Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 02 ss okladka

edgetech 20190225-V1B-BANNER-160x600-PL-Mir-SteklaEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 RODO

heroal 2018 Banner C50VSZ 750x150 PL mit-Rahmen1

 

banner konferencja 04 2019  

  

 lisec SS FastLAne

 

 Mir stekla 2019 480x105 stat eng 

 

 

 

Właściwości i funkcjonowanie izolacji transparentnych
Data dodania: 28.05.08

Izolacja transparentna swoimi właściwościami różni się znacząco od typowych materiałów będących izolacjami cieplnymi, stosowanymi w przegrodach zewnętrznych budynków. 

Materiał ten, podobnie jak to jest w przypadku typowych przegród przezroczystych, izoluje cieplnie, a ponadto daje możliwość pozyskiwania ciepła (w niektórych zastosowaniach również światła) pochodzącego z promieniowania słonecznego. Przy czym jego właściwości izolacyjne z reguły są znacznie lepsze od typowych przegród przezroczystych (np. zestawów szyb zespolonych), natomiast przepuszczalność światła gorsza. 

 

 

Pojęcie i podstawy zastosowania izolacji transparentnych
    Określenie „transparentna” odnosi się do możliwości przepuszczania promieniowania słonecznego, przy tym nie tylko części widma związanej z promieniowaniem świetlnym. Wiąże się to z tym, iż przezroczystość tych materiałów, w odniesieniu do przepuszczania widma widzialnego promieniowania słonecznego, jest mocno zróżnicowana, natomiast jedną z głównych ich zalet jest przepuszczalność (również zróżnicowana w pewnym zakresie) energii cieplnej promieniowania słonecznego. Izolacja ta, podobnie jak inne struktury przepuszczające promieniowanie cieplne, dobrze przepuszcza promieniowanie krótkofalowe, będące główną składową promieniowania słonecznego, natomiast trudno przepuszcza promieniowanie długofalowe (podczerwone), będące główną składową promieniowania emitowanego z powierzchni różnych elementów budowlanych i instalacyjnych oraz wyposażenia pomieszczeń.



    Spośród różnych wariantów zastosowania izolacji transparentnych wyodrębnić można dwa podstawowe, diametralnie różne miejsca oraz różne efekty ich funkcjonowania.


1. Zastosowanie w przegrodzie pełnej (nieprzezroczystej). Izolacja transparentna jest tutaj istotnym elementem systemu zysków cieplnych pośrednich, tworzącą warstwę przepuszczającą promieniowanie słoneczne, doprowadzającą je do elementu absorbującego energię promieniowania słonecznego przez układ akumulacyjny lub akumulacyjno-kolektorowy przegrody.


2. Zastosowanie w przegrodzie przezroczystej. Izolacja transparentna jest tutaj elementem systemu zysków cieplnych bezpośrednich i światła. Stanowi ona tutaj warstwę przepuszczającą promieniowanie słoneczne i światło naturalne do pomieszczenia, umożliwiając absorpcję energii promieniowania słonecznego przez przegrody wewnętrzne pomieszczenia i jego wyposażenie oraz doświetlenie wnętrza światłem rozproszonym.



    Tak w okresach przerw w dopływie promieniowania słonecznego np. pora nocna, jak i również w okresie dziennym, kiedy przepływa przez nią promieniowanie słoneczne, izolacja ta, dla obydwu wymienionych wyżej systemów, spełnia drugą przewidzianą dla niej funkcję, tj. typowej izolacji cieplnej, ograniczającej straty ciepła z pomieszczeń. W związku z tym, w terminie „izolacja transparentna” pod pojęciem „izolacja”, należy rozumieć izolację cieplną, a pod określeniem transparentna, izolację przepuszczalną dla promieniowania słonecznego.


    Pomimo zastosowań typowo budowlanych, izolacje transparentne proponuje się stosować w różnych urządzeniach wykorzystujących energię promieniowania słonecznego do celów grzewczych (tak w systemach powietrznych, jak i cieczowych) lub przygotowania ciepłej wody użytkowej. Pełnią one w nich rolę podobną, jak w zastosowaniach budowlanych, t.j. elementu przepuszczającego promieniowanie słoneczne i ograniczającego straty ciepła ze struktur, które absorbują ciepło promieniowania słonecznego.



Wymiana ciepła w elementach budowlanych wykorzystujących izolacje transparentne
    Klasycznym przykładem zastosowania izolacji transparentnej w przegrodzie pełnej, nawiązującym do zastosowania tradycyjnej izolacji cieplnej, jest dwuwarstwowa konstrukcja ściany zewnętrznej z warstwą izolacyjną umieszczoną od strony zewnętrznej (rys. 1).


    W przypadku typowej izolacji cieplnej zastosowanej na zewnątrz przegrody praktycznie nie jest możliwe wykorzystanie zysków ciepła promieniowania słonecznego padającego na jej powierzchnię, ponieważ zewnętrzna powłoka przegrody odbija znaczącą część padającego na nią promieniowania a pochłanianie przez przegrodę energii jest znikome, ze względu na słabą zdolność akumulacyjną materiału izolacyjnego. Energia promieniowania słonecznego przejęta przez nieprzezroczyste przegrody zewnętrzne w minimalnym stopniu obniża straty ciepła budynku, gdyż praktycznie natychmiast po ustaniu oddziaływania promieniowania słonecznego, zgromadzone w przegrodach ciepło oddawane jest do otoczenia zewnętrznego. W związku z tym, dla tego typu przegród w metodach bilansowania przepływu ciepła, w dłuższym okresie czasu (doby, miesiąca, sezonu grzewczego) zysk ten jest pomijany. Przyjmuje się, iż jest on porównywalny wartościowo do strat ciepła promieniowania długofalowego powierzchni przegród. Przy tym wraz z poprawą właściwości izolacyjnych warstwy zewnętrznej, zmniejszania gęstości stosowanych materiałów potencjalne zyski ciepła maleją.

 

 
 

    Materiał ten pozwala łączyć ideę systemu biernego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego, z potrzebą zapewnienia dobrych właściwościach termoizolacyjnych przegród zewnętrznych. Zastosowanie izolacji termicznej transparentnej pozwala na pozyskiwanie przez budynek ciepła pochodzącego z promieniowania słonecznego nie tylko przez elementy przezroczyste (okna, przybudówki szklarniowe, oszklone werandy i inne przeszklenia, ale również przez przegrody pełne. W przypadku ściany zewnętrznej osłoniętej izolacją transparentną, promieniowanie słoneczne przepływając przez transparentny materiał izolacyjny, trafia z reguły na czarną powierzchnię absorbera. Na absorberze dokonuje się zamiana energii promieniowania słonecznego na użyteczne ciepło. Zasada działania izolacji transparentnych, podobnie jak i innych pasywnych systemów pozyskiwania ciepła promieniowania słonecznego, opiera się na wykorzystaniu efektu cieplarnianego.



    Energia promieniowania słonecznego, po przejściu przez izolację transparentną i przemianie w ciepło na absorberze, zostaje przejęta przez masywną i dobrze przewodzącą ciepło część przegrody. Pozyskane w ten sposób ciepło pozostaje wewnątrz przegrody i w efekcie przewodzenia jest przekazywane do wnętrza budynku. Zdolności magazynowania ciepła, jakie wykazują masywne przegrody budowlane powodują, że znaczna część ciepła może być oddawana równomiernie i z pewnym opóźnieniem, w czasie. W zależności od rodzaju zastosowanych materiałów (ich ciepła właściwego, przewodności, gęstości i ogólnie pojemności cieplnej) oraz grubości przegrody, opóźnienie to może wynosić kilka godzin. Przeprowadzone symulacje wykazują, iż czas, po jakim przegroda z izolacją transparentną całkowicie odda zmagazynowane ciepło, w okresach, kiedy występuje brak bezpośredniego promieniowania słonecznego, może przekroczyć 2 doby.



    Przepływ ciepła wytworzonego na absorberze do pomieszczeń, powoduje odwrócenie kierunku przepływu strumienia ciepła w przegrodzie. Następuje on od absorbera do wewnątrz, przeciwnie jak ma to miejsce w przegrodach z izolacją tradycyjną. Efektem tego jest, występowanie wyższej temperatury na powierzchni przegrody od strony pomieszczenia, niż ma to miejsce w przypadku rozwiązań konwencjonalnych (rys. 2).



    Przegroda spełnia w tej sytuacji, w sprzyjających warunkach pogodowych, funkcję grzejnika płaszczyznowego, niskotemperaturowego. Dzięki temu, tak jak to jest przyjęte w przypadku typowego ogrzewania płaszczyznowego, pojawia się możliwość obniżenia temperatury powietrza w pomieszczeniu, przy zachowaniu tego samego poziomu temperatury odczuwalnej. W efekcie obniżenia temperatury powietrza w pomieszczeniu, poprzez np. zaprogramowanie tego w układzie sterującym ogrzewaniem, można uzyskać dodatkowe oszczędności w zużyciu ciepła na cele grzewcze.



    Jak wynika z wykresów (rys. 2 i 3) warunki wymiany ciepła w przegrodzie z izolacją transparentną są bardziej nieustabilizowane niż ma to miejsce w przegrodzie z izolacją tradycyjną. Przedział wahań temperatury w warstwie izolacji transparentnej i warstwie masywnej przegrody może dochodzić do kilkudziesięciu stopni w ciągu doby.

 

 
 

    Charakterystyczna jest również istotna różnica w wartości i kierunku przepływu strumienia ciepła między okresem dziennym nocnym (rys. 3). W okresie doby, może ulec zmianie na przeciwstawny kierunek przepływu ciepła w warstwie akumulacyjnej przegrody.


    Innym miejscem zastosowania izolacji transparentnej jest wykorzystanie jej jako wypełnienia przegrody przezroczystej. Ten sposób wykorzystania izolacji transparentnych wydaje się być obecnie dominującym spośród innych jej zastosowań. Rozwiązanie to daje możliwość powstania zysków cieplnych bezpośrednich (w formie biernego ogrzewania pomieszczeń), przy czym bardziej zrównoważonych w ciągu roku, niż ma to miejsce w przypadku przegród o bardzo dobrej przepuszczalności promieniowania słonecznego. Dzięki temu systemowi ulega zmniejszeniu zapotrzebowanie na ciepło budynku w okresie grzewczym i zapotrzebowanie na chłód w okresie letnim, co ma szczególne znaczenie w odniesieniu do budynków klimatyzowanych. Natomiast druga właściwość izolacji transparentnych polegająca na rozpraszaniu światła naturalnego wydaje się być tą, która powoduje, iż izolacje te są coraz chętniej stosowane jako elementy gwarantujące bardziej równomierne doświetlenie pomieszczeń światłem dziennym, niż tradycyjne przegrody przezroczyste.



Materiały stosowane w strukturach wykorzystujących izolacje transparentne
    Elementy budowlane z wkomponowaną izolacją transparentną z reguły charakteryzują się podobnymi, a niejednokrotnie znacznie lepszymi właściwościami izolacyjnymi, jakie uzyskiwane są we współczesnych rozwiązaniach zestawów szyb okiennych. Generalnie zapewniają one dobrą izolacyjność cieplną, przy zróżnicowanej przepuszczalności fal elektromagnetycznych w zakresie promieniowania słonecznego. Materiały te, w odróżnieniu od szyb okiennych, nie wykazują się zazwyczaj dobrą przezroczystością.



    Materiały wykorzystywane w izolacjach transparentnych redukują straty ciepła do otoczenia na trzy sposoby:
-  ograniczenie wymiany ciepła przez przewodzenie następuje podobnie, jak ma to miejsce w innych materiałach termoizolacyjnych, ponieważ właściwy materiał izolacji stanowi niewielki udział w całej strukturze, ponad 95% objętości może przypadać na powietrze lub inny gaz;
- ograniczenie wymiany ciepła poprzez konwekcję wewnątrz izolacji jest związane z tym, że struktura materiału tworzy małe przestrzenie wypełnione gazem, tak że wewnętrzny przepływ powietrza czy też gazu zredukowany jest do minimum;
-  ograniczenie wymiany ciepła przez promieniowanie związane jest z tym, że stosowane materiały charakteryzują się ograniczoną zdolnością transmisji promieniowania cieplnego długofalowego, albo potrafią je absorbować.



Tworzywa sztuczne
    Najczęściej wykorzystywane do produkcji izolacji transparentnych tworzywa sztuczne to poliwęglan (rys. 4) i polimetylometakryl (szkło akrylowe, pleksiglas). Materiały te są odporne na działanie promieniowania ultrafioletowego (UV) i posiadają wystarczając wysoką odporność na temperatury panujące w systemach izolacji transparentnych. Szkło akrylowe odporne jest na temperatury maksymalnie do 90oC, natomiast poliwęglan zachowuje swoje właściwości przy temperaturach dochodzących do 140oC. Tworzone z tych materiałów struktury charakteryzują się stosunkowo wysoką wytrzymałością mechaniczną, szczególnie w układach przypominających strukturę plastra miodu – honey comb. Gęstość pozorna struktur z tworzyw sztucznych mieści się w granicach 25÷40 kg/m3.

 

 

 
 

Szkło
    Szkło dzięki swoim właściwościom fizycznym, takim jak niepalność, odporne na działanie promieni UV i wytrzymałość na działanie wysokich temperatur, jest materiałem często wykorzystywanym w konstrukcjach zawierających izolacje transparentne, jako osłona tychże izolacji. W szczególności odporność na wysoką temperaturę predestynuje ten materiał do zastosowania w osłonach kolektorów słonecznych. We współczesnych rozwiązaniach budowlanych coraz powszechniej stosowane są szyby z powłokami o niskiej emisyjności, co dodatkowo poprawia parametry izolacyjne zestawów izolacji transparentnej, osłoniętych szybami.
    Gęstość pozorna struktur transparentnych w postaci rurek szklanych może być ponad dwa razy większa w porównaniu do tworzyw sztucznych i kształtuje się na poziomie 100 kg/m3.


    Stosowane bywa również włókno szklane jako wypełnienie paneli doświetleniowych. Zadaniem włókna jest rozpraszanie promieniowania słonecznego oraz zapewnienie dobrej izolacyjności cieplnej elementu.



Aerożele krzemionkowe
    Aerożel krzemionkowy jest jednym z ciekawszych i stosunkowo słabo znanych materiałów, który można zaliczyć do grupy materiałów transparentnych. Charakteryzuje się dużą porowatością, która może przekraczać nawet 95%, oraz małą gęstością (8÷80 kg/m3). Właściwością predestynują ten materiał do zastosowań w strukturach izolacji transparentnych jest bardzo niska przewodność cieplna, kształtująca sie z reguły między 0.012 a 0.018 W/(m K). Dzięki tym właściwościom płyta aerożelu grubości 2 cm może zastąpić płytę o strukturze kapilarnej grubości 10 cm. Cząsteczki krzemionki mają zazwyczaj wymiary 2 ÷ 5 nm, natomiast wymiary porów mieszczą się w granicach 20÷50 nm. Z racji tak małych wymiarów strukturalnych proces jego produkcji zaliczany jest do nanotechnologii. Natomiast terminem nanogel, firma Cabot Aerogel nazwała wytwarzany przez siebie aerożel. Jest on produkowany tam m.in. w postaci granulatu wielkości 2÷6 mm (rys. 5).

