T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
VENSTERS, BOUWFYSISCH BEKEKEN (2)
f
i
j d i s c h r
ZONNEWARMTE EN DAGLICHTTOETREDING Peter Wouters, ir., afdelingshoofd Bouwfysica & Binnenklimaat, WTCB Luk Vandaele, ir., adjunct-afdelingshoofd Bouwfysica & Binnenklimaat, WTCB Serge Martin, ir., adjunct-laboratoriumhoofd Energetische aspecten van gebouwen, WTCB
Vensters zijn een essentieel onderdeel van onze gebouwen en moeten aan een groot aantal bouwfysische en andere eisen voldoen. Soms zijn deze eisen zelfs tegenstrijdig. In een eerste artikel [4] werd een overzicht van de eisen gegeven en werd aandacht besteed aan de thermische isolatie van ramen. In dit tweede deel wordt dieper ingegaan op de zonnewinsten, de daglichttoetreding en de technologische ontwikkelingen van raam- en beglazingssystemen.
1
ZONNESTRALING EN VENSTERS
Buiten de aardatmosfeer bedraagt de zonnestralingsdichtheid, invallend op een oppervlak loodrecht op de zonnestralen, ± 1353 W/m2 (de zogenaamde zonneconstante). Een deel van de straling wordt geabsorbeerd in de atmosfeer, een deel wordt gereflecteerd door moleculen (waterdamp, zuurstof, stikstof, koolzuurgas, …), wat resulteert in diffuse straling.
inval. De putten in de curve komen overeen met de absorptiepieken voor diverse bestanddelen van de atmosfeer (H2O, CO2, O2, O3, ...). De zonnestraling, die het aardoppervlak bereikt, is beduidend kleiner dan de zonneconstante, zelfs bij zeer open hemel, maar toch komen waarden tot 1000 W/m2 voor. Bij bewolking is de straling diffuus en liggen de waarden veel lager.
Afbeelding 1 geeft de spectrale verdeling van de zonnestraling voor directe en diffuse straling onder open, resp. bewolkte hemel. De curve voor de directe straling geldt voor ‘luchtmassa 2’, d.w.z. dat onder een gemiddelde invalshoek van 30° de zonnestraling een tweemaal dikkere luchtlaag doorkruist dan bij loodrechte
2500
Afbeelding 2 geeft een idee van de grootteorde van de invallende zonne-energie te Ukkel (maandgemiddelde dagwaarden) op verticale vlakken (zuid-, noord-, oost- en westgericht) en op een horizontaal vlak (plat dak). Zonnewinsten kunnen in de winter het energieverbruik voor verwarming gunstig beïnvloeden. Anderzijds worden ze in de zomer best zo goed mogelijk gecontroleerd om oververhitting te mijden. Voor beide situaties zijn aangepaste technologieën en gebruiksstrategieën aangewezen.
Afb. 1 Spectrale verdeling van de zonnestraling.
zichtbaar licht
Een groot deel van de zonnestraling komt tot ons in de vorm van zichtbaar licht. Op die manier is de zon erg efficiënt. Per watt warmtevermogen worden 80 tot 120 lumen lichtenergie
straling aan de grens van de atmosfeer directe straling (luchtmassa 2)
1500
diffuse straling, open hemel
zuid
O2
1000
5
H 2O H2O
500
H2O
H2O
0 380
500
noord
30°
O2
0
Afb. 2 Maandgemiddelde waarden van de dagelijks invallende zonnestraling te Ukkel (kWh/m2dag).
6
diffuse straling, bewolkte hemel
[kWh/m2.dag]
Zonne-energie [W/m2.µm]
2000
780
1000
1500
oost
4
west horiz.
3 2 1
C O2
0
2000 2500 Golflengte [nm]
Jan
11
Feb Ma April Mei
LENTE 1997
Juni
Juli
Aug Sept Okt Nov Dec
T
W
C
B
t
t
geleverd voor diffuus licht en 50 tot 120 lumen voor direct licht, dit is zowat 10 keer meer dan een gewone gloeilamp en zelfs efficiënter dan een verlichtingsinstallatie met fluorescentielampen. Bij een zonnige zomerdag krijgt een horizontaal vlak een verlichtingssterkte van ± 100 000 lux, dit is 100 keer meer dan wat in een werkplaats vereist wordt voor precisiewerk.
belangrijk. Dit geldt meer nog bij goed geïsoleerde gebouwen en met name bij kantoorgebouwen. Dit artikel kan omwille van de beperkingen in omvang niet op alle aspecten in detail ingaan. We willen de lezer een globaal beeld geven van de beschikbare technologische oplossingen om zon- en lichtinval door ramen efficiënt te beheersen.
De energiestraling kan worden opgesplitst volgens de golflengte. Het zichtbaar gedeelte van het zonnespectrum, d.i. de fractie waarvoor het menselijk oog gevoelig is, ligt tussen 380 en 780 nm (afb. 1, p. 11). Het visueel deel heeft ook het grootste aandeel in de energieverdeling. Dit blijkt uit de waarden van tabel 1.
2
ZON- EN LICHTTRANSMISSIE VAN BEGLAZINGEN
In het eerste deel van dit artikel [4] is reeds ingegaan op de begrippen ZTA en LTA. Dit zijn eengetalwaarden om de zontoetreding en de lichttransmissie van beglazingen te karakteriseren. Voor een goed begrip van deze tekst worden de definities in het kader hieronder herhaald.
Tabel 1 Procentuele verdeling van de energetische straling in het zonnespectrum. TYPE STRALING Ultraviolet licht Zichtbaar licht Infrarood licht
GOLFLENGTE
ENERGIEVERDELING (%)
λ < 380 nm 380 nm < λ < 780 nm 780 nm < λ
6 …. 3 [3] 50 …. 53 [3] 44 [3]
De directe zontransmissie (τ) en de zontoetreding (ZTA) slaan op het totale zonnespectrum, de lichttransmissie enkel op het zichtbare deel van het zonnespectrum, dit is de straling tussen 380 en 780 nm. De ZTA-waarde houdt naast de directe transmissie ook rekening met de indirecte afgifte van de energie die geabsorbeerd werd door het beglazingssysteem.
De zon heeft een enorm potentieel. Vensters zijn de bouwelementen die de invallende zonne-energie en het daglicht in het gebouw brengen. Zowel het aanbod als de behoeften aan zonnewarmte en licht variëren in tijd en ruimte; daarom zijn een intelligent concept van ramen én een controle op de zontoetreding
Afbeelding 3 geeft de spectrale transmissie en reflectie van 4 mm klaar floatglas, naast het zonnespectrum. In afbeelding 4 worden de
TER HERINNERING ... τ=
doorgelaten zonnestralingsstroomdichtheid
=
Φ dir
=
∫ τ(λ). E(λ). ρ(λ)
Φ zon ∫ E(λ). ρ(λ) directe zontransmissie totaal invallende zonnestralingsstroomdichtheid doorgelaten directe zonnestralingsstroomdichtheid spectrale energieverdeling van de zonnestraling (zie afbeelding 1, p. 11) spectrale reflectie van het beglazingssysteem (zie afbeelding 3) spectrale doorlatendheid van het beglazingssysteem (zie afbeelding 3).
invallende zonnestralingsstroomdichtheid met : τ = Φzon = Φdir = E(λ) = ρ(λ) = τ(λ) = ZTA =
totaal doorgelaten energiestralingsstroomdichtheid totaal invallende zonnestralingsstroomdichtheid
=
Φ dir + Φ add Φ zon
met : ZTA= absolute zontoetredingsfactor Φadd = stralingsstroomdichtheid die na absorptie van een deel van de inkomende straling door het glasoppervlak naar binnen wordt afgegeven via langgolvige straling en convectie NB : de ZTA-waarde is equivalent met de g-waarde uit de nieuwe Europese ontwerpnorm prEN 410.
LTA =
doorgelaten lichtstralingsdichtheid
=
invallende lichtstralingsstroomdichtheid
∫ V(λ). τ(λ). E(λ). dλ ∫ V(λ). E(λ). dλ
met : LTA = absolute lichttoetredingsfactor V(λ) = spectrale gevoeligheid van het menselijk oog (tussen 380 en 780 nm).
12
LENTE 1997
f
i
jd i s c h r
T
B
NDERZOEK t
t
O
C
W
LTA 1
[W/m2.nm] 1,4
[%] 100
τ(λ)
90
optimale winterkarakteristiek
1,2
80 70
1
60
0,8
50
Ε(λ)
40
optimale zomerkarakteristiek 0,5
0,6
30
f
i
j d i s c h r
0,4
20
ρ(λ)
10
0,2 0
0 0
500
1000
1500
2000
2500 [nm]
0
Afb. 3 Spectrale eigenschappen van klaar floatglas 4 mm.
0
0,5
1 ZTA
Afb. 5 Mogelijke combinaties van ZTA- en LTA-waarden. 4 mm
4 mm
100
tisch denkbaar maar in de praktijk niet gewenst (lichtgrijs gekleurd gebied).
100
8
Voor een maximale benutting van de zonnewinsten in de winter is een zo hoog mogelijke waarde zowel van ZTA als LTA gewenst. De beperkende factor is hier de isolerende eigenschap van het glas (k-waarde) : door het toevoegen van extra glaslagen of coatings om de isolatiewaarde te verbeteren, vermindert uiteraard de transmissie van energie en licht.
8 90
84
LTA = 0,90 8
6 he = 23 W/m2K
ZTA = 0,86
2
2 hi = 8 W/m2K
Afb. 4 Voorstelling van de ZTA- en LTA-waarden van klaar floatglas 4 mm.
Om oververhitting in de zomer te vermijden, is een optimale benutting van het daglicht met een beperkte energetische winst gewenst. ZTA/ LTA-combinaties in het omcirkelde gebied zijn hier de uitdaging.
ZTA- en LTA-waarden van hetzelfde glas schematisch voorgesteld.
Naast de ZTA- en LTA-waarden vermelden we nog twee andere aspecten die een impact hebben op het thermisch en visueel comfort, namelijk : ◆ de rechtstreekse zonnestraling op een individu kan het thermisch comfort nadelig beïnvloeden. Afschermen van de directe straling is dan aangewezen (gordijn, scherm) ◆ de grote verschillen in luminantie en lichtreflecties kunnen erg hinderlijk zijn voor het visueel comfort, een probleem dat zeer gevoelig is bij gebruik van beeldschermen.
Het is mogelijk glas te maken met nog hogere transparantie. Dit vindt o.a. toepassingen bij zonnecollectoren en speciale architecturale projecten zoals de piramide van het Louvre te Parijs. Door het verminderen van de onzuiverheden in het glas (o.a. ijzer) kunnen ZTA-waarden van 0,90 en LTA-waarden van 0,92 bereikt worden. De ZTA- en LTA-waarden zijn elk op zich belangrijke kenmerken van een venster (beglazing eventueel met zonwering). Maar ook de combinatie ZTA/LTA is belangrijk : er kunnen immers verschillende prestatie-eisen gesteld worden voor ZTA en LTA. In afbeelding 5 wordt het gebied van theoretisch mogelijke ZTA/LTA-combinaties afgebakend. De grijsgekleurde zones zijn niet mogelijk of niet gewenst. Vermits de zonnestraling voor ongeveer de helft uit zichtbaar licht bestaat, kan de ZTA-waarde nooit kleiner zijn dan de helft van de LTA-waarde (donkergekleurd gebied). Anderzijds zijn combinaties van hoge ZTAwaarden met lage LTA-waarden wel theore-
3 3.1
ZONWERENDE BEGLAZINGEN ABSORBERENDE EN REFLECTERENDE BEGLAZINGEN
Om de zontoetreding te beperken, kunnen bepaalde metaaloxiden aan het glas worden toe13
LENTE 1997
T
W
C
B
t
t
f
i
jd i s c h r
[W/m2.nm]
gevoegd. Hierdoor ontstaat een grotere absorptie van de straling maar ook een sterke opwarming van het glas. Verschillende kleurtinten zijn mogelijk.
1
UVstraling
0,9
zichtbare straling
IRstraling
reflectie
0,8 0,7
Oppervlaktecoatings op het glas kunnen de reflectie-eigenschappen van glas wijzigen. Deze coatings kunnen zowel op klaar glas als op absorberende beglazing worden toegepast. Beide soorten klassieke zonwerende beglazingen kunnen toegepast worden in een verbeterde dubbele beglazing (hoogrendementsglas).
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
0
Afbeelding 6 toont de LTA/ZTA-combinaties van een representatieve selectie van beschikbare absorberende en reflecterende dubbele beglazingen. De ZTA-waarden liggen tussen 0,1 en 0,5 en de LTA-waarden tussen 0,1 en 0,6. Uit de figuur blijkt dat de ZTA- en LTAwaarden steeds dezelfde grootteorde hebben. Een beperking van de ZTA-waarde geeft ongeveer dezelfde reductie op de LTA-waarde, wat niet zo gunstig is voor zomertoepassingen.
Afb. 6 Combinaties van ZTA- en LTAwaarden voor zonwerende beglazingen ■ (rechte 1 : ZTA ≈ LTA) en selectief zonwerende beglazingen ● (rechte 2 : ZTA < LTA).
0
sten, daglicht, ... veranderen afhankelijk van de tijd. Daarom is het idee van beglazingen met in de tijd veranderlijke eigenschappen erg aanlokkelijk, bv. : ◆ maximale doorlatendheid in de winter om de zonnewinsten nuttig te gebruiken ◆ maximale zonwering maar voldoende daglichttoetreding in de zomer.
1 0,5
Er bestaan reeds tal van technieken om beglazingen te voorzien van veranderlijke eigenschappen. Deze groep wordt omschreven als ‘chromogene’ beglazingen. De basiskenmerk van een chromogeen materiaal is dat het een belangrijke verandering in optische eigenschappen ondergaat t.g.v. een verandering in elektrisch veld, elektrische lading, lichtintensiteit, spectrale samenstelling van het licht of temperatuur van het materiaal.
0
3.2
1500
BEGLAZINGEN De behoefMET VERANDERLIJKE ten aan EIGENSCHAPPEN zonnewin-
0,65
0,5
1000
4
2
0,35
500
Afb. 7 Spectrale eigenschappen van een selectief zonwerende beglazing (ZTA ≈ 0,35, LTA ≈ 0,65).
LTA 1
0
transmissie
0,1
1 ZTA
SELECTIEF ZONWERENDE BEGLAZINGEN
Volgende basisopdeling kan gemaakt worden bij chromogene beglazingen : ◆ niet-elektrisch geactiveerde chromogene beglazingen : – fotochromische materialen – thermochromische en thermotrope materialen ◆ elektrisch geactiveerde chromogene materialen : – vloeibare kristallen – verspreide deeltjes – elektrochromische materialen.
Sinds kort bestaan er in België beglazingen die een lage ZTA-waarde combineren met een relatief hoge LTA-waarde (bv. ZTA = 0,35 en LTA = 0,65). Deze beglazingen vertonen een zeer geringe visuele reflectie. Zoals blijkt uit afbeelding 6 zitten we hier op de limiet van mogelijke ZTA/LTA-combinaties. Het gaat om zeer selectieve coatings : een relatief hoge transmissie in het visuele gedeelte (65 %) en een bijna te verwaarlozen transmissie in het niet-visuele gedeelte (hoogstens enkele procenten, zie afbeelding 7).
Hierna wordt een bondige beschrijving gegeven van de verschillende groepen. 14
LENTE 1997
2000 [nm]
T
C
B
NDERZOEK t
t
i
j d i s c h r
FOTOCHROMISCHE BEGLAZING Bij een fotochromische beglazing veranderen de optische eigenschappen onder ultraviolet licht. Meestal gaat de toestandsverandering gepaard met een verandering in de absorptie van de zonnestraling. Brillenglazen die verdonkeren bij zonnig weer zijn gebaseerd op deze eigenschap. Wanneer de straling wegvalt, keert de basistoestand van transparantie terug. Zulke materialen zijn geschikt voor de controle van daglichttoetreding, maar minder voor de controle van zonnewinsten.
4.2
buiten werking 0,5
0
Een elektrisch geactiveerde chromogene beglazing heeft noodzakelijk twee elektrisch geleidende en doorzichtige lagen. Dit betekent voor sommige toepassingen een belangrijk gedeelte van de kostprijs. Een veel gebruikte geleider bestaat uit een legering indium-tinoxide (In203:Sn, ook gekend als ITO).
5.1
Bij een chromogene beglazing met vloeibare kristallen wordt de oriëntatie van de kristallen gewijzigd door een elektrisch veld. Het principe wordt geïllustreerd in afbeelding 11.
GLAS
T = temperatuur van het glas Ttr = transitietemperatuur
Afb. 9 Verloop van de transmissie en reflectie van een thermotroop materiaal naargelang van de temperatuur.
VLOEIBARE KRISTALLEN
TRANSLUCIDE GLAS (verstrooide transmissie en reflectie)
1 2 3 4
1
1. 2. 3. 4.
0,8
PDLC diëlektricum AC 60 - 100 V transparante geleiders
AAA AAA AAA AAA AAA AAA AAA
Afb. 11 Schematische voorstelling van de werking van chromogene beglazingen met vloeibare kristallen (PDLC : polymer dispersed liquid cristal).
T > Ttr
TRANSPARANT GLAS (directe transmissie)
1 ZTA
ELEKTRISCH GEACTIVEERDE CHROMOGENE BEGLAZING
Voor sommige materialen (meestal nog in prototypefase) is men in staat door toevoeging van toeslagstoffen de transitietemperatuur te kiezen (± 1 °C). Afb. 8 Principe van een thermotrope beglazing.
0,5
5
Glas waarvan de optische eigenschappen veranderen t.g.v. een chemisch proces, veroorzaakt door een temperatuurverandering, noemt men thermochromisch; indien het om een fysisch proces gaat, heet het thermotroop. Bij toepassing in gebouwen ligt de optimale transitietemperatuur waarbij de transmissie-eigenschappen veranderen dichtbij de comforttemperatuur. Controle van oververhitting en van visuele verblinding ligt in de mogelijkheden. Afbeelding 8 geeft een voorbeeld van mogelijke eigenschappen.
T < Ttr
in werking
0
THERMOCHROMISCHE EN THERMOTROPE BEGLAZING
Afb. 10 Situering van beide toestanden van een thermotrope beglazing op het ZTA/LTA-diagram.
GLAS
4.1
LTA 1
O n d e r spanning : doorzichtig (kristallen gelijk gericht)
Neutraal : diffuus doorschijnend (kristallen willekeurig gericht)
0,6
reflectie
0,4 0,2
In neutrale toestand (geen elektrische spanning) zijn de kristallen willekeurig gericht en is het glas doorschijnend, terwijl in werkingstoestand (overeenkomend met 60...100 volt wisselstroom) de kristallen de richting van het elektrisch veld aannemen, waardoor het glas quasi
transmissie
0 20
30
40
50
f
O
W
60 [°C]
15
LENTE 1997
T
C
B
W
t
t
perfect doorzichtig wordt. Dit soort beglazing is niet zozeer bedoeld voor toepassing in gevels dan wel in binnenwanden, bv. als scheiding tussen vergaderzalen en gangen. Sinds 1994 bestaan er ook producten met specifieke toepassingen voor de auto-industrie.
5.2
GLAS
DICHTINGSKIT
TINOXIDE WOLFRAMTRIOXIDE
POLYMEER-ELEKTROLYT
VERSPREIDE DEELTJES
Afb. 12 Opbouw van een elektrochromische beglazing.
VANADIUMPENTOXIDE
Naaldvormige polyiodidedeeltjes worden in een suspensie gebracht in een gel of een organische vloeistof tussen twee parallelle geleiderlagen. De opbouw is analoog als in afbeelding 11 (p. 15). De eerste onderzoekingen zijn uitgevoerd door Polaroid in 1934. De laatste jaren is een aantal technische problemen opgelost. Er worden onder andere autoruiten en autospiegels volgens dit principe vervaardigd.
5.3
f
i
jd i s c h r
TINOXIDE GLAS
75 %
20 % Li
Li
Van alle types chromogene beglazingen krijgt de elektrochromische zeker de meeste aandacht. Het is ook veruit de meest complexe technologie. Het principe is gebaseerd op het injecteren en uitstoten van elektronen en ionen, waardoor verkleuring optreedt.
Glas ITO
Glas ITO CE
Li Li
ELEKTROCHROMISCHE BEGLAZING
CE ITO Glas
Elektrolyt
CE ITO Glas
Elektrolyt
Li Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
Li
TRANSPARANT
GEKLEURD
Afb. 13 Elektrochromische beglazing in transparante (links) en gekleurde (rechts) toestand. [W/m2.nm]
Ter illustratie van de intensiteit van het onderzoek in dit domein vermelden we dat de laatste 10 jaar gemiddeld 200 octrooien per jaar zijn toegekend. Nagenoeg alle grote glasbedrijven hebben onderzoeksactiviteiten op dit vlak.
0,8
transparant
0,7 0,6 0,5
Momenteel bestaan reeds commercieel beschikbare producten, nl. : achteruitkijkspiegels voor de auto-industrie en zonnebrillen. Deze producten regelen de sterkte van de reflectie naargelang van de lichtomstandigheden. Zo is de laatste jaren meer dan 1 miljoen achteruitkijkspiegels verkocht. Diverse bedrijven hebben reeds prototypes ontwikkeld van elektrochromische beglazingen voor schuifdaken in auto’s. Deze markt is erg interessant om dit type producten te lanceren, gelet op de relatief korte levensduur die geëist wordt (in vergelijking met gebouwen) en de aanvaardbare kostprijs van dergelijke schuifdaken. Op die manier doet men de noodzakelijke ervaring op vóór de toepassing in gebouwen die momenteel nog in de ontwikkelingsfase vertoeft.
0,4 0,3 0,2
gekleurd
0,1 0 400
500
600
700
800
900
Afb. 14 Voorbeeld van het transmissiespectrum van een elektrochromische beglazing.
5.4
TYPISCHE EIGENSCHAPPEN VAN CHROMOGENE BEGLAZINGEN
In tabel 2 vindt men de LTA- en τ-waarden van verschillende soorten chromogene lagen. Dit overzicht wordt in afbeelding 15 grafisch omgezet.
Een typische opbouw van een elektrochromische beglazing wordt in afbeelding 12 getoond. Afbeelding 14 geeft een voorbeeld van het transmissiespectrum bij een elektrochromische beglazing. 16
LENTE 1997
1000 [nm]
T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
Tabel 2 Veranderingen in transmissiewaarden voor diverse chromogene lagen [2].
LTA-WAARDE (visuele transmissie)
τ-WAARDE (directe transmissie)
Fotochromische beglazing
0,90 - 0,25
0,85 - 0,50
Thermotrope beglazing
0,90 - 0,05 0,80 - 0,05
0,80 - 0,05 0,65 - 0,05
Beglazing met vloeibare kristallen
0,80 - 0,50 0,70 - 0,40
0,80 - 0,65 0,60 - 0,45
Elektrochromische beglazing
0,65 - 0,20 0,75 - 0,20
0,45 - 0,10 0,55 - 0,10
TYPE BEGLAZING
τvis 2 3 4
fotochromisch
2
thermochromisch
3
thermotroop
4
elektrochromisch
5
vloeibare kristallen
5
5
4
0
De gegeven toelichting van nieuwe ontwikkelingen in beglazingen voor bouwtoepassingen toont aan dat toenemende aandacht besteed wordt aan het beheersen van zowel de zon- als de daglichttoetreding afhankelijk van het gewenste binnenklimaat. Vele van deze hoogtechnologische producten zijn reeds op de markt beschikbaar of worden op korte termijn verwacht.
1
HOOG
0,5 1
B
1
Afb. 15 Verandering in transmissiewaarden van verschillende chromogene beglazingen.
1
LAAG
2 3
0
0,5
ESLUIT
In een volgend artikel wordt aandacht besteed aan de combinatie van glas met aparte zonweringssystemen. ■
1 τzon
LITERATUURLIJST
1
Compagno A. Intelligent glass facades. Berlin, Birkhäuser Verlag, 1995.
2
Lampert C. Chromogenic switchable glazing : towards the development of the smart window. Toronto, Conference Proceedings ‘Window Innovations ‘95’, 5-6 juni 1995.
3 Taschenbuch für Heizung, Lüftung und Klimatechnik. München, R. Oldenbourg, 1962. Wouters P., Martin S. & Vandaele L. 4 Vensters, bouwfysisch bekeken (1) : ontwikkelingen en trends. Brussel, WTCB-Tijdschrift, Recknagel-Sprenger
winter 1995.
17
LENTE 1997
f
i
j d i s c h r
