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现有的各类常规中空玻璃,在生产过程中一旦完成后,如透光率及遮阳系数等有关性能指标基本上是固定不变的。将这些属于静态控制性能的常规中空玻璃,作为建筑用门窗或幕墙玻璃去面对千变万化的自然环境,会有很多不足之处。
为更好地解决这些问题,有三种发展方向:一是在中空玻璃门窗的内外两侧另加各种附属物用于节能或调光,如室外遮阳板和遮阳帘以及各式各样的室内窗帘。二是在中空玻璃内加入各种可调窗帘,如百叶帘和百折帘等。三是将具有可调性能的功能玻璃,如光致变色、热致变色、电致变色玻璃制成中空玻璃。
从目前的市场状况来看,第一种方式已有非常久远的使用历史,并获得了广泛的应用,尽管这些结构的特点很多,但已开始越来越难满足现代生活的需要。第二种方式由于是非标准结构状态,造价高,可靠性低,市场推广和接受有限。第三种方式可以说是建筑玻璃的发展方向,但至少在当前由于造价等原因而无法推广应用。
磁控卷膜式中空玻璃是一款具有“全新功能的中空玻璃”产品。其基本结构属于第二种形式,功能正好介于第二种和第三种之间,既保留两者的优点又能较好地避免它们的不足,具有较高的性价比,有希望在当前和今后一段时间内成为中空玻璃节能和调光的主要发展形式。
磁控卷膜式中空玻璃的基本结构及控制形式
磁控卷膜式中空玻璃主要由常规中空玻璃和磁控卷膜组件(主要包括:磁性非接触式传动控制结构、薄膜卷放驱动机构、各种用聚酯为基材的选择性透光功能薄膜)两部分组成。
将组装好的磁控卷膜组件封入常规中空玻璃内部,在常规中空玻璃外部通过磁性非接触传动系统输入动力,驱动常规中空玻璃内部具有不同选择性透光功能的薄膜的展开或收拢,以此来达到控制常规中空玻璃的隔热或调光功能的目的。
下图为磁控卷膜式中空玻璃的工作原理图。
工作时,当通过拉动常规中空玻璃外部的拉链或用电机带动常规中空玻璃外部的外磁性体旋转时,经过磁力非接触传动系统,直接带动密封在常规中空玻璃内部的内磁体旋转,同时带动固定在内磁体外部的卷轴转动,进而达到收拢或展开卷膜的目的。
磁控卷膜组件,主要是针对现有的常规中空玻璃设计,在不改变现有的常规中空玻璃生产工艺、不改变现有常规中空玻璃的内外尺寸、不改变安装固定现有常规中空玻璃型材的尺寸和不增加常规中空玻璃在隔热、透光、视线遮蔽性等方面的调节范围。
磁控卷膜组件结构简单,可以装入内部间隙大于6毫米的各种矩形平面常规中空玻璃内,由于受到常规中空玻璃内部间隙的限制,卷膜在常规中空玻璃内的展开长度,主要受磁控卷膜组件中的卷膜厚度、卷轴直径、卷轴内磁性体直径的限制。
由于在磁控卷膜式中空玻璃中还采用了磁悬浮技术,从而保证了细长的卷轴在工作时的平直状态,保证了大尺寸常规中空玻璃的需要。
在磁控卷膜式中空玻璃的多项关键结构中,经国内外专利检索和市场调查,未发现同类产品或结构,目前这些技术或基本结构均已申请了中国发明专利并已获批准,有些还申请了美国和欧洲专利,其中美国专利已公布。
当外磁性件采用电机驱动时,通过不同的控制方式,可轻易地实现各种遥控、群控和智能化控制,可较好地满足现代建筑对建筑玻璃在智能化方面的基本要求。
此外,由于卷膜采用聚酯薄膜为基材制作,具有优良的抗老化性能。同时,所有动力来源都是在常规中空玻璃外,通过磁场驱动常规中空玻璃内转轴转动,无任何中间传动件,使系统具有很好的互换性和极高的可靠性。
由于此产品无国家标准或其他相关的标准,为保证磁控卷膜式中空玻璃产品的生产和质量,由莱格那斯公司负责制定的《中空玻璃用磁控卷膜》产品生产和检验标准,经南宁市质量技术监督局正式批准,作为企业标准实施。
我们将生产的磁控卷膜式中空玻璃样品交广西产品质量监督检验所检测,在连续卷放10万次后卷膜及整个磁性非接触式传动机构无任何故障或损坏。如果平均每天卷膜循环按三次计,折算可工作一百年无损坏,其工作寿命远大于现有任何中空玻璃的密封工作寿命。
磁控卷膜式中空玻璃的相关性能分析
在做以下分析时,先假定两个基本条件:
(1)、装有磁控卷膜组件的中空玻璃与常规中空玻璃的生产工艺和技术要求完全相同。
(2)、装有磁控卷膜组件的中空玻璃,与常规的中空玻璃所用玻璃材料完全相同。
1、磁控卷膜式中空玻璃在不同工作状态时的性能分析
磁控卷膜式中空玻璃的工作状态,大致可分为三种极端状态:(1)卷膜全收卷。(2)卷膜全展开。 (3)卷膜处于半展开状态。
在第一种状态,卷膜全收卷。可以认为其相关的隔热性能,与常规中空玻璃完全相同。
在第二种卷膜全展开状态,与在常规中空玻璃内的两块玻璃间隙之间加上了一层固定膜的中空玻璃基本相同。如美国Southwall技术公司生产一种名称为HeatMirror的薄膜,用来夹在中空玻璃之间。据该公司公布的测试数据表明,在各种玻璃制作的中空玻璃中,分别夹入不同型号的薄膜时,在夹入薄膜的前后整块中空玻璃的相关数据如透射率、反射率、玻璃的U值、遮阳系数、紫外线透过率等均有很大的改变,证明了通过在中空玻璃中间加上一层薄膜可有效改变整块中空玻璃的基本性能。
在阻隔热对流和传导方面,由于展开卷膜的周边与中空玻璃内空间有一定的间隙,有温度差时会产生一定的对流热损失,故在这方面的性能要低于内夹固定膜形成两个封闭空间的中空玻璃,但会优于常规中空玻璃。
在第三种状态,卷膜处于中间状态。对于整块常规中空玻璃,未被卷膜遮住的部分隔热性能与常规中空玻璃相同,被卷膜遮住的部分在阻隔热辐射方面与固定夹膜中空玻璃相同,但在阻隔热对流传导方面,可认为基本上与常规中空玻璃相同。
2、各种卷膜材料与各种常规中空玻璃组合时的性能分析
各种卷膜材料与各种常规中空玻璃的组合形式见表2。
对以上这些组合的实际效果,分别进行讨论如下。
(1)、透明中空玻璃+不同卷膜
这类组合的特点是:可用造价较低的透明中空玻璃,装入不同的卷膜后使其具有较强的隔热或调光效果。在卷膜收卷或全展开时对太阳能有明显的双向调节作用。
(1-1)卷膜为亚光膜
亚光膜的特点是透光不透明,在阻隔热辐射方面作用不大,但在阻隔视线保护隐私方面效果很好。
(1-2)卷膜为热反射膜
热反射的特点是遮阳系数较小,造价也较低,夏季展开卷膜遮阳,冬季收拢卷膜透射阳光取暖,具有较好的全年综合节能效果。
(1-3)卷膜为吸热膜(颜色膜)
这种卷膜的颜色种类和色彩深度,可以有很大的选择余地,因而在遮阳系数和透光率方面也有相当大的范围变化,可根据使用者的不同要求做具体设计。
(1-4)卷膜为Low-E膜
这是一种相当理想的组合,因为它可以具有较好的采光和隔热的兼容性。在冬季有阳光时卷膜收拢,可透过大部分太阳热辐射;无阳光时将卷膜展开又可防止室内长波热辐射散失。在夏季有阳光时将卷膜展开,可阻隔大部分热辐射进入室内;在晚上,当室内气温高于室外时又可收拢卷膜使室内的热辐射散失。其全年综合节能效果优于热反射膜,具有十分明显的双向节能和调光的功能。
(2)、热反射中空玻璃+不同卷膜
这类组合的特点是:由于热反射玻璃本身都具有较低的透光率和遮阳系数,再加上热反射膜或吸热膜的意义不大,加上其他膜后的调节效果不太明显。
(2-1)卷膜为亚光膜
展开后最主要的作用是阻隔视线。
(2-2)卷膜为Low-E膜
展开后能进一步提高整个玻璃的隔热效果。
(3)、吸热中空玻璃+不同卷膜
这类组合的特点,与上述热反射中空玻璃+不同卷膜组合的效果类似。
(4)、Low-E中空玻璃+不同卷膜
这类组合的特点是:利用Low-E中空玻璃的特点,配上不同功能的卷膜,能进一步提升Low-E中空玻璃的相关功能,是一类非常值得推广的组合方式。
(4-1)卷膜为亚光膜
Low-E中空玻璃的特点是透光率较高,展开亚光膜后能减低透光率,使直射光变为漫射光,并能阻隔视线,是一种相当理想的组合方式。
(4-2)卷膜为热反射膜
目前,由Low-E镀膜玻璃和热反射镀膜玻璃制成的中空玻璃,已经有较好的应用实例,它既能极好地遮避太阳的辐射热,又有极低的传热系数,是一种比较现实的组合。当用热反射膜取代热反射镀膜玻璃与Low-E镀膜玻璃组合成中空玻璃也是一种可行的组合。
(4-3)卷膜为吸热膜(颜色膜)
这种组合在一些有特殊需要的场合还是有一定的用途,例如有很多需要在白天也要保持黑暗的场合,采用这种卷膜实际上就是一层遮光窗帘,由于外面的热辐射先被Low-E膜阻隔了,因此就是采用黑色膜也不会有过热的问题。
(4-4)卷膜为另一种Low-E膜
这种组合可以在中空玻璃的外侧内表面镀上冬季性Low-E镀膜,在卷膜镀上遮阳性Low-E镀膜,成为不管在冬天或夏天都能适用的全能型Low-E中空玻璃。
由上述分析可以看出:各种卷膜材料与各种常规中空玻璃的组合多种多样。在具体使用中,要根据所处环境来选择。
具体应用的设计特点和使用方式
建筑玻璃一般在提供视觉通透或采光的同时,还应具备调节传入或传出建筑物的辐射能量的功能,以达到在消耗尽可能低的能量情况下获得舒适的室内热环境,同时还要兼顾外观、造价等多种因素,这也是设计采用建筑玻璃的一些基本原则。
从隔热节能的角度看,根据我国《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)将全国划分为5个建筑热工设计区,既严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和暖和地区。在这些不同的地区的气候变化加上具体建筑不同的朝向,对门窗玻璃的隔热要求千差万别,如果采用静态控制性能的常规中空玻璃,显然很难同时满足一些甚至是相互矛盾的要求。但如果采用磁控卷膜式中空玻璃,充分利用卷膜的动态调节功能,将能获得较好的隔热节能效果。
在严寒和寒冷地区,其共同的特点是冬季较长,气温年较差较大,太阳辐射量大,在这些地区的建筑采暖能耗高,对常规中空玻璃主要有两点几乎是矛盾的要求:(1)、让尽可能多的太阳热辐射进入室内,(2)、有效防止室内的热量通过辐射散失到室外。为同时满足以上要求,建议使用普通透明中空玻璃内加Low-E膜或热反射膜这类结构为主。有阳光时卷膜收拢,使普通透明中空玻璃透过大部分热辐射,无阳光时展开卷膜,可有效防止室内长波热辐射散失。
在夏热冬冷地区,特点是夏天热、冬天冷地区,随着生活水平的提高,在建筑能耗方面,制冷的成本高于采暖成本。相应地,常规中空玻璃使用应当是对太阳辐射透射和遮阳兼顾,突出遮阳功能。在选用磁控卷膜式中空玻璃时,应当结合当地的实际气候情况和建筑的具体朝向进行选用,此时透明中空玻璃配Low-E膜或热反射膜、Low-E中空玻璃配Low-E膜或热反射膜等组合,都是较好的选择方式。
例如,以北京地区为例,通过模拟计算,证明了常规中空玻璃的遮阳系数的大小对建筑全年的总能耗有很大的影响。当遮阳系数大时,冬季耗能减少但夏季耗能增高,导致全年的总耗能增大。在这一环境中,如果采用低遮阳系数的磁控卷膜式中空玻璃,通过动态调节控制、改变遮阳系数,可比采用静态控制功能的常规中空玻璃时获得明显的全年综合节能效果。
在夏热冬暖地区,特点是高温时间长,太阳辐射强烈的地区,建筑能耗以制冷为主,建筑玻璃也应以遮阳为主要功能。在这一地区建议使用Low-E中空玻璃配上各种功能卷膜,可在同时兼顾节能和采光的要求下获得较好的效果。
例如,在大部分南方炎热地区,可采用高透光型阳光控制Low-E中空玻璃配亚光卷膜作为门窗或幕墙玻璃,整个Low-E中空玻璃的透光率为70%,亚光膜的透光率为75%。在有阳光直射时,展开卷膜,可见光透过率可降到50%左右,同时直射光线变为漫射光,具有合适的采光和视觉舒适度。逢阴天下雨无阳光直射时,将卷膜收拢,可获得足够的采光度。此外,亚光卷膜的特点为透光不透明,无论白天黑夜,都具有很好的阻隔视线效果,同时不破坏和影响幕墙玻璃的外观装饰性。这种组合应当是一种很值得推广的方式。
从采光和阻隔视线来看,磁控卷膜式中空玻璃对现代建筑的另一个重要贡献,是提供了更多舒适性选择。以室内采光为例,面对自然界中一年四季、一天二十四小时的气候和光照变化,现有各种静态控制功能的常规中空玻璃的适应范围相当窄小。为克服这些缺陷,只好通过在室内外加装各种可调窗帘等装置来补充。而磁控卷膜式中空玻璃具有两种极端状态(卷膜全收拢和全展开)和多种中间状态,对采光有较大的适应调节范围。
当磁控卷膜式中空玻璃作为门窗玻璃使用时,通过对常规中空玻璃和卷膜的不同选择,在兼顾建筑节能要求的情况下,在控制室外视线遮蔽性方面可以有较多的解决方式。例如,卷膜可以采用单反射膜或透光率小于30%的热反射膜、吸热膜(颜色膜)、亚光膜、各种图案膜等,在展开后均能较好满足室外视线遮蔽性的要求。从有关使用性能和效果来看,磁控卷膜式中空玻璃可以在相当程度上取消内外遮阳装置,特别是室内的各种窗帘。
当磁控卷膜式中空玻璃作为幕墙玻璃使用时,对幕墙玻璃而言室外观感是第一位的,应在不影响外观感的前提下突出视线遮蔽性和隔热性。这时可采用淡灰色磨砂状或其他类似的卷膜,以提高视线遮蔽性和提高幕墙玻璃外观感的一致性。
磁控卷膜式中空玻璃的卷膜是在中空玻璃内部平整展开,与普通挂在玻璃外部的窗帘相比其外观效果要更好一些,同时免除了外部窗帘清洁的麻烦,非常适用于医院、学校、食品工厂等一些卫生要求较高的公共场所。
磁控卷膜式中空玻璃本身除具有结构简单、可靠性高、抗老化性强、经久耐用的特点外,与常规中空玻璃相比,最突出的是它的手动或电动双向动态调节功能,具有很好的隔热节能、采光、阻隔视线特性,为现代建筑和用户在建筑玻璃的使用和选择上提供了更广阔的空间。
