Szkło budowlane a właściwości radiacyjne przegród przezroczystych. Część 1

Wprowadzenie
     W ramach wykorzystania odnawialnych źródeł energii coraz częściej bierze się pod uwagę wykorzystanie energii słonecznej zarówno w sposób pasywny jak i aktywny. Podstawową zaletą pasywnych systemów ogrzewania słonecznego jest ich nieskomplikowana konstrukcja oraz wynikająca z niej duża trwałość całego systemu, a szkło budowlane jako zasadniczy element przegrody przezroczystej będącej częścią takiego systemu pasywnego, pełni istotną rolę w kształtowaniu architektury budynku. Jednak główną wadą systemów pasywnych jest ograniczona możliwość adaptacji do zmiennych warunków natężenia promieniowania słonecznego. Zarówno możliwości racjonalnego wykorzystania energii słonecznej w okresie zimowym, jej akumulowania a także odpowiedniego zabezpieczenia przed jej nadmiarem w okresie letnim mogą być poprawione poprzez zastosowanie zestawów szyb o odpowiednio dobranych charakterystykach radiacyjnych. Zarówno udział procentowy powierzchni części przeszklonych w całkowitej powierzchni przegród zewnętrznych, jak i rodzaj szyb w nich zastosowanych, wpływają na dynamikę zmian rozkładu temperatury wewnątrz pomieszczeń. Pośrednio mają więc znaczenie dla komfortu cieplnego ludzi. Ponieważ budynek ma stanowić zdrowe i wygodne środowisko dla człowieka, należy tak dobierać charakterystyki radiacyjne i inne elementy pasywnego systemu wykorzystania energii słonecznej, aby oszczędności energii były jak największe a warunki komfortu cieplnego nie ulegały pogorszeniu (nie wychodziły poza wymagane standardy).
     Producenci szkła budowlanego oferują szyby o bardzo różnych charakterystykach radiacyjnych. Charakterystyki radiacyjne określają szybę lub zestaw szyb jakościowo, poprzez różne współczynniki, które są wyliczane na podstawie pomiarów ilościowych właściwości radiacyjnych. Szyby, w zależności od swoich charakterystyk radiacyjnych, mogą służyć do ochrony przeciw przegrzewaniu się pomieszczeń w lecie, ochrony przeciw nadmiernemu nasłonecznieniu pomieszczeń powodującym oślepienie użytkowników, do zapewnienia dodatkowych zysków energii w zimie, a także do zmniejszenia strat ciepła z pomieszczenia. Niektóre produkty łączą w sobie kilka cech, jednak nie ma produktów uniwersalnych i każdy z nich ma pewne zalety, ale również wady, a przy obecnych, wysokich stopniach przeszklenia elewacji, poza pełnieniem funkcji architektonicznej przegroda przeszklona znacząco wpływa na kształtowanie się parametrów mikroklimatu wnętrza budynku oraz na zużycie energii na cele grzewcze i klimatyzacyjne. W związku z czym warto przeanalizować dobór zestawu szyb do przegród przeszklonych, aby był on właściwy do naszych potrzeb.
     W artykule przedstawiono najczęściej używane współczynniki określające charakterystyki radiacyjne pojedynczej szyby lub zestawu szyb, które są wyliczane na podstawie pomiarów właściwości radiacyjnych, takich jak transmisja i odbicie w zakresie długości fal promieniowania słonecznego. Przedstawiono również wyniki pomiarów spektrometrycznych transmisji i odbicia dla różnych rodzajów szyb, a także zależności pomiędzy nimi a grubością szyby, zabarwieniem w masie oraz rodzajem użytych powłok na powierzchni szyby.

Właściwości radiacyjne a charakterystyki radiacyjne
     Przegrody przeszklone (okna, świetliki, atria, fasady przeszklone itd.) wymieniają ciepło z otoczeniem głównie poprzez promieniowanie. Wymiana poprzez przewodzenie występuje głównie w części, gdzie jest rama okienna lub elementy mocujące szybę do konstrukcji fasady, natomiast konwekcja związana jest z infiltracją przez szczeliny wentylacyjne, ewentualne nieszczelności lub w momencie otwarcia okna.
     Właściwości radiacyjne przegrody przezroczystej decydują o proporcjach przepuszczonej, absorbowanej oraz odbitej części padającego promieniowania w określonym jego zakresie. W przypadku szkła budowlanego interesują nas zazwyczaj dwa zakresy promieniowania:
● promieniowanie słoneczne, którego zakres przyjmuje się umownie jako 0,3÷3 µm, które składa się z około:
     - 3% promieni ultrafioletowych (UV) (długość fali – 0,28¸0,38 µm),
     - 42% promieni widzialnych (Visible) (długość fali – 0,38¸0,78 µm),
     - 55% promieni podczerwonych (promieniowanie cieplne krótkofalowe) (IR) (długość fali – 0,78¸3,0 µm),
● promieniowanie cieplne długofalowe, którego zakres przyjmuje się umownie jako 3÷1000 µm.
     Właściwości radiacyjne można pomierzyć spektrometrem optycznym, który jest przyrządem służącym do otrzymywania i analizowania widm promieniowania świetlnego w zakresie od 300 nm do 2500 nm (od ultrafioletu do podczerwieni słonecznej). Wyznaczenie charakterystyk radiacyjnych przeprowadza się wg procedury przedstawionej w normie PN-EN 410:2001 [4] oraz PN-EN 673:1999 [5]. Charakterystyki radiacyjne przegrody przezroczystej, które wynikają z jej właściwości radiacyjnych i są reprezentowane i opisywane przez współczynniki, które dotyczą:
● części całkowitego przepuszczonego promieniowania słonecznego przez przegrodę przezroczystą do wnętrza, padającego pod kątem blisko 90° (całkowite przepuszczone promieniowanie jest równe bezpośredniemu przepuszczonemu promieniowaniu powiększonemu o część promieniowania zaabsorbowaną przez szybę i wypromieniowaną do wnętrza pomieszczenia). Parametr ten jest opisywany przez zamiennie stosowane współczynniki (ich wartości są podawane w zakresie 0÷100% lub 0÷1):
     - SHGC (Solar Heat Gain Coefficient),
     - Solar Factor,
     - TST (Total Solar Transmission),
     - TSET (Total Solar Energy Transmittance),
     - TET (Total Energy Transmittance)
     - g,
● części bezpośredniego przepuszczonego promieniowania słonecznego przez przegrodę przezroczystą do wnętrza, padającego pod kątem blisko 90° (bez części promieniowania zaabsorbowaną przez szybę i wypromieniowaną do wnętrza pomieszczenia). Parametr ten jest opisywany przez zamiennie stosowane współczynniki (ich wartości są podawane w zakresie 0÷100% lub 0÷1):
     - ET (Energy Transmittance),
     - DST (Direct Solar Transmission),
● części przepuszczonego promieniowania słonecznego w zakresie widzialnym, padającym pod kątem blisko 90°. Parametr ten jest opisywany przez zamiennie stosowane współczynniki (ich wartości są podawane w zakresie 0÷100% lub 0÷1):
     - LT (Light Transmittance),
     - VT (Visible Transmittance),
● ilości ciepła przenikającego przez 1 m2 przegrody przezroczystej, przy jednostkowej różnicy temperatur pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a wewnętrznym w określonej jednostce czasu, w ustalonych warunkach wymiany ciepła. Opisuje to współczynnik przenikania ciepła U [W/m2K].
     Istnieją jeszcze inne współczynniki, który opisują szczegółowo cechy przegrody przezroczystej:
● współczynnik zacienienia – SC lub DSC (Shading Coefficient lub Total Shading Coefficient),
● współczynnik zacienienia fal krótkich – SSC (Shortwave Shading Coefficient),
● współczynnik zacienienia fal długich – LSC (Longwave Shading Coefficient),
● indeks selektywności – S = LT / TET,
● wskaźnik oddawania barw – Ra,
● odbicie energii słonecznej – ER (Energy Reflectance),
● absorpcja energii słonecznej – EA (Energy Absorbance).
     Niektóre przegrody przezroczyste są określane jako „spektralnie selektywne”. Spektralna selektywność powierzchni przegród przezroczystych polega na przepuszczaniu określonych długości fal promieniowania słonecznego i cieplnego w zależności od funkcji, jaką ma pełnić rozpatrywana przegroda. Zwykła szyba bezbarwna również nie przepuszcza jednakowo różnych zakresów promieniowania, więc można by było zaryzykować stwierdzenie, że jest spektralnie selektywna, jednak chodzi tu głównie o produkty, których charakterystyki radiacyjne w porównaniu do szyby bezbarwnej są inne i wynikają z określonego przeznaczenia takiej szyby (szkło przeciwsłoneczne, refleksyjne, absorpcyjne, niskoemisyjne itd.). Najczęściej szyby spektralnie selektywne pełnią dwie funkcje [2]:
● blokują część podczerwoną promieniowania słonecznego, która jest odpowiedzialna za niepożądane nagrzewanie się pomieszczeń w okresie letnim,
● przepuszczają właśnie tą część promieniowania słonecznego, umożliwiając nagrzewanie się urządzeń korzystających z energii słonecznej (ściany akumulacyjne, kolektory słoneczne itd.).
     W literaturze [1] można się spotkać z tzw. „idealnymi” charakterystykami radiacyjnymi przegrody przezroczystej spektralnie selektywnej. Na rys. 1 linią czerwoną jest zaznaczona charakterystyka odbicia, natomiast linią zieloną zaznaczona jest charakterystyka przepuszczania (transmisji) idealnej szyby spektralnie selektywnej. Idealna przegroda przezroczysta spektralnie selektywna (szyba lub zestaw szyb) odbija promieniowanie słoneczne w zakresie ultrafioletu oraz podczerwieni słonecznej, natomiast przepuszcza światło dzienne czyli zakres widzialny promieniowania słonecznego między 380 a 780 nm.

