Gazy szlachetne takie jak neon, krypton, ksenon występują w powietrzu w bardzo małych ilościach. Krypton (0,001% obj.), ksenon (0,00001% obj.) i neon (0,018% obj.) są pozyskiwane z powietrza w procesie kriogenicznej destylacji powietrza. Gazy szlachetne charakteryzują się wysoką gęstością i emitują światło po dostarczeniu impulsu elektrycznego.
Ze względu na wysoką gęstość (3-4-krotnie większą od azotu) są stosowane do izolacji okien przede wszystkim w celu maksymalnego ograniczenia strat ciepła. Jest to szczególnie istotne w regionach, gdzie na ogrzewanie zużywa się dużo energii, a głównym źródłem strat ciepła są okna.
Drugą podstawową korzyścią wynikająca z zastosowania gazów szlachetnych są ich własności tłumiące - są stosowane do szyb montowanych zwłaszcza na lotniskach, w miejscach o dużym natężeniu ruchu. Zastosowanie gazu szlachetnego do izolacji szyb zespolonych polega na zastąpieniu powietrza pomiędzy taflami szkła gazem o niskiej przewodności np. argonem, kryptonem lub ich mieszaniną (rys. 1).
Podstawowymi parametrami charakteryzującymi izolacyjność termiczną są: współczynnik przenikania ciepła U (W/m2K – ilość ciepła traconego na 1 metr kwadratowy powierzchni materiału budowlanego przy różnicy temperatur po obu stronach wynoszącej 1 stopień) oraz opór cieplny (R=1/U). Współczynniki te są proporcjonalne do masy cząsteczkowej stosowanego gazu.
Z fizycznego punktu widzenia w przypadku szyb zespolonych mamy do czynienia z 3 rodzajami wymiany ciepła (rys. 2):
. promieniowaniem (podczerwień),
. przewodzeniem (cieplna wymiana molekularna),
. konwekcją (unoszeniem).
Aby zapobiec promieniowaniu ciepła na zewnątrz poprzez ograniczenie jego przepływu przez tafle szkła pokrywa się je niewidoczną powłoką tlenku metalu, która przepuszcza fale krótkie promieniowania słonecznego, ale jednocześnie stanowi barierę dla fal długich, ograniczając w ten sposób wydostawanie się ciepła na zewnątrz.
Aby ograniczyć konwekcję i przewodzenie zastępuje się powietrze pomiędzy taflami szkła gazem o niższym współczynniku przenikania np. argonem, kryptonem, ksenonem lub ich mieszanką i zmienia się odległość pomiędzy taflami. Im wyższa gęstość gazu, tym bardziej ograniczona jest transmisja ciepła, co pozwala zmniejszyć przestrzeń pomiędzy taflami szkła. Własności te wynikają bezpośrednio z gęstości i lepkości gazów.
Gęstość powietrza to 1,202 kg/m3, argonu 1,658 kg/m3, kryptonu 3,506 kg/m3 (rys. 3).
Krypton jest 2-krotnie cięższy od argonu, ale ze względów ekonomicznych to argon jest częściej stosowany.
Wartości współczynnika U zależnie od rozwiązania technicznego przedstawia rysunek 4.
Niska wartość współczynnika U dla mieszanki kryptonu i ksenonu (>92% Kr, >6% Xe) została po raz kolejny potwierdzona przez badania przeprowadzone w tym roku w Instytucie Szkła i Ceramiki. Badano szyby zespolone jednokomorowe z przekładką 14 mm i uzyskano współczynnik przenikania ciepła U=0,89 W/m2K.
Należy jednak pamiętać, że mieszanina kryptonu i ksenonu, choć tańsza od czystego kryptonu, nie może być stosowana w przypadku szkła z powłoką nakładaną w technologii magnetronowej lub napylania katodowego – to zastosowanie wymaga kryptonu o czystości min. 99%.
Gazy szlachetne stanowią również barierę akustyczną. Krypton ogranicza przenoszenie dźwięku tak samo, jak np. sześciofluorek siarki. Jest tak samo ciężkim gazem, co wytłumia średnie i wysokie częstotliwości.
Z ekonomicznego punktu widzenia SF6 jest tańszy, ale ze względu na złe własności termoizolacyjne i wpływ na efekt cieplarniany (tysiące razy większy niż CO2) jest rzadziej stosowany.
Współczynnik U dla kryptonu wynosi 0,9 W/m2K, co oznacza bardzo dobrą izolację cieplną.
Można go więc stosować zamiast szkodliwego SF6 jako barierę akustyczną i jest przyjazny środowisku (rys. 5).
Korzyści wynikające ze stosowania gazów szlachetnych do izolacji szkła zespolonego to przede wszystkim korzyści ekonomiczne i środowiskowe – mniejsza wymiana ciepła przez okna oznacza mniejszą ilość zużytej energii.
Dla domu o powierzchni 100 m2 i powierzchni okien 20 m2 przez pojedyncze szyby następuje 35% strat energii, przez ściany 30%, przez dach 15%. Szkło niskoemisyjne jest więc przyjazne środowisku, ponieważ ma bezpośredni związek z ograniczeniem emisji CO2 pochodzącego z procesów spalania paliw kopalnych.
Jeśli dom o powierzchni okien 20 m2 ogrzewany jest elektrycznie, to emisja CO2 związana z ogrzewaniem wynosi w przypadku stosowania:
. szkła – 930 kg/rok,
. szkła zespolonego – 460 kg/rok,
. szkła zespolonego z powłoką niskoemisyjną i przestrzeni wypełnionej powietrzem – 275 kg/rok,
. szkła zespolonego z powłoką niskoemisyjną i przestrzeni wypełnionej argonem – 210 kg/rok,
. szkła zespolonego z powłoką niskoemisyjną i przestrzeni wypełnionej kryptonem – 140 kg/rok.
Rola szkła zmieniła się na przestrzeni lat
– musi już nie tylko spełniać funkcję oświetlenia, ale pozwalać na oszczędzanie energii
– w konsekwencji ochronę środowiska naturalnego oraz stanowić barierę akustyczną.
Gazy szlachetne są sprzymierzeńcem w działaniu w tym kierunku.
Mając na uwadze zmiany przepisów prawa Unii Europejskiej dążące do ograniczenia emisji CO2, rozwój zastosowania gazów szlachetnych w technologii izolacji okien wydaje się nieunikniony.
Maria Bonikowska
więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2006
