Zastosowanie izolacji transparentnych:

Transkrypt

1 Izolacje transparentne łączą cechy izolacji cieplnych i materiałów transparentnych (przezroczystych) dla promieniowania słonecznego. Stosowanie ich pozwala na wykorzystanie energii promieniowania słonecznego, przy znacznym ograniczeniu strat ciepła. Opracowała: dr inż. Teresa Rucińska Zastosowanie izolacji transparentnych: przegrody przezroczyste (daylight walls), umożliwiają dostęp energii promieniowania słonecznego, a więc i światła, bezpośrednio do wnętrza pomieszczeń, dają efekt japońskich ścian papierowych (nie ma możliwości patrzenia przez te ściany na zewnątrz); izolacje transparentne umieszczane są na zewnętrznej elewacji budynków, promieniowanie słoneczne przechodzi przez nie i jest pochłaniane przez absorber, wskutek tego ściana nagrzewa się i przekazuje część pochłoniętej energii przez przewodzenie do wnętrza, część natomiast jest wypromieniowywana ze ściany na zewnątrz w postaci promieniowania cieplnego (długofalowego). Cechy materiałów stosowanych na izolacje transparentne: duża transmisyjność dla promieniowania słonecznego, szczególnie dla zakresu widzialnego, co jest osiągane przez stosowanie materiałów przezroczystych, np. szkła o niskiej zawartości żelaza lub cienkich warstw z poliwęglanów; Rys. źródło: 'Budownictwo ogólne. Fizyka budowli. Tom 2, praca zbiorcza pk. Piotra Klemma 1

2 niska transmisyjność dla promieniowania cieplnego, co jest uzyskiwane dzięki stosowaniu wewnętrznych pokryć refleksyjnych, warstw o niskiej emisyjności dla długofalowego promieniowania podczerwonego; niska przewodność cieplna, co jest osiągane dzięki stosowaniu lekkich materiałów zawierających w swej objętości znaczne ilości gazów lub próżnię; ograniczona wymiana ciepła wskutek konwekcji, co jest osiągane przez stosowanie szczelnie zamkniętych przestrzeni w celu uniknięcia ruchu cząsteczek gazu; W wyniku kombinacji powyższych właściwości otrzymuje się element izolacyjny, charakteryzujący się współczynnikiem przenikania ciepła w granicach 0,2 0,8 W/(m 2 K), przy jednoczesnym 70-cio%- owym zapewnieniu transmisyjności dla promieniowania słonecznego. Przykłady izolacji transparentnych: o strukturze plastra miodu (honey comb); o strukturze kapilar włoskowatych zamkniętych w przestrzeniach wypełnionych gazem; Wady : z przestrzenią powietrzną wypełnioną materiałem o małym współczynniku przewodności cieplnej, jak aerożel czy włókna szklane; latem pomieszczenia sąsiadujące z przegrodami zewnętrznymi z izolacją transparentną mogą ulegać przegrzaniu, stąd dobrze w tym systemie stosować zewnętrzną roletę (patrz rys. poniżej); 2

3 w przypadku stosowania aerożelu wadą jest jego kruchość i zła odporność na wodę, po zawilgoceniu struktura materiału ulega zniszczeniu; Rys. źródło: 'Budownictwo ogólne. Fizyka budowli. Tom 2, praca zbiorcza pk. Piotra Klemma materiały o strukturze plastra miodu czy o budowie kapilarnej nie są zalecane do stosowania na ściany oświetlone, bowiem ich reflektancja od strony wewnętrznej jest tak wysoka, że dają zbyt duży (nieprzyjemny dla oka) odblask w pomieszczeniach; Tworzywa sztuczne Najczęściej wykorzystywane tworzywa sztuczne do produkcji izolacji transparentnych to: Poliwęglan Rys. Próbka izolacji transparentnej opracowanej przez firmę Sto AG w formie rurek z poliwęglanu, od zewnątrz zamkniętych mini soczewkami, od strony wewnętrznej przyklejonych do czarnej powłoki absorbera Tworzywa sztuczne - poliwęglan Zimą Latem Tynk szklany 3

