Как уже отмечалось, основной функцией светопрозрачных конструкций является освещение помещений естественным светом.
Оптическим излучением или светом называют электромагнитные волны (электромагнитное излучение), длины которых в вакууме лежат в диапазоне от 10 нм до 1мм. К оптическому излучению относятся видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.
Инфракрасным излучением (ИК) (тепловое излучение) называется электромагнитное излучение, испускаемое нагретыми телами, длины волн которого в вакууме лежат в пределах от 1 мм до 770 нм (1нм=10-9 м).
Видимым излучением или видимым светом называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 770 до 380 нм, которое способно непосредственно вызывать зрительное ощущение в человеческом глазе.
Ультрафиолетовым излучением (УФ) называется электромагнитное излучение с длинами волн в вакууме от 380 до 10 нм. В области от 10 до 200 нм УФ излучение сильно поглощается.
От всего солнечного излучения интенсивность УФ составляет порядка 9%. При этом в ультрафиолетовом спектре можно условно выделить три области, оказывающие позитивное влияние на деятельность человека.
1.В области 200 - 280 нм УФ излучение применяется для стерилизации помещений.
При этом уничтожаются болезнетворные для человека микробы.
2. В области 280-315 нм ультрафиолет оказывает тонизирующее действие и способствует развитию фосфорно-кальциевого обмена. УФ излучение в этом спектре применяют для лечения больных рахитом.
3.В области 315 -400 нм УФ находит разнообразное техническое применение.
Следует, однако, помнить о специфическом биологическом действии УФ, выражающемся в химических изменениях в поглощающих его молекулах живых клеток, что приводит к разрушению ДНК, нарушению деления и гибели клеток. Поэтому благотворное действие на человека и животных УФ оказывает лишь в малых дозах. Кроме того, избыточное ультрафиолетовое излучение приводит к обесцвечиванию мебели, ковровых покрытий, картин и др.
Основной физической характеристикой строительного остекления, определяющей его светотехнические качества в области видимого спектра и УФ, является коэффициент светопропускания - τ .
Коэффициент светопропускания τ применяется для расчета так называемого коэффициента естественной освещенности е (к.е.о), являющегося величиной, нормируемой санитарно-гигиеническими требованиями для помещений различного назначения в соответствии со СНиП 11-4-79 «Естественное и искусственное освещение». При этом, помимо коэффициента светопропускання, учитываются такие факторы, как геометрические размеры помещения, количество, размеры и площадь светопроемов, затенение противостоящими зданиями, отражение света от внутренних поверхностей помещения и прилегающей территории и др. В целом методика расчета к.е.о является достаточно сложной и подробно изложена в [12]. Однако, в большинстве случаев при проектировании светопрозрачных конструкций, общая площадь которых составляет не менее 1/6 - 1/8 от площади пола помещения, не возникает необходимости прибегать к сложным и трудоемким расчетам. Очевидным при этом остается только желание получить максимально возможное τ остекления без нанесения видимого ущерба его тепло- и звукоизоляционным качествам.
Коэффициент светопропускания стеклопакета, состоящего из n слоев стекла, определяется по формуле
При проектировании светотехнических характеристик остекления необходимо рассматривать его работу в различных участках спектра.
В естественном природном теплообмене каждое тело излучает тепловую энергию. При этом длина волны излучения зависит от температуры тела. Стекло, установленное в ограждающей конструкции здания, прежде всего подвергается воздействию теплового излучения, идущего от Солнца и Земли.
Температура поверхности Солнца составляет около 6000 К. Его тепловое излучение приходится на диапазон длин волн от 300 до 2500 нм. Сосредоточенная в этом диапазоне тепловая энергия может быть распределена по длинам волн в соответствии с табл.2.2.
Таблица.2.3
Распределение тепловой энергии Солнца по спектру излучения
| Спектр излучения | Длина волны, им | Тепловая энергия, % |
| Ультрафиолет - УФ | <380 | |
| Видимый спектр | 380-760 | |
| Инфракрасное излучение -ИК | 760-2500 |
Температура поверхности внутри здания близка к абсолютной температуре поверхности Земли (для данного климатического района) и составляет в среднем 293К (20°С). При этом максимум теплового излучения находится в диапазоне от 1600 до 2000 нм. Спектры теплового излучения Солнца и внутренних поверхностей помещения (условно - Земли) показаны на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Спектры теплового излучения Солнца и Земли - внутренних поверхностей помещения
В области комнатных температур в зимнее время часть тепловой энергии, падающей на стекло от внутренних поверхностей помещения, проникает сквозь него, часть тепловой энергии отражается от поверхности стекла, и часть поглощается стеклом. Часть тепловой энергии, поглощенная стеклом, переносится путем конвекции наружу и внутрь помещения, как показано на рис.2.7.
Рис. 2.7. Теплопередача излучением через стеклопакет
Способность стекла отражать направленное на него длинноволновое ИК излучение (в области комнатных температур), характеризуется его излучательной способностью ε. Чем меньше ε, тем больше тепловой энергии отразится от стекла обратно в помещение. Под излучательной способностью ε понимают отношение мощности излучения поверхности к мощности излучения так называемой абсолютно черной поверхности (или абсолютно черного тела — АЧТ).*
В связи со сложностью процессов теплообмена через прозрачные материалы нельзя говорить о прямой зависимости коэффициента теплопередачи от излучательной способности стекла. Так, для обычного оконного стекла с излучательной способностью ε, приблизительно равной 0.84, и стекла с низкоэмиссионным покрытием (см. раздел 2.1), имеющего ε порядка 0.1, значение коэффициента теплопередачи отличается почти в два раза.
В зависимости от типа покрытия излучательная способность составляет: ε = 0.16 -0.2 для стекол с покрытием типа On-line и ε =0.04 - 0.12 для стекол с покрытиями типа Off-line. Внешний вид таких стекол практически не отличается от обычных, хотя величина коэффициента светопропускания низкомиссионных стекол несколько ниже по сравнению с обычными (табл.2.4).* *
Таблица 2.4.
Тепловые и оптические характеристики стекол.
На рис. 2.8 показана спектральная характеристика обычного оконного стекла и стекла с низкоэмиссионным покрытием. Низкоэмиссионное стекло достаточно хорошо пропускает видимый свет и почти полностью отражает тепловую энергию в ИК диапазоне с длиной волны более 760 нм.
* - ε - излучательно-поглощательная способность тела, называемая также степенью черноты, определяется как отношение энергий излучения серого (Е) и абсолютно черного тел (Е0) - ε =Е/Ео<1. Под абсолютно черным телом (АЧТ) понимается такое условное тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение. Для АЧТ ε =1, т.е. энергия излучения, АЧТ составляет 100% по отношению ко всем другим телам, являющимся менее мощными излучателями и называемым иначе серыми телами. Все строительные материалы, в том числе и стекла, относятся к серым телам
* - Способность стекол пропускать излучение на различных участках спектра характеризуется их интегральными коэффициентами поглощения - α, пропускания - τ и отражения - ρ. Критерием классификации солнцезащитных стекол является коэффициент селективности S.
S = α/ ρ (2.3.2)
При S > 1 стекло считается теплопоглощающим, при S < 1 - теплоотражающим.
Рис. 2.8. Спектральная характеристика пропускания различных стекол: 1 - обычное оконное стекло, 2 - стекло с низкоэмиссионным покрытием