Применение многослойного стекла в производстве вакуумных стеклопакетов, обеспечивающих звукоизоляцию и безопасность

15 июня 2009

Tetsuo Minaai¹, Tsuguhisa Takamoto ², Hideo Kawahara ^2
1Nippon Sheet Glass Co., Ltd., Oyabu-cho Kuze, Minami-ku, Kyoto, 601—8206, Japan
²Nippon Sheet Glass Spacia Co., Ltd., Oyabu-cho Kuze, Minami-ku, Kyoto, 601—8206, Japan

Аннотация - звуконепроницаемый многослойный вакуумный стеклопакет

С целью использования преимуществ тонких структур вакуумных стеклопакетов, был разработан многослойный вакуумный стеклопакет. Звуконепроницаемый тип многослойного вакуумного стеклопакета имеет суммарную толщину всего 9,7 мм в случае использования для его создания стекол толщиноймм">3 мм. При создании многослойного вакуумного стеклопакета в виде единого блока, он будет обладать повышенными термоизоляционными свойствами, высокой звуконепроницаемостью, повышенной защитой от взлома и т. п. По результатам исследований, звуконепроницаемость таких стеклопакетов на два класса (класс Т-3) превышает обычный двойной стеклопакет с толщиной стекла мм">5 мм и воздушным промежутком мм">12 мм. Более того, результаты оценки свойств защиты от взлома показали, что многослойный вакуумный стеклопакет приравнивается к высшему уровню безопасности многослойного остекления. Также, благодаря высокой прочности, многослойный вакуумный стеклопакет достаточно крепок, чтобы выдержать ветровую нагрузку даже при половинной толщине по сравнению с обычным двойным стеклопакетом. Кроме того, он показал такие же высокие энергосберегающие свойства при остеклении зданий, что и вакуумный стеклопакет.

Введение - предпосылки разработки многослойных стеклопакетов

Исходя из требований энергосбережения и снижения уровня выброса углекислого газа в зданиях и сооружениях, термоизоляционный двойной стеклопакет пользуется широким спросом. Между тем, уровень требований по звуконепроницаемости и безопасности для обеспечения комфортной и безопасной жизни растет с каждым годом. При таких обстоятельствах, вакуумные стеклопакеты, состоящие из двух стекол, разделенных безвоздушным пространством, имеют значительные преимущества из-за их тонкой конструкции и соответствия требованиям энергосбережения в зданиях и сооружениях.

Для повышения звуконепроницаемости и безопасности был разработан многослойный вакуумный стеклопакет, использующий все преимущества тонких конструкций вакуумного остекления. Он обладает звукоизоляционными и защитными свойствами в сочетании с высокими параметрами теплоизоляции. Также, поскольку он может подгоняться под существующую ширину оконной рамы, без внесения существенных конструкционных изменений, открывается широкий потенциал для использования таких стеклопакетов в модернизации старинных зданий и сооружений с учетом энергосберегающих потребностей. Новая технология производства таких вакуумных стеклопакетов успешно развивается, далее приведем их некоторые характеристики, такие как звуконепроницаемость, прочность и энергосбережение.

Применение вакуумных стеклопакетов — многослойные вакуумные стеклопакеты для обеспечения звукоизоляции и безопасности

Вакуумные стеклопакеты торговой марки SPACIA^®, были разработаны для промышленного производства с учетом требований японского рынка компанией Nippon Sheet Glass Co., Ltd, на основе базовой концепции, разработанной в Сиднейском университете (R.E.Collins и др. [1]). Вакуумный стеклопакет состоит и пары стекол, между которыми имеется прослойка безвоздушного пространства 0,2 мм толщиной, скругленный край стеклопакета запаян при помощи стекла для герметизации. Кроме того, для обеспечения одинаковой толщины вакуумного промежутка в условиях воздействия атмосферного давления, в нем находятся тонкие металлические распорки толщиной 0,2 мм, расположенные параллельно через каждые мм">20 мм. Внутренний объем стеклопакета вакуумируется через небольшую отсосную трубку. Стандартный продукт от SPACIA^® имеет низкоэмиссионное покрытие на внутренней поверхности и за счет этого обладает высокими термоизоляционными свойствами, коэффициент теплопередачи стеклопакета составляет порядка 1,5 Вт/м²К даже при мм">6 мм толщины. Термоизоляционные свойства вакуумного стеклопакета выше, чем у стандартного двойного стеклопакета.

С применением подобных высоких технологий, были также разработаны многослойные вакуумные стеклопакеты со звукоизоляционными и защитными свойствами (см. Рис. 1).

Рис. 1 Структура многослойного вакуумного стеклопакета

Многослойные вакуумные стеклопакеты получили промышленное название SPACIA Shizuka^® и SPACIA Mamoru^® соответственно. Процесс его изготовления показан на Рис. 2

Рис. 2 Схема производства многослойного вакуумного стеклопакета для звукоизоляции

После мойки, одинарное стекло, вакуумный стеклопакет и пленка для ламинирования толщиной 0,5 мм соединяются вместе. Затем, стекла в сборе помещаются в термостойкий нейлоновый вакуумный мешок, откуда затем откачивается воздух до давления 500 Па при температуре °C">110 °C в течение 60 минут для ламинирования. Толщина многослойного вакуумного стеклопакета звукоизоляционного типа составляет всего 9,7 мм в случае использования для его создания одинарного стекла мм">3 мм толщиной. Процесс изготовления защитного многослойного вакуумного стеклопакета ничем не отличается от звукоизоляционного. Однако, в случае защитного типа, между вакуумным стеклопакетом и одинарным стеклом помещается пластина из поликарбоната толщиной 1,2 мм, заключенная между двумя пленками для ламинирования. Поэтому, общая толщина защитного стеклопакета составляет 11,2 мм, в случае применения одинарного стекла толщиной мм">3 мм.

Различные характеристики стеклопакетов — звуконепроницаемость, безопасность, сопротивляемость ветровой нагрузке

При создании многослойного вакуумного стеклопакета в виде единого блока, он обладает не только высокими термоизоляционными свойствами, но также высокой степенью звукоизоляции. Результаты потерь при звукопередаче такого стеклопакета показаны на Рис. 3.

Рис. 3 Потери при передаче звука для различных типов остекления

Таких как: SPACIA Shizuka^®: FL2.5/LowE3/V0.2/ FL3, SPACIA Mamoru^®: FL2.5/PC1.2/LowE3/ V0.2/FL3, двойной стеклопакет: FL5/Air12/FL5, одинарное стекло: FL5 (без покрытия)

Звукоизоляционные свойства многослойного вакуумного стеклопакета соответствуют классу Т-3 согласно японскому промышленному стандарту (JIS), что соответствует 1/3 октавного диапазона по JIS A 4706—2000. Как следует из полученных результатов, многослойный вакуумный стеклопакет по звуконепроницаемости на 2 класса опережает обычный двойной стеклопакет при толщине его стекол мм">5 мм и воздушной прослойке между ними в мм">12 мм (см. Рис. 3).

При создании многослойного вакуумного стеклопакета в виде единого блока, дополнительной его функцией является высокая степень защиты. Японская ассоциация производителей листового стекла установила основной стандарт защиты от взлома для остекления. Стандарт учитывает способы проникновения в жилище при помощи разбивания стекла окна и взлома замков. Согласно этому стандарту, оценка прочности остекления на разбивание основана на ISO 16936—1. По результатам такой оценки стеклопакет SPACIA Mamoru^® показал такие же свойства, как и многослойное остекление высшего уровня, состоящее из двух стекол толщиной мм">3 мм и пленки для ламинирования толщиной 90 мил (2,3 мм). Стеклопакет показал также более высокие прочностные характеристики, чем обычное многослойное остекление, состоящее из стекла толщиной мм">3 мм и пленки для ламинирования толщиной 30 мил (0,76 мм).

