие кристаллы в ней неупорядочены, а электрическое поле структурирует их, выстраивая в ряды и образуя при этом большую площадь просветов. Правда, присутствует остаточная опалесценция (матировка), но выражена она уже очень слабо.

Стандартная смарт-пленка позволяет изменять коэффициент видимой пропускания видимой части спектра солнечного излучения в диапазоне 62…3,5% прозрачности. Количество циклов изменения структуры жидких кристаллов ограничено, но очень большим числом – минимум 10 млн.

Электрохромное стекло может находиться в структуре триплекса, противоударного и пуленепробиваемого стекла. Его также можно подкрасить любым цветом. Электрохромные стекла выпускаются в двух размерах – 153×320 см и 100×400 см. В ближайшее временя ожидается появление смарт-пленки нового поколения Polyvision, которую уже анонсировала американская компания POLYТRONIX. Известны ее размеры – 180×400 см. Электрохромные стекла продаются с блоками управления. При использовании материалов типа SPD и EDC контроллер блока изменяет степень пропускания солнечного излучения и степень тонировки стекла.

Область применения электрохромного стекла довольно широка. Его можно использовать не только в качестве панорамного в пассивных и обычных домах, но и в интерьере. О стекле, которое практически по щелчку становится матовым или прозрачным писали многие фантасты, а теперь это стало реальностью и можно отказаться от штор и жалюзи. Вообразите стеклянную перегородку, которая способна изменять степень прозрачности. К слову, затенять можно как все стекло, так и отдельные его участки. Зимой смарт-стекло сохраняет в 4,5 раза больше тепла, чем обычный стеклопакет, при этом потребляя электроэнергии только 2-7 Вт•час/м². Результаты исследования электрохромного стекла показали, что его использование в оконном остеклении позволяет снизить затраты на освещение до 51%; на кондиционирование до 49%, а также опустить пиковые нагрузки в сети до 16%.

Усовершенствование электрохромного стекла сегодня проводится исследовательскими центрами многих компаний, и это, несомненно, будущее остекления и оконных технологий. Но сфера его применения расширяется уже сейчас. Новые материалы POLYТRONIX используются сегодня для создания больших интерактивных проекционных экранов (Touch Screen) с диагональю 220”, разрешением 32 000 точек и чувствительностью 100 PPS. Еще одна сторона электронного стекла – возможность совместить его с охранной функцией. Так, новая технология lnstantShield позволяет мгновенно превратить все стеклянные фасады здания в недосягаемые для злоумышленников. Стекла становятся непроницаемыми даже для приборов ночного видения, и при этом могут сигнализировать о нарушении их целостности.