Czytaj także -

Aktualne wydanie

SS-10-2018 okladka

20180813-BANNER-160X600-V1-PL-GLASSTECEDG 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

 

 

 konferencja 2018 banner

konferencja 12 kwietnia 2018 1a

baner-2-krzywe

baner konferencja 12 2017

 

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

 

konferencja 2018 banner

  

glass2018 480x120  

 lisec SS FastLAne

 

20180817doe12 baner-480-100

 

 

 

Rozwój konstrukcji przeszkleń okiennych
Data dodania: 14.03.13

Okna są nazywane „oczami budynku”. Ich funkcją jest przede wszystkim umożliwienie użytkownikom pomieszczeń utrzymanie wzrokowego kontaktu z otoczeniem oraz odpowiednie doświetlenie pomieszczeń światłem dziennym. Wymagania te spełniają od wieków przegrody przeźroczyste z płaskich płyt szklanych. W strefie klimatu umiarkowanego głównym problemem były duże straty ciepła przez przegrody szklane, co sprawiało, że były one traktowane jako słabe energetycznie miejsce w elewacji budynku.

 


Rozwój konstrukcji okien i technologii szkła modyfikowanego sprawił, że problemy te są już w dużej części rozwiązane. Obecnie standardowa szyba zespolona posiada lepszą izolacyjność cieplną niż materiał ramy okiennej, co sprawia, że współczynnik przenikania ciepła przeszklenia Ug jest niższy niż średnioważony współczynnik przenikania ciepła całego okna U.

 

34-rys1

Rys. 1. Rozwój technologii przeszkleń ciepłochronnych

 

 

Rozwój technologii podwyższenia izolacyjności cielnej przegród szklanych

Kolejnym etapem rozwoju w tej dziedzinie jest takie obniżenie współczynnika przenikania ciepła Ug przegród szklanych, aby był on zbliżony do parametrów ocieplonej ściany masywnej, co jest szczególnie ważne dla domów pasywnych (tylko w małym stopniu wykorzystujących nieodnawialne zasoby energetyczne).

 

W tym kontekście istnieje potrzeba kolejnego przełomu, jeśli chodzi o standard termoizolacji przeszkleń. Etapy dotychczasowego rozwoju technologii służących poprawie izolacyjności cieplnej przeszkleń przedstawiono schematycznie na rys. 1.

 

Okna jednoramowe z pojedynczymi szybami miały prostą konstrukcję lecz niską izolacyjność cieplną, co prowadziło do dużych strat ciepła. Występowało też wykraplanie się pary wodnej od wewnętrznej strony szyb, co przyspieszało korozję powłok malarskich i materiału ramy okiennej.

 

Pierwszym krokiem prowadzącym do poprawy parametrów cieplnych okien było wbudowanie w ościeżnicę dwóch skrzydeł, co dawało zestaw szyb pracujących niezależnie. Poprawiło to w znaczny sposób izolacyjność cieplną okna, jednak to rozwiązanie miało również wady:

- w oknach ościeżnicowych jedno ze skrzydeł otwierało się na zewnątrz, co utrudniało utrzymanie czystości zewnętrznej powierzchni szyby.

- w oknach skrzynkowych oba skrzydła otwierały się do wewnątrz, co skomplikowało konstrukcję ościeżnicy, która szybko traciła szczelność na przymykach. Nadmierna infiltracja powietrza niwelowała korzyści z poprawy izolacyjności przeszkleń.

Również kit szklarski, który był wtedy używany do osadzenia szyby w ramie łatwo się wykruszał co wspomagało niepożądaną infiltrację.

Okna ze skrzydłami zespolonymi były szczelniejsze lecz problemem było tutaj utrzymanie ich w czystości, ponieważ przy każdym myciu konieczne było rozkręcenie ramy.

 

Tabela 1. Zmiana wymagań dotyczących współczynnika przenikania ciepła U dla okien i przegród przezroczystych, zawartych w rozporządzeniu [1]

34-tab1

 

(powiększ tabelę)

 

W rozwiązaniach powyższych odległość między szybami była zbyt duża, aby skutecznie ograniczyć wymianę ciepła przez konwekcję. Przełomem w konstrukcji przeszkleń stała się konstrukcja szyb zespolonych. W konstrukcji tej dwie płyty szklane połączono na obrzeżach za pomocą ramki dystansowej i elastycznej masy uszczelniającej. Uzyskano w ten sposób szczelną komorę międzyszybową, której niewielka grubość ograniczała konwekcję.

 

 

     (...)

 

Pojawiła się też możliwość napełniania komory gazami o lepszej izolacyjności cieplnej niż powietrze (argon, krypton). Kolejną zaletą była możliwość wbudowania w zestaw szkła modyfikowanego cienkimi warstwami (napylenie niskoemisyjne, refleksyjne i in.), co pozwoliło na uzyskanie produktu o parametrach dostosowanych do lokalnych warunków użytkowania i przede wszystkim doprowadziło do skokowego polepszenia izolacyjności cieplnej do poziomu Ug≈1,1 W/m2K.

 


Szczelność komory między płytami szklanymi wywołała skutki niespotykane we wcześniejszych konstrukcjach. Szyby zespolone były efektem poszukiwania rozwiązań ograniczających straty ciepła w budynku. Hermetycznie zamknięta przestrzeń gazowa miała zmniejszyć konwekcyjną wymianę ciepła.

 


Okazało się jednak, że stanowi ona integralną część konstrukcji, zmieniając rozkład obciążeń. Prowadzone badania teoretyczne i doświadczalne wykazały, że gaz zamknięty w komorze zestawu zmienia swoje parametry pod wpływem obciążeń klimatycznych zachowując, z wystarczającym do zastosowań technicznych przybliżeniem, parametry ciśnienia p, temperatury T i objętości v według prawa gazowego


34-wzo1

 


gdzie:


po, To, vo – parametry początkowe gazu w komorze - parametry gazu uzyskane w procesie produkcji, lub inne, przyjęte za poziom odniesienia dla naprężenia w szybach,
pk, Tk, vk – parametry eksploatacyjne gazu w komorze - parametry gazu w komorze przy założonym obciążeniu szyb.


Zmiany parametrów gazu w komorze zestawu powodują dodatkowe obciążenia szyb, co skutkuje przemieszczeniem elementów zestawu obciążonego zmianami klimatycznymi (rys. 2). Zjawisko to należy uwzględnić na etapie projektowania szyb zespolonych, co było opisywane w literaturze przedmiotowej, również w „Świecie Szkła”.

 

Przepisy prawne dotyczące ograniczenia strat ciepła przez przegrody szklane
Obowiązujące w Polsce wymagania dotyczące parametrów izolacyjności cieplnej przegród szklanych zawarte są w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1].

 

Obowiązująca od 2009 roku nowelizacja rozporządzenia zaostrzyła wymogi dotyczące maksymalnego współczynnika U przegród szklanych (tab. 1). Działanie to było w usankcjonowaniem stanu faktycznego, gdyż stosowanie szyb o współczynniku Ug≈1,1 W/m2K stało się standardem kilka lat wcześniej. W najbliższym czasie planowane jest dalsze zaostrzenie tych wymogów, co ostatecznie wyeliminuje z rynku konstrukcje nieefektywne energetycznie.

 

Klasyczne konstrukcje w standardzie energooszczędnym
Skokową poprawę izolacyjności cieplnej przeszkleń można uzyskać modyfikując istniejące konstrukcje poprzez:

- „dołączenie” do jednokomorowej szyby zespolonej dodatkowej szyby pojedynczej,

- zastosowanie zestawu trójszybowego,

- przegrodzenie komory zestawu dwuszybowego folią.

 

34-rys2
Rys. 2. Przemieszczenia w szybach zespolonych, spowodowane obciążeniami klimatycznymi:
a) wzrost ciśnienia atmosferycznego lub spadek temperatury powietrza,
b) wpływy ciśnienia i temperatury równoważą się,
c) spadek ciśnienia atmosferycznego lub wzrost temperatury powietrza

 

 

34-rys3a

Rys. 3. Okno z szybą jednokomorową z „dołączoną” ramą z szybą pojedynczą

 

34-rys4

Rys. 4. Konstrukcja szyby zespolonej z komorą przegrodzoną folią

 

 34-rys5

Rys. 5. Warianty konstrukcji szyb grzewczych: a) klejona z przewodami zatopionymi w folii PVB, b) zespolona z zewnętrzną warstwą niskoemisyjną, c) szyba zespolona z warstwą grzewcza o własnościach niskoemisyjnych

 

Konstrukcje takie znane i stosowne stosowane są od dawna, przede wszystkim w celu poprawy parametrów cieplnych okien usytuowanych w regionach o niekorzystnych warunkach klimatycznych. 


Wprowadzenie dodatkowej szyby pojedynczej prowadzi do konieczności zastosowania bardziej skomplikowanej konstrukcji stolarki, zbliżonej do wcześniejszych okien skrzynkowych lub zespolonych (rys. 3).


Przy zastosowaniu zestawu trójszybowego problem sprawia wzrost grubości i ciężaru zestawu szyb. Konieczne jest zastosowanie grubszych i bardziej skomplikowanych ram okiennych i bardziej wytrzymałych okuć, co podnosi koszty i jest barierą w stosowaniu takich rozwiązań. Większy ciężar sprawia również problemy w trakcie montażu elementów wielkowymiarowych.


Wady te można zminimalizować [2] przez zmniejszenie grubości komory międzyszybowej (np. z 16 do 12 mm, co wiążę się z niewielkim pogorszeniem izolacyjności cieplnej) oraz przez zmniejszenie grubości szyb składowych (np. z 4 do 3 mm). 

 

Konstrukcja szyby zespolonej z komorą przegrodzoną folią może zachować zalety szyb dwukomorowych przy nie zwiększaniu ich ciężaru (rys. 4).

 

Folia może być pokryta warstwami tlenków metali o własnościach selektywnych w zakresie promieniowania w paśmie widzialnym, promieniowania cieplnego oraz mieć własność ograniczenia transmisji szkodliwego promieniowania UV, co stwarza dalsze możliwości modyfikacji parametrów zestawu.

 

Niestety konstrukcja ta, w przeciwieństwie do poprzedniej nie pojawia się w informatorach i katalogach firm działających w naszym kraju. Być może przyczyną niewielkiej popularności tej konstrukcji jest skomplikowanie połączenia międzyszybowego (folia poddawana zmiennym obciążeniom środowiskowym musi być szczelnie umieszczona między ramkami dystansowymi).


Idea szyb grzewczych
Ciekawą modyfikacją szyb zespolonych są szyby z aktywnym systemem ogrzewania. Konstrukcję tę opracowano w krajach skandynawskich (rys. 5). Zastosowanie takich szyb ma poprawić komfort cieplny pomieszczenia oraz, poprzez podniesienie temperatury oszklenia, wyeliminować niekorzystne zjawisko kondensacji pary wodnej na powierzchni okna.

 

Przy zastosowaniu odpowiednio dużej mocy (ok. 300 W/m2) oszklenie może być nawet zasadniczym źródłem ogrzewania pomieszczenia (temperatura szkła może wzrosnąć do ok. 40°C). Poza budownictwem możliwe jest stosowanie szyb grzewczych w pojazdach, np. dla statków pływających po regionach polarnych projektuje się szyby o mocy do 3600 W/m2 [3].

 


W niektórych publikacjach szyby takie są przewidywane do zastosowania w przyszłości w domach pasywnych oraz w tzw. „domach inteligentnych”. Zdaniem autora jednak konstrukcja ta ma podstawową wadę, a mianowicie zwiększenie temperatury oszklenia może być przyczyną zwiększenia strumienia ciepła wymienianego z powietrzem zewnętrznym, co poddaje w wątpliwość energooszczędność tego rozwiązania. 

 


Oczywiście ma ono również zalety. Szyby grzewcze można na przykład stosować do odmrażania i stapiania śniegu na oknach dachowych, wspomagania ogrzewania ogrodów zimowych, zapewnienia dobrej widoczności zimą w punktach obserwacyjnych, pojazdach itp.

 

34-rys6

Rys. 6. Schemat konstrukcji zespolonej szyby próżniowej


Idea szyb próżniowych
Jak już wspomniano, izolacyjność cieplną szyby zespolonej można kształtować przez regulację grubości przestrzeni gazowej, napełnienie jej gazem o dobrych parametrach izolacyjnych oraz zastosowanie cienkowarstwowego napylenia niskoemisyjnego.


Możliwość wypompowania z przestrzeni międzyszybowej powietrza i pozostawienie próżni skutkowałaby eliminacją konwekcji i przewodzenia ciepła a energia przenoszona byłaby tylko przez promieniowanie, co wydatnie poprawiłoby izolacyjność cieplną zestawu. Rozwiązanie takie przy standardowej konstrukcji szyby zespolonej nie jest możliwe, ponieważ zestaw taki byłby poddany obciążeniom związanym z różnicą ciśnień o wartości rzędu 10 ton/m2. Pod takim obciążeniem zestaw uległby natychmiastowemu rozszczelnieniu lub szyby zostałyby zgniecione, zaistniała więc potrzeba opracowania nowych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych.


Możliwą do zrealizowania konstrukcję szyby próżniowej przedstawiono na rys. 6. Zaletą tej konstrukcji jest jej mała grubość 9÷10 mm, przy zastosowaniu dwóch szyb 4 mm, co korzystnie wpływa na mały ciężar i prostotę konstrukcji ramy okiennej. Zapobieżenie zgniecenia zestawu przez ciśnienie atmosferyczne realizuje się przez zastosowanie elementów rozporowych, które mogą psuć efekt wizualny i są mostkami termicznymi, przez co izolacyjność termiczna szyby jest nierównomierna. Konieczne jest również zapewnienie całkowitej szczelności na obrzeżach zestawu. Aby szyba próżniowa dobrze spełniała swoją funkcje konieczne jest utrzymywanie tylko resztkowego ciśnienia w komorze przez cały okres założonej trwałości okna (20-25 lat), w zakresie temperatur -40÷60oC


Perspektywy stosowania szyb próżniowych
Jak podaje literatura [4, 5] zastosowanie w szybach zespolonych pustki próżniowej pozwalałoby na ograniczenie współczynnika ciepła przeszklenia do 0,4-0,5 W/m2K, a całego okna do 0,8-0,9 W/m2K, co w istotny sposób zminimalizowałoby różnicę w izolacyjności cieplnej okna i ocieplonej ściany.


Próby zastosowania próżni w przeszkleniach prowadzone były od lat 80. XX wieku. W chwili obecnej stosowane w praktyce rozwiązania pojawiły się w Ameryce Północnej i w krajach azjatyckich, a w Europie prowadzone są testy rozwiązań prototypowych i nie ma jeszcze jednolitego standardu produkcji takich przeszkleń.


