Оптические свойства стекла

Важное место в солнечной архитектуре отводится и оптимальному использованию оптических свойств стекла. Перераспределение солнечной энергии при её поступлении через стекло зависит от его оптических свойств и угла падения солнечных лучей. Энергетический баланс значительно изменяется при угле падения около 60°. На рис. 77Ва показан энергетический баланс солнечного излучения, анализ которого позволяет сделать вывод, что отражательная способность стекла существенным образом проявляется только при углах падения лучей более 60°.

Рис. 77. Солнце в отоплении дома. В. Оптические способности стекла: а — энергетический баланс солнечного освещения, поступающего на поверхность стекла в зависимости от угла падения (β); б — схема системы естественной вентиляции, снижающей теплопотери через окна (1 — печь, 2 — воздухонагревательный канал печи, 3 — клапан, 4 — продольная щель в оконной раме шириной 10—15 мм, 5 — остекление); в — план и общий вид здания с атриумным объёмом треугольной формы (1 — солнечный коллектор, 2 — тепловой аккумулятор с теплогенератором, 3 — объём атриума, 4 — остекление атриума, 5 — козырьки солнцезащитные). Г. «Солнечная архитектура»: а — элементы «солнечной архитектуры» здания (1 — горизонтальное солнцезащитное устройство, 2 — вертикальное солнцезащитное устройство — колонны, 3 — тепловоспринимающая поверхность массивной стены); б — варианты формирования «солнечных домов» с активными гелиосистемами воздушного отопления (1 — солнечный коллектор, совмещённый с несущей теплоаккумулирующей стеной, 2 — теплица, 3 — помещение для отдыха).

Данный факт положительно характеризует применимость стекла для окон и коллекторов южной ориентации. Однако для окон восточного и западного фасадов это условие имеет отрицательный эффект, так как в зимний период косые лучи солнца практически отражаются, а в летний период, вследствие увеличения дневного угла перемещения солнца по горизонту, угол падения лучей уменьшается и помещение получает избыточную теплоту. Поэтому для окон восточных и западных фасадов рекомендуется устраивать вертикальные тенеобразующие рёбра или применять для остекления отражающие или теплопоглощающие стёкла. А вот для северных и южных фасадов такие стёкла применять нецелесообразно, так как со стороны северного фасада желательно уловить существующую долю рассеянной радиации, а окна южного фасада можно эффективно экранировать от летнего солнца горизонтальными козырьками при полезном использовании в зимний период года энергии низкого солнца.

Одним из примеров практического применения оптических особенностей стекла является здание, показанное на рис. 77 Ав. Конечно, форма здания несколько непривычна на вид, но она получена в результате выявления оптимальной формы остекления атриума — внутреннего объёма здания со стеклянной крышей. Северо-западная и северо-восточная грани трёхгранной стеклянной крыши находятся относительно летнего солнца под углами падения лучей более 60°, обеспечивая тем самым отражение прямого солнечного излучения и без перегрева создавая хорошую освещённость атриумного объёма.

Южная грань остеклённой крыши имеет ряд козырьков, вынос которых рассчитан таким образом, чтобы экранировалось летнее солнце, а зимой воспринималось полное солнечное излучение. Южный фасад здания оборудуется солнечными коллекторами воздушного отопления помещений. Зимой северные ветры без сопротивления обтекают пирамидальную форму здания, не создавая таким образом значительных инфильтрационных потоков холодного воздуха через наружные ограждения, на нагрев которого расходуется в традиционных зданиях до 30% тепловой нагрузки системы отопления.

Теплопередача через традиционное двойное остекление значительно выше интенсивности теплопотерь через наружные стены. Величина теплопотерь при этом пропорциональна разности температур поверхности внутреннего слоя стекла и воздуха помещения. Уменьшить эту разность можно только путём повышения температуры внутреннего стекла. Данное условие может быть обеспечено посредством создания внутри здания более высокого давления относительно наружного воздуха, но более эффективным вариантом является удаление воздуха из помещения через воздушный зазор между стёклами под действием избыточного давления, создаваемого в помещении с помощью вентилятора или за счёт естественного теплового давления. Последний вариант показан на рис. 77В6. В отопительной печи (1) предусмотрен вертикальный канал (2), который создаёт подпор воздуха в помещении за счёт естественного давления, возникающего при нагревании воздуха от стенок канала. Теплопотери через окна в этом случае могут быть снижены более чем в два раза.