Инертные газы в камере стеклопакета: новый уровень энергоэффективности
Когда-то ― и старшие из нас отлично помнят это время ― для оконного и витринного остекления в холодной России использовалось листовое стекло в сдвоенных рамах.
Уже появились технологии окрашивания стекольного полотна, напыления на него металлопокрытий ― однако между рамами все еще находился обычный атмосферный воздух. И это создавало проблемы:
Атмосферный воздух неплохо проводит холод (или тепло). Даже если нигде нет щелей, просто за счет теплопередачи. И звуковые волны, между прочим, ― тоже. Окно слабо защищает от уличных температур и шумов.
Атмосферный воздух содержит пары воды, которые в холодный сезон оседают на стекольных полотнах. Сначала ― в виде конденсата, а потом ― в виде затейливых морозных узоров. Окно теряет прозрачность.
Также он содержит кислород, а иногда и примеси. Кислород вступает в реакцию окисления с металлами, которые используются для напыления. И постепенно выводит покрытие из строя.
Поэтому когда появились первые стеклопакеты, начались активные попытки подобрать заполнение внутренней герметичной камеры так, чтобы улучшить характеристики всей конструкции.
Воздух пытались откачивать, вплоть до создания вакуума. А также пытались его сушить, удаляя хотя бы воду. И это давало свой эффект, только теперь технологии продвинулись гораздо дальше.
Современные (!) стеклопакеты заполняются инертными газами.
Чем хороши инертные газы: физика и химия
Термин "инертные" означает, что вещества практически не вступают в химические реакции с любыми другими. Орбитали таких атомов стабильно заполнены собственными электронами, так что им не требуется тащить к себе чужие и нечем сцепляться.
В обиходе эту группу газов также называют "редкими" (потому что на планете не такой уж большой их запас) и "благородными" (по аналогии с благородными металлами вроде золота, ведь они очень ценные и полезные для нужд человечества).
В современной версии таблицы Менделеева перечислено семь инертных газов, которые мы вынесли для вас в собственную мини-таблицу.
| | Атомная (молярная) масса | Теплопроводность, Вт/(м * К) |
Воздух | Смесь газов | 28,98 | 0,026 |
Редкие благородные инертные газы | | | |
Гелий | Не | 4,0026 | 0,152 |
Неон | Ne | 20,179 | 0,0493 |
Аргон | Ar | 39,948 | 0,0164 |
Криптон | Kr | 83,798 | 0,0095 |
Ксенон | Xe | 131,29 | 0,0057 |
Радон | Rn | Радиоактивен и не имеет стабильных изотопов | |
Оганесон | Og | Не обнаружен в природе, хотя недавно получен в лаборатории. Нестабилен и малоизучен | |
Воздух добавлен отдельной строкой, потому что физические свойства газов в оконной промышленности сравниваются именно со свойствами воздуха. С точки зрения пользы для стеклопакетов нас по большому счету интересуют только два из списка: аргон и криптон; неспроста они выделены.
По каким критериям выбирается подходящий газ
При сборке стеклопакета с уязвимым металлонапылением, лист стекла разворачивается покрытием вовнутрь камеры. Металл контактирует с газовым наполнением и не окисляется, потому что химически безопасны для него абсолютно все инертные газы. Так что этот фактор не требует большего внимания.
Соответственно, главный приоритет при выборе ― низкая теплопроводность.
Сравним перечисленные инертные газы с воздухом по такому показателю. Радон и оганесон дисквалифицированы до старта. Гелий и неон проводят тепло/холод еще сильнее обычного воздуха.
Получается, что лучшую теплоизоляцию обеспечат аргон, криптон и ксенон.
Между прочим, эта же тройка даст воздуху фору по шумоизоляции. Которая, однако, не считается настолько высокоприоритетным критерием ― в стеклопакете ее можно обеспечить иначе: подбирая толщины стекольных полотен.
На практике чаще всего используются аргон и криптон, а также их смеси в различных пропорциях.
Важно учитывать, что:
Криптон заметно превосходит аргон с позиций термоизоляции. Сравните числа в таблице.
Зато аргон добывается проще и дешевле. Именно он стал применяться в оконной промышленности самым первым. Хотя методы добычи криптона совершенствуются, и в западных странах с начала XXI века резко растет спрос именно на него в качестве заполнителя.
Ксенон тоже используется, но очень редко. Он считается экзотикой.
Улетучивание газов из камеры
Есть и еще один технический фактор: инертные газы обладают текучестью. Даже из идеально сделанного стеклопакета, абсолютно герметичного, газ постепенно улетучивается ― прямо через поры материалов.
Текучесть, по идее, связана с размерами газовых молекул, которые в случае с одноатомными молекулами благородных газов можно оценить по их атомной массе. Криптон утекает гораздо слабее аргона!
Причем он дает заметный полезный эффект даже в составе смеси. Остается внутри сам и притормаживает аргон.
Поэтому смесь аргона с криптоном считается хорошим вариантом. Так достигается эффективный баланс между прикладной ценностью ― и стоимостью производства стеклопакета.
И в заключение
Вернемся с научных высот к реальности.
Использование современных технологий ― включая заполнение камер инертными газами, но не ограничиваясь им ― резко повышает энергоэффективность остекления. Уже сейчас лучшие однокамерные стеклопакеты защищают помещения от мороза или жары так же хорошо, как 15-20 лет назад защищали трехкамерные.
Уменьшается толщина оконных конструкций, уменьшается их вес. Роскошные стеклянные небоскребы огромной высоты стали возможными именно поэтому. Но и в обычном домостроении новые научно-технические достижения используются шире и шире.
