Kiến thức ngành

Giới thiệu

Với sự phát triển của việc tiết kiệm năng lượng trong xây dựng, kính cách nhiệt ba lớp hai buồng đã trở thành dạng sản phẩm hàng đầu cho cửa sổ ngoại thất của các công trình. So với kính cách nhiệt một buồng truyền thống, việc tăng số buồng giúp cải thiện hiệu suất cách nhiệt của kính cách nhiệt. So với giá trị K của kính cách nhiệt (6+16A+6) là 2,7 (W/mK), giá trị K của kính cách nhiệt (6+16A+6+16A+6) đạt 1,7W/mK. Nếu áp dụng các công nghệ như kính phát xạ thấp (Low-E), bơm khí trơ, dải cách nhiệt cạnh ấm, v.v., chẳng hạn như kính cách nhiệt (6Low-E+16Ar+6+16Ar+6Low-E), giá trị K có thể đạt 0,8W/mK.

Trong khi cải thiện hiệu suất cách nhiệt của cửa và cửa sổ, kính cách nhiệt ba lớp hai khoang cũng làm tăng lượng vật liệu tiêu thụ. Thứ nhất, trọng lượng của kính tăng lên, dẫn đến tăng chiều rộng và độ dày của khung và yêu cầu về độ bền của phụ kiện. Đối với kính cách nhiệt ba lớp hai khoang, hai lớp kính ngoài đảm nhiệm chức năng chịu lực và chịu tải. Chức năng chính của lớp kính giữa là ngăn cách khoang, hạn chế sự truyền nhiệt đối lưu của khí làm đầy, do đó làm tăng độ dày của lớp cách nhiệt, nhưng nó cũng phải đáp ứng một số yêu cầu về hiệu suất cơ học nhất định. Để giải quyết vấn đề lớp kính giữa, người ta thường nghĩ đến việc sử dụng các vật liệu mỏng khác để thay thế lớp kính giữa dày 6mm hiện có, tạo thành hệ kính ba lớp mỏng.

1. Kính cách nhiệt mỏng gắn ở giữa.

2TD

Kính vô cơ là dạng sản phẩm hàng đầu của kính cách nhiệt ba lớp hai buồng. Phương pháp làm mỏng được xem xét từ ba lớp kính cấu thành nên nó. Kính ngoài chịu tải trọng gió và được làm mỏng trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ học. Kính trong không chịu tải trọng gió trực tiếp, vì vậy nó được sử dụng như kính trung tâm. Vì bề mặt sử dụng vẫn yêu cầu các yêu cầu về tính chất cơ học, nên có tiềm năng làm mỏng nhất định. Kính giữa lớp trong và lớp ngoài (kính trung tâm) không chịu tải trọng gió trực tiếp, do đó nó có tiềm năng làm mỏng lớn nhất. Công ty Lixil của Nhật Bản đã làm mỏng kính ban đầu (3+3+3) mm xuống còn (3+1.3+3) mm, với tỷ lệ giảm trọng lượng khoảng 19%; khi làm mỏng là (3+1.3+1.3) mm, tỷ lệ giảm trọng lượng khoảng 38%, như thể hiện trong Hình 1. Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Thái Bình Dương ở Hoa Kỳ đã thay thế kính cách nhiệt truyền thống bằng kính cách nhiệt mỏng tiết kiệm năng lượng hiệu quả cao. Nghiên cứu về hiệu quả tiết kiệm năng lượng của việc thay thế kính xây dựng hiện có đã được thực hiện. Kính cách nhiệt mỏng này bao gồm hai lớp kính dày 1/8 inch (khoảng 3,2mm) có màng Low-E và một lớp kính mỏng 1/16 inch (khoảng 16mm) ở giữa. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống HVAC tiết kiệm được 0,2~18,7 kWh mỗi ngày trong mùa sưởi ấm (tiết kiệm 3%~18% năng lượng mỗi người) và 2,5~8,0 kWh mỗi ngày trong mùa làm mát (tiết kiệm 23%~41% năng lượng), đồng thời giảm độ xuyên âm từ 8~10dB. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley đã đặt một lớp kính mỏng 0,7mm vào kính cách nhiệt thông thường (kính 3mm + lớp Low-E 3mm) để tạo thành kính cách nhiệt mỏng, như thể hiện trong Hình 2. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở những vùng khí hậu chủ yếu cần sưởi ấm (như Minneapolis, Minnesota), tiềm năng tiết kiệm năng lượng của kính cách nhiệt mỏng thay thế cho kính cửa sổ ngoại thất thông thường là 16%, ở những vùng khí hậu hỗn hợp (như Washington, DC), tiềm năng tiết kiệm năng lượng là 12%, và ở những vùng khí hậu chủ yếu cần làm mát (như Houston, Texas), tiềm năng tiết kiệm năng lượng là 7%. Độ dày của kính được sử dụng cho cửa sổ ngoại thất ở nước ta đang ngày càng tăng. Vào những năm 1980, kính 3mm là loại kính phẳng phổ biến nhất ở nước ta. Sau năm 1993, kính 5mm là sản phẩm chủ đạo, và gần đây kính 6mm đã trở thành sản phẩm chủ đạo. Năm 2013, Wang Xinchun và cộng sự đã đề xuất phương án làm mỏng các sản phẩm kính phẳng. Mức tiêu thụ kính phẳng bình quân đầu người hàng năm ở nước tôi là 20,7kg, gấp 1,25 lần so với các nước EU, gấp đôi so với Hoa Kỳ và gấp 2,6 lần so với mức trung bình toàn cầu. Độ dày của kính phẳng là một trong những nguyên nhân dẫn đến mức tiêu thụ bình quân đầu người bất thường ở nước tôi. Ước tính nếu kính dày 5mm được làm mỏng xuống còn 4mm vào năm 2012, sản lượng kính có thể giảm 7,1 triệu tấn, và lượng nguyên liệu tiêu thụ có thể giảm 7,71 triệu tấn, trong đó có 6,35 triệu tấn tài nguyên thiên nhiên như cát silic và 1.36 triệu tấn sản phẩm hóa chất như soda ash. Bài báo đề xuất chuyển đổi mô hình phát triển của các ngành công nghiệp và doanh nghiệp, đồng thời nâng cao công nghệ sản xuất. Năm đề xuất đã được đưa ra, bao gồm điều chỉnh trình độ kỹ thuật của chuỗi công nghiệp, tăng cường nỗ lực nghiên cứu khoa học và các bộ phận liên quan bắt đầu công việc làm mỏng kính phẳng càng sớm càng tốt. Đồng thời, các công ty như Tập đoàn CSG cũng đang tích cực thử nghiệm các ứng dụng kính mỏng cho cửa sổ ngoại thất.

Hiện nay, việc phát triển kính cách nhiệt mỏng có khả năng thích ứng tốt. Thứ nhất, để thích ứng với các khái niệm phát triển "mục tiêu kép carbon", sản xuất xanh, xây dựng xanh, v.v., kính cách nhiệt mỏng sẽ thúc đẩy tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm vật liệu và giảm lượng khí thải carbon trong chuỗi ngành công nghiệp kính, khung, cửa ra vào, cửa sổ và vận tải. Thứ hai, kính cách nhiệt hai lớp/nhiều lớp là sản phẩm chủ lực của cấu trúc bao che trong suốt hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng của nước ta, và có tiềm năng làm mỏng. Thứ ba, kính cách nhiệt mỏng là trọng tâm của ngành công nghiệp, có nền tảng công nghiệp rộng lớn, thuận lợi cho việc thúc đẩy chuyển đổi và phát triển ngành. Thứ tư, ngành sản xuất kính mỏng/kính siêu mỏng của nước ta cung cấp vật liệu và nền tảng công nghiệp. Kính quang điện hệ natri-vôi-silicon và kính bảo vệ có thể cung cấp các sản phẩm cơ bản. Công nghệ chuyển đổi và sản xuất kính phẳng mỏng là vô song. So với nồi nấu thủy tinh công nghiệp và nồi nấu thủy tinh kiến ​​trúc:

2. Kính cách nhiệt có lớp màng ở giữa.

Kính cách nhiệt với lớp màng hữu cơ ở giữa (như hình 3) chia một khoang thành hai hoặc nhiều khoang kính cách nhiệt. Lớp màng hữu cơ không chức năng (màng trắng) chỉ có tác dụng ngăn cách khoang để hạn chế đối lưu, tăng độ dày của lớp cách nhiệt và đạt được độ mỏng và nhẹ. Lớp màng hữu cơ chức năng (màng phản xạ nhiệt) mang lại các chức năng như độ phát xạ thấp, và tăng hiệu quả tiết kiệm năng lượng bằng cách kiểm soát bức xạ nhiệt trên nền màng trắng. Kính cách nhiệt với lớp màng ở giữa được sản xuất bởi công ty Southwall Technologies của Hoa Kỳ, ra đời năm 1970 và đã được sử dụng trong các công trình xây dựng. Kính cách nhiệt màng phản xạ nhiệt có đặc tính nhiệt tuyệt vời, và Li Wu cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về điều này. Vật liệu màng ở giữa là một loại màng nhiệt dẻo, được siết chặt nhờ tính chất nhiệt dẻo khi được nung nóng. Việc trải và lắp đặt vật liệu màng đòi hỏi sự tham gia thủ công, làm tăng chi phí sản xuất. He Xueping và các cộng sự đã nghiên cứu thiết kế quy trình lắp ráp chính của hệ thống kính cách nhiệt vật liệu màng ở giữa. Việc giảm chi phí vật liệu màng, hiện thực hóa việc lắp đặt màng tự động, giảm mức độ can thiệp thủ công và chi phí xử lý tương ứng sẽ trở thành những điểm mấu chốt trong sự phát triển của kính cách nhiệt sử dụng màng phim trung tâm.

3 Kính cách nhiệt composite thủy tinh thật

Kính chân không là sản phẩm kính được tạo thành từ hai hoặc nhiều lớp kính ghép lại với nhau bằng các cột đỡ. Phần rìa được bịt kín để tạo thành một khoang, và khoang này được hút chân không để tạo thành một khoang chân không. Để cân bằng giữa khả năng truyền nhiệt và lực chịu lực của cột đỡ, số lượng và diện tích của cột đỡ cần được giảm thiểu, do đó, cột đỡ có tiết diện nhỏ và chiều dài ngắn được lựa chọn mà không ảnh hưởng đến hiệu ứng thị giác. Về lý thuyết, truyền nhiệt đối lưu và truyền nhiệt dẫn không liên quan đến độ dày của lớp chân không. Độ dày lớp chân không thường nằm trong khoảng từ 0,15 đến 0,25 mm: Ít nhất một lớp kính chân không được làm từ kính có độ phát xạ thấp để đạt được hiệu quả cách nhiệt trong ba chế độ truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Do đó, bản thân kính chân không là một sản phẩm kính mỏng có hiệu suất cao. Chỉ có kính cách nhiệt composite chân không mới phát huy tối đa hiệu quả cách nhiệt của kính chân không, cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 4. Mặc dù có một lớp kính ở giữa lớp kính cách nhiệt chân không, nhưng lớp kính này bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển sau khi hút chân không và chịu áp lực của cột đỡ, do đó việc làm mỏng kính chân không bị hạn chế. Kính chân không làm giảm độ dày tổng thể của kính cách nhiệt composite nhờ hiệu suất cao và khả năng tiết kiệm năng lượng, đạt được mục đích làm mỏng. Trình độ sản xuất kính chân không ở nước ta đã có những tiến bộ vượt bậc, nhưng chi phí vẫn là yếu tố chính ảnh hưởng đến việc phổ biến nó. Ít nhất một lớp kính chân không được làm từ kính có độ phát xạ thấp để đạt được hiệu quả cách nhiệt trong ba chế độ truyền nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Do đó, bản thân kính chân không là một sản phẩm kính mỏng có hiệu suất cao. Chỉ có kính cách nhiệt composite chân không mới phát huy tối đa hiệu suất cách nhiệt của kính chân không, cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 4. Mặc dù có một lớp kính ở giữa lớp kính rỗng, nhưng lớp kính này bị ảnh hưởng bởi áp suất khí quyển sau khi hút chân không và chịu áp lực của cột đỡ, do đó việc làm mỏng kính chân không bị hạn chế. Kính chân không làm giảm độ dày tổng thể của kính rỗng composite nhờ hiệu suất cao và khả năng tiết kiệm năng lượng, đạt được mục đích làm mỏng. Trình độ sản xuất kính chân không ở nước ta đã có những tiến bộ vượt bậc, nhưng chi phí vẫn là yếu tố chính ảnh hưởng đến việc phổ biến nó.

4 Kính rỗng Aerogel

Aerogel có hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời và trọng lượng nhẹ. Việc đặt nó trong kính rỗng có thể đạt được độ mỏng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng. Giá trị K của kính rỗng (6+12A+6) là 2,8W/mK, giá trị K của (6Low-E+12A+6) là 1,8W/m·K, và giá trị K của (6+12aerogel+6) đạt 1,0W/m·K. Một cách khả thi để đặt aerogel ở giữa là sử dụng các hạt aerogel để lấp đầy, phương pháp này có chi phí tương đối thấp. Sự khác biệt giữa chỉ số khúc xạ được tạo ra bởi giao diện giữa aerogel và hạt với kính và độ trong suốt của bản thân aerogel sẽ làm tăng giá trị độ mờ của kính cách nhiệt và ảnh hưởng đến độ trong suốt của kính cách nhiệt. Giảm giá trị độ mờ của bản thân aerogel và đạt được sự kết hợp của một khối aerogel nguyên khối (thay vì các hạt) là một trong những cách hiệu quả để cải thiện độ trong suốt. Cấu trúc bao che trong suốt của mặt tiền tòa nhà (cửa ra vào và cửa sổ bên ngoài, tường rèm) có yêu cầu cao về độ trong suốt, và dự kiến ​​sẽ được sử dụng rộng rãi trong cấu trúc bao che nhằm mục đích chiếu sáng. Tuy nhiên, cần nghiên cứu ảnh hưởng của sự tích tụ nhiệt bức xạ mặt trời và sốc nhiệt lạnh lên các tính chất cơ học của kính cách nhiệt.

5. Tóm tắt

Việc làm mỏng kính cách nhiệt là một xu hướng phát triển mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm vật liệu, tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải carbon. Là một chiến lược và lựa chọn phát triển, kính cách nhiệt màng mỏng có nền tảng công nghiệp hóa tốt và lợi thế về chi phí, và là hướng phát triển được ưu tiên. Kính cách nhiệt màng mỏng và kính cách nhiệt composite chân không có độ mỏng cao, có không gian ứng dụng nhất định trong các công trình xây dựng mới, và có những ưu điểm rõ rệt trong việc thay thế kính trong quá trình chuyển đổi tiết kiệm năng lượng của các công trình hiện có. Là một hướng phát triển trong tương lai, kính cách nhiệt aerogel nên được ứng dụng trong các cấu trúc bao che đèn chiếu sáng.