Для понимания физической сущности процессов энергосбережения напомним о физических процессах, связанных с передачей тепла, которые характерны для стекла с различными покрытиями.

Теплота - мера энергии, переходящей от одного тела к другому в процессе теплопередачи. В системе СИ единицей измерения теплоты является джоуль.
Связь количества теплоты с температурой тела определяется формулой:


где Q - количество тепла, полученное телом массы (m)  с удельной теплоемкостью (с), нагретого до температуры (Т).
Существенная особенность теплоты, отличающая её от других видов энергии, заключается в том, что она присуща всем без исключения материалам, имеющим температуру выше абсолютного нуля температур, который равен минус 273 градуса по шкале Цельсия.
Выравнивание энергетического уровня, т. е. передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым телам, может происходить различными путями.
Первый путь — передача тепла посредством теплопроводности — осуществляется при непосредственном контакте тел с различной температурой. Частицы более нагретого тела передают часть своей колебательной энергии частицам более холодного тела.
Второй путь — передача тепла путем конвекции – явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем их перемешивания, как вынужденного, так и самопроизвольного.
Третий путь – тепловое излучение – электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их внутренней энергии.

При расчете теплопередачи через наружные ограждения в строительной практике принято не разделять лучистую и конвективную составляющие в общем теплообмене на поверхностях. Считается, что на внутренней поверхности наружного ограждения в отапливаемом помещении происходит тепловосприятие, оцениваемое общим коэффициентом αв, Вт/(м2·°С) а на наружной поверхности - теплоотдача, интенсивность которой определяется коэффициентом теплоотдачи αн, Вт/(м2·°С).
Причем коэффициенты теплоотдачи (теплообмена) на наружной и внутренней поверхности ограждения равны сумме коэффициентов лучистого и конвективного теплообмена с каждой стороны.

Величины, обратные коэффициентам теплоотдачи, принято называть сопротивлениями теплообмену на внутренней Rв, (м2·°С/Вт), и наружной Rн,  поверхностях ограждения:


Сумма сопротивления теплопередаче слоев ограждения и сопротивления теплообмену на его поверхностях называется общим приведенным сопротивлением теплопередаче ограждения Rо, (м2·°С/Вт):


где d – толщина слоя теплоизоляции, λ – его теплопроводность.
Расчетные значения коэффициентов теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждения, рекомендованные еще в 1952 году, приведены в Строительных Нормах и равны: αв = 8,7 Вт/(м2·°С), αн = 23 Вт/(м2·°С).
Рекомендованное значение приведенного сопротивления теплопередаче стены составляет Rо = 2,85 м2·°С/Вт.
Подставим значения αв, αн и Rо в формулу (2):


Из формулы (3) следует, что доля конвекции и излучения в теплопередаче тепла через стену составляет только 5,5%, и чем больше толщина теплоизоляции (d) и меньше её теплопроводность (λ), тем выше приведенное сопротивление теплопередаче (Rо).
Согласиться с тем, что конвекция и излучение так незначительно влияют на теплопередачу, весьма не просто, поэтому рассмотрим, как влияет излучение на тепловой баланс дома.

Одним из факторов, объясняющих большое значение теплового излучения, является степенной характер зависимости энергии излучения от температуры:
Перенос энергии между двумя участками через теплопроводность и конвекцию зависит от разности температур приблизительно в первой степени.
Перенос энергии тепловым излучением зависит от разности температур в четвертой степени.

где ε – степень черноты, ρ = 5, 6704·10-8 Вт/(м2·К4), Р – мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности, Т- абсолютная температура по шкале Кельвина.

Вторая отличительная особенность переноса тепла излучением – не обязательное наличие среды для обмена теплом между двумя телами. Энергия излучения беспрепятственно распространяется через вакуум, в то время как для переноса энергии конвекцией или теплопроводностью – обязательно присутствие физической среды.

Третья особенность излучения – скорость передачи энергии. Например, передача тепла через теплопроводность проходит со скоростью сантиметры или миллиметры в секунду, конвекция – метры в секунду. Передача тепла излучением осуществляется со скоростью света – 299 792 километров в секунду. Через 8,32 минуты излучение Солнца достигает поверхности Земли.

Четвертая характерная черта излучения – оно не зависит от температуры окружающего воздуха. Например, ранней весной, вода на пластиковом покрытии теплицы может замерзнуть ночью даже тогда, когда температура воздуха будет выше температуры замерзания воды. Причина кроется в том, что теплообмен излучением происходит не с окружающим воздухом, а с космическим пространством, температура которого на высоте около 12 км достигает минус 58^оС.

Еще одна особенность теплового излучения заключается в том, что оно распространяется прямолинейно и, если излучение встречает на своем пути какое-нибудь препятствие, то часть энергии проникает внутрь тела, а часть отражается. Например, хорошо полированный металл отражает падающее на него излучение. Если на поверхность стекла нанести тонкий слой серебра толщиной 12 нм, то получится поверхность с высоким коэффициентом отражения теплового излучения и такое стекло называют низкоэмиссионным стеклом (low emission, Low-E).

Количественно способность тела поглощать и излучать тепловую энергию характеризует коэффициент, называемый степенью черноты материала ε.

Если тело полностью поглощает падающее на него тепловое излучение, то такое тело называют абсолютно черным телом. Степень черноты абсолютного черного тела ε=1. Только некоторые поверхности приближаются к абсолютно черному телу – сажа, карборунд, платиновая и золотая черни. Их степень черноты достигает ε = 0,98. Если поверхность тела хорошо отражает тепловое излучение – такую поверхность называют низкоэмиссионной, т.е. имеющим низкий коэффициент излучения. Например, стекло называют низкоэмиссионным, когда одна из его поверхностей имеет степень черноты ε = (0,04…0,18). Степень черноты поверхности обычного стекла ε = 0,93.

Свое название черное тело получило благодаря тому, что тела, хорошо поглощающие видимый свет, кажутся глазу черными. Но за пределами видимого света, в диапазоне инфракрасных волн, глаз не является хорошим индикатором поглощательной способности тел. Например, поверхность, покрытая белой краской, хорошо поглощает инфракрасное излучение, испускаемое при комнатной температуре (длина волны от 5 мкм до 12 мкм), но отражает солнечное излучение, максимум которого находится на длине волны 0,5 мкм.

Рассмотрев особенности теплового излучения, приступим к конкретным расчетам. Это поможет лучше понять специфику теплового излучения.

Необходимо обратить внимание на то, что теплопередача излучением не зависит от температуры наружного воздуха, а определяется только температурой предмета. Например, на улице стоят два одинаковых автомобиля. Один под навесом, а второй – под открытым небом. В период осенних или весенних заморозков, инеем покрывается только автомобиль, стоящий под открытым небом. Автомобиль под навесом остается чистым, без изморози, хотя температура воздуха одинакова для обоих автомобилей. Причина в том, что мощность излучения в космос автомобиля, стоящего под навесом, в два раза меньше, чем у автомобиля, над которым нет навеса. Навес, как экран уменьшает уходящее излучение и за счет «теплого» излучения от земли на корпусе автомобиля, стоящего под навесом, поддерживается более высокая температура, чем у автомобиля, стоящего без навеса, на открытом пространстве.

Пример 2 подсказывает, что так же можно защищаться и от солнечного перегрева летом.
В примерах 1 и 2 мы рассматривали ситуации, в которых не учитывали солнечное излучение. Рассмотрим примеры с участием в тепловом балансе солнечного излучения.

В 2011 году премию "Глобальная энергия" была вручена 83-летнему профессору Артуру Розенфельду. Розенфельд рассчитал, что если крыши всех зданий планеты покрасить в белый цвет, чтобы увеличить их отражающую способность, то при суммарной площади, которая составляет 1% от площади поверхности Земли, то полученный охлаждающий эффект будет сопоставим с удалением из атмосферы около 44 миллиардов тонн парниковых газов. Это равно тому, как если бы с улиц мира на 11 лет убрали все автомобили.

Учёный убедил в своей правоте власти Калифорнии, и уже с 2005 года в этом американском штате обязали окрасить в белый цвет крыши всех коммерческих строений. Воспользуйтесь Интернетом и посмотрите на Сан-Франциско со спутника.

Но солнечное излучение – непостоянно. Оно меняется в зависимости от времени суток или времени года. Какие рекомендации по остеклению дома необходимо учесть для такого случая?

Зимой и летом солнце ходит по небу под разными углами к поверхности земли. Летом угол наклона солнца на широте Киева составляет 67^о, зимой понижается до 17^о. Зимой «низкое» солнце лучше обогревает южную сторону фасада дома. Летом – «низкое» солнце бывает только на восходе и закате, поэтому лучше прогреваются восточная и западная часть вертикального фасада. Это подтверждается графиками интенсивности солнечного излучения, приведенными для разных времен года при ясном небе (Рис.1).

Приведенные графики подсказывают, что с южной стороны фасада нужно устанавливать стеклопакеты, максимально пропускающие солнечное излучение в помещение – тогда зимой в доме появится дополнительный и бесплатный источник нагрева – солнце. Этим требованиям соответствуют стеклопакеты с прозрачным низкоэмиссионным стеклом.

На западную и юго-западную стороны дома лучше устанавливать стеклопакеты с  солнцезащитным и низкоэмиссионным стеклом. Это уменьшает нагрузку на систему охлаждения дома.

Обратите внимание на то, что бы между стеклом и солнцем не было преграды, дающей четкую тень на стекле. Это могут быть колоны, маркизы или пилоны. Если препятствие убрать нельзя – постарайтесь устранить четкие границы тени.

Стекло боится перепадов температуры на своей плоскости, если они возникают, то стекло может лопнуть.

Есть еще одна особенность, связанная с солнечным излучением. Стекло со временем загрязняется. Это приводит к уменьшению проникновения солнечного света в помещение. Разницу в светопропускании чистого и загрязненного стекла демонстрирует график, приведенный на Рис. 3.

Слой пыли на стекле, толщиной 1 мкм уменьшает светопропускание на 10%. Если стекло не мыть, то за год на нём накапливается до 4 мкм пыли и светопропускание стекла уменьшается почти на 40%. Помыть один раз стеклянный фасад высотного дома стоит – 1 Евро за квадратный метр. Фасад необходимо мыть – четыре раз в год.

Стекло не нужно мыть, если наружным стеклом (направленным на улицу) в стеклопакете установлено самоочищающееся стекло.

Самоочищающееся стекло – это стекло, на поверхность которого нанесли тонкий (от 5 нм до 30 нм) слой диоксида титана. Под воздействием ультрафиолетового излучения солнца диоксид титана вырабатывает на поверхности стекла мощные окислители (ОН- и О-), которые разрушают загрязнения. Вместе с загрязнениями, уничтожаются вирусы и бактерии, поэтому такое стекло называют ещё и бактерицидным .

Поскольку механизм «самоочищения» ускоряется солнечным светом, такое стекло также называют фотокаталитическим.

Влаги, которая находится в воздухе (18 г в 1 м³) хватает, чтобы разрушить загрязнения, но недостаточно, чтобы смыть его со стекла. Грязь смывается дождем или обычной водой, без применения химических средств. Поэтому такое стекло называют еще и легко моющимся стеклом.

Новым шагом в энергосберегающей технологии стало солнцезащитное стекло с самоочищающимся эффектом.

Если к самоочищающемуся и бактерицидному покрытию добавить свойства солнцезащитного стекла, то стекло на фасаде дома всегда будет чистым, а воздух в доме - в жаркие летние дни – прохладным. Объяснить необходимость такого покрытия на стекле довольно просто. Пыль и грязь накапливаются на наружном стекле стеклопакета, и именно это стекло должно быть самоочищающимся. Солнцезащитное покрытие тоже должно быть на внешнем, а не на внутреннем стекле – только тогда обеспечивается максимальная защита от солнечного перегрева. Если такому покрытию добавить «зеркальность», то стекло приобретает свойства «хамелеона» - приобретает цвет того, что отражает.

Такие стекла-хамелеоны, с солнцезащитным и бактерицидными свойствами выпускаются пока только предприятием «Технолуч», Украина. Покрытия производятся в вакууме методом магнетронного напыления на прозрачное, цветное стекло или стекло с покрытием («оff-line» метод). Зарубежные аналоги самоочищающегося стекла производятся в момент изготовления стекла – «on-line» метод.

Метод магнетронного напыления позволяет производить покрытие на обе стороны стекла, например, на одной стороне самоочищающееся покрытие, а на другой – низкоэмиссионное. Такое стекло используется как внешнее стекло в двухкамерном стеклопакете с двумя низкоэмиссионными стеклами.

Низкоэмиссионное покрытие – это многослойное покрытие, в котором серебро (12нм) расположено между оксидными покрытиями различных металлов. Толщина оксидных слоев подбирается так, чтобы общее светопропускание через стекло было максимальным. Если в покрытии изменить толщину одного из оксидных слоев – такое стекло приобретает дополнительные свойства солнцезащитного стекла, у которого светопропускание уменьшается. Стекло становится самоочищающимся и бактерицидным стеклом, когда верхним (последним) слоем в многослойном покрытии будет диоксид титана.

Предприятие «Технолуч» с 1993 года занимается разработкой технологий и оборудования для магнетронного нанесения функциональных покрытий на стекло. За эти годы предприятие изготовило несколько установок для магнетронного напыления на гнутое или листовое стекло. Вертикальная и горизонтальная установки магнетронного напыления на листовое стекло формата (3210х2250), разработанные и изготовленные на предприятии «Технолуч», представлены на рис. 5.

Длина установки 65 м. В установку загружается прозрачное или цветное стекло, на которое в вакууме наносится тонкое покрытие – низкоэмиссионное, солнцезащитное или самоочищающееся. Компьютерное управление установкой исключает ручной труд и позволяет наносить на листовое стекло любые типы покрытий с производительностью до 1.000.000 м² в год. 

Уже сегодня грамотное применение энергосберегающего стекла позволяет строить дома, где для поддержания комфортной температуры помещения зимой достаточно потратить 4-10 Вт тепловой мощности на один квадратный метр жилой площади вместо стандартных (150...300) Вт/м².