Koncentrace inertního plynu ve vztahu k Ug
Základním významem použití inertního plynu v meziskelním prostoru izolačních skel je jeho nižší tepelná vodivost, tedy schopnost poskytnout větší odpor plynu proti přestupu tepla. Příspěvek analyzuje proměnnost součinitele prostupu tepla skla Ug v závislosti na změně koncentrace inertních plynů.
Úvod
Základním významem použití inertního plynu v meziskelním prostoru izolačních skel je jeho nižší tepelná vodivost, tedy schopnost poskytnout větší odpor plynu proti přestupu tepla. Zjednodušeně lze tuto vlastnost inertních plynů vysvětli tím, že molekuly plynů tohoto typu (argon, krypton, xenon) zásadně nevytváří žádné molekulární struktury mezi sebou navzájem ani s částicemi jiných plynů a striktně se vyskytují v jednomolekulárním uspořádáním, které výrazně znesnadňuje předávání kinetické energie mezi molekulami navzájem, což je hybnou silou sdílení tepla.
Pokud je v této oblasti zmiňovaná vlastnost inertních plynů výhodou, je ve věci "úniků" a postupném snižování koncentrace plynů v mezisklení prostoru hlavní příčinou schopnosti těchto plynů utíkat (difundovat) přes okraj izolačního skla, protože jednotlivá molekula nevytvářející žádnou strukturu projde v podstatě každou uměle vytvořenou bariérou. V konečné důsledku může vzniknout dokonce situace, kdy inertní plyn přes bariéru okraje izolačího skla pomalu odchází, ale vzduch se zpět díky své složitější molekulární struktuře přes tmelený okraj izolačního skla zpět nedostane a postupně takto v jednotce vzniká podtlak, který časem může ve vyjímečných případech způsobit i implozi skla vlivem vzniku zásadního podtlaku uvnitř (implodující izolační sklo).
Je několik mýtů rozšířených v laické a mnohdy i odborné veřejnosti vztahujících se k této problematice a jedním z nejrozšířenějších je představa tzv. "vakuovaných skel". Tuto situaci poměrně přesně vystihuje jedno přísloví, které praví, že "přání bylo otcem myšlenky". Ano samozřejmě, izolační skla obsahující vakuum v meziskelní oblasti by v porovnání se současnou úrovní standardu (U=1,2W/m2K) představovala neskutečný průlom a dosahované vlastnosti při cca 80 % vakuu by mohly být na úrovni součinitele prostupu tepla neuvěřitelných U=0,1 W/m2K, čímž by se vyrovnaly nebo i předčily izolační vlastnosti ostatních materiálů používaných v konstrukcích obvodových plášťů. Bohužel realita je taková, že současná konstrukce izolačního skla rozhodně neumožňuje dosáhnout žádného významného podtlaku, aniž by se jednotlivé tabule skla k sobě nepřiblížily, resp. nepraskly. Určité pokusy se v této oblasti testují, ale zatím nelze ani z krátkodobého či střednědobého hlediska očekávat nějaké technicky a finančně akceptovatelné řešení.
Realita je taková, že inertní plyn se plní do mezisklení oblasti v aktuálním atsmosferickém tlaku a změna rovnováhy jeho tlaku vůči okolnímu prostředí může být jen omezená a způsobená změnou teploty a současné proměnné roztažnosti/smrštitelnosti plynů, vyvoleném kolísaním atmosferického tlaku nebo změnou nadmořské výšky umístění izolačního skla. Pokud by některý z uvedených vlivů výrazně vystoupil vlivem nenormativních okolních vlivů z očekávaných hodnot, mohlo by to znamenat i prasknutí skla. Pro běžné použití izolačního skla lze uspokojivě deklarovat, že možné prakticky dosažitelné výkyvy okolních teplot a kolísání atmosferického tlaku, izolační sklo současné generace spolehlivě zvládne.
Větší problém může nastat při výrazné změně nadmořské výšky, kdy jsou známé případy, že vyrobené sklo v "nížině" dodané následně do vysokohorských oblastí s výrazně nižším atmosferickým tlakem samovolně explodovalo. Proto by všichni stavitelé měli mít tuto skutečnost na mysli a pokud realizují stavbu ve vysokohorských oblastech (nad 1000m nad mořem) měly by rozhodně svého dodavatele otvorových výplní a izolačních skel na tuto skutečnost upozornit, aby se při výrobě izolačního skla mohla přijmout odpovídající opatření. Řešením může být např. předběžné naplnění skla ve výrobně s následnou korekcí tlaku plnění až na stavbě v aktuální nadmořské výšce.
Pokud tedy v izolační jednotce nevzniká zásadní přetlak, co je potom hybnou silou úniků plynů? Vysvětlení je potřeba hledat v přirozené vlastnosti plynů se navzájem směšovat a vyrovnávat koncentraci jednotlivých obsahových složek navzájem mezi různými oddělenými prostředími. Iniciativa těchto procesů vzniká v mezimolekulární oblasti a je tím intenzivnější, čím je větší rozdíl ve složení a v koncentrací plynů. A tato skutečnost je v izolačních sklech hlavní hybnou silou těchto procesů, protože rozdíly koncentrací použitých plynů jsou v mnoha řádech. Uvnitř izolačního skla je při naplnění běžně dosahována koncentrace plnícího inertního plynu nad 90%, proti tomu v okolním prostředí se tyto plynu vyskytují jen ve zcela zanedbatelném stopovém množství. Právě různé množství molekul těchto plynů ve vzduchu (molekul kryptonu je ve vzduchu řádově méně než argonu) poskytuje i vysvětlením toho jevu, proč např. krypton má výrazně vyšší schopnost z izolačního skla "utéct" než běžněji používaný argon, ačkoliv má krypton mírně větší molekuly a mělo by tomu být právě naopak.
Obecně je potřeba uvést, že současná konstrukce izolačních skel je schopna systém dostatečně zajistit proti výraznějším únikům inertních plynů z meziskelní oblasti nad rámec normou předpokládaného poklesu koncentrace o 1 až 2% ročně. Prvotní a základní barieru těsnění plynu tvoří skla, obvodový distanční rámeček a spáry utěsněné butylovým trvale pružným tmelem. Sekundárním těsněním je potom obvodový tmel, který tvoří určitou pojistku pro případ, že by prvotní těsnění nebylo zcela "plynutěsné". Vlastnosti jednotlivých používaných tmelů jsou shrnuty v následující tabulce:
| typ tmelu (polymerový základ) | množství plynu (argon) prošlého difuzí přes 3 mm vrstvu tmelu (ml/m2.d.bar) | Ztráta plynu (Argon) dle DIN 1286 T 2 u izolačního dvojskla (103/rok) |
|---|---|---|
| Polysulfid | 40 - 70 | 1 - 8 (1-3 pro krypton) |
| Polyurethan | 100 - 300 | 10-30 |
| Silikon | 2000 - 4000 | příliš vysoká, proto neměřitelná |
| Polyisobutylen | 5 - 15 | příliš vysoká, proto neměřitelná |
Tab.1 Fyzikální vlastnosti tmelů (zdroj: Kommerling)
Pro většinu aplikací plněných plynem je nevhodné používat jako obvodový tmel silikon. Tento materiál má mnoho jiných výhodných vlastností (přilnavost, pevnost UV stabilita), ale většinou se nedá se zárukou aplikovat u jednotek plněných plynem.
Z tabulky je patrná ještě jedna zvláštnost a to je různá schopnost butylu (správně celý název polyisobutylen) obstát u různých zkoušek. Na jedné straně prostup technických plynů přes tento materiál v podobě 3mm plata je v podstatě minimální na druhé straně u izolačních jednotek, kde byl tento materiál použit jako obvodový tmel, je míra úniků zcela nevyhovující. Tento jev právě souvisí s tím, že při použití tohoto materiálu jako primární těsnění je butyl v tenké vrstvě vlisován mezi dvě pevné relativně hladké plochy (rámeček, sklo) a v tomto provedení působí jako účinný těsnící prvek pro prostup plynů. Na druhé straně při aplikaci tohoto materiálu jako druhotného tmelu dochází k vytékání tohoto materiálu zahřátého na poměrně vysokou teplotu (cca 200°C) volně do okraje dvojskla a při této aplikaci zřejmě nedojde k potřebnému navázání tmelu na sklo a mezi materiály zůstává mikrospára, kterou mohou molekuly plynů bez obtíží procházet. Z uvedených důvodů se proto většinou nedoporučuje používat tento materiál jako obvodový tmel (tzv. hotmelt). I v této oblasti určitě existují vyjímky materiálů, ale vždy se jedná o modifikovaný materiál na bázi polyisobutylenu určeného výhradně pro obvodové tmelení.
Výsledná těsnost izolačních skel potom samozřejmě nejvíce souvisí s kvalitou zhotovení izolačního skla a jeho individuálním provedením. Vhodným řešením se jeví distanční profily, které lze ohýbat a které jsou opatřeny úpravou proti prostupu plynů (profily na bázi kovu nebo plastové s plynotěsnou folií po obvodu). Ohýbáním rohů lze eliminovat nutnost těsnit rohové spoje u dělených rámečků, kde se ke spojování používají rohové konektory, čímž se ze systému odstranění několik problémových bodů. Nedá se určitě říct, že dělené profily by byly z hlediska úniků plynů nevhodné, ale jsou mnohem náročnější na kvalitu výroby a dodržení veškerých technologických požadavků, zejména lepení těchto rohových spojů a tím náchylnější k případným defektům s nadbytečným únikem plynů, kdy i případná drobná nekvalita ve výrobě potom může znamenat výraznější úniky plynů z meziskelní oblasti.
Dalším problematickým místem pro úniky plynů je butylová spára, která musí být po celém obvodu průběžná bez jakéhokoliv přerušení nebo zúžení a musí mít po celém svém obvodu a zejména v rohových sekcích dostatečnou šířku tak, aby byla zcela zakryta styčná plocha s distančním rámečkem a butylová šňůra musí být dostatečně slisovaná, aby perfektně přilnula ke sklu a rámečku. Je samozřejmé, že účinná plocha spoje na rámečku a skle musí býti před aplikací butylové šňůry zcela čistá, zbavená jakékoliv mastnoty nebo mechanických částí. Jen tak může butyl účinně přilnout k oběma z materiálů. Z tohoto hlediska se opět jeví jako vhodnější použití rámečků, kde na styčné ploše je kov nebo pokovený materiál. Přilnavost k jiným materiálům, např. čistým plastům bez jakékoliv speciální povrchové úpravy, nemusí být zaručená.(obrázky butylové spáry).
Samostatnou problematikou je potom úprava nízkoemisivně pokoveného skla po obvodu ve styku s butylem. Zpravidla se tato vrstva před kompletací izolačního skla obrušuje. Hlavním důvodem této úpravy je však jiný požadavek a to požadavek na správné přilnutí obvodového tmelu, kde pokovení by mohlo působit jako separátor a obvodový tmel by správně nezafixoval skla ve spojené poloze, což by mohlo vést k porušení těsnosti jednotky.
S ohledem na účinnost těsnění plynů v místě mezi pokoveným sklem a rámečkem se zpravidla tato vrstva taky tedy obrušuje, ale existují i názory, že broušení pokovené vrstvy i v tomto místě je spíše na škodu z důvodu zdrsnění a zanesení této plochy zbytky brusu (fota z mikrospoku). Každopádně obě řešení jsou funkční za podmínky splnění výše uvedených požadavků na provedení a kvalitu izolačních skel plněných technickými plyny.
Distanční rámečky
Jak již bylo uvedeno, u jednotek plněných kryptonem jsou nároky na kvalitu provedení obecně vyšší z důvodu větší schopnosti a agresivity tohoto plynu pronikat přes těsnící bariéry. Ohýbané rámečky by u těchto skel měly být samozřejmostí, stejně jako lepení spojů rámečků butylem.
Dalším důležitým faktorem může být i roztažnost rámečků a její podobnost se sklem. Příliš odlišná roztažnost může vlivem změn teplot cyklicky zatížit butylovou spáru natolik, že se tato místně poruší a tím dojde k porušení hermetického uzavření meziskleního prostoru. Z hlediska roztažnosti opět vycházejí nejlépe ocelové rámečky, které mají velice blízkou roztažnost jako sklo. Naopak nejhůře jsou na tom plastové rámečky nebo rámečky zhotovené z kompozitů. U menší skel je tento vliv zanedbatelný, ale u větších skel, kde jeden z rozměrů přesáhne např. 2m, může rozdíl v délkové roztažnosti dělat i několik mm.
Problematickým místem může být i místo plnění vysoušedlem, kde se zpravidla navrtává rámeček ve styku s butylem. Pokud není toto místo po naplnění správně zapravené (např. zacpáním butylovou kuličkou) často zde dochází po slisování k přerušení butylové spáry a netěsnosti pro prostup plynů.
Všechny uvedené detaily se mohou zdát nevýznamné, ale s ohledem na velikost molekul technických plynů a řádovými rozdíly v koncentraci plynů uvnitř a vně izolační jednotky, lze každou drobnou netěsnost na prvotní bariéře těsnění (sklo, rámeček, bytylové spáry) přirovnat k otevření okna uvnitř místnosti. Kvalitně provedenou sekundární bariérou (obvodový tmel) lze takový únik zpomalit, ale nikoliv zastavit .Ze známých případů je prokázáno, že žádný z běžně používaných obvodových tmelů není schopen zajistit systém proti nadměrným dlouhodobým poklesům koncentrace kryptonu, pokud prvotní bariéra má nějaké vady a nedostatky.
Koncentrace plynu
Problematika použití inertního plynu ve vztahu k jeho tepelně technickým vlastnostem (součinitel tepelné vodivosti λ, měrné teplo c, hustota ρ) a cenové relace, případně i náročnost konstrukčních úprav v utěsněnosti obvodu izolačního skla a tím tedy i ekonomičnosti (ceny) jsou často diskutovaným tématem.
Je prokázáno, že inertní plyn mající nižší hodnotu součinitele tepelné vodivosti λ je izolačně příznivější než vzduch (tab.2).
| Plyn | Teplota υ °C |
Hustota ρ kg/m3 |
Dynamická viskozita μ kg/(m.s) |
Tepelná vodivost λ W/(m.K) |
Měrné teplo c J/(kg.K) |
|---|---|---|---|---|---|
| Vzduch | -10 0 10* 20 |
1,326 1,277 1,232 1,189 |
1,661x10-5 1,711x10-5 1,761x10-5 1,811x10-5 |
2,336x10-2 2,416x10-2 2,496x10-2 2,576x10-2 |
1,008x103 |
| Argon | -10 0 10* 20 |
1,829 1,762 1,669 1,640 |
2,038x10-5 2,101x10-5 2,164x10-5 2,228x10-5 |
1,584 x10-2 1,634 x10-2 1,684 x10-2 1,734 x10-2 |
0,519x103 |
| SF6 Fluorid sírový |
-10 0 10* 20 |
6,844 6,602 6,360 6,118 |
1,383 x10-5 1,421 x10-5 1,459 x10-5 1,497 x10-5 |
1,119 x10-2 1,197 x10-2 1,275 x10-2 1,354 x10-2 |
0,614x103 |
| Krypton | -10 0 10* 20 |
3,832 3,690 3,560 3,430 |
2,260 x10-5 2,330 x10-5 2,400 x10-5 2,470 x10-5 |
0,842 x10-2 0,870 x10-2 0,900 x10-2 0,926 x10-2 |
0,245 x103 |
| Xenon | -10 0 *10 20 |
6,121 1,277 1,232 1,189 |
2,078 x10-5 2,152 x10-5 2,226 x10-5 2,299 x10-5 |
0,494 x10-2 0,519 x10-2 0,529 x10-2 0,546 x10-2 |
0,161 x103 |
Tab.2 Vlastnosti plynů (* Normalizovaná střední teplota měření)
Rychlost unikání plynu Li pro koncentraci vyšší než 15% a vzduchu měřená na vzorcích ze dvou tabulí čirého skla float 4 mm ve smyslu EN 572 a EN 572-2 musí být Li < 1,0 v % .a-1. Je prokázáno, že laboratorně měřené hodnoty jsou výrazně vyšší už po 10 letech přirozeného stárnutí.Uvedené tvrzení vychází ze zkušenosti nainstalovaných IS do oken reálného objektu po dobu 10 roků s hodnotami měřenými u izolačních skel vhodné konstrukce po procesu umělého stárnutí podle DIN 52293.Naměřené hodnoty byly 10x nižší než laboratorní.
Závislost koncentrace inertního plynu na součiniteli prostupu tepla Ug
Programem Window 5 byla výpočtově hodnocena závislost koncentrace plynu na součiniteli prostupu tepla IS pro naplnění meziprostoru inertním plynem - argonem a kryptonem.Výstup byl zpracován tabelárně a graficky.
Výpočtové skladby izolačního dvojskla:
- pro plnění argonem - Float 4 mm - 16argon - Low-E 4mm
- pro plnění kryptonem - Float 4 mm- 12krypton - Low-E 4mm
| koncentrace plynu | Ug W/m2K | |
|---|---|---|
| argon | vzduch | |
| 90 | 10 | 1,161 |
| 89 | 11 | 1,164 |
| 88 | 12 | 1,166 |
| 87 | 13 | 1,169 |
| 86 | 14 | 1,172 |
| 85 | 15 | 1,175 |
| 84 | 16 | 1,178 |
| 83 | 17 | 1,181 |
| 82 | 18 | 1,183 |
| 81 | 19 | 1,186 |
| 80 | 20 | 1,189 |
| 79 | 21 | 1,192 |
| 78 | 22 | 1,195 |
| 77 | 23 | 1,198 |
| 76 | 24 | 1,200 |
| 75 | 25 | 1,203 |
| 74 | 26 | 1,206 |
| 73 | 27 | 1,209 |
| 72 | 28 | 1,212 |
| 71 | 29 | 1,215 |
| 70 | 30 | 1,217 |
| 69 | 31 | 1,220 |
| 68 | 32 | 1,223 |
| 67 | 33 | 1,226 |
| 66 | 34 | 1,229 |
| 65 | 35 | 1,232 |
| 64 | 36 | 1,234 |
| 63 | 37 | 1,237 |
| 62 | 38 | 1,240 |
| 61 | 39 | 1,243 |
| 60 | 40 | 1,246 |
Tab.3 Plnění Argonem
Obr.1 Závislost Ug na koncentraci meziskelního prostoru argonem
Součinitel prostupu tepla Ug se při snížení koncentrace Argonu z 90 % na 60 % zhorší o 7.3 %. Vliv šířky rámečku (šířka meziskelního prostoru) na výslednou hodnotu Ug je následující:
| šířka rámečku v mm | Ug (W/m2. K) |
|---|---|
| 10 | 1,461 |
| 12 | 1,306 |
| 14 | 1,206 |
| 16 | 1,161 |
| 18 | 1,17 |
| 20 | 1,189 |
| 22 | 1,206 |
| koncentrace plynu | Ug W/m2K | |
|---|---|---|
| krypton | vzduch | |
| 90 | 10 | 1,041 |
| 89 | 11 | 1,048 |
| 88 | 12 | 1,051 |
| 87 | 13 | 1,055 |
| 86 | 14 | 1,058 |
| 85 | 15 | 1,062 |
| 84 | 16 | 1,065 |
| 83 | 17 | 1,069 |
| 82 | 18 | 1,073 |
| 81 | 19 | 1,077 |
| 80 | 20 | 1,081 |
| 79 | 21 | 1,085 |
| 78 | 22 | 1,09 |
| 77 | 23 | 1,094 |
| 76 | 24 | 1,099 |
| 75 | 25 | 1,103 |
| 74 | 26 | 1,108 |
| 73 | 27 | 1,113 |
| 72 | 28 | 1,117 |
| 71 | 29 | 1,122 |
| 70 | 30 | 1,127 |
| 69 | 31 | 1,132 |
| 68 | 32 | 1,137 |
| 67 | 33 | 1,143 |
| 66 | 34 | 1,148 |
| 65 | 35 | 1,153 |
| 64 | 36 | 1,159 |
| 63 | 37 | 1,164 |
| 62 | 38 | 1,170 |
| 61 | 39 | 1,176 |
| 60 | 40 | 1,182 |
Tab. 4 Plnění Kryptonem
Obr.2 Závislost Ug na koncentraci meziskelního prostoru kryptonem
Součinitel prostupu tepla Ug se při snížení koncentrace Kryptonu z 90 % na 60 % zhorší o 13.5 %. Vliv šířky rámečku (šířka meziskelní mezery) na výslednou hodnotu Ug je následující:
| šířka rámečku v mm | Ug (W/m2.K) |
|---|---|
| 8 | 1,176 |
| 10 | 1,053 |
| 12 | 1,041 |
| 14 | 1,065 |
| 16 | 1,087 |
| 18 | 1,107 |
| 20 | 1,125 |
Závěr
Zpřísňováním požadavků součinitele prostupu tepla konstrukčních prvků obvodového pláště se snižuje poměr mezi U plné části pláště a transparentního prvku , ale je evidentní, že i v současné době je okno významným zdrojem tepelných ztrát.
Příspěvek analyzuje proměnnost součinitele prostupu tepla skla Ug v závislosti na změně koncentrace inertních plynů (argonu , kryptonu) a na změně šířky meziskelního prostoru u izolačních skel.
Výpočtově je prokázáno,že zhoršení součinitele prostupu tepla Ug při změně koncentrace z 90/10 na 60/40 je u argonu 7,3 % , u kryptonu 13,5 %.Současně je možné konstatovat, že normou předpokládaný Li < 1,0 v % .a-1 je u experimentálních naměřených hodnot ještě menší .Optimální šířka rámečku není pro oba plyny (argon a krypton) stejná. V případě argonu vychází nejlépe šířka 16 mm, u kryptonu 12 mm. Dalo by se očekávat, že se vzrůstající šířkou rámečků budou hodnoty Ug lepší nebo přinejhorším stejné. Z výpočtu ale vyplývá, že se při zvětšujících nebo naopak zmenšujících šířkách meziskelního prostoru hodnota Ug zhoršuje. Součinitel prostupu tepla izolačního skla je významně ovlivňován emisivitou požitých skel (pokovení pozice 2 - vnitřní líc vnějšího skla) ve vztahu k tepelným ziskům resp.tepelným ztrátám skly.
Pro ilustraci uvádím diferenciaci Ug nejčastěji frekventovaných typů izolačních dvojskel s plněním různými inertními plyny ve variantních koncentracích.
Izolační dvojsklo Low-E 4mm -12- Float 4mm
| U (W/m2K) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 100% | 90% | 75% | 50% | 25% | |
| vzduch | 1.63 | ||||
| argon | 1.27 | 1.31 | 1.36 | 1.45 | 1.54 |
| krypton | 1.00 | 1.04 | 1.10 | 1.24 | 1.42 |
Izolační dvojsklo Low-E 4mm -16- Float 6mm
| U (W/m2K) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| 100% | 90% | 75% | 50% | 25% | |
| vzduch | 1.42 | ||||
| argon | 1.13 | 1.16 | 1.20 | 1.27 | 1.34 |
| krypton | 1.04 | 1.09 | 1.15 | 1.24 | 1.31 |
Literatura
1. Vaverka J. a kolektiv: Stavební tepelná technika a energetika budov. Nakladatelství VUTIUM 2006, 648 s. a CD. (ISBN 80-214-2910-0)
2. ČSN EN 673 + A1: Sklo ve stavebnictví-Stanovení součinitele prostupu tepla (hodnota U) -Výpočtová metoda
3. ČSN EN 1279-3: Sklo ve stavebnictví-Izolační skla-Část 3: Dlouhodobá metoda zkoušení a požadavky na rychlost unikání plynu a na tolerance koncentrace plynu
4.Vaverka, J.: Inertní plyn a izolační skla. Fasády 2/2008
The basic importance of the use of inert gas in the space between insulating glasses is its lower thermal conductivity, i.e. the ability to provide greater resistance to heat transfer. Simply put, the inert gasses (argon, krypton, xenon) have this property because in principle their molecules do not create in structure among themselves or with particles from other gasses and strictly occur in monomolecular arrangements, which significantly reduces the transfer of kinetic energy between the molecules, which is the driving force of heat. The paper analyses the variabilities of the heat transfer coefficient of Ug glasses depending on changes in the concentration of inert gases and the width of the space between insulating glasses.
