Termoizolaciono staklo i njegove perspektive

Energetski efekti prozora

Prozori utiču na energiju koju zgrada upotrebljava kroz četiri osnovna mehanizma – termalni prenos toplote, dobici sunčeve toplote, propuštanje vazduha i dnevna svetlost. Neto efekat sistema prozora na ukupne potrebe zgrade sa energijom, uključujući grejanje, hlađenje i energiju osvetljavanja, zavisi od (1) karakteristika i orijentacije prozora, (2) vremenskih uslova i sunčevog zračenja i (3) rada termalnog sistema zgrade.

Pažljiv projekat prozora može upotrebu energije svesti na minimum. Sve u svemu, uticaji energije na prozor mogu se optimizovati pomoću (1) korišćenja dnevne svetlosti da bi se ostvarili zahtevi za osvetljenjem, (2) korišćenja dobitaka pasivne solarne toplote da bi se ostvarilo zagrevanje prostora zimi, (3) korišćenje stakala sa specijalnom provodljivošću koja će odbaciti preveliki dobitak sunčeve toplote, i (4) specifikovanje dizajna izolacionih stakala i prozora sa niskom propustljivošću vazduha.

Ostakljenje

Ostakljena jedinica može imati jedno ili više stakala. Najuobičajeniji materijal za ostakljivanja je staklo, iako se može koristiti i plastika. Staklo ili plastika mogu biti providni, obojeni, prevučeni prevlakom, laminirani, reljefni ili tamni. Providna stakla provode više od 80 % upadne sunčeve radijacije i više od 75 % vidljive svetlosti. Obojena stakla se isporučuju u više boja, sve one različito utiču na količinu solarnog zračenja i vidljive svetlosti koju oni propuštaju i apsorbuju. Neke prevlake su visoko reflektivne (kao ogledala), dok su druge projektovane da imaju veoma malu refleksiju. Neke prevlake kao rezultat imaju da je svetlosna propustljivost 1,4 puta veća od koeficijenta solarnih dobitaka (poželjna za dobro dnevno osvetljenje uz minimiziranje opterećenja hlađenjem). Laminirana stakla su napravljena od dva staklena panela koja su međusobno spojena. Međusloj između dva staklena panela je plastika i može biti providna, obojena ili prevučena prevlakom. Reljefno staklo je trajno istopljena keramika koja se primenjuje kod staklenih površina u dekorativne svrhe.

Izolaciona staklena jedinica

Izolaciona staklena jedinica (IGU) je hermetički zaptivena, sastoji se od dva ili više staklenih ploča koje su povezane po njihovom obodu distancerom koji je napunjen apsorberom vlage, distanceri ujedno održavaju rastojanje između staklenih ploča. Distancer je u najmanje dve strane (najčešće po visini) napunjen apsorberom vlage. Na slici 1 je prikazana tipična konstrukcija izolacione staklene jedinice.

Uobičajeni tipovi stakla koji se koriste za izolacionu ostakljenu jedinicu (IGU) su providno, obojeno i nisko emisiono (low–e). U cilju energetske efikasnosti i dnevne osvetljenosti i povećanja komfora, low–e staklo se sada koristi u SAD u preko 70 % proizvedenih prozora. Obojena i refleksiona ostakljenja se mogu takođe koristiti radi smanjenja solarnih dobitaka kroz prozor.

Prevlake low–e mogu se takođe primeniti za tanke plastične filmove koji se koriste kod ostakljenih izolacionih jedinica (IGU). Postoje dva tipa low–e prevlaka: za visoke solarne dobitke i za niske solarne dobitke. Prva od ovih primarno redukuje provođenje toplote kroz sistem ostakljenja i namenjeni su za hladne klime. Druga, za tople klime, smanjuje solarne toplotne dobitke blokirajući dovođenje infracrvenog dela solarnog spektra. Pomoću ova dva načina se ostvaruju performanse low–e sa aspekta solarnih dobitaka.

