Speciální zasklení a tepelná ochrana budov - Solární diodové zasklení
Transparentní výplňové konstrukce se speciálními vlastnostmi. Solární diodové zasklení s absorpčním zeleným sklem jako pasivní solární systém s možností otáčení v konstrukci okna ve dvou polohách. Duální možnost regulace tepelných zisků z přímého a difuzního solárního záření. Provedená měření na Stavební fakultě STU a vyhodnocení výsledků.
1. Úvod
Transparentné výplňové konštrukcie sú vysoko exponované konštrukcie obalového plášťa budov, ktorých tepelnoizolačné a ďalšie vlastnosti významne ovplyvňujú výsledné hodnoty energetickej potreby budovy ako celku. Potreba nových prístupov a technológií vylepšovania ich kvalitatívnych parametrov sa zvyšuje s neustále sa zvyšujúcim podielom plochy transparentných konštrukcií na celkovej ploche obalového plášťa budov. Zasklenia okien sú momentálne na úrovni, kedy prevažujúci spôsob zlepšovania ich celkových energetických vlastností spočíva v pridaní ďalšej tabule skla do izolačnéj jednotky zasklenia. Takto vznikli izolačné trojsklá, v obmedzenej miere sa používajú aj izolačné štvorsklá. Lepší prístup zlepšovania fyzikálnych a najmä tepelno-technických vlastností zasklení spočíva v kvalitatívnom a nie kvantitatívnom smere. Inak povedané znižovanie prechodu tepla cez zasklenie, reguláciu prestupu slnečného žiarenia cez zasklenie, aplikácia nových technológií a podobne. Z hľadiska vedy je dôležitý práve kvalitatívny posun, ktorý za cenu menších materiálových vstupov prinesie lepší výsledok.
2. Solárne diódové zasklenie
Zasklenie, ktorému sa chceme venovať v tomto príspevku, pozostáva z troch tabúľ skla a teda je materiálovými vstupmi na úrovni izolačného trojskla. Solárne „diódové“ zasklenie (SDZ) je zasklenie fungujúce na princípe absorpcie tepla zo slnečného žiarenia, jeho akumulácie a následným vysálaním do interiéru alebo exteriéru budovy v závislosti na polohe absorpčnej tabule skla. V zásade sa jedná o pasívny solárny systém. Vynálezcom tohto typu zasklenia je pán Dr. Heinz Kunert, ktorý je zároveň vynálezcom vyhrievaných zadných okien automobilov a držiteľom rôznych patentov prevažne v automobilovom priemysle.
Komponenty na výrobu takéhoto zasklenia nie sú na trhu so stavebnými sklami žiadnou novinkou. Nóvum tohto vynálezu od Dr. Kunerta je v zložení jednotlivých skiel za sebou a hlavne v možnosti otáčania zasklenia v rámci krídla okna podľa ročného obdobia, resp. aktuálnych klímatických podmienok. Otáčanie zasklenia v krídle okna sa realizuje okolo zvislej osi v strede šírky zasklenia.
V našich klímatických podmienkach je potrebné, aby užívateľ takéhoto zasklenia minimálne dvakrát ročne zmenil polohu zasklenia (množstvo výmen strán v priebehu testovacieho referenčného roka je momentálne v štádiu skúmania) v krídle okna zo zimnej na letnú stranu a naopak. V prechodných obdobiach roka môže byť potrebné zmeniť polohu zasklenia podľa aktuálneho stavu vonkajšej klímy a intenzite slnečného žiarenia teoreticky aj viackrát za deň.
V studených alebo naopak horúcich klimatických podmienkach je možné zasklenie zabudovať „napevno“, bez možnosti zmeny polohy zasklenia v krídle alebo ráme okna.
Obr. 1 Schéma fungovania SDZ zasklenia v zimnom období
Obr. 2 Schéma fungovania SDZ zasklenia v letnom období
Tento typ zasklenia má sám o sebe statické, v čase sa nemeniace vlastnosti, ale zabudovaním do okna, resp. krídla okna s možnosťou otáčania sa stáva zasklením s dynamickými alebo minimálne môžeme hovoriť o duálnych vlastnostiach.
3. Funkčný princíp
| Letná strana | Zimná strana | |
|---|---|---|
| Výrobné rozmery | ||
| Nominálna hrúbka | 28,8 mm | 28,8 mm |
| Váha | 30,8 kg/m2 | 30,8 kg/m2 |
| UV žiarenie | ||
| Priepustnosť | < 1 % | < 1 % |
| Viditeľné svetlo | ||
| Priepustnosť | 69 % | 69 % |
| Odrazivosť do ext. | 9 % | 11 % |
| Odrazivosť do int. | 11 % | 9 % |
| Energetické faktory podľa EN 410 | ||
| Priepustnosť | 36 % | 36 % |
| Odrazivosť do ext. | 8 % | 28 % |
| Absorpcia A1 | 55 % | 3 % |
| Absorpcia A2 | 0 % | 33 % |
| Celková priepustnosť slnečnej energie g | 0,39 | 0,64 |
| Koeficient tienenia | 0,45 | 0,74 |
| Prestup tepla | ||
| Ug | 1,1 W/(m2.K) | 1,1 W/(m2.K) |
Ako vidieť v hore uvedených schémach fungovania tohto typu zasklenia, absorpčnú funkciu spĺňa zelené sklo, ktoré je nalepené za použitia PVB fólie na obyčajné stavebné sklo typu float opatrené mäkkým nízkoemisným pokovením na strane do dutiny systému izolačného zasklenia. Dutina zasklenia je plnená vzácnym plynom argónom zhruba na 90 %, podobne ako je tomu pri štandardných izolačných dvojsklách. Nasleduje sklo typu diamant (obchodný názov spoločnosti Saint Gobain), ktoré má zásluhou zníženého obsahu železa menšiu odrazivosť, lepšiu priepustnosť slnečného žiarenia a obmedzený zelený nádych v porovnaní s bežným plaveným sklom.
Tabuľka 1 udáva hodnoty parametrov a fyzikálnych veličín získaných meraním alebo normovým výpočtom v počítačovom programe spoločnosti Saint-Gobain, ktorá je pôvodným výrobcom tohto typu zasklenia. V súčasnosti vyrába, resp. dokáže vyrobiť toto zasklenie aj spoločnosť Nitrasklo a.s.
Absorpčné zelené sklo (farbené v hmote), absorbuje energiu z dopadajúceho slnečného žiarenia. Zvýšená absorpcia tohto typu skla oproti bežnému sklu typu float sa prejaví jeho zvýšenou povrchovou teplotou, čo sme si mali možnosť overiť aj empiricko-subjektívnou metódou jednoduchým dotykom ľudskej ruky oboch typov skiel v exteriéri počas dňa za difúzneho slnečného žiarenia. Zvýšená teplota skla má za následok vytvorenie tepelnoizolačnej clony počas vykurovacej sezóny.
4. Uskutočnené merania
Cieľom týchto meraní bolo overiť experimentálne normovým postupom vo veľkej klíma komore výpočítanú (počítačovým programom výrobcu) U-hodnotu zasklenia pre letnú a zimnú stranu, metódou porovnávacích meraní určiť energetický zisk takéhoto typu zasklenia oproti zvoleným referenčným izolačným dvojsklám.
Vo veľkej klíma komore fy WEISS typ 10‘/35 DU/7’ E/+5 JU bola overená:
- normová U-hodnota izolačného dvojskla SPRITHERM PLUS S, jej zimná aj letná strana za okrajových podmienok θai = +22 °C a θae = −11 °C,
- normová U-hodnota izolačného dvojskla CLIMAPLUS ULTRA N so sklom PARSOL BRONZ 4 mm, výrobca Nitrasklo, a.s. z interiérovej aj exteriérovej strany za okrajových podmienok θai = +22 °C a θae = −11 °C,
- normová U-hodnota izolačného dvojskla CLIMAPLUS ULTRA N, výrobca Nitrasklo, a.s. z interiérovej aj ext. strany za okrajových podmienok θai = +22 °C a θae = −11 °C,
- U-hodnota izolačného dvojskla SPRITHERM PLUS S, pri žiarení 114 W/m2 pre zimnú aj letnú stranu za okrajových podmienok θai = +22 °C a θae = −11 °C,
- U-hodnota izolačného dvojskla CLIMAPLUS ULTRA N so sklom PARSOL BRONZ 4 mm, výrobca Nitrasklo, a.s. pri žiarení 114 W/m2 z interiérovej aj exteriérovej strany za okrajových podmienok θai = +22 °C a θae = −11 °C,
- U-hodnota izolačného dvojskla CLIMAPLUS ULTRA N, Nitrasklo, a.s. pri žiarení 114 W/m2 z exteriérovej strany za okrajových podmienok θai = +22 °C a θae = −11 °C.
5. Výsledky z meraní
V rámci meraníbola experimentálne overenánormová U-hodnota zimnej a letnej strany dvoch kusov izolačného dvojskla SPRITHERM PLUS S podľa STN EN ISO 12567-1. Na základe uvedených výsledkov môžeme konštatovať, že obidve vzorky izolačného dvojskla SPRITHERM PLUS S potvrdili deklarovanú normovú U-hodnotu súčiniteľa prechodu tepla U = 1,1 W/(m2.K).
