镀膜建筑玻璃



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玻璃是现代建筑中的主要建筑材料。它创造了视觉效果并提供了多种技术特征,例如用于隔热、防晒和隔音的玻璃,以及设计组件、安全玻璃或作为太阳能发电厂的一部分。如今,该行业为每种可能的应用提供具有定制技术数据的玻璃。

在建筑中,特别强调节能建筑方法,特别是考虑到能源和原材料成本上升是我们这个时代最大的挑战。由于技术特征的广泛多样化,量身定制的技术玻璃咨询正成为建筑玻璃中越来越重要的服务。本文描述了历史背景以及玻璃作为一种材料的演变及其在窗户和外墙中的应用,并描述了其最重要的建筑物理价值。

玻璃的历史

平板玻璃作为封闭空间的组件已经使用了大约 2000 年,因此是最古老的人造建筑材料之一。由于制造和精加工方法的不断发展,它现在也是最先进的建筑材料之一,它是当今现代建筑的特征。

由于它现在几乎可以满足现代建筑围护结构的任何要求,因此人类一方面保护外界的基本需求与另一方面对光的开放性之间的冲突现已被克服。

在工业化之前,平板玻璃是使用铸造、凸面或圆柱技术生产的。这些手工制作方法最终被平板玻璃和抛光平板玻璃生产方法所取代,这些方法一直应用到 1960 年代。

机器玻璃工艺的缺点是玻璃变形和不平整。生产高质量平板玻璃所需的研磨和抛光步骤是成本驱动因素。多年来,这两种方法都得到了改进,但无法消除根本的缺点。为了满足对高质量平板玻璃日益增长的需求,需要新的方法。

1950 年代初,英国皮尔金顿兄弟公司发明了一种工业解决方案,实现了大版型的大批量生产,同时以相对较低的价格提供始终如一的高质量:这被称为自动浮法工艺,因此,玻璃成为任何人都买得起的大规模生产产品。由于 1970 年代的石油危机,对玻璃建筑的批评增加了。此时未镀膜的平板玻璃是一种能源浪费。提高能源效率的一个生态和经济里程碑是使用薄膜技术生产隔热和阳光控制涂层。

为什么要涂涂层?

直到 1970 年中期才成为标准的单层玻璃导致大量热损失(Ug Ø ≈ 5.8 W/m2 K)。双层玻璃随后变得更加普遍,其 Ug 值提高了约 3.0 W/m²K。直到双层玻璃技术与现代薄膜技术相结合,在玻璃上形成透明涂层,比能量损失才能再次减半。与重新辐射大约 2% 至 10% 的吸收能量(即具有低发射率值 ε 的金属)相比,玻璃不具备这种有利的特性。

超过 80% 的吸收热量通过玻璃表面散发 (ε ≈ 0.85)。为了将玻璃的透明性与贵金属的优异发射特性相结合,在玻璃上沉积了薄金属膜。它们对阳光是透明的,但同时非常有效地降低了玻璃表面的辐射率。厚度约为 1/100,000 毫米(= 10 纳米)的极薄银膜是最佳选择。

INTERPANE 于 1980 年初首次将中性色镀膜中空玻璃推向市场。激烈的市场活动,包括基本镀膜玻璃作为半成品的分销,确保 iplus 很快得到广泛传播。今天,Ug 值为 ø 1.1 W/m²K 的隔热玻璃(low-e 玻璃)被认为是最先进的。使用三层玻璃,Ug 值甚至可以达到 0.5 W/m²K。这意味着热损失仅为单层玻璃的十分之一!

  • 低辐射和阳光控制涂层的结构

不同的涂层材料沉积在玻璃上以产生功能性涂层。这些提供粘合、热功能、覆盖和保护,形成一个复杂的系统。光学特性是通过应用干涉原理实现的,这在相机和眼镜镜片上的抗反射涂层中很常见。

ipasol 阳光控制涂层在原理上与其他涂层类似,但涂层结构要复杂得多。通过额外的吸收和/或反射组件获得有关太阳和热辐射的所需特性

涂层技术

在INTERPANE,真空室中的在线溅射被用作涂层技术(图2)。溅射室中的压力降低到大约百万分之一巴(约 10-3 毫巴)。玻璃板从输入室通过传输室传输到溅射室,在那里实际发生涂层过程。为了获得均匀的涂层,玻璃在涂层装置下以恒定速度传输。

镀膜程序本身如图 3 所示:对于溅射,通过在阴极和阳极之间施加高电压在真空室中产生等离子体。当惰性气体氩原子被引入腔室并通过与电子碰撞转化为带正电的重氩离子时,就会形成等离子体。等离子体可以通过其典型的有色外观来识别,类似于荧光灯管中的外观。

高压产生的强电场将带正电的重氩离子加速到阴极。由涂层材料(例如银)组成的所谓“靶”安装在阴极上。入射的高能氩离子将材料撞出目标,然后将其作为薄层沉积在玻璃上(图 4)。可以额外地将氧气作为反应气体引入腔室以与雾化的目标材料形成化合物。

重要的建筑物理值

根据 EN 673 的 Ug 值

根据欧洲标准,通过传导、对流和辐射通过表面的热传输由其 U 值表示。这在某些国家以前被称为 K 系数。热传导率(U 值)指定了在相邻房间与室外空气之间的温差为 1 开尔文的情况下,每单位时间通过 1 平方米建筑构件的热流。

因此,U 值越低,隔热效果越好。指定 U 值的单位是 W/m²K。Ug 值是通过根据 EN 673 的计算或根据 EN 674 的测量确定的。在相同的边界条件下,计算和测量程序会产生可比较的 U 值。ASHRAE/NFRC 产生比欧洲标准稍差(更高)的 U 值(大约 0.1-0.2 W/m2K)。ASHRAE/NFRC U 值分为冬季和夏季条件。

发射率 ε 符合 EN 673

发射率值 ε 描述了物体表面的辐射特性。对于中空玻璃的隔热,辐射率值越低,U值越好。过去,玻璃的 U 值总是在测试台上测量——今天,可以使用可靠的计算程序 (EN 673)。计算所需的值之一是 ε 值。

发射率值是通过测量建筑构件表面的红外反射率来确定的。假设入射角几乎垂直于所考虑的表面,并且使用不同波长的辐射进行测量。以这种方式确定的反射率值 R 使用公式转换为发射率值

ε = 1 – R

由于从计量学的角度来看,不可能以 0° 的入射角进行测量,因此通常以 ≤ 10° 的平均入射角进行测量。

法向发射率 εn 根据 EN 673

根据 EN 673 标准发射率值 εn 的确定基于上述测量程序,其中评估了 5.5 µm 和 50 µm 之间的 30 个波长。平均值由这些单独的结果确定,并考虑了 + 10 °C 时的热辐射光谱分布。结果被指定为“正常发射率值εn”。

根据 EN 1096 声明的发射率 εd

发射率的声明值 εd 是基础玻璃制造商规定的法向发射率的标称值。

根据 EN 410 的太阳能系数 (SF) 或 g 值

太阳能系数是玻璃在 300 nm 至 2500 nm 波长范围内的太阳辐射的总能量透射率(或太阳能得热系数)。太阳能系数对于 HVAC 计算(加热、通风、空调)很重要,并以 % 表示。太阳能系数是直接太阳能透射率 τe 和描述长波辐射和对流的二次内部传热系数 qi 的总和。

g = τe + qi

b 因子或阴影系数 (SC)

“平均透射系数b”(也称为遮光系数SC)是计算冷负荷的决定性因素。根据德国 VDI 2078(1996 年 7 月版),b 系数是评估的玻璃单元的太阳能系数与传统双层玻璃窗的太阳能系数之比。

在国际上(USA-ASHRAE、NFRC 或 UK-CIBSE),遮阳系数是被评估玻璃单元的太阳能系数与 3 毫米单层玻璃的太阳能系数之比。

在某些国家,遮蔽系数分为长波和短波分量,通过与 3 毫米透明浮子的相同属性进行比较,它们的值以完全相同的方式推导出来。短波长遮蔽系数 (SWSC) 是直接太阳能透射率 e 除以 0.87。长波遮蔽系数 (LWSC) 是二次内部传热系数 qi,再次

τe 除以 0.87。两者一起给出与上述相同的结果。在进行国际比较时,更常见的是通过将太阳因子除以 0.87 来确定 SC。

显色指数 Ra 符合 EN 410

显色性对于生理感知以及心理和审美原因非常重要。房间内的色彩效果受入射日光光谱分布的影响。一般显色指数 Ra 可取的最大值为 100。在可见光谱范围内的光谱透射程度绝对恒定的玻璃类型中达到 100 的值(例如 ipawhite:Ra,D 100玻璃厚度不超过 8 毫米(未镀膜))。

在照明技术方面,一般显色指数Ra>90表示显色性非常好,Ra>80表示显色性良好。从室内通过窗户观察,Ra,D 值首先描述了室内日光下的颜色识别,其次描述了室外的颜色识别。以类似的方式,Ra,R 值表征了玻璃在室外反射时的显色性。玻璃的显色特性是根据 EN 410 通过一般显色指数 Ra 确定的。用作基本参考光源的是普通光源 D 65。

透光率 τV 符合 EN 410

透光率 τV 是透过玻璃的可见光(380 至 780 nm)的比率,由人眼的敏感度加权。透光率以百分比表示,并且会受到例如玻璃厚度的影响。由于玻璃中的氧化铁含量不同,因此可能会有轻微的波动。单片透明浮法玻璃在可见光光谱范围内的透光率约为 90%(10% 的损失主要是由于反射造成的)。

INTERPANE 中空玻璃由两块浮法玻璃板组成,透光率为 82%。iplus中性E的透光率为80%。参考值 100% 对应于没有任何玻璃窗的墙壁开口。玻璃窗的透光率应根据建筑物和环境选择合适的。

能量吸收 αe 符合 EN 410

除了透射和反射,吸收是决定辐射通过玻璃传输的第三个过程。辐射能通过吸收转化为热能。这导致吸收玻璃板的温度升高。如果水平玻璃的吸收率 ≥ 50%,垂直玻璃的吸收率 ≥ 55%,INTERPANE 建议使用全钢化或热强化玻璃。此建议基于玻璃上没有任何静态/严重阴影的典型位置。但是,对于特定应用,建议对热玻璃破裂风险进行分析。Interpane 咨询服务 (IBC) 很乐意为您提供帮助。

透射
+ 反射                   
+ 吸收
--------------------
= 100 %

选择性特性 S

选择性指数用于表示透光度τV与总能量透射度g的比值。高选择性指数表示有利的比率。

Low-E涂层中空玻璃的热效应

通过绝缘玻璃的热流由以下组成部分决定:

  • 根据玻璃表面的热辐射发射率,玻璃之间的辐射交换
  • 气体在充满气体的空间中的热传导
  • 气体在充气空间中的对流

在传统的无涂层双层玻璃中,大约三分之二的热流是由于玻璃表面的高辐射率导致的窗格之间的辐射交换。只有三分之一是由玻璃之间空间中的空气传导和对流引起的。低发射率涂层将未涂层玻璃的发射率从 εd ≈ 0.89 降低到例如 iplus E 的 εd ≈ 0.03。因此,辐射交换几乎完全被抑制。

在充满气体的空间中由于传导和对流而产生的热通量保持不变。因此,一种基于银的低辐射涂层,例如在 iplus E 中使用的,将双层玻璃的 Ug 值从大约 3.0 W/m²K 降低到 1.4 W/m²K。此外,如果玻璃板之间空间中的空气被惰性气体(例如具有较低热导率的氩气)取代,Ug 将进一步下降 0.3 W/m²K 至 1.1 W/m²K。

外表

以玻璃材料为中心的发展不仅限于节能、防晒等经典特性,还着手改进和改变其强度和外观。自然经常被用作模型,例如在莲花效应的情况下,或者提供可以灵活地、独立于用户地控制光和能量传输的那些产品。

装饰性外墙玻璃的创新解决方案也很受规划者的欢迎。在这种情况下,现在可以使用一系列新的涂料。所谓的“设计涂层”,例如 ipachrome。这种涂层可以部分或广泛地应用,它为建筑设计开辟了创造性的机会。多层系统确保玻璃与传统银镜一样具有反射性。

由于产品多样性不断增加,玻璃加工公司对建筑师、规划师和客户在建筑项目中的玻璃技术咨询需求量很大。位于德国巴伐利亚州普拉特林的 INTERPANE 咨询服务 (IBC) 通过电话或现场协助国内和国际建筑师、工程师、规划师、制造商和机构建筑客户。

除了为窗户和外墙建造商提供建筑和技术咨询外,IBC 还提供培训课程并协调建筑顾问和客户的国内和国际合作。可以通过电话 +49 (0) 9931 950 229、传真 +49 (0) 9931 950 236 或电子邮件 ibc@interpane.com 联系 IBC。

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