Prva je sa specijalnim višeslojnim reflektujućim prevlakama sa stanovišta infracrvenog solarnog zračenja. Druga je sa apsorpcijom infracrvenog zračenja na spoljnjem staklu. Ostvarena je zaštita unutrašnjeg stakla i enterijera zgrade od apsorbovane toplote iz spoljne jedinice, low–e tip za hladnu klimu se takođe koristi za smanjivanje provođenja toplote sa spoljnjeg panela ka unutrašnjem.

Dodavanjem argona ili kriptona, gasova koji se koriste umesto vazduha u šupljini između panela u kombinaciji sa low–e ostakljenjem dalje se smanjuje prenos energije. Neki proizvo- đači konstruišu IGU sa plastičnim filmovima sa low–e koji se nalaze između staklenih ploča i sa distancerom koji ima bolje izolacione karakteristike i dvostruko zaptivanje koje poboljšava zaptivenost gasnog prostora.

Distancer

Distancer omogućava odvojenost staklenih ploča i osigurava površinu za nanošenje primarnog i sekundarnog zaptivača. Danas se koristi nekoliko tipova distancera za konstrukciju IGU (ostakljena izolaciona jedinica). Svaki tip osigurava različite karakteristike prenosa toplote u funkciji od materijala distancera i geometrije.

Prenos toplote na rubnom kraju IGU je veći nego u centralnom delu IGU, zbog većeg toplotnog fluksa kroz distantni sistem. Distantni sistem se razvija u cilju minimiziranja toplotnog protoka na rubnom delu ostakljene izolacione jedinice (IGU). Ovaj distantni sistem se naziva topli rubni distancer.

U IGU konstrukciji, topli rubni distancer se projektuje radi smanjenja prenosa toplote, zamenom materijalima koji imaju nižu toplotnu provodljivost nego aluminijum (npr. nerđajući čelik, pocinčani čelik, čelik prevučen kalajem, polimeri, ili upenjeni silikoni). Tradicionalni distanceri se najčešće prave od aluminijuma.

Spojeni ili savijeni uglovi distancera minimiziraju prolaz vlage i para ugljovodonika u vazdušni prostor kroz uglove. Zeolit ili silikogel se takođe koriste za apsorpciju vlage koja je početno uhvaćena u IGU za vreme montaže ili postepene difuzije kroz zaptivače posle izrade.

Zaptivači

Nekoliko različitih konfiguracija zaptivača je uspešno korišćeno u modernoj konstrukciji IGU. Kod svih konfiguracija zaptivača, primarni zaptivač minimizira prolaz vlage i ugljovodonika. U konfiguraciji dvostrukog zaptivanja sekundarni zaptivač osigurava strukturalni integritet između ploča IGU.

Sekundarni zaptivač obezbeđuje dugoročnu adheziju i veći otpor prema rastvaračima, uljima i kraće potapanje u vodi. Navešćemo tipičnu konstrukciju dvostrukog zaptivanja, primarni zaptivač je napravljen od komprimovanog poliizobutena (PIB), a sekundarni zaptivač je napravljen od silikona, polisulfida ili poliuretana.

Konstrukcija od jednog zaptivača zavisi isključivo od karakteristika istog koji mora da osigura odgovarajuću adheziju (lepljenje) stakala sa distancerom kao i da minimizira prolaz vlage i ugljovodonika. Konstrukcija sa jednim zaptivačem je generalno mnogo jeftinija nego sistem dvostrukog zaptivanja. Treći tip zaptivača koji se koriste u konstrukcijama IGU i imaju značajne prednosti su umreženi polimeri koji osiguravaju oba zadatka, smanjenje prolaza vlage i ekvivalentne strukturne osobine sistema dvostrukog zaptivanja. Ovi zaptivači se obično nazivaju dvostruko ekvivalentni materijali za zaptivanje (DSE).

Apsorberi vlage

Tipični apsorberi uključuju molekularna sita, silikogel ili matricu oba materijala. Apsorberi se koriste da absorbuju vlagu koja je početno uhvaćena u IGU za vreme montaže ili postepene difuzije kroz zaptivače posle izrade. Apsorber vlage koristiti i u vertikalnim i horizontalnim dionicama distancera. Kod punjenja međuprostora argonom, koristiti zeolit 3A. Treba naglasiti da je prečnik čestice vodene pare 2,8 A.

Apsorber služi da apsorbuje isključivo vodenu paru, ali ne i argon. Ako to nije zadovoljeno, onda se vrši apsorpcija argona. Nakon više apsorpcija i desorpcija zbog promene temperature može doći do curenja argona i eliminisanja njegove upotrebe.

Punjenje gasom

Hermetički zaptiveni prostor između staklenih ploča i IGU se najčešće puni vazduhom. U nekim slučajevima se koriste argon i kripton radi zamene vazduha u prostoru između panela. Oni se koriste radi daljeg smanjenja prenosa energije.

Izračunavanje toka energije prozora

Tok energije kroz prozor ostvaruje se na tri načina: (1) konduktivnim i konvektivnim prenosom toplote uzrokovanog razlikom temperatura između spoljašnjeg i unutrašnjeg vazduha, (2) radijacionom razmenom toplote dugo talasnog zračenja (iznad 2500 nm) između prozora i okoline i između staklenih slojeva, i (3) kratkotalasnim (ispod 2500 nm) sunčevim upadnim zračenjem na prozor, ili direktno od sunca reflektovano od zemlje i susednih objekata. Pojednostavljeni proračun je zasnovan na posmatranju da su temperature neba, zemlje i okolnih objekata (stoga i njihova radijaciona emisija) vezani za temperaturu spoljnjeg vazduha. Razmena zračenjem je tada aproksimirana uzimanjem da su površine koje zrače (uključujući i nebo) na istoj temperaturi kao i spoljašnji vazduh.

Sa tom pretpostavkom, osnovna jednačina za trenutni tok energije q kroz prozor je

q = U_o A_T (t_out – t_in) + E_T (A_G · F_G – A_frm · F_frm)   (1)

gde je:
U_o = koeficijent prolaza toplote prozora
t_out = spoljna temperatura vazduha
t_in = unutrašnja temperatura vazduha
A_T = ukupna površina prozora
A_G = površina stakla (prozirna)
A_frm = površina rama (neprozirna)
F_G = koeficijent sol. toplotnog dobitka stakla
F_frm = koeficijent sol. toplotnog dobitka rama
E_T = ukupno upadno zračenje

Veličine U_o, F_G i F_frm se često smatraju konstantama, međutim one blago variraju kao funkcija promenljivih okoline, od kojih su najvažnije temperatura i brzina vetra. Koeficijenti solarnog toplotnog dobitka takođe u velikoj meri zavise od ugla pod kojim pada sunčeva svetlost.

Glavno opravdanje za jednačinu (1) je njena jednostavnost, koja se postiže sakupljanjem svih povezanih radijacionih, konduktivnih i konvektivnih procesa prenosa energije preko U i F. Ove veličine polako variraju jer: (1) konvektivni prenos toplote je funkcija temperaturne razlike ili brzine slobodnog toka, (2) promena temperature uzrokovana vremenskim uticajima ili klimom je mala na apsolutnoj (Kelvin) temperaturnoj skali i kontroliše veličinu radijacionog prenosa toplote i (3) prozorski sistemi uvek uključuju dva toplotna otpora u seriji.

Koeficijent prolaza toplote

U odsustvu sunčeve svetlosti, infiltracije vazduha i kondenzacije vlage, prvi član u jednačini (1) predstavlja veličinu toplotnog prolaza toplote kroz sistem prozora. Većina sistema se sastoji od prozirnih višestrukih staklenih jedinica i neprozirnog krila i rama (naziva se zajedničkim imenom ram).

Putanje prenosa toplote jedinice stakla uključuju jednodimenzionalni doprinos centra stakla i dvodimenzionalni doprinos rubnog dela. Doprinos rama je primarno dvodimenzionalan.

Shodno tome, ukupni stepen prenosa toplote kroz prozorski sistem, može se izračunati uz poznate doprinose prenosa toplote centra stakla i rubnog dela stakla i rama. Kada su prisutne lajsne za distanciranje staklenih ploča, poput dekorativnih rešetki i one utiču na prenos toplote i mora se razmotriti njihov doprinos. Koeficijent prolaza toplote prozora se može izračunati, ako su poznati koeficijenti prolaza toplote pojedinih elemenata prozora

U_o = (U_cg • A_cg + U_eg • A_eg + U_f • A_f)/A_pf   (2)

gde se oznake cg, eg i f odnose na centar stakla, ivice stakla i ram. A_pf je gruba površina otvora u zidu ili na krovu za prozor umanjena za instalacioni zazor.

U slučajevima gde prozor ima staklene površine u samo jednom pravcu (tipični prozori), zbir površina jednak je projektovanoj površini. Krovni prozori, prozori za staklenike/vrtove, prozori brodova i izbočeni prozori zbog svoje proširenosti izvan oblasti zida/krova imaju veću površinu za toplotne gubitke nego prozori sa sličnim opcijama stakla i sličnim materijalom za ramove. Shodno tome, U–faktori za takve proizvode su veći.

U–faktor centra stakla

Toplotni tok duž centra višestruke staklene jedinice mora uzeti konvektivni i radijacioni prenos toplote u gasnom prostoru.

Konvektivni prenos toplote se procenjuje na osnovu visokog odnosa prirodne konvekcije za vertikalne vazdušne slojeve i vazdušne slojeve pod nagibom.

Radijacioni prenos toplote (ignorišući apsorpciju gasa) se kvantifikuje korišćenjem fundamentalnijeg pristupa Rubin (2002) i Winght (2002) koji su utvrdili kompjuterske metode za rešavanje kombinovanog problema penosa toplote.

Vrednosti za U_cg pri unutrašnjim i spoljašnjim uslovima zavise od konstrukcionih karakteristika takvog zastakljivanja, kao što je broj staklenih ploča, dimenzije prostora ispunjene gasom, orijentacija u odnosu na vertikalu, zračenje na svakoj površini, i kompozicija gasa kojim se puni prostor između staklenih ploča. Za određivanje prenosa toplote staklene jedinice koristi se kompjuterski program Window 4,0 iz laboratorije Lorens Berkli. Slika 2 prikazuje uticaj širine gasnog prostora na U_cg za različite jedinice stakla.

Prikazani su U–faktori za vazduh, argon i kripton koji služe za punjenje kao i faktori za visoke (neprevučene) i niske (prevučene) vrednosti površinske emisije. Širine gasnog prostora veće od 13 mm nemaju bitnog uticaja na U_cg, pošto dužina najkraće putanje toplotnog toka kroz ram raste. Nisko emisiona prevlaka kombinovana sa punjenjem kriptonom značajno smanjuje prenos toplote kod jedinica sa malom širinom prostora između staklenih ploča. Vrednost U_cg za nagete prozore (sa povećanim toplotnim tokom) je veća od vrednosti za vertikalne prozore, zato što su veći koeficijent unutrašnjeg filma i koeficijent vazdušnog prostora, naročito kada prostor između staklenih ploča iznosi 13 mm.

U–faktor rubnog kraja stakla

Jedinice izolacionog stakla obično imaju kontinuirane distancere duž obima stakla i omogućavaju zalivanje ivica. Aluminijumski distanceri dosta povećavaju konduktivni prenos toplote između dodirne površine unutrašnje i spoljašnje površine stakla i tako degradiraju lokalne toplotne karakteristike staklene jedinice.

Laboratorijska merenja koja je obavio Peterson (2007) pokazala su da je ova oblast proizvodnje smanjena na 65 mm široku traku po obimu staklene jednice. Prenos toplote ivice stakla je dvodimenzionalni i zahteva detaljno modeliranje da bi se mogao precizno odrediti. Na osnovu detaljnog dvodimenzionalnog modelovanja Arasteh (1999) je razvio sledeću korelaciju za izračunavanje U–faktora ivice stakla, kao funkciju tipa distancera i U– faktora centra stakla.

U_EG = A + B · U_cg₂ + C · U_cg₂    (3)

gde su A, B i C koeficijenti korelacije, koji su navedeni u tabeli 1 za metal, izolacione (uključujući drvo) i spojene distancere stakla i za kombinaciju izolacionih i metalnih distancera. Konstante korelacije za kombinaciju izolacionih i metalnih distancera su izvedene pomoću kompjuterskih simulacija, koje su pokazale da se 85 % dobrih osobina trostrukog zastakljivanja može pripisati izolacionim distancerima.

Tabela 1 Jednačina (2) U–faktor za ivicu stakla

Napomena: A, B i C imaju jedinicu [W/(m²K)]n, gde je n = 1, 0, –1 respektivno.
Približne vrednosti U–faktora ivice stakla kao funkcije U–faktora centra stakla prikazane su na slici 3. Pretpostavlja se da je ivica distancera jednaka sa linijom koja ograničava vidno polje ostakljenja. Prikazane su krive za aluminijumske distancere sa zaptivačima (metalnim) i nemetalnim (izolacionim) distancerima, uključujući staklena vlakna, drvo i butil. Vrednosti za ivice stakla i čelične distancere padaju između vrednosti krivih vezanih za metalne i izolacione distancere. Ovaj efekat ivice se ne događa kod jednostruko zastakljenih jedinica. Za visoko izolaciono ostakljivanje, prenos toplote rubnog kraja, može znatno uticati na povećanje ukupnog koeficijenta prolaza toplote U. Iz tog razloga, za ovaj efekat je potrebno uzeti u obzir podatke o ispitivanjima ili specifične kompjuterske proračune dizajna.

Šta je low–e?

Low–e je višeslojni sistem koji se primenjuje na staklu. Funkcionalni sloj može biti bakar, zlato, aluminijum ili srebro. Ovi funkcionalni slojevi „apsorbuju” otprilike 90 % energije dugotalasnog infracrvenog zračenja koje zraci iz unutrašnjosti prostorije dozračuju na staklenu ploču. Zbog ove apsorbovane energije raste temperatura ovih slojeva. Ovi slojevi imaju nizak faktor emisivnosti ili drugim rečima, oni ne zrače mnogo toplote. Emisioni faktor je otprilike 8,5 puta niži nego onaj koji ima normalno float staklo. Međutim, ovi slojevi, instalirani na staklo će izgubiti svoju toplotu provođenjem na ovo staklo. Pošto je staklo dobilo ovu toplotu ono će je zračiti nazad u prostoriju.

Zato sloj low–e treba da bude na površini 3 izolacione staklene jedinice gledano spolja. Rezultat je znatno manji trošak grejanja, pošto će U vrednost sa low–e pločom biti oko 50 % konvencionalne jedinice iste konfiguracije. Od prethodno navedenih materijala funkcionalnih slojeva, srebro nudi najbolje karakteristike.

Da je funkcionalni sloj sam instaliran na ploču, refleksija bi bila veoma visoka (do 70 %), funkcionalni sloj ne bi bio zaštićen, bio bi izložen mehaničkom i hemijskom oštećenju. Da bi se izbegao ovaj problem, sa svake strane funkcionalnog sloja instaliran je još jedan sloj. Materijali za ove slojeve mogu biti kalajni–oksid, cinkov–oksid, bizmut–oksid itd.
Kalajni–oksid ima najbolje optičke karakteristike, nudi najbolju hemijsku zaštitu i zbog toga je materijal koji se najčešće koristi. Pošto se kalaj topi na 2320 º low–e ploče ne smeju biti izlagane visokim temperaturama, pa temperiranje nije moguće. Preporučuje se maksimalna temperatura 1200 ºC.