4 Tworzywa sztuczne polimetylometakryl (szkło akrylowe, pleksiglas). Materiały te są odporne na działanie promieniowania ultrafioletowego (UV) i posiadają wystarczająco wysoką odporność na temperatury panujące w systemach izolacji transparentnych. Właściwości szkła akrylowego: odporność na temperaturę maksymalnie do 90 o C (poliwęglan zachowuje swoje właściwości w temp. do 140 o C) tworzone z tych materiałów struktury wykazują dużą wytrzymałością mechaniczną, szczególnie w układach przypominających strukturę plastra miodu honey comb gęstość objętościowa struktur z tworzyw sztucznych mieści się w granicach 25 40kg/m 3. Szkło Szkło charakteryzuje się bardzo korzystnymi parametrami dla struktur izolacji transparentnej z uwagi na: niepalność, odporność na działanie promieni UV, odporność na temperaturę do 500 o C. Dzięki tym właściwościom (szczególnie dzięki odporności na wysoką temperaturę) jest wykorzystywane m.in. do izolacji kolektorów słonecznych. Szkło We współczesnych rozwiązaniach budowlanych coraz powszechniej stosowane są szyby z powłokami o niskiej emisyjności, co dodatkowo poprawia parametry izolacyjne zestawów izolacji transparentnej, osłoniętych szybami. Źródło: Szyby z zastosowaniem aerożeli, Tadeusz Michałowski, Świat Szkła 2/2008 4

5 Transparentne elementy fasadowe OKAGEL firmy OKALUX, wypełnione NANOGELem są nową klasą izolacyjnych szyb zespolonych. NANOGEL umieszczony w przestrzeni międzyszybowej wykazuje odporność na działanie promieni UV elementy zachowuję więc swój estetyczny jednolity biały wygląd bez jakichkolwiek przebarwień. Własności szyb zespolonych OKAGEL Przepuszczalność światła i energii słonecznej wg projektu mogą spełnić określone indywidualnie wymagania, Różna budowa szyby zespolonej i odpowiednia kombinacja powłok na szkle mogą umożliwić otrzymanie szyby zespolonej jednokomorowej o współczynniku przenikania ciepła Ug nawet mniejszym od wartości 0,3 W/(m 2 /K) co oferuje zupełnie nowy zakres ich stosowania. współczynnikiem przewodzenia ciepła od 0,012W/(m K) do 0,018 W/(m K). Dzięki tym właściwościom płyta aerożelu grubości 2cm może Aerożele charakteryzują się: Aerożele krzemionkowe dużą porowatością, która może przekraczać nawet 98%, zastąpić płytę o strukturze kapilarnej grubości 10cm. Cząsteczki krzemionki mają zazwyczaj wymiary 25nm, natomiast wymiary porów średnio 20nm. małą gęstością objętościową od 8 do 80kg/m 3 ). Firma Cabot Aerogel ze względu na zastosowaną do ich wymiarowania jednostkę miar nanogel, nazwała wytwarzany przez siebie materiał - aerożel. Jest on produkowany m.in. w postaci granulek wielkości 0,014mm, taśm i płyt. Rys. Próbka granulatu aerożelu firmy Cabot Aerogel wraz z powiększeniem mikroskopowym struktury materiału; Źródło: 5

