2016-04-01

1

Opracowała: dr inż. Teresa Rucińska

http://www.umwelt-wand.de/ti/press/picproj.html http://www.migutmedia.pl/kfoe/prezentacje/1150_KAPE.pdf

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;

2016-04-01

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/(m2·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);

2016-04-01

3

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

Latem Zimą

Tynk szklany

2016-04-01

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 90oC

(poliwęglan zachowuje swoje właściwości w temp. do

140oC)

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/m3.

Szkło

Szkło charakteryzuje się bardzo korzystnymi parametrami dla

struktur izolacji transparentnej z uwagi na:

niepalność,

odporność na działanie promieni UV,

odporność na temperaturę do 500oC.

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

2016-04-01

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/(m2/K) – co oferuje zupełnie

nowy zakres ich stosowania.

Aerożele krzemionkowe

Aerożele charakteryzują się:

dużą porowatością, która może przekraczać nawet 98%,

małą gęstością objętościową – od 8 do 80kg/m3).

http://gallery.astronet.pl/images/02079.jpg

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 25nm,

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

0,014mm, taśm i płyt.

Rys. Próbka granulatu aerożelu firmy Cabot Aerogel wraz z powiększeniem

mikroskopowym struktury materiału;

Źródło: www.cabort-corp.com

2016-04-01

6

P100/P400 P200 P300

Zakres wielkości

granulek

0,01-4,00mm 0,01-

1,20mm

1,20-

4,00mm Średnica porów ~20nm

Porowatość 90%

Gęstość granulek 120-180kg/m3

Gęstość nasypowa 80-100 kg/m3 75-95

kg/m3

65-85

kg/m3 Zwilżalność

powierzchniowa Całkowita hydrofobowość

Rys. Tkanina z włókien poliestrowo-

polietylenowych z udziałem aerożelu firmy

Cabot Aerogel

Zastosowanie:

• Izolacje w budownictwie

• Izolacje ropociągów

• Izolacje gazociągów

Standardowa grubość tkaniny 3,5mm/6mm/8mm (możliwa inna

grubość na zamówienie)

Standardowa szerokość rolki 56cm

Długość rolki do 100m

Gęstość ok. 70kg/m3

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

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 8594%.

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

Aerożele są całkowicie niepalne, nietoksyczne, odporne na

bardzo wysokie temperatury (do 1200oC).

http

://w

ww

.aero

gels

.pl/

pl/

czym

-jest

-aero

gel

http

://w

ww

.aero

gels

.pl/

pl/

czym

-jest

-aero

gel

2016-04-01

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

2016-04-01

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: 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)

2016-04-01

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.

2016-04-01

10

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.

1

Panel słoneczny RymSol

2 3

4

1. Ramka

2. Poliwęglan komorowy

3. Izolacja RymSol

4. Mur zewnętrzny

Wymiary: 100 x 60 x 19 cm

Izolacja: wełna mineralna (skalna)

Warstwa zewnętrzna: poliwęglan komorowy lub szkło

Waga: 17 kg/m2

Absorpcja słoneczna: do 40%

Izolacyjność: do 0,4W/m2 K, najczęściej 0,2W/m2 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

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.

OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE

Wariant I:

Styropian

Wełna

mineralna

Panele

StoSolar

U [W/(m2K)] 0,21 0,22 0,42

Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3

0,000,050,100,150,200,250,300,350,400,45

U [

W/(

m2K

)]

Mur z cegły pełnej gr. 38cm - termoizolacja gr. 16cm

Styropian Wełna mineralna Panele RymSol

U [W/(m2K)] 0,18 0,19 0,18

Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

U [

W/(

m2K

)]

Mur z cegly pełnej gr. 38cm - termoizolacja gr. 19cm

Zestawienie wartości

współczynnika

przenikania ciepła

poszczególnych

grubości termoizolacji

w odniesieniu do

wymaganej wartości

Umax

2016-04-01

11

Styropian Wełna mineralna Panele RymSol

U [W/(m2K)] 0,13 0,13 0,13

Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

U [

W/(

m2K

)]

Mur z pustaków ceramicznej porotherm gr. 38cm –

termoizolacja gr. 19cm

Styropian Wełna mineralna Panele StoSolar

U [W/(m2K)] 0,15 0,15 0,22

Umax [W/(m2K)] 0,3 0,3 0,3

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

U [

W/(

m2K

)]

Mur z pustaków ceramicznej porotherm gr. 38cm –

termoizolacja gr. 16cm

OBLICZENIA CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWE

Wariant II:

Zestawienie wartości

współczynnika

przenikania ciepła

poszczególnych

grubości termoizolacji

w odniesieniu do

wymaganej wartości

Umax

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.

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

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

Ueq [

W/(

m2K

)]

Godzina

Wartości dobowego (15.01.13r.) równoważnego współczynnika przenikania

ciepła przegrody z izolacją transparentną

Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek

Równoważny współczynnik przenikania ciepła

z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata

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

-0,71

-0,39

0,04 0,23 -0,03

-0,40 -0,53

-1,02

-1,36

-1,50

-1,40

-1,30

-1,20

-1,10

-1,00

-0,90

-0,80

-0,70

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

Ueq [

W/(

m2K)]

Miesiąc

Średnie miesięczne wartości równoważnego współczynnika przenikania ciepła

przegrody z izolacją transparentną

Równoważny współczynnik przenikania ciepła

z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata

Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek

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

-0,60

-0,50

-0,40

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

Ueq [

W/(

m2K

)]

Strona świata

Średnie sezonowe wartości równoważnego współczynnika przenikania ciepła

przegrody z izolacją transparentną

Autor obliczeń : inż. Mateusz Dudek

Równoważny współczynnik przenikania ciepła

z uwzględnieniem zorientowania obiektu względem stron świata

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/m2, najniższy

około 200 euro/m2. 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

2016-04-01

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