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关于low-E镀膜玻璃在建筑中的应用
 
摘要:镀膜玻璃是在玻璃的一个或两个表面上,用物理或化学的方法镀上金属、金属氧化物等的薄膜而制成的玻璃深加工制品。不同的膜层颜色和对光线的反射率不同,使得用镀膜玻璃装饰的建筑物晶莹辉煌。low-E镀膜玻璃可以控制阳光的入射,减少空调能耗,而低辐射镀膜玻璃可限制室内热量向外辐射散失,在寒冷地区有显著的节能效果。
 
关键词:镀膜,low-E,遮阳系数,相对增热量
 
镀膜玻璃(Reflective glass)也称反射玻璃。镀膜玻璃是在玻璃表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜,以改变玻璃的光学性能,满足某种特定要求。镀膜玻璃按产品的不同特性,可分为以下几类:热反射玻璃、低辐射玻璃(Low-E)、导电膜玻璃等。
在建筑中,使用最多的是热反射玻璃。
 
low-E玻璃一般是在玻璃表面镀一层或多层诸如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜,使产品呈丰富的色彩,对于可见光有适当的透射率,对红外线有较高的反射率,对紫外线有较高吸收率,另外,还具有良好的透射性,因此,也称为阳光控制玻璃。
 
1:low-E玻璃的制备原理

目前的两种Low-E玻璃生产方法   

(1)在线高温热解沉积法:在线高温热解沉积法"Low-E"玻璃在美国有多家公司的产品。如PPG公司的 Surgate200,福特公司的Sunglas H.R"P"。这些产品是在浮法玻璃冷却工艺过程中完成的。液体金属或金属粉沫直接喷射到热玻璃表面上,随着玻璃的冷却,金属膜层成为玻璃的一部分 。固此,该膜层坚硬耐用。这种方法生产的"Low-E"玻璃具有许多优点:它可以热弯,钢化,不必在中空状态下使用,可以长期储存。它的缺点是热学性能比较差 。除非膜层非常厚,否则其"u"值只是溅射法"Low-E"镀膜玻璃的一半。如果想通过增加膜厚来改善其热学性能,那么其透明性就非常差。 

(2)离线真空溅射法:离线法生产Low-E玻璃,是目前国际上普遍采用真空磁控溅射镀膜技术。和高温热解沉积法不同,溅射法是离线的。且据玻璃传输位置的不同有水平及垂直之分。溅射法工艺生产"Low-E"玻璃,需一层纯银薄膜作为功能膜。纯银膜在二层金属氧化物膜之间。金属氧化物膜对纯银膜提供保护,且作为膜层之间的中间层增加颜色的纯度及光透射度。垂直式生产工艺中,玻璃垂直放置在架子上,送入10-1帕数量级的真空环境中,通入适量的工艺气体(惰性气体Ar或反应气体O2、N2),并保持真空度稳定。将靶材Ag、Si等嵌入阴极,并在与阴极垂直的水平方向置入磁场从而构成磁控靶。以磁控靶为阴极,加上直流或交流电源,在高电压的作用下,工艺气体发生电离,形成等离子体。其中,电子在电场和磁场的共同作用下,进行高速螺旋运动,碰撞气体分子,产生更多的正离子和电子;正离子在电场的作用下,达到一定的能量后撞击阴极靶材,被溅射出的靶材沉积在玻璃基片上形成薄膜。为了形成均匀一致的膜层,阴极靶靠近玻璃表面来回移动。为了取得多层膜,必须使用多个阴极,每一个阴极均是在玻璃表面来回移动,形成一定的膜厚。水平法在很大程度上是和垂直法相似的。主要区别在玻璃的放置,玻璃由水平排列的轮子传输,通过阴极,玻璃通过一系列销定阀门之后,真空度也随之变化。当玻璃到达主要溅射室时,镀膜压力达到,金属阴极靶固定,玻璃移动。在玻璃通过阴极过程中,膜层形成。

目前,国产和绝大部分进口磁控溅射镀膜生产线的目标产品均是以镀制单质膜和金属膜为主的阳光控制膜玻璃。这类产品工艺相对简单,对设备的要求较低。因此,这些生产线不能满足镀制LOW-E玻璃的要求。
 
溅射法生产"Low-E"玻璃,具有如下特点:由于有多种金属靶材选择,及多种金属靶材组合,因此,溅射法生产"Low-E"玻璃可有多种配置。在颜色及纯度方面,溅射镀也优于热喷镀,而且,由于是离线法,在新产品开发方面也较灵活 。最主要的优点还在于溅射生产的"Low-E"中空玻璃其"u"值优于热解法产品的"u"值,但是它的缺点是氧化银膜层非常脆弱,所以它不可能象普通玻璃一样使用。它必须要做成中空玻璃,且在未做成中空产品以前,也不适宜长途运输。
 
2:low-E玻璃在建筑中的应用原理
     
遮阳系数Shading Coefficient:缩写为SC,在GB/T2680中称之为遮蔽系数(缩写为Se)。是在建筑节能设计标准中对玻璃的重要限制指标,指太阳辐射能量透过窗玻璃的量与透过相同面积3mm透明玻璃的量之比。SC用样品玻璃太阳能总透射比除以标准3mm白玻的太阳能总透射比(GB/T2680中理论值取0.889,国际标准中取0.87)进行计算,SC=SHGC÷0.87(或0.889)。遮阳系数越小,阻挡阳光热量向室内辐射的性能越好。但只在炎热气候地区和大窗墙比时,低遮阳系数的玻璃才有利于节能,在寒冷地区和小窗墙比时,高遮阳系数的玻璃更有利于利用太阳热量降低采暖能耗而实现节能。

相对增热量:是指综合考虑温差传热和太阳辐射对室内的影响,通过玻璃获得和散失的热量之和。相对增热量=(室外温度-室内温度)X传热系数K+太阳照射强度X遮阳系数SCX0.87。大于0时,表示室内获得的热量越来越多;小于0时,表示室内向外散失的热量越来越多。天气炎热时室外温度高,公式第一项为正值,向室内传热,此时K值和SC越小,玻璃相对增热量越小,有利于降低制冷能耗。天气寒冷时室外温度低,公式第一项为负值,向室外传热,第二项太阳辐射向室内传热,则SC越大,太阳辐射进入的热量越有利于弥补向室外散失的热量。所以在寒冷气候时,玻璃SC值越高,越能减少采暖能耗。

传热系数:简称为K值或u值(对于玻璃而言,两者仅是简称不同而己)。是建筑节能设计标准对玻璃的重要限定值,指在稳定传热条件下,玻璃两侧空气温差为1度时,单位时间内,通过1平方米玻璃的传热量,以W/(m2k)或W/(m2℃)表示。国外的U值以英制单位表示为Btu/hr/ft2/F,英制单位U值乘以5.678的转换系数得到公制单位U值。传热系数越低,说明玻璃的保温隔热性能越好。单片普通玻璃的传热系数约为5.8 W/(m2K),单片耀华Low--E约为3.6W/(m2K);普通6+12+6中空玻璃约为2.9 W/(m2K),相同配置的Low-E中空传热系数在1.9W/(m2k)以下。
太阳辐射直接透过传热、对流传导传热。透过每平方米玻璃传递的总热功率Q可由下式表示:    

Q=630Sc+U(T内-T外)

式中630是透过3mm透明玻璃的太阳能强度,(T内-T外)是玻璃两侧的空气温度,均是与环境有关的参Sc和U是玻璃自身的固有参数,其含义如下:Sc—玻璃的遮阳系数,数值范围0~1,它反映玻璃对太阳直接辐射的遮蔽效果。 U—玻璃的传热系数,它反映玻璃传导热量的能力。  
 
3:low-E玻璃具有以下特性:

(1)优异的热性能:外门窗玻璃的热损失是建筑物能耗的主要部分,占建筑物能耗的50%以上。有关研究资料表明,玻璃内表面的传热以辐射为主,占58%,这意味着要从改变玻璃的性能来减少热能的损失,最有效的方法是抑制其内表面的辐射。普通浮法玻璃的辐射率高达0.84,当镀上一层以银为基础的低辐射薄膜后,其辐射率可降至0.15以下。因此,用Low-E玻璃制造建筑物门窗,可大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递,达到理想的节能效果。室内热量损失的降低所带来的另一个显著效益是环保。寒冷季节,因建筑物采暖所造成的CO2、SO2等有害气体的排放是重要的污染源。如果使用Low-E玻璃,由于热损失的降低,可大幅减少因采暖所消耗的燃料,从而减少有害气体的排放。  
透过玻璃的热量是双向的,热量即能由室内传递到室外,反之亦然,并且是同时进行的,只是传递热量差的问题。在冬天的时候,室内的温度比室外高,要求保温。夏天室内温度比室内的低,要求玻璃能隔热,就是室外热量尽量少的传递到室内。LOW-E 玻璃能够实现冬天喝夏天的要求,既能保温又能隔热,起到环保低碳的效果。   (2)良好的光学性能 : Low-E玻璃的可见光透过率从理论上的0%-95%(6mm白玻很难做到)不等,可见光透过率代表室内的采光性。室外反射率从10%-30%左右,室外反射率就是可见光反射率,代表反光强度或者耀眼程度,目前为止,中国要求幕墙的可见光反射率不大于30%。  
 
Low-E玻璃的上述特性使得其在发达国家获得了日益广泛的应用。我国是一个能源相对匮乏的国度,能源的人均占有量很低,而建筑能耗已经占全国总能耗的27.5%左右。因此,大力开发Low-E玻璃的生产技术并推广其应用领域,必将带来显著的社会效益和经济效益。 

在美国及欧洲,低辐射(Low-E)(译称娄义)镀膜玻璃由于其优越的性能,得到了极大的关注。特别是德国的Wschvo法规,使Low-E玻璃有迅猛的发展。   

欧洲的制造商是在60年代末开始实验室研究"Low-E"的。1978年,美国的英特佩(interqane)成功地将"Low-E"玻璃应用到建筑物上。   

"Low-E"的优越性是无可质疑的 。从1990年开始,"Low-E"的用量在美国以年5%的速度递增 。将来,"Low-E"是否成为窗玻璃的主导地位还不得知,但是业主和门窗公司都非常重视节能型的门窗。
 
参考文献:
1:《平板玻璃深加工学》,武汉理工大学。:
2:《玻璃表面和表面处理》,王承遇、陶瑛, 中国建材工业出版社。
3:《Low-E玻璃在建筑中的节能效果》,佟菲 张志刚 。
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