14. תכונות של חומרי זיגוג
14.1 סקירה היסטורית
הזכוכית, הומצאה כידוע לפני אלפי שנים. היא נוצלה למטרות רבות, כמו, תכשיטים, קישוטים, כלים ועוד, אבל לא לזיגוג. המיגבלה היתה יצירת לוח זכוכית שטוח, דק, שקוף וחזק במידה מספקת. השיטה הראשונה לייצור זכוכית לזיגוג היתה סיבוב מהיר של גוש זכוכית מלוהטת ורכה בקצה מוט. הסיבוב הביא לשינוי בצורת הגוש עקב הכוח הצנטריפוגלי. בדרך זו היה ניתן לייצר לוחות זכוכית עגולים שהותאמו לתוך הפתחים. התהליך היה פרימיטיבי, יקר וגזל זמן רב. צורות השונות מן העיגול דרשו חיתוך והביאו לנפל של חלק ניכר משטח הלוחות העגולים.
שימוש נירחב יחסית בזכוכית לחלונות החל באירופה במאה ה12-. מכיון שהזכוכית אז היתה יקרה, היא הותקנה בתחילה בעיקר במבני יוקרה כמו ארמונות ובתי תפילה. אומנים צרפתיים וגרמניים פיתחו שיטות של ייצור זכוכית צבעונית, אשר נוצלה להתקנת החלונות-הציורים הצבעוניים – הויטראג’ים – בכנסיות ובקטדרלות. הרושם היה כביר. כאשר החלונות הוארו באור השמש הם יצרו תמונות בשלל צבעים מרהיב ומרשים. גם כיום אנו מתפעלים מהעושר האמנותי של הויטראג’ים הצבעוניים. נביא לדוגמה את החלונות הצבעוניים של מרק שאגאל במרכז הרפואי הדסה בעין כרם, ואת הויטראג’ של מיכאל ארדון במבואה של בית הספרים הלאומי באוניברסיטה העברית בגבעת רם, שניהם בירושלים.
במאות ה16- עד ה18- למדו לצקת לוחות זכוכית במידות גדלות והולכות. אולם היציקה לא היתה מדויקת. לאחר היציקה היה הכרח ללטש את שני משטחי לוח הזכוכית כדי לעשותם ישרים ומקבילים. זאת, כדי להחדיר את האור ללא עיוות וגליות של הנוף הנשקף מבעד לחלון. הזכוכית היתה עדיין יקרה והיא הותקנה רק בבניני יוקרה או בבתים של בעלי אמצעים.
התרחבות השימוש בזכוכית באותה תקופה, יצרה סטטוס של יוקרה, אשר לא נעלם מעיני גובי המס הרעבים תמיד להכנסות. בארצות אירופה כמו אנגליה, הולנד ועוד, הוטל מיסוי על חלונות. מענין לציין, כי לשיטות המיסוי היו השלכות על ייצור הזכוכית ובכך על התפתחות הארכיטקטורה באותן ארצות.
באנגליה, הוטל בשנת 1697, מס לפי מספר החלונות בבנין, ככל הניראה כדי להקל על הערכת המס. הדבר גרם לתמריץ לייצר את זכוכית החלונות בלוחות גדולים יותר, כך שהיה ניתן לתכנן אותו שטח זיגוג במספר מוקטן של חלונות.
באותה תקופה, בהולנד, הוטל המס על כל השטח של החזית הפונה לרחוב. דבר זה המריץ את התכנון של בנינים צרים ועמוקים, כפי שהם מוכרים לנו עד היום. כדי להחדיר את אור היום לעומק החלל הבנוי, היה צורך להגדיל את שטח הזיגוג בחזית הבנין. עד היום מאופיינת הארכיטקטורה ההולנדית בחלונות גדולים בחזית הבנינים, אפילו על חשבון הפרטיות.
המהפכה התעשיתית, החישה את הפיתוח של שיטות מתקדמות עוד יותר להחדרת האור הטבעי אל תוך הבנינים. בסוף המאה ה19- החלו לייצר זכוכית בלוחות דקים וגדולים יחסית, באמצעות תנור היתוך המצוי בגובה רב. הזכוכית המותכת היתה נוזלת כלפי מטה, בכיוון אנכי, בכוח הגראוויטציה. בהמשך תהליך הקרור היתה הזכוכית מועברת דרך מערכת גלילים, ומתקררת בהדרגה. הזכוכית המיוצרת היתה בעלת תכונות אופטיות סבירות. אולם, עקב אי המקבילות המלאה של שני משטחיה, עדיין היה בה עיוות המתבטא בגליות של הנוף הנשקף דרכה, או של המראה פנימה למי שהסתכל דרך חלון או חלון ראווה.
כדי לקבל זכוכית בעלת איכות אופטית גבוהה ללא עיוות זה, היה עדיין הכרח ללטש את הלוחות, כך ששני משטחיהם יהיו חלקים ומקבילים. ליטוש כזה, כמובן, ייקר מאוד את המחיר. לכן התקינו זכוכית מלוטשת רק בחלונות של בנינים יוקרתיים ובמיוחד בחלונות ראווה של בתי המסחר.
המהפכה התעשייתית החישה את הפיתוח של טכנולוגיות בניה חדשות, וביניהן שימוש בברזל, בברזל יציקה. השילוב של מסגרות מתכת עם שטחי זיגוג גדולים, איפשר בניה של מה שקרוי כיום בתי זכוכית. אחד הבנינים שזכה לפירסום רב היה ארמון הבדולח ה-Cristal Palace, בלונדון. מבנים כאלה נוצלו בקנה מידה גדול לבתי גידול לחקלאות וכן למרכזים ציבוריים מקורים ובמיוחד לשטחים ציבוריים במרכזי קניות. כיום אנו קוראים לשטח מקורה בזכוכית בתוך הבנין בשם אטריום – atrium.
שיטת הייצור של “זכוכית צפה” – Float glass שהומצאה ע”י חברת פילקינגטון (Pilkington) הבריטית, בשנת 1959, היתה המהפכה הגדולה הבאה בשיטות היצור של זכוכית שטוחה. לאחר יציקתה ועיבודה ללוח שטוח באמצעות מערכת גלילים משוכללת ומדויקת, נעה הזכוכית בצורה אופקית. עד להתקררותה והתקשותה. הזכוכית החמה והרכה מתקדמת על “מצע” של מתכת אבץ נוזלית באמבטיות בעלות טמפרטורות ההולכות וקטנות בהדרגה מתאימה. בדרך זו מתאפשרת בקרה קפדנית של קרור הדרגתי ואחיד. בסוף התהליך, מתקבלת זכוכית בעלת דפנות חלקות ומקבילות, עם איכות אופטית מעולה. בכך התבטל, סוף סוף, הצורך בליטוש הלוחות לאחר יציקתם, שגרם בעבר לייקור רב של הזכוכית. בתחילה, נשמרה שיטת הייצור הזו כסוד כמוס ע”י החברה הממציאה, חברת פילקינגטון. כיום מיוצרת זכוכית החלונות בתהליך זה בכל העולם.
בעשורים האחרונים המשיכו לשפר את תכונות הזכוכית ע”י תוספות של ציפויים למיניהם וכן ע”י הקניית תכונות דינמיות למעבר הקרינה, כפי שיתואר להלן.
במקביל לזכוכית, משתמשים כיום גם בחומרים פלאסטיים שונים למטרות זיגוג. חומרים אלה מתחלקים לשתי קבוצות – האחת בצורת יריעות מפוליאטלין, פוליויניל כלוריד (פי. וי. סי) ועוד, בהן משתמשים בעיקר לקרוי של חממות. לקבוצה השניה שייכים החומרים הקשיחים והחצי קשיחים – החומרים אקריליים – המכונים גם בשם פרספקס, וכן הפיברגלאס (סיבי זכוכית מוספגים בחומר פלאסטי שקוף) והפוליקרבונט.
לחומרי הזיגוג הפלאסטיים יתרונות רבים. הם ניתנים לעיבוד קל יחסית, ניתן ליצור מהם צורות שונות, ועוד. אולם, הם רגישים לקרינה האולטרה סגולה הגורמת להרס שלהם. כמו כן, הם נשרטים בנקל. כתוצאה מכך משך חיי הזיגוג הפלאסטי מוגבל כיום ל10- עד 20 שנים לכל היותר. לעומת זאת, הזכוכית יציבה מאוד ואם לא שוברים אותה היא שומרת על תכונותיה במשך מאות שנים.
זכוכית כפולה לשיפור התיפקוד התרמי של החלונות הינה טכניקה מקובלת זה שנים רבות בכל הארצות בעלות חורף קר. אולם, פיתוח הזיגוג בעל ה”פליטות הנמוכה” – Low Emissivity Glazing או כפי שמקובל לכנותו – “זיגוג “Low E, הביא להגדלה משמעותית של כושר הבידוד התרמי של החלונות וקירות המסך, יחד עם כושר העברה גבוה בתחום האור הנראה. בעזרת זיגוג Low E מתאים ניתן להשיג בידוד תרמי, שיהיה שווה ערך לקירות מבודדים היטב, ברמה של קירות עם ליבני איטונג. השימוש בזיגוג Low E נפוץ כיום גם באיזורים חמים ומביא לחיסכון ניכר באנרגיה על מערכות הצינון במזגנים. הסבר על זיגוג זה ניתן בהמשך הפרק.
כל חומרי הזיגוג עד שלב זה כלולים בקטגוריה של מערכות סטטיות. לאחר בחירת סוג הזיגוג והתקנתו, אין אפשרות לווסת את התכונות האופטיות שלו. כדי להשיג בקרה דינמית, יש להוסיף אמצעי הצללה, מחוץ לזיגוג או מבפנים לו. הדינמיות מושגת ע”י ויסות אמצעי ההצללה.
בשנים האחרונות מושקע מאמץ גדול במחקר ופיתוח של חומרי זיגוג המאפשרים בקרה דינמית של התכונות האופטיות של הזיגוג עצמו. הבקרה מבוססת על תכונות הכרומיות Chromic properties – של חומר הזיגוג. תכונות המעבר של חלקי הספקטרום השונים מבוקרים באמצעות זיגוג אלקטרוכרומי – Electrochromic Glazing. הזכוכית משנה את שקיפותה ע”י הפעלת זרם חשמלי בעוצמה נמוכה מאוד. כאשר, יגיע הזיגוג הזה לשימוש נירחב, יוכל הזיגוג להפוך למערכת דינמית שיהיה ניתן לווסת אותה בהתאם לצרכי מעבר הקרינה ולמטרות של חיסכון באנרגיה. עיקרון הפעולה ותחזית הניצול של זיגוג זה שכבר זכה לכינוי “החלון החכם” – Smart Window, ניתן להלן בפרק זה.
14.2 הזכוכית השטוחה השקופה
14.2.1 ההרכב הכימי
זכוכית שקופה רגילה | זכוכית שקופה במיוחד | |
צורן דו-חמצני | 73.0% | 73.0% |
נתרן חד-חמצני | 14.0% | 15.0% |
סידן חד-חמצני | 9.0% | 10.0% |
תוספים שונים | 4.0% | 2.0% |
14.2.2 התכונות האופטיות
ה ע ב ר ה | החזרה | ||||||||||
עובי הזכוכית | אולטרה סגול | אור נראה | אינפרה אדום | קרינת השמש הכוללת | אור נראה | קרינת שמש כוללת | מקדם הצללה | משקל | |||
מ”מ | % | % | % | % | % | % | ק”ג/מ”ר | ||||
2.5 | 82.0 | 90.0 | 82.0 | 87.0 | 7.0 | 8.0 | 1.01 | 6.5 | |||
3.0 | 80.0 | 90.0 | 79.0 | 85.0 | 7.0 | 8.0 | 1.00 | 7.8 | |||
4.0 | 79.0 | 90.0 | 79.0 | 84.0 | 7.0 | 8.0 | 0.99 | 10.4 | |||
5.0 | 76.0 | 89.0 | 73.0 | 81.0 | 7.0 | 8.0 | 0.97 | 13.0 | |||
6.0 | 74.0 | 88.0 | 72.0 | 79.0 | 8.0 | 7.0 | 0.96 | 15.6 | |||
8.0 | 71.0 | 88.0 | 63.0 | 75.0 | 8.0 | 7.0 | 0.94 | 20.8 | |||
10.0 | 69.0 | 88.0 | 58.0 | 72.0 | 8.0 | 7.0 | 0.91 | 23.9 | |||
12.0 | 66.0 | 86.0 | 50.0 | 67.0 | 8.0 | 7.0 | 0.87 | 31.2 | |||
Azurlite 6.0 | 41.0 | 72.0 | 10.0 | 37.0 | 5.0 | 6.0 | 0.62 | 15.6 | |||
Starphire 6.0 | 87.0 | 91.0 | 87.0 | 89.0 | 8.0 | 8.0 | 1.03 | 15.6 |
התחום הספקטראלי | השינוי בהעברת הקרינה |
האולטרה סגול | קטנה בשעור של 24% |
האור הנראה | קטנה בשעור קטן של 5% |
האינפרה אדום | קטנה בשעור ניכר מאוד של 64% |
קרינת השמש, הכוללת את כל שלושת התחומים הקודמים | קטנה בשעור של 30% |
14.2.3 ההעברה הספקטראלית|
14.3.1 זכוכית מרוככת
14.3.2 זכוכית פירוליטית
זכוכית מחוזקת בחום – heat strengthened glass – עוברת לאחר ייצורה הרגיל, טיפול נוסף בחום ובלחץ. היא מחוממת מחדש קרוב לטמפרטורת ההתרככות, ומקוררת במהירות מוגברת. לאחר הטיפול, נעשית הזכוכית בעלת חוזק מכני כפול לערך ביחס לזכוכית המרוככת. זכוכית כזו עדיין אינה נחשבת לזכוכית ביטחון.
14.3.4 זכוכית מחוסמת
14.3.5 זכוכית מונוליטית
14.3.6 ציפויים
14.4 סוגי הזכוכית
14.4.1 זכוכית משוכבת
14.4.2זכוכית סלקטיבית
14.4.3 כוכית רפלקטיבית
שטח השימשה (מ”ר) | 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 | |
עובי השימשה (מ”מ) | בנינים עד 6 קומות | 3.0 3.0 4.0 4.0 5.0 5.0 5.5 5.5 6.5 6.5 |
בנינים מעל 6 קומות | 3.0 4.0 4.0 4.0 6.5 7.0 7.0 8.0 8.0 8.0 |
14.6.1 זיגוג כפול
14.6.2 מבנה השכבות
14.6.3 מסגרת החלון
14.7 כוכית עם פליטות נמוכה – Low emissivity glass
14.7.1 פליטות – Emissivity
הציפוי הפירוליטי
תאור הזכוכית | קרינת שמש כוללת | אור נראה | ||||||
או סימון החצרן | העברה | החזרה | העברה | החזרה | פליטות-emissivity
| |||
% | % | % | % | % | % | |||
המשטח | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 או 3 | ||
שקופה | 77.5 | 7.1 | 7.1 | 88.0 | 8.0 | 8.0 | 0.840 | 0.840 |
ברונזה | 48.2 | 5.4 | 5.4 | 53.0 | 5.7 | 5.7 | 0.840 | 0.840 |
אפורה | 45.5 | 5.3 | 5.3 | 43.0 | 5.2 | 5.2 | 0.840 | 0.840 |
ירוקה | 48.7 | 5.6 | 5.6 | 74.9 | 7.0 | 7.0 | 0.840 | 0.840 |
כחולה | 48.0 | 5.0 | 5.0 | 57.0 | 6.0 | 6.0 | 0.840 | 0.840 |
PPG – Starphire | 87.0 | 7.7 | 7.7 | 91.0 | 8.2 | 8.2 | 0.840 | 0.836 |
PPG – Azurlite | 37.0 | 6.0 | 6.0 | 72.0 | 5.0 | 5.0 | 0.838 | 0839 |
שקופה רפלקטיבית | 15.9 | 22.0 | 37.0 | 20.0 | 25.0 | 32.0 | 0.840 | 0.570 |
LowE שקופה | 60.0 | 17.0 | 22.0 | 84.0 | 5.5 | 7.8 | 0.840 | 0.100 |
LowE עם גוון | 36.0 | 9.3 | 20.0 | 50.0 | 3.5 | 5.4 | 0.840 | 0.100 |
PPG LowE Sungate100 שקופה | 29.6 | 23.0 | 6.0 | 68.0 | 4.0 | 6.2 | 0.838 | 0.086 |
PPG LowE Sungate50 רפלקטיבית | 40.0 | 27.3 | 21.4 | 54.0 | 6.0 | 12.0 | 0.839 | 0.086 |
Viracon LowE VE185 שקופה | 56.4 | 14.4 | 23.7 | 85.0 | 5.4 | 5.2 | 0.840 | 0.090 |
Viracon LowE VE240 אפורה כהה | 15.9 | 8.5 | 23.4 | 35.0 | 10.1 | 14.1 | 0.840 | 0.110 |
זכוכית משוכבת – Laminated 3.0 + 3.0 מ”מ + פילם שקוף | 70.0 | |||||||
זיגוג אקרילי שקוף, 6.0 מ”מ | 85.0 | |||||||
פיברגלס שקוף, 2.0 מ”מ | 60.0 |
14.8 זיגוג אלקטרוכרומי
14.8.1 הכרומיות
14.8.2 פוטוכרומיות
מצב בהיר שקיפות מכסימלית | מצב כהה – שקיפות מינימלית | |
מעבר קרינת השמש הכוללת – TS 50% – 70% | 50% – 70% | 10% – 20% |
מעבר האור – Tv | 50% – 70% | 10% – 20% |
החזרת קרינה אינפרה אדומה – Rnir | 10% – 20% | > 70% |
מתח ההפעלה | 1 – 5 וולט | |
זיכרון | 1 – 24 שעות | |
מהירות השינוי המלא | 1 – 60 שניות | |
מחזורי פעולה למשך חיי השיכבה | עד מיליון מחזורים | |
משך החיים | 5 – 20 שנים | |
טמפרטורות הפעולה התקינה | C 300 – C 700 |
[14.2.1.1] PPG, 1996, Performance Data for Clear Float Glass C-1, Pittsburgh Plate Glass Industries, Pittsburgh.
[14.2.1.2] PPG, 1996, Performance Data for Starphire Float Glass ST-1a, Pittsburgh Plate Glass Industries, Pittsburgh.
[14.2.1.3]PPG, 1996, Performance Data for Azurlite Float Glass AL-1a, Pittsburgh Plate Glass Industries, Pittsburgh.
[14.5.1]תקן ישראלי , ת”י 1099, אוקטובר 1981.
[14.5.2] תקן ישראלי, ת”י 1099- גליון תיקון מס’ 1, נובמבר 1983.
[14.4.7.1]McCluney W. R., 1994, Introduction to Radiometry and photometry, Artech House, Boston, London.
[14.8.1.1]Lampert C. M., 1991, Large Area Chromogenics for Smart Windows, Energy and Environment Division, Lawrence Berkeley Laboratory, 1 Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720
[14.8.1.2] Johnson T. E., 1991, Low-E Glazing Design Guide, Butterworth Architecture, Boston, London.
[14.8.1.3] Reilly S., Arasteh D., Selkowitz S., 1991, Thermal amd Optical Analysis of Switchable Window Glazings, Solar Energy Materials, pp. 1-14, Elsevier Science Publishers, North Holland.
[14.8.1.4]Yu P. C., Nazri G., Lampert C. M., 1986, Spectroscopic and Electrochemical Studies of Electrochromic Hydrated Nickel Oxide Films,
SPIE 3rd International Conference on Optics and Electrooptics, Insbruck, Austria.
[14.11.1]Saint Gobain, 1997, Glass in Windows, Saint Gobain, Brussels, Belgium