Vakuumglass – slankt og energieffektivt

Vakuumglass, eller «vacuum glazing» på engelsk, er navnet på vinduer som ofte ser ut som tradisjonelle vinduer, men der en av rutene er et vakuumglass.

Tekst: Mikael Ludvigsson, forsker ved Research Institutes of Sweden (RISE)

Det første vakuumglasset ble laget allerede på begynnelsen av 1990-tallet ved University of Sydney. Men hvorfor er vakuum interessant for et vindu?

For å forstå vakuumets betydning må vi se på hvordan isolerglasset har utviklet seg.

Det aller første vinduet besto av et enkelt glass som beskyttet mot vær og vind. Deretter fant man ut at to glass var bedre enn ett. Dette gav ulike varianter av såkalte koblede vinduer som var svært populære på midten av forrige århundre.

Vinduene var relativt bra, men på 80-tallet ble de erstattet av produkter som besto av isolerglass montert inn i en ramme.

På 1990-tallet dukket det opp energisparende belegg. De forbedret energiytelsen enda mer, og har dominert markedet de siste tiårene, spesielt i land med et kaldt klima. Da man introduserte energisparende belegg, ble også vinduets energiytelse, den såkalte U-verdien, både interessant og aktuell.

U-verdien måles i W/m²K. Jo lavere U-verdi, desto bedre, etter som det enkelt forklart angir energien som overføres gjennom vinduet per grad Kelvin (tenk grad Celsius) og kvadratmeter.

Et moderne vindu i Norden har gjerne en U-verdi mellom 0,6-1,0 W/m²K avhengig av årsmodell og pris.

Nasjonale forskningsinstitutter foretar målinger av U-verdier, og tilbyr vindusprodusenter mulighet til å få beregnet og dokumentert U-verdien på de ulike produktene.

Hulrommet mellom glassene

Foto av Vakuumglass
Små microspacers på 0,2 mm mellom glassene er nok for å oppnå god energiytelse. Foto: Pilkington

Samtidig med at man forsket på ulike typer av belegg skjedde det også en utvikling i hvordan man kunne benytte seg av hulrommet mellom glassene.Til å begynne med bestod det av luft, med tilhørende fuktighet. I de gamle koblede vinduene var det en stadig utfordring å få det helt tett mellom glassene. Dette medførte både dugg og frost.

Da isolerglass kom på markedet bestod mellomrommet av ren, tørr luft, og dette gav mindre problemer med både dugg og frost. En naturlig progresjon var å gå over til å bruke gass, forutsatt at dette ikke ble for kostbart.

Luft består først og fremst av nitrogen og oksygen, men også en liten del av edelgassen argon og verdens nå mest berømte gass, karbondioksid. Det finnes også spor av andre gasser (Tabell 1). Ved å fylle hulrommet med argon og andre enda tyngre edelgasser kan man redusere U-verdien til et isolerglass helt ned til 0,4-0,5 W/m²K.

Ulike typer av gass

Tørr luft (78 % N2 pluss 21 % O2 -> ca. 25,8 mW/mK ifølge tabell) er den enkleste gassen man kan bruke. Tabell 1 viser hvordan man lett kan forbedre vinduets varmeledningsevne ved å fylle det lufttette hulrommet med andre gasser.

Illustrasjon som viser fordeling av gasser i atmosfæren

Argon er en tilgjengelig og ganske billig edelgass. Argon gir omtrent 30 % lavere verdi (17,9/25,8 = 0,69) enn luft. Dette har gjort det til en populær gass, og i Norden har det så og si blitt standard å bruke argon-gass i isolerglass.

Krypton er en annen tung edelgass. Den gir verdien (9,5/25,8 = 0,37), en nedgang på litt over 60 %.

Men, Krypton er en uvanlig og mye dyrere gass. Derfor er det ikke vanlig å bruke dette i isolerglass (argon er nesten 10.000 ganger mer vanlig enn krypton). Xenon er enda mer uvanlig enn krypton.

Edelgasser som argon og krypton er relativt store atomer med høy masse. I gassform består de av enkeltatomer, de er store med høy masse, og dette gir lav varmeledningsevne. Hvis vi ønsker høy varmeledningsevne, bør vi derfor velge hydrogen eller helium, som er små atomer med lav masse – men det ønsker vi jo ikke å bruke.

Vakuumglass

Må det være gass mellom glassene i en isolerglassenhet? Kan man heller bruke et vakuum for å overføre varme mellom glassene?

Den termiske varmeledningsevnen til gass kan i en meget forenklet versjon forklares av det faktum at gasspartiklene overfører energi til hverandre. Ingen gasspartikler – ingen energioverføring.

Med et vakuum vil glassrutene presses sammen. Derfor er det behov for små avstandslister, såkalte microspacers, spredt ut i en matrise mellom glassene.
Vakuum er så effektivt at en mikrospacer på 0,2 mm mellom planglassene er nok for å oppnå god energiytelse.

Oppfinnelsen av vakuumruten er ikke ny. Siden produksjonen har krevd helt annet utstyr og metoder enn det som normalt finnes i en vindusfabrikk, har dette vært et dyrt produkt som nærmest har levd et liv i skyggene i mange år.

Foto av Vakuumglass
Det tynne isolerende vakuumglasset kan installeres i gamle bygninger med smale rammer som er beregnet for enkeltglass. Dermed opprettholdes det opprinnelige utseendet på eldre tradisjonelle bygninger, samtidig som det gir god varmeisolasjon. Foto: Pilkington

Utfordringer

Å bruke vakuum i produksjonen gir spenninger i både konstruksjon og glass. Dette medfører følgende utfordringer i produksjonen: Man må herde glasset, ellers vil spenningene fra vakuumet nesten rive glassene fra hverandre. Når glasset herdes kan det oppstå ujevnheter på overflaten. For å unngå dette må man være ekstra nøye med presisjonen i herdeprosessen.

Herdingen, og kravet om at det ikke skal brukes for mange og for store avstandslister, betyr at hvert floatglass maksimalt kan være 3 mm tykt, det vil si at en vakuumrute består av to stk 3 mm tykke glass. For at det vakuumbaserte vinduet skal fungere er mikrospacerne helt nødvendige, og de påvirker også varmeledningsevnen.

Flere og større mikrospacere gir en høyere verdi, så målet er å ha så få og så små mikrospacere som mulig. En typisk mikrospacer er omtrent 0,2 mm tynn og 0,5 mm i diameter, og avstanden i matrisen er ca. 40-50 mm. Opp gjennom årene har man testet flere ulike materialer.

Stål var en tidlig variant, så også keramikk. Ved hjelp av laser har man også testet ulike strukturer der man printer microspacere direkte på overflaten av glasset.

Forsegling er en spesielt utsatt og krevende detalj når man skal sammenføye glass.
Kravene til selve konstruksjonen er betydelige, og de ulike bestanddelene har ikke alltid de samme materialegenskapene.

Til å begynne med brukte man blybaserte «loddeteknikker», men dette har man gått bort fra, og i dag brukes mer og mer «glass-smelting». Det krever imidlertid svært høye temperaturer, ca. 400 °C i 2-5 timer. Det er energikrevende, og en åpenbar flaskehals i en produksjonsverden der tid og energi er to av de største utfordringene.

Både blybasert og glassbasert tetningsteknologi fører til at vakuumruter er følsom for bevegelse og bøyning, da skjøten kan sprekke og funksjonen til vakuumvinduet ødelegges.

Det forskes på å finne elastiske lavtemperaturløsninger, og kanskje er det denne teknologiske utviklingen som må til for at vakuumglass skal bli lønnsomt. På samme måte som i en vanlig isolerrute kan man benytte ulike typer av belegg.

Siden vakuum gir god termisk ytelse, har man kun et energieffektivt belegg på én rute.

Oppsummert er produksjonen av vakuumruter kompleks, energikrevende og fortsatt i en konstant utviklingskurve.

På Glasstec 2022 ble det demonstrert en elegant løsning med U-verdi på 0,38 W/m²K, samt en koblet variant med en lav U-verdi på 0,29 W/m²K.

Anekdotisk vurdering: Hvor mye gass skal det være mellom glassene?

For å oppnå parallelle glassflater bør mengden gass mellom planglassene gi et likt trykk som det omkringlig-gende rommet – dvs. normalt atmosfærisk trykk.

Den observante leser tenker kanskje at hvis vi tynner ut gassen mellom glassene til halvparten så mye, så halveres vel også U-verdien? Gjør man det vil det oppstå et problem, nemlig at glassene suges kraftig mot hverandre. I bransjen kalles dette «pumping».

Men kan man ikke bare legge inn noen avstandslister mellom glassene, tenker du kanskje. Så enkelt er det dog ikke. Gass oppfører seg ikke like intuitivt som man kan tro.

Så lenge gasstrykket ikke er veldig lavt eller veldig høyt (sammenlignet med normalt atmosfærisk trykk) er gassens varmeledningsevne uavhengig av trykket. I prinsippet avhenger det bare av massen og størrelsen på gasspartiklene.

De underliggende årsakene ligger utenfor temaet i denne artikkelen. Den nysgjerrige leseren kan lese mer om hvor viktig begrepet «mean free path» i en gass er i forhold til rommets volum.

Men, ideen om avstandslister er faktisk strålende – husk det!

 

Siste innlegg

Foto av Næringslivets Hus i Stavanger

Næringslivets Hus i Stavanger – Der nytt møter gammelt

Næringslivets Hus var en av de første bygningene i Stavanger med glassfasader. Da bygningen måtte rehabiliteres var målet klart: Man skulle ikke umiddelbart se...