Фото: Shutterstock. Смарт-стекло в офисном здании

Идеальный фасад высотного здания из стекла сегодня представить не сложно. Это красивое сооружение, украшающее город, твердое как броня, удерживающее внутри тепло зимой, защищающее от солнечного света и перегрева летом. Фасад должен легко монтироваться, эксплуатироваться, укладываться в бюджет, соответствовать градостроительным нормам, вписываться в городской проект, нравиться заказчикам.

Однако не всё так просто, поскольку у всех этих параметров есть своя цена, точно определить которую без знания современных технологий и их обоснованных расчетов для инвесторов невозможно. Как, например, выбрать между прозрачным остеклением фасада или трендовым цветным остеклением, если одна из задач проекта – создать перформанс, произвести впечатление, при этом не стать головной болью и достичь всех остальных названных показателей.

Этим озадачились сразу несколько американских институтов. В своем совместном исследовании они экспериментально изучили влияние цветных фотохромных покрытий для стекла на визуальный комфорт и энергосбережение в высотных офисных зданиях. О методах и результатах этого исследования рассказываем на tybet.ru.

Эффект фотохромной технологии

Материалы, способные контролируемым образом существенно изменять одно или несколько присущих им свойств под воздействием изменяющихся внешних условий, таких как нагрузки, температура, влажность, pH, электрическое или магнитное поле, известны как интеллектуальные материалы. Применение таких технологий в качестве «умного» покрытия на окнах может повысить энергоэффективность, комфорт и самочувствие пользователей, а также снизить выбросы CO2. Для разработки смарт-окон используются разнообразные типы интеллектуальных покрытий. Одной из многообещающих технологий является фотохромная, которая обеспечивает различные оптические свойства в зависимости от изменений интенсивности дневного света.

Покрытие из фотохромных материалов может быть нанесено на поверхность оконного стекла в виде тонкой пленки, обеспечивающей возможность остеклению динамически регулировать свой цвет и прозрачность, а, следовательно, и свои отражающие свойства при воздействии на него солнечных лучей различной интенсивности в течение суток. Следует отметить, что при затемнении или блокировании солнечного света стекло возвращается к своим первоначальным оптическим свойствам. В результате окна постоянно меняются между прозрачной и окрашенной фазой.

Результаты предыдущих исследований показали, что стекло с цветным интеллектуальным покрытием не только может контролировать проникновение дневного света в зависимости от его интенсивности, но также может пропускать дневной свет в интерьер, не закрывая обзор, когда это необходимо. Кроме того, доказано, что применение фотохромных окон с адаптированным цветовым решением, может защитить отделочные материалы и мебель в интерьере от ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (ИК) волн, которые являются основными причинами обесцвечивания и деградации.

Результаты исследований показывают, что по сравнению с обычным стеклом, как светопропускание, так и освещенность дневным светом могут быть улучшены за счет использования многоцветных покрытий, которые могут иметь одинаковые или разные цветовые пропорции. Таким образом, динамическое поведение фотохромных покрытий в ответ на изменение интенсивности солнечного света может стать многообещающей заменой механическим и электромеханическим технологиям при проектировании и разработке адаптивных фасадов.

Как пояснили американские учёные, до сих пор большинство исследований были посвящены изучению влияния термохромных, электрохромных и газохромных покрытий на энергопотребление зданий, выбросы CO2, нагрузку на систему охлаждения и всего лишь несколько были сосредоточены на фотохромном покрытии и его применении. Кроме того, влияние фотохромного покрытия на визуальный комфорт людей в здании не было изучено должным образом. При этом, предметом изучения были только три оттенка серого, синего и зеленого, и ни одно исследование не было сосредоточено на комбинациях различных фотохромных цветов и оттенков.

Рекомендуем прочесть: Доля смарт-стекла на оконном рынке будет расти

Методология эксперимента

Текущее исследование, в первую очередь, было сосредоточено на разработке новой серии фотохромных покрытий для оконного стекла в лабораторных условиях, а затем оценивались их визуальные характеристики в строительных условиях. Основные цвета, выбранные для фотохромных покрытий, включали красный, синий, желтый, а также их двойные и тройные комбинации. Для оценки визуальных характеристик подложек оконного стекла применялся тест RGB (Red-Green-Blue). Затем полученные данные оптических свойств использовались для моделирования окон с интеллектуальным покрытием.

В рамках эксперимента рассматривались следующие типы окон:

• ● Окно типа А, состоящее из однослойного фотохромного стекла,

• ● Окно типа Б, состоящее из двух панелей фотохромного стекла,

• ● Окно типа C, состоящее из одного фотохромного стекла внутри и одного низкоэмиссионного стекла снаружи.

Цветовые оттенки для каждого типа окон:

1. Без цветного покрытия,

2. Красный цвет (R),

3. Синий цвет (MB),

4. Желтый цвет (Y),

5. Сочетание красного и синего цветов (RMB),

6. Сочетание красного и желтого цветов (RY),

7. Сочетание синего и желтого цветов (MBY),

8. Сочетание красного, синего и желтого цветов (RMBY),

9. Комбинация цветов 1/4 R, 1/4 MB, 1/4 MBY и 1/4 Y (MCP),

10. Комбинация цветов 1/2 R, 1/6 MB, 1/6 Y и 1/6 MBY (MCPs).

Каждый раствор красителя добавляли к смеси термопластичной акриловой смолы и выравнивающего аддитива. Покрытия наносились с помощью специального аппликатора на обезжиренные стеклянные пластины и панели из низкоуглеродистой стали с предварительно нанесенным покрытием толщиной жидкой пленки 100 мкм. Стеклянные пластины подвергали воздействию светодиодной УФ-лампы для проверки фотохромной активности покрытий, затем их оставляли на 24 часа для полного высыхания.

Рисунок 1. mdpi.com. Стеклянные пластины с покрытием разных цветов: (a) Без пребывания на солнце, (b) 10-секундное пребывание на солнце, (c) 30-секундное пребывание на солнце, (d) 60-секундное пребывание на солнце

Для определения светопропускания стеклянных пластин с покрытием использовался метод прямой фотографии для измерения значений RGB. Прямая фотосъемка проводилась два дня в году, 25 мая и 16 сентября, в два разных временных промежутка: в 12:00. и 18:00. Выбор времени был продиктован тем, что максимум солнечной активности приходится на 12:00, а минимум – на 18:00.

Стеклянные пластины с фотохромным покрытием первоначально подвергались воздействию прямых солнечных лучей в течение 60 с, а затем помещались в зазор между рассеивателем и направляющим объективом камеры и мгновенно фотографировались. Значения RGB стекла с покрытием были получены после загрузки фотографий в Adobe Photoshop.

Рекомендуем прочесть: Изобретения, в которые никто не верил. В России развивают гибкое умное стекло

Моделирование здания со смарт-стеклом с цветным покрытием

Визуальные характеристики фотохромных окон оценивались с использованием тестов вероятности бликов DGP (Daylight Glare Probability) и полезной дневной освещенности UDI (Useful Daylight Illuminance). Для проверки реагирования оконных стекол с интеллектуальным покрытием на различные цветовые сценарии было параметрически смоделировано офисное помещение с «умным» остеклением в качестве фасада. Оценки визуальных характеристик повторялись для южной, восточной, северной и западной ориентаций в разные часы и дни. Затем, чтобы определить лучшие фотохромные цвета и типы стекол, результаты сравнили с оконным стеклом без какого-либо покрытия.

В эксперименте использовалась модель офисного помещение простой геометрической формы (шириной 4 м, глубиной 9 м и высотой 3 м). По словам учёных, форме «обувной коробки» была выбрана специально, поскольку результаты легко считываются и интерпретируются, а также можно быстро проанализировать влияние проектных параметров, таких как тип цветного стекла, тип фасада и размер окна. Чтобы эффект воздействия дневного света был хорошо выражен для всех вариантов, глубина помещения была выбрана большей, чем в типичных проектах офисных зданий.

Остекление имело габариты 2,6 м в ширину и 3,6 м в длину, а естественный свет считался единственным источником света в офисном помещении. Адаптивная фасадная система с окном была применена к офисному помещению с помощью инструмента моделирования Grasshopper. Комнату можно было повернуть так, чтобы она была обращена к северу, западу, югу и востоку.

Рисунок 2. mdpi.com. Архитектурные эскизы офисов с «умными» окнами разных оттенков

Предполагалось, что офис будет расположен в городе Энн-Арбор в Мичигане (умеренный и холодный климат) и будет эксплуатироваться ежедневно с 8:00 до 18:00. В офисном помещении в эти часы будут заняты шесть рабочих мест, и сотрудники будут выполнять обычную офисную работу, в том числе за компьютером. Состоянием неба считается – ясное небо с солнцем.

