Электрохромные окна: принцип работы и перспективы

Окно долго оставалось одним из самых статичных элементов здания. Его можно открыть, закрыть, дополнить шторами, жалюзи или солнцезащитной пленкой, но само стекло практически не участвовало в управлении микроклиматом. Электрохромные технологии меняют этот подход.

Представьте стекло, которое в ясный полдень становится темнее и ограничивает поступление солнечной энергии, а утром или в пасмурную погоду возвращается в более прозрачное состояние. При этом не нужно опускать жалюзи и полностью отгораживаться от улицы. Именно такую задачу решает электрохромное остекление.

За внешне простой переменой оттенка стоит довольно сложная многослойная конструкция, электрохимические процессы и электронное управление. Разберемся, как работают электрохромные окна, чем они отличаются от других вариантов умного стекла и действительно ли у технологии есть шанс стать привычной частью жилых домов.

Что такое электрохромное окно

Электрохромным называют остекление, оптические характеристики которого можно обратимо менять при помощи электрического воздействия. Проще говоря, специальный слой внутри стекла способен становиться светлее или темнее после подачи управляющего сигнала.

Главная особенность технологии состоит в постепенном изменении светопропускания. Стекло не превращается из прозрачного в глухую непрозрачную перегородку одним щелчком. Оно меняет степень тонирования, позволяя регулировать количество видимого света и часть поступающей солнечной энергии.

В зависимости от конструкции и используемых материалов диапазон регулирования может заметно различаться. Исследования и разработки электрохромных систем направлены в том числе на расширение этого диапазона, увеличение скорости переключения и более раздельное управление видимым и инфракрасным излучением.

Это принципиально отличает технологию от обычной солнцезащитной тонировки. У статичного стекла характеристики заданы при изготовлении и практически не меняются. Электрохромное остекление может приспосабливаться к текущим условиям.

Например, утром стекло остается светлым, днем затемняется с солнечной стороны здания, а ближе к вечеру снова увеличивает светопропускание.

Как работает электрохромное стекло

Чтобы понять принцип работы, полезно представить не один лист стекла, а своеобразный слоеный пирог.

Электрохромный элемент включает несколько функциональных слоев. В упрощенном виде это прозрачные проводящие покрытия, электрохромный материал, электролит или ионопроводящий слой и дополнительный слой, участвующий в электрохимическом процессе.

После подачи небольшого электрического потенциала заряженные частицы перемещаются внутри структуры. Это приводит к изменению оптических свойств электрохромного материала. Он начинает сильнее поглощать определенную часть излучения, и поверхность визуально темнеет.

Если изменить электрическое воздействие, происходит обратный процесс, а стекло возвращается в более прозрачное состояние.

То есть стекло не затемняется механически. В нем нет шторки, которая перемещается внутри стеклопакета. Меняются свойства самого функционального покрытия.

Именно электрически управляемое изменение оптического пропускания лежит в основе электрохромной технологии. Исследовательские центры рассматривают ее как одно из направлений динамического остекления для управления дневным освещением и солнечными теплопоступлениями.

Интересна еще одна особенность. Некоторые электрохромные системы обладают так называемой оптической памятью: энергия преимущественно требуется для перехода между состояниями, а не для постоянного поддержания выбранной степени затемнения.

Поэтому выражение электрическое стекло не означает, что окно должно непрерывно потреблять значительную мощность.

Из чего состоит электрохромное окно

Сам электрохромный слой — лишь часть конструкции. Чтобы технология работала в реальном здании, требуется полноценная оконная система.

В нее могут входить:

• стеклопакет с электрохромным функциональным элементом;
• прозрачные проводящие покрытия;
• контактные элементы и проводка;
• блок питания;
• контроллер;
• датчики наружной освещенности;
• датчики температуры;
• система автоматизации здания;
• настенная панель или другое средство ручного управления.

Электрохромное стекло при этом должно выполнять и обычные обязанности остекления: обеспечивать необходимую теплоизоляцию, герметичность, безопасность и устойчивость к эксплуатационным нагрузкам.

Поэтому умное стекло нельзя рассматривать отдельно от профиля, стеклопакета, монтажного узла и системы управления. Даже самая совершенная технология изменения прозрачности не исправит ошибки в проектировании всего окна.

Что происходит после нажатия кнопки

Одна из распространенных ошибок — представлять электрохромное окно как экран, который меняет состояние мгновенно.

На практике процесс обычно происходит постепенно.

После команды контроллер подает управляющее напряжение. Начинается перемещение ионов внутри функциональных слоев. Затем оттенок стекла плавно изменяется по площади.

Скорость зависит от конкретной технологии, размера элемента, температуры, конструкции и заданного диапазона переключения. Разработчики современных электрохромных материалов продолжают работать над ускорением реакции, поскольку скорость переключения остается одним из важных параметров таких устройств.

Для окна это не обязательно недостаток. Солнце тоже не перемещается по фасаду за несколько секунд. Если автоматизация заранее учитывает уровень освещенности и положение солнца, системе не требуется постоянно переходить из одного крайнего состояния в другое.

Более логична плавная регулировка.

Электрохромное стекло и смарт-стекло — не одно и то же

Термин умное стекло часто используют сразу для нескольких технологий. Из-за этого возникает путаница.

Электрохромное остекление — только одна из разновидностей динамического стекла.

Существуют также термохромные решения, у которых оптические свойства зависят от температуры, фотоchromные материалы, реагирующие на интенсивность света, а также системы на жидких кристаллах и взвешенных частицах. Современные обзоры технологий динамического остекления рассматривают эти направления отдельно, поскольку физический принцип их работы различается.

Особенно часто электрохромное стекло путают с переключаемыми перегородками, которые становятся матовыми после подачи или отключения напряжения.

Задачи у них разные.

Матируемое стекло прежде всего управляет приватностью. Электрохромное — солнечным светом и оптическим пропусканием.

Для фасада здания второй сценарий зачастую интереснее. Вид из окна сохраняется, но интенсивность солнечного воздействия можно регулировать.

Зачем окну менять прозрачность

Главная проблема большого остекления хорошо знакома архитекторам.

Чем больше прозрачная площадь фасада, тем больше естественного света и лучше визуальная связь с окружающим пространством. Но вместе со светом летом внутрь поступает солнечное тепло, а при низком положении солнца появляются блики.

Возникает парадокс. Сначала проектируется просторное помещение с панорамными окнами, а затем значительная часть стекла закрывается шторами или жалюзи.

Электрохромное остекление предлагает другой сценарий.

При высокой солнечной нагрузке стекло становится темнее. Поток света уменьшается, одновременно может снижаться часть солнечных теплопоступлений. При изменении условий система возвращает более высокую прозрачность.

Исследования динамического остекления показывают, что его потенциальный эффект связан сразу с несколькими системами здания: охлаждением, отоплением, искусственным освещением и управлением пиковыми нагрузками. Конкретная экономия, однако, сильно зависит от климата, ориентации фасада, площади остекления и алгоритма управления.

Поэтому утверждать, что установка такого стекла автоматически уменьшит энергопотребление здания на определенный процент, было бы неправильно. Результат всегда нужно рассчитывать для конкретного объекта.

Электрохромное окно как часть умного дома

По-настоящему интересной технология становится не при ручном управлении, а после интеграции с автоматикой здания.

Предположим, западный фасад квартиры во второй половине дня получает много прямого солнца. Датчик освещенности фиксирует изменение условий. Контроллер учитывает температуру внутри помещения и постепенно переводит стекло в более темное состояние.

Позже солнечная нагрузка снижается — прозрачность увеличивается.

Система может учитывать сразу несколько параметров:

• время суток;
• наружную освещенность;
• температуру воздуха;
• температуру внутри помещения;
• положение солнца;
• режим работы отопления и кондиционирования;
• присутствие людей;
• выбранный пользователем сценарий.

Причем автоматика не должна лишать владельца контроля. В грамотно спроектированной системе ручная команда имеет такой же смысл, как кнопка обычных жалюзи. Захотелось больше света — прозрачность увеличивается. Мешает яркое солнце — затемнение усиливается.

Получается своеобразный климатический фильтр между улицей и интерьером.

Можно ли отказаться от штор

Не всегда.

Электрохромное стекло способно заметно уменьшать количество поступающего света, но затемнение и полная визуальная изоляция — разные вещи.

Если необходимо полностью скрыть помещение от внешнего наблюдения ночью, электрохромное остекление само по себе может не заменить плотные шторы или другие средства приватности.

Зато в дневное время оно потенциально уменьшает необходимость постоянно закрывать окно солнцезащитными конструкциями.

Особенно заметно это на панорамных фасадах, где шторы визуально меняют архитектуру помещения и перекрывают обзор.

Поэтому правильнее рассматривать электрохромное стекло не как универсальную замену текстиля, а как отдельный инструмент управления светом и солнечной нагрузкой.

Где электрохромные окна особенно интересны

Технология наиболее логична там, где большая площадь остекления одновременно дает преимущества и создает проблемы.

Панорамное остекление

Чем крупнее стеклянная поверхность, тем заметнее влияние прямого солнца. Возможность регулировать светопропускание непосредственно стеклом позволяет сохранить открытый вид без постоянного использования жалюзи.

Южные и западные фасады

Такие поверхности в определенные периоды дня могут получать высокую солнечную нагрузку. Динамическое затемнение позволяет изменять свойства остекления вслед за условиями снаружи.

Офисные здания

В рабочих помещениях особенно важна борьба с бликами на экранах. Обычные жалюзи часто остаются закрытыми даже после того, как прямое солнце ушло. Автоматизированное стекло способно возвращаться к более прозрачному состоянию самостоятельно.

Частные дома современной архитектуры

Большие окна в гостиной, двусветные пространства и стеклянные фасады делают технологию особенно заметной не только с инженерной, но и с архитектурной точки зрения.

Зимние сады и помещения с большой площадью стекла

Здесь управление солнечной нагрузкой становится частью общего контроля микроклимата, хотя выбор конкретного типа остекления требует теплотехнического расчета.

Какие преимущества дает электрохромное остекление

У технологии есть несколько действительно интересных особенностей.

• Регулирование без механических элементов. Для изменения прозрачности не требуется перемещать ламели, полотно шторы или экран.
• Сохранение обзора. Стекло может затемняться, но по-прежнему остается остеклением, а не закрытой поверхностью.
• Плавное управление светом. Вместо двух состояний открыто и закрыто можно использовать промежуточные уровни.
• Интеграция с автоматикой. Работа стекла может зависеть от датчиков и общих климатических сценариев.
• Потенциал снижения солнечных теплопоступлений. Это особенно актуально для зданий с большой площадью прозрачных фасадов.
• Архитектурная свобода. Проектировщик получает возможность работать с большими стеклянными поверхностями, используя динамические характеристики фасада.

Но здесь важно не превращать потенциальные преимущества в обещания. Эффективность зависит от правильного проектирования всей оболочки здания.

А что происходит зимой

Летний сценарий понятен: солнце активно нагревает помещение, поэтому стекло затемняется.

Зимой ситуация сложнее.

Солнечная энергия в холодный период может быть полезной. Если автоматически затемнять окно только из-за яркого света, можно потерять часть бесплатных теплопоступлений и одновременно увеличить потребность в искусственном освещении.

Поэтому хорошая автоматика не должна работать по примитивной схеме ярко — затемнить.

Она может учитывать температуру, сезон, состояние системы отопления и интенсивность прямого солнца.

В морозный ясный день системе иногда выгоднее пропустить больше солнечной энергии. Летом при похожем уровне освещенности стратегия будет противоположной.

Так окно превращается из пассивного элемента оболочки здания в регулируемый компонент.

Основные ограничения технологии

Почему же подобное остекление до сих пор не установлено в каждой второй квартире?

Причин несколько.

Более высокая стоимость

Электрохромное стекло сложнее обычного. Оно требует специальных покрытий, производственных процессов, электрических соединений, контроллеров и интеграции с системой управления.

Стоимость остается одним из препятствий для более широкого распространения электрохромных окон, наряду со сложностью производства и требованиями к характеристикам материалов.

Скорость переключения

Большая стеклянная панель может менять состояние не мгновенно. Для фасадного применения это допустимо, однако требует грамотно настроенной автоматики.

Цветопередача

Затемнение не всегда выглядит совершенно нейтральным. В зависимости от используемого электрохромного материала стекло может приобретать определенный оттенок.

Для жилого интерьера это имеет значение: окно влияет не только на количество света, но и на его визуальное восприятие.

Усложнение проекта

Обычному окну электрическое питание не требуется. Электрохромному — требуется управляющая инфраструктура.

Необходимо заранее решить, где разместить проводку, блоки управления, датчики и оборудование. В готовом интерьере сделать это сложнее, чем на этапе проектирования.

Требования к долговечности

Фасад рассчитан на многолетнюю эксплуатацию. За это время стекло проходит огромное количество циклов нагрева, охлаждения и изменения внешних условий.

Электрохромный элемент должен не просто работать в лаборатории, а сохранять стабильные характеристики в реальном здании на протяжении длительного времени. Поэтому долговечность и стабильность многократных циклов остаются важными направлениями исследований и совершенствования технологии.

Что произойдет при отключении электричества

Это зависит от конкретной электрохромной системы.

Нельзя считать, что любое умное стекло обязательно мгновенно станет прозрачным или темным после пропадания питания.

Для ряда электрохромных технологий характерно сохранение оптического состояния без постоянной подачи энергии. Электричество преимущественно используется во время переключения.

Однако проектировать систему все равно нужно с учетом требований производителя и общей схемы автоматики.

Особенно это важно для крупных фасадов, где сотни отдельных стеклянных элементов объединяются в общую систему управления.

Следующий этап — раздельное управление светом и теплом

Обычное затемнение имеет естественный недостаток: чтобы сократить солнечные теплопоступления, приходится уменьшать и количество видимого света.

Исследователи пытаются разделить эти процессы.

Одно из перспективных направлений — электрохромное остекление с раздельным управлением видимой и ближней инфракрасной частью солнечного спектра.

Почему это интересно?

Значительная часть солнечной энергии поступает не только в видимой области. Если стекло сможет ограничивать тепловую составляющую, сохраняя при этом хорошее естественное освещение, фасад станет гораздо более гибким.

Так называемые двухдиапазонные электрохромные технологии исследуются именно для независимого регулирования видимого и ближнего инфракрасного излучения.

Условно такое окно сможет выбирать не только темнее или светлее, но и более сложные режимы: максимум дневного света при ограниченном теплопоступлении либо, наоборот, использование солнечного тепла в холодный период.

Вот здесь умное стекло уже начинает напоминать не тонировку с электронным управлением, а полноценный регулируемый элемент фасада.

Станут ли электрохромные окна массовыми

У технологии есть хороший потенциал, но путь к массовому частному применению зависит не только от качества стекла.

Необходимо одновременно решить несколько задач: снизить стоимость производства, обеспечить длительный ресурс, ускорить переключение крупных элементов, добиться стабильной цветопередачи и упростить подключение.

Кроме того, электрохромному стеклу придется конкурировать с уже существующими решениями.

Наружные жалюзи хорошо защищают здание от солнечного перегрева. Автоматические рулонные системы сравнительно просты. Солнцезащитные стеклопакеты вообще не требуют электроники.

Поэтому вопрос заключается не в том, способно ли электрохромное окно работать. Оно уже работает.

Главный вопрос другой: в каких проектах преимущества динамического управления окажутся достаточно значительными, чтобы оправдать усложнение и стоимость системы?

В первую очередь технология логична для архитектуры с большой площадью остекления, где одновременно важны естественное освещение, обзор, комфорт возле фасада и управление солнечной нагрузкой.

Какими могут стать окна в ближайшие годы

Вероятнее всего, развитие пойдет не по пути одного универсального умного окна, а в сторону объединения разных технологий.

Остекление сможет работать совместно с вентиляцией, отоплением, охлаждением, солнцезащитой и искусственным освещением.

Солнечная нагрузка выросла — меняются характеристики стекла.

В помещении стало жарко — система корректирует сразу несколько параметров.

Солнце ушло за фасад — стекло становится светлее, а искусственное освещение уменьшается.

Начался отопительный сезон — алгоритм использует солнечные теплопоступления иначе, чем летом.

В таком сценарии окно перестает существовать само по себе. Оно становится частью общей системы управления зданием.

И именно эта перспектива выглядит интереснее простой функции электронного затемнения.

Электрохромные окна — технология с большим потенциалом

Электрохромное остекление показывает, насколько сильно может измениться привычная оконная конструкция. Стекло уже не обязательно должно обладать одними и теми же характеристиками утром, днем, летом и зимой. Его параметры можно менять в зависимости от внешних условий и задач помещения.

Пока у технологии остаются ограничения: стоимость, особенности подключения, скорость изменения состояния, требования к ресурсу и необходимость грамотной автоматизации. Поэтому рассматривать ее как безусловную замену традиционному остеклению пока рано.

Зато направление развития выглядит вполне определенно. Окна постепенно становятся активной частью инженерной системы здания, а управление солнечным светом, теплом и прозрачностью все теснее связывается с автоматикой дома.

При выборе остекления поэтому важно оценивать не только отдельную модную технологию, но всю конструкцию: профиль, стеклопакет, размеры, ориентацию по сторонам света, требования к теплоизоляции, солнцезащите и будущей автоматизации.

Компания «Окна Роста» занимается производством светопрозрачных конструкций и работает с пластиковыми, деревянными и алюминиевыми профильными системами. Если проект предполагает панорамное, нестандартное или технологически сложное остекление, можно обратиться к нашим специалистам и подобрать решение с учетом архитектуры здания, условий эксплуатации и требований к комфорту.