По сути, вакуумный стеклопакет обладает высокой сопротивляемостью давлению ветра из-за столкновения с двумя стеклянными пластинами, разделенными безвоздушным пространством. Другими словами, он ведет себя по отношению к ветровой нагрузке так же, как сплошное стекло аналогичной толщины мм">6 мм. Соответственно, многослойный вакуумный стеклопакет будет выдерживать большую ветровую нагрузку по сравнению с вакуумным стеклопакетом, по причине большей жесткости конструкции, которая изготовлена единым блоком. Для сравнения, в случае использования остекления на 20 этаже здания, полная толщина обычного изоляционного двойного стеклопакета составит мм«>22 мм, поскольку здесь потребуется применение 5-миллиметрового стекла, разделенного 12-миллиметровой прослойкой воздуха. В то время как многослойный вакуумный стеклопакет достаточно прочен для противостояния аналогичным ветровым нагрузкам и толщине вполовину меньшей по сравнению с обычным двойным стеклопакетом. При этом вес многослойного стеклопакета будет соответственно вдвое меньше, чем обычного двойного стеклопакета.

Энергосберегающие способности — компьютерное моделирование

Чтобы понять, каково энергопотребление в стандартном японском доме, было проведено компьютерное моделирование при помощи программы «SMASH for Windows Ver. 2.0; Simplified Analysis System for Housing Air-Conditioning Energy» на основе метеорологических данных, предоставленных Институтом энергосбережения зданий (IBEC). Общая жилая площадь и площадь окон моделируемого здания были приняты соответственно 125,9 м² и 27,1 м² [2].

Компьютерное моделирование было проведено для трех типов окон: одинарное листовое стекло, обычный двойной стеклопакет и многослойный вакуумный стеклопакет. На Рис. 4 показаны результаты вычисления энергопотребления при использовании кондиционирования воздуха в моделируемом доме.

Рис. 4 Результаты энергопотребления в течение года для различных вариантов остекления в Токио. Где: одинарное стекло: FL5 (листовое стекло без покрытия), двойной стеклопакет: FL5/Air12/FL5, многослойный вакуумный стеклопакет: FL2.5/LowE3/V0.2/FL3

Четко видно, что общее энергопотребление в доме с использованием многослойных вакуумных стеклопакетов значительно ниже, чем при других вариантах. Эксперимент показал, что применение многослойного вакуумного стеклопакета позволяет осуществить экономию электроэнергии порядка 40% по сравнению с одинарными оконными стеклами. Следовательно, использование такого многофункционального остекления в доме очень полезно с точки зрения снижения уровня выделяемого углекислого газа. В результате, общее количество снижения уровня выброса углекислого газа составит порядка 1 тонны в год для каждого дома.

Заключение — преимущества многослойных вакуумных стеклопакетов

С целью повышения звукоизоляции и защиты зданий и сооружений, была разработана технология создания многослойных вакуумных стеклопакетов. Они обладают термоизоляционными свойствами, сравнимыми с свойствами обычных двойных стеклопакетов, а также высокими значениями звукоизоляции и защиты от взлома, что необходимо для обеспечения спокойного образа жизни. Звукоизоляционные свойства многослойных вакуумных стеклопакетов характеризуются классом Т-3 согласно оценке JIS и занимают высшую позицию среди различных типов остекления по этому показателю. Более того, такой стеклопакет обеспечивает такие же прочностные характеристики по отношению к ветровой нагрузке, как стандартный двойной стеклопакет, будучи вполовину меньшей толщины, что дает выигрыш в весе конструкции.

По результатам компьютерного моделирования, многослойный вакуумный стеклопакет показал высокий энергосберегающий эффект при установке в жилом помещении. Снижение энергопотерь с применением таких стеклопакетов составило около 40% по сравнению с одинарным стеклом. А также снижение уровня выброса углекислого газа с применением такого остекления составит примерно 1 тонну в год. Таким образом, многослойные вакуумные стеклопакеты внесут существенный вклад в энергосбережение и снижение выброса углекислого газа в зданиях и сооружениях по всему миру.

Справочные материалы

[1] R. E. Collins, T. Fischer-Cripps, J. Tang:

Transparent evacuated insulation, Solar Energy, 49(5), 333—350 (1992)

[2] Udagawa, The suggestion of standard model, Architectural Institute of Japan, Environmental Engineering Committee, Thermal Section Meeting, 15th Thermal Symposium, 1983