Энергосберегающие стеклопакеты с полимерными пленками, отражающими инфракрасные лучи

С ростом требований к энергоэффективности зданий в целом и потребности в энергосберегающих окнах в частности увеличился спрос на использование в стеклопакетах энергосберегающего стекла с покрытием, полученным методом напыления. Такие покрытия, называемые «мягкими», наносятся на стекло посредством сложного механизма вакуумного напыления с трудоемким контролем качества, чтобы обеспечить эксплуатационные характеристики и равномерность нанесения. Стеклопакеты, изготовленные из стекла с напылением, хорошо подходят и для климата с длительным отопительным сезоном, и для климата с применением систем охлаждения, так как они могут одновременно иметь низкий коэффициент теплопередачи и низкий коэффициент пропускания солнечного тепла. Недостаток подобных покрытий – их низкая твердость, обычно измеряемая по Моосу. Пиролитические теплоотражающие покрытия (так называемые «твердые») сравнительно просты в обращении в связи с более высокой механической стойкостью. При этом их производство менее затратно, но они больше подходят для климата с длительным отопительным сезоном.

В этой статье рассматривается использование новой технологии полимерной прозрачной пленки, селективно отражающей инфракрасные лучи (длинноволновая область спектра - NIR) в сочетании с пиролитическими теплоотражающими покрытиями для получения экономичного решения при изготовлении стеклопакетов с существенным снижением коэффициента поступления солнечного тепла и незначительным воздействием на внешний вид (пропускание видимой части спектра). Данные полимерные пленки могут быть нанесены на поверхности № 2, № 3 или № 4 двухслойного стеклопакета или размещены в свободно подвешенном состоянии между слоями стекла.

Рисунок 3

Три различные конфигурации, при которых полимерная отражающая инфракрасные лучи пленка может быть использована в стеклопакете. Оптические и тепловые характеристики представлены в Таблице I и II.

Кроме того, что эти пленки весьма эффективно отражают инфракрасные лучи длинноволновой области спектра, они также в значительной степени блокируют ультрафиолетовые лучи, обеспечивая дополнительное преимущество для конечных пользователей. Такие характеристики пропускания остекления также могут быть дополнительно модифицированы посредством включения в пленку нейтральных (равномерно затемняющих) светофильтров или фильтров инфракрасного излучения длинноволновой области спектра для снижения бликов и еще большего ограничения поступления солнечного тепла.

Введение

С момента изобретения стеклопакетов в 1921 г. они стали широко использоваться по всему миру. В Европе и в других странах со схожим климатом, где необходимо использовать стеклопакеты для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик здания, введены новые параметры энергоэффективности остекления. Спрос на стеклопакеты увеличился даже в Азии, где традиционно спросом пользовалось однослойное остекление. Тем не менее, до недавнего времени использование стеклопакетов не было столь популярным в районах с климатом от теплого до жаркого. Для данных условий характерны продолжительные сезоны с высокой температурой воздуха, во время которых необходимо использовать кондиционеры, поэтому основной функцией окон в таких регионах является снижение поступления солнечного тепла, а не теплоизоляционные свойства.

Для обеспечения комфорта заказчиков в странах с жарким климатом, на рынок были выведены солнцезащитные стекла. Эти стекла обеспечивают снижение поступления солнечного тепла, уменьшая количество проходящей внутрь солнечной энергии (в видимой и/или длинноволновой инфракрасной частях спектра солнечного излучения). Такой эффект в большинстве случаев достигается простым поглощением значительной части энергии падающего на стекло светового потока, независимо от длины волны.

В качестве альтернативного варианта стекло может быть покрыто тонким слоем металла, который отражает падающую солнечную энергию. До недавнего времени отдельные теплоотражающие покрытия на основе серебра также считались покрытиями с достаточной солнцезащитной эффективностью в дополнение к их теплоизоляционным свойствам. Такие стекла с двойным солнцезащитным и теплоотражающим покрытием на основе серебра могут быть использованы не только в холодном климате с длительным отопительным сезоном (благодаря их теплоотражающим/теплоизоляционным свойствам), но и в жарком климате с длительными периодом использования систем охлаждения, вследствие их преимуществ в снижении поступления солнечного тепла.

Теплоотражающие покрытия могут быть принципиально разделены на два типа. Наносимые пиролизом (во время производства стекла) теплоотражающие покрытия из материалов, таких как оксид олова, легированный фтором (FTO), называются твердыми покрытиями. Несмотря на то, что они улучшают коэффициент теплопередачи окон, они не обеспечивают достаточно низкого коэффициента солнечного теплопоступления (SHGC), который важен в регионах с высокой нагрузкой на систему охлаждения. Повышение эксплуатационных характеристик стеклопакетов обеспечивается за счет использования напыляемых магнетроном слоев материалов, таких как чистое серебро или серебро, размещенное между слоями никеля и хрома (NiCr). Такие напыляемые покрытия обычно называются мягкими покрытиями. Часто несколько слоев серебра могут быть соединены диэлектрическими прозрачными материалами, такими как нитрид кремния (SiN), оксид индия-титана (ITO), оксид индия (InO) и др.(для снижения эффекта отражения в видимой части спектра электромагнитных волн). Несмотря на то, что данные покрытия имеют более низкий коэффициент поступления солнечного тепла и низкий коэффициент излучения, они усложняют конструкцию и существенно увеличивают стоимость стекла и окон. Такие стекла с покрытием обычно называются стеклами со спектрально-селективным теплоотражающим покрытием. Теплоотражающие покрытия обычно наносятся на внутреннюю поверхность одного из двух стекол в стеклопакете (обычно поверхность 2 или поверхность 3).

Закаленное стекло сейчас широко используется в коммерческой недвижимости и административных зданиях вследствие более высоких стандартов и требований по безопасности по сравнению с жилыми помещениями. Однако спрос на закаленное остекление для жилых помещений также увеличивается из-за растущего использования больших окон в домах. Так как остекление с высокими энергосберегающими характеристиками возможно только со стеклами, покрытыми методом напыления, закаленное стекло с покрытием также пользуется высоким спросом. Нанесение покрытий на закаленное стекло является весьма технически сложным и малоэффективным процессом, особенно, если требуется одновременное напыление на стекла различных размеров. Для устранения технических сложностей (таких как дефекты покрытия по краям, а также логистические и технологические проблемы размещения большого количества предварительно закаленных стекол различного размера на заводах с высокими объемами производства стеклопакетов) были предложены решения по напыляемым покрытиям, устойчивым к последующей закалке стекла .

Тем не менее, такие покрытия подвержены механическим и химическим повреждениям вследствие метеорологических воздействий. В результате данные покрытия ограничены в сроке хранения (в отсутствии условий контролируемой атмосферы), и при обращении с ними необходимо предпринимать особые меры. Кроме того, мягкие покрытия являются дорогостоящими и характеризуются отклонениями характеристик от партии к партии. Зачастую для получения требуемых конечных эксплуатационных характеристик должно быть последовательно нанесено более пяти слоев.

Простой способ улучшения коэффициента теплопередачи стеклопакета был представлен Lizardo . Тонкая полимерная пленка была использована между двумя стеклами для создания эффективной трехслойной конструкции. Трехслойный стеклопакет теперь предлагается многими изготовителями окон, использующими спектрально-селективную пленку компании Southwall Technologies под торговой маркой Heat Mirror™, изготавливаемую методом напыления. Как и стекло с покрытием, сама пленка Heat Mirror™, содержит металлы, которые могут создавать помехи для средств связи, а ведь GPS, мобильные телефоны и радиосвязь все чаще используется в стационарных и подвижных объектах по всему миру. Участки стекла под уплотнения должны быть тщательно очищены перед монтажом, так как содержащие серебро покрытия весьма чувствительны к коррозии. В связи со всеми указанными выше практическими трудностями, существует необходимость в разработке решений для изготовления не содержащего металлов энергоэффективного остекления.

Рисунок 1

Спектр светопропускания полимерной отражающей инфракрасные лучи пленки с покрытием ATO и без него

Наличие ультрафиолета в естественном солнечном свете не только приводит к выцветанию отделочных материалов, ковров и тканей, но также создает риск для здоровья. Четко установлена связь между воздействием ультрафиолета и раком кожи. Следовательно, существует высокая потребность в решениях, которые обеспечивают исключение прохождения ультрафиолета в здание. Преимущество использования полимерных пленок в системах остекления заключается в том, что пленки могут быть дополнены модификаторами, поглощающими ультрафиолет, что приводит к снижению пропускания излучения УФ-В и УФ-А более чем на 99 %.

Рисунок 2

Спектр светопропускания полимерной отражающей инфракрасные лучи пленки с покрытием ATO, измеренный при нормальном падении и при падении 60 от нормали

Полимерные пленки, отражающие инфракрасные лучи

Отражающие инфракрасные лучи полимерные многослойные пленки были разработаны компанией 3M для использования в автомобильных стеклах и для других применений. Ранее Alfrey и другие показали, что полимерная пленка, состоящая из сотен чередующихся слоев двух материалов с различным коэффициентом преломления может быть получена соэкструдированием с образованием материала, радужного на вид. Использование полимерных многослойных пленок с использованием двоякопреломляющих оптических систем было далее разработано компанией 3M . Использование двоякопреломляющих материалов в данных конструкциях приводит к возникновению нескольких уникальных свойств, которые невозможно получить при использовании тонкопленочной оптики, покрытой методом напыления.

В данных пленках ширина спектра и местоположение границы полосы определяются толщиной каждой пары слоев. Толщина данных слоев выбирается таким образом, чтобы полоса однократного отражения возникала в инфракрасной части спектра электромагнитных волн. При правильном выборе левой и правой границы полосы и точном контроле толщины пары слоев могут быть созданы высокоэффективные отражатели инфракрасных лучей длинноволновой области спектра, но с высоким пропусканием видимого света. Оптические свойства отражателей инфракрасных лучей длинноволновой области спектра, созданные из полимерных материалов, имеют преимущество вследствие низкого оптического поглощения, незначительной оптической дисперсии и оптических констант двоякопреломляющих систем. Данные пленки могут иметь высокое пропускание видимого света, резкие границы полосы отражения и низкую оптическую неравномерность вне полосы отражения. В простой четвертьволновой структуре чередования слоев ABAB (где A и B – два полимерных материала с различными коэффициентами преломления) по конструктивным соображениям ограничивают полосу отражения в диапазоне от 800 нм до 1200 нм. Дальнейшее увеличение ширины спектра приведет к получению полос вторичного отражения, придавая цвет пленке. Так как спектр падающего солнечного излучения распространяется далеко за пределы значения 1200 нм, необходимо предусмотреть средства для снижения доли солнечной энергии, поступающей через остекление и превышающей значение 1200 нм.

В связи с этим для использования в остеклении были изучены нанофильтры, поглощающие инфракрасные лучи. Данные материалы имеют достаточно высокое пропускание видимого света, а также значительное поглощение в длинноволновой части инфракрасной области спектра. Такие материалы могут быть нанесены на многослойные полимерные пленки, отражающие инфракрасные лучи, для дополнительного улучшения коэффициента поступления солнечного тепла через остекление. Покрытия на основе олово-сурьмяных оксидов (ATO) являются наиболее перспективными, так как их полоса поглощения выходит за пределы длинноволновой инфракрасной области спектра. Спектры светопропускания отражающей инфракрасные лучи пленки, описываемой в данном исследовании, представлены на Рисунке 1. Высокоэффективная отражающая инфракрасные лучи пленка охватывает полосу диапазоном 850 – 1200 нм, тогда как ATO поглощает > 95 % падающего излучения свыше значения 1500 нм.

В данном исследовании представлен ряд конфигураций стеклопакетов, использующих отражающие инфракрасные лучи пленки с покрытием ATO или без него. Показано, что такие пленки особенно эффективны в сочетании со стеклами с пиролитическим теплоотражающим покрытием. Таким образом, для изготовителя стеклопакета, особенного не имеющего комплексного оборудования для нанесения покрытия напылением, доступен другой вариант. Представлены результаты по использованию свободно подвешенных пленок, а также вариантов с нанесением на одно из стекол. Еще одним преимуществом конфигурации с нанесением на стекло является дополнительная безопасность при повреждении стекла. Одной из уникальных особенностей данных полимерных пленок является то, что полоса отражения смещается к более низким длинам волн по мере увеличения угла падения света. Данный эффект представлен на Рисунке 2, на котором показан спектр пропускания при падении света под прямым углом (указан как 0 ) и под углом 60 от перпендикулярного стеклу направления. Так как пик отражения смещается в сторону низких длин волн, переносящих большее количество солнечной энергии, поступление тепла с солнечным светом также снижается. Так как на сегодняшний день не существует общепринятых в индустрии остекления отраслевых стандартов в отношении измерений эффективности теплоотражения при отклонении угла падения света от перпендикулярной стеклу оси, авторы полагают, что данные пленки обеспечивают дополнительное повышение солнцезащитных характеристик в реальных условия (когда свет падает на окно под разными углами). О внеосевом эффекте аналогичной полимерной отражающей инфракрасные лучи пленке также сообщалось ранее.

Методы и конструкция стеклопакета

Пленка, отражающая инфракрасные лучи, может быть нанесена на поверхность 2, либо на поверхность 3 или использована

как «третье стекло» в конфигурации со свободно подвешенной пленкой. Это схематически представлено на Рисунке 3. Программное обеспечение Window 5.2 и данные по спектральным характеристикам стекол различных производителей, представленные в Международной базе данных по остеклению IGDB (регулярно обновляемые Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли), были использованы для расчета эксплуатационных характеристик конструкций стеклопакетов, представленных в настоящей статье . Оптические спектры отражающей инфракрасные лучи пленки были измерены спектрофотометром «Lambda 9» компании Perkin Elmer и внесены в программное обеспечение Optics 5. Для расчета использованы стандартные условия окружающей среды согласно стандарту NFRC 100-2001. Зазор между стеклами был задан на уровне 12,5 мм (0,5 дюймов), а в качестве среды был использован воздух. Все указанные в настоящей статье значения предназначены для расчета центральной части стекла.

Результаты и обсуждение

В Таблице 1 представлены ключевые эксплуатационные характеристики различных стеклопакетов, смоделированных посредством программного обеспечения Window 5.2. Стеклопакет, изготовленный из двух прозрачных 6 мм слоев листового стекла, расположенных на расстоянии 12,5 мм друг от друга и заполненный воздухом, обеспечивает в результате коэффициент теплопередачи 0,47 британских тепловых единиц/ч фут2 ч. Использование стекол с мягким теплоотражающим покрытием снижает коэффициент теплопередачи до 0,31 британских тепловых единиц/ч фут2 ч, тогда как пиролитическое теплоотражающее покрытие обеспечивает значение 0,35 британских тепловых единиц/ч фут2 ч. Как показано в поз. № 4 и 5, применение полимерной отражающей инфракрасные лучи пленки на поверхности 3 и использование пиролитического теплоотражающего покрытия на поверхности 2 приводит к аналогичному коэффициенту теплопередачи, но со значительным снижением коэффициента пропускания солнечного тепла SHGC. Эффект использования пленки на поверхности 3 и теплоотражающего покрытия на той же поверхности приводит к немного более высокому коэффициенту SHGC. При использовании отражающей инфракрасные лучи пленки с покрытием ATO возможно дальнейшее снижение коэффициента SHGC без существенного влияния на передачу видимого света (см. пример № 7). Сравнение оптических коэффициентов и коэффициентов теплопередачи с использованием трех различных типов пленки представлено в Таблице 2. Очевидно, что даже PET пленка без покрытия в стеклопакете обеспечивает коэффициент теплопередачи, аналогичный пленке с напыляемым покрытием Heat Mirror™ HM88. Однако коэффициент SHGC намного выше для подобного стеклопакета. Незначительное улучшение коэффициента SHGC может быть получено с использованием полимерной отражающей инфракрасные лучи пленки, что видно из сравнения примеров 1 и 2. Следует отметить, что все три типа пленки могут быть дополнены компонентом, поглощающим УФ-лучи, при этом полученный стеклопакет будет пропускать примерно 0,1 % УФ.

Как указано выше, все приведенные оптические характеристики получены при падении света под прямым углом, в соответствии с отраслевыми стандартами. По мере увеличения угла падения можно предполагать улучшение коэффициента SHGC еще на 10 пунктов при падении под углом 60 и выше. Для полного документирования преимуществ общих характеристик данных стеклопакетов, несомненно, требуется калориметр солнечной энергии переменного угла, так как коэффициент SHGC также зависит от спектра падающего солнечного излучения. Как известно, спектр солнечного излучения варьируется в зависимости от географического положения и других факторов: времени дня/года, отражения света от поверхности земли, а также содержания водяного пара в воздухе. Gueymard разработал комплексную модель расчета поверхностной плотности потока солнечного излучения при указанных условиях. Более глубокое рассмотрение характеристик падающей солнечной энергии выходит за рамки данной статьи. Хотя расчет подобных эффектов может быть найден в других источниках.

Заключение

В настоящей статье рассмотрено применение не содержащей металла пленки, отражающей инфракрасные лучи длинноволновой области спектра в изготовлении стеклопакетов. Такие стеклопакеты, основанные на технологии многослойной селективно-отражающей пленки компании 3M, могут быть изготовлены путем нанесения на одно из стекол или размещения свободно подвешенной пленки внутри стеклопакета. В любом случае использование данных пленок в сочетании со стеклом с пиролитическим теплоотражающим покрытием обеспечивает для изготовителей стеклопакетов дополнительные возможности для получения уникальных энергосберегающих и экономически-эффективных решений в остеклении.

Более подробно об оконных пленках компании 3М на сайте http://solutions.3mrussia.ru