 

 

    Inną zaletą aerożeli jest zdolność dyfuzyjnego rozpraszania promieniowania słonecznego (przez co widziany przez nie obraz jest mglisty), a właściwości optyczne zależą w głównej mierze od grubości elementu i jednorodności ziaren. Praktycznie możliwe jest osiągnięcie przejrzystej warstwy aerożelu, przy stosunkowo cienkich płytkach tego materiału. Interesującą właściwością struktur aerożelowych jest zachowanie stałych właściwości w zakresie przepuszczalności promieniowania słonecznego, niezależnie od nachylenia elementu i orientacji względem stron świata, a więc i kąta padania promieniowania słonecznego. Dzieje się tak dzięki temu, że średnica porów jest mniejsza od długości fali promieniowania widzialnego. Przepuszczalność światła zależna jest od grubości warstwy aerożelu. W przypadku płytek aerożelowych o grubości 10 mm może wynosić nawet 85÷94 %. Natomiast panele wypełnione granulatem aerożelu (rys. 6) o grubości 13 mm charakteryzują się przepuszczalnością światła rzędu 73%, a przy grubości 64 mm już tylko 21%. Z kolei izolacyjność cieplna tych paneli kształtuje się od 1,4 W/(m2 K) przy grubości 13 mm i 0,28 W/(m2 K) przy grubości 64 mm.



    W przypadku tradycyjnych struktur przezroczystych (zestawy szyb, w tym również z różnym wypełnieniem gazowym) przepuszczalność promieniowania słonecznego, zależna jest od kąta padania promieni słonecznych.


    Aerożele są całkowicie niepalne, nietoksyczne, odporne na bardzo wysokie temperatury (do 1200oC).
    Aerożele krzemionkowe są również dobrym izolatorem akustycznym, fale dźwiękowe rozchodzą się w tym ośrodku z prędkością tylko 100 m/s. Produkowane obecnie aerożele mają niestety poważne wady: są kruche i nieodporne na działanie wody, która niszczy ich wewnętrzną strukturę. Powoduje to, że nie są one jeszcze wykorzystywane na szeroką skalę. Badania nad nimi są prowadzone i zmierzają w kierunku wyeliminowania tych wad, ograniczających znacznie ich powszechne zastosowanie w strukturach cieplnych izolacji transparentnych.


    Ze względu na słabą odporność na działanie czynników środowiskowych aerożele umieszczane są w panelach ze szkła lub tworzywa sztucznego.



Celuloza
    Materiał ten charakteryzuje się dwoma poważnymi atutami, zaliczany jest do grupy materiałów ekologicznych i jest stosunkowo niedrogi. Wykonywane z niego są struktury typu „plaster miodu” (rys. 7) produkowane z kartonu. Karton stosowany w izolacjach transparentnych może być barwiony w różnych kolorach. Struktura plastra miodu z kartonu nie jest na tyle przezroczysta jak w przypadku innych izolacji transparentnych (rys. 8). Natomiast dzięki właściwością zastosowanego materiału pełni nie tylko funkcję izolacyjną ale również absorbera pochłaniającego energię promieniowania słonecznego. Struktury papierowe charakteryzują ponadto się bardzo dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi oraz zdolnością do izolowania akustycznego.

 

 
 

   Ze względu na swoje właściwości, w szczególności słabą odporność na czynniki środowiskowe, izolacje tekturowe umieszczane są w panelach szklanych. Stosowane bywają nie tylko w przegrodach zewnętrznych, ale również w ściankach działowych wewnętrznych.


    Celuloza wykorzystywana jest również do budowy struktur quasi-homogenicznych. W tym przypadku występuje ona w postaci nietkanej siatki (maty) białych włókien celulozowych umieszczonych na przykład pomiędzy dwiema płytami kanałowymi z poliwęglanu. Taki zestaw, poza dobrą izolacyjnością cieplną i akustyczną, posiada zdolność do efektywnego dyfuzyjnego rozpraszania promieniowania słonecznego.

dr inż. Adam UJMA
Politechnika Częstochowska 

 

patrz też:

- Izolacyjne struktury transparentne , Adam Ujma, Świat Szkła 10/2009 

- Właściwości i funkcjonowanie izolacji transparentnych , Adam Ujma, Świat Szkła 5/2008 

- Szyby z zastosowaniem aerożeli , Tadeusz Michałowski , Świat Szkła 2/2008  

 

więcej informacji: Świat Szkła 5/2008

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik