Izolacyjne struktury transparentne. Część 1

Izolacja transparentna a promieniownie słoneczne
     Spośród wielu różnych konstrukcji, zaliczanych do układów posiadających właściwości transparentne, można wyodrębnić dwa podstawowe rodzaje, uwzględniające zdolności rozpraszania promieniowania słonecznego przez strukturę transparentną. Do jednego z nich, zaliczyć można takie, w których nie występuje praktycznie zjawisko rozpraszania promieniowania słonecznego, przechodzącego przez nie, natomiast do drugiego te, gdzie to zjawisko ma miejsce.
     Do pierwszej grupy konstrukcji transparentnych zalicza się przede wszystkim układy wielowarstwowe szyb, w tym z powłokami absorpcyjnymi lub niskoemisyjnymi, dzięki którym struktury te charakteryzują się lepszymi parametrami izolacyjności cieplnej. Inną grupę struktur transparentnych, stanowią podobne układy szyb, z tym, że przestrzenie między nimi wypełniane są gazami charakteryzującymi się niską przewodnością cieplną (t.j. argon, krypton, ksenon lub mieszaniny gazów) lub w przestrzeniach tych obniżane jest wewnętrzne ciśnienie. W efekcie uzyskuje się również poprawę właściwości izolacyjnych układu. Coraz częściej, w celu dalszej poprawy właściwości izolacyjnych, łączy się obydwa sposoby obniżenia strat ciepła przez struktury transparentne.
     Do grupy drugiej zalicza się różne struktury kanałowe, kapilarne, pęcherzykowe i monolityczne, w które powodują rozpraszanie promieniowania słonecznego.

Struktury komórkowe
Struktury o komórkach otwartych
     Wykonane są one zazwyczaj z poliwęglanu, rzadziej ze szkła, kartonu, oraz akrylu (pleksiglasu). W zależności od kształtu przekroju poprzecznego komórek wyróżnia się dwa typy izolacji o komórkach otwartych: typ o budowie rurek kapilarnych oraz o budowie „plastra miodu”. Izolacja transparentna o strukturze rurek kapilarnych składa się z umieszczonych obok siebie rurek o średnicy 1÷4 mm i grubości ścianek 0,05 mm (rys. 1).

     Grubość płyty izolacji transparentnej kształtuje się w granicach 2÷15 cm. Izolacje o strukturze „plastra miodu” różnią się tym od rurek kapilarnych, że przekrój poprzeczny komórki jest wielobokiem (zazwyczaj kwadratem, prostokątem bądź sześciokątem).
     W zależności od orientacji otwartych struktur komórkowych (kapilar, kanałów) względem przegrody lub szyb chroniących izolację, przyporządkowuje je się do jednej z trzech grup:

     Struktura z kanałami poziomymi, prostopadłymi do powierzchni przegrody
     Struktury takie są najczęściej stosowane ze względu na uzyskiwane dobre właściwości termoizolacyjne i na wysoką przepuszczalność promieniowania słonecznego. Poziome kanały zachowują się podobnie do światłowodu – światło, które się do nich dostanie jest prawie w całości kierowane na absorber (rys. 2).

     Zwiększenie grubości płyty izolacji nie powoduje znaczącego zmniejszenia przepuszczalności promieniowania. Struktura taka może być wykonana z poliwęglanu, szkła, akrylu (pleksiglasu) lub tektury.

     Struktura z kanałami pionowymi lub poziomymi, równoległymi do powierzchni przegrody
     Układ kanałów równoległych do powierzchni przegrody powoduje pogorszenie zdolności przepuszczania promieniowania słonecznego bardziej, niż ma to miejsce w strukturze o kanałach poziomych, ze względu na intensyfikację zjawiska odbicia promieni od kolejnych powierzchni (rys. 3). Izolacje tego typu są wykonywane z tworzyw sztucznych (najczęściej z poliwęglanu).

     Struktura z kanałami nachylonymi pod kątem do poziomu
     Tego typu struktury wykorzystywane są najczęściej do doświetlania światłem dziennym pomieszczeń. Zaletą ułożenia kanałów pod kątem (z reguły 45°) jest to, że do pomieszczenia dostaje się rozproszone promieniowanie słoneczne (rys. 4). Taki układ zmniejsza zagrożenie przegrzania pomieszczeń, ponieważ przy dużym kącie padania promieni, zostają one w znacznej mierze odbite.

Struktury pęcherzykowe o układzie komórek zamkniętych
     Izolacje takie wykonywane są zazwyczaj ze spienionego szkła akrylowego. Niejednorodność struktury powoduje, że materiał ten rozprasza promieniowanie słoneczne (rys. 5). Obecnie struktury tego typu raczej nie są wykonywane, ze względu na słabe właściwości termoizolacyjne i niską przepuszczalność promieniowania słonecznego.

Struktury monolityczne (quasi-homogeniczne)
     Izolacje transparentne o strukturach quasi-homogenicznych mają właściwości dyfuzyjnego rozpraszania światła. Struktury tego typu (rys. 6) wykonuje się z aerożeli (krzemionkowych) w formie pianek otwarto-komórkowych lub granulatu, lub włókien (szklanych, celulozowych). Współczynnik transmisji promieniowania słonecznego aerożelu nie jest najwyższy, ale za to materiał ten charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem przewodności cieplnej, rzędu 0,012 – 0,018 W/(m K). Dzięki czemu uzyskać można bardzo wysoką izolacyjność cieplną układu transparentnego. Wadą aerożelu jest zdolność do wchłaniania wilgoci, co powoduje pogorszenie właściwości izolacyjnych i transmisyjnych struktury. W związku z powyższym aerożel powinien być umieszczony w hermetycznej osłonie np/ ze szkła, przy zagwarantowaniu obniżenia ciśnienia we wnętrzu osłony szklanej lub w osłonie z tworzywa sztucznego.

Systemy pozyskiwania energii promieniowania słonecznego
     Systemy wykorzystujące izolacje transparentne można sklasyfikować w trzech podstawowych grupach: systemy pasywne, aktywne oraz hybrydowe (rys. 7). Systemy pasywne, pozyskują i przesyłają ciepło bez udziału dodatkowej energii. W systemach aktywnych przebieg procesów cieplnych wspomagany jest przez energię dostarczają z innych źródeł niż promieniowanie słoneczne. Systemy hybrydowe zawierają zarówno elementy systemu pasywnego, jak i aktywnego.

     Podobny podział można zastosować do klasyfikacji układów instalacyjnych wykorzystujących izolacje transparentne.
     Ze względu na sposób wykorzystania izolacji transparentnej w systemach pasywnych, dzielą się one na: systemy pozyskujące ciepło do układów grzewczych, systemy zysków bezpośrednich oraz systemy redukujące straty ciepła przez przegrody zewnętrzne. Budowa systemów pozyskujących energię grzewczą zbliżona jest do budowy ścian kolektorowo-akumulacyjnych. Ciepło wytworzone na absorberze, dzięki oddziaływaniu promieniowania słonecznego jest magazynowane w masywnej części przegrody i stopniowo, z opóźnieniem w czasie, oddawane jest do pomieszczenia. W systemach zysków bezpośrednich izolacja transparentna umieszczona pomiędzy dwiema szybami poprawia parametry termoizolacyjne przeszklenia. Dzięki temu można stosować większe powierzchnie przeszklone, które znacznie redukują konieczność doświetlania pomieszczeń światłem sztucznym. Trzecią grupą systemów pasywnych, z izolacjami transparentnymi, są systemy redukujące straty ciepła przez przegrody zewnętrzne. Wykorzystana jest w nich, zarówno izolacja transparentna, jak i konwencjonalna izolacja cieplna. W systemach tych ciepło zgromadzone w absorberze, na tyle podnosi temperaturę tej części przegrody, iż radykalnie ogranicza lub zatrzymuje przepływ ciepła z pomieszczenia na zewnątrz budynku.
     W systemach aktywnych, izolacje transparentne znalazły zastosowanie m.in. jako elementy osłonowe kolektorów słonecznych. Transparentna osłona absorbera kolektora słonecznego przyczynia się do zmniejszenia strat ciepła przez ten element obudowy, przez co podwyższona zostaje sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego w użyteczne ciepło w kolektorze.
     Systemy hybrydowe łączą zalety, zarówno rozwiązań aktywnych, jak i pasywnych. Umożliwiają stosowanie izolacji transparentnych w ostrzejszych warunkach klimatycznych, gdzie systemy pasywne nie są efektywne ze względu na zbyt duże straty ciepła do otoczenia. Na dzień dzisiejszy systemy hybrydowe, będące najnowszą propozycją wykorzystania izolacji transparentnych, nie znalazły szerokiego praktycznego zastosowania.

Systemy pasywne
Systemy pozyskujące ciepło do celów grzewczych w sposób pośredni
     W systemie pasywnego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego w sposób pośredni, masywna część przegrody pełni rolę elementu akumulacyjno-kolektorowego. Ciepło promieniowania słonecznego jest w nim gromadzone a następnie przenoszone, w rezultacie procesu przewodzenia, do pomieszczenia. Rozróżnić można dwa podstawowe rodzaje tego typu konstrukcji: pierwszy – z absorberem przylegającym do części akumulacyjnej, drugi – z absorberem odsuniętym od niej. W związku z tym, te dwie konstrukcje różnią się warunkami przekazywania ciepła między absorberem a częścią kumulacyjną.

     Przegroda z absorberem przylegającym do masywnej warstwy akumulacyjnej
     Warstwa kumulująca ciepło zintegrowana z absorberem, stanowi z reguły integralną część konstrukcji budynku. Osłonięta jest ona cieplną izolacją transparentną, która może być dodatkowo przesłaniana (np. rolety, żaluzje) elementami regulującymi dopływ promieniowania słonecznego (rys. 8). Roleta ma za zadanie ograniczenie strat ciepła w okresach braku promieniowania słonecznego oraz przeciwdziałanie występowaniu nadmiernych zysków ciepła, co może mieć miejsce szczególnie w okresie letnim.

     Absorber wykonany jest w postaci czarnej powłoki pokrywającej zewnętrzną powierzchnię warstwy kumulującej ciepło. Jego zadaniem jest absorbowanie i konwersja promieniowania słonecznego na użyteczne ciepło (sprawność tego procesu kształtuje z reguły się na poziomie około 90%). Wybór materiału przegrody i jej grubości ma wpływ, zarówno na warunki cieplne w pomieszczeniu, jak i na wielkość efektu oszczędnościowego, zużycia ciepła przez konwencjonalny system grzewczy. System pasywny nie może zapewnić 100% zapotrzebowania na ciepło ogrzewanych pomieszczeń, a może być jedynie traktowany jako element wspomagający konwencjonalny system grzewczy. Masywna część przegrody powinna możliwie najefektywniej magazynować ciepło pobrane z absorbera i równomiernie przekazywać je do pomieszczenia. Materiałami, które najlepiej nadają się na wykonanie warstwy akumulacyjnej, są wyroby charakteryzujące się gęstością pozorną wynoszącą około 1200 kg/m³. Powyższe parametry spełniają przykładowo wyroby z grupy materiałów wapienno-piaskowych (tzw. silikaty), ceramiczne (cegła pełna) oraz wybrane betony. Większa gęstość pozorna stwarza możliwości wytworzenia większych zysków ciepła w ciągu sezonu grzewczego, jednakże okresowo może towarzyszyć temu zbyt intensywny napływ ciepła przez przegrodę, powodujący, pogorszenie mikroklimatu pomieszczeń. Grubość warstwy kumulującej ciepło kształtuje się z reguły w przedziale 18÷30 cm, w zależności od pożądanego opóźnienia w czasie dla uzysku ciepła do pomieszczenia oraz od wielkości tolerowanej temperatury na wewnętrznej powierzchni przegrody.

     Przegroda z absorberem odsuniętym od masywnej warstwy akumulacyjnej
     W tym systemie warstwa akumulacyjna przegrody jest integralną częścią budynku, a izolacja transparentna, zintegrowana z absorberem, jest podwieszona do przegrody za pomocą samonośnej konstrukcji ramowej (rys. 9).

     Pomiędzy absorberem a przegrodą zostaje pozostawiona szczelina wentylacyjna, połączona otworami wlotu i wylotu powietrza z otoczeniem zewnętrznym. W otworach tych znajdują się elementy zamykające i regulujące (kratka-przepustnica) wielkość przepływu strumienia powietrza. Pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego przez warstwę akumulacyjną, następuje w efekcie przenoszenia ciepła, przez konwekcję i promieniowanie, pomiędzy absorberem a masywną przegrodą. Regulowana wielkość otworów wentylacyjnych pozwala na regulację strumienia ciepła nagrzewającego przegrodę. W związku z tym odpada konieczność stosowania dodatkowych zabezpieczeń ochraniających przegrodę i pomieszczenie przed nadmiernymi zyskami ciepła, ponieważ latem ogrzane powietrze odprowadzane jest na zewnątrz.

Systemy zysków bezpośrednich
     Tym typem systemów izolacji transparentnych określa się układy konstrukcyjne zastępujące tradycyjne szklane przegrody przezroczyste oraz inne powierzchnie przeszklone, służące do oświetlania pomieszczeń światłem dziennym. W systemach tych izolacje transparentne dzięki swym właściwościom stwarzają większe i jakościowo lepsze, możliwości izolowania cieplnego, pozyskiwania światła dziennego oraz promieniowania cieplnego, niż zwykłe okna, wykonane z zestawów szyb niskoemisyjnych. Właściwości rozpraszania przez izolacje transparentne promieniowania słonecznego sprawiają, że natężenie światła dziennego w pomieszczeniu ma rozkład bardziej równomierny, dzięki czemu zmniejsza się możliwość powstawania efektów dużych kontrastów i ostro zarysowanych cieni.
     Stosowanie doświetlenia naturalnego przy pomocy tradycyjnych szyb okiennych, a szczególnie świetlików, powoduje z reguły nadmierne oświetlenie strefy w pobliżu okna i niedoświetlenie przeciwległego końca pomieszczenia, gdzie niejednokrotnie musi być stosowane dodatkowo oświetlenie sztuczne. Przy tego rodzaju przegrodzie przezroczystej w pomieszczeniu powstają efekty kontrastu oświetlenia, odbicia światła, czy też oślepienia światłem słonecznym. Elementy izolacji transparentnych nie są całkowicie przezroczyste dzięki czemu światło przechodząc przez nie ulega rozproszeniu, co w efekcie pozwala równomiernie oświetlić pomieszczenie.
     Przeszklenia z izolacją transparentną wykorzystuje się najczęściej w ścianach i dachach hal przemysłowych, sal sportowych, basenów, jako przeszklenia nad wejściami do sklepów, budynków biurowych, szkół, na klatkach schodowych budynków mieszkalnych, jako doświetlenie połaciowe w bibliotekach, galeriach, w ścianach budynkach biurowych, itp. (rys. 10). Typowym miejscem wykorzystania przeszkleń z izolacjami transparentnymi są: powierzchnie ponad oknami, balustrady, północne fasady budynków, doświetlenia dachowe, świetliki, atria, przejścia pomiędzy budynkami itp.

     W sytuacji, jeżeli przegroda pełni funkcję doświetleniową i równocześnie ma zapewniać kontakt wzrokowy użytkowników z otoczeniem zewnętrznym, stosowane jest częściowe wypełnienie przegrody zestawem przezroczystych szyb, a pozostałej części izolacją transparentną (rys. 11). Te walory są szczególnie istotne w odniesieniu do budynków mieszkalnych, użyteczności publicznej, administracyjnych itp.

     Pewne typy izolacji transparentnych, charakteryzują się zmienną przepuszczalnością światła, zależnie od kierunku padania światła na ich płaszczyznę. Ich właściwości stwarzają możliwości uzyskiwania ciekawych efektów projektowych i estetycznych wystroju wnętrz pomieszczeń oraz wizualnych od strony zewnętrznej. Ze względu na wymienione wyżej właściwości izolacje transparentne sprawdzają się również dobrze na elewacjach o orientacji północnej, jako element dodatkowego doświetlenia naturalnego pomieszczenia.
     Interesującymi właściwościami charakteryzują się panele szklane wypełnione wkładką z włókna szklanego lub wkładką z aerożelem. W pomieszczeniach wyposażonych w tego rodzaju zewnętrzne elementy osłonowe uzyskuje się: równomierne doświetlenie pomieszczeń światłem naturalnym, dobrą izolacyjność cieplną przegrody chłodzącej, znaczną redukcję zysków ciepła słonecznego w gorącej porze roku oraz bardzo ciekawe efekty świetlne na elewacji i w otoczeniu budynków (rys. 12).

