Умное окно что это
В Сингапуре создали «умные окна», которые удерживают тепло зимой и отдают его летом
Окна – самая уязвимая в плане потерь энергии часть любого дома. В жару они нагреваются снаружи и излучают тепло внутрь помещения, а когда на улице холодно, прогреваются изнутри и отдают тепло вовне. Этот процесс называется радиационным охлаждением.
Сотрудники Технологического университета Наньян в Сингапуре придумали, как сделать, чтобы окна поддерживали или «отключали» этот эффект в зависимости от погоды на улице, сообщает NewScientist. Они нанесли на одну сторону стекла тонкий слой диоксида ванадия – соединения, которое при температуре около 68°C превращается из изолятора в проводник. Если температура ниже, окно блокирует выход инфракрасного излучения, что помогает удерживать тепло внутри. Если выше – пропускает тепло изнутри и отражает его снаружи.
Но температура 68°C – это намного выше самой сильной жары, поэтому ученые добавили к диоксиду ванадия вольфрам. Благодаря этому температурная граница снизилась до 28°C. Исследователи также поместили между стеклом и легированным вольфрамом диоксидом ванадия слой метилметакрилата (PMMA), прозрачного пластика, улучшающего изоляционные свойства окна.
По словам ученых, такие умные окна могут регулировать температуру в домах по всему земному шару круглый год. Сейчас команда совершенствует свою разработку, чтобы сделать ее коммерчески жизнеспособной, работая над повышением эффективности при блокировании инфракрасного излучения и долговечностью.
Создано экономящее энергию умное окно
Фото: NTU Singapore
Ученые Технологического университета Наньян в Сингапуре (NTU) создали оконное стекло, которое адаптируется к погодным условиям и позволяет экономить энергию. Исследование было опубликовано в журнале Science.
Стекло со специальной пленкой реагирует на температуру и степень естественного освещения на улице и меняет свои свойства. В зависимости от ситуации умное окно либо снижает попадание солнечного света в помещение, либо способствует прохождению солнечных лучей. Ученые считают, что их изобретение позволит сэкономить ресурсы для обогрева или охлаждения дома.
Адаптивное оконное стекло разработано с использованием слоев композита, наночастиц диоксида ванадия, метилметакрилата и покрытия с низким коэффициентом излучения. В жаркое время стекло подавляет свет в ближнем инфракрасном диапазоне, одновременно усиливая длинноволновое инфракрасное излучение, что охлаждает помещение. В холодное время года устройство концентрирует солнечный свет и направляет его в комнату. Для его работы не требуется подключения к электроэнергии.
По словам ведущего автора исследования профессора Лонга Йи, оконный проем считается наименее энергоэффективной частью дома. В американских домохозяйствах потребление энергии в зданиях, связанное с окнами, составляет примерно четыре процента от общего потребления электричества в год.
В конце ноября ученые Гарвардского университета описали технологию использования живых чернил при строительстве домов. Примененный ими материал позволяет коммуникациям здания восстанавливаться самостоятельно.
Умное окно – необходимый элемент здорового здания
Smart window – required element of a healthy building
S.V. Kornienko, Doctor of Engineering, Head of «Architecture of Buildings and Structures» Department, Volgograd State Technical University (VolgGTU)
Keywords:smart window, healthy building, climatic effects, comfort, energy efficiency
Windows are an integral part of the building envelope. They are required for natural lighting of rooms, for protection of rooms from noise created by external sources, and for fulfillment of thermal protection, air insulation and moisture protection requirements. We will show that construction of healthy buildings with smart windows allows for systematic resolution of problem of creating a comfortable energy efficient habitat.
Окна являются неотъемлемой частью оболочки здания. Они необходимы для естественного освещения помещений, для защиты помещения от шума, создаваемого внешними источниками, а также для обеспечения теплозащитных, воздухоизоляционных и влагозащитных требований. Покажем, что строительство здоровых зданий с умными окнами позволит системно решить актуальную проблему создания комфортной энергоэффективной среды обитания.
