Strecha s transparentnými prvkami
Transparentná strecha a jej poloha ju predurčuje do pozície primárneho prvku z pohľadu potenciálu využitia solárneho žiarenia. Klimatická zmena prináša nárast vonkajšej teploty a počtu slnečných dní, čo môže viesť k nežiadúcemu prehrievaniu budov. Zachovanie optických vlastností a eliminácia tepelných ziskov je riešiteľná dynamickým skleným systémom. Termochromické sklené systémy majú vysoký potenciál pri transparentných strešných plášťoch a postupným vývojom dokážu byť optimálnym riešením na autonómnu reguláciu a obmedzenie prehrievania v letnom období.
1. Úvod
Strecha je piatou fasádou budovy, jej poloha ju predurčuje do pozície primárneho prvku z pohľadu potenciálu využitia solárneho žiarenia. Tradičná strecha v koncepte netransparentná využíva slnečné žiarenie prostredníctvom technologických prvkov akými môžu byť fotovoltika, solárne kolektory a iné aktívne prvky. Iným spôsobom využitia slnka je integrácia transparentných prvkov, ktoré dokážu najúčinnejšie saturovať interiérové priestory svetlom.
Obr. 1 Transparentná konštrukcia vo forme strechy
![Obr. 2 Spektrum slnečného žiarenia [2]](/docu/clanky/0275/027571o3.jpg)
Obr. 2 Spektrum slnečného žiarenia [2]
Slnečné žiarenie je nositeľom širokého spektra elektromagnetických vĺn (Obr. 2). Môžeme ho rozdeliť na dve časti, a to priame a difúzne (rozptýlené). Priame slnečné žiarenie prichádza do okna pozorovateľa zo Slnka, vzhľadom k veľkej vzdialenosti Zeme od Slnka tvorí zväzok prakticky rovnobežných lúčov. Difúzne slnečné žiarenie vzniká následkom rozptylu priamych slnečných lúčov na molekulách plynných zložiek vzduchu, vodných kvapôčkach, ľadových kryštálikoch a aerosólových časticiach vyskytujúcich sa v zemskom ovzduší. Viditeľnú časť difúzneho slnečného žiarenia pozorujeme ako oblohové svetlo. Celkové (globálne) slnečné žiarenie je súhrnné priame a difúzne slnečné žiarenie. Odrazené slnečné žiarenie vzniká odrazom globálneho žiarenia od povrchu Zeme a akéhokoľvek iného povrchu. Z časti sa vracia do medziplanetárneho priestoru a časť sa po odraze v atmosfére vracia späť na Zem [2].
Z celkovej konštrukcie transparentných prvkov má systém zasklenia väčšinový podiel na možnosti regulovať vplyv slnečného žiarenia na vnútorné prostredie budov v zmysle zlepšenia vizuálneho a tepelného komfortu, ako aj z energetického hľadiska ovplyvnením solárnych ziskov a osvetlenia prirodzeným denným svetlom. Zníženie potreby energie na chladenie a vykurovanie je možné ovplyvniť správnym návrhom stavby z hľadiska slnečnej ochrany.
