Szkło aktywne - rodzaje i zastosowanie

Szkło w zależności od parametrów powłoki szyby, materiału rozproszonego wewnątrz szkła lub umieszczonego w zespoleniu pozwala uzyskać szkło aktywne solarne, grzewcze, o zmiennej przezierności lub przepuszczalności dla promieniowania słonecznego, a także tworzące dynamiczne źródła światła.

Spis treści

1. Początki szkła aktywnego
2. Szkło grzewcze
3. Szkło elektrochromatyczne
4. Szkło medialne
5. Szkło o regulowanej przezierności
6. Perspektywy rozwoju szkła aktywnego

Początki szkła aktywnego

Przeglądając dokładniej informacje o procesach fizyko-chemicznych, na których bazuje działanie różnych gatunków szkła aktywnego, można zauważyć, że zostały one odkryte i opisane w poł. XIX w., a więc wcześniej niż efekt fotowoltaiczny, zjawisko fotochromizmu czy działanie przewodników. Szerokie, praktyczne zastosowania znalazły w wieku XX.

Branża budowlana odkrywa i testuje materiały aktywne od lat osiemdziesiątych XX w. Od tego czasu powszechne zastosowanie znalazły ogniwa fotowoltaiczne jako pakiety z ochronną, światłoprzepuszczalną warstwą szkła. Pozostałe rodzaje materiałów aktywnych mają ciągle charakter niszowy (np. szyby z powłoką kropek kwantowych) lub eksperymentalny (np. zespolenia bioaktywne, w których funkcjonują organizmy żywe).

• Przeczytaj również: Systemy fasadowe - przegląd nowoczesnych systemów fasadowych i ich charakterystyka

Szkło grzewcze

Bardzo interesująca i obiecująca technologia to szklenie grzewcze. Upowszechnienie wprowadzenia instalacji grzejnej do przeszkleń zarówno zewnętrznych, jak i wewnętrznych może mieć olbrzymi wpływ na strukturę budynków i uproszczenie systemów zasilania. Szkło grzewcze ma prostą konstrukcję. Powleczone jest cienką warstwą przewodnika, a na jego krawędziach umieszczone są elektrody. Włączenie zasilania powoduje promieniowanie ciepła z szyby. W Polsce powstały już realizacje na bazie szkła Eglas produkowanego w zakładzie Glassolutions. Kilka z nich to obiekty turystyczne, uczelnie, restauracje, do których można z łatwością wejść i przekonać się osobiście, jak działa ten typ przeszklenia. Przykładem najdłużej eksploatowanym jest realizacja w Centrum Spotkań Kultur w Lublinie, gdzie zamontowano 200 m2 złożonego szkła zawierającego warstwę tlenków metali, które przetwarza energię elektryczną w ciepło. Wśród innych przykładów warto wymienić przeszklenie świetlika nad Kopcem Kościuszki w Krakowie i fragment fasady z funkcją grzewczą w restauracji w hotelu Warszawa.

Szklenie grzewcze gwarantuje przejrzystość szyb, zapobiega kondensacji pary wodnej, rozpuszcza zalegający śnieg, zapewnia komfort cieplny we wnętrzach. Technologia ta znana jest od bardzo dawna. Jej pierwsze praktyczne zastosowania miały miejsce w branży motoryzacyjnej. Bardzo szybko przyjęła się również w branży lotniczej. W przypadku pojedynczej szyby grzewczej, która może być zamontowana jak standardowy grzejnik, instalacja elektryczna nie stanowi problemu. Szybę zasila się jak każde inne urządzenie, czyli podłączając ją do sieci. Liniowe świetliki i elementy wielkopowierzchniowe wykonane z powtarzalnych tafli będą zasilane instalacją elektryczną o dosyć prostym projekcie. Z kolei elementy złożone z kompozycji tafli o różnych rozmiarach wymagają przemyślanego prowadzenia i zbierania kabli zasilających. Pierwsza czynność projektowa, która powinna być wykonana, to dobór mocy, gdyż konieczność zasilenia setek metrów kwadratowych powierzchni wpłynie na funkcjonowanie budynku.

Szkło grzewcze może spełniać cztery podstawowe funkcje, dla każdej wymagana jest inna moc. Najniższe parametry instalacji elektrycznej zapewniające do 150 W/m2 będą potrzebne dla szkła grzewczego zapobiegającego kondensacji. W przypadku pełnienia funkcji ogrzewania dodatkowego (wspomagającego) będzie to do 250 W/m2, a dla ogrzewania podstawowego zapotrzebowanie mocy wyniesie do 300 W/m2. Najbardziej energochłonna jest funkcja topienia śniegu – do 600 W/m2. W projekcie uwzględnia się również rozmieszczenie dodatkowych urządzeń, jak: termostaty, czujniki i elementy sterowania. Wszystkie kable muszą być położone przed montażem szklenia, a instalacja wymaga sprawdzenia i uziemienia.

Warunki montażu szyb grzewczych muszą spełniać szereg dodatkowych wymagań, z których podstawowe to całkowita szczelność, zabezpieczająca przed wnikaniem wilgoci. Szklenie grzewcze ma potencjał, aby zmienić budynki, jeśli jednak pozostanie systemem ogrzewania doraźnego, częściowego, nie umożliwi wykluczenia starszych technologii grzejnych lub będzie wykorzystywane jedynie jako drogie urządzenie do sezonowego odszraniania szyb dachowych. W efekcie zostanie kolejnym kosztownym i niszowym dodatkiem jedynie do wysokobudżetowych realizacji.

Budownictwo jest branżą wyjątkowo pragmatyczną. Technologie, z których zysk nie równoważy nakładów, z czasem zanikają, a rozwiązania efektywne i tańsze wypierają te pracochłonne i kosztowne. Tak jak z łatwością zrezygnowano z przegród i profili pozbawionych właściwości izolujących na rzecz rozwiązań ciepłych, tak równie łatwo może dojść do zastąpienia uciążliwych systemów grzewczych prostymi szklanymi panelami emitującymi ciepło. Największą przeszkodą w zastosowaniu materiałów alternatywnych, takich jak szkło akrylowe lub poliwęglan, jest ich wielokrotnie niższa temperatura topnienia. Jednak zamiennika szkła odwzorowującego wszystkie jego pozostałe właściwości do chwili obecnej nie udało się opracować.

Szkło elektrochromatyczne

Znacząca część szkieł aktywnych możliwych do zastosowana w budynkach ma ścisły związek z koniecznością regulowania przepływu energii słonecznej do wnętrz i może przyczyniać się do poprawy bilansu energetycznego obiektu. Materiałem aktywnym musi być związek o cechach elektrochromowych, który pod wpływem napięcia zmienia właściwości optyczne. Takie warunki spełnia np. WO3 – tlenek wolframu. Warstwie optycznie aktywnej muszą towarzyszyć powłoki wzbudzające napięcie elektryczne. W fazie nieaktywnej, bez zasilania, przeszklenie elektrochromatyczne wygląda i zachowuje się jak standardowa szyba. W zależności od panującej aury można przyciemniać szybę i regulować stopień nasłonecznienia, zachowując przy tym jej przezierność. Paleta barw jest ograniczona do atramentowych błękitów i antracytowych szarości.

Regulacja następuje przez tradycyjny panel sterujący lub, w przypadku zwolenników nowocześniejszych technologii komunikacji – smartfonem wyposażonym w stosowną aplikację, z kolei entuzjaści wirtualnych inteligentnych asystentów mogą skorzystać z komend głosowych. Montaż dodatkowej warstwy wypełnionej przeszkleniem elektrochromatycznym w istniejących świetlikach może rozwiązać wszelkie problemy z niepożądanymi zjawiskami olśnienia i przegrzewania wnętrz. Zastosowanie szkła elektochromatycznego eliminuje konieczność montowania w budynkach innych urządzeń do regulowania nasłonecznienia.

• Zobacz także: Rola światła naturalnego w biurowcach i metody jego wykorzystania. Ważne normy i parametry

Szkło medialne

Zdecydowanie najwięcej wiedzy i umiejętności wymaga tworzenie przeszkleń medialnych. Zespół pracujący nad każdym takim skomplikowanym ustrojem, a zwłaszcza interaktywnym, musi składać się z kilku branżowych specjalistów – do architekta dołącza elektryk, informatyk, a w przypadku niektórych realizacji prezentujących niepowtarzalne wartości estetyczne wizjoner artysta. Wszystkie elementy instalacyjne i oprogramowanie muszą być przemyślane na etapie projektu. Próby spontanicznego uzupełniania przeszklenia aktywnego o elementy technologiczne z dużym prawdopodobieństwem mogą zakończyć się niepowodzeniem. Być może ilość dość skomplikowanych zagadnień do rozwiązania odstrasza inwestorów. Jednak praktyka czyni mistrza, z każdą realizacją, najlepiej dobrze udokumentowaną i opisaną, staje się to coraz łatwiejsze.

Możliwości wizualne, jakie daje proste przeszklenie, najlepiej uświadomić sobie przez porównanie pozbawionej jakichkolwiek oryginalnych detali elewacji wrocławskiego akademika i jej sezonowej modyfikacji, czyli P.I.W.O. (Potężny Indeksowany Wyświetlacz Oknowy). Ten cykliczny happening nie jest realizowany na bazie szczególnego gatunku szkła aktywnego, a jedynie uaktywnia zwykłe okienne szyby. Jednak w znakomity sposób ilustruje skalę przedsięwzięcia polegającego na uruchomieniu przeszklenia aktywnego – medialnego od strony instalacyjnej i koncepcyjnej. Uruchomienie Potężnego Indeksowanego Wyświetlacza Oknowego przeobraża płaską nudną formę w żywą animację pełną żartobliwego przekazu i przyciąga tłumy rozbawionych obserwatorów. W pierwszej edycji wykorzystano jedynie żarówki umieszczone w lampach sufitowych studenckich pokojów. Nie były one idealnie zsynchronizowane, miały zróżnicowane parametry mocy, zabarwienia, jednak scenariusz z 2007 r. był na tyle interesujący, że wyświetlacz o znikomej rozdzielczości 12 x 10 pikseli (12 okien w rzędzie, powtórzonych na 10 kondygnacjach) uruchamiano w kolejnych latach. Mimo wszystko największe wrażenie wywiera edycja pierwsza, która twórcom może wydawać się nieporadna technicznie – wiązki kabli, 120 uaktywnionych przeszkleń, sterowanie z prostego laptopa dały moc przekształcenia statycznej elewacji w spektakularny przekaz wizualny zmieniający ludzkie emocje.

Decydując się na uruchomienie przeszklenia medialnego prezentującego wielkogabarytowy obraz, warto mieć coś istotnego i wyrazistego do zakomunikowania potencjalnym odbiorcom. Najłatwiejsze do zaprojektowania i uniwersalne są prezentacje zmieniających się barw, dekoracyjnych motywów geometrycznych – tego typu wizualizacje mogą trwać niezmiennie miesiącami. Traktowane są jak detale architektoniczne, np. statyczne okładziny, i stanowią ornament w nieco zdynamizowanej formie. Sprawa się komplikuje, gdy oprócz walorów czysto wizualnych i abstrakcyjnych dołączany jest złożony obraz, przekaz informacyjny czy reklamowy. Trwałość tego typu koncepcji jest zazwyczaj ograniczona czasowo, musi być odświeżana i zmieniana. Komponent intelektualny, kreatywny jest jeszcze ważniejszy niż skomplikowana, kosztowna i wymagająca eksploatacyjnie część techniczna każdego takiego przedsięwzięcia.Działanie najbardziej złożonych systemów opartych na wielkogabarytowych wyświetlaczach, tworzona w ten sposób iluzja trójwymiarowości najlepiej widoczne są w Azji. W 2018 r. na budynku SM Town uruchomiono ekrany LED w narożniku budynku, o wysokiej rozdzielczości i regulowanej jasności, gwarantującej wyrazisty, wielkoskalowy obraz w zmiennych warunkach nasłonecznienia. Sposób rozmieszczenia ekranów oraz technologia wytwarzania obrazu pozwala na uzyskanie iluzji trójwymiarowości. Jedną z najbardziej popularnych wizualizacji była wielka fala rozbijająca się o ścianę, którą stanowił ekran o długości 80 i wysokości 20 m. Idea tego typu prezentacji nie odbiega od wielkoskalowego malarstwa iluzjonistycznego, które towarzyszy architekturze od wieków. Należy jednak podkreślić, że w tym zamierzeniu inwestycyjnym uczestniczyły największe korporacje z rynku koreańskiego, które nie muszą mierzyć się z czymś tak prozaicznym, jak brak środków finansowych. Wśród nich można wymienić SM Entertainment (czołowy producent k-popowych hitów) czy firmę Samsung. Podobne manifestacje technologicznej mocy funkcjonują już w Japonii, Chinach i na Tajwanie. Przeszklenia medialne, interaktywne często prezentowane są w skali urbanistycznej na zewnętrznych powłokach budynków.

Praktyczne, wielkoskalowe ekrany floor to floor widać coraz częściej w obiektach, w których można liczyć na masowe zainteresowanie przechodniów, np. na stacjach warszawskiego metra. Można zastanawiać się, czy tego typu aktywna okładzina ścienna lub transparentna przegroda to jeszcze szkło, czy raczej urządzenie elektroniczne.

Jednak bez wykorzystania właściwości szkła, trwałości, przezierności i niepalności zastosowanie takich urządzeń do projekcji dynamicznych obrazów w skali architektonicznej nie byłoby możliwe. Rozwiązania zamienne, tańsze np. w postaci siatek z rozproszonymi diodami, są narażone na uszkodzenia mechaniczne. Znacznie trudniej także uzyskać za ich pomocą trwały efekt, zwłaszcza w zastosowaniach zewnętrznych. Alternatywne projekcje są zdarzeniami chwilowymi, ożywiającymi elewacje, wymagają jednak użycia sprzętu, którego trwałość jest zdecydowanie niewystarczająca do zastosowania w systemach działających całodobowo w cyklu wieloletnim i zmiennych warunkach.Opcje tworzenia złożonych systemów przeszkleń medialnych są niewyczerpane. Od możliwości interaktywnej kontroli i modyfikacji projekcji z urządzeń mobilnych obserwatorów przez emisję zmienionego, odbitego obrazu otoczenia po choćby tworzenie wizji architektonicznych rodem z filmu „Incepcja”. Elementy medialne bardzo silnie działają na wszystkie zmysły i tak już przeciążone od nadmiernej koncentracji na zmieniających się obrazach i dźwiękach. Wraz z rosnącą ilością wielkoskalowych przeszkleń medialnych z pewnością będzie słabła ich siła oddziaływania. Istnieje znaczne ryzyko, że będą traktowane jak natrętne, męczące reklamy telewizyjne czy internetowe, jednak bez możliwości wyciszenia czy zablokowania. Być może z czasem konieczne będzie wyznaczenie stref wizualnego spokoju, pozbawionych takich atrakcji. Jednak w najbliższych latach inwestycja w tego typu wielkoskalowy projekt może ciągle przykuć uwagę całego świata.

Szkło o regulowanej przezierności

Przeciwstawne do szkła medialnego warunki tworzy jeden z najczęściej stosowanych we wnętrzach rodzajów szklenia aktywnego, czyli szkło o regulowanej przezierności. W stanie neutralnym, bez podłączonego zasilania, zapewnia wizualną izolację, jeżeli zostanie wzbogacone o podwyższone walory izolacyjności akustycznej, np. dzięki wbudowaniu w asymetryczne zespolenie zapewni również warunki idealnej ciszy.

Materiał ten produkowany jest od dziesięcioleci głównie na bazie folii z krystalicznymi cząsteczkami, które w wyniku polaryzacji pod wpływem napięcia układają się w uporządkowaną strukturę gwarantującą znakomitą przezierność. Ten typ przeszklenia w fazie z odłączonym zasilaniem (cząsteczki krystaliczne pozostają nieuporządkowane) jest matowy i nieprzezierny, zapewnia pożądany stopień prywatności.

Trwała, zabezpieczona folia wewnątrz szkła niezawodnie i błyskawicznie zmienia stan przezierności. Z czasem udoskonalono jej parametry, dzięki temu niektóre mogą być stosowane w przeszkleniach zewnętrznych wystawionych na działanie promieniowania słonecznego i zmiennych temperatur. Obecnie dostępne są przeszklenia w znacznie szerszej gamie kolorystycznej, z możliwością stopniowania zakresu przezierności. Znakomicie sprawdzają się one we wnętrzach konferencyjnych, hotelowych, pomieszczeniach dla służby zdrowia, a nawet prywatnych domach. Jednak mimo relatywnie odległego czasu, jaki upłynął od zamontowania pierwszego przeszklenia tego typu, rozwiązanie to nadal nie weszło do powszechnego stosowania.

Tak jak każdy materiał aktywny, tak i szkło o regulowanej przezierności można wzbogacić o dodatkowe funkcje i sposoby wyzwalania procesu polaryzacji. Możliwe jest tworzenie szkieł aktywnych responsywnych, reagujących na określony czynnik. Dzięki zastosowaniu kamer i wprowadzonych do systemu bazowych informacji stopień przezierności może się zmieniać w zależności od nastroju malującego się na twarzy osoby patrzącej przez szybę: oblicze smutne – szkło ciemnieje i izoluje osobę od otoczenia, oblicze wesołe ze szczerym uśmiechem – zamglenie zanika. Czynnik kodujący zmianę ustawień może być zdefiniowany i zaprogramowany dowolnie – komenda dźwiękowa (np. klaśnięcie), dowolna głosowa lub specyficzny ruch ręką. Takie możliwości pokazano na ostatniej edycji targów Glasstec, jednym z najważniejszych światowych spotkań branży szklarskiej, które odbywają się co dwa lata w Düseldorfie. Najnowsze prototypowe projekty i makiety najciekawszych realizacji z ostatnich lat prezentowane są na wyjątkowej wystawie Glass Technology Live, która towarzyszy targom. Jest to idealne miejsce do osobistego kontaktu z przedstawicielami firm promujących nowe trendy, a zwłaszcza różnorodne rodzaje szkła aktywnego, które tak trudno zobaczyć w standardowych, ekonomicznych realizacjach.

Perspektywy rozwoju szkła aktywnego

Pozostaje próba odpowiedzi na pytanie, dlaczego mimo tylu zalet, zaskakująco szerokiego zakresu funkcji i wielu udanych realizacji w ciągu ostatniego trzydziestolecia szklenia aktywne ciągle traktowane są jako ciekawostka techniczna, a nie praktyczny, dostępny materiał budowlany. Bardzo wysoka cena nie jest jedyną przyczyną aż takiej rozpiętości w czasie procesu upowszechnienia tej obiecującej grupy materiałów. Szklenia aktywne są pod względem ekonomicznym produktem problematycznym dla hut szkła. Komponent w postaci szyby stanowi o ułamku ceny końcowego wyrobu. Branża szklarska podlega wielu rewolucyjnym przeobrażeniom. Kamieniem milowym było niewątpliwie opracowanie pod koniec lat pięćdziesiątych procesu float – formowania masy szklanej we wstęgę na roztopionej cynie. Kolejnymi krokami były dopracowanie w latach siedemdziesiątych technologii zespoleń oraz spektakularne i udane próby z zastosowaniem szkła jako materiału konstrukcyjnego w latach osiemdziesiątych.

Wszystkie te przełomowe technologie, które dziś wydają się oczywiste, opracowano i udoskonalano w XX w. Teraz pora na szklenia aktywne, w które powinna zainwestować branża szklarska, jeśli nie chce stać się jedynie dostawcą podstawowego mineralnego komponentu i przekazać większości zysków branży elektrycznej oraz informatycznej. Znajdujemy się w fazie przełomowej. Powstało wiele udanych realizacji w rzeczywistych obiektach, a informacje o potencjalnych korzyściach z zastosowania technologii aktywnych docierają do coraz liczniejszej grupy użytkowników budynków. Etap realizacji pionierskich obiektów referencyjnych trwa już od lat osiemdziesiątych, a to stanowczo za długo. Wraz z komplikowaniem funkcji ustrojów budowlanych skala trudności rośnie. Elementy aktywne – inteligentne zasilane energią elektryczną lub będące jej źródłem – są wyjątkowo wymagające pod względem projektowym, wykonawczym i eksploatacyjnym. Przeszkodą w popularyzacji materiałów aktywnych jest również konieczność wyszkolenia kompetentnej kadry projektantów, wykonawców i administratorów rozumiejących złożoność tematu, a zwłaszcza roli instalacji elektrycznej zasilającej i sterującej oraz komponentów informatycznych odpowiedzialnych za prawidłowe funkcjonowanie tego typu ustrojów. Można sobie wyobrazić, że w nieodległej przyszłości niektóre obowiązki związane choćby z wykrywaniem usterek w złożonych systemach można będzie przekazać sztucznej inteligencji (AI), co powinno znacznie ułatwić prace konserwacyjne i naprawy. Część branży budowlanej odpowiedzialna za produkcję i montaż systemów instalacyjnych grzewczych, oświetleniowych i wentylacyjnych z pewnością nie jest nadmiernie zainteresowana wyjściem ze swojej strefy komfortu i spojrzeniem na metody rozmieszczenia instalacji w budynkach w zupełnie nowy sposób.

Przeszklenia aktywne nie powinny dublować roli tradycyjnych systemów, a skutecznie je zastąpić. Zainteresowanie seryjnymi produktami aktywnymi rośnie. Firmy oferujące szkła dynamiczne odnotowują zwiększającą się ilość zapytań. Jedynie część klientów może sprostać obecnym warunkom finansowym, jeżeli ich doświadczenia będą korzystne i osiągną wymierne zyski, m.in. w postaci zaoszczędzonych funduszy dzięki wygodnej eksploatacji i możliwości zrezygnowania z innych systemów, np. instalacji centralnego ogrzewania czy mechanicznych żaluzji, to z pewnością wzrośnie zapotrzebowanie na najnowsze rodzaje przeszkleń. Szkło aktywne ma potencjał, aby zmienić wszystkie systemy instalacyjne rozproszone w budynkach i zastąpić je wielofunkcyjnymi, trwałymi szklanymi panelami.