什麼是Low-E玻璃?Low-E如何生產?

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在我們的日常生活中,玻璃隨處可見。小到早晨起床洗漱時用到的鏡子,大到建築的玻璃帷幕牆,這些都是玻璃製成的。玻璃是重要的建築材料,本篇要介紹的,是玻璃家族中的新寵兒「Low-E玻璃」。

什麼是Low-E玻璃

什麼是Low-E玻璃 低輻射玻璃 Low Emissivity Glass
什麼是Low-E玻璃

市面上玻璃那麼多,哪種玻璃才是Low-E玻璃呢?

Low-E玻璃,有些地方稱之為「低輻射玻璃」,「Low-E」是英文Low Emissivity的縮寫。這是一種在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物組成的膜系產品,其鍍膜層具有對可見光的高透過及對中遠紅外線高反射的特性。簡單而言,就是這種玻璃能透光,但當來自太陽或暖通空調的熱能(紅外線)撞擊Low-E玻璃時,它會被反射回原來的空間,而不是採取玻璃傳遞。

Low-E玻璃的工作原理

Low-E玻璃通常看起來是有顏色的,但與有色玻璃不同,有色玻璃是採取在玻璃本身中添加合金材料製成的,而Low-E玻璃的表面有一層由各種金屬顆粒組成的微觀薄層(通常是多層)。這些金屬薄層將Low-E玻璃變成了過濾器,使得它可以過濾光線,進而具有卓越的隔熱性能。

不同類型的能量有不同的波長,採取在玻璃表面添加各種金屬的薄層,可以選擇過濾哪種類型的能量。如果您想過濾掉熱量(長波長,即紅外線),同時允許光(較短波長)直接採取,Low-E玻璃就可以做到此一點。

Low-E玻璃的製造工藝和分類

這麼神奇的玻璃,是怎麼製作出來的呢?

目前商業化製造Low-E玻璃有兩種成熟的工藝技術,分別是:物理方法的「真空磁控濺射工藝」(離線Low-E),採用化學方法的「化學氣相沉積工藝」(線上Low-E)。

Low-E玻璃製造工藝

真空磁控濺射工藝

真空磁控濺射技術是指一種利用陰極表面配合的磁場形成電子陷阱,使在E×B的作用下電子緊貼陰極表面飄移的技術。

真空磁控濺射原理,生產Low-E玻璃
真空磁控濺射原理

其原理是將欲沉積的材料製成靶材(陰極),靶材接高壓,將無可見雜質透明的玻璃放入真空且充入惰性氣體的真空室中,置於與陰極間隔一定距離且正對靶面的陽極上。惰性氣體通常為 Ar(氬)在陰極和陽極間加上高壓,兩級間產生輝光放電,產生等離子體,電子在電場的作用下,飛向玻璃基片時與氬原子產生了碰撞,碰撞電離出了新的電子。

隨著碰撞次數增加,在電磁場作用下,新的電子逐漸遠離靶表面,飛向玻璃基片後沉積在上面。電離出的氬離子加速飛向靶材,並以高能量轟擊靶面,產生濺射,其中靶原子或分子也沉積在玻璃基片上,形成了薄膜,這是物理氣相沉積現象。

此處需要注意一個細節:鍍膜玻璃在追求節能的同時也要符合一定的美觀性,因此靶材需要在玻璃基片表面來回移動,所涂鍍的膜層才可均勻且有一定的厚度,這種方法叫做離線真空磁控濺射,是一種新穎的材料合成與加工的新技術。

由於是採用真空磁控濺射工藝和設備在玻璃板上鍍Low-E膜,膜層與玻璃板表面之間是分子鍵,膜層與玻璃表面之間的牢固度較低,膜層本身較“軟”,易劃傷、磨傷,銀膜長時間暴露在空氣中還易氧化、變性,因此離線Low-E玻璃膜也俗稱“軟膜”。

由於其“軟膜”的特性,因此離線Low-E玻璃不能裸用,即不能單獨使用。那該如何應對呢?通常要將Low-E玻璃製作成中空玻璃,且Low-E膜位於中空玻璃空氣腔中,以保護Low-E膜不被劃傷、磨傷。並且要在兩塊玻璃中間充入乾燥的惰性氣體(通常是Ar氬氣),這樣不僅能保護Low-E膜層不被氧化,還可以降低中空玻璃的傳熱系數U值,增加中空玻璃的隔熱性。

化學氣相沉積工藝
化學氣相沉積技術原理示意圖
化學氣相沉積技術原理示意圖

化學氣相沉積是一種化工技術,該技術主要是利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質、在襯底表面上進行化學反應生成薄膜的方法。大致包含三步:

a. 形成揮發性物質 ;

b. 把上述物質轉移至沉積區域 ;

c. 在固體上產生化學反應並產生固態物質 。

線上Low-E膜層與玻璃板表面之間是化學鍵,膜層與玻璃表面之間的牢固度較高,膜層本身非常“硬”,不易劃傷、磨傷,膜層長時間暴露在空氣中也沒有氧化、變性問題,因此線上Low-E玻璃膜也俗稱“硬膜”。線上Low-E玻璃能裸用,即可單獨使用。

因為真空磁控濺射工藝(離線Low-E)玻璃的傳熱系數比化學氣相沉積工藝(線上Low-E)玻璃的效果好一點,所以目前市場上真空磁控濺射工藝(離線Low-E)玻璃要更多一些。

分類

根據不同標準,我們瞭解下Low-E玻璃的常見分類。

1)按機能層數:

單銀Low-E鍍膜玻璃通常只含有一層機能層(銀層),加上其他的金屬及化合物層,膜層總數達到5層;

雙銀Low-E鍍膜玻璃具有兩層機能層(銀層),加上其他的金屬及化合物層,膜層總數達到9層。然而,雙銀Low-E玻璃的技術工藝控制難度比單銀大的多;

三銀Low-E鍍膜玻璃具有三層機能層(銀層),加上其他的金屬及化合物層,膜層總數達到13層以上。

Low-E膜的主要機能層是銀層,銀是自然界中輻射率最低的物質之一,在玻璃表面上鍍上一層奈米級別的銀層,可以使玻璃的輻射率從0.84降低至0.02-0.12。這層鍍膜層具有對可見光高透過及對中遠紅外線高反射的特性,進而將太陽光過濾成冷光源,既滿足自然採光要求,又能確保舒適的室溫。

2)按透光率:

高透型:透光率70%以上,能讓大量的可見光進入室內。中國北方用於冬季保暖的Low-E玻璃一般都是高透型Low-E玻璃,既可以保暖,又能滿足自然採光需求;

中透型:透光率50%-70%,對可見光有較強的阻擋作用;

低透型:透光率50%以下,對可見光有很強的阻擋作用。中低透型Low-E玻璃適合日照比較強的地方,在滿足正常採光需求的同時,光 線又不會太刺眼;

3)按遮陽系數(Sc)

遮陽系數是指玻璃遮擋太陽光能力的系數。遮陽系數Sc值越高,透過玻璃進入室內的太陽能輻射就越多,適合冬季漫長的北方地區;遮陽系數Sc值越低,對太陽直接輻射的阻擋效果就越好,可減少進入室內的太陽直接輻射能,適合夏季漫長的南方地區;

4)按傳熱系數(U)

傳熱系數U值表示在穩定狀態下,玻璃內外表面在單位時間與溫差內採取一平方公尺的熱量。在相同的室內外溫差下,U值低意味著玻璃因溫差傳熱而傳遞的熱能少,玻璃保溫性能好,適合冬季室內保溫需求高的地區;

5)以上類型的組合。

如:單銀高透型Low-E玻璃,兼備了單銀型和高透型Low-E玻璃的優點。

Low-E玻璃在建築節能中的應用

現在就而言說大家最關心的問題:Low-E玻璃在建築中的實際應用。

Low-E玻璃是如何在不同地區發揮作用的呢?

1)高緯度寒冷地區

美國的阿拉斯加、加拿大、中國東北地區,這些地區冬季時間較長,且冬季氣溫極低,白天光照時間短,光照強度弱。高透型 Low- E 玻璃由於透光率較好,可以最大程度的利用自然光。同時在Low-E玻璃的內層放置鍍膜面,進而達到較好的保溫效果。

應用原理:室內溫度高於室外,遠紅外熱輻射主要來自室內,Low-E玻璃可將其反射回室內進而保持室內的熱量不外洩。對來自室外的部分太陽能輻射,Low-E玻璃仍能允許其進入室內,這部分能量被室內物體吸收後又轉變成遠紅外熱輻射而被留在室內。

2)夏熱冬暖地區

在東南亞大多屬於夏熱冬暖地區,夏天升溫快,冬季對暖氣需求相比於北方地區更低。在這些地區可以使用單銀型或雙銀型 Low-E 玻璃,這樣外面的熱量就難以進入室內,降低了空調冷卻所要消耗的能源。

應用原理:室外溫度高於室內,遠紅外熱輻射主要來自室外,Low-E玻璃可將太陽光中的中遠紅外線反射回去,只讓可見光採取,使太陽光變成冷光源,阻止了熱量進入室內,這樣在達到節能目的的同時又能滿足室內的採光需求。

3)夏熱冬冷地區

美國內華達州、中國中部地區。此一地區的氣候特點是四季區分明顯,冬夏溫差較大,氣候條件相對複雜且更加多變。在這些地區可以使用低透遮陽型Low-E玻璃,夏季可以減少玻璃的透光率,阻止室外的熱輻射進入室內,使建築內部的升溫不明顯;冬季,低透型的Low-E玻璃雖然透光率相對較低,但可以滿足正常的採光需求,同時又能阻止室內暖氣及其他熱量傳出室外。

在這種類型的地區既要考量到夏季散熱,同時又必須注意冬季的保暖。採用適當的Low-E玻璃可以在夏季和冬季之間找到平衡,以實現節能效果的最大化和採光需求的雙贏。

Low-E玻璃對節能的貢獻

1)Low-E膜可以減少玻璃兩側因溫差而引起的熱量傳遞(即溫差傳熱);

2)Low-E膜能有效阻隔太陽輻射,進而限制太陽照射透過玻璃的輻射熱能(即輻射傳熱)。

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