Энергосберегающие стеклопакеты с полимерными пленками, отражающими инфракрасные лучи (длинноволновая область спектра). Часть 1

Доктор Рагху Падият, доктор Джейшри Сет, компания «3M» для tybet.ru.

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.

   

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.

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 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.

 

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 %.