![Obr. 3 Kryštalická štruktúra VO₂ pred a po prechode fáz a mechanizmus dynamického skla [5]](/docu/clanky/0275/027571o5.jpg)
Obr. 3 Kryštalická štruktúra VO2 pred a po prechode fáz a mechanizmus dynamického skla [5]
Veľké plochy transparentných konštrukcií majú za následok prehrievanie vnútorného prostredia budov v teplých a horúcich ročných obdobiach, čo môže bez použitia chladiacej techniky viesť k nevhodným vnútorným podmienkam exponovaných priestorov. Preto sú transparentné prvky obalového plášťa budovy najpodstatnejším fragmentom z hľadiska aplikácie slnečnej ochrany. Optimálne funkčná slnečná ochrana by mala zohľadniť celoročný režim fungovania budovy vzhľadom na klimatické podmienky, za súčasného zabezpečenia dostatočného denného osvetlenia vnútorných priestorov budovy. Aplikáciou dynamických zasklení je možné dosiahnuť efektívne regulovanie priepustnosti slnečného žiarenia zasklením. Pasívne zasklenia sú typom dynamických systémov zasklenia fungujúcich na princípe samoregulácie, v ktorých nastáva zmena v adaptívnej vrstve zasklenia ako reakcia na zmenu vonkajších podmienok. Nevyžadujú pre svoju činnosť elektrický stimul, ich aktivácia je reakciou na prítomnosť prírodných stimulov ako je svetlo, alebo teplo [2], [3], [4]. Termochromické zasklenie (TC) môže autonómne a reverzibilne meniť svoje fyzikálne vlastnosti vzhľadom na povrchovú teplotu, ktorá určuje chemickú reakciu alebo fázový prechod medzi dvoma prevádzkovými stavmi zasklenia (Obr. 3). Prevádzkové stavy, neaktívny a aktívny, sú výsledkom reakcie na zmenu teploty termochromického materiálu v zasklení. TC zasklenie sa vyrába nanášaním anorganických povlakov na sklený podklad alebo zabudovaním termochromického materiálu do pružných tenkých polymérnych filmov. Pri nízkych teplotách, v neaktívnom stave, je termochromický materiál monoklinický, polovodivý a pomerne transparentný pre viditeľné a infračervené žiarenie. Na druhej strane, nad špecifickou teplotou nazývanou teplota prechodu, TC materiál vykazuje prechod do kovového stavu, aktívneho, kedy sa stáva relatívne odrazivým voči infračervenému žiareniu, pričom mení aj svoj vizuálny vzhľad. Základnou charakteristikou TC skla je schopnosť, v aktívnom stave, značne regulovať priepustnosť vlnových dĺžok blízkeho infračerveného žiarenia zasklením, za súčasného minimálneho, menšieho, ovplyvnenia priepustnosti vlnových dĺžok viditeľného svetla zasklením.
2. Laboratórne zariadenie a príprava vzorky
Základom merania je veľká klimatická komora, kde sa do maskovacieho panela umiestňuje meracia vzorka. Skladba vzorky termochromického izolačného dvojskla pozostáva z dvoch tabúľ skla, ktorých vzdialenosť je vymedzená dištančným rámikom SWISSPACER ULTIMATE v šírke 18 mm. Priestor medzi tabuľami je vyplnený argónom. Tabuľa TC izolačného dvojskla, z exteriérovej strany, je vyhotovená z termochromického zasklenia. Termochormické zasklenie je vyrobené z lepeného vrstveného skla zloženého z dvoch tabúľ tepelne tvrdeného skla, každá v hrúbke 4 mm, a polyvinylbutyralovej (PVB) medzivrstvy so zabudovaným termochromickým materiálom. Tabuľa zasklenia TC izolačného dvojskla, z interiérovej strany, je vyrobená z nízkoemisného skla s povlakom ECLAZ®, v hrúbke 4 mm. Rozmer vzorky TC izolačného dvojskla je 0,980 × 1 280 mm. Vzorka TC zasklenia bola osadená do maskovacieho panelu veľkej klíma komory (Obr. 4.). Zo strany chladnej aj teplej komory boli na povrch zasklenia osadené dvojice snímačov na meranie povrchovej teploty. V spodnej časti zasklenia bol osadený snímač priepustnosti žiarenia.
Obr. 4 Veľká klimatická komora s osadenou vzorkou
Ako zdroj žiarenia bol použitý stabilizovaný zdroj s kombinovaným spektrom deutériových a halogénových zdrojov svetla. Výsledné spektrum zdroja poskytlo zastúpenie potrebných vlnových dĺžok UV žiarenia a viditeľného svetla v jednej optickej dráhe. Meracia zostava umožňuje meranie vlnových dĺžok od 0 nm po 850 nm (Obr. 5).
