Nowoczesne materiały izolacyjne

Izolacje specjalne

Izolacje transparentne

1. ograniczanie strat ciepła przenikającego z budynku

2. pozyskiwanie ciepła (w niektórych zastosowaniach

również światła) pochodzącego od promieniowania

słonecznego

izolacja transparentna - przepuszczalna

- w odniesieniu do większej części widma

promieniowania słonecznego

Izolacja ta dobrze przepuszcza promieniowanie

krótkofalowe, będące główną składową

promieniowania słonecznego, natomiast trudno

przepuszcza promieniowanie długofalowe

(podczerwone), będące główną składową

promieniowania emitowanego z powierzchni różnych

elementów budowlanych i instalacyjnych oraz

wyposażenia pomieszczeń.

Budowane są jako płyty, w których między dwiema

zewnętrznymi warstwami zawarty układ wielu

drobnych rurek o średnicy kilku mm, wykonanych z

materiałów przeźroczystych dla promieniowania

słonecznego i wypełnionych powietrzem.

Płyty zewnętrzne

chronią materiał

izolacyjny przed

uszkodzeniem,

pociemnione

mogą służyć jako

absorbery przenikającego

przez izolację

promieniowania słonecznego.

Rurki ułożone są obok siebie

przypominają grube plastry miodu.

Komórkowe płyty transparentne: a) kapilarna, b)

ulowa o przekroju kwadratowym, c) ulowa o

przekroju heksagonalnym

(

S. Grabarczyk, 2007)

Przepływ ciepła odbywa się na drodze przewodzenia

i promieniowania. Promieniowanie słoneczne jest

absorbowane przez materiał izolacji, jednakże

znacząca jego część jest transmitowana poprzez

materiał transparentny i pochłaniana na powierzchni

ściany akumulacyjnej przez absorber

W okresie zimowym przy niskim położeniu

słońca, promienie wnikają do środka rurek, a

zawarte w nich nieruchome powietrze

stanowi dodatkowy opór cieplny

Latem przy wysokim położeniu słońca

promienie słoneczne są odbijane od

zewnętrznej powierzchni płyty

Przestrzeń między zewnętrznymi płytami

może być wypełniona granulatem z

porowatego szkła lub aerożelem.

Promienie słoneczne przenikają przez

przeźroczystą warstwę izolacji i nagrzewają

ciemną powierzchnię pochłaniającą do

temperatury 60, 70

Ponieważ izolacja utrudnia wydostawanie się

ciepła na zewnątrz budynku, ściana

magazynuje ciepło, które może oddać do

wnętrza budynku.

Mogą one być zastosowane jako elementy:

–

Przegrody pełnej (nieprzezroczystej), tworzące z

nią

system

zysków cieplnych pośrednich

Stanowią one warstwę przepuszczającą

promieniowanie słoneczne i umożliwiającą

absorpcję energii promieniowania słonecznego

przez układ akumulacyjny lub akumulacyjno-

kolektorowy przegrody

–

Przegrody przeźroczystej, tworzące z nią

system

zysków cieplnych bezpośrednich

i światła

Stanowią warstwę przepuszczającą

promieniowanie słoneczne i światło naturalne do

pomieszczenia, umożliwiając absorpcję energii

promieniowania słonecznego przez przegrody

pomieszczenia i jego wyposażenie oraz

doświetlenie wnętrza światłem rozproszonym

Pomimo zastosowań typowo budowlanych,

izolacje transparentne znalazły zastosowanie

w rozwiązaniach prototypowych różnych

urządzeń wykorzystujących energię

promieniowania słonecznego do celów

grzewczych (tak w systemach powietrznych,

jak i cieczowych) lub przygotowania ciepłej

wody użytkowej.

Pełni ona w nich rolę podobną, jak

w zastosowaniach budowlanych, t.j. elementu

przepuszczającego promieniowanie

słoneczne i ograniczającego straty ciepła ze

struktur, które absorbują ciepło.

Zasada działania izolacji transparentnych,

opiera się na wykorzystaniu efektu

cieplarnianego.

Energia promieniowania słonecznego, po

przejściu przez izolację transparentną

i przemianie w ciepło na absorberze, zostaje

przejęta przez masywną i dobrze

przewodzącą ciepło część przegrody

W zależności od rodzaju zastosowanych

materiałów (ich ciepła właściwego,

przewodności, gęstości i ogólnie pojemności

cieplnej) oraz grubości przegrody, opóźnienie

w przekazywaniu ciepła może wynosić kilka

godzin (może przekroczyć nawet 2 doby)

Przegroda spełnia w tej sytuacji funkcję grzejnika

płaszczyznowego, niskotemperaturowego. Dzięki temu

pojawia się możliwość obniżenia temperatury powietrza w

pomieszczeniu, przy zachowaniu tego samego poziomu

temperatury odczuwalnej

warunki wymiany ciepła w

przegrodzie z izolacją transparentną

są bardziej nieustabilizowane niż ma

to miejsce w przegrodzie z izolacją

tradycyjną. Przedział wahań

temperatury w warstwie izolacji

transparentnej i warstwie masywnej

przegrody może dochodzić do

kilkudziesięciu stopni w ciągu doby.

Charakterystyczna jest również

istotna różnica w wartości i kierunku

przepływu strumienia ciepła między

okresem dziennym i nocnym

Materiały na izolacje transparentne

tworzywa sztuczne

poliwęglan i polimetakrylan metylu (szkło

akrylowe, pleksiglas).

–

Materiały te są odporne na działanie

promieniowania ultrafioletowego (UV)

–

odporność na temperaturę

szkło akrylowe - do 90

poliwęglan do do 140

–

Mają dużą wytrzymałość mechaniczną, szczególnie

w układach przypominających strukturę

plastra

miodu –

honey comb

–

Gęstość pozorna struktur z tworzyw sztucznych

od 25 do 40 kg/m

Szkło

–

niepalne,

–

odporne na działanie promieni UV

–

wytrzymuje temperatury do 500

C. (m.in. do

izolacji kolektorów słonecznych)

–

coraz powszechniej stosowane są szyby z

powłokami o niskiej emisyjności, co dodatkowo

poprawia parametry izolacyjne zestawów

izolacji transparentnej, osłoniętych szybami.

–

Gęstość pozorna struktur transparentnych ze

szkła

z reguły jest dwa razy większa, w porównaniu

do tworzyw sztucznych (ok.100 kg/m

)

–

Jako wypełnienie paneli doświetleniowych

rozpraszających promieniowanie słoneczne

stosowane bywa włókno szklane

Aerożele

–

dyfuzyjne rozpraszanie promieniowania

słonecznego (widziany przez nie obraz jest

mglisty),

–

niepalne, nietoksyczne, odporne na temperatury

do 1200

–

zachowują stałe właściwości w zakresie

przepuszczalności promieniowania słonecznego,

niezależnie od kąta padania promieniowania

słonecznego (średnica porów jest mniejsza od

długości fali promieniowania widzialnego)

Próbka granulatu aerożelu firmy Cabot Aerogel
wraz z powiększeniem mikroskopowym struktury materiału

www.cabort-corp.com

Przepuszczalność światła zależna jest od grubości

warstwy aerożelu i jednorodności ziaren

(praktycznie możliwe jest osiągnięcie przejrzystej

warstwy aerożelu).

W przypadku płytek aerożelowych o grubości 10 mm

może wynosić nawet 85¸ 94 %. Natomiast panele

wypełnione

granulatem aerożelu

o grubości 13 mm

charakteryzują się

przepuszczalnością światła

rzędu 73 %, a przy grubości

64 mm już tylko 21 %.

Doskonała izolacyjność

cieplna - płyta aerożelu

grubości 2 cm może zastąpić

płytę o strukturze kapilarnej

grubości 10 cm.

Panel z PC wypełniony aerożelem
firmy Cabot Aerogel
(granulat)

www.cabort-corp.com

Celuloza

–

zaliczana jest do grupy materiałów ekologicznych

–

jest stosunkowo niedroga

–

wykonywane z niej są struktury typu „plaster

miodu” produkowane z kartonu, powstającego

przy wykorzystaniu makulatury. Karton

stosowany w izolacjach transparentnych może

być barwiony w różnych kolorach.

–

struktury papierowe charakteryzują się bardzo

dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi.

Próbka izolacji transparentnej celulozowej firmy Gap-Solar GmbH barwiona
i osłaniana np. szkłem strukturalnym www.gap-solar.at

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

Izolacje próżniowe – (krogeniczne,

wysokotemperaturowe)

Obecnie pojęcie kriogenika stosuje się na

określenie metod uzyskiwania i

wykorzystywania temperatur niższych od

120 K, a dokładnie 111,1 K, tj.

temperatury wrzenia metanu pod

ciśnieniem normalnym.

Większość instalacji i systemów

kriogenicznych związanych jest bądź ze

stosowaniem ciekłego helu o normalnej

temperaturze wrzenia 4,2 K bądź ciekłego

azotu o temperaturze 77,3 K.

Skroplenie tych gazów, ich transport i

wykorzystywanie wymaga stosowania

wysokoefektywnych izolacji cieplnych,

o parametrach niespotykanych w

wyższych zakresach temperatury

Istotą działania izolacji próżniowej jest

obniżanie zdolności przewodzenia

ciepła przez rozrzedzane gazy.

Po zmniejszeniu ciśnienia gazu poniżej

pewnego poziomu, ilość

przewodzonego ciepła przez ten gaz

jest wprost proporcjonalna do jego

ciśnienia.

W konsekwencji, uzyskując

odpowiednio niskie ciśnienie (10-5 Pa),

można w przestrzeni oddzielającej

kriogen od otoczenia uzyskać warunki,

w których ilość przewodzonego ciepła

przez gaz staje się pomijalnie mała.

Rozwiązania izolacji próżniowych

umieszczenie w przestrzeni próżniowej

proszków ograniczających ruch gazu w

przypadku degradacji próżni (izolacje

proszkowo-próżniowe

)

stosowanie wielu warstw ekranów

radiacyjnych ograniczających

promieniowanie oraz zapewniających

skuteczność izolacji w warunkach słabej

próżni (

wielowarstwowa izolacja

próżniowa)

charakteryzuje się największą

skutecznością - superizolacja

wypełnienie przestrzeni próżniowej

kulkami szklanymi o średnicach od kilku do

kilkuset mikronów (nowa)

Obserwuje się tendencje zastępowania

izolacji proszkowo-próżniowych izolacjami

wielowarstwowymi (spadek kosztów

wykonania takiej izolacji, początkowo

stosowanej jedynie w

niskotemperaturowych urządzeniach

badawczych oraz kosmicznych)

Obecnie są przedmiotem zainteresowania

przemysłu

Prowadzone badania nad możliwością

wykorzystania wodoru jako paliwa w

środkach transportu, spowodowały wzrost

zainteresowania firm motoryzacyjnych

nowoczesnymi i nadającymi się do masowej

produkcji izolacjami kriogenicznymi

Izolacje dynamiczne

Idea izolacji dynamicznych polega na

wykorzystaniu strumienia powietrza np.

powietrza wentylacyjnego,

przypływającego przez porowatą izolację

do odzyskania części ciepła przenikającego

przez przegrodę budowlaną.

Oszczędności ciepła (w porównaniu z

izolacją klasyczną) zależą od kubatury

pomieszczeń i ich potrzeb wentylacyjnych

oraz od stosunku zewnętrznej powierzchni

z izolacją dynamiczną do całkowitej

zewnętrznej powierzchni wymieniającej z

otoczeniem

Ze względu na strukturę izolacji rozróżnia się

izolację

parietodynamiczną

- świeże

powietrze napływa lub wywiewane wypływa

poprzez równoległe kanały umiejscowione

między warstwami tworzącymi przegrodę lub

jej osłonę.

w izolacji

permeodynamicznej

powietrze

wentylacyjne przepływa poprzez materiał

porowaty (np. wełnę mineralną) w kierunku

prostopadłym do przegrody.

Kierunek przepływu powietrza może być

zgodny (izolacje współprądowe) lub

przeciwny (przeciwprądowe) w stosunku do

spadku temperatury w przegrodzie.

W przegrodach tego typu ważna jest

ochrona przegrody od strony

zewnętrznej od zmian ciśnienia i

powstawania wirów, które zaburzają

równomierny przepływ powietrza przez

całą powierzchnię.

Ze względu na niewielkie wymiary

porów czy kanałów w izolacjach

dynamicznych przepływ powietrza ma

zazwyczaj charakter laminarny i w

związku z tym strumień

przepływającego przez przegrodę

powietrza jest proporcjonalny do różnicy

ciśnienia po obydwu stronach przegrody

Efektywność cieplna izolacji

dynamicznej jest określana prze tzw.

dynamiczny współczynnik

przenikania ciepła,

zdefiniowany jako

strumień ciepła przejmowany od

zewnętrznej powierzchni izolacji

pomniejszony o entalpię napływającego

powietrza, mierzoną na tej powierzchni,

przypadającą na jednostkę powierzchni

przegrody i jednostkową różnicę

temperatury między wnętrzem

pomieszczenia a otoczeniem

Document Outline