6 Zakres granulek Średnica porów wielkości P100/P400 P200 P300 0,01-4,00mm 0,01-1,20-1,20mm 4,00mm ~20nm Porowatość 90% Gęstość granulek kg/m 3 Gęstość nasypowa Zwilżalność powierzchniowa kg/m kg/m 3 Całkowita hydrofobowość kg/m 3 Standardowa grubość tkaniny Standardowa szerokość rolki Zastosowanie: Izolacje w budownictwie Izolacje ropociągów Izolacje gazociągów 3,5mm/6mm/8mm (możliwa inna grubość na zamówienie) 56cm Długość rolki do 100m Gęstość ok. 70kg/m 3 Siła zrywająca ok. 517kPa Skład włókien poliestrowe i polietylenowe Zakres odporności temperaturowej -200st.C do 125st.C (odporność ciągła), do 160st.C max Przepuszczalność światła ok. 20% przy gr. 8mm Rys. Tkanina z włókien poliestrowopolietylenowych z udziałem aerożelu firmy Cabot Aerogel Źródło: zaletą aerożeli jest dyfuzyjne rozpraszanie promieniowania słonecznego (przez co widziany przez nie obraz jest mglisty), właściwości optyczne zależą w głównej mierze od grubości elementu i jednorodności ziaren (praktycznie możliwe jest osiągnięcie przejrzystej warstwy aerożelu). Przepuszczalność światła zależna jest od grubości warstwy aerożelu. W przypadku płytek aerożelowych o grubości 10mm może wynosić nawet 8594%. Panele wypełnione granulatem aerożelu (rys.) o grubości 13mm charakteryzują się przepuszczalnością światła rzędu 73%, a przy grubości 64mm już tylko 21%. Aerożele są całkowicie niepalne, nietoksyczne, odporne na bardzo wysokie temperatury (do 1200 o C). Rys. Ilustracje paneli z poliwęglanu wypełnionych aerożelem firmy Cabot Aerogel Źródło: 6

7 Aerożele krzemionkowe są dobrym izolatorem akustycznym, fale dźwiękowe rozchodzą się w tym ośrodku z prędkością tylko 100m/s. Produkowane obecnie aerożele mają niestety poważne wady: są kruche i nieodporne na działanie wody, która niszczy ich wewnętrzną strukturę. Jest to przyczyna ograniczonego wykorzystania 7

8 Celuloza Materiał charakteryzują dwa poważne atuty: zaliczany jest do grupy materiałów ekologicznych i jest stosunkowo niedrogi, Wykonuje się z niego struktury typu plaster miodu, uzyskuje się je z kartonu produkowanego z makulatury. Rys. Próbka izolacji transparentnej celulozowej produkowanej firmę Gap-Solar GmbH barwiona i osłaniana np. szkłem strukturalnym Źródło: karton stosowany w izolacjach transparentnych może być barwiony w różnych kolorach struktura plastra miodu z kartonu nie jest tak przezroczysta jak w przypadku innych izolacji transparentnych. Rys. Celulozowa izolacja transparentna firmy Gap-Solar GmbH w panelu izolacyjnym ograniczającym dopływ światła i mającym za zadanie ograniczenie kontaktu wizualnego Źródło: Budowa panelu zwanego celulozowy plaster miodu Budowa panelu zwanego celulozowy plaster miodu Rys. 3. Zmodernizowany dom seniora, Hameln (Niemcy) Rys. 4. Fasada obiektu szkolnego po renowacji, Eckernförde (Dania) 8

9 Struktury papierowe charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi, ale także pełnią funkcję absorbera pochłaniającego energię promieniowania słonecznego Celuloza wykorzystywana jest również do budowy struktur quasi-homogenicznych. W tym przypadku występuje ona w postaci nietkanej siatki (maty) białych włókien celulozowych umieszczonych na przykład pomiędzy dwiema płytami kanałowymi z poliwęglanu. Taki zestaw, poza dobrą izolacyjnością, posiada właściwości efektywnego dyfuzyjnego rozpraszania promieniowania słonecznego. Ciekłe kryształy Izolacje transparentne ciekłokrystaliczne znajdują się obecnie w fazie badań i nie są produkowane na skalę przemysłową. Koncepcja tego materiału polega na wytworzeniu kropelek o wymiarach rzędu 1 mm w cienkiej warstwie osłony polimerowej i wykorzystaniu podwójnego załamania promieni wewnątrz kryształów. Opracowano na podstawie publikacji Dr inż. Adama UJMY z Politechniki Częstochowskiej Kompromis pomiędzy dużą izolacyjnością materiału i przepuszczalnością dla promieniowania słonecznego oznacza konieczność stworzenia materiału przepuszczającego ciepło tylko w jedną stronę do wewnątrz budynku. Panele RymSol łączą w sobie zalety jakie ma wełna mineralna i izolacja transparentna. Wełna mineralna wykorzystana w panelach jako izolator termiczny ma w swojej warstwie wydrążone specjalne kanały powietrzne służące do jednokierunkowego transportu ciepła. 9

10 U [W/(m 2 K)] U [W/(m 2 K)] Umieszczona z przodu panelu warstwa izolacji transparentnej pochłania promieniowanie słoneczne w strukturze wełny. Ogrzana wełna mineralna wymusza obieg powietrza w kanałach warstwy izolacyjnej i ogrzewa mur, do którego jest przytwierdzona. W nocy powietrze ulega stratyfikacji w kanałach i nie dopuszcza do ucieczki ciepła na zewnątrz. W ten sposób panele RymSol doprowadzają ponad 100 razy więcej ciepła do muru w ciągu słonecznego dnia niż tracą w ciągu nocy. Oznacza to, że nawet gdyby jeden dzień słoneczny przypadał na 50 dni pochmurnych to i tak panele RymSol miałyby dodatni bilans energetyczny, czego nie jest w stanie zapewnić żadna izolacja konwencjonalna. Panel słoneczny RymSol Wymiary: 100 x 60 x 19 cm Izolacja: wełna mineralna (skalna) Warstwa zewnętrzna: poliwęglan komorowy lub szkło Waga: 17 kg/m 2 Absorpcja słoneczna: do 40% Izolacyjność: do 0,4W/m 2 K, najczęściej 0,2W/m 2 K Dla warunków polskich: zysk słoneczny netto 150 kwh/m*a dodatkowo dla ściany południowej do 100kWh/m*a - zysk izolacyjny Czynnik transportu ciepła: powietrze 1 1. Ramka 2. Poliwęglan komorowy 3. Izolacja RymSol 4. Mur zewnętrzny Warszawa, Przykłady realizacji obiektów z zastosowaniem paneli RymSol Kraków, OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE Warunki brzegowe: miejscowość Szczecin I strefa klimatyczna [12], analiza ściany południowej, pomieszczenie znajduje się w trzeciej klasie wilgotności (mieszkanie z małą liczbą mieszkańców), obliczeniowa temperatura powietrza wewnętrznego w budynku w każdym miesiącu wynosi +20 C, obliczeniowa temperatura zewnętrzna wynosi -16 C Przyjęto grubość termoizolacji ze styropianu oraz wełny mineralnej, odpowiadającą grubości izolacji transparentnych StoSolar (16cm) i RymSol (19cm), aby licowały się one w warstwie zewnętrznej tynku. Wariant I: Zestawienie wartości współczynnika przenikania ciepła poszczególnych grubości termoizolacji w odniesieniu do wymaganej wartości Umax Mur z cegły pełnej gr. 38cm - termoizolacja gr. 16cm 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Wełna Panele Styropian mineralna StoSolar U [W/(m2K)] 0,21 0,22 0,42 Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3 Mur z cegly pełnej gr. 38cm - termoizolacja gr. 19cm 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Styropian Wełna mineralna Panele RymSol U [W/(m2K)] 0,18 0,19 0,18 Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3 10

11 Ueq [W/(m 2 K)] Ueq [W/(m 2 K)] U [W/(m 2 K)] U [W/(m 2 K)] Ueq [W/(m 2 K)] OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE Wariant II: Zestawienie wartości współczynnika przenikania ciepła poszczególnych grubości termoizolacji w odniesieniu do wymaganej wartości Umax Mur z pustaków ceramicznej porotherm gr. 38cm termoizolacja gr. 16cm 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Styropian Wełna mineralna Panele StoSolar U [W/(m2K)] 0,15 0,15 0,22 Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3 Mur z pustaków ceramicznej porotherm gr. 38cm termoizolacja gr. 19cm 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Styropian Wełna mineralna Panele RymSol U [W/(m2K)] 0,13 0,13 0,13 Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3 Przykład wyników rozkładu temperatury i ciśnienia pary wodnej dla wariantu I z zastosowaniem styropianu gr.16cm dla miesiąca stycznia: Analiza wilgotnościowa przegród z zastosowaniem tradycyjnych izolacji cieplnych wykazała, że, pod kątem uniknięcia rozwoju grzybów pleśniowych oraz występowania kondensacji międzywarstwowej, przegroda w każdym wariancie została zaprojektowana prawidłowo. Równoważny współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata Równoważny współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40 Godzina Wartości dobowego ( r.) równoważnego współczynnika przenikania ciepła przegrody z izolacją transparentną U_N 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,2-0,1 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 U_NE 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,2-0,1 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 U_E 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,2-0,1 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 U_SE 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,3-0,2 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 USW 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,3-0,2 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 U_W 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,2-0,1 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 U_NW 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,2-0,1 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 U_S 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,35 0,05-0,1-0,3-0,2 0,03 0,34 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 0,62 Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50-0,60-0,70-0,80-0,90-1,00-1,10-1,20-1,30-1,40-1,50 Miesiąc -0,71 Średnie miesięczne wartości równoważnego współczynnika przenikania ciepła przegrody z izolacją transparentną -0,39 0,04 0,23-0,03 IX X XI XII I II III IV V Śr. U_N -0,42-0,02 0,25 0,27 0,27 0,18-0,22-0,60-0,92 Śr. U_NE -0,45-0,02 0,25 0,27 0,27 0,18-0,23-0,68-1,09 Śr. U_E -0,55-0,10 0,23 0,27 0,24 0,04-0,33-0,84-1,33 Śr. U_SE -0,66-0,28 0,10 0,24 0,05-0,27-0,47-0,96-1,44 Śr. U_SW -0,64-0,29 0,10 0,24 0,07-0,19-0,43-1,03-1,30 Śr. U_W -0,53-0,11 0,22 0,27 0,25 0,09-0,29-0,91-1,20 Śr. U_NW -0,44-0,02 0,25 0,27 0,27 0,18-0,23-0,71-1,03 Śr. U_S -0,71-0,39 0,04 0,23-0,03-0,40-0,53-1,02-1,36-0,40-0,53-1,02-1,36 Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek Równoważny współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata PODSUMOWANIE 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50 Średnie sezonowe wartości równoważnego współczynnika przenikania ciepła przegrody z izolacją transparentną -0,60 Strona świata Śr. U_N Śr. U_NE Śr. U_E Śr. U_SE Śr. U_S Śr. U_SW Śr. U_W Śr. U_NW Średnia sezonowa -0,14-0,17-0,26-0,41-0,46-0,39-0,24-0,16 Umax 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Do podjęcia decyzji inwestorskiej o zasadności stosowania izolacji transparentnych, niezbędna jest analiza efektywności ekonomicznej, uwzględniająca koszty inwestycyjne i długotrwałe oszczędności eksploatacyjne. Koszt izolacji transparentach jest bardzo wysoki, kilkakrotnie przewyższa on koszt izolacji tradycyjnej. Najwyższy osiąga poziom 750 euro/m 2, najniższy około 200 euro/m 2. Wynika to z małej produkcji, tym samym niewielkiemu zapotrzebowaniu na materiały transparentne. Czas zwrotu nakładów inwestycyjnych jest bardzo długi, wynosi od 20 do 30 lat, w zależności od wariantu. Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek 11

12 PODSUMOWANIE W pomieszczeniach z izolacją transparentną może występować silne okresowe przegrzewanie. Ważnym elementem systemu z izolacją transparentną są rozwiązania bądź urządzenia zacieniające, pozwalające na ograniczenie zysków cieplnych w okresie ich nadmiaru. Porównując izolacje tradycyjne z transparentnymi można zauważyć, że wykazują się one zbliżonymi wartościami współczynnika przenikania ciepła. Doliczając jednak zyski od promieniowania słonecznego, płynące z zastosowania izolacji transparentnych, stają się one systemami korzystniejszymi pod względem energetycznym. DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ 12