http://www.migutmedia.pl/kfoe/prezentacje/1150_kape.pdf http://www.umwelt-wand.de/ti/press/picproj.html Opracowała: dr inż. Teresa Rucińska
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.
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).
Rys. źródło: 'Budownictwo ogólne. Fizyka budowli. Tom 2, praca zbiorcza pk. Piotra Klemma
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;
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;
z przestrzenią powietrzną wypełnioną materiałem o małym współczynniku przewodności cieplnej, jak aerożel czy włókna szklane;
Wady : latem pomieszczenia sąsiadujące z przegrodami zewnętrznymi z izolacją transparentną mogą ulegać przegrzaniu, stąd dobrze w tym systemie stosować zewnętrzną roletę (patrz rys. poniżej);
Rys. źródło: 'Budownictwo ogólne. Fizyka budowli. Tom 2, praca zbiorcza pk. Piotra Klemma
w przypadku stosowania aerożelu wadą jest jego kruchość i zła odporność na wodę, po zawilgoceniu struktura materiału ulega zniszczeniu;
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
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
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.
http://gallery.astronet.pl/images/02079.jpg Aerożele krzemionkowe Aerożele charakteryzują się: dużą porowatością, która może przekraczać nawet 98%, małą gęstością objętościową od 8 do 80kg/m 3 ).
współczynnikiem przewodzenia ciepła od 0,012W/(m K) do 0,018 W/(m K). Dzięki tym właściwościom płyta aerożelu grubości 2cm może zastąpić płytę o strukturze kapilarnej grubości 10cm. Cząsteczki krzemionki mają zazwyczaj wymiary 2 5nm, natomiast wymiary porów średnio 20nm.
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 0,01 4mm, taśm i płyt.
Źródło: www.cabort-corp.com Rys. Próbka granulatu aerożelu firmy Cabot Aerogel wraz z powiększeniem mikroskopowym struktury materiału;
Zakres granulek wielkości Średnica porów P100/P400 P200 P300 0,01-4,00mm 0,01-1,20-1,20mm 4,00mm ~20nm Porowatość 90% Gęstość granulek 120-180kg/m 3 Gęstość nasypowa 80-100 kg/m 3 75-95 kg/m 3 65-85 kg/m 3 Zwilżalność powierzchniowa Całkowita hydrofobowość
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 Przepuszczalność światła -200st.C do 125st.C (odporność ciągła), do 160st.C max ok. 20% przy gr. 8mm Rys. Tkanina z włókien poliestrowo-polietylenowych z udziałem aerożelu firmy Cabot Aerogel Źródło: www.cabort-corp.com
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 85 94%. Panele wypełnione granulatem aerożelu (rys.) o grubości 13mm charakteryzują się przepuszczalnością światła rzędu 73%, a przy grubości 64mm już tylko 21%.
Rys. Ilustracje paneli z poliwęglanu wypełnionych aerożelem firmy Cabot Aerogel Źródło: www.cabort-corp.com
http://www.aerogels.pl/pl/czym-jest-aerogel http://www.aerogels.pl/pl/czym-jest-aerogel Aerożele są całkowicie niepalne, nietoksyczne, odporne na bardzo wysokie temperatury (do 1200 o C).
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
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: www.gap-solar.at
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: www.gap-solar.at
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)
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.
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 2 3 1. Ramka 2. Poliwęglan komorowy 3. Izolacja RymSol 4. Mur zewnętrzny 4
Przykłady realizacji obiektów z zastosowaniem paneli RymSol Warszawa, 1996 http://www.masatherm.pl/realizacje Kraków, 2008 http://www.masatherm.pl/realizacje
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.
U [W/(m 2 K)] U [W/(m 2 K)] OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE Wariant I: Zestawienie wartości współczynnika przenikania ciepła poszczególnych grubości termoizolacji w odniesieniu do wymaganej wartości Umax 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Mur z cegły pełnej gr. 38cm - termoizolacja gr. 16cm Styropian Wełna mineralna Panele StoSolar U [W/(m2K)] 0,21 0,22 0,42 Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3 0,40 0,30 0,20 Mur z cegly pełnej gr. 38cm - termoizolacja gr. 19cm 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
U [W/(m 2 K)] U [W/(m 2 K)] OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE Wariant II: Zestawienie wartości współczynnika przenikania ciepła poszczególnych grubości termoizolacji w odniesieniu do wymaganej wartości Umax 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 Mur z pustaków ceramicznej porotherm gr. 38cm termoizolacja gr. 16cm 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 Styropian Wełna mineralna Panele RymSol U [W/(m2K)] 0,13 0,13 0,13 Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3
OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE 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.
Ueq [W/(m 2 K)] 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 (15.01.13r.) równoważnego współczynnika przenikania ciepła przegrody z izolacją transparentną 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 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
Ueq [W/(m 2 K)] Równoważny współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata Średnie miesięczne wartości równoważnego współczynnika przenikania ciepła przegrody z izolacją transparentną 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10 0,04 0,23-0,03-0,20-0,30-0,40-0,50-0,39-0,40-0,60-0,53-0,70-0,80-0,71-0,90-1,00-1,10-1,02-1,20-1,30-1,40-1,36-1,50 Miesiąc 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 Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek
Ueq [W/(m 2 K)] Równoważny współczynnik przenikania ciepła z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata 0,40 Średnie sezonowe wartości równoważnego współczynnika przenikania ciepła przegrody z izolacją transparentną 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20-0,30-0,40-0,50-0,60 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 Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek
PODSUMOWANIE 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.
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