Próby pokonania trudności przy realizacji poszczególnych operacji przy produkcji szyb próżniowych idą obecnie w następujących kierunkach [5]: osiągnięcie stanu próżni w komorze – zespalanie szkła w komorze próżniowej lub, częściej stosowane, odpompowanie powietrza z już zespolonej szyby; grubość warstwy próżni wynosi 0,2-0,7 mm, uszczelnienie złącza na obrzeżu – lutowanie obrzeży metalami (materiałem tutaj jest najczęściej ind), łączenie tworzywami polimerowymi lub stapianie i łączenie krawędzi szkła w wysokiej temperaturze, przy czym ten ostatni sposób wyklucza stosowanie w produkcji szyb miękkopowłokowych, co minimalizuje korzyści izolacyjności cieplnej, konstrukcja elementów rozporowych – rozmieszczone w całej powierzchni przestrzeni międzyszybowej drobne kształtki metalowe lub szklane w odstępach oczek siatki 20-50 mm; najczęściej stosowane są kształtki w formie cylindrów o średnicy ok.0,5 mm.


Największą wadą konstrukcji szyb próżniowych jest konieczność stosowania elementów dystansowych w przestrzeni międzyszybowej. Skutkuje to zakłóceniem optyki obrazu transmitowanego przez szyby. Próby z różnymi kształtami i materiałami doprowadziły do konstrukcji, przy zastosowaniu której elementy dystansowe są praktycznie niezauważalne z odległości większej niż 1. Wadą jest również zespolenie krawędzi zestawu elementami metalowymi, co powoduje, że na krawędzi szyby powstaje znaczący mostek termiczny.


Przeszkodą utrudniającą powszechne stosowanie szyb próżniowych jest również konieczność stosowania ram o bardzo dobrej izolacyjności termicznej, rzędu Uf=0,8 W/m2K. W przeciwnym wypadku stosowanie nawet bardzo dobrych rozwiązań przeszkleń nie będzie efektywne, gdyż zimna konstrukcja ramy ma duży wpływ na średnioważony współczynnik U okna.


Niestety, obecnie brak jest na polskim rynku konstrukcji, która może być zastosowana do szklenia okien na szerszą skalę, przy zachowaniu energooszczędnego standardu izolacyjności cieplnej. Np. szyba o nazwie handlowej Pilkington Spacia [6] posiada deklarowany współczynnik U=1,1 W/m2K, co sprawia, że jest reklamowana jako zamiennik dla szyb pojedynczych zainstalowanych w starych ramach w obiektach zabytkowych (grubość zestawu wynosi zaledwie 6,5 mm.


Podsumowanie
Dzięki rozwojowi technologii modyfikacji szkła, przegrody przeźroczyste przestały być słabym energetycznie elementem budynku. Izolacyjność cieplna nowoczesnych przegród szklanych nie odbiega już znacząco od izolacyjności przegród masywnych dzięki powszechnemu zastosowaniu szyb zespolonych z szybami niskoemisyjnymi.


Idea tzw. budynków pasywnych wymusiła działania w kierunku dalszego ograniczenia strat ciepła m.in. przez przegrody przezroczyste. Dalszy rozwój standardowych szyb zespolonych jest ograniczony grubością i ciężarem tych elementów, co prowadzi do trudności na etapie produkcji i montażu, chociaż obecnie szyby dwukomorowe spełniające standard energooszczędny są w ofercie większości firm oferujących szyby zespolone.


Zastosowanie komór próżniowych w może stanowić nowy przełom w konstrukcji ciepłochronnych przegród przezroczystych pod warunkiem przezwyciężenia trudności związanych ze znalezieniem konstrukcji, która utrzymywałaby stan próżni w komorze przez długi czas użytkowania szyby.


Zbigniew Respondek
Politechnika Częstochowska

 

Literatura


[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.


[2] Makarewicz M.: O potrzebie i możliwości zmniejszenia ciężaru okien z szybami dwukomorowymi. „Świat Szkła” 7-8/2012.


[3] Materiały informacyjne firmy Glaspol Saint-Gobain.


[4] Glaser S.: Vacuum Isoliergläser. „Glaswelt“ 2006.


[5] Makarewicz M.: Technologia vacuum w wyrobach budowlanych VIS, VIP, VIG. „Świat Szkła” 7-8/2008, cz.1, nr 1/2009, cz. 2.


[6] Materiały informacyjne firmy Pilkington.

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 2/2013 

 

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik