Immagini del settore

Introduzione

Con lo sviluppo del risparmio energetico negli edifici, il vetro isolante a tre camere e due vetri è diventato la tipologia di prodotto leader per le finestre esterne degli edifici. Rispetto al tradizionale vetro isolante a camera singola, l‘aumento delle camere migliora le prestazioni di isolamento termico del vetro isolante. Rispetto al valore K del vetro isolante (6+16A+6) di 2,7 (W/mK), il valore K del vetro isolante (6+16A+6+16A+6) raggiunge 1,7 W/mK. Se vengono applicate tecnologie a bassa emissione (Low-E), riempimento con gas inerte, strisce a bordo caldo e altre, come nel caso del vetro isolante (6Low-E+16Ar+6+16Ar+6Low-E), il valore K può raggiungere 0,8 W/mK.

Pur migliorando le prestazioni di isolamento termico di porte e finestre, il vetro isolante a tre strati e due camere aumenta anche il consumo di materiale. In primo luogo, aumenta il peso del vetro, il che a sua volta aumenta la larghezza e lo spessore del profilo e i requisiti di resistenza della ferramenta. Nel caso del vetro isolante a triplo strato e doppia camera, i due vetri esterni svolgono funzioni di supporto e carico. La funzione principale del vetro intermedio è quella di separare la camera, limitare la convezione del calore del gas di riempimento e quindi aumentare lo spessore dello strato isolante, ma deve anche soddisfare determinati requisiti di prestazione meccanica. Per quanto riguarda il vetro intermedio, è facile pensare che vengano utilizzati altri materiali sottili in sostituzione del vetro intermedio esistente da 6 mm, formando così una vetratura a triplo strato sottile.

1 Vetro isolante sottile montato centralmente

2TD

Il vetro inorganico è la principale tipologia di vetro isolante a tre strati e due camere. Il metodo di assottigliamento viene considerato in base ai tre strati di vetro che lo compongono. Il vetro esterno è soggetto al carico del vento e viene assottigliato nel rispetto dei requisiti di prestazione meccanica. Il vetro interno non è direttamente soggetto al carico del vento, quindi viene utilizzato come superficie di appoggio. Poiché la superficie di appoggio richiede comunque requisiti di prestazione meccanica, esiste un certo potenziale di assottigliamento. Il vetro tra interno ed esterno (vetro centrale) non sopporta direttamente il carico del vento, quindi ha il maggior potenziale di assottigliamento. L‘azienda giapponese Lixil ha assottigliato il vetro originale (3+3+3) mm a (3+1,3+3) mm, con un tasso di alleggerimento di circa il 19%; quando l‘assottigliamento è (3+1,3+1,3) mm, il tasso di alleggerimento è di circa il 38%, come mostrato in Figura 1. Il Western Pacific National Laboratory negli Stati Uniti ha sostituito il vetro isolante tradizionale con un vetro isolante sottile ad alta efficienza energetica. È stata condotta una ricerca sull‘effetto di risparmio energetico derivante dalla sostituzione dei vetri esistenti degli edifici. Il vetro isolante sottile è composto da due lastre di vetro da 1/8 di pollice (circa 3,2 mm) con pellicola a bassa emissività e da una lastra di vetro sottile da 1/16 di pollice (circa 16 mm) interposta. I risultati dei test mostrano un risparmio energetico per il sistema HVAC pari a 0,2-18,7 kWh al giorno durante la stagione di riscaldamento (3%-18% di risparmio energetico per persona) e a 2,5-8,0 kWh al giorno durante la stagione di raffreddamento (23%-41% di risparmio energetico), con una riduzione della penetrazione del suono di 8-10 dB. Il Lawrence Berkeley National Laboratory ha inserito uno strato di vetro sottile da 0,7 mm all‘interno di un normale vetro isolante (vetro da 3 mm + vetro basso emissivo da 3 mm) per formare un vetro isolante sottile, come mostrato in Figura 2. Gli studi hanno dimostrato che nei climi dominati dal riscaldamento (come Minneapolis, Minnesota), il potenziale di risparmio energetico del vetro isolante sottile rispetto al tipico vetro per finestre esterne è del 16%, nei climi misti (come Washington, DC), il potenziale di risparmio energetico è del 12% e nei climi dominati dal raffreddamento (come Houston, Texas), il potenziale di risparmio energetico è del 7%. Lo spessore del vetro utilizzato per le finestre esterne nel mio paese è in aumento. Negli anni ‘80, il vetro da 3 mm era la specifica dominante del vetro float nel mio paese. Dopo il 1993, il vetro da 5 mm è diventato il prodotto principale e recentemente il vetro da 6 mm è diventato il prodotto principale. Nel 2013, Wang Xinchun e altri hanno proposto il suggerimento di assottigliare i prodotti in vetro piano. Il consumo annuo pro capite di vetro piano nel mio paese è di 20,7 kg, ovvero 1,25 volte quello dei paesi dell‘UE, il doppio di quello degli Stati Uniti e 2,6 volte la media mondiale. Lo spessore del vetro piano è una delle ragioni dell‘anomalo consumo pro capite di vetro piano nel mio paese. Si stima che se il vetro da 5 mm fosse stato assottigliato a 4 mm nel 2012, si sarebbero potute ridurre di 7,1 milioni di tonnellate la produzione di vetro e di 7,71 milioni di tonnellate il consumo di materie prime, di cui 6,35 milioni di tonnellate di risorse naturali come sabbia silicea e 1.36 milioni di tonnellate di prodotti chimici come il carbonato di sodio. L‘articolo propone di trasformare il modello di sviluppo delle industrie e delle imprese e di migliorare la tecnologia di produzione. Sono stati formulati cinque suggerimenti, tra cui l‘adeguamento della catena industriale al livello tecnico, l‘intensificazione degli sforzi nella ricerca scientifica e l‘avvio, da parte dei dipartimenti competenti, dei lavori per la riduzione dello spessore del vetro piano il prima possibile. Allo stesso tempo, aziende come il Gruppo CSG stanno attivamente sperimentando applicazioni di vetro sottile per finestre esterne.

Attualmente, lo sviluppo del vetro isolante sottile presenta una buona adattabilità. In primo luogo, per adattarsi ai concetti di sviluppo dei "doppi obiettivi di riduzione del carbonio", della produzione verde, degli edifici verdi, ecc., il vetro isolante sottile promuoverà il risparmio energetico, il risparmio di materiali e la riduzione delle emissioni di carbonio nelle filiere del vetro, dei profili, delle porte e finestre, delle facciate continue e dei trasporti. In secondo luogo, il vetro isolante a doppia/multicamera è il prodotto di punta delle strutture di involucro trasparente ad alta efficienza e risparmio energetico del nostro Paese e ha il potenziale per essere ulteriormente assottigliato. In terzo luogo, il vetro isolante sottile centrale ha una solida base industriale, che favorisce la trasformazione e lo sviluppo del settore. In quarto luogo, la produzione di vetro sottile/ultrasottile del nostro Paese fornisce materiali e una solida base industriale. Il vetro fotovoltaico del sistema sodio-calce-silicio e il vetro protettivo possono fornire prodotti di base. La conversione e la produzione di vetro piano assottigliato sono senza pari in termini di tecnologia e produzione. Rispetto ai crogioli di vetro industriale e ai crogioli di vetro architettonico:

2 Vetro isolante con materiale a film centrale

Il vetro isolante con pellicola organica centrale (come mostrato in Figura 3) divide un‘unica camera in due o più camere di vetro isolante. La pellicola organica non funzionale (pellicola bianca) serve solo a separare le camere per limitare la convezione, aumentare lo spessore dello strato isolante e ottenere sottigliezza e leggerezza. La pellicola organica funzionale (pellicola a specchio termico) conferisce funzioni come la bassa emissività e aumenta l‘effetto di risparmio energetico nel controllo della radiazione termica rispetto alla pellicola bianca. Il vetro isolante con pellicola centrale è prodotto dalla società statunitense Southwall Technologies, è stato introdotto nel 1970 ed è utilizzato negli edifici. Il vetro isolante con pellicola a specchio termico ha eccellenti proprietà termiche, e Li Wu e altri hanno condotto ricerche in merito. Il materiale della pellicola centrale è una pellicola termoplastica che si comprime grazie alla termoplasticità quando riscaldata. La posa e l‘installazione del materiale della membrana richiedono l‘intervento manuale, il che aumenta i costi di produzione. He Xueping e altri hanno studiato la progettazione del processo di assemblaggio chiave del sistema di vetro isolante con pellicola centrale. La riduzione del costo dei materiali delle membrane, la realizzazione dell‘installazione automatica delle membrane, la riduzione del grado di intervento manuale e dei relativi costi di lavorazione diventeranno i punti chiave dello sviluppo del materiale centrale per le membrane isolanti del vetro.

3 Vetro isolante composito in vero vetro

Il vetro sottovuoto è un prodotto in vetro costituito da due o più lastre di vetro separate da colonne di supporto. La periferia viene sigillata per formare una cavità, che viene poi evacuata per creare il vuoto. Considerando l‘equilibrio tra trasferimento di calore e resistenza delle colonne di supporto, il loro numero e la loro area devono essere ridotti al minimo. Pertanto, si selezionano colonne di supporto di piccole dimensioni e di lunghezza ridotta, senza compromettere l‘aspetto estetico. In teoria, il trasferimento di calore convettivo e quello conduttivo non sono correlati allo spessore dello strato di vuoto. Lo spessore dello strato di vuoto è generalmente compreso tra 0,15 e 0,25 mm. Almeno una lastra di vetro sottovuoto è realizzata in vetro a bassa emissività per garantire un isolamento efficace nelle tre modalità fondamentali di trasferimento del calore: conduzione, convezione e irraggiamento. Pertanto, il vetro sottovuoto è di per sé un prodotto in vetro sottile ad alta efficienza. Solo il vetro isolante composito sottovuoto può sfruttare appieno le prestazioni di isolamento del vetro sottovuoto, la cui struttura è illustrata nella Figura 4. Sebbene nel vetro sottovuoto sia presente un elemento in vetro al centro del vetro isolante, questo elemento è soggetto alla pressione atmosferica dopo la creazione del vuoto e sopporta la pressione della colonna di supporto, pertanto l‘assottigliamento del vetro sottovuoto è limitato. Il vetro sottovuoto riduce lo spessore complessivo del vetro isolante composito grazie alla sua elevata efficienza e alle prestazioni di risparmio energetico, raggiungendo l‘obiettivo dell‘assottigliamento. Il livello di produzione del vetro sottovuoto nel mio paese ha fatto grandi progressi, ma il costo rimane il fattore principale che ne limita la diffusione. Almeno un elemento del vetro sottovuoto è realizzato in vetro a bassa emissività per ottenere un isolamento efficace nelle tre modalità fondamentali di trasferimento del calore: conduzione, convezione e irraggiamento termico. Pertanto, il vetro sottovuoto stesso è un prodotto in vetro sottile ad alta efficienza. Solo il vetro isolante composito sottovuoto può sfruttare appieno le prestazioni di isolamento del vetro sottovuoto, come illustrato nella Figura 4. Sebbene al centro del vetro cavo sia presente un elemento in vetro, questo elemento è soggetto alla pressione atmosferica dopo la creazione del vuoto e sopporta la pressione della colonna di supporto, limitando così lo spessore del vetro sottovuoto. Il vetro sottovuoto, grazie alla sua elevata efficienza e alle prestazioni di risparmio energetico, riduce lo spessore complessivo del vetro cavo composito, raggiungendo l‘obiettivo di assottigliamento. La produzione di vetro sottovuoto nel mio Paese ha compiuto grandi progressi, ma il costo rimane il principale fattore che ne ostacola la diffusione.

4 Aerogel in vetro cavo

L‘aerogel possiede eccellenti prestazioni di isolamento termico grazie alla sua leggerezza. Il suo inserimento nel vetro cavo consente di ottenere spessore ridotto, elevata efficienza e risparmio energetico. Il valore K del vetro cavo (6+12A+6) è di 2,8 W/mK, il valore K del vetro (6Low-E+12A+6) è di 1,8 W/mK, mentre il valore K del vetro (6+12aerogel+6) raggiunge 1,0 W/mK. Un metodo pratico per inserire l‘aerogel al centro consiste nell‘utilizzare particelle di aerogel come riempitivo, il che comporta un costo relativamente basso. La differenza tra l‘indice di rifrazione formato dall‘interfaccia tra aerogel e particelle e quello del vetro, nonché la trasparenza dell‘aerogel stesso, aumentano il valore di opacità del vetro isolante e ne influenzano la trasparenza. Ridurre il valore di opacità dell‘aerogel stesso e ottenere un composito costituito da un unico pezzo di aerogel (anziché da particelle) è uno dei metodi efficaci per migliorare la trasparenza. La struttura di rivestimento trasparente della facciata dell‘edificio (porte e finestre esterne, facciate continue) ha elevati requisiti di trasparenza e si prevede che il vetro isolante troverà ampio impiego in tale struttura a scopo di illuminazione. Tuttavia, è necessario studiare gli effetti dell‘accumulo di calore da radiazione solare e degli sbalzi termici (caldo e freddo) sulle proprietà meccaniche del vetro isolante.

5 Riepilogo

L‘assottigliamento del vetro isolante è una tendenza di sviluppo che offre molteplici vantaggi, come il risparmio di materiale, di energia e di emissioni di carbonio. Come strategia e scelta di sviluppo, il vetro isolante a spessore medio presenta una solida base industriale e vantaggi in termini di costi, rappresentando quindi la direzione di sviluppo preferibile. Il vetro isolante a film sottile e il vetro isolante composito sottovuoto offrono un elevato grado di sottigliezza, trovano applicazione nei nuovi edifici e presentano evidenti vantaggi nella sostituzione del vetro nell‘ambito della riqualificazione energetica degli edifici esistenti. Come direzione di sviluppo futura, il vetro isolante in aerogel dovrebbe essere impiegato nelle strutture di copertura per l‘illuminazione.