Szukając rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych elementów budowlanych w celu uzyskania jak największych oszczędności energii pozyskiwanej przez człowieka metodami tradycyjnymi, nie można pominąć przeszkleń zewnętrznych, które jeszcze do niedawna były najsłabszym elementem w energetycznym budynku.
Utrata energii przez okna dochodziła nawet do 40%. Mimo, iż w tej dziedzinie osiągnięto bardzo duży postęp - od szklenia pojedynczego o wartości U ≈ 6 W/m2K do wielowarstwowego z użyciem szkła termicznego o wartości U ≈ 1,1 W/m2K (dla układu jednokomorowego) i U ≈ 0,7 W/m2K (dla układu dwukomorowego), to w dalszym ciągu szuka się sposobów aby wartość ta była jeszcze mniejsza i dążyła do wymogów, jakie stawia się litej przegrodzie, a mianowicie: dla ściany jednowarstwowej Umax=0,5 W/m2K a dla warstwowej Umax=0,3 W/m2K. W zasadzie istnieją rozwiązania materiałowo-konstrukcyjne, gdzie uzyskuje się wartości współczynnika przenikania ciepła do nich zbliżone, jednak nie są to rozwiązania charakteryzujące się niskim kosztem, a właśnie ten aspekt jest najważniejszy dla typowego użytkownika.
Wprowadzenie
Mając na uwadze czynniki wpływające na kształtowanie się współczynnika przenikania ciepła układów warstwowych przeszkleń - szyb zespolonych, należałoby tu wymienić:
• ilość tafli szklanych w układzie;
• rodzaj i grubość użytego szkła;
• szerokość przestrzeni międzyszybowej;
• rodzaj gazu wypełniającego przestrzeń międzyszybową;
• sposoby uszczelniania układu i materiały do tego używane, rodzaj absorbentu wilgoci, rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne profili okiennych, itp..
Analizując powyższe czynniki wykonano obliczenia według normy PN-EN 673:1999 ukazujące ich wpływ na kształtowanie się współczynnika przenikania ciepła „U". W obliczeniach nie uwzględniono głębokości osadzenia szyby w profilu okiennym oraz rodzaju materiału z jakiego został on wykonany. Jednak już dziś wiadomo, że sposób obliczania współczynnika przenikania ciepła „U" dla szyb zespolonych ulega modyfikacji, a to za sprawą wprowadzenia do niemieckiej normy DIN V 4108 wpływu ramki dystansowej oraz masy uszczelniającej. Okazuje się, że przy tak wysoko rozwiniętej technologii wytwarzania szyb o właściwościach termicznych, przy ich tradycyjnym łączeniu, stosując ramki aluminiowe czy też ze stali nierdzewnej, powstaje wyraźnie zauważalny liniowy mostek termiczny. Efekt ten pokazuje fot. 1.
Fot. 1. Fotografie wykonane kamerą termowizyjną przez ramkę aluminiową oraz z syntezy włókien szklanych [4] kolor żółty i zielony - przewodnictwo cieplne ograniczone=ciepło kolor niebieski i fioletowy - duże przewodnictwo cieplne=zimno
Do obliczeń przyjęto następujące warianty szyb zespolonych:
I wariant - szyba zespolona składająca się z 4 mm szkła zwykłego i zmiennej przestrzeni międzyszybowej, którą wypełniano kolejno powietrzem, argonem i kryptonem (przyjęto dane dla temperatury gazu 10oC);
II wariant - wielkości użyte w obliczeniach pozostają jak w wariancie I, zmienia się grubość szkła i wynosi 6 mm;
III wariant - wielkości użyte w obliczeniach pozostają jak w wariancie I z tym, że na powierzchni drugiej (rys. 1) naniesiona jest powłoka niskoemisyjna o wartości współczynnika emisyjności „e" wynoszącej 0,04 i 0,18;
IV wariant - wielkości użyte w obliczeniach pozostają jak w wariancie III, zmienia się grubość szkła i wynosi 6 mm.
Rys. 1. Schemat z szybą zespoloną jednokomorową
Podsumowanie wariantu I
Współczynnik przenikania ciepła dla szyby zespolonej ze szkła zwykłeg w zależności od zastosowanej przestrzeni stawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Współczynnik przenikania ciepła U w zależności od szerokości przestrzeni gazowej s dla szyby zespolonej 4/s/4 (szkło zwykłe)
Z wykresu tego wynika, że obniżenie współczynnika przenikania ciepła można uzyskać przez zwiększanie przestrzeni międzyszybowej - im ta przestrzeń jest mniejsza tym wartość „U" staje się coraz bardziej niekorzystna. Krzywe odzwierciedlające wielkości „U" dla poszczególnych gazów mają podobny charakter - maleją w sposób jednostajny. Do szerokości osiągającej 12 mm (w przypadku kryptonu nawet do 9 mm) pomiędzy taflami szkła, wartość „U" osiąga coraz lepsze właściwości termiczne, krzywe osiągają mniejsze parametry współczynnika. Ale nie tylko wielkość owej komory ma wpływ na kształtowanie się współczynnika przenikania ciepła.