Умное окно – необходимый элемент здорового здания
С. В. Корниенко, доктор техн. наук, заведующий кафедрой «Архитектура зданий и сооружений», Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ)
Окна являются неотъемлемой частью оболочки здания. Они необходимы для естественного освещения помещений, для защиты помещений от шума, создаваемого внешними источниками, а также для обеспечения теплозащитных, воздухоизоляционных и влагозащитных требований. Умные окна обеспечивают максимальное регулирование климатических воздействий. Покажем, что умное окно является необходимым элементом здорового здания.
В настоящее время задачи создания качественного микроклимата в помещениях зданий уверенно выходят на первый план по сравнению с вопросами энергосбережения. Здание, в котором приоритет при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений и защите окружающей среды, построенное с применением экологически чистых строительных материалов, называют здоровым [1]. Потребность в строительстве таких зданий высока и определяется необходимостью создания комфортной энергоэффективной среды обитания.
Окно является неотъемлемой частью оболочки здания [2, 3]. Окна необходимы для естественного освещения помещений, они должны обеспечить теплозащитные, воздухоизоляционные и влагозащитные требования. Окна должны надежно защищать помещения от воздушного шума, создаваемого внешними источниками, благодаря окнам создается визуальный контакт с внешней средой.
С теплотехнической точки зрения окна – наиболее сложный элемент оболочки здания. Зимой около 50 % общих трансмиссионных тепловых потерь приходится на окна [4]. Это приводит к ухудшению микроклимата в помещениях и создает более высокую потребность в тепловой энергии. В южных районах РФ высока потребность в кондиционировании воздуха помещений в летний период [5].
Так каким же должно быть окно в здоровом здании?
Регулирование климатических воздействий окнами
Большую часть оконных конструкций занимают светопропускающие изделия – стеклопакеты, поэтому в первую очередь остановимся на анализе их основных свойств.
Для обеспечения высоких эксплуатационно-технических характеристик стеклопакетов необходимо применение инновационных решений. Эти решения основаны на применении многокамерных стеклопакетов [6] с низкоэмиссионными покрытиями [7], мультифункциональными [8] и электрохромными стеклами [9].
Однокамерный стеклопакет с двумя обычными стеклами, заполненный аргоном, обеспечивает максимальное пропускание видимого излучения (81 %). Однако высокая теплопередача (2,6 Вт/(м 2 •К)) создает риск конденсации влаги на внутренней поверхности в зимний период даже в умеренных широтах, а большое теплопропускание солнечного излучения (76 %) летом может привести к перегреву помещений.
Для улучшения теплотехнических характеристик стеклопакетов в настоящее время широко применяют стекла с низкоэмиссионными покрытиями. Низкоэмиссионное покрытие представляет собой тончайшую (порядка 100 нм) пленку из оксидов металлов. Такое покрытие играет роль теплового «зеркала». Нанесение на поверхность стекла низкоэмиссионного покрытия незначительно снижает светопропускание (на 1–2 %), однако позволяет существенно (в 2,4 раза) улучшить теплоизолирующие свойства стеклопакетов за счет отражения тепловых лучей от стекла в помещение.
Для защиты помещений от избыточной солнечной радиации в летний период эффективно применение наружного мультифункционального стекла, сочетающего в себе повышенные солнцезащитные и теплоизолирующие свойства. Применение такого стекла позволяет существенно (до 42 %) сократить теплопоступления от солнечной радиации, снизить чрезмерную яркость поверхностей помещения за счет снижения светопропускания стеклопакета (до 67 %) и обеспечить более высокий уровень теплового и светового комфорта в течение года.
Перспективным направлением в архитектуре и строительстве является применение электрохромного стекла. Такое стекло представляет собой композит из слоев стекла с различными химическими материалами. В зависимости от внешних условий изменение пропускающих свойств электрохромного стекла достигается с помощью прохождения через него электрического тока напряжением 12–36 В. Контроль за оптическими и теплофизическими свойствами стекла осуществляется в автоматизированном режиме. По сравнению с традиционными решениями электрохромное стекло позволяет регулировать климатические воздействия в широких пределах. Однако высокая стоимость электрохромного стекла пока сдерживает его широкое практическое применение.
