Потенциальная экономия энергии при применении новых переключаемых герметично изолированных систем затенения, встроенных в стеклопакет, и фотохромных покрытий на интеллектуальных окнах для жилых домов во всём мире, начинает приносить свою пользу в глобальном масштабе.
Новым словом в оконном остеклении стали окна с переключаемыми и регулируемые характеристиками прозрачности, которые используют динамические и контролируемые прозрачные изолирующие слои для защиты умных окон, а также окна с интегрированными в них жалюзи или шторами. Стратегии управления позволяют этим шторам динамически изменять их значение светопроницаемости, а интеллектуальные окна со смарт-остеклением (стекло с фотохромным напылением, которое может менять степень прозрачности под воздействием слабых электрических сигналов) могут регулировать коэффициент солнечного тепла для достижения желаемых целей энергосбережения. Такие умные окна применяются уже во многих развитых странах, чтобы минимизировать тепловые нагрузки и снизить затраты на отопление и охлаждение, не только для больших коммерческих зданий, но и для частного домостроения.
Существуют предпосылки к значительной экономии, при подходе в общей концепции создания «умного дома» к моделированию управлением переменно-прозрачными и непрозрачными интегрированными жалюзи, в среде функционирования всего здания. Для более точного прогнозирования эффекта от их характеристик при различных стратегиях проектирования и эксплуатации, сейчас проводятся долгосрочные наблюдения и динамические замеры в разных климатических зонах.
Для недорогих систем уже внедряются упрощённые двухступенчатые элементы для управления переключаемыми окнами с целью улучшения энергетических характеристик здания в режимах обогрева и охлаждения. Исследование энергоэффективности проведённое ещё в 2019 году, при использовании прототипов жилых домов, расположенных в четырёх городах США и Канады (от крайнего юга США, до северных районов Канады), показывает, что такие системы с регулируемой/переключаемой светопроницаемостью, могут сэкономить от 59,1% (для жилищ, расположенных в Голдене, Колорадо) до 64,9% (север Канады) годовой потребности в энергии на отопление и охлаждение.
Более того, установлено, что даже когда переключаемые непрозрачные интегрированные шторы используются в обычных окнах с двойным остеклением, это позволяет снизить конечное потребление энергии (как на отопление, так и на охлаждение), более чем на 40% для жилых домов, расположенных в умеренно мягком климате.
Во всём мире здания потребляют до 40 % первичной энергии и генерируют 33 % глобальных выбросов парниковых газов, связанных с энергетикой. Кроме того, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха потребляют более 40 % от общего объёма энергии, потребляемой строительным сектором, что составляет 70 % от общего спроса на электроэнергию в мегаполисах. В целях сокращения конечного потребления энергии и повышения теплового комфорта в помещениях, как правило, требуются высокоэффективные элементы ограждающих конструкций зданий в соответствии со строительными стандартами и правилами эксплуатации, как для нового строительства, так и для модернизации старых построек.
Для большинства зданий окна обеспечивают наибольший потенциал для повышения общей энергетической эффективности корпусов зданий благодаря их значительному тепловому взаимодействию с внешней средой. Действительно, оконные системы считаются ключевыми строительными элементами, которые требуют улучшений для значительного снижения энергопотребления как жилых, так и коммерческих зданий.
В частности, среднее значение теплопроводности для окон обычно в пять-восемь раз больше, чем для непрозрачных стен, даже в высокопроизводительных зданиях, спроектированных в соответствии со строгими нормами энергоэффективности. При исследовании технологий для повышения тепловых характеристик окон, включая тонированные, отражающие и низкоэмиссионные стеклопакеты, для оценки тепловых характеристик оконных конструкций рассматриваются два свойства, включая их общий коэффициент теплопередачи (т. е. U-значение) и коэффициент усиления солнечного тепла (т. е. SHGC-значение).
В то время как энергоэффективные окна, как правило, имеют низкие значения U, желаемые значения SHGC зависят от сезона, при этом высокие уровни предпочтительны в режиме обогрева для увеличения обогрева солнечной энергией в помещении, а низкие уровни в режиме охлаждения для ограничения передачи солнечного тепла. Для изменения оптических свойств окон, включая их значения SHGC, с недавнего времени были предложены технологии интеллектуальных окон, включая интеллектуальные или адаптивные материалы для остекления окон и устройства динамического затенения.