Для измерения DGP и почасовой полезной дневной освещенности UDIh (hourly usable daylight illuminance) использовался плагин Honeybee Legacy. Он измерялся путем снятия показателей с 900 датчиков, расположенных над горизонтальной поверхностью сетки на высоте 0,83 м от пола офиса, что соответствовало стандарту высоты поверхности столешницы. Датчики располагались примерно через каждые 0,2 м друг от друга в обоих направлениях от рабочей зоны. Для обеспечения непрямого освещения интерьер офисного помещения был смоделирован с использованием стандартных материалов с коэффициентом отражения: пол (20%), типовой потолок (70%), внутренние стены (50%) и стандартная мебель (50%).

DGP и UDIh считаются двумя основными показателями визуального комфорта здания. Чтобы определить лучшие фотохромные оттенки для оптимального управления дневным светом внутри имитируемого офиса, данные для каждого окна с фотохромным цветным покрытием были изучены и сравнены.

Рекомендуем прочесть: «Умные» оконные технологии управляют светом и тенью

Анализ вероятности бликов в офисе с цветными смарт-окнами

В рамках эксперимента показатель вероятности бликов классифицировался по четырем диапазонам: 0–35 (незаметно), 35–40 (заметно), 40–45 (тревожно) и 45–100 (невыносимо). Для расчета DGP камера располагалась в моделируемом офисе на уровне глаз предполагаемого сотрудника, сидящего за рабочим столом и работающего на компьютере. Расчеты DGP основаны на формуле, разработанной Винольдом и Кристоференом.

Рисунок 3. mdpi.com. DGP для фотохромных окон разных оттенков 25 мая в полдень для четырех ориентаций фасада

По сравнению с обычным стеклом, все сценарии использования фотохромного стекла значительно влияли на DGP. Как показано на рисунках 3 и 4, количество бликов значительно сокращается за счет использования окон всех изучаемых типов.

Появление бликов в офисном помещении, ориентированном на юг, чаще происходило ранней весной и поздней осенью, когда угол падения был небольшим из-за низкой высоты солнечного светила и высокой интенсивности. Так, использование фотохромного стекла в окнах типов A, B и C может значительно уменьшить блики на южном фасаде в полдень 25 мая.

Рисунок 4. mdpi.com. DGP для фотохромных окон разных оттенков 16 сентября в полдень для четырех ориентаций фасада

С другой стороны, применение цветного смарт-стекла в окнах данных типов приводит к снижению негативного эффекта бликов в полдень 16 сентября. Однако уменьшение бликов здесь не столь значительно, как 25 мая. Фактически, сентябрьское солнце будет более вредным для глаз, чем майское, поскольку его расположение будет ниже на небосводе и под разными углами, что может подвергнуть сотрудников дополнительному дискомфорту от яркого света.

Кроме того, интенсивность солнечного света, воздействующего на западный фасад, максимальна ближе к вечеру. Замеры 25 мая и 16 сентября в 18:00 показали, что фотохромное стекло может в значительной степени снизить дискомфорт от бликов по сравнению со стеклом без покрытия. Использование фотохромного стекла во всех типах окон может более эффективно уменьшить блики 16 сентября в 18:00, чем 25 мая.

Рекомендуем прочесть: Потенциал смарт-стекла для учебных заведений

Влияние цветных фотохромных окон на освещенность помещений

Помимо DGP, также рассчитывался для разных цветовых оттенков разных типов окон показатель почасовой полезной дневной освещенности. Выборка данных также происходила 25 мая и 16 сентября в 12:00. и 18:00 для четырех сторон света. Затем были определены три диапазона UDIh и записаны для дальнейшего анализа.

Рисунок 5. mdpi.com. UDIh для фотохромных окон разных оттенков при южной ориентации фасада 25 мая в полдень

В качестве примера на рисунке 5 показаны различные показатели допустимой степени освещённости UDIunderlit (низкая), UDIoverlit (высокая) и UDIuseful (нормальная) для всех оттенков в трех типах окон 25 мая в полдень на южном фасаде. По сравнению со стеклом без покрытия, использование фотохромного стекла может увеличить процент полезного UDI, уменьшить избыточный UDI и увеличить недостаточный UDI. При этом учёные отмечают, что уменьшение UDIoverlit может способствовать меньшему дискомфорту от бликов, а увеличение UDIunderlit может привести к большей необходимости использования искусственного света в конце офисного помещения.

Показатель, зафиксированный 25 мая в полдень в окне типа А с глухой створкой равен 33, что означает, что 33% площади рабочего помещения имели полезную освещенность. Если бы в смарт-окне использовался оттенок R, площадь рабочего пространства с полезной освещенностью могла бы увеличиться до 44%. С другой стороны, использование цветового оттенка R в типе окна A может уменьшить UDIoverlit и увеличить процент UDIunderlit.