В процессе эксплуатации зданий загрязнение внешней поверхности остекления ухудшает его оптические свойства. В результате световой поток, поступающий в помещения, снижается, что приводит к дополнительным затратам на искусственное освещение. Ручная очистка остекления существенно повышает эксплуатационные расходы. Для автоматической очистки остекления применяют стекло с самоочищающимся покрытием. В результате нанесения такого покрытия под действием ультрафиолетового излучения и атмосферной влаги поверхность стекла становится чистой без применения моющих средств.
Для повышения эксплуатационно-технических характеристик оконной конструкции в целом наряду со стеклопакетами нуждаются в совершенствовании и другие элементы конструкции, тесно связанные с ними. Так, для изготовления рамочной конструкции необходимо применять надежные и долговечные малотеплопроводные материалы и изделия, правильно размещать оконный блок в стене, использовать прочное крепление конструкций [10].
Широкие возможности с точки зрения энергосбережения имеют навесные конструкции двойных вентилируемых светопропускающих фасадов [11].
Современные системы умной солнцезащиты позволяют в значительной степени повысить уровень комфорта в помещениях и сократить энергетические затраты на системы климатизации здания [12].
Расчет теплотехнических и светотехнических характеристик окон
Для примера рассмотрим биопозитивную конструкцию окна в деревянной раме. Толщина рамы 100 мм. Окно двухстворчатое, с импостом. Размеры окна 1,5«1,5 м. Доля остекления окна 70 %.
Рассмотрены следующие конструкции стеклопакетов:
1 – однокамерный стеклопакет с низкоэмиссионным и обычным стеклами;
2 – то же, с внутренней деревянной шторой;
3 – однокамерный стеклопакет с солнцезащитным низкоэмиссионным и обычным стеклами;
4 – двухкамерный стеклопакет с двумя низкоэмиссионными и одним обычным стеклами;
5 – однокамерный стеклопакет с электрохромным и низкоэмиссионным стеклами, с автоматическим двухступенчатым контролем теплопоступлений от солнечной радиации [3].
Во всех указанных выше случаях камеры стеклопакетов заполнены аргоном.
Теплотехнические и оптические характеристики стеклопакетов приведены в [3, 12]. Теплопередача рамы составляет 1,5 Вт/(м 2 •К). Добавочные удельные потери теплоты через краевую зону стеклопакета приняты равными 0,06 Вт/(м•К). Добавочное термическое сопротивление внутренней шторы принято равным 0,14 м 2 •К/Вт, светопропускание – 0,44, общее пропускание солнечной энергии – 0,80. Результаты расчета приведены ниже.
Снижение теплопотерь и повышение комфортности среды
Удельные потери теплоты через рассматриваемые конструкции окон и их элементы показаны на рис. 2, из которого видно, что максимальные удельные потери теплоты (3,35 Вт/К) отмечаются через окно с однокамерными стеклопакетом с низкоэмиссионным и обычным стеклами. Теплопотери через стеклопакет составляют 56,4 % общих теплопотерь через окно. Размещение внутренней деревянной шторы заметно снижает теплопотери через окно (–17 %). Максимальное снижение теплопотерь (–28,1 %) дает конструкция окна с двухкамерным стеклопакетом с двумя низкоэмиссионными и одним обычным стеклами.
Полученные данные использованы для расчета сопротивления теплопередаче окон и определения температуры на их внутренней поверхности (рис. 3). Средняя температура на внутренней поверхности окон рассчитана при температуре внутреннего воздуха tв = 20 °C и температуре наружного воздуха tн = –20 °C.