Na základe výsledkov experimentálneho overenia môžeme konštatovať:
- Obidve vzorky izolačného dvojskla SPRITHERM PLUS S dosiahli deklarovanú normovú hodnotu súčiniteľa prechodu tepla:
Ug = 1,1 W/(m2K) pri okrajových podmienkach θai= +24 °C a θae = +1 °C
Ug = 1,2 W/(m2K) pri okrajových podmienkach θai = +22 °C a θae = −11 °C - Normové hodnoty overovaných vzoriek CLIMAPLUS ULTRA N so sklom PARSOL BRONZ 4 mm a CLIMAPLUS ULTRA N dosiahli rovnakú normovú hodnotu súčiniteľa prechodu tepla:
Ug = 1,1 W/(m2K) pri okrajových podmienkach θai = +24 °C a θae = +1 °C
Ug = 1,2 W/(m2K) pri okrajových podmienkach θai = +22 °C a θae = −11 °C - Závislosť a porovnanienameraných U-hodnôt meraných zasklení pri žiarení 114 W/m2 uvádza Obr. 3.
Porovnanie nameraných hodnôt pri dopadajúcom žiarení 114 W/m2 uvádzajú prehľadne spracované tabuľky Tab. 2 a Tab. 3.
Obr. 3 Porovnanie závislostí U-hodnôt meraných druhov zasklení na intenzite žiarenia
| ClimaPlus Ultra N so sklom Parsol, Nitrasklo, a.s. | SPRITHERM PLUS S, KSD Slovakia, s.r.o. | Rozdiel | |
|---|---|---|---|
| Pohltené žiarenie [W/m2] | 20,7 | 16,4 | −21 % |
| U-hodnota [W/(m2.K)] | 0,63 | 0,74 | +17 % |
| ClimaPlus Ultra N so sklom Parsol, Nitrasklo, a.s. | SPRITHERM PLUS S, KSD Slovakia, s.r.o. | Rozdiel | |
|---|---|---|---|
| Pohltené žiarenie [W/m2] | 23,5 | 28,4 | +21 % |
| U-hodnota [W/( m2.K)] | 0,56 | 0,34 | +39 % |
6. Záver
Záverom treba skonštatovať, že zasklenie Spritherm Plus S vykazuje väčší interval kvantifikovaných parametrov pohlteného žiarenia a celkovej U-hodnoty v porovnaní so zasklením ClimaPlus Ultra N s integrovaným sklom Parsol pre letnú a zimnú stranu. Znamená to, že zasklenie Spritherm Plus S v letnom období pohltí menšie množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia a má preto vyššiu nameranú celkovú U-hodnotu oproti zaskleniu ClimaPlus Ultra N s integrovaným sklom Parsol, čiže má priaznivejšie hodnoty kvantifikovaných parametrov pre obdobie charakteristické potrebou ochrany budovy resp. vnútorných priestorov pred dopadajúcou energiou slnečného žiarenia.
Naopak v zimnom období, charakteristickým potrebou vykurovania vnútorných priestorov, a teda výhodnosťou využitia dopadajúcej energie zo slnečného žiarenia ako alternatívneho zdroja tepla, má zasklenie Spritherm Plus S lepšie parametre kvantifikované pohltivosťou dopadajúceho žiarenia a z toho vyplývajúcu priaznivejšiu nižšiu U-hodnotu.
Na určenie relatívne presného energetického zisku prípadne straty tohto typu zasklenia je potrebné vykonať simulácie v simulačnom programe za použitia testovacieho referenčného roka pre vybranú lokalitu. Tieto simulácie je následne nutné overiť dlhodobým meraním v dynamickom prostredí vonkajšej klímy za použitia presnej meracej techniky.
Literatúra
- [1] Puškár, A. – Szomolányiová, K. – Fučila, J. – Vavrovič, B.: Okná, zasklené steny, dvere, brány. Vydavateľstvo Jaga group, s.r.o., 2008, (ISBN 978-80-8076-062-5), 266s.
- [2] KSD Slovakia – Nové trendy 21. storočia, návrat k prírode, ekológii
- [3] http://www.ksd-okno.sk/ksd-okno/
- [4] http://www.nitrasklo.sk/index.php?page=home
- [5] http://www.oeko-logic.de/erfinder.html
Transparent facade structures with special properties. Solar LED glazing with absorbing green glass as a passive solar system with the possibility of rotation in windows in the two positions. Dual regulation of the possibility of heat gain from direct and diffuse solar radiation. The measurements at the Faculty of Civil Engineering STU and results evaluation.