Энергосберегающие стеклопакеты с полимерными пленками, отражающими инфракрасные лучи (длинноволновая область спектра). Часть 2
Доктор Рагху Падият, доктор Джейшри Сет, компания «3M» для tybet.ru.
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.
|
Поз. № |
Наименование стеклопакета |
T вид. (%) |
Коэффициент SHGC |
Коэффициент теплопередачи (британская тепловая единица/ч фут2 °F) |
Передача УФ-лучей (%) | |
|
|
Стекло 1 |
Стекло 2 |
|
|
|
|
|
1 |
Прозрачное |
Прозрачное |
80 |
0,71 |
0,47 |
64 |
|
2 |
Теплоотражающее покрытие 178 Cardinal на прозрачном |
Прозрачное 6мм полированное листовое стекло Cardinal |
76 |
0,55 |
0,31 |
20 |
|
3 |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
Прозрачное |
74 |
0,63 |
0,35 |
41 |
|
4 |
Прозрачное |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
74 |
0,66 |
0,35 |
41 |
|
5 |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
Отражающая инфракрасные лучи пленка многослойная для прозрачного |
70 |
0,48 |
0,34 |
0,1 |
|
6 |
Отражающая инфракрасные лучи пленка многослойная для прозрачного 6мм полированного листового стекла PPG на поверхности 2. |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
70 |
0,51 |
0,34 |
0,1 |
|
7 |
Изделие с послепродажным нанесением пленки 3M Prestige 70, многослойная для прозрачного |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
62 |
0,40 |
0,34 |
0,1 |
Таблица 1
Оптические и тепловые характеристики стеклопакетов, покрытых полимерной отражающей инфракрасные лучи пленкой, ламинированной на стекло
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.
|
Поз. № |
Наименование стеклопакета |
T вид. (%) |
SHGC |
Коэффициент теплопередачи (британская тепловая единица/
ч фут2 °F)
|
Передача УФ лучей (%) | ||
|
|
Стекло 1 |
Пленка с суспендированными частицами |
Стекло 2 |
|
|
|
|
|
1 |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
Heat Mirror™ HM88 |
Прозрачное |
66 |
0,5 |
0,31 |
0,1 |
|
2 |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
Полимерная отражающая инфракрасные лучи пленка |
Прозрачное |
66 |
0,46 |
0,32 |
0,1 |
|
3 |
Прозрачное 6-мм полированное листовое стекло Cardinal |
Прозрачная пленка PET 50 микрон |
Пиролитическое теплоотражающее покрытие PPG Sungate® 500 на прозрачном |
69 |
0,61 |
0,32 |
0,2 |
Таблица 2
Оптические и тепловые характеристики стеклопакетов, покрытых полимерной отражающей инфракрасные лучи пленкой в двухкамерной конфигурации со свободно подвешенной пленкой
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.