Анализ результатов показывает, что минимальное значение сопротивления теплопередаче (Rо = 0,67 м 2 •К/Вт) имеет окно с однокамерным стеклопакетом с низкоэмиссионным и обычным стеклами. Такое окно практически исключает конденсацию влаги на внутренней поверхности в широком диапазоне температур наружного воздуха, однако не всегда может обеспечить оптимальные характеристики микроклимата. Применение внутренних деревянных штор, как показано на рис. 3, повышает теплозащитные свойства ограждающей конструкции на 20,9 % и улучшает тепловой комфорт помещения. Наилучшие теплозащитные свойства (Rо = 0,93 м2•К/Вт) имеет окно с двухкамерным стеклопакетом с двумя низкоэмиссионными и одним обычным стеклами. В этом случае температура на внутренней поверхности окна приближается к температуре стены, создавая изотермическую оболочку здания. Такая конструкция обеспечивает оптимальные условия по тепловому комфорту и рекомендуется для применения в зданиях с энергопотреблением, близким к нулевому [5].
Регулирование естественной освещенности
Применяя стеклопакеты с мультифункциональными и электрохромными стеклами, можно заметно изменить световой режим помещений.
Из анализа суточного хода естественной освещенности на внутренней поверхности окон южной ориентации в июне (рис. 4) видно, что характер изменения естественной освещенности в течение суток для различных конструкций окон практически один и тот же. Максимальные значения освещенности отмечаются в полдень. Применение внутренних штор позволяет снизить световой дискомфорт за счет затенения помещения от ярких солнечных лучей. Дальнейшее улучшение световой обстановки может быть достигнуто путем автоматического регулирования светового потока, поступающего в помещение в летний период. Однако более низкий уровень естественного освещения в зимний период может потребовать применения специальных зональных оконных систем, состоящих из участков с различным светопропусканием [3]. Поэтому окончательный выбор конструкции теплоэффективного окна следует осуществлять согласно светотехническому расчету.
Снижение теплопоступлений от солнечной радиации
В южных районах в летний период количество солнечной радиации, падающей на фасады зданий, значительно [1], поэтому необходимо сокращать приток теплоты от солнечного излучения в помещения.
Суточные теплопоступления суммарной солнечной радиации (на 1 м 2 окна) через окна южной ориентации в июле (48 с. ш.) приведены на рис. 5. Указанные значения рассчитаны на основе часовых значений солнечной радиации с учетом оптических свойств стеклопакетов и затенения непрозрачными элементами окна.
Как видно (рис. 5), максимальные солнечные теплопоступления (1 747 кВт•ч/м 2 за сутки) происходят через окно с однокамерным стеклопакетом с низкоэмиссионным и обычным стеклами. Такие конструкции могут создать существенный риск перегрева помещений летом. Применение внутренней деревянной шторы сокращает теплопоступления на 20,4 %, следовательно, такое решение, наряду с затенением, дает заметный теплотехнический эффект. Повышается биопозитивность окна. Более высокий теплотехнический эффект дает применение солнцезащитного стекла, которое позволяет снизить теплопоступления через окна на 30,6 % по сравнению с конструкцией 1. Динамический контроль теплопоступлений от солнечной радиации за счет применения электрохромного стекла позволяет достичь наибольшего теплотехнического эффекта (81 %).
Таким образом, строительство здоровых зданий с умными окнами позволит системно решить актуальную проблему повышения качества среды обитания и сохранения энергии для будущих поколений.
Литература
1. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. 192 с.
2. Горшков А. С., Миков В. Л. Проектирование ограждающих конструкций в странах Европейского союза и России // Светопрозрачные конструкции. 2017. № 5 (115). С. 46–54.
3. Gutai M., Kheybari A. G. Energy consumption of hybrid Smart Water-filled glass (SWFG) building envelope // Energy Buildings. 2021. Vol. 230. P. 110508.
4. Korniyenko S. Complex analysis of energy efficiency in operated high-rise residential building: case study // E3S Web of Conferences. 2018. P. 02005.
6. Salleh N. M., Azmi M. H., Salim N. A. A., Kamaruzzaman S. N., Azizi N. S. M. Thermal performance evaluation of double panel glass windows // Malaysian Construction Research Journal. 2018. Vol. 3. Pp. 141–154.
7. Chow T.-T., Li C., Lin Z. Innovative solar windows for cooling-demand climate // Solar Energy Materials. 2010. Vol. 94 (2). Pp. 212–220.
8. Arici M., Karabay H., Kan M. Flow and heat transfer in double, triple and quadruple pane windows // Energy Buildings. 2015. Vol. 86. Pp. 394–402.
9. De Forest N., Shehabi A., Selkowitz S., Milliron D. J. A comparative energy analysis of three electrochromic glazing technologies in commercial and residential buildings // Applied Energy. 2017. Vol. 192. Pp. 95–109.
10. Корниенко С. В., Глуховеря Д. Ф. Влияние размещения оконного блока по толщине стены на теплопотери // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. № 4 (67). С. 62–71.
11. Carlos J. S. Optimizing the ventilated double window for solar collection // Solar Energy. 2017. Vol. 150. Pp. 454–462.
12. Корниенко С. В., Миков В. Л., Навроцкий Б. А. Окна умного города // Социология города. 2020. № 4. С. 5–18. ¢
1 СП 345.1325800.2017 Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты.
2 СП 23-102-2003 Естественное освещение жилых и общественных зданий.
Поделиться статьей в социальных сетях:
Все иллюстрации приобретены на фотобанке Depositphotos или предоставлены авторами публикаций.
Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №3’2021
Умные окна думают за вас
Развитие цифровых технологий идет семимильными шагами. Автоматическое открывание умных окон уже не фантастика, а реальность. Подробнее в материале портала ОКНА МЕДИА.
Умные окна – для новаторов жизни
Стремительная «цифровизация» за последнее десятилетие добралась до домашних инженерных систем. Умные дома с автоматическими системами отопления, вентиляции, освещения и мониторинга безопасности становятся все более популярными среди населения. Окна тоже встают на путь цифровизации.
Бесплатный оконный сервис для выбора и расчета пластиковых окон по всей России
Привычный алгоритм проветривания помещений путем ручного открывания окна уходит в прошлое. Умные окна с автоматическим открыванием – ответ на запросы новаторов, думающих о своем здоровье и безопасности дома. Новое поколение потребителей предпочитает наполнять место своего обитания умными устройствами, делающими жизнь более комфортной.
Фото: автоматическое открывание окна комплексно решает целый ряд задач Окна с автоматическим проветриванием найдут достойное применение в городской квартире, загородной недвижимости, органично впишутся в систему «умный дом». Смарт окна произведут вау-эффект на друзей и знакомых, подчеркнут статус обладателя продвинутых гаджетов, станут покупкой, о которой потом будут много говорить.
Принцип работы умных окон
Умными окна сделала автоматика. Электропривод, спрятанный внутри окна, специальные датчики и пульт дистанционного управления отличают смарт окна. Все эти элементы, объединенные в одну систему и подключенные к электричеству, смогут принимать решения за пользователя в зависимости от погоды за окном.
⇰ Умная автоматика
При подключении окна к метеодатчикам и датчику содержания CO2, пользователь получает широкий спектр новых возможностей. Окна начинают автоматически реагировать на погоду и препятствовать угрозе причинения вреда недвижимости.
Фото: с помощью автоматического отрывания окна можно настроить целый ряд климатических показателей в комнате Больше не нужно бояться оставлять окна открытыми во время отсутствия. Умные окна самостоятельно отреагируют на изменение погодных условий. Оконная створка закроется при сильном ветре и осадках, предотвращая возможные последствия стихии.
⇰ Комфортное проветривание
Привычное, но технически устаревшее, ручное открывание окна постепенно заменяется дистанционным. Теперь чтобы проветрить комнату не нужно вставать с дивана – комфортную температуру и чистый воздух легко обеспечить, нажав на кнопку пульта.
⇰ Забота о здоровье
Владельцы недвижимости осознают важность качества воздуха в доме, но не хотят держать в голове необходимость периодически открывать для этого окно. Если основная функция окна – доступ свежего воздуха, то и происходить этот процесс должен без постоянного вмешательства человека.
Фото: автоматическое открывание окна контролирует уровень концентрации углекислого газа в комнате Окно откроется, если предельно допустимая норма углекислого газа превысит допустимые показатели для хорошего самочувствия и плодотворной работы или учебы – более 1000 ppm.
⇰ Энергоэффективность
Умные окна экономят энергию на отопление и проветривание. Систему управления окном можно синхронизировать с системой отопления. На время проветривания отопление будет в автоматическом режиме отключаться, а затем включаться вновь. Окна будущего доступны уже сейчас.
Roto E-tec drive – умное окно от лидера рынка
Один из вариантов умных окон представлен в линейке компании Roto Frank. Система автоматического проветривания Roto E-Tec Drive оснащена датчиками дождя и ветра – окно автоматически закроется, если начнется дождь или скорость ветра превысит допустимую. Во встроенном таймере можно задать интервалы, через которые створка будет открываться и закрываться, поддерживая свежесть воздуха в доме без риска выстудить его в холодное время года.
Фото: умное окно с автоматическим открыванием Roto E-Tec Drive* Roto E-Tec Drive в сочетании с системой E-Tec MTS будет отключать отопление на время проветривания, тем самым экономя энергию на отопление. Функция автоматической блокировки E-Tec MTS защитит окна от попыток взлома. Система полностью интегрируется в профиль и абсолютно незаметна с внешней части окна.
Смарт окна станут стимулом для повторной замены окон. Преимущества, которые они дают людям, многократно превышают способности обычных оконных конструкций. Не нужно больше думать о безопасности дома и здоровье. Окна думают за вас.
*Статья содержит контекстную и визуальную рекламу
Умные окна: электрохромное стекло – что это такое и как работает?
Главная страница » Умные окна: электрохромное стекло – что это такое и как работает?
Задачу регуляции количества внешнего света (солнечных лучей), входящего внутрь помещений, долгое время традиционно решали посредством внедрения жалюзи. Однако этот инструмент требует постоянных действий от владельцев недвижимости – приходится открывать / закрывать жалюзи, по мере надобности. И вот, появлением новой концепции управления внешним светом — конструкции электрохромного стекла (умные окна), учёные фактически решили проблему одним нажатием кнопки.
Обобщённая концепция применения электрохромного стекла
Специалисты намекают на простоту, удивительные удобства, на экологические преимущества. Что же представляют собой умные окна и как работают на практике? Попробуем разобраться.
Практичным и нужным строительным материалом является стекло. Сложно представить, насколько:
оставались бы жилые и прочие помещения, не будь в распоряжении строителей возможностей остекления сооружений.
Однако при всех выраженных преимуществах материала, стеклу присущи также определённые недостатки. В частности, материал пропускает свет и тепло, независимо от желаний владельца недвижимости.
Летним жарким днём масса солнечной энергии, поступающей внутрь здания, заставляет использовать кондиционер, что сопровождается существенным расходом энергии. Это стоит денег и наносит вред окружающей среде.
Очевидный момент, когда владельцы большинства домов и офисов оснащают окна шторами или жалюзи. Это умный подход к окнам, но не автоматизированный. Шторы и жалюзи создают технологический барьер, восполняющий недостаток стекла, но считать полностью «умным» такой подход нельзя.
Начало 20-го века ознаменовалось появлением «умной» техники, максимально автоматизированной. Среди примеров:
Логичным стал вопрос — почему бы не оборудовать дома «умными» электрическими окнами, способными автоматически переходить от светлого режима к тёмному режиму?
Умные окна (также именуемые «умными» стёклами), переключаемые динамические конструкции, позволяют изменять режимы освещения.
Научная идея (концепция) таких «умных» конструкций, напрямую связана с электрохромизмом — эффектом смены цвета материалом (или переключения от прозрачного состояния к непрозрачному).
Функции электрохромизма проявляются в моменты прикладывания к материалу электрического напряжения.
Обычно «умные» окна демонстрируют плавный переход от синеватого цвета к полной прозрачности при прохождении электрического тока.
Эффект действия «умного» окна, полученный в условиях лаборатории. Как видно на картинке режимы «прозрачности» (слева) и полного «затенения» (справа) вполне оправдывают название технологичной конструкции
Конструктивные разновидности электрохромного стекла
Существуют различные типы электрохромного стекла:
Каждый тип выстраивается по индивидуальной технологии. Рассмотрим одну из технологий, которая основана на активности ионов лития.
