Kako odnos radijacije, svetlosti i boje utiče na toplotnu provodljivost stakla?

Koncept radijacije, svetlosti i boje su ključ za jasno razumevanje toplotne izolacije, solarne kontrole i kontrole svetlosti.

Različiti tipovi radijacije (zračenja)

Svaki dan smo izloženi različitim tipovima zračenja, uključujući zračenje od sunca. U tabeli 1 i na slici 1 su prikazani različiti tipovi zračenja koji su klasifikovani u saglasnosti sa njihovim talasnim dužinama.

Solarni spektar

Solarna radijacija (zračenje) se računa za samo mali deo spektra elektromagnetnih talasa. Njegov sastav je prikazan u tabeli 2 i slici 2. Spektar vidljive svetlosti formira deo solarnog spektra.

Sunce je osnova za solarni spektar. Ono daje oko 66 miliona W/m² energije koja se proizvodi nuklearnom lančanom reakcijom. Samo deo ove energije dođe bilo gde blizu naše atmosfere. Ovaj deo iznosi 1,353 W/m² i zove se solarna konstanta. Energija koja se primi sa sunca je manja od solarne konstante, pošto atmosfera apsorbuje približno 15% solarne radijacije i reflektuje dalje 6% nazad u svemir. Ukupno solarno zračenje se definiše kao suma direktnog i difuznog zračenja. Energija koju primi zemlja takođe zavisi od sezone (upadnog ugla sunca u odnosu na zemlju), geografske širine, vremenskih uslova (pokrivenost oblakom), reljefa, zagađenja, položaja zgrade itd.). Na slici 3 je dat uticaj atmosfere na solarno zračenje.

Možda Vas zanima:

Zašto su krovni paneli dobar izbor za toplotnu izolaciju? Prozori moraju osigurati dobru toplotnu izolaciju Kako staklo utiče na zvučnu izolaciju? PVC lamperija – Odličan odnos cene i kvaliteta

Svetlost

Svetlost je deo solarnog spektra od 380 nm do 780 nm, koji je vidljiv za ljudsko oko. Tabela 3 i slika 4 pokazuju sastav svetlosti.

Toplota

Toplota koju mi osećamo dolazi iz dva izvora:

• toplota iz solarnog spektra, generisana UV zracima, svetlošću i kratkim infracrvenim talasima;
• toplota emitovana od predmeta (lampe, radijatori itd.) u obliku dugo talasnog infracrvenog zračenja.

Zaštita staklom od različitih tipova zračenja

Staklo može biti korišćeno za kontrolu najviše tipova zračenja.

Zaštita od UV zračenja

U određenim situacijama solarno zračenje može oštetiti boju predmeta. Ova promena boje predmeta je uzrokovana postepenom degradacijom molekularnih veza visokom energijom fotona. Takva oštećenja su uzrokovana ultravioletnom radijacijom i veoma malim uticajem kratkotalasne vidljive svetlosti (ljubičaste i plave). Solarna radijacija takođe uzrokuje temperaturni porast, što ubrzava ovaj proces. Neki stakleni proizvodi suzbijaju diskoloraciju (promenu boje).

• Laminarna stakla sa PVB međuslojem apsorbuju preko 90% UV radijacije (zračenja);
• Obojena stakla sa predominantno žuto-oranž bojom delimično apsorbuju ljubičastu i plavu svetlost;
• Staklo sa niskim solarnim faktorom ograničava porast temperature.

Ne postoji stakleni proizvod koji može eliminisati diskoloraciju 100%. Činjenica je da u nekim slučajevima veštačko osvetljenje može takođe uzrokovati diskoloraciju. Različite indicije su korišćene za kvantificiranje zaštite od UV radijacije i rizika diskoloracije.

• UV transmisija (provođenje) (Tr UV).
• CIE faktor oštećenja, ovaj indeks je izložen u ISO 9050 i pripada prenosu radijacije za talasne dužine u oblasti od 300 nm do 600 nm, npr. ove talasne dužine uzrokuju diskoloraciju objekata.
• faktor zaštite kože (SPF), ovaj indeks je takođe izložen u ISO 9050 i pripada prolazu radijacije za talasne dužine u oblasti 300 nm do 400 nm, ovo uzrokuje oštećenje kože.

Kontrola svetlosti

Svetlost može biti kontrolisana koristeći obojena, prevučena ili mat stakla.

Zaštita od kratkotalasne infracrvene radijacije (zračenja) i toplote

Staklo za solarnu kontrolu sa odgovarajućim solarnim faktorom osigurava zaštitu od kratkotalasnog infracrvenog zračenja i toplote generalno. Kada projektujemo zgradu, površina stakla i njegov solarni faktor utiču direktno na korišćeni ventilacioni sistem.

Kontrola dugotalasnog infracrvenog zračenja (radijacije)

Kontrola dugotalasnog infracrvenog zračenja obuhvata sprečavanje dugih talasa – npr. toplote emitovane od stvari, od napuštanja zgrada sa povećanom toplotnom izolacijom.

Prevučena stakla sa donjom emisivnošću

Kada se projektuju zgrade, nivo toplotne izolacije ostakljenja (i zgrade generalno) direktno utiče na potrebe sistema grejanja.

Boja

Predmeti koje vidimo, da ili ne, su providni, reflektivni ili neprozirni, svi imaju specifičnu boju. Boja zavisi od nekoliko parametara, kao što su:

• incidentna svetlost (tip izvora rasvete),
• osobine refleksije i transmisije predmeta,
• osetljivost oka posmatrača,
• okolina predmeta osmatrača i suprotnost između predmeta i okoline,
• boja predmeta zavisi od svih ovih faktora i osmatrač neće uvek videti predmet na isti način, i zavisi od njihove debljine.

Bronza, siva, plava i zelena flot stakla smanjuju količinu solarne energije i nivo svetlosne propustljivosti. Pogled kroz obojena stakla je uzrokovan bojom stakla.

Postojanost boje indeks RD 65 (Ra)

Ovaj indeks kvantificira razliku boje između osam uzoraka direktno ispitivanih obojenih ploča izvorom svetlosti D65, i ispuštanjem svetlosti iz istog izvora, provođenjem kroz staklo. Ova viša vrednost znači da se boja manje menja kada gledamo kroz ostakljenje.

Toplotna izolacija

Transmisija toplote kroz ostakljenje

Razlika temperature između dve tačke svakog tela će rezultovati u postojanju toplote koja se provodi od tople tačke ka hladnoj tački. Toplota može biti prenesena na različite načine:

• Kondukcijom (provođenjem) unutar materijala – Toplota se prenosi sa jedne molekule na narednu kada se greje, na primer metalna šipka se greje na jednom kraju.
• Konvekcijom u tečnosti i gasu – Promene temperature uzrokuju trenutno razlike u gustini koja uzrokuje kretanje molekula, jer topli delovi imaju manju masu i dižu se dok je suprotna pojava za hladne delove.
• Radijacijom (zračenjem)

Svako zagrejano telo daje energiju u obliku elektromagnetnog zračenja (radijacije). Ova suprotna površina koja je prolazna za talase, suprotno, kada talasi dosegnu prepreku, oni otpuštaju deo svoje energije prepreci, koja onda suprotno emituje toplotu. Ovaj način prenosa ne zahteva površinu i može se takođe izvoditi u vakuumu, na primer u slučaju solarne radijacije (zračenja) ili električne svetlosne žarulje. Dvostruko ostakljenje je projektovano da ograniči gubitak kondukcijom kroz staklo ubacivanjem izolacionog prostora punjenog vazduhom ili gasom između dve staklene ploče. Na slici 5 je dat metod prenosa toplote kroz ostakljenje (gde je spoljna temperatura niža od unutrašnje temperature).

Provodljivost toplote i prolaz toplote

Gustina toplotnog toka q (W/m²) prolazi kroz ostakljenje sa tople atmosfere na hladnu atmosferu, može biti predstavljena jednačinom:

q=(θ_i-θ_e)/R=U(θ_i-θ_e)

gde su θ_i i θ_e temperature unutrašnje i spoljašnje atmosfere. R je toplotni otpor ostakljenja (m² K/W). U = 1/R je koeficijent prolaza toplote ostakljenja W/m²K.

Prolaz toplote U (bivši k)

Definiše se kao količina toplote koja prolazi kroz ostakljenje u stacionarnom stanju po jedinici površine za razliku temperature od 1 °C na svakoj strani stakla između atmosfera. Količina toplote Q (W) koja prolazi kroz ostakljenje površine s (m²) iz tople atmosfere ka hladnijoj atmosferi je:

Q = s x U (θi – θe)

Za čvrste izotropske materijale, toplotni otpor R je definisan kao veza između debljine e (m) i toplotne provodljivosti λ (W/mK).

R=e/λ

Toplotna provodljivost

Definiše se kao količina toplote koja prolazi u sekundi kroz panel debljine 1 m sa kontaktnom površinom 1 m², kada je razlika temperatura 1°C između dve površine. Toplotna provodljivost stakla je 1 W/(mK). To je razlog zašto on nije izolacioni materijal jer su izolacioni materijali oni koji imaju toplotnu provodljivost manju od 0,065 W/(mK).

Radi minimiziranja gubitka energije i naglašenog maksimuma toplotne izolacije, koeficijent prolaženja toplote U_g ostakljenja mora biti što je moguće manji (toplotna otpornost tog ostakljenja mora biti veća koliko je to moguće). Standard EN 673 daje detaljan metod za računanje koeficijenta prolaženja toplote U_g ostaklenja.

Dobijena vrednost računanjem je Ug vrednost centralne tačke ostakljenja, isključujući ivične efekte uzrokovane prisustvom distancera usled čega dolazi do porasta gubitaka toplote. Tabela 4 prikazuje vrednosti koeficijenta prolaženja toplote različitih tipova izolacionog ostakljenja. Najviše korišćeni distanceri su između 12 i 16 mm debljine.

Analizom tabele 4 se može jednostavno konstatovati da je optimalno rastojanje kod dvostrukog ostakljenja 16 mm. Svako povećanje rastojanja, npr. na 20 mm ne dovodi do smanjenja koeficijenta prolaženja toplote, naprotiv dolazi do povećanja. To se objašnjava dodatnom konvekcijom. Suština je gas zadržati kao „čvrsto telo”.

Različiti tipovi izolacionog ostakljenja

Jednostruko ostakljenje nema rešenja visoke performanse u pojmu toplotne izolacije. Razvijana su različita rešenja radi poboljšavanja izolacionih osobina ostakljenja, primarno nakon „buđenja” usled pojave enegetske krize 1970. godine. Energetska kriza se ponovo pojavila 2021. godine u punom obimu, koja je gotovo paralisao energetske tokove u svetu i Evropi.

Dvostruko ostakljenje

Prvi tip toplotno izolacionog ostakljenja je bio dvostruko ostakljenje, koje se sastoji od dve staklene ploče, razdeljene distancerom koji omogućava punjenje prostora suvim vazduhom. Pošto vazduh ima toplotnu provodljivost 0,025 W/(mK) (na 10°C), dok staklo ima toplotnu provodljivost 1 W/(mK), sloj vazduha poboljšava izolacione osobine i smanjuje U_g vrednost ostakljenja. Na slici 6 su date komponente ostakljenja kao i položaj i označavanje strana.

Plemeniti gasovi

Drugo poboljšanje je ostvareno zamenom vazduha (λ = 0,025 W/(mK), ρ = 1,23 kg/m³ na 10°C na standardnim uslovima izloženim u EN 673 sa gasom koji ima nižu toplotnu provodljivost i veću zapreminsku masu. To ograničava konvekciju (pravi teže kretanje između staklenih ploča). Plemeniti gasovi smanjuju U_g vrednost za 0,2 do 0,3 W/(mK) i oni se koriste kod ostakljenja sa prevlakama.

U praksi, argon se generalno koristi (λ = 0,017 W/(mK), ρ = 1,7 kg/m³) i ponekad kripton (λ = 0,009 W/(mK), ρ = 3,56 kg/m³).

Dvostruko ostakljenje visokih performansi

Razvoj tehnike za primenu prevlaka na staklo je bio odlučujući korak ka kvalitetu toplotne izolacije ostakljenja. Primenjujući metalne prevlake na staklu obezbeđujemo visoke performanse (nazvane „niska emisivnost, super izolacija ili Low-e”). Ove prevlake su:

• generalno, vakuum prevlake, koje moraju biti ugrađene unutar dvostruko ostakljene jedinice,
• pirolitičke prevlake koje imaju slabije, niže performanse nego vakuum prevlake.

One se generalno primenjuju na poziciju 3. Pozicija 2 nema štetnog efekta na kvalitet izolacije ali više na osobine refleksije ostakljenja. Na slici 7 je prikazano ostakljenje sa donjom emisivnošću.

Autori teksta: Prof. dr Dragan Škobalj, Ž. Đokić dipl.inž.maš.