Zainteresowanie tematem budownictwa zrównoważonego wiąże się z projektowaniem bardziej wydajnych technologicznie budynków, powstawania inteligentnej architektury. Wokół nas wzrasta liczba budynków ze szklanymi fasadami, atriów, przeszklonych dachów, które stanowią okno na świat, ale które również są głównym elementem wymiany światła i ciepła pomiędzy otoczeniem, a budynkiem.
Fasada budynku zależy często od estetycznych upodobań projektanta, ale również wyraża stopień zaawansowania technologicznego szkła, jego struktury wewnętrznej i cech fizycznych. Nowoczesne fasady łączą wizje szklanego domu ze złożonymi wymaganiami, związanymi z ekologią oraz energetycznym i ekonomicznym zrównoważeniem budynku. Rozwój będący echem tych wymagań dopiero się zaczął. Każda z fasad powinna być projektowana tak, aby chronić wnętrza latem przed przegrzaniem, a zimą przed przechłodzeniem.[1]
Podstawy teoretyczne
Podczas projektowania szklanej przegrody ważną rolę odgrywają zagadnienia absorpcji oraz transmisji promieniowania słonecznego przez powierzchnie szklane będące wykończeniem powierzchni ściany. Na transmisję oraz absorpcję tafli szklanych wpływa w dużej mierze struktura wewnętrzna, mikrostruktura geometryczna powierzchni [2] oraz barwa. Szklana tafla poddana jest oddziaływaniom czynników atmosferycznych. Efekty te występują w różnych porach roku z różnym nasileniem. Powierzchnie szklane mogą posiadać różne właściwości absorpcyjne oraz transmisyjne, stąd różne możliwości pochłaniania i przepuszczania promieniowania słonecznego. Przy określaniu zysku ciepła w przegrodach wewnętrznych następującego przez powierzchnie szklane, poddane działaniu promieniowania słonecznego, niezbędna jest znajomość współczynnika pochłaniania i przepuszczalności.
Utrata energii może odbywać się poprzez trzy mechanizmy wymiany ciepła:
. straty poprzez promieniowanie z warstwy szklanej do otoczenia
. straty przez konwekcję powietrza
. straty na drodze przewodzenia od warstwy przypowierzchniowej do warstw wewnętrznych.
Promieniowanie padające na jakieś ciało (niosące energię E) może zostać pochłonięte, odbite lub przepuszczone.
Z bilansu energii wynika, że:
(1)
(2)
gdzie poszczególne ułamki oznaczają odpowiednio: absorpcyjność A, refleksyjność R, transmisyjność D. Wielkości te są liczbami bezwymiarowymi, odnoszącymi się do kreślonej długości fali. [3]
Projektując fasadę szklaną należy rozważyć problem absorpcji i transmisji promieniowania słonecznego przez powierzchnie szklane, wykonane z różnych rodzajów szkła, poznać mechanizm wymiany ciepła, określić straty cieplne i sposób ich minimalizacji.
Celem badań jest porównanie absorpcji i transmisji promieniowania w zakresie 300-2500 nm dla szkieł zwykłych, ornamentowych i klejonych.
Eksperyment
Absorpcję promieniowania i transmisyjność badano dla trzech serii próbek szklanych.
Seria pierwsza składała się z sześciu próbek ze szkła białego, zwykłego.
Próbka pierwsza (a i b) tej serii to szkło niskoemisyjne powlekane, o neutralnym zabarwieniu. Szkło to zwiększa izolacyjność okien w połączeniach zespolonych i redukuje skraplanie się pary wodnej. W badanych próbkach przezroczysta warstwa tlenków metali nakładana była pirolitycznie na linii produkcyjnej na jedną z powierzchni bezbarwnego szkła float.
Próbka numer dwa (a i b) tej serii to najbardziej popularny typ bezbarwnego szkła float. Jest to szkło przejrzyste, o wysokiej przepuszczalności, z błyszczącą, polerowaną powierzchnią, pozbawione zniekształceń optycznych.
Ostatnia próbka (a i b) to typ szkła specjalnego, superprzezroczystego szkła float o obniżonej zawartości żelaza.
Seria druga liczyła osiem próbek i były to próbki szkła klejonego, białego z różną ilością folii PVB. Są to szkła laminowane, składające się z dwóch lub więcej tafli szklanych oraz przekładek foliowych między nimi. Warstwy te są zlaminowane ze sobą pod wpływem działania temperatury i ciśnienia. Pomiędzy taflami umieszczono jedną lub kilka warstw elastycznej folii PVB (poliwinylobutyral). Standardowe grubości folii PVB to: 0,38, 0,76, 1,14, 1,52 mm. Próbki w eksperymencie posiadają jedną, dwie, trzy i cztery folie PVB.
W serii trzeciej badano szkła ornamentowe białe różniące się ornamentem. Szkła ornamentowe produkuje się metodą walcowania. Walce formujące powierzchnię, posiadają wytłoczony ornament, który na jednej powierzchni tafli szklanej odciska wzór. Szkło ornamentowe przepuszcza światło w zależności od głębokości i rodzaju wzoru. Wszystkie wzory klasyfikowane są według stopnia przesłaniania od 1 (najmniej przesłaniającego) do 5 (najbardziej przesłaniającego) W serii znajdują się cztery rodzaje szkła (8 próbek, po dwie z każdego rodzaju) różniącego się wytłoczonym ornamentem.
Rys. 1. Wykresy przedstawiające absorpcje promieniowania w zależności od długości fali dla szkła zwykłego: a) próbka nr 1, b) próbka nr 2, c) próbka nr 3
Rys. 2. Wykresy przedstawiające transmisyjność promieniowania w zależności od długości fali dla szkła zwykłego: a) próbka nr 1, b) próbka nr 2, c) próbka nr 3
Rys. 3. Wykresy przedstawiające absorpcje promieniowania w zależności od długości fali dla szkła klejonego: a) próbka nr 1, b) próbka nr 2, c) próbka nr 3, d) próbka nr 4
Rys. 4. Wykresy przedstawiające transmisyjność promieniowania w zależności od długości fali dla szkła klejonego: a) próbka nr 1, b) próbka nr 2, c) próbka nr 3, d) próbka nr 4
Rys. 5. Wykresy przedstawiające absorpcje promieniowania w zależności od długości fali dla szkła z ornametem: a) próbka nr 1, b) próbka nr 2, c) próbka nr 3, d) próbka nr 4
Rys.6. Wykresy transmisyjności promieniowania w zależności od długości fali dla szkła z ornametem: a) próbka nr 1, b) próbka nr 2, c) próbka nr 3, d) próbka nr 4
Badania wykonano przy użyciu spektrofometru typu Cary 5 E. Widok spektrofotometru przedstawiono na rys. 7.
Rys. 7. Spektrofometr Cary 5 E
Spektrofotometr CARY 5 jest dwuwiązkowym aparatem umożliwiającym pomiary w zakresie długości fal od 175 nm do 3300 nm. Przyrząd ten wyposażony jest w podwójny monochromator typu Litrowa. Źródło światła stanowią dwie lampy: deuterowa, pracująca w zakresie długości fal od 175 nm do 300 nm, oraz lampa wolframowa, emitująca promieniowanie w zakresie od 300 nm do 3300 nm [4, 5]. Pomiarów dokonano za pomocą kuli całkującej, będącej w wyposażeniu dodatkowym spektrofotometru. Powierzchnia kuli od wewnętrznej strony jest pokryta polytetrafluoroethylenem o wysokim współczynniku odbicia.
Wyniki
Na podstawie przeprowadzonych badań wykonano wykresy przedstawiające absorpcje i transmisyjnosć w zależności od długości fali.
Wykresy wykonano dla trzech serii próbek:
. szkło pojedyńcze,
. szkło klejone,
. szkło z ornamentem.
Podsumowanie
Na podstawie przeprowadzonych badań absorpcji i transmisyjności dla 22 próbek szkła pogrupowanego w trzech seriach można wywnioskować, że:
. absorpcja szkła klejonego jest wyższa od szkła pojedynczego i wzrasta wraz ze wzrostem długości fali,
. dla szkła pojedynczego o zmniejszonej zawartości żelaza (superprzezroczyste), w całym zakresie długości fal absorpcja jest zbliżona do zera, a transmisyjność wynosi około 90%,
. transmisyjność dla szkła klejonego jest mniejsza niż szkła pojedynczego i spada wraz ze wzrostem długości fali,
. próbki szkła ornamentowego o tej samej strukturze wewnętrznej, lecz różnym ornamencie absorbują promieniowanie słoneczne niemalże w tym samym stopniu.
Absorpcja w paśmie światła widzialnego jest na poziomie około 3%. Transmisyjność w przypadku wszystkich próbek tej serii dla zakresu widzialnego jest podobna i waha się od 80-90 %. W zakresie bliskiej podczerwieni wzrasta absorpcja, a spada transmisyjność.
dr inż. Jacek Szer
Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych
Politechnika Łódzka
mgr inż. Anna Górecka
Literatura
[1] Behling S., Glass. Structure and technology in Architecture Predtel Verlag, Munchen 1999
[2] Górecka R., Polański Z., Metrologia warstwy wierzchniej, Warszawa WNT 1983
[3] Kostowski E., Przepływ ciepła, Politechnika Śląska, Gliwice 1995
[4] Szer J., Klemm P., Badanie absorpcji promieniowania przez powierzchnie o różnej barwie przy wykorzystaniu metod pomiaru optycznego materiały konferencyjne 7 Konferencji Naukowo-Technicznej „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, Łódź 1999.
[5] Szer J., Klemm P., Badanie absorpcji promieniowania słonecznego w zakresie promieniowania widzialnego przez powierzchnie tynków akrylowych materiały konferencyjne 9 Konferencji Naukowo-Technicznej „Fizyka budowli w teorii i praktyce”, Łódź 2003.
więcej informacji: Świat Szkła 5/2006
