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).

Структура многослойных вакуумных стеклопакетов

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

Схема производства вакуумного многослойного стеклопакета для звукоизоляции

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.

Потери при прохождении звука для разных типов остекления

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.

Энергопотребления в течение года для одинарного стекла, двойного и многослойного стеклопакета

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