Смарт-остекление, включая интеллектуальные или адаптивные материалы для окон, предлагают возможность автоматического изменения оптических свойств стекла, включая коэффициент усиления солнечного тепла (т.е. SHGC) и видимый коэффициент пропускания. Интеллектуальное остекление — это уникальная технология, предлагающая потенциальные динамические характеристики, такие как видимый и солнечный коэффициент пропускания, которые облегчают достижение желаемого уровня освещения или обогрева за счёт солнечной энергии.
В частности, интеллектуальные системы остекления включают электрохромные, фотохромные, термохромные и газохромные покрытия, электрофоретические методы воздействия на жидкие кристаллы, а также устройства со взвешенными частицами. Оптическими свойствами интеллектуальных систем остекления можно управлять пассивно или активно. Пассивные системы реагируют на любые изменения уровня освещённости и тепла без каких-либо внешних входных сигналов, в то время как активные системы изменяют свои свойства, в зависимости от внешнего электрического или теплового воздействия. Например, электрохромные окна могут регулировать свои оптические свойства путём переключения из светлого состояния с SHGC-коэффициентом 0,47 в тёмное состояние с SHGC 0,09, в зависимости от внешних и/или внутренних условий окружающей среды.
В дополнение к интеллектуальному остеклению, менее дорогие затеняющие устройства, например, интегрированные в стеклопакет жалюзи или шторы-плиссе с управлением от внешних датчиков освещённости, могут использоваться для автоматического регулирования тепловых и оптических свойств окон.
Год назад было проведено сравнение четырёх стратегий динамического управления затенением с постоянными и переменными настройками для уровней солнечного излучения и освещённости, поступающих в общую офисную комнату по периметру. Анализ показал, что оцениваемые средства управления затенением могут обеспечить экономию от 10,1 % до 34,4 % в годовом потреблении энергии из источника для различных конфигураций офисных помещений, причём большая часть экономии достигается за счёт уменьшения теплового охлаждения без задействования систем кондиционирования.
Совсем недавно была разработана модель прогнозирующего управления (MPC — model predictive control) регулируемыми затеняющими устройствами для снижения затрат на электроэнергию, пикового спроса на обогрев помещения, расположенного в холодном климате. Было обнаружено, что стратегия MPC превосходит управление на основе правил, с точки зрения снижения затрат на тепловую энергию и снижения пиковых нагрузок, а также уровня перегрева в помещении. В частности, анализ показал, что MPC, применяемый для управления автоматическим затемнением для здания с несколькими большими окнами, может сэкономить до 21% затрат на тепловую энергию, если учесть ставки дневного и ночного тарифов на время использования электроэнергии. Экспериментальные испытания систем затенения проводились в загородном доме площадью 140 кв. метров с восемью окнами, расположенном на широте 50° Северного полушария.
В дополнение к сравнению производительности этих систем затенения, в ходе тестирования оценивались различные стратегии управления, которые увеличивают энергетические преимущества работы с интегрированными в стеклопакет шторами. Результаты тестирования показывают, что такие «умные» шторы могут сэкономить 5,8% на охлаждении и 2,0% на конечном потреблении энергии для обогрева по сравнению с обычными виниловыми жалюзи, которые управляются вручную или по расписанию (вариант механизированного привода с интеллектуальным управлением системы «умный дом»). При управлении таким образом, чтобы они оставались закрытыми для окон, расположенных в общих жилых помещениях в периоды летней жары (например, с 9:00 до 17:00) в помещениях где предполагается отсутствие людей, интегрированные шторы могут сэкономить до 15,2% энергии охлаждения по сравнению со статически управляемыми виниловыми жалюзи. Во время режима обогрева встроенные шторы с автоматическим управлением могут сэкономить 8,7% электроэнергии, если они открыты с 8 до 18 часов для всех окон в осенне-весенний период, и с 11 до 16 часов зимой.
Энергетические преимущества новой регулируемой/переключаемой системы прозрачности и технологии автоматического затенения непрозрачными системами встроенных жалюзи/штор были оценены инвесторами для строительства жилых домов в США и Канаде ещё в допандеминое время. Сейчас эти системы активно внедряются в северных европейских странах.