V chladnej komore umožňuje okruh chladu a tepla nastavenie teploty prostredia od −35 °C po +60 °C. V teplej komore umožňuje okruh chladu a tepla nastavenie teploty prostredia od +5 °C po +60 °C. Pre elimináciu vplyvu rozdielov povrchovej teploty zasklenia zo strany chladnej a teplej komory, boli teploty prostredia v oboch komorách nastavované na približne rovnakú hodnotu. Pri meraní priepustnosti žiarenia TC izolačným dvojsklom bol zvolený rozsah teplôt prostredia od 20 °C po +60 °C.
3. Výsledky merania
Pre každú povrchovú teplotu v intervale od +20 °C po +60 °C, bolo odčítaných 7 nameraných a následne spriemerovaných hodnôt. Výsledkom bola uvažovaná hodnota intenzity žiarenia pre danú povrchovú teplotu vzhľadom k jednotlivým vlnovým dĺžkam žiarenia. V oblasti vlnových dĺžok viditeľného svetla bola pri porovnaní neaktívneho a aktívneho prevádzkového stavu zasklenia zaznamenaná zmena priepustnosti žiarenia zasklením.
Obr. 6 Spektrum žiarenia zdroja pri povrchovej teplote vzorky 20 °C
Obr. 7 Spektrum žiarenia zdroja pri povrchovej teplote vzorky 60 °C
Zaznamenané bolo zmenšovanie hodnôt priepustnosti žiarenia zasklením, v určitých vlnových dĺžkach, vzhľadom na zvyšujúcu sa povrchovú teplotu vzorky. Pre vyhodnotenie zmeny priepustnosti viditeľného svetla zasklením, bolo sledované rozmedzie vlnových dĺžok 380 nm až 780 nm. Dané rozmedzie je stanovené ako rozsah citlivosti zraku štandardného fotometrického pozorovateľa CIE. Pri meraní priepustnosti žiarenia vzorkou TC izolačného dvojskla bolo zistené, že úroveň aktivácie zasklenia nie je konštantná. Pozorovaním zmien v priepustnosti žiarenia zasklením, pri zvyšujúcej sa povrchovej teplote zasklenia, bola preukázaná závislosť intenzity aktivácie zasklenia a hodnoty povrchovej teploty vzorky zasklenia. Zvyšovaním povrchovej teploty zasklenia sa zvyšuje úroveň aktivácie zasklenia. Ďalej bolo zaznamenané, že zmena v hodnotách priepustnosti žiarenia zasklením nie je v rámci jednotlivých vlnových dĺžok pre rovnakú povrchovú teplotu rovnaká. Zmena úrovne priepustnosti žiarenia sa prejavuje najviac v oblastiach vlnových dĺžok červeného svetla.
| Farebný tón spektrálnej farby | Vlnová dĺžka [nm] | Zmenšenie priepustnosti žiarenia zasklením [%] |
|---|---|---|
| Fialová | 380–420 | 100–24,7 |
| Modrofialová | 420–440 | 24,7–15,9 |
| Modrá | 440–460 | 15,9–12,76 |
| Modrozelená | 460–510 | 12,76–6,3 |
| Zelená | 510–560 | 6,3–8,1 |
| Žltá | 560–590 | 8,1–16,69 |
| Oranžová | 590–650 | 16,69–55,92 |
| Červená | 650–780 | |
| 650–698,14 | 55,92–72,74 | |
| 698,14–780 | 72,74–13,87 |
Percentuálna hodnota uvedená v Tab. 1 vyjadruje zníženie priepustnosti žiarenia zasklením v aktívnom stave. Hodnota je výsledkom rozdielu v priepustnosti žiarenia zasklením pri povrchovej teplote vzorky 60 °C a počiatočnej povrchovej teplote vzorky 20 °C. Rozsah vlnových dĺžok červeného žiarenia je v tabuľke rozdelený z dôvodu presnejšieho vyjadrenia priebehu zmeny priepustnosti žiarenia zasklením. Výsledkom meraní priepustnosti žiarenia vzorkou termochromického izolačného dvojskla je preukázaná pasívna dynamická prevádzka zasklenia a jeho schopnosť autonómne a reverzibilne reagovať na zmenu povrchovej teploty. Z výsledkov meraní je ďalej zrejmé, že UV žiarenie, v rozsahu vlnových dĺžok 0 nm až 380 nm, zasklenie do interiéru neprepúšťa. Vlnové dĺžky fialovej farby sú v neaktívnom stave prepúšťané zasklením v malom množstve a po aktivácií zasklenia je blokovaná priepustnosť kratších vlnových dĺžok fialového svetla. Najväčšia zmena priepustnosti vlnových dĺžok viditeľného svetla bola zaznamená v aktívnom prevádzkovom stave, pre vlnové dĺžky v rozmedzí oranžového a červeného svetla. Konkrétne pre vlnové dĺžky 650 nm až 698,14 nm, kde nastala zmena priepustnosti 55,92 % pri vlnovej dĺžke 650 nm a postupne narastala až na 72,74 % pri vlnovej dĺžke 698,14 nm.
4. Záver
Podľa výsledkov merania je zrejmé, že aktivácia termochromického zasklenia má na priepustnosť prevažnej časti vlnových dĺžok viditeľného svetla minimálny vplyv. Termochromické sklené systémy majú vysoký potenciál pri transparentných strešných plášťoch a postupným vývojom dokážu byť optimálnym riešením na autonómnu reguláciu a obmedzenie prehrievania v letnom období.
Poďakovanie
Tento článok bol podporený firmou Apol, s.r.o. a Vedeckou grantovou agentúrou MŠVVŠ SR a SAV VEGA 1/0396/21.
Literatura
- ASHRIT, P. Chapter 1 - Introduction to Chromogenics. In: ASHRIT, P. Transition Metal Oxide Thin Film based Chromogenics and Devices. Elsevier. [online]. 2017, p. 1-11. ISBN 978-0-08-101899-6. Dostupné z:
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101747-0.00001-5 - CASINI, M. 9 - Dynamic glazing. In: CASINI, M. Smart Buildings. Advanced Materials and Nanotechnology to Improve Energy-Efficiency and Environmental Performance. Woodhead Publishing. 2016, p. 305-325. ISBN 978-0-08-100972-7.
- CHMÚRNY, I. Tepelná ochrana budov. Bratislava: JAGA GROUP, 2003, 230s. ISBN 80-88905-27-3.
- PUŠKÁR, A., SZOMOLÁNYIOVÁ, K., FUČILA, J. Okná, dvere, zasklené steny. Bratislava: Jaga group, 2001, 258 s. ISBN 80-88905-62-1.
- QU, Z. Surface and interface engineering for VO2 coatings with excellent optical performance: From theory to practice. Materials Research Bulletin [online]. 2019, vol. 109, p. 195-212. ISSN 0025-5408.Dostupné z:
https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.09.043
Článek byl původně publikován ve sborníku Cechu strechárov Slovenska. Další sympozium STRECHY 2024 se uskuteční 27. a 28. 11. v Bratislavě (https://www.cechstrecharov.sk/)
The transparent roof and its position predestined it to the position of the primary element from the point of view of the potential of using solar radiation. Climate change brings an increase in outside temperature and the number of sunny days, which can lead to unwanted overheating of buildings. Preservation of optical properties and elimination of thermal gains can be solved by a dynamic glass system. Thermochromic glass systems have a high potential for transparent roof coverings and through gradual development can be an optimal solution for autonomous regulation and limitation of overheating in the summer.