Пренесување на топлина и физички својства на застаклувањето

Секогаш кога постои температурна разлика помеѓу две точки во некоја материјална средина или помеѓу две средини, се случува пренесување на топлината (топлински проток). Овој трансфер претставува минување на топлинска енергија како последица од температурната разлика. Насоката на трансферот на топлината секогаш е од средина со повисока кон средина со пониска температура. Температурата на некој материјал или средина претставува количество на просечна кинетичка енергија на молекулите во тој материјал.

Слика 1: Три форми на пренесување на топлината низ двослојно застаклување

Како физичка големина, топлината се пренесува на три начина:

1. Кондукција (спроведување) е директно пренесување на енергија од честички материја (цврста или течна) со повисоко енергетско ниво, на честички со пониско енергетско ниво, како последица на интеракцијата помеѓу честичките.
2. Конвекција (струење) е пренесување на енергија помеѓу површина на некој материјал и флуид кој се движи над/под/покрај материјалот или во самиот флуид (течност или гас). Варијациите на температурата предизвикуваат разлики во густината на флуидот што е причина за раздвижување на молекулите, при што топлите делови со помала маса се искачуваат, додека со студените делови се случува спротивно. Овие движења резултираат со температурен баланс. Во физиката овој процес е познат како “Брауново движење“.
3. Радијација (зрачење) е енергија емитирана од материјално тело со одредена температура која се пренесува со помош на електромагнетни бранови. Зрачењето непречено се одвива низ простор што е транспарентен за брановите, но кога брановите наидуваат на пречка, тие оставаат дел од енергијата во пречката, која почнува да емитира топлина. Овој начин на пренесување може да се одвива и во вакуум, како што е случај со зрачењето од Сонцето.

За да се намалат енергетските загуби и да се обезбеди максимална топлинска изолација на застаклените елементи на зградата, коефициентот на пренесување на топлината на застаклувањето (U_glass) треба да биде што е можно помал, односно топлинскиот отпор на застаклувањето R_glass да биде што е можно поголем. Оваа цел може да се постигне со намалување на загубите на топлината преку сите три форми на нејзиниот трансфер: кондукција, конвекција и радијација (Слика 1).

Кондукција

Вредноста на коефициентот на спроведување на топлината  l за стаклото изнесува 1 W/(m·K), а неговиот отпор (за вообичаена дебелина од 4 mm), R_glass = 0,004 (m²·K)/W. Со ваков незначителен топлински отпор самото стакло не може да има топлинско-изолациски ефекти. Минимална мерка за зголемување на изолациската моќ, односно намалување на загубите преку кондукција, е да се примени двослојно застаклување, со вметнување на слој од сув воздух или благороден гас во просторот меѓу двете стакла.

Слика 2: Топлински отпор на вертикален воздушен слој

За разлика од топлинскиот отпор кај цврсти изотропни материјали, чија вредност е правопропорционална на нивната дебелина, топлинскиот отпор на слој воздух (R_g) не се зголемува линеарно со зголемување на неговата дебелина. При мали дебелини (0 до 5 mm), зголемувањето приближно е линеарно. Но, со натамошно зголемување на дебелината, отпорот не се зголемува пропорционално, така што за дебелина од 25 mm и поголема, отпорот останува ист (Слика 2).

Во Табела 1 се дадени математички пресметаните вредности на отпорот на затворен (невентилиран) вертикален воздушен слој.

Табела 1: Вредности на топлински отпор на вертикален воздушен слој во зависност од дебелината на слојот

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                               

Со употреба на некој благороден гас (аргон, ксенон, криптон, F6-сулфурхексафлуорид) во просторот помеѓу стаклата, вредноста U_glass се намалува за 0,2 до 0,3 W/(m²·K). Како исполна благородните гасови се употребуваат само кај изолирачки стакла со метализиран слој.

Конвекција

Интензитетот на топлинските загуби преку конвекција во голема мера зависи од т.н. фактор на емисија на површина, ε, којшто е бездимензионален. Колку вредноста на факторот на емисија е поголема, толку се поголеми и загубите и спротивно. Вредностите на топлинските отпори во Табела 1 се пресметани со фактор на емисија ε = 0,9. Обичното стакло има ε = 0,89.

Слика 3: Нискоемисивен метализиран слој врз стаклото за намалување на факторот ε

Со цел оваа висока вредност да се намали, а со тоа да се намалат и топлинските загуби со конвекција, при производството на стакло се применува технологија на нанесување метализиран слој од бакар, злато, алуминиум или сребро (Слика 3). Слојот се нанесува од едната страна на стаклото, при што се обезбедува многу низок фактор на емисија. Во зависност од природата на овој премаз, вредноста ε се намалува на 0,30 – 0,15 (пиролитички премаз) и оди до 0,10 – 0,02 (магнетронски премаз). Самиот премаз, всушност се состои од неколку слоја, со вкупна дебелина на микронско ниво.

Вредностите на топлинскиот отпор на невентилиран слој воздух (R_g) во Табела 1 и на Слика 2 се пресметани за материјали со фактор на емисија на површината ε = 0,9, што одговара на многу градежни материјали. Во Табела 2, во крајната десна колона, пресметката е направена за воздушен слој меѓу обични стакла чијшто фактор на емисија ε = 0,89. Малата разлика во вредностите R_g се должи токму на разликата на факторите e. Меѓутоа, со премаз само на едното стакло од страната кон воздушниот слој, со намалени фактори на емисија 0,1, 0,2, 0,4 и 0,8 значително се зголемуваат топлинските отпори на овој слој, односно се зголемува неговата изолациска моќ.

Пресметаните вредности R_g во Табела 2, за случаи со и без премаз, не се зголемуваат со зголемувањето на дебелината на воздушниот простор, како што би се очекувало. Напротив, во сите случаи вредностите за R_g растат до дебелина од 15 mm (засенчени ќелии) и потоа опаѓаат. Значи, оптималните вредности одговараат на слој со дебелина 15 mm. Ова е причината зошто растојанието меѓу двете стакла во двослојните и трослојните стакло-пакети во најголем број случаи изнесува 15 – 16 mm.

Табела 2: Топлински отпор на невентилиран воздушен простор со двослојно застаклување без премаз и со премаз од едната страна

Радијација

Од интерес за енергетските заштеди, едно од суштинските својства на застаклувањето е коефициентот на пренесување на топлината со радијација (h_r). Со цел да се контролира и овој начин на пренесувањето на топлината, површините на стаклата кон меѓупросторот се премачкани со материјал за рефлексија на инфрацрвено зрачење. Со вакво застаклување, во зависност од видот на гасот и премазот, вредноста U_g може да се намали и до 0,5 W/(m²·K). Покрај ограничувањето на топлинските загуби, втората функција на ова застаклување со високи перформанси е да се овозможат пасивни соларни добивки.

Слика 4:    Пример од пракса на трите форми на пренесување на топлината

На Слика 4 илустриран е пример од пракса на пренесување на топлината на сите три начини.

Соларна контрола

Транспарентните застаклени делови од надворешната обвивка на зградата, во зависност од процентот на нивните површини и од ориентацијата кон страните на светот, во топлинските загуби во зимскиот период учествуваат со значителен процент. Но, во летниот период интензивното влијание на сончевите зраци низ овие застаклени површини ги зголемува потребите од енергија за ладење. За да се намалат овие несакани топлински добивки, современата технологија на производство на стакло проблемот го решава со селективно пропуштање на сончевите зраци, односно се применува соларна контрола на стаклата:

● постои широка палета стакла за соларна контрола при монолитно и двослојно застаклување;

● функцијата на соларната контрола се ефектуира на еден од следните начини:

–   обоени стакла во целата маса;

–   стакла со пиролитички премази;

–   стакла со магнетронски премази.

● во естетски поглед, достапни се неутрални или обоени стакла, со разни степени на рефлексија на светлината.

Важно е да се напомене дека елементите со кои се дизајнираат стаклата за да им се овозможи соларна контрола (боја, премаз) немаат ефект врз топлинско-изолациските карактеристики на самите стакла.

Ефект на стаклена градина

Во објектите со големи застаклени површини сонцето може да внесе многу топлина. Преку директна трансмисија, или индиректна (откако топлината се акумулира во стаклото), сончево зрачење навлегува во внатрешноста на објектот. Во просториите ова зрачење делумно се апсорбира од ѕидовите, подовите и мебелот, при што нивната температура се покачува. Овие површини ја враќаат топлината во просторијата во форма на инфрацрвено топлинско зрачење со бранова должина над 2.500 nm (долгобраново инфрацрвено зрачење). Меѓутоа, стаклото е непропустливо за зрачењето со долги бранови и топлината од ова зрачење останува внатре во просторијата. Како последица од ова, внатрешната температура постепено се покачува. Ова е краток опис на принципот на кој функционира стаклена градина.

Слика 5: Ефект на стаклена градина во автомобил

На Слика 5 е прикажан ефект на стаклена градина кој се случува летно време во автомобил паркиран на сонце. Температурата внатре во возилото се покачува како последица на загревањето на седиштата, воланот и другите предмети во возилото, но топлината не може да излезе надвор низ стаклото, поради непропустливоста на стаклото за овој тип долгобраново инфрацрвено зрачење.

Ефектот на стаклена градина е посакуван во зимскиот период во станбени објекти, бидејќи штеди енергија. Меѓутоа, во јавни објекти со зголемен број на персонал, електрични уреди, вештачко осветлување и сл., ефектот на стаклена градина ги зголемува трошоците за ладење и за таков тип згради е потребна надворешна заштита за да се намали влез на сончевата енергија.

Слика 6: Инсолација на јужна фасада

Јасно е дека количеството сончева енергија спроведена низ прозорците зависи од нивната ориентација во однос на страните на светот. На северната хемисфера, во летниот период, низ прозорците со ориентација од североисток до северозапад минува малку сончева енергија. Прозорците со јужна ориентација во зима се повеќе изложени на сонце, за разлика од лете, кога поради поголемиот нападен агол на сончевите зраци во однос на хоризонтот, низ прозорците минува помалку зрачење (Слика 6). Прозорците со западна и источна ориентација преку цела година се изложени на сонце. Особено западно ориентираните прозорци ја имаат таа неповолност што изложеноста на сончевото зрачење се случува кон крајот на денот, кога и другите градежни конструкции (ѕидови, покриви) ја акумулирале сончевата топлина во текот на денот и почнуваат да ја емитираат кон внатрешноста, токму во периодот кој е наменет за одмор и сон на луѓето (ако се работи за станбени објекти).

Стаклото чија маса е обоена или стакло со нанесен слој за соларна контрола, пропушта помалку топлина во споредба со обичното, безбојно стакло. Овој факт се користи при производството на стакла чија намена е контролирано да го пропуштаат сончевото зрачење. На тој начин се намалува загревањето во просториите.

За контрола на соларната пропустливост низ стаклата достапни се два типа стакла: апсорпциско стакло и стакло со премаз од метализиран слој. Овие две функции може да бидат комбинирани во едно застаклување.

Апсорпциско стакло

Апсорпциското стакло всушност е стакло во боја, добиено со додавање метални оксиди во целата негова маса. Колоритот може да биде во повеќе нијанси: бронзена, сива, зелена итн. Во зависност од бојата и од дебелина на стаклото, соларниот фактор варира помеѓу 40% и 80%.

Слика 7: Апсорпциско стакло

При вакво стакло дел од енергијата од сончевото зрачење се апсорбира во стаклото, пред остатокот од енергијата да биде емитиран назад кон надворешноста или пропуштен кон внатрешноста (Слика 7).

Количеството енергија рефлектирана кон надворешноста или кон внатрешноста зависи од брзината на ветарот и од надворешната температура, соодветно. За поефикасно да се врати топлинското зрачење кон надворешноста, апсорпциското стакло треба да биде поставено што е можно поблизу до надворешната површина на фасадата.

На рамни фасади апсорбираната топлина во стаклата многу полесно се оддава кон надвор, со што нивото на зрачењето кон внатрешноста е пониско.

Употребата на апсорпциски стакла полека го губи приматот во споредба со употребата на стакла со премази. Современата технологија на примена на метализирани премази врз стаклата овозможува да се произведат стакла со високи перформанси. Освен тоа, апсорпциските стакла се загреваат многу побрзо од конвенционалните, што во одредени случаи може да доведе до термичко оптоварување на стаклата и нивно кршење.

 

Слика 8: Стакло за рефлексија со премаз од надворешна страна

Стаклата со премази од метализирани слоеви рефлектираат одредено количество од добиената сончева енергија (Слика 8).

Пишува: Д-р Петар Николовски, дипл. инж. арх.