現有的各類常規中空玻璃,在生產過程中一旦完成后,如透光率及遮陽系數等有關性能指標基本上是固定不變的。將這些屬于靜態控制性能的常規中空玻璃,作為建筑用門窗或幕墻玻璃去面對千變萬化的自然環境,會有很多不足之處。
    為更好地解決這些問題,有三種發展方向:一是在中空玻璃門窗的內外兩側另加各種附屬物用于節能或調光,如室外遮陽板和遮陽簾以及各式各樣的室內窗簾。二是在中空玻璃內加入各種可調窗簾,如百葉簾和百折簾等。三是將具有可調性能的功能玻璃,如光致變色、熱致變色、電致變色玻璃制成中空玻璃。
    從目前的市場狀況來看,第一種方式已有非常久遠的使用歷史,并獲得了廣泛的應用,盡管這些結構的特點很多,但已開始越來越難滿足現代生活的需要。第二種方式由于是非標準結構狀態,造價高,可靠性低,市場推廣和接受有限。第三種方式可以說是建筑玻璃的發展方向,但至少在當前由于造價等原因而無法推廣應用。
    磁控卷膜式中空玻璃是一款具有“全新功能的中空玻璃”產品。其基本結構屬于第二種形式,功能正好介于第二種和第三種之間,既保留兩者的優點又能較好地避免它們的不足,具有較高的性價比,有希望在當前和今后一段時間內成為中空玻璃節能和調光的主要發展形式。
    磁控卷膜式中空玻璃的基本結構及控制形式
    磁控卷膜式中空玻璃主要由常規中空玻璃和磁控卷膜組件(主要包括:磁性非接觸式傳動控制結構、薄膜卷放驅動機構、各種用聚酯為基材的選擇性透光功能薄膜)兩部分組成。
    將組裝好的磁控卷膜組件封入常規中空玻璃內部,在常規中空玻璃外部通過磁性非接觸傳動系統輸入動力,驅動常規中空玻璃內部具有不同選擇性透光功能的薄膜的展開或收攏,以此來達到控制常規中空玻璃的隔熱或調光功能的目的。
    下圖為磁控卷膜式中空玻璃的工作原理圖。
    工作時,當通過拉動常規中空玻璃外部的拉鏈或用電機帶動常規中空玻璃外部的外磁性體旋轉時,經過磁力非接觸傳動系統,直接帶動密封在常規中空玻璃內部的內磁體旋轉,同時帶動固定在內磁體外部的卷軸轉動,進而達到收攏或展開卷膜的目的。
    磁控卷膜組件,主要是針對現有的常規中空玻璃設計,在不改變現有的常規中空玻璃生產工藝、不改變現有常規中空玻璃的內外尺寸、不改變安裝固定現有常規中空玻璃型材的尺寸和不增加常規中空玻璃在隔熱、透光、視線遮蔽性等方面的調節范圍。
    磁控卷膜組件結構簡單,可以裝入內部間隙大于6毫米的各種矩形平面常規中空玻璃內,由于受到常規中空玻璃內部間隙的限制,卷膜在常規中空玻璃內的展開長度,主要受磁控卷膜組件中的卷膜厚度、卷軸直徑、卷軸內磁性體直徑的限制。
    由于在磁控卷膜式中空玻璃中還采用了磁懸浮技術,從而保證了細長的卷軸在工作時的平直狀態,保證了大尺寸常規中空玻璃的需要。
    在磁控卷膜式中空玻璃的多項關鍵結構中,經國內外專利檢索和市場調查,未發現同類產品或結構,目前這些技術或基本結構均已申請了中國發明專利并已獲批準,有些還申請了美國和歐洲專利,其中美國專利已公布。
    當外磁性件采用電機驅動時,通過不同的控制方式,可輕易地實現各種遙控、群控和智能化控制,可較好地滿足現代建筑對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為基材制作,具有優良的抗老化性能。同時,所有動力來源都是在常規中空玻璃外,通過磁場驅動常規中空玻璃內轉軸轉動,無任何中間傳動件,使系統具有很好的互換性和極高的可靠性。
    由于此產品無國家標準或其他相關的標準,為保證磁控卷膜式中空玻璃產品的生產和質量,由萊格那斯公司負責制定的《中空玻璃用磁控卷膜》產品生產和檢驗標準,經南寧市質量技術監督局正式批準,作為企業標準實施。
    我們將生產的磁控卷膜式中空玻璃樣品交廣西產品質量監督檢驗所檢測,在連續卷放10萬次后卷膜及整個磁性非接觸式傳動機構無任何故障或損壞。如果平均每天卷膜循環按三次計,折算可工作一百年無損壞,其工作壽命遠大于現有任何中空玻璃的密封工作壽命。
    磁控卷膜式中空玻璃的相關性能分析
    在做以下分析時,先假定兩個基本條件:
    (1)、裝有磁控卷膜組件的中空玻璃與常規中空玻璃的生產工藝和技術要求完全相同。
    (2)、裝有磁控卷膜組件的中空玻璃,與常規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狀態時的性能分析
    磁控卷膜式中空玻璃的工作狀態,大致可分為三種極端狀態:(1)卷膜全收卷。(2)卷膜全展開。(3)卷膜處于半展開狀態。
    在第一種狀態,卷膜全收卷。可以認為其相關的隔熱性能,與常規中空玻璃完全相同。
    在第二種卷膜全展開狀態,與在常規中空玻璃內的兩塊玻璃間隙之間加上了一層固定膜的中空玻璃基本相同。如美國Southwall技術公司生產一種名稱為HeatMirror的薄膜,用來夾在中空玻璃之間。據該公司公布的測試數據表明,在各種玻璃制作的中空玻璃中,分別夾入不同型號的薄膜時,在夾入薄膜的前后整塊中空玻璃的相關數據如透射率、反射率、玻璃的U值、遮陽系數、紫外線透過率等均有很大的改變,證明了通過在中空玻璃中間加上一層薄膜可有效改變整塊中空玻璃的基本性能。
    在阻隔熱對流和傳導方面,由于展開卷膜的周邊與中空玻璃內空間有一定的間隙,有溫度差時會產生一定的對流熱損失,故在這方面的性能要低于內夾固定膜形成兩個封閉空間的中空玻璃,但會優于常規中空玻璃。
    在第三種狀態,卷膜處于中間狀態。對于整塊常規中空玻璃,未被卷膜遮住的部分隔熱性能與常規中空玻璃相同,被卷膜遮住的部分在阻隔熱輻射方面與固定夾膜中空玻璃相同,但在阻隔熱對流傳導方面,可認為基本上與常規中空玻璃相同。
    2、各種卷膜材料與各種常規中空玻璃組合時的性能分析
    各種卷膜材料與各種常規中空玻璃的組合形式見表2。
    對以上這些組合的實際效果,分別進行討論如下。
    (1)、透明中空玻璃+不同卷膜
    這類組合的特點是:可用造價較低的透明中空玻璃,裝入不同的卷膜后使其具有較強的隔熱或調光效果。在卷膜收卷或全展開時對太陽能有明顯的雙向調節作用。
    (1-1)卷膜為亞光膜
    亞光膜的特點是透光不透明,在阻隔熱輻射方面作用不大,但在阻隔視線保護隱私方面效果很好。
    (1-2)卷膜為熱反射膜
    熱反射的特點是遮陽系數較小,造價也較低,夏季展開卷膜遮陽,冬季收攏卷膜透射陽光取暖,具有較好的全年綜合節能效果。
    (1-3)卷膜為吸熱膜(顏色膜)
    這種卷膜的顏色種類和色彩深度,可以有很大的選擇余地,因而在遮陽系數和透光率方面也有相當大的范圍變化,可根據使用者的不同要求做具體設計。
    (1-4)卷膜為Low-E膜
    這是一種相當理想的組合,因為它可以具有較好的采光和隔熱的兼容性。在冬季有陽光時卷膜收攏,可透過大部分太陽熱輻射;無陽光時將卷膜展開又可防止室內長波熱輻射散失。在夏季有陽光時將卷膜展開,可阻隔大部分熱輻射進入室內;在晚上,當室內氣溫高于室外時又可收攏卷膜使室內的熱輻射散失。其全年綜合節能效果優于熱反射膜,具有十分明顯的雙向節能和調光的功能。
    (2)、熱反射中空玻璃+不同卷膜
    這類組合的特點是:由于熱反射玻璃本身都具有較低的透光率和遮陽系數,再加上熱反射膜或吸熱膜的意義不大,加上其他膜后的調節效果不太明顯。
    (2-1)卷膜為亞光膜
    展開后最主要的作用是阻隔視線。
    (2-2)卷膜為Low-E膜
    展開后能進一步提高整個玻璃的隔熱效果。
    (3)、吸熱中空玻璃+不同卷膜
    這類組合的特點,與上述熱反射中空玻璃+不同卷膜組合的效果類似。
    (4)、Low-E中空玻璃+不同卷膜
    這類組合的特點是:利用Low-E中空玻璃的特點,配上不同功能的卷膜,能進一步提升Low-E中空玻璃的相關功能,是一類非常值得推廣的組合方式。
    (4-1)卷膜為亞光膜
    Low-E中空玻璃的特點是透光率較高,展開亞光膜后能減低透光率,使直射光變為漫射光,并能阻隔視線,是一種相當理想的組合方式。
    (4-2)卷膜為熱反射膜
    目前,由Low-E鍍膜玻璃和熱反射鍍膜玻璃制成的中空玻璃,已經有較好的應用實例,它既能極好地遮避太陽的輻射熱,又有極低的傳熱系數,是一種比較現實的組合。當用熱反射膜取代熱反射鍍膜玻璃與Low-E鍍膜玻璃組合成中空玻璃也是一種可行的組合。
    (4-3)卷膜為吸熱膜(顏色膜)
    這種組合在一些有特殊需要的場合還是有一定的用途,例如有很多需要在白天也要保持黑暗的場合,采用這種卷膜實際上就是一層遮光窗簾,由于外面的熱輻射先被Low-E膜阻隔了,因此就是采用黑色膜也不會有過熱的問題。
    (4-4)卷膜為另一種Low-E膜
    這種組合可以在中空玻璃的外側內表面鍍上冬季性Low-E鍍膜,在卷膜鍍上遮陽性Low-E鍍膜,成為不管在冬天或夏天都能適用的全能型Low-E中空玻璃。
    由上述分析可以看出:各種卷膜材料與各種常規中空玻璃的組合多種多樣。在具體使用中,要根據所處環境來選擇。
    具體應用的設計特點和使用方式
    建筑玻璃一般在提供視覺通透或采光的同時,還應具備調節傳入或傳出建筑物的輻射能量的功能,以達到在消耗盡可能低的能量情況下獲得舒適的室內熱環境,同時還要兼顧外觀、造價等多種因素,這也是設計采用建筑玻璃的一些基本原則。
    從隔熱節能的角度看,根據我國《民用建筑熱工設計規范》(GB50176-93)將全國劃分為5個建筑熱工設計區,既嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和暖和地區。在這些不同的地區的氣候變化加上具體建筑不同的朝向,對門窗玻璃的隔熱要求千差萬別,如果采用靜態控制性能的常規中空玻璃,顯然很難同時滿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,充分利用卷膜的動態調節功能,將能獲得較好的隔熱節能效果。
    在嚴寒和寒冷地區,其共同的特點是冬季較長,氣溫年較差較大,太陽輻射量大,在這些地區的建筑采暖能耗高,對常規中空玻璃主要有兩點幾乎是矛盾的要求:(1)、讓盡可能多的太陽熱輻射進入室內,(2)、有效防止室內的熱量通過輻射散失到室外。為同時滿足以上要求,建議使用普通透明中空玻璃內加Low-E膜或熱反射膜這類結構為主。有陽光時卷膜收攏,使普通透明中空玻璃透過大部分熱輻射,無陽光時展開卷膜,可有效防止室內長波熱輻射散失。
     在夏熱冬冷地區,特點是夏天熱、冬天冷地區,隨著生活水平的提高,在建筑能耗方面,制冷的成本高于采暖成本。相應地,常規中空玻璃使用應當是對太陽輻射透射和遮陽兼顧,突出遮陽功能。在選用磁控卷膜式中空玻璃時,應當結合當地的實際氣候情況和建筑的具體朝向進行選用,此時透明中空玻璃配Low-E膜或熱反射膜、Low-E中空玻璃配Low-E膜或熱反射膜等組合,都是較好的選擇方式。
    例如,以北京地區為例,通過模擬計算,證明了常規中空玻璃的遮陽系數的大小對建筑全年的總能耗有很大的影響。當遮陽系數大時,冬季耗能減少但夏季耗能增高,導致全年的總耗能增大。在這一環境中,如果采用低遮陽系數的磁控卷膜式中空玻璃,通過動態調節控制、改變遮陽系數,可比采用靜態控制功能的常規中空玻璃時獲得明顯的全年綜合節能效果。
    在夏熱冬暖地區,特點是高溫時間長,太陽輻射強烈的地區,建筑能耗以制冷為主,建筑玻璃也應以遮陽為主要功能。在這一地區建議使用Low-E中空玻璃配上各種功能卷膜,可在同時兼顧節能和采光的要求下獲得較好的效果。
    例如,在大部分南方炎熱地區,可采用高透光型陽光控制Low-E中空玻璃配亞光卷膜作為門窗或幕墻玻璃,整個Low-E中空玻璃的透光率為70%,亞光膜的透光率為75%。在有陽光直射時,展開卷膜,可見光透過率可降到50%左右,同時直射光線變為漫射光,具有合適的采光和視覺舒適度。逢陰天下雨無陽光直射時,將卷膜收攏,可獲得足夠的采光度。此外,亞光卷膜的特點為透光不透明,無論白天黑夜,都具有很好的阻隔視線效果,同時不破壞和影響幕墻玻璃的外觀裝飾性。這種組合應當是一種很值得推廣的方式。
    從采光和阻隔視線來看,磁控卷膜式中空玻璃對現代建筑的另一個重要貢獻,是提供了更多舒適性選擇。以室內采光為例,面對自然界中一年四季、一天二十四小時的氣候和光照變化,現有各種靜態控制功能的常規中空玻璃的適應范圍相當窄小。為克服這些缺陷,只好通過在室內外加裝各種可調窗簾等裝置來補充。而磁控卷膜式中空玻璃具有兩種極端狀態(卷膜全收攏和全展開)和多種中間狀態,對采光有較大的適應調節范圍。
    當磁控卷膜式中空玻璃作為門窗玻璃使用時,通過對常規中空玻璃和卷膜的不同選擇,在兼顧建筑節能要求的情況下,在控制室外視線遮蔽性方面可以有較多的解決方式。例如,卷膜可以采用單反射膜或透光率小于30%的熱反射膜、吸熱膜(顏色膜)、亞光膜、各種圖案膜等,在展開后均能較好滿足室外視線遮蔽性的要求。從有關使用性能和效果來看,磁控卷膜式中空玻璃可以在相當程度上取消內外遮陽裝置,特別是室內的各種窗簾。
    當磁控卷膜式中空玻璃作為幕墻玻璃使用時,對幕墻玻璃而言室外觀感是第一位的,應在不影響外觀感的前提下突出視線遮蔽性和隔熱性。這時可采用淡灰色磨砂狀或其他類似的卷膜,以提高視線遮蔽性和提高幕墻玻璃外觀感的一致性。
    磁控卷膜式中空玻璃的卷膜是在中空玻璃內部平整展開,與普通掛在玻璃外部的窗簾相比其外觀效果要更好一些,同時免除了外部窗簾清潔的麻煩,非常適用于醫院、學校、食品工廠等一些衛生要求較高的公共場所。
    磁控卷膜式中空玻璃本身除具有結構簡單、可靠性高、抗老化性強、經久耐用的特點外,與常規中空玻璃相比,最突出的是它的手動或電動雙向動態調節功能,具有很好的隔熱節能、采光、阻隔視線特性,為現代建筑和用戶在建筑玻璃的使用和選擇上提供了更廣闊的空間。