1.Wstęp
Stała tendencja poszukiwania rozwiązań energooszczędnych w budownictwie przynosi efekty w postaci wciąż ulepszanych rozwiązań konstrukcyjnych i materiałowych. Aktualne zapotrzebowanie i zużycie energii w budownictwie w krajach uprzemysłowionych jest nadmierne - wynosi ok.40-50% zużycia globalnego -zwłaszcza w rejonach gdzie przeważa budownictwo niedostosowane do obecnych wymagań oszczędności energii. Dotyczy to głównie zasobów budowlanych starych lub modernizowanych nieracjonalnie / co ma miejsce nawet obecnie zarówno u nas jak i w innych w krajach /. Związanymi zagadnieniami są: wyczerpywanie się zasobów paliw naturalnych, wymagania ochrona środowiska dążące do ograniczenia emisji produktów spalania, a w efekcie końcowym -konieczność ograniczenie wpływu działalności gospodarczej ludzi na zmieniający się niekorzystnie klimat.
Poszukiwania energooszczędnych materiałów budowlanych prowadzone są od lat /poniżej przedstawione rozwiązanie opracowywane było od około 20 lat/ i to wielokierunkowo. Szczególnie na nowe rozwiązania oczekuje budownictwo znacznie przeszklone, dlatego duże potrzeby i zaangażowanie środków na całym świecie na rozwój technologii i badania wiążą się z oszkleniami budowlanymi, a w szczególności dotyczą rozwoju technologii szyb VIG -Vacuum Isolating Glazing, t.j z zastosowaniem w szybie zespolonej wewnętrznej próżni.
Celem poszukiwań jest opracowanie koncepcji lekkiej, względnie niedrogiej przegrody szklanej dorównującej w zakresie przenikania ciepła, właściwościom przegrody typu „opak” t.j. nieprzezroczystej, dobrze zaizolowanej termicznie. Stan obecny rozbieżności między właściwościami przegrody szklanej i nieprzezroczystej charakteryzują poniższe dane.
Izolacyjność przegrody budowlanej tzw. nieprzeziernej obecnie możliwa jest nawet do osiągnięcia o wartości 0,15 W/m 2 K. Współczynnik przenikania ciepła U= 0,3 - 0,5 W/m 2K – jest już standardowy w budownictwie jednorodzinnym / podczas gdy dla szyb zespolonych jednokomorowych najniższa osiągalna wartość U g wynosi ok. 0,8 W/m 2K. Niższe wartości osiągalne są jedynie dla szyb dwukomorowych .Najkorzystniejsze wartości wspł. przenikania ciepła obecnie stosowanych szyb zespolonych są rzędu: U g = 1,0-1,4 W/m 2K, w zależności od wypełnienia komór powietrzem, argonem lub kryptonem i w zależności od rodzaju powłok niskoemisyjnych. Dla przegród budowlanych o konstrukcji szkło-metal wspł. przenikania ciepła wynosi w przeciętnie około U=1,1 W/m 2K (choć przy zastosowaniu profili łączonych drewniano-metalowych możliwe jest uzyskanie wspł. U przegrody budowlanej nawet o wartości ok. 0,95-0,93 W/m 2K}. Jeszcze niższe wartości wspł. U przegrody szklanej magają oprócz wypełnienia komory międzyszybowej gazami szlachetnymi budowy dwukomorowej -co sprawia , że szyby są ciężkie, kosztowne a ich własności termiczne pogarszają się wraz z upływem czasu. Większość istniejących oszkleń okiennych należących do tzw. starych zasobów, charakteryzuje się wspł. przenikania ciepła o wartości U g= 2,6 W/m 2K, a często jeszcze znacznie więcej. Tak więc jest niezwykle istotne jaka jest izolacyjność termiczna oszkleń i okien aktualnie podlegających wymianie, które będą użytkowane przez najbliższych kilkanaście lub kilkadziesiąt lat.
2. Informacje ogólne o szybach z vacuum
2.1 Założenia
Założenia wyjściowe dla poszukiwania praktycznego rozwiązania szyb VIG są następujące:
- istotne polepszenie współczynnika przenikania ciepła w stosunku do technologii
obecnie stosowanych , a więc dążenie do uzyskania U g= 0,4 – 1,0 W/m 2K,
- wykorzystanie do budowy szyb w zasadzie darmowego czynnika jakim jest próżnia powietrza,
- poprawa izolacyjności termicznej szyby zespolonej bez zwiększenia jej ciężaru / t.j. szyba o ciężarze porównywalnym z tradycyjnymi szybami izolacyjnymi jednokomorowymi i znacznie niższym od ciężaru szyb IG wielokomorowych /,
- w procesie produkcji wyeliminowanie użycia kosztownych gazów szlachetnych do wypełnienia komory szyby IG,
- wymóg opracowania takiej technologii produkcji, która umożliwiałaby wprowadzenie szyb VIG do powszechnego stosowania.
Pozornie duża rozpiętość planowanej wartości U g szyb z vacuum wynika z założeń przyjętych przez projektantów i
związana jest z planowanym ich zastosowaniem . Szyby o współczynniku przenikania ciepła równym 1,-1,1 W/m 2K
przeznaczone będą głównie do okien wymienianych w starych zasobach budowlanych.
Schematycznie idea szyb VIG przedstawiona jest na rys. 2 /rysunek pochodzi z publikacji prof. S. Glaser’a -poz.2 spisu literatury/.
2.2 Wymagania techniczne i funkcjonalno-użytkowe stawiane szybom VIG
Podstawowe wymagania dla szyb VIG są następujące:
-trwałe zespolenie obrzeży-jest to bezwzględnie wymóg podstawowy,
-bezpieczne warunki produkcji-/ np. tunel próżniowy/,
-potrzeba eliminacji resztkowej wilgoci z komory szyby w warunkach produkcji,
-dostępność szyb o różnych wielkościach /dowolnych wymiarach gabarytowych/ lub odpowiadających istniejącym oknom poddawanym termorenowacji,
-umiarkowana cena /niewiele odbiegająca od szyb tradycyjnych IG/,
- potrzeba produkowania szyb w pełnym asortymencie /także z użyciem szyb z powłokami/, a więc :
izolacyjnych
przeciwsłonecznych
bezpiecznych
izolujących akustycznie
-wymagana znaczna trwałość /20 lub 30 lat/,
- stosowanie trwałych elementów dystansowych zapewniających stały dystans między szybowy,
Jako trwałe obrzeże rozważane bywają trzy warianty:
a) szyba monolityczna -obrzeże całoszklane,
b) obrzeże lutowane,
c) obrzeże klejone.
Duże trudności wykonawcze stanowią szyby z naniesionymi powłokami metalicznymi oraz szyby klejone, które stanowią
niemalże podstawowy asortyment jako tzw. oszklenia wielofunkcyjne w nowoczesnych oszkleniach okiennych / szczególnie dachowych/ i elewacjach znacznie przeszklonych.
W normie EU na szyby zespolone przewidziane jest jako jedno z możliwych rozwiązań obrzeże zgrzewane /rys.1/. Wydaje się jednak, iż obrzeże lutowane w chwili obecnej jest najbardziej preferowane.
Jako materiał łączący stosowany w tym celu bywa ind -miękki, srebrzysty metal /spis literatury poz.3/.
Problematyczne może niekiedy stać się uzyskanie niezakłóconej transmisji światła – nie zostało bowiem całkiem wyeliminowane zagrożenie występowania resztkowej wilgoci wewnątrz komory próżniowej- śladowa wilgoć może znaleźć się w przestrzeni międzyszybowej w procesie produkcji szyb. Również nie można wykluczyć ryzyka powstawania mikro zarysowań na wewnętrznych powierzchniach szyb przez elemeny dystansowe, w czasie nieuchronnie następujących odkszałceń szyb w zależności od zmiennych warunków zewnętrznych /rys.3/.
3. Złożoność technologii wytwarzania i eksploatacji
Polepszanie właściwości technicznych szklanych przegród pod względem energooszczędności sprowadza się do stale ulepszanych rozwiązań zarówno samych szyb jak i profili ram okiennych i drzwiowych. Istnieją wciąż duże potencjalne możliwości w tym zakresie.
Poszukiwania ulepszeń trwają od wielu lat- jak podaje prof. Philip.C.Eames w swoim referacie /pozycja nr 3 spisu literatury/ pierwsze poszukiwania i próby opracowania technologii szyb izolacyjnych pochodzą już z roku 1913 – patent wydany w Niemczech /. Poniżej przedstawione zostaną właściwości szyby zespolonej typu vacuum będące wynikiem prac;
- naukowca i producenta szwajcarskiego Emila Bächli /firma Bächli Glasing/ we współpracy z instytutami naukowymi,
- powołanego niemieckiego zespołu producentów i wiodących instytutów naukowych .
Kierujący programem prac jest prof. Siegfried Glaser,
- zespołu irlandzkiego /University of Ulster /, gdzie opracowano szyby o wspł. przewodzenia ciepła ok. 1,0 W/m 2K i niewielkiej grubości co znakomicie predysponuje je do zastosowań termomodernizacyjnych,
- firm japońskich i chińskich /np. Nippon Sheet Glass/,
- inne.
Wymienione powyżej zespoły i instytucje podane są jako przykładowe, absolutnie nie wyczerpuje to listy wszystkich prowadzących prace w omawianej dziedzinie, bowiem próby opracowania technologii vacuum przydatnej w masowej produkcji szyb prowadzone są od lat przez zespoły w różnych krajach – oprócz wyżej podanych, tematyką zainteresowane są: Kanada, USA, Rosja- aktualnie nie są jeszcze u nas powszechnie dostępne dane szczegółowe o stanie zaawansowania prac i ich wdrożenia.
Poszczególne rozwiązania chronione są patentami, a wyniki badań udostępniane są tylko sporadycznie i w ograniczonym zakresie – na ogół organizacjom branżowym lub upoważnionym instytucjom.
Bliski jest termin zakończenia prac nad opracowaniem technologii VIG prowadzonych przez specjalny zespół złożony z wybranych niemieckich firm i jednostek badawczych w ramach programu finansowanego częściowo przez budżet państwowy. Interesujące jest w jakiej mierze wyniki prac przyczynią się do ujednolicenia technologii produkcji szyb VIG.
4. Aktualnie uzyskiwane parametry techniczne szyb VIG
W chwili obecnej z ogólnodostępnych publikacji wyłania się niejednolity stan właściwości technicznych szyb VIG proponowanych przez różnych producentów. Różny jest też stan zaawansowania technologii wytwarzania. Są firmy , które deklarują, iż są w fazie próbnych instalacji szyb i testów poligonowych, są i takie, które szukają kooperantów do uruchomienia produkcji masowej.
Na podstawie dostępnych informacji można przewidywać, iż szyby VIG, które staną się osiągalne być może w niedalekiej przyszłości w sprzedaży na rynkach światowych będą charakteryzowały się następującymi właściwościami:
Współczynnik przenikania ciepła : U= 0,4 - 1,0W/m 2K /oszklenia z powłoką niskoemisyjną/.
Obrzeże: lutowane / temperatura lutowania < 400°C/
Całkowita grubość szyby VIG / przykładowe dostępne z literatury wartości/:
< 10 mm /dwie szyby pojedyncze grubości 4 mm/- szyba izolacyjna; t.j: 4mm- 0,7mm- 4 mmm , powłoka niskoemisyjna na pozycji 2 lub 3/
<16-18mm / dwie szyby klejone/- szyba izolacyjna, bezpieczna; t.j: 6 mm-0,7mm- 2x4mm lub więcej, powłoka LE j.w/
< 24 mm /szyba do okien dachowych, szyba hybrydowa U g=0,7 W/m 2K; 4 mm- 10 mm -3mm-0,2 mm- 2x4mm
ciężar typowy dla oszkleń potrójnych
Z założenia szczelina międzyszybowa ma grubość ok. 0.7 mm, resztkowe ciśnienie gazu w komorze szyby wynosi 1 Pa, /wyjątek stanowią okna dachowe, gdzie przewiduje się szczelinę vavcum 0,2 mm/,
Elementy dystansowe /rozpierające, instalowane dla utrzymania złożonej przestrzeni międzyszybowej/ – aktualnie spotykane są różne koncepcje materiałowe dla tych elementów, a więc metalowe, szklane, tworzywowe- przezroczyste.
5. Przewidywany zakres zastosowań i wnioski
Zakres zastosowań szyb zespolonych z wewnętrzną próżnią przewidziany jest w budownictwie /zwłaszcza użyteczności publicznej/ oraz w różnych środkach komunikacji
Warto zaznaczyć, iż zespół z Uniwersytetu w Ulster prowadzi badania z uwzględnieniem potrzeb i zastosowań w modernizacji starych zasobów mieszkaniowych. Wszyscy producenci dążą do uzyskania szyb VIG o cenie porównywalnej do tradycyjne wytwarzanych szyb IG. Na ile okaże się to realne pokaże niedaleka przyszłość.
 |
6. Podsumowanie
Posumowanie przedstawionego materiału prowadzi do stwierdzenia , iż koncepcja wykorzystania próżni jako idealnego środka izolującego termicznie napotykała i napotyka na znaczne i liczne trudności realizacyjne. Uniwersalne rozwiązanie techniczne jak dotychczas nie jest powszechnie znane i obecnie jeszcze trudno przewidzieć czy dalszy rozwój technologii wytwarzania szyb VIG będzie rozwijał się wg jednej czy też odrębnych lub tylko wariantowych koncepcji.
Przedstawione rozwiązania są w większości projektami, które przypuszczalnie, wraz z upływem czasu będą podlegać dalszym udoskonaleniom.
Literatura;
1.Ernst Bachofner- Space between; Swiss scientist uses vacuum as insulation medium – Glass Magazine 2006
2.Siegfried Glaser- Vacuum-Isoliergläser für Fenster und Fassaden- G+R 2/2005 i inne
3.Philip C Eames , Jun Fu Zhao, Jinlei Wang, Trevor Hyde, Yueping Fang – Advanced glazing systems – University of Ulster-Ireland uk-2006 – Polska energetyka słoneczna nr1-2/2006
4. EN 1279-1 Szkło w budownictwie. Szyby zespolone
Maria Makarewicz
