ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΚΟΥΦΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΜΕ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ
Σύμφωνα με στοιχεία από επιστημονικές έρευνες, τα κτίρια στο σύνολό τους ευθύνονται περίπου για το 40% της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας παγκοσμίως, την ώρα που το αντίστοιχο ποσοστό της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, ανέρχεται σε ένα ποσοστό κοντά στο 75%. Σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των παραπάνω ποσοστών διαδραματίζουν τα κουφώματα, τα οποία σχετίζονται σε γενικές γραμμές περίπου με το 10% της κατανάλωσης ενέργειας στα κτίρια, ενώ παρότι αντιπροσωπεύουν περίπου μόνο το 16% – 25% της συνολικής επιφάνειάς τους κατά μέσο όρο, ευθύνονται για ένα σημαντικά μεγάλο ποσοστό που αφορά στις διαρροές θερμότητας από το κτίριο και προς το κτίριο.
Η συνεχής έρευνα για τη βελτιστοποίηση των κουφωμάτων έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών με ενεργειακά χαρακτηριστικά, τα οποία διαθέτουν γενικά βελτιωμένη θερμική απόδοση, μειωμένα ποσοστά σε διαρροές αέρα και θερμότητας και βελτιωμένες τεχνικές κατασκευής, που στοχεύουν εκτός των άλλων στην παροχή θερμικής άνεσης, στη βέλτιστη αξιοποίηση των εξωτερικών και των εσωτερικών συνθηκών, αλλά και στην εξασφάλιση −σε έναν αρκετά μεγάλο βαθμό− της ιδιωτικότητας και της ασφάλειας για τους κατοίκους, σε σύγκριση τουλάχιστον με τα παλαιότερα, συμβατικά κουφώματα.
Επιπροσθέτως, η δυνατότητα αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού αλλά και του φυσικού αερισμού σε συνδυασμό με την ικανότητα μετριασμού της επιρροής των ανεπιθύμητων εξωτερικών παραγόντων, όπως αυτών της υγρασίας, των πολύ υψηλών ή των πολύ χαμηλών θερμοκρασιών και των ψυχρών ρευμάτων αέρα, καθιστούν τα κουφώματα ένα κρίσιμο εργαλείο, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί για τη δραστική μείωση των αναγκών του κτιρίου για κλιματισμό, για θέρμανση, για εξαερισμό και για τεχνητό φωτισμό.
Οι προηγμένες τεχνολογίες παραγωγής των υαλοπινάκων και των διαφόρων επιστρώσεών τους, η πλήρωση του ενδιάμεσου διακένου τους με αδρανή αέρια ή άλλα υλικά υψηλών θερμομονωτικών επιδόσεων και η παραγωγή των εξαρτημάτων και των υλικών των κουφωμάτων, όπως των αποστατών και των πλαισίων τους με εξίσου υψηλές θερμομονωτικές ιδιότητες, αποτελούν σε γενικές γραμμές κάποια από τα μέσα, τα οποία συντελούν καθοριστικά στην επίτευξη του στόχου της εξοικονόμησης ενέργειας, πόρων και χρημάτων προς όφελος των κτιρίων και του περιβάλλοντος γενικότερα.
Aπορροφητικοί υαλοπίνακες και υαλοπίνακες χαμηλής εκπομπής
Οι απορροφητικοί υαλοπίνακες διαθέτουν συνήθως στην επιφάνειά τους λεπτές επιστρώσεις οξειδίου ενός μετάλλου, οι οποίες έχουν ως στόχο την ελαχιστοποίηση της επίδρασης της διέλευσης του υπέρυθρου και του υπεριώδους τμήματος της ακτινοβολίας, διατηρώντας ταυτόχρονα σταθερά τα επίπεδα της διερχόμενης ορατής ακτινοβολίας προς το εσωτερικό των κτιρίων, αλλά και μειωμένα τα επίπεδα της θάμβωσης. Οι υαλοπίνακες χαμηλής εκπομπής εμφανίζουν ιδιαίτερα αυξημένες δυνατότητες περιορισμού της μεταφοράς θερμότητας από την εσωτερική προς την εξωτερική τους πλευρά και αντίστροφα, χάρη στις λεπτές επιστρώσεις από μεταλλικά στοιχεία, όπως εκείνων του οξειδίου του αργύρου, οι οποίες συγκολλώνται στην επιφάνεια τους.
Ως αποτέλεσμα αυτών είναι οι απώλειες θερμότητας προς το περιβάλλον να μειώνονται χαρακτηριστικά κατά τους χειμερινούς μήνες, από τη στιγμή που οι επιστρώσεις χαμηλής εκπομπής αντανακλούν την ακτινοβολία στο εσωτερικό του κτιρίου και εκπέμπουν μόνο ένα μικρό ποσοστό της προς το εξωτερικό περιβάλλον. Από την άλλη, η αντίστροφη διαδικασία πραγματοποιείται κατά τους θερινούς μήνες, όταν τον στόχο αποτελεί ο περιορισμός της υπερθέρμανσης των εσωτερικών χώρων του κτιρίου, παράγοντας ο οποίος προκαλεί γενικά έντονη δυσφορία στους χρήστες.
Η κοινή τοποθέτηση απορροφητικών υαλοπινάκων και υαλοπινάκων χαμηλής εκπομπής στα κουφώματα επιφέρει δραστική μείωση ορισμένων ανεπιθύμητων παραγόντων, όπως αυτών της έντονης φωτεινότητας και της έλλειψης οπτικής άνεσης, συντελώντας ταυτόχρονα δυναμικά στην αύξηση του ηλιακού οφέλους στα κτίρια εγκατάστασης καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους.
και εκπέμπουν μόνο ένα μικρό ποσοστό της προς το περιβάλλον
Υαλοπίνακες ανακατεύθυνσης του ηλιακού φωτός
Η ανάπτυξη των υαλοπινάκων ανακατεύθυνσης του ορατού φωτός έχει γενικά ως στόχο την αύξηση των περιθωρίων αξιοποίησης του φυσικού φωτισμού προς όφελος των εσωτερικών χώρων. Τα συγκεκριμένα συστήματα περιλαμβάνουν εσωτερικές περσίδες, μεμβράνες και εσωτερικά ή εξωτερικά ράφια φωτισμού, τα οποία αποτελούν επί της ουσίας οριζόντιες προεξοχές μεγάλης ανακλαστικότητας, οι οποίες επιτρέπουν στο φως της ημέρας να διεισδύει αρκετά μέτρα εντός των κτιρίων. Τοποθετούνται συνήθως λίγο υψηλότερα από το επίπεδο των ματιών, ενώ μπορούν επιπροσθέτως να συνεισφέρουν στη σκίαση αλλά και στη μείωση της θάμβωσης των υαλοπινάκων.
στο φως της ημέρας να διεισδύει αρκετά μέτρα εντός των κτιρίων
Τριπλοί ενεργειακοί υαλοπίνακες λεπτού πάχους
Τα κουφώματα με τριπλούς ενεργειακούς υαλοπίνακες παρουσιάζουν εξαιρετικούς συντελεστές θερμοπερατότητας, διαθέτουν ωστόσο σημαντικά αυξημένο κόστος αγοράς και εγκατάστασης, ενώ προσδίδουν επιπροσθέτως και ένα υπολογίσιμο βάρος στην κατασκευή, σε σύγκριση τουλάχιστον με τα αντίστοιχα κουφώματα των διπλών ενεργειακών υαλοπινάκων, των οποίων ο σχεδιασμός περιλαμβάνει συνήθως πιο ελαφρά προφίλ, υλικά και εξαρτήματα στο σύνολό τους.
Παρ’ όλα αυτά, η ανάπτυξη των ερευνών σε συνδυασμό με την εξέλιξη της τεχνολογίας οδήγησαν στην κατασκευή ενός νέου τύπου τριπλού υαλοπίνακα μικρού πάχους και υψηλών ενεργειακών απαιτήσεων, ο οποίος επιτυγχάνει συντελεστές Ug κοντά στο 0,60 W/(m²·K) και ποσοστά φωτοπερατότητας κοντά στο 71%, με το βάρος του να ανέρχεται μόλις κοντά στα 22,50 kg/m². Η συγκεκριμένη εφαρμογή αποτελείται συνήθως από έναν εξωτερικό υαλοπίνακα πάχους 4 mm, από έναν ενδιάμεσο υαλοπίνακα πάχους 2 mm και από έναν εσωτερικό υαλοπίνακα πάχους επίσης 4 mm.
Έξυπνοι ή εναλλασσόμενοι υαλοπίνακες
Οι έξυπνοι υαλοπίνακες παράγονται από χρωμογενετικά υλικά, τα οποία παρουσιάζουν τη δυνατότητα να αντιλαμβάνονται τα διάφορα ερεθίσματα από εξωτερικούς παράγοντες και να αντιδρούν αμέσως, μεταβάλλοντας τις μηχανικές, τις φυσικοχημικές και τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες ή ακόμη και τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά, με αποτέλεσμα να προσαρμόζονται συνεχώς στις δυναμικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι έξυπνοι ή εναλλασσόμενοι υαλοπίνακες διακρίνονται γενικά σε δύο κατηγορίες συστημάτων, στα ενεργητικά δυναμικά και στα παθητικά δυναμικά συστήματα, ανάλογα με την απαίτηση ή μη απαίτηση αξιοποίησης ηλεκτρικού φορτίου για τη λειτουργία τους και δεδομένου ότι ο έλεγχός τους μπορεί να επιτευχθεί είτε χειροκίνητα είτε μέσα από απομακρυσμένα συστήματα διαχείρισης.
Ορισμένα από τα παραδείγματα των παθητικών συστημάτων αποτελούν οι φωτοχρωμικοί υαλοπίνακες, η άμεση έκθεση των οποίων στην ηλιακή ακτινοβολία προκαλεί μία συγκεκριμένη διαδικασία, η οποία τους προσδίδει έναν ελαφρό χρωματισμό, περιορίζοντας έτσι τη διαπερατότητά τους. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και με τους θερμοχρωμικούς υαλοπίνακες, με τη διαφορά ότι εκείνοι διαθέτουν τη δυνατότητα να μεταβάλλουν τις οπτικές τους ιδιότητες ως αντίδραση στη μεταβολή διαφορετικού εξωτερικού παράγοντα και πιο συγκεκριμένα της εξωτερικής θερμοκρασίας.
Στους αεριοχρωμικούς υαλοπίνακες, το διάκενο που υφίσταται μεταξύ τους περιέχει συνήθως κάποιο αέριο όπως το οξείδιο του βολφραμίου, το οποίο όταν αντιδρά με μείγμα υδρογόνου και αργού, τότε η διαπερατότητά του μειώνεται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός σκουρόχρωμου και πρακτικά αδιαφανούς υαλοπίνακα. Από την άλλη, στα ενεργητικά συστήματα και πιο συγκεκριμένα στους ηλεκτροχρωμικούς υαλοπίνακες, σε περιπτώσεις κατά τις οποίες είναι επιθυμητή η διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας, τα κουφώματα λειτουργούν στη διαφανή τους φάση, ενώ αντίθετα, όταν παρουσιάζεται ο κίνδυνος της υπερθέρμανσης του εσωτερικού χώρου, τότε οι υαλοπίνακες μεταστρέφονται σε κατάσταση χαμηλής διαπερατότητας.
Σε μία άλλη κατηγορία έξυπνων συστημάτων, οι ειδικοί υγροί κρύσταλλοι που περιέχονται σε μεμβράνες, οι οποίες τοποθετούνται επάνω στους υαλοπίνακες, διατάσσονται τυχαία, όταν ο υαλοπίνακας είναι αδιαφανής, περιορίζοντας την οπτική επαφή προς την απέναντι πλευρά, χωρίς όμως να επιφέρουν μείωση στα επίπεδα της θερμικής διαπερατότητάς του. Αντίθετα, κατά τη διοχέτευση ηλεκτρικού ρεύματος, οι υγροί κρύσταλλοι παραλληλίζονται, με αποτέλεσμα να μετατρέπουν τον υαλοπίνακα σε διάφανο, επιτρέποντας έτσι την οπτική επαφή με τον εσωτερικό ή με τον εξωτερικό χώρο.
Οι υαλοπίνακες αιωρούμενων σωματιδίων παρουσιάζουν παρόμοια λειτουργία με τους υαλοπίνακες υγρών κρυστάλλων, από τη στιγμή που βρίσκονται σε διαφανή και αδιαφανή κατάσταση, ενώ επιπλέον απαιτούν παροχή ηλεκτρικού ρεύματος για τη λειτουργία τους. Παράλληλα, τα τελευταία χρόνια, με την εξέλιξη της τεχνολογίας, οι φωτοβολταϊκοί υαλοπίνακες φαίνεται να αναπτύσσονται με αρκετά ραγδαίους ρυθμούς, αφού χάρη στην κατασκευή ειδικών λεπτών υμένων, που οδηγούν στην αύξηση της διαπερατότητας και στη μείωση του βάρους τους, μπορούν πλέον να αξιοποιούνται ακόμη και σε κτίρια κατοικιών.
Αντικατάσταση των αερίων πλήρωσης του διακένου των ενεργειακών υαλοπινάκων
Το διάκενο μεταξύ των δύο ή των τριών υαλοπινάκων που συνθέτουν συνήθως τα ενεργειακά κουφώματα, πληρούται στις περισσότερες των περιπτώσεων με ευγενή αέρια, όπως το αργόν, το οποίο αποτελεί ένα αρκετά διαδεδομένο, αδρανές, μη τοξικό, άχρωμο και άοσμο αέριο, που αντικαθιστά στην ουσία τον ατμοσφαιρικό αέρα, ενισχύοντας με αυτόν τον τρόπο τις θερμομονωτικές ιδιότητες των κουφωμάτων. Αέρια όπως το κρυπτόν και το ξένον παρουσιάζουν σε γενικές γραμμές ακόμη πιο μικρούς συντελεστές θερμοπερατότητας, αυξάνουν ωστόσο σημαντικά το κόστος κατασκευής των κουφωμάτων σε σύγκριση με το αντίστοιχο κόστος που προκύπτει από την αξιοποίηση του αργού.
Η αντικατάσταση των αερίων πλήρωσης με κάποιο στερεό υλικό, αποτελεί μία καινοτόμο τάση στην παραγωγή κουφωμάτων, η οποία αλλάζει ουσιαστικά τον κυρίαρχο τρόπο της μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των υαλοπινάκων από συναγωγή σε αγωγή. Το συγκεκριμένο υλικό, θα πρέπει ιδανικά να είναι διαφανές, χαμηλής θολότητας, πολύ μικρής θερμικής αγωγιμότητας, ενώ θα πρέπει να διατηρείται σταθερό μεταξύ των υαλοπινάκων. Ένα τέτοιο νέο τύπο υλικού αποτελεί μεταξύ άλλων το αεροπήκτωμα (aerogel), η ονομασία του οποίου προέρχεται από τον τρόπο παρασκευής του και πιο συγκεκριμένα από τον τρόπο ξήρανσής του.
Πιο συγκεκριμένα, κατά την παρασκευή του αεροπηκτώματος λαμβάνει χώρα μία χημική αντίδραση υδρόλυσης – συμπύκνωσης του αλκοξειδίου του πυριτίου, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενός πηκτώματος ή δηλαδή ενός ‘‘ζελέ’’, το οποίο αποτελείται από ένα δίκτυο σωματιδίων οξειδίου του πυριτίου με κάποιον οργανικό διαλύτη. Το αεροπήκτωμα παρουσιάζει ορισμένες εξαιρετικά ενδιαφέρουσες ιδιότητες, όπως την αισθητά μικρότερη θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με άλλα διαδεδομένα υλικά, το υψηλό πορώδες, την πολύ μικρή πυκνότητα και τα πολύ μεγάλα ποσοστά οπτικής διαπερατότητας, ιδιότητες που το καθιστούν ιδανικό για την πλήρωση του διακένου μεταξύ των ενεργειακών υαλοπινάκων στα σύγχρονα κουφώματα.
Αναβάθμιση των υλικών σύνθεσης των θερμοδιακοπών και των πλαισίων των κουφωμάτων
Η ανάγκη για την ελαχιστοποίηση της θερμοπερατότητας των κουφωμάτων αποτέλεσε κατά κύριο λόγο τον κινητήριο μοχλό για τις συνεχείς προσπάθειες ανάπτυξης των καινοτόμων και αναβαθμισμένων τύπων πλαισίων με υψηλές θερμομονωτικές ιδιότητες. Τα πλαίσια καλύπτουν γενικά περίπου από το 15% έως και το 30% της συνολικής επιφάνειας των ανοιγμάτων σε ένα κτίριο, με αποτέλεσμα να επηρεάζουν σημαντικά και τη διαμόρφωση του συνολικού συντελεστή θερμοπερατότητας. Η θερμομονωτική ικανότητα των κουφωμάτων ενισχύεται σημαντικά με την αξιοποίηση της θερμοδιακοπής, της τοποθέτησης δηλαδή συνήθως ενός κομματιού πολυαμιδίου ή άλλων υλικών, μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού προφίλ του πλαισίου. Γι’ αυτόν τον λόγο, ιδιαίτερα κρίσιμη είναι η μείωση της θερμικής αγωγιμότητας όχι μόνο των υλικών που συνθέτουν τα πλαίσια, αλλά και των υλικών που αποτελούν τα τμήματα των θερμοδιακοπών.
Σ’ αυτήν την κατεύθυνση, πρόσφατες έρευνες ανέδειξαν την περίπτωση ενός νέου πολυμερικού αφρού, ως ιδανικό υλικό θερμοδιακοπής στα πλαίσια από αλουμίνιο, λαμβάνοντας υπόψη ότι ο περιορισμός των ποσοστών διαρροής θερμότητας μέσω ακτινοβολίας, φαίνεται πως μπορεί να επιτευχθεί κατόπιν της επεξεργασίας των πλαισίων με κάποια ειδική επίστρωση χαμηλών εκπομπών κατά την εφαρμογή του επιφανειακού τους τελειώματος.
Η μείωση της θερμικής αγωγιμότητας στα συνθετικά κουφώματα, θα μπορούσε να επιτευχθεί επίσης μέσω εναλλακτικών υλικών, συμβατών με τις μεθόδους μηχανικής διέλασης που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των πλαισίων τους ή και άλλων υλικών που τροποποιούν τη σύνθεση των πλαστικών υλικών, με στόχο τον περιορισμό της θερμοπερατότητάς τους.
Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι οι θερμοδιακοπές αξιοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές αλουμινίου και PVC, δεν συμβαίνει το ίδιο και με τα ξύλινα κουφώματα, εξαιτίας κυρίως του γεγονότος ότι τα προϊόντα πολυαμιδίου δεν μπορούν να τοποθετηθούν εύκολα στις συγκεκριμένες εφαρμογές, λόγω γεωμετρίας ή και άλλων παραγόντων. Ως αποτέλεσμα αυτών είναι η έρευνα να στρέφεται σε άλλα, εναλλακτικά υλικά χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας με κατάλληλες διαστάσεις, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν επίσης για την ανάπτυξη θερμοδιακοπών και στα ξύλινα κουφώματα, την ώρα που υλικά, όπως τα αφρώδη μονωτικά, θα μπορούσαν να συγκολληθούν με κατάλληλη επεξεργασία σε στοιχεία υφιστάμενων ξύλινων πλαισίων, προς επίτευξη του παραπάνω στόχου.
Σε κάθε περίπτωση, οι τεχνικές που στοχεύουν στην τροποποίηση της δομής των υλικών παραγωγής των πλαισίων και γενικότερα των υλικών που συνθέτουν τα κουφώματα στο σύνολό τους με στόχο τη μείωση της θερμικής τους αγωγιμότητας, θα πρέπει να πληρούν όλες τις παραμέτρους από ένα πλήθος κατασκευαστικών και σχεδιαστικών απαιτήσεων και προδιαγραφών.
Παρουσίαση: ΛΑΖΑΡΟΣ Π. ΣΙΣΜΑΝΙΔΗΣ, διπλ. πολιτικός μηχανικός Α.Π.Θ.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
• Z. Xie, X. Jin, G. Chen, J. Xu, D. Chen and G. Shen, Integrated smart electrochromic windows for energy saving and storage applications, Chemical Communication, volume 50, pages 608 – 610, 2014.
• K. V. Wong and R. Chan, Smart glass and its potential in energy savings, Journal of energy resources Technology, volume 136, issue 1, 2013.
• J. Apte, D. Arasteh and P.E. Yu Joe Huang, Future advanced windows for zero – energy homes, ASHRAE Transactions, volume 109, pages 871-884, 2003.
• B. Lamontagne, P. Barrios, C. Py and S. Nikumb, The next generation of switchable glass: the micro-blinds, Glass performance days, pages 637-639, 2009.
• N. L. Sbar, L. Podbelski, H. M. Yang and B. Pease, Electrochromic dynamic windows for office buildings, International journal of sustainable built environment, volume 1, pages 125-139, 2012.
