Sprostanie coraz bardziej restrykcyjnym wymaganiom w zakresie granicznych wartości współczynników przenikania ciepła w odniesieniu do przegród zewnętrznych [1] wymusza poszukiwanie i wprowadzanie nowych materiałów i doskonalszych technologii.

Nowoczesne przegrody nie tylko muszą już spełniać wymagania w zakresie zapewnienia izolacyjności cieplnej czy akustycznej, ale też powinny stać się „źródłem ciepła” pozyskiwanego z promieniowania słonecznego.

W odniesieniu do istniejących przegród nieprzezroczystych istotnym zagadnieniem jest poprawa ich izolacyjności cieplnej poprzez sięgniecie zarówno do nowych materiałów konstrukcyjnych, jak również poprzez zastosowanie „cieplejszych” materiałów termoizolacyjnych.

 

 

 

20131155Aluprof1

 

W poszukiwaniu lepszej izolacyjności cieplnej

Przegrody przezroczyste, których izolacyjność cieplną trzeba także poprawić, dają możliwość pozyskania ciepła pochodzącego z promieniowania słonecznego. W odniesieniu do izolacyjności cieplnej całej przegrody, istotnym zagadnieniem jest także poprawa izolacyjności cieplnej mostków termicznych. Obecnie, najbardziej popularne i stosowane materiały termoizolacyjne to styropian (EPS, XPS) i wełna mineralna, o współczynniku przewodzenia ciepła z zakresie 0,035-0,045 W/(m·K), oraz zyskujące coraz większą popularność pianki poliuretanowe (PUR, PIR), charakteryzujące się współczynnikiem przewodzenia ciepła na poziomie 0,022 W/(m·K) [2].

 

2013-10-44-1

 

Rys. 1. Obrazy z mikroskopu skaningowego mat aerożelowych (obrazy warstw wewnętrznych) [10].

 

 

Do najnowszych rozwiązań w zakresie izolacji cieplnych należą panele próżniowe (VIP- Vacuum Insulation Panel) [3] oraz materiały termoizolacyjne na bazie aerożeli krzemionkowych (ang. aerogels) [4]. Możliwości zastosowania tych ostatnich w przeszkleniach i profilach aluminiowych zostaną przedstawione w tym artykule.

 

20131155Aluprof2

 

Aerożele

Termin aerożel określa grupę substancji stałych, w których porowaty materiał (stanowiący zaledwie kilka procent zawartości wag.) tworzy trójwymiarową strukturę żelu wypełnioną powietrzem. Ponieważ aerożel składa się z głównie z powietrza (>90%), jest więc jedną z najlżejszych substancji stałych, o gęstości tylko nieznacznie większej od gęstości powietrza. Aerożele są także materiałami o jednym z najniższych dla ciał stałych współczynniku przewodzenia ciepła λ, którego wartość dla aerożeli krzemionkowych kształtuje się na poziomie 0,008-0,022 W/(m·K), w zależności od formy aerożelu [5-8]. Większość aerożeli stosowanych do produkcji materiałów budowlanych to aerożele na bazie krzemionki. Jak już wspomniano, największą zaletą tych aerożeli jest mała wartość współczynnika przewodzenia ciepła, są więc wykorzystywane w budownictwie głównie jako materiał termoizolacyjny.

 

Zaawansowane badania nad optymalizacją procesu otrzymywania aerożeli prowadzone były w latach 80. i 90. ubiegłego wieku. Kluczowe było opracowanie nowej metody ich syntezy, zwanej metodą zol-żel (1983 r.) [5], co przyniosło wzrost zainteresowania tymi materiałami oraz rozwój dalszych ich badań. W 1992 r. rozpoczęto już prace nad otrzymywaniem granulatów aerożelowych oraz poszukiwano potencjalnych zastosowań. Aerożele jako już „uformowany” materiał izolacyjny lub składnik takiego materiału, pojawiły się na rynku dopiero na początku tego wieku.

 

2013-10-44-2

Rys. 2. Profil aluminiowy z optymalizacją wielokomorowego uszczelnienia środkowego.

 

2013-10-44-3


Rys. 3. Profil aluminiowy z optymalizacją wielokomorowego uszczelnienia środkowego i dodatkową izolacją termiczną w przestrzeni przyszybowej.

 

2013-10-44-4


Rys. 4. Profil aluminiowy z optymalizacją wielokomorowego uszczelnienia środkowego oraz dodatkową izolacją termiczną w przestrzeni przyszybowej i komorach z przekładkami termicznymi.

 

 

Obecnie otrzymywanie aerożeli metodami chemicznymi sprowadza się do dwóch zasadniczych procesów: w pierwszym, w reakcji syntezy, zachodzi formowanie mokrego żelu (powstaje porowata struktura/szkielet żelu), który następnie w procesie suszenia przekształca się w strukturę aerożelu, czyli strukturę „wypełnioną” powietrzem. Odpowiedni dobór parametrów syntezy (szybkości reakcji hydrolizy i polimeryzacji), a następnie wybór procesu suszenia (w warunkach obniżonego ciśnienia i temperatury lub w warunkach nadkrytycznych, tj. gdy temperatura i ciśnienie są wyższe od temperatury i ciśnienia krytycznego rozpuszczalnika [4,5]) decydują o formie powstającego produktu. Powstająca forma aerożelu warunkuje z kolei dalsze jego zastosowania. Aerożele, zachowując swoją porowatość i niewielki ciężar, mogą przybierać różne formy: monolitów, granulek, proszków, powłok (o grubości kilku milimetrów) lub cienkich warstw o grubości ok. 100 nm. W czystej postaci aerożele posiadają właściwości hydrofilowe, co oznacza, że przy kontakcie materiału z wodą (lub parą wodną) powstają pęknięcia wewnątrz jego struktury [9]. Aerożel poddany jednak dalszym zabiegom chemicznym staje się hydrofobowy, co rozszerza możliwości jego dalszych zastosowań.

 

Na rynku dostępne są izolacje aerożelowe na bazie krzemionki w postaci granulatów i mat. Dzięki swym szczególnym właściwościom, aerożele w postaci granulatów znalazły zastosowanie jako wypełnienie międzyszybowe. Maty aerożelowe wzmocnione są włóknami (np. szklanymi czy poliwęglanowymi) i nadal zachowują właściwości izolacyjne jak aerożel w formie monolitu. Maty aerożelowe dostępne są jako warstwy o grubości już rzędu kilku milimetrów (np. 5 lub 10 mm) i stanowią materiał izolacyjny o jednym z najniższych współczynników przewodzenia ciepła. Jest to materiał elastyczny, który swoim wyglądem przypomina stosowane obecnie okładziny, a ponieważ jest też materiałem giętkim, może być instalowany jako układ warstw w celu uzyskania grubości wymaganej dla danego zastosowania.

 

 

2013-10-45-1

 (kliknij aby powiększyć tabelę)

 

 

Na rys. 1 przedstawiono zdjęcia wykonane mikroskopem skaningowym JEOL JSM-35C przedstawiające obrazy warstw wewnętrznych dla dwóch typów mat aerożelowych dostępnych na rynku [10].


Wartość współczynnika przewodzenia ciepła dla aerożeli mieści się w zakresie 0,008-0,022 W/(m·K), w zależności od formy aerożelu [4]. Wartość ta jest efektem wysokiej porowatości materiału oraz jego nanoporowatej struktury (średni wymiar porów waha się w granicach 10–200 nm).

Na przewodzenie ciepła w aerożelach składa się przewodzenie ciepła przez  szkielet materiału tworzącego strukturę aerożelu, tj. krzemionkę, przez cząsteczki gazu w porach aerożelu oraz promieniowanie cieplne. W granulatach dodatkowo występuje przewodzenie ciepła i promieniowanie w przestrzeniach pomiędzy ziarnami oraz na stykach ziaren. Głównym mechanizmem przewodzenia ciepła w aerożelach jest transport za pośrednictwem cząsteczek gazu poruszających się poprzez pory w strukturze aerożelu [11].


Maty aerożelowe stosowane są w budownictwie najczęściej w rozwiązaniach, w których ze względów funkcjonalnych, technologicznych czy estetycznych nie można zwiększyć grubości warstwy materiału termoizolacyjnego. Dobre parametry termoizolacyjne, wytrzymałościowe, jak i elastyczność tych cienkich materiałów decydują o tym, że sięgnięcie po nie właśnie w sytuacjach opisanych powyżej pozwoli na poprawę izolacyjności cieplnej danej konstrukcji, w której zastosowanie tradycyjnej termoizolacji jest niemożliwe lub nastręcza duże trudności. Materiały te ze względu na swoją niewielka grubość – warstwy o grubości 5 lub 10 mm – są chętnie stosowane w ościeżach/ramach drzwiowych czy okiennych [12-13], ale mogą być także położone na dużych powierzchniach, spełniając rolę warstwy izolacyjnej np. w budynkach zabytkowych.


Systemy aluminiowe- profile okienne i konstrukcje słupoworyglowe
Ze względu na dobre przewodnictwo cieplne aluminium (współczynnik przewodzenia ciepła, λ, wynosi 160 W/(m·K) [2]), w profilach aluminiowych (ramy okienne czy konstrukcje słupowo-ryglowe) konieczne jest stosowanie przekładek termicznych, dodatkowych izolacji cieplnych w przekrojach oraz pakietów szybowych o wartości współczynnika przenikania ciepła oszklenia Ug już na poziomie 0,5 W/(m2·K), by w rezultacie uzyskać produkt o dobrych własnościach izolacyjnych, np. współczynnik przenikania ciepła dla okna z ram aluminiowych na poziomie Uw<1,0 W/(m2·K).


W ostatnich latach dokonany został znaczący postęp w poprawie izolacyjności zarówno aluminiowych profili okiennych, jak i rozwiązań słupowo-ryglowych. Przede wszystkim zwiększono liczbę komór w profilach, których cześć „wypełniono” dodatkowo materiałem izolacyjnym, a kształtowniki aluminiowe połączono za pomocą przekładek termicznych z tworzywa sztucznego, tworząc dodatkową barierę cieplną.


W 2009 r. w Zakładzie Fizyki Cieplnej, Instalacji Sanitarnych i Środowiska Instytutu Techniki Budowlanej rozpoczęto badania właściwości mat aerożelowych [10] oraz optymalizację metodami komputerowymi [12, 13] współczynnika przenikania ciepła konstrukcji, w których zaproponowano zastosowanie cienkiej warstwy maty areożelowej, jako rozwiązania poprawiającego izolacyjność cieplną konstrukcji, np. słupowo- ryglowej. W zaproponowanym wtedy rozwiązaniu w konstrukcji słupowo-ryglowej [13], dodatkowe wypełnienie matą aerożelową o grubości 20 mm niewielkiej „przestrzeni” słupa poprawiło znacząco izolacyjność cieplną całej konstrukcji. W rozwiązaniu bez izolacji uzyskano wartość współczynnika przenikania ciepła słupa wartość Uo=1,9 W/(m2·K), podczas gdy dla rozwiązania z matą aerożelową uzyskano wartość Uo=0,95 W/(m2·K).

 

Zaproponowane wtedy rozwiązanie stosowania w konstrukcjach słupowo-ryglowych dodatkowej izolacji w postaci maty aerożelowej znalazło zastosowanie w rozwiązaniach słupowo-ryglowych dostępnych obecnie na rynku.


Na rys. 2-4 przedstawiono przykładowe rozwiązania poprawy izolacyjności cieplnej profili aluminiowych.


Zaproponowane rozwiązania dotyczą systemów ram okiennych z kształtowników aluminiowych, w których obniżenie wartości współczynnika przenikania ciepła Uf jest możliwe dzięki:
- optymalizacji wielokomorowego uszczelnienia środkowego,
- poprawie izolacji cieplnej w strefie krawędzi szyby z zastosowaniem dodatkowych izolacji,
- poprawie izolacji cieplnej w strefie przekładek termicznych (puste komory są wypełnione materiałem izolacyjnych).


W tablicy 1 przedstawiono wartości współczynnika przenikania ciepła ramy aluminiowej, Uf wg normy PN-EN ISO 10077-2 [14], dla zaprezentowanych na rys. 2-4 rozwiązań z zastosowaniem maty aerożelowej jako materiału izolacyjnego o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,016 W/(m·K) [7].

 

Do obliczeń Uw wg [15] przyjęto: bf=0,130 m, wym. okna 1,23x1,48 m, Ug=0,5 W/(m2·K), Ψ = 0,040 W/(m·K). Przedstawione na rys. 3 i 4 rozwiązania aluminiowych  profili okiennych są już także dostępne na rynku i zaczynają być coraz częściej stosowane.

 

 

Granulaty aerożelowe
Drugą, popularną formą aerożelu są granulaty, które są głównie stosowane w przegrodach przezroczystych [16-18]. Oprócz dobrych właściwości termoizolacyjnych przepuszczają też światło, co stwarza możliwości projektowania przegród zarówno o dobrej izolacyjności termicznej, jak i takich które „dostarczą” światło naturalne do pomieszczenia. Nowoczesne przegrody transparentne zapewniają równomiernie rozproszenie światła w całym pomieszczeniu, chroniąc przed oślepianiem i zapewniając komfort użytkownikom wewnątrz pomieszczenia.


Zagadnienie zastosowania granulatów aerożelowych w przestrzeni międzyszybowej było już opisywane kilka lat temu w jednym z numerów „Świata Szkła” [19]. W artykule tym podjęto m.in. temat możliwości optymalizacji wartości współczynnika przenikania ciepła Ug w zależności od budowy szyby zespolonej.

 

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń podano, że wartość współczynnika przenikania ciepła Ug dla szyby jednokomorowej może osiągnąć wartość nawet na poziomie 0,3 W/(m2·K). Co więcej, izolacyjność takiej szyby wypełnionej granulatem aerożelowym nie zmieni się nawet, jeśli będzie ona zainstalowana pod pewnym kątem, a nawet poziomo, np. jako świetlik dachowy.

 

Jest to o tyle istotne, że izolacyjność cieplna szyby zespolonej pogarsza się znacząco wraz ze zwiększaniem wielkości kąta jej pochylenia. Zagadnienia opracowania możliwości wytwarzania szyb wypełnionych granulatem aerożelowym o niskim współczynniku przenikania ciepła Ug i dobrej przezroczystości były także tematem projektów badawczych [16-18].

 

Wynikiem badań są dostępne na rynku szyby z wypełnieniem aerożelowym (dla okna z takim pakietem oszacowano Uw na poziomie 0,4 W/(m2·K)). Granulatem aerożelowym są także wypełniane komorowe płyty poliwęglanowe. Dostępne na rynku prześwitujące panele ścienne o grubości 7 cm charakteryzują się wartością współczynnika przenikania ciepła na poziomie 0,28 W/(m2·K)).


Podsumowanie
Aerożele są niewątpliwie materiałem o bardzo dobrych właściwościach izolacyjnych, co daje możliwości ich potencjalnego zastosowania w budownictwie.


Do pewnych zastosowań, jak np. przedstawione w artykule rozwiązania dla profili aluminiowych czy szyb, materiał ten wydaje się być jednym z bardziej optymalnych obecnie rozwiązań poprawiających tak znacznie ich izolacyjność.

 

Prowadzone dalsze badania optymalizacji właściwości tych materiałów, jak kontrola ich nanostruktury (tj. wielkość i rozkład porów czy „formy” produktu: granulaty, monolity, warstwy), czy zastosowanie dodatków celem poprawienia ich właściwości zarówno cieplnych, akustycznych jak mechanicznych, pozwoli w przyszłości na rozszerzenie jeszcze tego zakresu.

 

Potwierdzenie zapewne licznymi przykładami konkretnych rozwiązań z zastosowaniem tych materiałów, przyczyni się zapewne do ich upowszechnienia.


Literatura
[1]. Projekt Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej, zmieniający rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
[2]. PN-EN 10456:2006 Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych.
[3]. Ghazi Wakili K., Stahl T., Brunner S. w: “Energy and Buildings” 43 (2011), 1241–1246
[4]. Ruben, B., Bjorn, P. J., Arild, G.: Aerogel insulaton for building applications: A state-of-the-art review, “Energy and Buildings”, vol. 43 (2011), p. 761-769.
[5]. Gross J., Fricke J.: J. of Non-Crystaline Solids 145 (1992) 217
[6]. D.M. Smith, A. Maskara, U. Boes, J. of Non-Crystaline Solids 225 (1998) 254.
[7]. AT-15-8184/2009
[8]. Szyszka J.: Izolacje aerożelowe, „Izolacje” 9/2009.
[9]. Pietruszka B.L., Babińska J., Geryło R.: Aerogel-based thermal insulation materials – properties and applications, Materiały konferencyjne - 5th IBPC, Kyoto, Japonia, 2012.
[10]. Pietruszka B.: Prace naukowo-badawcze 1) NF-92/09 Ocena izolacyjności cieplnej wyrobów z aerożeli rozdz. 7, str. 93-97, i 2) NF-92/10 Badania mat aerożelowych rozdz. 2, str. 4-14, Biblioteka ITB, Warszawa.
[11]. Jelle B.P., Gustavsen A., Baetens R.: The path to the high performance thermal building insulation materials and solutions of tomorrow, “Journal of Building Physics”, 34(2), 2010, str. 99-123.
[12]. Geryło R., Pietruszka B.: Izolacje cieplne na bazie aerożeli krzemionkowych, „Materiały Budowlane” 1/2010, s. 56-57 i 1/2011, s. 50-51.
[13]. Pietruszka B., Geryło R.: Implementaion of nanoporous thermal insulations to improve the energy efficiency of curtain walling structures, in Proceedings of the 10th International Conference on Modern Buildings Materials, Structures and Techniques, Vilnius, Lithuania, May 19-21, 2010, vol. I. p. 255-229.
[14]. PN-EN ISO 10077-2 Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Cześć 2: Metoda komputerowa dla ram.
[15]. PN-EN ISO 10077-1 Cieplne właściwości użytkowe okien, drzwi i żaluzji. Obliczanie współczynnika przenikania ciepła. Część 1: Postanowienia ogólne.
[16]. Jensen K.I., Schultz J.M., Kristiansen F.H.: Development of windows based on highly insulating aerogel glazings, „Journal of Non-Crystalline Solids” 350/2004.
[17]. Schultz J.M., Jensen K.I., Kristiansen F.H.: Super insulating aerogel glazing, „Solar Energy Materiale & Solar Cells” 89/2005.
[18]. Schultz J.M., Jensen K.I.: Evacuated aerogel glazings, „Vacuum” 82/2008.
[19]. Michałowski T.: Szyby z zastosowaniem aerożeli, „Świat Szkła” 2/2008.

(...)

 

Barbara L. Pietruszka
ITB

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

Więcej informacj: Świat Szkła 10/2013

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.