Jedną z głównych przyczyn obniżających jego wartość jest rodzaj wypełnienia. Kiedy w obliczeniach uwzględniono powietrze - jako produkt (składnik) wypełniający komorę, wartość „U" wyniosła 2,94 W/(m2K), podczas gdy przy zastosowaniu argonu współczynnik ten zmniejszył się do 2,79 W/(m2K). Jednak najlepszą wartość jaką uzyskano dla współczynnika „U" jest 2,68 W/(m2K), a to za przyczyną kolejnego medium - kryptonu.
Podsumowanie wariantu II
Uzyskane wyniki obliczeń dla wariantu II przedstawiono w postaci graficznej na rysunku 3.
Rys. 3. Współczynnik przenikania ciepła U w zależności od szerokości przestrzeni gazowej s dla szyby zespolonej 6/s/6 (szkło zwykłe)
Z poniższego wykresu wynika, że zwiększanie szerokości przestrzeni międzyszybowej od pewnego momentu nie ma już tak istotnego wpływu na polepszenie współczynnika przenikania ciepła. Wartości „U" maleją, ale już od 15 mm -16 mm (dla powietrza i argonu) krzywe biegną niemalże równolegle z osią poziomą i dalsze zwiększenie tej szerokości nie ma uzasadnienia. Jedynie może doprowadzić to do zwiększenia ciężaru szyby zespolonej.
Znaczną poprawę izolacyjności cieplnej uzyskano natomiast poprzez wypełnienie komory innym, cięższym gazem. Przy zastosowaniu powietrza, którego gęstość wynosi 1,232 kg/m3, „U" przyjmuje wartość 2,77 W/(m2K), a już przy wprowadzeniu argonu o gęstości równej 1,699 kg/m3 współczynnik „U" maleje do wartości 2,67 W/(m2K). Najlepsze właściwości wykazuje jednak krypton o gęstości równej 3,560 kg/m3, którego „U" wynosi 2,64 W/(m2K).
Jednakże wypełnienie komory kryptonem ma swoje uzasadnienie do pewnej przestrzeni, wynoszącej maksymalnie 11 mm - 12 mm. Od tego momentu krzywa charakteryzująca kształtowanie się współczynnika „U" stabilizuje się, nie ma już tak wielkiej różnicy jak w pierwszej fazie wykresu, krzywa ta biegnie praktycznie równolegle do osi poziomej.
W wariantach III i IV zastosowano szkło z powłoką niskoemisyjną na pozycji 2 - rys. 1.
Charakterystyka powłok niskoemisyjnych
Powłoki niskoemisyjne korygują niekorzystne właściwości szkła. Latem, znacznie ograniczają nagrzanie pomieszczeń związane z bezpośrednim dostępem promieni słonecznych. Zimą, zapewniają korzystne nasłonecznienie wnętrza i bardzo dobrą izolację termiczną. Wiosną i jesienią, pozwalają na korzystanie w pełni ze światła słonecznego, zapewniając przy tym ograniczenie dostępu bezpośrednich promieni słonecznych. Powłoki te umieszcza się w zależności od funkcji, jakie mają pełnić:
• na zewnątrz szyby - w przypadku budynków, biurowców narażonych na nadmierne działanie promieni słonecznych, które będą odbijane,
• wewnątrz na pozycji 2 - 3 (rys. 1) w celu uzyskania efektu termicznego.
Powłoki zewnętrzne ze względu na bezpośredni kontakt z otoczeniem, są niszczone przez środowisko i w ten sposób znacznie szybciej tracą swoje właściwości. Powłokami zewnętrznymi mogą być powłoki „twarde", otrzymywane metodą pyrolityczną, z uwagi na lepsze właściwości mechaniczne. W wariantach III i IV zaprezentowano jak kształtuje się współczynnik przenikania ciepła „U" w szybach zespolonych w zależności od przyjętej wartości współczynnika emisyjności „e" w powłoce „twardej" i „miękkiej", naniesionej wewnątrz przestrzeni międzyszybowej na pozycji 2 - rys. 1.
Współczynnik emisyjności e=0,04
Na bezbarwne szkło float, w procesie próżniowej pulwery-zacji katodowej (wyrywanie cząstek przez pole elektromagnetyczne z metalicznych katod), nakładana jest powłoka z metali szlachetnych, najbardziej odpornych na działanie czynników atmosferycznych, do których zalicza się min. srebro oraz złoto. Obecnie na rynku powłoki wykonywane są ze srebra, dzięki któremu uzyskuje się szkła o naturalnej barwie i wysokiej przepuszczalności światła. Wcześniej do produkcji używano również złota i miedzi (metalu ciężkiego), ale ze względu na zabarwienie (od żółtego po kolor szary), jakie uzyskiwano po ich zastosowaniu są coraz rzadziej stosowane.
Współczynnik emisyjności e=0,18
Szkło niskoemisyjne o e=0,18 uzyskiwane jest poprzez nakładanie (pyroliza) tlenków metali na szkło bezbarwne. Powłoka jest całkowicie połączona z powierzchnią szkła, co nadaje jej doskonałą odporność. Szkło z powłoką naniesioną metodą chemiczną może być przenoszone, magazynowane, przetwarzane i stosowane bez konieczności podejmowania szczególnych środków ostrożności.
Podsumowanie wariantu III
W zależności od przyjętej przestrzeni międzyszybowej (s) oraz zastosowanej metody nanoszenia powłoki niskoemisyj-nej współczynnik „U" przyjął następujące wartości, które przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Współczynnik przenikania ciepła „U" w zależności od szerokości przestrzeni gazowej (s) oraz współczynnika emisyjności „e" dla szyby zespolonej 4/s/4 (szkło niskoemisyjne); a) dla e=0,04 a przykład b) dla e=0,18
Dla współczynników emisyjności „e" równych 0,04 i 0,18, współczynnik przenikania ciepła „U" w szkle niskoemisyjnym 4/s/4 przyjmuje wartości przedstawione na rysunku 5.
Rys. 5. Podsumowanie wariantu III dla wybranych współczynników emisyjności szyby zespolonej 4/s/4 (szkło niskoemisyjne)
Z wykresu tego wynika, że szkło o niskiej emisyjności, pozwala na uzyskanie doskonałych własności izolacji termicznej. Obecność powłoki pyrolitycznej o emisyjności e=0,18 pozwala na znaczne ograniczenie naturalnej utraty ciepła. Najniższą wartość, jaką można odczytać z wykresu dla powłoki „twardej" jest U=1,3 W/(m2K) uzyskane poprzez wypełnienie komory międzyszybowej kryptonem. Natomiast w przypadku powłoki magnetronowej, której emisyjność wynosi zaledwie e=0,04, wielkość „U" z zastosowanym kryptonem spada poniżej jedności i wynosi 0,88 W/(m2K).
Podsumowanie wariantu IV
W zależności od przyjętej przestrzeni międzyszybowej (s) oraz zastosowanego współczynnika emisyjności „e", współczynnik „U" przyjął wartości, które przedstawiono na rysunku 6. a)
Rys. 6. Współczynnik przenikania ciepła „U" w zależności od szerokości przestrzeni gazowej (s) oraz współczynnika emisyjności „e" dla szyby zespolonej 6/s/6 (szkło niskoemisyjne); a) e=0,04, b) e=0,18
Dla wybranych wariantów szkła niskoemisyjnego 4/s/4 i 6/s/16 oraz współczynników emisyjności „e" równych 0,04 i 0,18, współczynnik przenikania ciepła „U" przyjmuje wartości przedstawione na rysunku 7.
Rys. 7. Podsumowanie wariantu III i IV dla wybranych współczynników emisyjności szyby zespolonej 4/s/4 i 6/s/6 (szkło niskoemisyjne); a) e=0,04, b) e=0,18
W przypadku szkła z powłokami niskoemisyjnymi wprowadzanie większej grubość szkła oraz zwiększenie przestrzeni międzyszybowej nie spowodowało znacznej poprawy współczynnika „U", jak to miało miejsce przy użyciu szkła zwykłego.
Ze względu na możliwość wystąpienia ruchów konwekcyjnych w szybie zespolonej, pogarszających izolacyjność cieplną maksymalna grubość przestrzeni międzyszybowej nie powinna przekraczać 20 mm w przypadku powietrza, 17 mm w przypadku argonu i 12 mm w przypadku kryptonu.
W szkle niskoemisyjnym, wypełnionym kryptonem powinno się przyjmować maksymalną szerokość komory gazowej 12 mm, a ponieważ grubość szkła również nie ma wyraźnego wpływu na polepszenie współczynnika „U", tak więc po co zwiększać ciężar?
W przypadku powietrza, jak wynika z wykresu, odmienne kształtowanie się „U" przy zestawieniu wariantu III i IV zauważalne jest zarówno dla e=0,04 jak i dla e=0,18. Dla e=0,18 różnice widoczne są jedynie do szerokości przestrzeni międzyszybowej wynoszącej 15 mm.
Dla e=0,04 przestrzeń, dla której można to jeszcze zaobserwować, wynosi maksymalnie 12 mm. Podobnie dzieje się w przypadku argonu, tu jednak przestrzeń międzyszybowa jest jeszcze mniejsza, dla której widoczne są zmiany i wynosi odpowiednio dla e=0,18 maksymalnie 12 mm, a dla e=0,04 maksymalnie 8 mm.
Podsumowanie obliczeń
Zestawienie powyższych wyliczeń w kontekście kształtowania się współczynnika przenikania ciepła „U" dla przyjętych wariantów szyb zespolonych przedstawiono na rysunku 8.
Rys. 8. Podsumowanie wariantów od I-IV dla szkła zwykłego i niskoemisyjnego
Obecnie najczęściej produkowanymi szybami zespolonymi są szyby o grubości 4 mm i 6 mm oraz przestrzeni międzyszybowej wynoszącej odpowiednio 12 mm i 16 mm. W tabeli 1 przedstawiono jak kształtuje się współczynnik przenikania ciepła dla tych standardowych szyb zespolonych.
W szybach zespolonych szkło z powłoką niskoemisyjną posiada doskonały współczynnik przenikania ciepła. Pozwala on na znaczną poprawę izolacji termicznej przeszklonych powierzchni zarówno w budynkach mieszkalnych jak i przemysłowych. Utrata ciepła przez szyby zespolone ze szkłem niskoemisyjnym zmniejsza się o 70 % w stosunku do szkła pojedynczego („U" takiego szkła wynosi 5,8 W/(m2K)), a 40 % w stosunku do standartowych szyb zespolonych wykonanych ze szkła zwykłego, co znacznie obniża koszty ogrzewania.
Podsumowanie
Szkło jest materiałem budowlanym coraz bardziej docenianym w budownictwie. Jest nieskazitelnie czyste i neutralne, którego możliwości zastosowania ciągle rosną. Szkło XXI wieku spełnia nie tylko funkcję wprowadzania do pomieszczeń światła naturalnego, ale przede wszystkim pozwala oszczędzać energię i znacząco obniżyć jej zużycie w budynkach.
Zastosowanie szyb zespolonych z powłokami niskoemisyjnymi pozwala na osiągnięcie wartości współczynnika przenikania ciepła „U" mniejszego od 2,0 W/(m2K). To nie jest jednak ostateczna wartość tego współczynnika, jaką stosuje się w oszkleniach. Współczynnik ten można zmniejszyć do wielkości 1,3 W/(m2K) wprowadzając do komory międzyszybowej argon. Jeszcze niższe wartości współczynnika można osiągnąć stosując krypton. Standardem w Europie Zachodniej i coraz częściej w Polsce są szyby zespolone o U=1,1 W/(m2K). Graniczna wartość współczynnika przenikania ciepła „U" możliwa obecnie do uzyskania, to U=0,4 W/(m2K).
Dalsze obniżenie wartości współczynnika powszechnie dostępnych szyb zespolonych jest obecnie utrudnione ze względu na bardzo wysoką cenę gazów szlachetnych, wykorzystywanych jako wypełnienie przestrzeni między taflami szkła. Najczęściej wykorzystywanym gazem w komorach międzyszybowych jest argon, który jest około 220 razy tańszy niż krypton. Gazem o najniższym przewodnictwie cieplnym wykorzystywanym w szybach zespolonych jest jednakże ksenon. Ze względu na jego wysoką cenę - wartość jego jest około 1700 razy większa od argonu - jest on stosowany sporadycznie
Teresa Rucińska
Politechnika Szczecińska
Literatura
[1] Stefańczyk B.: Różne odmiany szkła płaskiego. „Okno" Nr 4/2003
[2] PN-EN 673 Szkło w budownictwie. Określenie współczynnika przenikania ciepła U. Metoda obliczeń.
[3] PN-EN 12898:2004 Szkło w budownictwie. Określenie emisyjności.
Tabela 1. Zestawienie obliczeń współczynnika przenikania ciepła „U" na przykładzie wybranych rozwiązań
więcej informacji: Świat Szkla 2/2005
