{h1}
άρθρα

Διαφανής μόνωση

Anonim

Εισαγωγή

Η κυψελοειδής διαφανής μόνωση αναπτύχθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1960 για να ενισχύσει την αξία μόνωσης των συστημάτων υαλοπινάκων με ελάχιστη απώλεια μετάδοσης του φωτός (Hollands 1965). Τα τελευταία 25 χρόνια έχουν εφαρμοστεί διαφανή μονωτικά υλικά (TIM) σε παράθυρα, τοίχους, φεγγίτες, στέγες και ηλιακούς συλλέκτες υψηλής απόδοσης (Dolley et al., 1994, Kaushika και Sumathy 2003).

Τα διαφανή μονωτικά υλικά έχουν παρόμοια λειτουργία με την αδιαφανή μόνωση, αλλά έχουν την ικανότητα να μεταδίδουν φως της ημέρας και ηλιακή ενέργεια, μειώνοντας την ανάγκη για τεχνητό φως και θέρμανση. Μεταδίδουν θερμότητα, κυρίως μέσω αγωγιμότητας και ακτινοβολίας, αλλά η καταστολή συνήθως καταστέλλεται (Kaushika και Sumathy 2003).

Οι θερμικές και οπτικές ιδιότητες των διαφανών μονωτικών υλικών εξαρτώνται από το υλικό, τη δομή, το πάχος, την ποιότητα και την ομοιομορφία του. Συνήθως αποτελούνται είτε από γυαλί είτε από πλαστικό διατεταγμένο σε κυψελοειδή, τριχοειδή ή κλειστή κυψελίδα. Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί κοκκώδης ή μονολιθική αεροψεκασμός πυριτίας για την επίτευξη υψηλότερων τιμών μόνωσης.

Ανάλογα με τη δομή του υλικού, η διάταξή του μπορεί να ταξινομηθεί ως:

  • Απορροφητήρας κάθετος.
  • Απορροφητής παράλληλος.
  • Κοιλότητα.
  • Ομοιογενής.

Εικόνα 1: Τύποι διαφανούς μόνωσης

Το σχήμα 2 (παρακάτω) συγκρίνει τη θερμική αγωγιμότητα διαφόρων διαφανών μονωτικών υλικών και άλλων μονωτικών προϊόντων. Το Okalux Glass Honeycomb είναι ένας εμπορικά παραγόμενος απορροφητής κάθετος TIM με θερμική αγωγιμότητα 0, 039W / mK (Platzer et al., 2004).

Η διαφανής αερόπλα πυριτίου, ένα οιονεί ομοιογενές ΤΙΜ, έχει τη χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα οποιουδήποτε γνωστού στερεού στα 0, 004-0, 018W / mK (Yokogawa 2005, Cabot 2009). Μόνο η τεχνολογία κενού είναι συγκρίσιμη με θερμικές αγωγιμότητες στην περιοχή των 0.005W / mK (Zimmerman et al., 2001).

Σχήμα 2 - Θερμικές αγωγιμότητες μονωτικών υλικών

Διαφανής μόνωση σε τζάμια

Τα τζάμια ΤΙΜ συνήθως αποτελούνται από γυάλινες ή πλαστικές τριχοειδείς ή κυψελοειδείς κατασκευές που είναι τοποθετημένες μεταξύ δύο υαλοπινάκων. Αυτά τα συστήματα διαχέουν το φως καλά, μειώνοντας ταυτόχρονα τη λάμψη και τη σκίαση (Lien et al., 1997). Τα εμπορικά προϊόντα όπως τα τζάμια Okalux και Arel μπορούν να επιδείξουν χαμηλές τιμές U με καλή διαπερατότητα του ηλιακού και του φωτός.

Σύμφωνα με τους Hutchins και Platzer (1996), τριχοειδείς υαλοπίνακες Okalux πάχους 40 mm και υαλοπίνακες Arel με πάχος 50 mm μπορούν να επιτύχουν τιμές U 1, 36 W / m2K, συγκρίσιμες με τις σύγχρονες διπλού υαλοπίνακα. Εναλλακτικά, τα συστήματα πάχους 80 και 100 mm μπορούν να επιτύχουν τιμές U των 0, 8 W / m2 K, αντίστοιχα, συγκρίσιμες με τις σύγχρονες μονάδες τριπλής υάλωσης γεμισμένες με αέριο.

Σύμφωνα με τους Robinson και Hutchins (1994), η εφαρμογή των υαλοπινάκων ΤΙΜ τείνει να περιορίζεται σε φεγγίτες, αίθρια και εμπορικές / βιομηχανικές προσόψεις καθώς η γεωμετρική δομή των ΤΙΜ τείνει να περιορίζει την καθαρή θέα προς το εξωτερικό. Τα διαφανή μονωτικά υλικά εμφανίζονται πιο διαφανή όταν φαίνονται εμπρός και τείνουν να είναι αδιαφανή όταν παρατηρούνται υπό γωνία. Προκειμένου να αυξηθεί η ορατή μετάδοση των υαλοπινάκων TIM, είναι σημαντικό να αυξηθεί το τριχοειδές μέγεθος, να μειωθεί το πάχος ή να εξεταστεί το διαφανές μονωτικό υλικό από απόσταση (Lien et al., 1997).

Σύμφωνα με τις μετρήσεις από τους Hutchins και Platzer (1996), η κανονική διαπερατότητα του φωτός μέσω των υαλοπινάκων TIM και των τριχοειδών είναι 78 και 84%, αντίστοιχα. Συγκριτικά, η κανονική μετάδοση του φωτός μέσω των τυπικών διπλών υαλοπινάκων είναι παρόμοια στο 81%. Οι μονάδες διπλού και τριπλού υαλοπίνακα με χαμηλή εκπομπή αερίων μπορεί να είναι χαμηλότερες στα 66 και 63%, αντίστοιχα (Hutchins and Platzer 1996).

Platzer και Goetzberger (2004) και Wong et αϊ. (2007) υποστηρίζουν ότι η εμπορική απορρόφηση διαφανούς μονωτικού υλικού ήταν αργή λόγω του υψηλού επενδυτικού κόστους που αντιλαμβανόταν και του περιορισμένου αριθμού των μελετών αποπληρωμής που πραγματοποιήθηκαν. Peuportier et αϊ. (2000) υποδηλώνουν ότι η ποιότητα της παραγωγής πρέπει να βελτιωθεί για να μειωθούν οι ατέλειες όπως οι τραχείες ή λειωμένες άκρες, οι οποίες μπορούν να παρεμποδίσουν τη διαύγεια.

Οι Kaushika και Sumathy (2003) υποδεικνύουν ότι έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος για τη μείωση του κόστους κατασκευής της διαφανούς μόνωσης . Βάσει αυτού του χαμηλότερου κόστους, οι Wong κ.ά. (2007), υπολόγισε μια περίοδο απόσβεσης 3-4 ετών για μια εγκατάσταση βιομηχανικής παραγωγής στο Salzgitter, Γερμανία, ανακαινισμένη με 7.500 τ.μ. υαλοπίνακες ΤΙΜ. Δεν είναι σαφές εάν αυτές οι περίοδοι αποπληρωμής μπορούν να μεταφερθούν απευθείας στον εγχώριο ή εμπορικό τομέα, αλλά παρόλα αυτά, αυτή η περίοδος αποπληρωμής είναι σημαντικά μικρότερη από τη νέα διπλή υάλωση.

Η έρευνα για υαλοπίνακες ΤΙΜ επικεντρώνεται στην ανάπτυξη συστημάτων που χρησιμοποιούν διαφανές αερόπηγμα πυριτίου. Αυτό το ελαφρύ, νανοπορώδες υλικό έχει έναν εξαιρετικό συνδυασμό υψηλής διαπερατότητας ηλιακού και φωτός και χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας (Schultz and Jenson 2008).

Σύμφωνα με τους Bahaj et al. (2008), οι υαλοπίνακες αερογέλης απεικονίζονται συχνά ως το «άγιο grail» των μελλοντικών παραθύρων, προσφέροντας τη δυνατότητα να επιτυγχάνουν τιμές U τόσο χαμηλές όσο 0, 1 W / m2 K, καθώς και υψηλή ηλιακή ενέργεια και διαπερατότητα ημέρας περίπου 90% (Bahaj et al., 2008, Schultz και Jenson 2008).

Οι θερμικές, οπτικές και υπέρυθρες ιδιότητες των αερόγελων πυριτίας είναι γνωστές. Το υλικό μεταφέρει αποτελεσματικά το ηλιακό φως ενώ εμποδίζει τη μεταφορά θερμότητας με αγωγιμότητα, μεταφορά και θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία. Το αερόπηγμα πυριτίου έχει τη χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα οποιουδήποτε υλικού, που κυμαίνεται από 0, 018 W / mK για αερόπηγμα κοκκώδους πυριτίου έως 0, 004 W / mK για αερόπηγμα μονολιθικού διοξειδίου του πυριτίου (Yokogawa 2005, Cabot 2009).

Μέχρι σήμερα, πολλά πρωτότυπα μικρής κλίμακας έχουν κατασκευαστεί για να χαρακτηρίζουν την απόδοση μονολιθικού αερόπηλου πυριτίου σε υαλοπίνακες. Τα δείγματα στρώνονται μεταξύ γυάλινων φύλλων και εκκενώνονται για να προστατεύσουν την αερογέλη από την τάση και την υγρασία, καθώς τα περισσότερα aerogels είναι εύθραυστα και υδρόφιλα, πράγμα που σημαίνει ότι θα υποβαθμιστούν σε επαφή με το νερό (Zhu et al., 2007, Schultz and Jenson 2008).

Οι Duer και Svendsen (1998) μέτρησαν την απόδοση πέντε διαφορετικών μονολιθικών πλακών αερογεφυρών, που παράγονται σε διαφορετικά εργαστήρια και κυμαίνονται σε πάχος από 7 έως 12 mm. Κεντρικός πίνακας Οι τιμές U των γυάλινων δειγμάτων κυμαίνονταν από 0, 41 έως 0, 47 W / m2 K. Η ηλιακή και η οπτική διαπερατότητα κυμαίνονταν από 74 έως 78% και από 71 έως 73% αντίστοιχα.

Jensen et αϊ. (2004), Schultz et αϊ. (2005) και οι Schultz και Jenson (2008) ανέφεραν την απόδοση μονολιθικών υαλοπινάκων αερίου που παράγονται από το εργοστάσιο Airglass AB στη Σουηδία. Το μεγαλύτερο πρωτότυπο ήταν ένα παράθυρο 1, 2 τ.μ., αποτελούμενο από τέσσερα μονοκόμματα πλακάκια 55 cm × 55 cm × 15 χιλιοστά τοποθετημένα σε μια εκκενωμένη, σφραγισμένη μονάδα πλαισίωσης. Αυτό το πρωτότυπο πέτυχε μια τιμή U 0, 6 W / m2K κεντρικού παραθύρου (μετρημένη σε εργαστήριο) και συνολική τιμή U 0.72W / m2K (μετρούμενη με χρήση θερμού κιβωτίου), υποδεικνύοντας ότι η επίδραση της θερμικής γεφύρωσης στα άκρα ήταν μικρό. Η άμεση ηλιακή μετάδοση ήταν 75-76% και η κανονική μετάδοση στο ορατό φάσμα ήταν 85-90%.

Παρά τον εντυπωσιακό συνδυασμό θερμικών και οπτικών ιδιοτήτων, το μονολιθικό αερόσφαιρο πυριτίου πρέπει να διεισδύσει ακόμα στην αγορά εμπορικών υαλοπινάκων. Σύμφωνα με τους Rubin και Lampert (1983), το κόστος, ο μακρύς χρόνος επεξεργασίας του αεροφαιρικού αέρα, η δυσκολία στην παραγωγή ομοιόμορφων δειγμάτων και η έλλειψη επαρκούς προστασίας από την ένταση και την υγρασία είναι τα βασικά εμπόδια που παρεμποδίζουν την πρόοδο. Duer και Svendsen (1998) και Bahaj et αϊ. (2008) υποδεικνύουν ότι απαιτούνται περαιτέρω εργασίες για τη βελτίωση της σαφήνειας των δειγμάτων, προκειμένου να αντικατασταθούν τα συμβατικά παράθυρα.

Ένα βασικό ζήτημα είναι ότι η νανοδομή των διασκορπισμένων αεροπλάνων πυριτίου μεταδίδει φως, με αποτέλεσμα μια θολή άποψη. Οι Schultz και Jenson (2008) υποστηρίζουν ότι μέσω των βελτιωμένων τεχνικών θερμικής επεξεργασίας, το εργοστάσιο Airglass AB είναι ικανό να παράγει κεραμίδια αερίου με παράλληλες και λείες επιφάνειες, με αποτέλεσμα ανόθευτες απόψεις όταν προστατεύονται από την άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Ωστόσο, όταν εκτίθεται σε μη κάθετη ηλιακή ακτινοβολία, εξακολουθεί να εμφανίζεται οπτική παραμόρφωση. Σύμφωνα με τους Jensen et αϊ. (2004), Schultz et αϊ. (2005) και Schultz και Jenson (2008), οι υαλοπίνακες αερίου είναι μια εξαιρετική επιλογή για μεγάλες εκτάσεις προσόψεων με βόρεια όψη, οι οποίες επιτρέπουν καθαρό ενεργειακό κέρδος κατά τη διάρκεια της περιόδου θέρμανσης. Μέσω των εξελίξεων στις τεχνικές σφράγισης ακμών, οι μονάδες αναμένεται να έχουν διάρκεια ζωής 20-25 ετών χωρίς υποβάθμιση (Schultz και Jenson 2008).

Η χρήση κοκκώδους αερογέλης σε υαλοπίνακες προσφέρει μια εναλλακτική λύση για τη μονολιθική αεροπήδηση, η οποία είναι φθηνότερη, πιο ισχυρή και ευκολότερη στην παραγωγή σε εμπορική κλίμακα. Τα συστήματα δεν πρέπει να θεωρούνται άμεση αντικατάσταση για διαφανή παράθυρα, επειδή οι κόκκοι περιορίζουν την καθαρή θέα προς τα έξω. Αντίθετα, αυτό το υλικό προσφέρει τη δυνατότητα να επιτυγχάνονται χαμηλές τιμές U, να αυξάνεται η διάχυση του φωτός και να μειώνεται δραστικά η μετάδοση ήχου σε περιοχές όπου η εξωτερική όψη δεν είναι απαραίτητη (Wittwer 1992).

Η απόδοση των κοκκώδους υαλοπίνακας αερογεφυρών ερευνήθηκε αρχικά από τον Wittwer (1992). Οι τιμές U από 1, 1 έως 1, 3 W / m2K μετρήθηκαν για μονάδες υαλοπινάκων πάχους 20 mm γεμισμένες με κόκκους διαμέτρου από 1 έως 9 mm. Οι μικρότεροι κόκκοι εκτελούν καλύτερα θερμικά, καθώς λιγότερη θερμότητα διεξάγεται μέσω διακένων αέρα μεταξύ κόκκων. Οπτικά, οι μεγαλύτεροι κόκκοι αερόπηλου επέτρεψαν περισσότερη μετάδοση φωτός και ηλιακής ενέργειας.

Πιο πρόσφατα, οι Reim κ.ά. (2002, 2005) έχουν μετρήσει και μοντελοποιήσει την απόδοση των κοκκωδών αερόγελων εγκλεισμένων σε πλαστικό φύλλο δίδυμου τοιχώματος 10 mm, το οποίο είναι τοποθετημένο μεταξύ δύο υαλοπινάκων με μονωμένο αέριο. Το φύλλο διπλού τοιχώματος επελέγη για να αποτρέψει την καθίζηση των κοκκίων με το πέρασμα του χρόνου, δημιουργώντας μια θερμική γέφυρα κατά μήκος της άνω άκρης. Οι τιμές U, τόσο χαμηλές όσο 0, 37-0, 56 W / m2 K, υπολογίστηκαν για πρωτότυπα που περιείχαν πλήρωση αερίου κρυπτού / αργού. Χωρίς τους υαλοπίνακες, η ηλιακή και η φωτεινή μετάδοση ήταν 88 και 85% αντίστοιχα.

Χρησιμοποιώντας ένα θερμικό μοντέλο σε ένα γερμανικό κλίμα, οι Reim et al. (2002) υπολόγισαν το ενεργητικό όφελος των υαλοπινάκων κοκκώδους αερογέλης να είναι συγκρίσιμα με τα τριπλά τζάμια. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι οι κοκκώδεις υαλοπίνακες αερίων μπορεί να μειώσουν τον κίνδυνο υπερθέρμανσης στις προσόψεις από το νότο και την ανατολή / δύση. Στις βόρειες προσόψεις, η ενεργειακή ισορροπία των υαλοπινάκων αερίου ήταν σημαντικά καλύτερη από την τριπλή υάλωση λόγω της βελτιωμένης κατακράτησης θερμότητας.

Διαφανής μόνωση σε επίπεδο ηλιακούς συλλέκτες

Η πιο τεκμηριωμένη εφαρμογή διαφανών μονωτικών υλικών είναι σε επίπεδες ηλιακές συλλέκτες (Kaushika and Sumathy 2003, Wong et al 2007). Αυτά τα συστήματα έχουν σχεδιαστεί για να θερμαίνουν τον αέρα ή το νερό όταν ακτινοβολούνται από τον ήλιο. Τα βασικά συστατικά είναι ένα κάλυμμα ΤΙΜ με νότιο προσανατολισμό, το οποίο μεταδίδει ηλιακή ενέργεια ενώ μειώνει τις απώλειες της μεταφοράς και της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα και μια μαύρη ηλιακή απορροφητική επιφάνεια για τη μεταφορά απορροφούμενης ενέργειας σε υγρό (Duffie and Beckman 2006).

Ο πειραματισμός από τους Rommel και Wagner (1992) έδειξε ότι επίπεδες πλάκες συλλογής που περιέχουν πολυανθρακικά στρώματα κυψελών 50-100mm λειτουργούν καλά, διευκολύνοντας τις θερμοκρασίες λειτουργίας μεταξύ 40-80C. Υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας μέχρι 260C μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας γυάλινες κηρήθρες, καθώς τα πλαστικά καλύμματα είναι ευαίσθητα σε τήξη σε θερμοκρασίες άνω των 120C (Rommel και Wagner 1992).

Οι Nordgaard και Beckman (1992) σχεδίασαν την απόδοση των επίπεδων συλλεκτών που περιείχαν μονολιθικό αερόπηγμα πυριτίας. Αποδείχθηκε ότι η μείωση της ηλιακής διαπερατότητας σε σύγκριση με έναν ενιαίο υαλοπίνακα αντισταθμίζεται περισσότερο από τη μείωση των θερμικών απωλειών. Ο Svendsen (1992) απέδειξε ότι ένα πρωτότυπο μήκους 1.4m2 που περιείχε αεροθάλαμο διοξειδίου του πυριτίου που εκκενώθηκε ήταν δύο φορές πιο αποτελεσματικός από τους εμπορικούς συλλέκτες επίπεδης πλάκας υψηλής θερμοκρασίας.

Διαφανής μόνωση σε παθητικούς ηλιακούς τοίχους

Όταν τοποθετούνται εκ των υστέρων σε εξωτερικούς τοίχους που βλέπουν προς το νότο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφανή μονωτικά υλικά με διάκενο αέρα πίσω από την ηλιακή ενέργεια. Αυτή η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί και πάλι με εξαερισμό του ζεστού αέρα μέσα ή επιτρέποντας στη θερμότητα να διέρχεται παθητικά μέσα από τον τοίχο. Σύμφωνα με τους Caps and Fricke (1989), οι Athienitis και Ramadan (1999) και οι Suehrcke et al. (2004), τα διαφανή μονωτικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των γυάλινων κηρηθρών, των επίπεδων / κυματοειδών πολυανθρακικών φύλλων και του αεριούχου πυριτίου που εκκενώνεται, μπορούν να εξασφαλίσουν σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας όταν μετατραπούν σε αδιαφανείς τοίχους κατοικιών και εμπορικών χώρων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι σε κρύες ηλιόλουστες μέρες, δεν απαιτείται πρόσθετη θέρμανση, όμως οι στρατηγικές ελέγχου είναι απαραίτητες το καλοκαίρι για να ελαχιστοποιηθεί η υπερθέρμανση.

Οι Dolley et αϊ. (1994) χρησιμοποίησε ένα κύτταρο δοκιμής για την παρακολούθηση της απόδοσης ενός πολυανθρακικού κυψελοειδούς συστήματος ΤΙΜ. Τα αποτελέσματα επελέγησαν για να εκτιμηθεί ο τρόπος με τον οποίο θα πραγματοποιούταν η ΤΙΜ όταν μετασκευάστηκε σε τυπικές κατοικίες του Ηνωμένου Βασιλείου που κατασκευάστηκαν σύμφωνα με διαφορετικά πρότυπα κατασκευής. 8m2 από διαφανές μονωτικό υλικό προβλεπόταν να εξοικονομήσει περίπου 40kWh / m2 / έτος σε σπίτια υπεράνω και 140kWh / m2 / έτος σε ιδιοκτησία πριν από το 1930 με στερεούς τοίχους. Σε μια συγκριτική ανάλυση ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη αέρα και ενός αδιαφανή τοίχου επιστρωμένου με πολυανθρακικό TIM, οι Peuportier και Michel (1995) κατέδειξαν αύξηση της αποδοτικότητας αυτών των συστημάτων σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα μονής υάλου κατά 25% και 50% αντίστοιχα.

Υπερθέρμανση

Οι Dolley et αϊ. (1994) μέτρησε την επιτόπια επίδοση αδιαφανών τοιχωμάτων επιστρωμένων με διαφανή μόνωση . Τα αποτελέσματα υποβλήθηκαν σε παρεκβολή για να δείξουν πόσο θα λειτουργούσαν τα διαφανή μονωτικά υλικά όταν μετασκευάστηκαν σε τυπικές κατοικίες του Ηνωμένου Βασιλείου που κατασκευάστηκαν σύμφωνα με διαφορετικά πρότυπα κατασκευής. Προβλέφθηκε ότι τα 8m2 του ΤΙΜ θα μπορούσαν να εξοικονομήσουν περίπου 40kWh / m2 / έτος όταν μετασκευάστηκαν σε σπίτια υπεράνθρωπων και 140kWh / m2 / έτος, όταν μετασκευάστηκαν σε ιδιοκτησία πριν από το 1930 με στερεούς τοίχους. Χωρίς σκίαση, οι ώρες υπερθέρμανσης (άνω των 27 ° C) αυξήθηκαν από 4 σε 31 για ιδιότητες με στερεά τοιχώματα και από 320 έως 784 για σπίτια με υπεράνω μονωτικά.


Αυτό το άρθρο βασίζεται σε ένα έγγραφο που γράφτηκε από τον Mark Dowson του - Buro Happold. Μια ηλεκτρονική έκδοση της πτυχιακής εργασίας του Mark μπορεί να μεταφορτωθεί στην ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου Brunel: //bura.brunel.ac.uk/bitstream/2438/7075/3/FulltextThesis.pdf

Συνιστάται

Διατμητική δύναμη

Διακοσμητική τέχνη

Ομάδα CIC BIM 2050