Термохромни стъкла: прозорците, които контролират слънчевата топлина

През лятото прозорците могат да бъдат един от основните пътища, по които слънчевата топлина влиза в сградата. Щорите и завесите помагат, но спират и дневната светлина. Климатикът охлажда помещението, но увеличава разхода на електричество. Термохромните стъкла предлагат друго решение: те реагират на температурата и автоматично намаляват количеството слънчева топлина, което преминава през тях. 

Отвън подобен прозорец може да изглежда напълно обикновен. Разликата е в тънкото покритие върху стъклото или в слоя, поставен между отделните стъклени плоскости. Когато повърхността се нагрее до определена температура, материалът променя начина, по който пропуска слънчевата енергия. При захлаждане се връща в първоначалното си състояние.

Какво всъщност се променя?

Името „термохромно“ създава впечатлението, че стъклото задължително сменя цвета си. Има материали, при които това действително се случва и прозорецът може да потъмнее. Но при някои по-нови разработки структурата на материала се променя при достигане на определена температура. В резултат стъклото пропуска по-малко инфрачервено излъчване, но може да остане почти прозрачно. 

Различните термохромни стъкла работят по различен начин. Някои експериментални покрития ограничават основно невидимите инфрачервени лъчи. Други потъмняват видимо и така намаляват силната светлина, отблясъците и количеството слънчева топлина, което влиза в помещението. 

Един от най-изследваните материали за термохромни покрития е ванадиевият диоксид. В чист вид той променя свойствата си при температура около 68 градуса, което е прекалено висока стойност за прозорец в жилищна или обществена сграда. Чрез добавяне на други елементи учените могат да намалят температурата, при която ванадиевият диоксид променя свойствата си, до около 20–30 градуса. Други термохромни системи работят по различен начин и потъмняват постепенно според това колко силно стъклото е нагрято от слънцето. 

Точната стойност е много важна. Ако покритието се активира при прекалено ниска температура, то може да спира полезното слънчево затопляне през зимата. Ако реагира прекалено късно, стаята вече ще е прегряла.

Какво печелим от такова стъкло?

Най-голямата полза се усеща в сгради с големи прозорци и силно слънчево изложение. През горещите часове термохромното покритие ограничава топлината, която влиза отвън. Това може да намали нуждата от климатизация и да направи температурата около прозорците по-приятна.

Технологията може да бъде полезна в офиси, болници, училища, обществени сгради и жилища. В такива места климатикът често работи с часове, особено през лятото. Намаляването на слънчевото нагряване не премахва нуждата от охлаждане, но може да облекчи работата на климатичната система.

Друг плюс е, че стъклото реагира автоматично през целия ден. При нагряване то ограничава част от слънчевата енергия, която преминава през прозореца, а след охлаждане се връща в първоначалното си състояние.

Защо още не ги виждаме навсякъде?

Термохромните стъкла все още се използват рядко в сравнение с обикновените стъклопакети. Някои системи вече се продават и работят в реални сгради. Други, особено покритията с ванадиев диоксид, продължават да се разработват и изпитват. 

Основният въпрос е колко дълго термохромният материал ще запази свойствата си.  Всеки прозорец е изложен на силно слънце, ултравиолетови лъчи, влага, прах, студ и резки температурни промени. Материалът трябва да работи години наред, без да губи прозрачността и способността си да реагира.

Цената също има значение. Производството е по-сложно от това на обикновен стъклопакет, а някои покрития все още трудно се нанасят равномерно върху големи площи. Някои термохромни материали придават на стъклото лек синкав или кафеникав оттенък, който не е подходящ за всяка сграда. 

Къде вече се използват термохромни стъкла?

Old Main, Wayne State University – Детройт, САЩ

Old Main е една от най-разпознаваемите сгради на Wayne State University. Построена е през 1896 г. като Central High School, а по-късно става част от университета. Днес в нея има учебни помещения и изложбени пространства, сред които Elaine L. Jacob Gallery, открита през 1997 г.

В галерията слънчевата светлина създавала проблем, който не можел да се реши само с климатизация. Пряката слънчева светлина и ултравиолетовото излъчване можели да увредят картините и другите оригинални произведения. Затова местата близо до прозорците не били подходящи за изложби и част от залата оставала неизползвана.

Към 2018 г. в остъкляването вече било монтирано термохромно стъкло Suntuitive. То ограничило силното слънце и така произведенията можели да бъдат поставени и в зоните около прозорците, а естествената светлина останала част от обстановката.

CN Tower – Торонто, Канада

Гледката е основната причина хората да се качват на CN Tower. На главното наблюдателно ниво посетителите могат да виждат Торонто през прозорци от пода до тавана. Точно тези големи стъклени площи обаче пропускат много слънце и създават силни отблясъци.

През 2017 г. прозорците на това ниво са заменени с термохромно стъкло Prel-Shade със слой Suntuitive. При силно нагряване стъклото става по-тъмно, а когато слънцето отслабне, отново се избистря.

Тук използването на обикновени завеси или плътни щори би обезсмислило самото пространство. Новото остъкляване намалява заслепяването и прегряването, без да закрива панорамата. Не всички прозорци на кулата са термохромни, а само тези в главната наблюдателна зона, където гледката е най-важна.

Tuen Mun Siu Lun Government Complex – Хонконг

Tuen Mun Siu Lun Government Complex е голяма обществена сграда, в която се помещават спортен център, зала за местни събития, държавни служби и пощенски помещения. Комплексът е завършен през 2019 г. и всеки ден се използва от хора с различни нужди и на различна възраст.

В Хонконг силното слънце и високите температури могат бързо да нагреят помещенията зад големите прозорци. Постоянно спуснатите щори биха направили обществените пространства по-тъмни, а климатичните системи трябва да работят по-усилено. 

Затова в част от сградата е използвано термохромно стъкло SunnyGlass със слой Suntuitive. То ограничава силната светлина и част от слънчевата топлина в часовете, когато фасадата се нагрява най-много. Решението е особено подходящо за спортни и обществени помещения, които се използват продължително през деня и не могат просто да останат затворени зад щори.

Chemistry and Biochemistry Building, Montana State University – Боузман, САЩ

Сградата е открита през 2007 г. и в нея се намират лаборатории, кабинети и голям четириетажен атриум, ограден със стъкло. Именно атриумът се оказал проблемен. В ясни дни слънцето било толкова силно, че студентите избягвали пространството, а някои дори слагали слънчеви очила вътре. Място, създадено за учене и срещи, оставало почти неизползвано заради отблясъците и високата температура.

В остъкляването е монтирано термохромно стъкло Suntuitive. След промяната светлината в атриума станала по-поносима и студентите отново започнали да използват пространството за учене. Ръководителят на катедрата по химия и биохимия отбелязва, че разликата се усетила веднага и вече не се налагало хората да се оттеглят в други помещения, за да избягат от слънцето.

Тук термохромното стъкло не е поставено само заради по-нисък разход на енергия. То решава конкретен проблем и връща на студентите част от сградата, която преди това трудно можела да се използва през слънчевите часове.

Бъдещето

Термохромните стъкла вече се използват извън лабораториите, но технологията все още трябва да докаже своята издръжливост и икономическа полза. Най-важните данни ще дойдат от сградите, в които тези прозорци работят всеки ден и при различен климат.

По-широкото им разпространение вероятно ще продължи най-вече в обществени и офисни сгради с големи остъклени площи, където разходите за охлаждане са високи. Ако производството стане по-евтино и материалите се окажат достатъчно устойчиви, термохромните стъкла постепенно могат да се появят и във все повече жилища.