Wyniki pomiarów właściwości radiacyjnych za pomocą spektrometru
     Pomiary spektrometryczne wykonane na stanowisku Instytutu Fizyki PWr., pokazanym na rys. 2, spektrometrze Jasco V-570, były możliwe dzięki współpracy z tym instytutem w ramach projektu badawczego nr N506 086 31/3648 , pt.: Optymalizacja wielokryterialna aktywnych i pasywnych systemów wykorzystania energii słonecznej w energooszczędnych budynkach użyteczności publicznej pod kątem oszczędności energii i komfortu cieplnego ludzi

     Spektrometr Jasco V-570, jest wysokiej klasy spektrometrem, pozwalającym na pomiary w zakresie 190÷2500 nm z dużą dokładnością. W ramach badań wykonano pomiary przepuszczalności i odbicia promieniowania dla wszystkich próbek szyb w zakresie 300÷2500 nm, zapisując wyniki co 2 nm, co pozwoliło na dużą dokładność uzyskanych przebiegów transmisji i odbicia. Pomiary były wykonywane po uprzednim zamontowaniu odpowiedniej przystawki: do mierzenia transmisji (rys. 3) oraz do pomiaru odbicia (rys. 4). Za każdym razem na początku serii pomiarów ustanawiano linię bazową, do której odnoszono otrzymane wartości. W przypadku transmisji polega to na pomierzeniu bez próbki w uchwycie i kalibracji urządzenia tak, aby wiązka promieniowania przepuszczana przez próbkę była skorygowana w stosunku do wiązki przechodzącej przez roztwór referencyjny, którym w tym przypadku jest powietrze.

     Wykonując pomiary odbicia, ustalenie linii bazowej polega na kalibracji dwóch wiązek odbijanych, poprzez ustawienie lustra identycznego jak referencyjne w miejscu umieszczenia próbki. Po ustaleniu linii bazowej można przystąpić do właściwych pomiarów. Pomiary transmisji i odbicia były wykonywane z obu stron próbki, o ile w przypadku transmisji miało to potwierdzić wynik z pierwszego ustawienia próbki, to w przypadku odbicia wyniki dla próbek powlekanych – ze względu na istotę działania powłok – były zdecydowanie różne.
     Pomiary spektrometryczne przeprowadzono dla 15 różnych typów szyb, wybranych z oferty firmy Pilkington®, które przedstawiono na rys. 5. Każdy typ szyby był reprezentowany przez 7 szt. danej próbki.

     Wśród badanych próbek znalazły się różne typy szkła budowlanego (wybrane ze względu na zastosowane szkło, rodzaj powłoki oraz przeznaczenie). W związku z ich charakterystycznymi cechami, można je podzielić na grupy:
     ● szyb zwykłych bezbarwnych (10, 11),
     ● szyb zwykłych barwionych w masie (2, 3, 12, 13, 14),
     ● szyb bezbarwnych z powłoką refleksyjną (7)
     ● szyb barwionych w masie z powłoką refleksyjną (5, 6, 7, 8),
     ● szyb bezbarwnych z powłoką niskoemisyjną (9, 15)
     ● szyb z powłoką samoczyszczącą (1)
     których cechy ogólne i charakterystyki radiacyjne wg producenta zestawia tabela 1.

.

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne