N D E R Z E K VENSERS, UW- FYSISH EKEKEN () ZNNEWARME EN DAGLIHEREDING Peter Wouters, ir., afdelingshoofd ouwfysica & innenklimaat, W Luk Vandaele, ir., adjunct-afdelingshoofd ouwfysica & innenklimaat, W Serge Martin, ir., adjunct-laboratoriumhoofd Energetische aspecten van gebouwen, W 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 [] 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. ZNNESRA- LING EN VENSERS uiten de aardatmosfeer bedraagt de zonnestralingsdichtheid, invallend op een oppervlak loodrecht op de zonnestralen, ± W/m (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. Afbeelding 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, d.w.z. dat onder een gemiddelde invalshoek van de zonnestraling een tweemaal dikkere luchtlaag doorkruist dan bij loodrechte zichtbaar licht Afb. Spectrale verdeling van de zonnestraling. inval. De putten in de curve komen overeen met de absorptiepieken voor diverse bestanddelen van de atmosfeer (H,,,,...). De zonnestraling, die het aardoppervlak bereikt, is beduidend kleiner dan de zonneconstante, zelfs bij zeer open hemel, maar toch komen waarden tot W/m voor. ij bewolking is de straling diffuus en liggen de waarden veel lager. Afbeelding 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. Zonne-energie [W/m.µm] H H straling aan de grens van de atmosfeer directe straling (luchtmassa ) diffuse straling, open hemel diffuse straling, bewolkte hemel Een groot deel van de zonnestraling komt tot ons in de vorm van zichtbaar licht. p die manier is de zon erg efficiënt. Per watt warmtevermogen worden 8 tot lumen lichtenergie [kwh/m.dag] 6 zuid noord oost west horiz. Afb. Maandgemiddelde waarden van de dagelijks invallende zonnestraling te Ukkel (kwh/m dag). H 8 78 Golflengte [nm] H Jan Feb Ma April Mei Juni Juli Aug Sept kt Nov Dec LENE 997
geleverd voor diffuus licht en tot lumen voor direct licht, dit is zowat keer meer dan een gewone gloeilamp en zelfs efficiënter dan een verlichtingsinstallatie met fluorescentielampen. ij een zonnige zomerdag krijgt een horizontaal vlak een verlichtingssterkte van ± lux, dit is keer meer dan wat in een werkplaats vereist wordt voor precisiewerk. 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 8 en 78 nm (afb., p. ). Het visueel deel heeft ook het grootste aandeel in de energieverdeling. Dit blijkt uit de waarden van tabel. abel Procentuele verdeling van de energetische straling in het zonnespectrum. YPE SRALING GLFLENGE ENERGIEVERDELING (%) Ultraviolet licht λ < 8 nm 6. [] Zichtbaar licht 8 nm < λ < 78 nm. [] Infrarood licht 78 nm < λ [] 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 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. ZN- EN LIH- RANSMISSIE VAN EGLAZINGEN In het eerste deel van dit artikel [] is reeds ingegaan op de begrippen ZA en LA. 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. De directe zontransmissie (τ) en de zontoetreding (ZA) slaan op het totale zonnespectrum, de lichttransmissie enkel op het zichtbare deel van het zonnespectrum, dit is de straling tussen 8 en 78 nm. De ZA-waarde houdt naast de directe transmissie ook rekening met de indirecte afgifte van de energie die geabsorbeerd werd door het beglazingssysteem. Afbeelding geeft de spectrale transmissie en reflectie van mm klaar floatglas, naast het zonnespectrum. In afbeelding worden de ER HERINNERING... doorgelaten zonnestralingsstroomdichtheid τ= invallende zonnestralingsstroomdichtheid = Φ dir Φ zon = τ(λ). E(λ).ρ(λ) E(λ).ρ(λ) met : τ = directe zontransmissie Φ zon = totaal invallende zonnestralingsstroomdichtheid Φ dir = doorgelaten directe zonnestralingsstroomdichtheid E(λ) = spectrale energieverdeling van de zonnestraling (zie afbeelding, p. ) ρ(λ) = spectrale reflectie van het beglazingssysteem (zie afbeelding ) τ(λ) = spectrale doorlatendheid van het beglazingssysteem (zie afbeelding ). totaal doorgelaten energiestralingsstroomdichtheid ZA = totaal invallende zonnestralingsstroomdichtheid = Φ dir +Φ add Φ zon met : ZA= absolute zontoetredingsfactor Φ add = stralingsstroomdichtheid die na absorptie van een deel van de inkomende straling door het glasoppervlak naar binnen wordt afgegeven via langgolvige straling en convectie N : de ZA-waarde is equivalent met de g-waarde uit de nieuwe Europese ontwerpnorm pren. LA = doorgelaten lichtstralingsdichtheid = invallende lichtstralingsstroomdichtheid V(λ). τ(λ). E(λ). dλ V(λ). E(λ). dλ met : LA = absolute lichttoetredingsfactor V(λ) = spectrale gevoeligheid van het menselijk oog (tussen 8 en 78 nm). LENE 997
N D E R Z E K [%] 9 8 7 6 Ε(λ) τ(λ) ρ(λ) [W/m.nm], [nm] Afb. Spectrale eigenschappen van klaar floatglas mm. mm mm,,8,6,, LA optimale zomerkarakteristiek, optimale winterkarakteristiek, ZA Afb. Mogelijke combinaties van ZA- en LA-waarden. tisch denkbaar maar in de praktijk niet gewenst (lichtgrijs gekleurd gebied). 8 8 8 ZA =,86 6 h e = W/m K h i = 8 W/m K 8 9 LA =,9 Voor een maximale benutting van de zonnewinsten in de winter is een zo hoog mogelijke waarde zowel van ZA als LA 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. Afb. Voorstelling van de ZA- en LA-waarden van klaar floatglas mm. ZA- en LA-waarden van hetzelfde glas schematisch voorgesteld. 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 ZA-waarden van,9 en LA-waarden van,9 bereikt worden. De ZA- en LA-waarden zijn elk op zich belangrijke kenmerken van een venster (beglazing eventueel met zonwering). Maar ook de combinatie ZA/LA is belangrijk : er kunnen immers verschillende prestatie-eisen gesteld worden voor ZA en LA. In afbeelding wordt het gebied van theoretisch mogelijke ZA/LA-combinaties afgebakend. De grijsgekleurde zones zijn niet mogelijk of niet gewenst. Vermits de zonnestraling voor ongeveer de helft uit zichtbaar licht bestaat, kan de ZA-waarde nooit kleiner zijn dan de helft van de LA-waarde (donkergekleurd gebied). Anderzijds zijn combinaties van hoge ZAwaarden met lage LA-waarden wel theore- m oververhitting in de zomer te vermijden, is een optimale benutting van het daglicht met een beperkte energetische winst gewenst. ZA/ LA-combinaties in het omcirkelde gebied zijn hier de uitdaging. Naast de ZA- en LA-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. ZNWERENDE EGLAZINGEN. ASRERENDE EN REFLEERENDE EGLAZINGEN m de zontoetreding te beperken, kunnen bepaalde metaaloxiden aan het glas worden toe- LENE 997
Afb. 6 ombinaties van ZA- en LAwaarden voor zonwerende beglazingen (rechte : ZA LA) en selectief zonwerende beglazingen (rechte : ZA < LA). gevoegd. Hierdoor ontstaat een grotere absorptie van de straling maar ook een sterke opwarming van het glas. Verschillende kleurtinten zijn mogelijk. ppervlaktecoatings op het glas kunnen de reflectie-eigenschappen van glas wijzigen. Deze coatings kunnen zowel op klaar glas als op absorberende beglazing worden toegepast. eide soorten klassieke zonwerende beglazingen kunnen toegepast worden in een verbeterde dubbele beglazing (hoogrendementsglas). Afbeelding 6 toont de LA/ZA-combinaties van een representatieve selectie van beschikbare absorberende en reflecterende dubbele beglazingen. De ZA-waarden liggen tussen, en, en de LA-waarden tussen, en,6. Uit de figuur blijkt dat de ZA- en LAwaarden steeds dezelfde grootteorde hebben. Een beperking van de ZA-waarde geeft ongeveer dezelfde reductie op de LA-waarde, wat niet zo gunstig is voor zomertoepassingen. LA,6,. SELEIEF ZNWERENDE EGLAZINGEN,, ZA Sinds kort bestaan er in elgië beglazingen die een lage ZA-waarde combineren met een relatief hoge LA-waarde (bv. ZA =, en LA =,6). Deze beglazingen vertonen een zeer geringe visuele reflectie. Zoals blijkt uit afbeelding 6 zitten we hier op de limiet van mogelijke ZA/LA-combinaties. Het gaat om zeer selectieve coatings : een relatief hoge transmissie in het visuele gedeelte (6 %) en een bijna te verwaarlozen transmissie in het niet-visuele gedeelte (hoogstens enkele procenten, zie afbeelding 7).,6,,, zichtbare straling [W/m.nm] UVstraling,9,8,7 IRstraling reflectie,, transmissie [nm] Afb. 7 Spectrale eigenschappen van een selectief zonwerende beglazing (ZA,, LA,6). EGLAZINGEN De behoeften aan ME VERANDERLIJKE EIGENSHAPPEN zonnewinsten, 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. 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. 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. Hierna wordt een bondige beschrijving gegeven van de verschillende groepen. LENE 997
N D E R Z E K. FHRMISHE EGLAZING LA ij een fotochromische beglazing veranderen de optische eigenschappen onder ultraviolet licht. Meestal gaat de toestandsverandering gepaard met een verandering in de absorptie van de zonnestraling. rillenglazen 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., in werking buiten werking, ZA Afb. Situering van beide toestanden van een thermotrope beglazing op het ZA/LA-diagram.. Afb. 8 Principe van een thermotrope beglazing. = temperatuur van het glas tr = transitietemperatuur Afb. 9 Verloop van de transmissie en reflectie van een thermotroop materiaal naargelang van de temperatuur. HERMHRMISHE EN HERMRPE EGLAZING 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. ij toepassing in gebouwen ligt de optimale transitietemperatuur waarbij de transmissie-eigenschappen veranderen dichtbij de comforttemperatuur. ontrole van oververhitting en van visuele verblinding ligt in de mogelijkheden. Afbeelding 8 geeft een voorbeeld van mogelijke eigenschappen. Voor sommige materialen (meestal nog in prototypefase) is men in staat door toevoeging van toeslagstoffen de transitietemperatuur te kiezen (± ). < tr RANSPARAN (directe transmissie),8,6,, > tr RANSLUIDE (verstrooide transmissie en reflectie) reflectie transmissie 6 [ ] ELEKRISH GEAIVEERDE HRMGENE EGLAZING 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 (In :Sn, ook gekend als I).. VLEIARE KRISALLEN ij een chromogene beglazing met vloeibare kristallen wordt de oriëntatie van de kristallen gewijzigd door een elektrisch veld. Het principe wordt geïllustreerd in afbeelding.. PDL. diëlektricum. A 6 - V. transparante geleiders n d e r spanning : doorzichtig (kristallen gelijk gericht) Neutraal : diffuus doorschijnend (kristallen willekeurig gericht) In neutrale toestand (geen elektrische spanning) zijn de kristallen willekeurig gericht en is het glas doorschijnend, terwijl in werkingstoestand (overeenkomend met 6... volt wisselstroom) de kristallen de richting van het elektrisch veld aannemen, waardoor het glas quasi Afb. Schematische voorstelling van de werking van chromogene beglazingen met vloeibare kristallen (PDL : polymer dispersed liquid cristal). LENE 997
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 99 bestaan er ook producten met specifieke toepassingen voor de auto-industrie. DIHINGSKI INXIDE WLFRAMRIXIDE PLYMEER-ELEKRLY.. VERSPREIDE DEELJES 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 (p. ). De eerste onderzoekingen zijn uitgevoerd door Polaroid in 9. De laatste jaren is een aantal technische problemen opgelost. Er worden onder andere autoruiten en autospiegels volgens dit principe vervaardigd. ELEKRHRMISHE EGLAZING 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. er illustratie van de intensiteit van het onderzoek in dit domein vermelden we dat de laatste jaar gemiddeld octrooien per jaar zijn toegekend. Nagenoeg alle grote glasbedrijven hebben onderzoeksactiviteiten op dit vlak. 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 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. p die manier doet men de noodzakelijke ervaring op vóór de toepassing in gebouwen die momenteel nog in de ontwikkelingsfase vertoeft. Een typische opbouw van een elektrochromische beglazing wordt in afbeelding getoond. Afbeelding geeft een voorbeeld van het transmissiespectrum bij een elektrochromische beglazing. I E Elektrolyt RANSPARAN E I 7 % % Elektrolyt I GEKLEURD E I Afb. Elektrochromische beglazing in transparante (links) en gekleurde (rechts) toestand. [W/m.nm],8,7,6,,,,, VANADIUMPENXIDE INXIDE Afb. pbouw van een elektrochromische beglazing. transparant gekleurd 6 7 8 9 [nm] Afb. Voorbeeld van het transmissiespectrum van een elektrochromische beglazing.. YPISHE EIGENSHAPPEN VAN HRMGENE EGLAZINGEN In tabel vindt men de LA- en τ-waarden van verschillende soorten chromogene lagen. Dit overzicht wordt in afbeelding grafisch omgezet. 6 LENE 997
N D E R Z E K abel Veranderingen in transmissiewaarden voor diverse chromogene lagen []. YPE EGLAZING LA-WAARDE τ-waarde (visuele transmissie) (directe transmissie) Fotochromische beglazing,9 -,,8 -, hermotrope beglazing,9 -,,8 -,,8 -,,6 -, eglazing met vloeibare kristallen,8 -,,8 -,6,7 -,,6 -, Elektrochromische beglazing,6 -,, -,,7 -,, -, Afb. Verandering in transmissiewaarden van verschillende chromogene beglazingen. fotochromisch thermochromisch thermotroop elektrochromisch vloeibare kristallen τ vis, LAAG HG, τ zon E S L U I 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. In een volgend artikel wordt aandacht besteed aan de combinatie van glas met aparte zonweringssystemen. LIERAUURLIJS ompagno A. Intelligent glass facades. erlin, irkhäuser Verlag, 99. Lampert. hromogenic switchable glazing : towards the development of the smart window. oronto, onference Proceedings Window Innovations 9, -6 juni 99. Recknagel-Sprenger aschenbuch für Heizung, Lüftung und Klimatechnik. München, R. ldenbourg, 96. Wouters P., Martin S. & Vandaele L. Vensters, bouwfysisch bekeken () : ontwikkelingen en trends. russel, W-ijdschrift, winter 99. 7 LENE 997