Рисунок 6. mdpi.com. UDIh для фотохромных окон разных оттенков 25 мая в полдень для четырех ориентаций фасада

Как показано на рисунке 6, допустимый UDIh для южного фасада ниже, чем для других ориентаций фасада для типа окон A. Кроме того, в типе B допустимый UDIh для цветовых оттенков R и RMB был ниже, чем для других цветовых оттенков для всех направлений. При этом, существует меньшая вариация для разных цветовых оттенков и ориентаций в типе C по сравнению с типом окон A и B.

Рисунок 7. mdpi.com. UDIh для фотохромных окон разных оттенков 16 сентября в полдень для четырех ориентаций фасада

Как показано на рисунке 7, значение коэффициента UDIh для западной ориентации остекления для всех исследуемых цветов и типов окон было выше по сравнению с другими ориентациями фасадов. Кроме того, большие различия наблюдались у типа C для стекла без покрытия и оттенка MB на западном фасаде. С другой стороны, общий допустимый UDIh выше для окон типа A для всех цветовых оттенков и ориентаций по сравнению с типом B и C.

Рекомендуем прочесть: Потенциал смарт-стекла в архитектуре медицинских учреждений

Цветные фотохромные покрытия могут стать альтернативой текущим смарт-технологиям на рынке

Это исследование показало, что применение стекла с фотохромным покрытием в предлагаемых типах окон может контролировать эффекты дискомфорта от дневного света, такие как блики и превышение освещенности в помещении. Благодаря интеллектуальной природе фотохромного стекла, степень освещённости UDIh можно целенаправленно контролировать, чтобы обеспечить в офисе максимальную площадь с меньшим дискомфортом от бликов и меньшим количеством избыточно освещенных участков. Это может привести к повышению производительности труда сотрудников.

Глубина моделируемого офисного помещения была выбрана большей, чем типичная глубина; поэтому в офисных помещениях, расположенных далеко от окон, может потребоваться дополнительное искусственное освещение, поскольку в полдень при высокой солнечной радиации фотохромное стекло находится в цветной фазе.

Ключевые выводы:

• ● Среди различных цветовых оттенков MB и его комбинации, такие как RMB, MBY, RMBY, показали самый высокий процент полезной освещённости UDI.

• ● Оптимальные характеристики фотохромного стекла наблюдаются в смарт-окнах в колористике MCP и MCPs, имеющими высокий процент UDIuseful и низкий процент UDIoverlit.

• ● Характеристики желтого фотохромного стекла во всех типах окон были идентичны стеклу без покрытия.

• ● Все фотохромные цветовые оттенки оказали большое влияние на снижение дискомфорта от бликов по сравнению со стеклом без покрытия.

• ● Среди различных оттенков R, MB и их комбинации, такие как RMB и RMBY, оказали максимальное влияние на контроль бликов при различных ориентациях фасада.

• ● Учитывая показатели DGP и UDI, смарт-окна комбинированной расцветки MCP и MCPs показали оптимальные характеристики в увеличении полезной освещенности и уменьшении бликов. При этом они лучше повышают полезную освещенность по сравнению с контролем дискомфортных бликов.

Результаты этого эксперимента показывают, что технология «умных окон» с фотохромными покрытиями может стать альтернативой нынешним, более популярным продуктам на рынке. Подход, представленный американскими учёными, может использоваться на ранних этапах проектирования. Он показывает, как различные оттенки могут быть оценены с точки зрения оптических характеристик.

Следует отметить, что результаты этого исследования могут открыть дополнительные возможности для применения многоцветных оконных стекол, таких как MCP и MCPs. Тем не менее, учёные считают, что правильное распределение цветов и их оптимальные пропорции в многоцветных оконных стеклах должны быть дополнительно изучены в будущих исследованиях.

Авторы исследования: Архитектурный колледж Гиббса, Университет Оклахомы, Инженерно-технологический колледж Геймэбоув, Университет Восточного Мичигана, Департамент инженерных и авиационных наук, Университет Мэриленда Истерн-Шор, США.

Рекомендуем прочесть: Конфиденциальность – стимул спроса на смарт-окна

Подготовлено редакцией tybet.ru по материалам mdpi.com.

Размещение и использование (полностью или частично) данного материала допускается только при наличии активной гиперссылки на tybet.ru