Zasady działania i materiały stosowane w strukturach izolacji transparentnych

Izolację transparentną zaliczyć można do grupy izolacji cieplnych. Swoimi właściwościami odbiega jednak znacząco od typowych materiałów będących izolacjami cieplnymi stosowanymi w przegrodach zewnętrznych pełnych. Materiał ten daje możliwość nie tylko ograniczania strat ciepła przenikającego z budynku, ale również stwarza możliwość pozyskiwanie ciepła (w niektórych zastosowaniach również światła) pochodzącego z promieniowania słonecznego. Określenie - transparentna - tłumaczyć należałoby w tym przypadku nie jako przezroczysta, lecz jako przepuszczalna, w odniesieniu do większej części widma promieniowania słonecznego, a nie tylko jej części związanej z promieniowaniem świetlnym. Wiąże się to z tym, iż przezroczystość tym materiałów, w odniesieniu do przepuszczania widma widzialnego promieniowania słonecznego, jest mocno zróżnicowana, natomiast jedną z głównych ich zalet jest przepuszczalność (również zróżnicowana w pewnym zakresie) energii cieplnej promieniowania słonecznego. Izolacja ta podobnie jak inne struktury przepuszczające promieniowanie cieplne, 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.

Struktura izolacji transparentnych tworzy swoistego rodzaju „pułapkę” dla promieniowania słonecznego, padającego na nie i przepuszczanego, czy to w stronę elementów akumulacyjno-kolektorowych, czy też pomieszczeń budynku. Z tego też względu zachowanie się tego materiału, szczególnie tworzącego strukturę kapilarną, przypomina działanie światłowodu lub określane bywa terminem diody cieplnej. Promieniowanie słoneczne wpadając w taką strukturę, dzięki jej właściwościom kierowane jest w założonym kierunku. Energia promieniowania słonecznego (krótkofalowego), które przedostanie się przez izolację transparentną, zostaje zaabsorbowana przez elementy przegrody budowlanej, elementy instalacyjne lub elementy wyposażenia pomieszczenia. Emitowana następnie z powierzchni tych elementów w zakresie podczerwieni, ma trudności z wydostaniem się do otoczenia zewnętrznego.

Wśród różnych wariantów zastosowania izolacji transparentnych można wyodrębnić dwa diametralnie różne miejsca i różne efekty ich działania. Mogą one być zastosowane jako elementy:

• Przegrody pełnej (nieprzezroczystej), tworzące z nią system zysków cieplnych pośrednich (przegroda zewnętrzna nieprzezroczysta połączona z izolacją transparentną). Stanowią one warstwę przepuszczającą promieniowanie słoneczne i umożliwiającą absorpcję energii promieniowania słonecznego przez układ akumulacyjny lub akumulacyjno-kolektorowy przegrody.

• Przegrody przezroczystej, tworzące z nią system zysków cieplnych bezpośrednich i światła (przegroda zewnętrzna przezroczysta z izolacją transparentną). Stanowią one tu 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.

W okresach przerw w dopływie promieniowania słonecznego np. pora nocna, jak i również w okresie dziennym, kiedy przepływa przez nią promieniowanie słoneczne, izolacja ta, dla obydwu wymienionych wyżej systemów, spełnia drugą przewidzianą dla niej funkcję, tj. typowej izolacji cieplnej, ograniczającej straty ciepła. W związku z tym, w terminie - izolacja transparentna - pod pojęciem izolacja, należy rozumieć izolację cieplną, a pod określeniem transparentna, izolację przepuszczalną dla promieniowania słonecznego.
 
Pomimo zastosowań typowo budowlanych, izolacje transparentne znalazły zastosowanie lub proponowane są do zastosowania 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.

PRZENOSZENIE CIEPŁA W STRUKTURACH WYKORZYSTUJĄCYCH IZOLACJE TRANSPARENTNE

Klasycznym przykładem zastosowania izolacji transparentnej nawiązującym do zastosowania tradycyjnej izolacji cieplnej jest dwuwarstwowa konstrukcja ściany zewnętrznej, z warstwą izolacyjną umieszczoną od strony zewnętrznej (rys. 1). W przypadku typowej izolacji cieplnej zastosowanej na zewnątrz ściany zewnętrznej, praktycznie nie jest możliwe wykorzystanie zysków ciepła promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię przegrody, ponieważ zewnętrzna powłoka przegrody odbija znaczącą część padającego na nią promieniowania a pochłanianie przez przegrodę energii jest znikome, ze względu na słabą zdolność akumulacyjną materiału izolacyjnego. Energia promieniowania słonecznego przejęta przez nieprzezroczyste przegrody zewnętrzne w minimalnym stopniu obniża straty ciepła budynku, gdyż praktycznie natychmiast po ustaniu oddziaływania promieniowania słonecznego, zgromadzone w przegrodach ciepło, oddawane jest do otoczenia zewnętrznego. W związku z tym, w metodach bilansowania przepływu ciepła w tego typu przegrodach dla dłuższego okresu czasu (doby, miesiąca, sezonu grzewczego) ten zysk jest pomijany. Przyjmuje się, iż jest on porównywalny wartościowo do strat ciepła promieniowania długofalowego powierzchni przegród. Przy tym wraz z poprawą właściwości izolacyjnych warstwy zewnętrznej, zmniejszania gęstości stosowanych materiałów potencjalne zyski ciepła maleją.

Innym miejscem zastosowania izolacji transparentnej jest wykorzystanie jej jako wypełnienia przegrody przezroczystej. Ten sposób wykorzystania izolacji transparentnych wydaje się być obecnie dominującym spośród innych jej zastosowań. Rozwiązanie to daje możliwość powstania zysków cieplnych bezpośrednich (w formie biernego ogrzewania pomieszczeń), przy czym bardziej zrównoważonych w ciągu roku, niż ma to miejsce w przypadku przegród o bardzo dobrej przepuszczalności promieniowania słonecznego. Dzięki temu ulega zmniejszeniu zapotrzebowanie na ciepło budynku w okresie grzewczym i zapotrzebowanie na chłód w okresie letnim. Ma to szczególne znaczenie w odniesieniu do budynków klimatyzowanych. Natomiast druga właściwość izolacji transparentnych polegająca na rozpraszaniu światła naturalnego wydaje się być tą, która powoduje, iż izolacje te są coraz częściej stosowane jako elementy gwarantujące równomierne doświetlenie pomieszczeń światłem dziennym.

Transparentne izolacje cieplne stwarzają warunki do zatrzymania, przechowania przez pewien czas oraz skierowania do ogrzewanego pomieszczenia ciepła zaabsorbowanego przez przegrodę pełną lub system kolektorowo-akumulacyjny.

Rys.1. Porównanie wymiany ciepła przez zewnętrzną przegrodę budowlaną z izolacją cieplną tradycyjną i izolacją transparentną

W związku z tym, materiał ten pozwala połączyć ideę systemu biernego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego, z ideą zapewnienia dobrych właściwościach termoizolacyjnych przegród zewnętrznych. Zastosowanie izolacji termicznej transparentnej pozwala na pozyskiwanie przez budynek ciepła pochodzącego od promieniowania słonecznego nie tylko przez elementy przezroczyste (okna, przybudówki szklarniowe, oszklone werandy i inne przeszklenia, ale również przez przegrody pełne. W przypadku ściany zewnętrznej osłoniętej izolacją transparentną, promieniowanie słoneczne przepływając przez transparentny materiał izolacyjny, trafia z reguły na czarną powierzchnię absorbera. Na absorberze dokonuje się zamiana energii promieniowania słonecznego na użyteczne ciepło. Zasada działania izolacji transparentnych, podobnie jak i innych pasywnych systemów pozyskiwania ciepła promieniowania słonecznego, 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. Pozyskane w ten sposób ciepło pozostaje wewnątrz przegrody i w efekcie przewodzenia jest przekazywane do wnętrza budynku. Zdolności magazynowania ciepła, jakie wykazują masywne przegrody budowlane powodują, że znaczna część ciepła może być oddawana równomiernie i z pewnym opóźnieniem, w czasie. W zależności od rodzaju zastosowanych materiałów (ich ciepła właściwego, przewodności, gęstości i ogólnie pojemności cieplnej) oraz grubości przegrody, opóźnienie to może wynosić kilka godzin. Przeprowadzone symulacje wykazują, iż czas, po jakim przegroda z izolacją transparentną całkowicie odda zmagazynowane ciepło, w okresach, kiedy występuje brak bezpośredniego promieniowania słonecznego, może przekroczyć nawet 2 doby.
Przepływ ciepła wytworzonego na absorberze do pomieszczeń, powoduje odwrócenie kierunku przepływu strumienia ciepła w przegrodzie. Następuje on od absorbera do wewnątrz, przeciwnie jak ma to miejsce w przegrodach z izolacją tradycyjną. Efektem tego jest, występowanie wyższej temperatury na powierzchni przegrody od strony pomieszczenia, niż ma to miejsce w przypadku rozwiązań konwencjonalnych (rys. 2).  

Rys. 2. Porównanie przebiegu temperatury w przekroju przegrody z izolacją transparentną i tradycyjną izolacją cieplną

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. W rezultacie obniżenia temperatury, do której należy ogrzać powietrze w pomieszczeniu, czy też zaprogramować układ sterujący ogrzewaniem, w budynku wyposażonym w tego rodzaju system izolacyjny można uzyskać dodatkowe oszczędności w zużyciu energii na cele grzewcze.

Rys. 3. Porównanie orientacyjnego rozkładu gęstości strumienia ciepła w przekroju przegrody z izolacją transparentną i tradycyjną izolacją cieplną, w porze dziennej i nocnej

Jak wynika z wykresów (rys. 2 i 3) 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 (rys. 3). W szczególności w okresie doby, może ulec zmianie na przeciwstawny kierunek przepływu ciepła w warstwie akumulacyjnej przegrody.

MATERIAŁY STOSOWANE W STUKTURACH WYKORZYSTUJĄCYCH IZOLACJE TRANSPARENTNE

Elementy budowlane utworzone z izolacjami transparentnych z reguły charakteryzują się podobnymi, a niejednokrotnie znacznie lepszymi właściwościami izolacyjnymi, jakie uzyskiwane są we współczesnych rozwiązaniach zestawów szyb okiennych. Generalnie zapewniają one dobrą izolacyjność cieplną, przy zabezpieczeniu odpowiedniej przepuszczalności fal elektromagnetycznych w zakresie promieniowania słonecznego. Materiały te, w odróżnieniu od szyb okiennych, nie wykazują się zazwyczaj dobrą przezroczystością.

Materiały wykorzystywane w izolacjach transparentnych redukują straty ciepła do otoczenia na trzy sposoby:

• zmniejszają straty ciepła przez przewodzenie - podobnie, jak ma to miejsce w innych materiałach termoizolacyjnych, ponieważ właściwy materiał izolacji stanowi niewielki udział w całej strukturze - ponad 95 % objętości może przypadać na powietrze lub inny gaz;

• uniemożliwiają powstawanie konwekcji wewnątrz izolacji - struktura materiału tworzy tak małe przestrzenie wypełnione gazem, że wewnętrzny przepływ powietrza czy też gazu zredukowany jest do minimum;

• redukują straty ciepła przez promieniowanie - stosowane materiały charakteryzują się ograniczoną znacznie zdolnością transmisji promieniowania cieplnego długofalowego, albo potrafią je absorbować.

Tworzywa sztuczne

Najczęściej wykorzystywane do produkcji izolacji transparentnych tworzywa sztuczne to poliwęglan (rys. 4) i polimetylometakryl (szkło akrylowe, pleksiglas). Materiały te są odporne na działanie promieniowania ultrafioletowego (UV) i posiadają wystarczając wysoką odporność na temperatury panujące w systemach izolacji transparentnych. Szkło akrylowe odporne jest na temperatury maksymalnie do 90 oC, natomiast poliwęglan zachowuje swoje właściwości w temperaturach do 140 oC. Tworzone z tych materiałów struktury charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną, szczególnie w układach przypominających strukturę plastra miodu - honey comb. Gęstość pozorna struktur z tworzyw sztucznych mieści się w granicach 25 ¸ 40 kg/m3.

Rys. 4. 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 absorpcyjnej

Szkło

Szkło charakteryzuje się bardzo korzystnymi parametrami dla struktur izolacji transparentnej, ponieważ jest całkowicie niepalne, odporne na działanie promieni UV i wytrzymuje temperatury do 500oC. Dzięki tym właściwościom (szczególnie dzięki odporności na wysoką temperaturę) jest wykorzystywane m.in. do izolacji kolektorów słonecznych. We współczesnych rozwiązaniach budowlanych coraz powszechniej stosowane są szyby z powłokami o niskiej emisyjności, co dodatkowo poprawia parametry izolacyjne zestawów izolacji transparentnej, osłoniętych szybami. Gęstość pozorna struktur transparentnych tworzonych ze szkła z reguły jest dwa razy większa, w porównaniu do tworzyw sztucznych i kształtuje się na poziomie 100 kg/m3. Jako wypełnienie paneli doświetleniowych rozpraszających promieniowanie słoneczne stosowane bywa włókno szklane.

Aerożele krzemionkowe

Aerożele charakteryzują się dużą porowatością, która może przekraczać nawet 95 %, oraz małą gęstością (8 ¸ 80 kg/m3). Są jednymi z najlepszych izolatorów cieplnych (współczynnik przewodzenia ciepła kształtuje się między 0.012 a 0.018 W/(m K)). Dzięki tym właściwościom płyta aerożelu grubości 2 cm może zastąpić płytę o strukturze kapilarnej grubości 10 cm. Cząsteczki krzemionki mają zazwyczaj wymiary 2 ¸ 5 nm. Natomiast wymiary porów mieszczą się w granicach 20 ¸ 50 nm. Ze względu na zastosowaną do ich wymiarowania jednostkę miar terminem nanogel, firma Cabot Aerogel nazwała wytwarzany przez siebie aerożel. Jest on produkowany tam m.in. w postaci granulek wielkości 2 ¸ 6 mm (rys. 5).

Rys. 5. Próbka granulatu aerożelu firmy Cabot Aerogel wraz z powiększeniem mikroskopowym struktury materiału Źródło: strona internetowa www.cabort-corp.com

Zaletą aerożeli jest dyfuzyjne rozpraszanie promieniowania słonecznego (przez co widziany przez nie obraz jest mglisty), a właściwości optyczne zależą w głównej mierze od grubości elementu i jednorodności ziaren (praktycznie możliwe jest osiągnięcie przejrzystej warstwy aerożelu). Interesującą właściwością struktur aerożelowych jest zachowanie stałych właściwości w zakresie przepuszczalności promieniowania słonecznego, niezależnie od nachylenia elementu i orientacji względem stron świata, a więc kąta padania promieniowania słonecznego. Dzieje się tak dzięki temu, że średnica porów jest mniejsza od długości fali promieniowania widzialnego. stosunkowo dobrą przepuszczalnością promieniowania słonecznego, zależną w znacznej mierze od grubości warstwy.  Przepuszczalność światła zależna jest od grubości warstwy aerożelu. W przypadku płytek aerożelowych o grubości 10 mm może wynosić nawet 85 ¸ 94 %. Natomiast panele wypełnione granulatem aerożelu (rys. 6) o grubości 13 mm charakteryzują się przepuszczalnością światła rzędu 73 %, a przy grubości 64 mm już tylko 21 %.

Rys. 6. Ilustracje paneli z poliwęglanu wypełnionych aerożelem firmy Cabot Aerogel Źródło: strona internetowa www.cabort-corp.com

W przypadku tradycyjnych struktur przezroczystych (zestawy szyb, w tym również z różnym wypełnieniem gazowym) przepuszczalność promieniowania słonecznego, zależna od kąta padania promieni słonecznych. Aerożele są całkowicie niepalne, nietoksyczne, odporne na bardzo wysokie temperatury (do 1200 oC).
Aerożele krzemionkowe są również dobrym izolatorem akustycznym, fale dźwiękowe rozchodzą się w tym ośrodku z prędkością tylko 100 m/s. Produkowane obecnie aerożele mają niestety poważne wady: są kruche i nieodporne na działanie wody, która niszczy ich wewnętrzną strukturę. Powoduje to, że nie są one jeszcze wykorzystywane na szeroką skalę. Badania nad nimi są prowadzone i zmierzają w kierunku wyeliminowania tych wad, ograniczających znacznie ich powszechne zastosowanie w strukturach cieplnych izolacji transparentnych.

Celuloza

Materiał ten charakteryzuje się dwoma poważnymi atutami, zaliczany jest do grupy materiałów ekologicznych i jest stosunkowo niedrogi. Wykonywane z niego są struktury typu „plaster miodu” (rys. 7) produkowane z kartonu, powstającego przy wykorzystaniu makulatury. Karton stosowany w izolacjach transparentnych może być barwiony w różnych kolorach. Struktura plastra miodu z kartonu nie jest na tyle przezroczysta jak w przypadku innych izolacji transparentnych (rys. 8). Natomiast dzięki właściwością zastosowanego materiału pełni nie tylko funkcję izolacyjną ale również pełni funkcję absorbera pochłaniającego energię promieniowania słonecznego. Struktury papierowe charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami termoizolacyjnymi.
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.

Rys. 7. Próbka izolacji transparentnej celulozowej produkowanej firmę Gap-Solar GmbH barwiona i osłaniana np. szkłem strukturalnym Źródło: strona internetowa www.gap-solar.at

 

Rys. 8. Celulozowa izolacja transparentna firmy Gap-Solar GmbH w panelu izolacyjnym ograniczającym dopływ światła i mającym za zadanie ograniczenie kontaktu wizualnego Źródło: strona internetowa 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.

Dr inż. Adam UJMA
Politechnika Częstochowska

---