Обычное простое окно изготавливается из одной вертикальной стеклянной панели. В свою очередь стеклопакеты делают как минимум из двух стеклянных панелей, разделённых воздушным зазором для улучшения теплоизоляции и звукоизоляции.
Более сложные окна (с использованием светоотражающего / теплоотражающего стекла), которые уже можно считать «умными», покрываются тонким слоем металлических химикатов.
Электрохромные — полностью умные окна, работают примерно аналогично сложным металл-химическим конструкциям. Но металл-оксидные покрытия «умных» электрохромных конструкций выглядят более сложными.
Рабочая плёнка таких «умных» систем наносится процессами, аналогичными тем, которые используются при изготовлении интегральных микросхем (например, кремниевых компьютерных чипов).
Структура умные окна (схема и принцип действия): А – режим затенения при отключенном питании; В – режим прозрачности при включенном питании; 1 – плёночная прослойка; 2 – жидкокристаллический активный слой; 3 – жидкокристаллическая плёнка; 4 – токопроводящее покрытие
На производственной практике электрохромное умное окно изготавливается либо на основе силикатного стекла, либо на базе пластика (технический термин — «подложка» или базовый материал).
Рабочая поверхность покрывается несколькими тонкими слоями с помощью процесса распыления. На внутренней поверхности изделия (смотрит внутрь помещения) «умное» окно имеет двойной «сэндвич», состоящий из пяти ультратонких слоёв:
Принцип работы выстраивается на периодической миграции ионов лития сквозь сепаратор между двумя электродами. Обычно, когда «умное» окно прозрачно, ионы лития сосредоточены в области одного из электродов, выполненных на базе оксида лития-кобальта (LiCoO2).
Когда на электроды подаётся некоторое напряжение, ионы мигрируют через сепаратор к другому электроду. Прохождением через сепаратор, выполненный из поликристаллического оксида вольфрама, электроны способствуют отражению света. Соответственно, налицо эффективное переключение умного окна в затенённое состояние.
По мере изменения напряжения на электродах происходит обратный процесс, соответственно умные окна вновь приобретают состояние прозрачности.
Что примечательно, энергия расходуется только в моменты переключения электрохромных окон в прозрачное или затенённое состояние. Оставаясь в любом из режимов, умные окна не расходуют электрической энергии.
Другие технологии для достижения подобных эффектов
Кроме литий-ионной технологии доступны также другие варианты остекления. Например, вместо размещения разделителя между слоями электродов используется электрохромный материал (краситель).
Такой материал обладает свойствами изменения цвета в моменты пропускания тока через структуру. Технология напоминает применяемую для фотохромных солнечных очков, но требует более точного контроля питания.
Умные окна, выполненные по схеме описанной выше, устанавливаются как отдельные элементы. Требуется установка целого стеклопакета, где стёкла покрыты специальным составом.
Этот вариант видится достаточно затратным. Однако есть возможность получить технологию «умных» окон по удешевлённой схеме.
Вариант плёночного оснащения обычных оконных конструкций обходится потенциальному пользователю дешевле. Между тем, «умная» плёнка показывает улучшенные характеристики быстродействия по сравнению с технологией напыления и возможности управления смартфоном
Известные в области остекления производители «Sonte» и «Smart Tint», к примеру, предлагают тонкую самоклеящуюся электрохромную плёнку.
Такого рода материал несложно нанести на существующие стандартные окна, сделав эти компоненты жилища «умными». Плёнка позволяет включать / выключать вновь созданные «умные» конструкции специальным приложением на смартфоне.
Электрохромные плёнки используют технологию, аналогичную жидкокристаллическому дисплею, где жидкие кристаллы под точным электронным управлением изменяют массив проходящего света.
Когда ток подключен, кристаллы выстраиваются линейно подобно открывающимся жалюзи, обеспечивая прохождение лучей света. Если же ток выключен, кристаллы ориентируются случайным образом, рассеивают свет, делая «умные» окна непрозрачными.
Производительность накладных плёнок впечатляет. Согласно утверждениям специалистов «Smart Tint», «умная» плёнка способна пропускать 98% света в режиме прозрачности.
В другом случае, коэффициент пропускания снижается примерно втрое, организуется не менее эффективное состояние непрозрачности. Долговечность определяется границей количества переключений, которая заявлена производителем на уровне 3 млн. раз – не менее.
Умные окна — п реимущества и недостатки
Технологичность рассматриваемых конструкций очевидна. Действительно есть чему удивляться и стремиться к тому, чтобы как можно скорее применить в деле.
Между тем, несмотря на привлекательные технологии, так называемые умные окна показывают не только явные преимущества, но вместе с тем и реально имеющие место недостатки.
Стоит ознакомиться с теми и другими, чтобы более определённо конкретно подходить к вопросу приобретения и установки интеллектуального остекления.
Преимущественные стороны «умного» остекления
Умные окна могут рассматриваться своего рода техническим трюком, но эти конструкции определённо демонстрируют экологическое преимущество. Создавая затенённое состояние, такие конструкции отражают практически 98% света и солнечного тепла.
Этим процессом значительно сокращается потребность кондиционировать воздух, соответственно, снижаются затраты.
По оценкам производителя «View Glass», электрохромное стекло помогает сократить пиковое потребление энергии на охлаждение и освещение примерно на 20%.
Поскольку «умное» остекление работает от электричества, легко организовать управление системой с помощью схемы «умного» дома или датчика солнечной энергии, независимо от присутствия внутри здания владельцев.
Схема управления прозрачностью остекления, дополненного интеллектуальной плёнкой: 1 – самоклеющаяся электрохромная плёнка; 2 – стабилизатор постоянного напряжения; 3 – преобразователь переменного напряжения в постоянное; 4 – кнопка управления; 5 – функционал (приложение) смартфона
Подобного рода остекление позволяет сэкономить до 8% от общего энергопотребления здания. Новое технологичное остекление использует небольшой объём электричества.
Только в моменты переключения режимов (на 100 окон расходуется примерно столько же энергии, сколько на одну лампу накаливания). В общем и целом, достигается абсолютная экономия энергии.
Другие преимущества интеллектуальных окон включают конфиденциальность владельца одним движением переключателя (нет нужды крутить штоки жалюзи или тянуть канаты штор). Удобство эксплуатации и безопасность также можно отнести к преимущественной стороне.
Недостатки конструкций «умного» остекления
Стекло, предполагающее печать электродов и причудливых металлических покрытий, конечно же, обходится потенциальному владельцу в несколько раз дороже, чем обычное стекло.
Также вызывает вопросы долговечность материалов, применяемых в изготовлении текущих конструкций. Эксплуатационные характеристики снижаются примерно через 10–20 лет, но это более короткий срок, чем показывает традиционное остекление.
Ещё один недостаток таких сооружений – время перехода от состояния прозрачности к непрозрачному состоянию и обратно. Некоторые технологии ограничивают этот промежуток времени минутами.
Правда, наклеиваемые электрохромные плёнки показывают более быстрый переход (менее 1 секунды) от прозрачного состояния к непрозрачному режиму и обратно.
Умные окна и перспективы развития технологии
Перспективные проекты указывают на подход комбинирования электрохромных окон и солнечных панелей, чтобы вместо бесполезного отражения солнечного света, технологичные окна зданий поглощали энергию и сохраняли для дальнейшего использования.
Остаётся только представить интеллектуальные окна, улавливающие часть солнечной энергии в течение дня, с последующим сохранением в аккумуляторы. Сохранённая энергия в ночное время суток используется на освещение дома.
Конечно, интеллектуальное окно не в состоянии одновременно на 100% обеспечить прозрачность и работать как 100-процентная эффективная солнечная панель. Поступающая энергия либо передается через стекло, либо поглощается и сохраняется, но не в режиме одновременного действия.
Конструкция двойного действия сопряжена с компромиссом для обеих сторон. Такое сооружение остаётся относительно тёмным даже в режиме прозрачности, менее эффективным для захвата энергии по сравнению с полноценным солнечным элементом.