Koja površina je prevučena?

Veoma je važno znati u svakom trenutku koja površina je prevučena. Svaka greška će predstavljati trošak. Prvu proveru treba izvršiti pre vađenja ploče iz paketa. Kod low–e, kao i kod reflektujućeg stakla, površina koja je prevučena može se otkriti pomoću Ommetra. Prevučena površina low–e takođe se može odrediti pomoću upaljača za cigarete. Na normalnoj površini stakla boja plamena će biti žuta, a na površini koja je prevučena sa low–e boja plamena će biti bledo ružičasto/plavo. Na slici 4 je pokazana struktura prevlake low–e.

1. kalajni–oksid, 2. srebrni–oksid 3. sloj koji štiti srebrni–oksid pri postavljanju kalajnog–oksida, 4. kalajni–oksid

Terminologija

LT – Transmisija svetlosti. To je odnos svetlosnog fluksa prenesenog kroz staklo prema „incidentnom” svetlosnom spektru (sa spektralnom distri- bucijom između 380 i 780 nm).

LR – Svetlosna refleksija. To je odnos reflektovane svetlosti od strane stakla prema „incidentnom” svetlosnom fluksu.

UV – Ultravioletna transmisija. Deo prenesene ultravioletne radijacije (spektralna oblast između 280 i 380 nm).

DET – Direktna transmisija energije. Procenat Solarnog energetskog fluksa prenesen direktno kroz staklo sa spektralnom distribucijom između 300 i 2150 μm.

ER – Refleksija energije. Procenat energetskog solarnog fluksa inflektovan od strane stakla.

EA – Apsorpcija energije. Procenat solarne energije apsorbovan od strane staklene ili neke druge ploče.

SF – Solarni faktor ili totalni prolaz energije. Odnos ukupnog solarnog toplotnog fluksa koji ulazi kroz staklo i „incidentne” solarne energije. Ukupna energija je suma ulazeće solarne energije direktnom transmisijom (DET) i energije prenesene zračenjem od strane stakla ka unutrašnjosti posle apsorpcije od strane stakla (EA)

Računanja uzimaju u obzir sledeće:

• ugao sunca 30 º iznad horizontale i pravim uglom u odnosu na fasadu
• unutrašnja temperatura jednaka spoljašnjoj
• koeficijenti prelaza toplote: unutrašnji 8 W/m²K, spoljašnji 23 W/m²K

SC – Šading koeficijent. Šading koeficijent se računa deleći solarni faktor sa 0,87 koji je solarni faktor providnog float stakla debljine 3 mm

SWSC – Kratkotalasni Šading koeficijent. Direktan prolaz energije podeljen sa 0,87

LWSC – Dugotalasni Šading koeficijent. Deo apsorbovane energije prenesen ka unutrašnjosti podeljen sa 0,87

U (W/m²K) – vrednost (Evropa). Koeficijent prolaza toplote (baziran na ISO 9050)

„U” – vrednost je računata za koeficijent prolaza toplote: unutrašnji 8 W/m²K, spoljašnji 23 W/m²K, što je niža „U” vrednost manja je količina toplote prenesene kroz materijal stakla

U – vrednost (SRPS standard). Koeficijent prolaza toplote (baziran na uslovima SRPS standarda), izračunat pod sledećim uslovima:

U – vrednost (američki standard). Koeficijent prolaza toplote (baziran na ASHRAE standardu), izračunat pod sledećim uslovima:

RGH – [Šading koeficijent (SC) x 630 W/m²] + [6 ºC x U (vrednost)]

Faktor konverzije za američke jedinice:
1W/m² = 0,317 BTU/ft²
1 W/m²K = 0,176 BTU/hr/ft²/ºF

Piše: Prof. dr Dragan Škobalj, Ivan Nikolić, dipl. inž.