Влияние конструктивного состава стеклопакетов на теплотехническую эффективность стеклянных фасадов высотных зданий

Введение

При большой площади остекления коэффициент теплопередачи стеклопакетов заметно влияет на тепловые потери через наружную оболочку здания. Для высотных объектов необходимо также рассчитывать влияние фасадных стоек, примыканий к перекрытиям и краевых зон стеклопакетов [2, с. 35-40; 7, с. 75-79]. Выбор состава стеклопакета становится одной из задач повышения энергетической эффективности здания [2, с. 35-40; 7, с. 75-79].

Сопротивление теплопередаче стеклопакета зависит от излучательной способности поверхностей, типа газового заполнения и числа камер. Низкоэмиссионное покрытие снижает лучистый теплообмен, а заполнение аргоном изменяет теплопроводность газовой прослойки. В исследовании M. Koru и соавторов сравнивались двухстекольные конструкции с воздухом и аргоном, что подтверждает необходимость учитывать газовую среду и ширину камеры [10].

Цель исследования - количественно сопоставить четыре конструкции стеклопакетов при одинаковых исходных условиях и определить вклад низкоэмиссионного покрытия, аргонового заполнения и второй камеры в снижение сезонных трансмиссионных теплопотерь. В качестве расчётного сценария приняты климатические условия Самары и площадь центральной зоны остекления одного этажа 600 м². Объектом исследования являются стеклопакеты светопрозрачного фасада высотного здания, предметом - изменение их коэффициента теплопередачи и расчётных теплопотерь в зависимости от конструктивного состава. Сопоставление ограничено центральной зоной стеклопакета и не подменяет теплотехническую оценку фасадной системы в целом.

Основная часть

ГОСТ 24866-2014 устанавливает требования к герметичным стеклопакетам из листового стекла с одной или несколькими газовыми камерами [3]. Ширина камеры определяет условия теплопроводности и естественной конвекции газового заполнения; ее бесконтрольное увеличение не обеспечивает пропорционального роста сопротивления теплопередаче. Расчёт теплопередачи центральной зоны стеклопакета выполняется по ГОСТ EN 673-2016 [5].

Низкоэмиссионное (Low-E) покрытие представляет собой тонкий функциональный слой с пониженной излучательной способностью, уменьшающий лучистый теплообмен между внутренними поверхностями стеклопакета. Для рассматриваемых изделий принято стекло Pilkington Optitherm S3. Покрытие ориентировано в герметичную камеру, поскольку непосредственно открытая наружной среде поверхность не соответствует условиям эксплуатации данного мягкого покрытия [11; 12, с. 25-26].

Сравниваются конструкции с листами стекла толщиной 4 мм и камерами по 16 мм. Варианты 1–3 имеют толщину 24 мм: обычный стеклопакет, стеклопакет с одним покрытием Optitherm S3 и тот же вариант с 90% заполнением аргоном. В варианте 4 добавлена вторая камера с 90% аргоном; предусмотрено одно низкоэмиссионное покрытие, общая толщина составляет 44 мм. Для базового стеклопакета U_g = 2,7 Вт/(м²·К) принято по справочным данным ISO/TR 52022-2:2017 [13, табл. A.1]; показатели вариантов 2-4 – по данным Pilkington [11; 12, с. 25-26] (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики сравниваемых стеклопакетов

При переходе от варианта 1 к варианту 2 меняется только покрытие, от 2 к 3 – газ в камере, от 3 к 4 – количество стекол и камер. Такое сравнение позволяет оценить вклад последовательных изменений в пределах выбранной серии. Толщина стекла 4 мм принята только для теплотехнической модели: для реального высотного фасада толщину и тип безопасного стекла определяют отдельным прочностным расчётом [2, с. 35-40; 7, с. 75-79].

Климатические показатели Самары по табл. 5.1 СП 131.13330.2025 [8]. Градусо-сутки отопительного периода вычисляются по формуле (5.2) СП 50.13330.2024 «Тепловая защита зданий» [9]. Внутренняя температура +20°C принята для сравнительного расчёта с учётом ГОСТ 30494-2011 [4].

Для жилого здания использован отопительный период со среднесуточной температурой наружного воздуха не выше +8°C. В Самаре по табл. 5.1 СП 131.13330.2025 его средняя температура составляет −4,2°C, а продолжительность – 193 суток [8].

Таблица 2

Исходные данные, обозначения и нормативные основания

В таблице 2 приведены исходные параметры и их источники. Здесь Δt – средняя разность температур воздуха, ГСОП - градусо-сутки отопительного периода, °C·сут; τот – продолжительность периода в часах; Θ – температурно-временной показатель, К·ч; Qᵢ – расчётные потери через центральную зону стеклопакетов за период, кВт·ч; ΔQᵢ – снижение относительно исходного варианта, кВт·ч; ηᵢ – относительное снижение, %. Индекс i соответствует номеру варианта (1–4). Коэффициенты 24 и 1000 используются для перевода единиц измерения.

Этап 1. Определение среднего температурного перепада

Расчётный средний перепад между воздухом помещения и наружной средой в отопительный период равен:

, (1)

Этап 2. Определение градусо-суток отопительного периода

По формуле (5.2) СП 50.13330.2024 [9] рассчитывается показатель ГСОП:

, (2)

Этап 3. Приведение градусо-суток к часам

Переход от градусо-суток к градусо-часам нужен для расчёта энергии в кВт·ч:

, (3)

, (4)

Этап 4. Расчёт сезонных трансмиссионных теплопотерь

При одинаковой площади центральной зоны расчётные сезонные трансмиссионные потери определены по зависимости:

, (5)

В формуле (5) множитель 24 переводит градусо-сутки в градусо-часы, а деление на 1000 – ватт-часы в киловатт-часы. Значения U_g относятся к центральной зоне стеклопакета, оцениваемой по ГОСТ EN 673-2016 [5]. Для реального фасада необходимо отдельно рассчитывать влияние профилей и примыканий по СП 50.13330.2024 и ГОСТ Р 54858-2011 [6, 9]. Сопоставление по четырём вариантам:

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

Этап 5. Определение абсолютного и относительного сокращения теплопотерь

Базой сравнения принят стеклопакет 1. Абсолютное и относительное сокращение потерь определяют по формулам:

, (10)

, (11)

Для варианта 4 получаем:

, (12)

, (13)

Границы расчёта. Полученные значения Qᵢ относятся к условной трансмиссионной составляющей потерь через 600 м² центральной зоны остекления. Не учитывались рамы, дистанционные рамки, линейные мостики холода, инфильтрация, температура по высоте фасада, солнечные теплопоступления и КПД отопительного оборудования. Поэтому разность Qᵢ показывает эффект замены стеклопакета в принятой модели, а не подтверждённую экономию потребления энергии зданием [1, 6, 9].

Для исходного стеклопакета Ug = 2,7 Вт/(м²·К) сезонные расчётные потери составили 181593 кВт*ч [13]. Результаты остальных вариантов представлены в таблице 3.

По принятым паспортным данным покрытие Optitherm S3 уменьшает U_g до 1,4 Вт/(м²·К) при воздушном заполнении; замена воздуха аргоном – до 1,1 Вт/(м²·К). Для двухкамерного стеклопакета с одним низкоэмиссионным покрытием и 90% аргоном в обеих камерах принято Ug = 0,9 Вт/(м²·К) [11; 12, с. 25-26].

Таблица 3

Расчётные сезонные трансмиссионные теплопотери при A = 600 м²

Сравнение с исходной конструкцией показывает: покрытие Low-E уменьшает расчётные потери на 87434 кВт·ч за период (48,1%); замена воздуха аргоном даёт ещё 20177 кВт·ч относительно варианта 2 (21,4%); добавление второй камеры – ещё 13451 кВт·ч относительно варианта 3 (18,2%). В этой серии наибольший абсолютный эффект получен при введении низкоэмиссионного покрытия (табл. 3).

Экспериментально-численное исследование M. Koru, G. Canbolat, M. Davraz и M. Kan (2026) посвящено сравнению теплозащитных свойств двухстекольных систем с воздушным и аргоновым заполнением при различных межстекольных расстояниях. Авторы сопоставили результаты лабораторных измерений и моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) и отметили преимущество аргона для исследованных конфигураций [10]. Указанная работа подтверждает физическую обоснованность перехода от варианта 2 к варианту 3, но не является источником принятых в настоящем расчёте паспортных значений Ug [11; 12, с. 25-26].

Относительные значения 48,1; 59,3 и 66,7% рассчитаны от одной базы – варианта 1. Между вариантами 3 и 4 разница составляет 7,4 процентного пункта по отношению к базовому уровню; при сравнении самих вариантов 3 и 4 сокращение составляет 18,2%. Эти показатели не следует смешивать.

Для сопоставления конструктивной сложности принята ориентировочная масса только стеклянных листов: при плотности обычного силикатного стекла около 2500 кг/м³ два листа по 4 мм дают 20 кг/м², три листа – 30 кг/м². При площади 600 м² переход от варианта 3 к варианту 4 увеличивает массу стекла примерно на 6 т, не учитывая герметики, рамки и элементы крепления. Это расчётная оценка материалоёмкости, а не подтверждённая масса конкретной фасадной системы.

Для оценки рациональности введён показатель Kᵢ – доля максимального достигнутого снижения сезонных теплопотерь среди четырёх рассмотренных конструкций.

, (14)

Принимая результат варианта 4 за 100%, получаем K₂ = 72,2%, K₃ = 88,9%, K₄ = 100%. Следовательно, варианты 2 и 3 реализуют значительную часть доступного в данной выборке теплосберегающего эффекта при толщине 24 мм. Вариант 4 остаётся наиболее эффективным по абсолютной теплозащите, однако его преимущество сопровождается увеличением толщины до 44 мм и массы стекла; вывод об экономической оптимальности без подтверждённых сметных данных не делается.

Заключение

Для Самары при отопительном периоде 193 сут и ГСОП = 4670,6°C·сут сезонные расчётные потери через 600 м² центральной зоны стеклопакетов уменьшились с 181593 до 60531 кВт·ч при переходе от обычного однокамерного варианта к двухкамерному с одним Low-E-покрытием и аргоном. Для промежуточных конструкций сокращение по отношению к исходному варианту составило 48,1% и 59,3%, для двухкамерной – 66,7%.

Полученные проценты относятся к сопоставлению выбранных стеклопакетов при одинаковых расчётных условиях. Варианты с одним Low-E-покрытием и аргоном целесообразно рассматривать при дальнейшей проектной оценке наряду с двухкамерным стеклопакетом. Для выбора решения недостаточно одного значения U_g: требуются расчёт теплопередачи всей фасадной конструкции, проверка безопасности стекла и сопоставление затрат на изготовление, монтаж и эксплуатацию [2, с. 35-40; 6; 7, с. 75-79; 9].