     Panele szklane z aerożelem charakteryzują się ponadto dobrą izolacyjność akustyczną, co w przypadku przegród szklanych jest często istotnym ich mankamentem.
     Rozwiązania tego rodzaju stwarzają możliwość odstąpienia od zastosowania dodatkowych elementów osłaniających, typu: zasłony, żaluzje, rolety i inne tego rodzaju elementy, których zadaniem jest m.in. ograniczenie dopływu promieniowania słonecznego do pomieszczeń, w okresie nasilonego jego oddziaływania na przegrodę przezroczystą.
     Porównanie współczynników przenikania ciepła izolacji transparentnych i okien wyposażonych w szkło niskoemisyjne wskazuje, że przy zbliżonej przepuszczalności światła, jest on niejednokrotnie 1,5÷2 razy mniejszy niż dla zestawów szybowych. Dzięki takim właściwościom termoizolacyjnym, można proporcjonalnie do stosunku współczynników przenikania ciepła zwiększyć powierzchnie elementów doświetleniowych, redukując przy tym zapotrzebowanie na energię na oświetlenie sztuczne.

     Ponadto, ze względu na lepszą izolacyjność cieplną, uzyskiwana jest wyższa temperatura na wewnętrznej powierzchni izolacji transparentnej, niż powierzchni tradycyjnych zestawów szyb. Dzięki temu istnieją możliwości wykorzystania stref w pobliżu przeszkleń na miejsca pracy lub wypoczynku (również dla okresu sezonu grzewczego, czy też chłodniczego), bez uszczerbku na komforcie osób przebywających w ich sąsiedztwie. Z kolei bilans ciepła (start i zysków ciepła) izolacji transparentnych zastosowanych w przeszkleniach budynku okazuje się być korzystniejszy niż dla tradycyjnych zestawów szybowych. Dzieje się tak, ponieważ zyski ciepła niewiele różnią się do tych, jakie występują w przypadku tradycyjnych przeszkleń, natomiast straty ciepła z reguły są radykalnie niższe.

Systemy redukujące straty ciepła przez przegrody
     W systemach tego rodzaju ciepło skumulowane na absorberze tworzy swoistą barierę na drodze przepływu ciepła z pomieszczenia na zewnątrz budynku. O strony zewnętrznej przegrody znajduje się izolacja transparentna osłonięta jedną lub dwiema szybami. Absorber oddzielony jest od izolacji transparentnej kilkumilimetrową szczeliną powietrzną. Z kolei, z drugiej strony absorbera przylega do niego warstwa izolacji cieplnej, np. wykonana z wełny mineralnej (rys. 13).

     Całość mocowana jest do warstwy konstrukcyjnej przegrody, przy pomocy konstrukcji ramowej z profili metalowych. W takich systemach zbędne jest stosowanie osłon ograniczających wnikanie promieniowania słonecznego w głąb konstrukcji w okresie lata, ponieważ wystarczającą ochronę przed przegrzaniem pomieszczenia stanowi izolacja cieplna znajdująca się za absorberem.
     Ponieważ od zewnątrz znajduje się izolacja transparentna, a od strony przegrody zwykła izolacja cieplna, ciepło jest gromadzone pomiędzy tymi warstwami. Dzięki temu w ciągu dnia powstaje bariera, która w okresie sezonu grzewczego redukuje odpływ ciepła z pomieszczenia przez przegrodę. W okresie pochłaniania przez przegrodę promieniowania słonecznego występują praktycznie wyłącznie straty ciepła wytworzonego na absorberze, natomiast ustaje lub jest nieznaczne przenoszenie ciepła w głąb przegrody.
     W okresach braku nasłonecznienia przegrody (szczególnie nocą), kiedy absorber nie gromadzi ciepła, system działa jak konwencjonalna izolacja cieplna.
     Zasada działania systemów tego typu sprawia, że pozwalają one na zmniejszenie grubości typowej izolacji cieplnej, przy zachowaniu lub zmniejszeniu poziomu start ciepła, w stosunku do tych jakie uzyskano by przyjmując tradycyjną konstrukcję przegrody.
     Sprawność systemu zależy głównie od orientacji przegrody, największa jest na elewacji południowej, a znikoma dla północnej.

wiecej informacji: Świat Szkła 7-8/2009 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne