x-486814. תכונות של חומרי זיגוג

14.1 סקירה היסטורית

עד לסוף המאה התשע עשרה וראשית המאה העשרים, היתה התאורה הטבעית מקור האור העיקרי להארת בנינים. החלון בקיר או פתחי הגג היו האמצעים להחדרת האור הטבעי. כל עוד לא הוכנסה לשימוש נירחב הזכוכית לזיגוג החלונות, לא היתה אפשרות להפרדה פיזית ממשית בין החוץ לפנים. החלון הפתוח היה חשוף לרוחות, אבק, זיהום, חום, קור ורעש. הברירה היתה בין חשיפה מלאה של הפתח לשם החדרת אור היום או או סגירתו בחומר שאינו מעביר אור. החומרים מעבירי האור היחידים בהם השתמשו לפני הזכוכית, היו לוחות דקים של ציפחה או מיקה שהיו מצויים במחצבים באיזורים מעטים. כמו כן, השתמשו באריג או ניר טבולים בשמן. כל אלה נתנו הגנה תרמית מוגבלת, חסמו את מרבית האור ולא איפשרו מראה החוצה. אקלים הפנים לא היה נבדל הרבה מאקלים החוץ ותנאי הנוחות התרמית לאנשים הובטחו יותר ע”י לבוש או הסקה, כי כמעט ולא היה ניתן לשמור על אקלים פנים מבוקר [12.1.1].

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
קיימים סוגים רבים של זכוכית שטוחה שקופה – clear glass plate, לשימושים השונים. הזכוכית השקופה הרגילה משמשת בעיקר לזיגוג חלונות. זכוכית זו מכילה תוספים שונים כרשום בסעיף הבא, ביניהם תחמוצות של ברזל, ולכן היא נראית קצת ירקרקה כאשר מסתכלים עליה דרך הדופן מהצד.

במקרים רבים מעונינים בזכוכית בעלת שקיפות מעולה, למשל, לזיגוג במוזיאונים או בבנינים יוקרתיים. זאת, כדי לאפשר קשר חזותי מעולה בין הפנים לחוץ. במקומות אלה מתקינים זכוכית שקופה במיוחד. הדוגמה הידועה ביותר היא הפירמידה המפורסמת במוזיאון הלובר בפריז. הפירמידה ממוקמת במרכז חצר ענקית כאשר מסביבה ניתן לראות את חזיתות הארמונות שהפכו למוזיאון המפורסם בעולם. הזכוכית השקופה מאפשרת למבקר לראות דרכה את החזיתות בצד הרחוק.

בזכוכית כזו משתמשים גם למטרות מיוחדות כמו מיסגור תמונות. הזכוכית מיוצרת עם פחות תוספים ובעיקר ללא ברזל והיא נראית לבנה לחלוטין. היא כמובן יקרה יותר מן הזכוכית הרגילה. תכונותיה מתוארות להלן, ראה הנתונים על זכוכית ה- Starphire.

14.2.1 ההרכב הכימי
ההרכב הכימי של זכוכית חלונות שקופה, לפי נתונים של חברת Pittsburgh Plate Glass – PPG  מארצות הברית [14.2.1.1], [14.2.1.2], נתון בטבלה 14.2.1.1.

            טבלה 14.2.1.1: ההרכב הכימי של זכוכית שקופה וזכוכית שקופה במיוחד.

 

זכוכית שקופה רגילה

Float clear glass

זכוכית שקופה במיוחד

Starphire float glass

צורן דו-חמצני – Silicone Dioxide

73.0%

73.0%

נתרן חד-חמצני – Sodium Oxide

14.0%

15.0%

סידן חד-חמצני – Calcium Oxide

9.0%

10.0%

תוספים שונים – Trace Elements

4.0%

2.0%

14.2.2 התכונות האופטיות

התיפקוד התרמי של כמה סוגי זכוכית ניתן בטבלה 9.4.1 לעיל. בטבלה הבאה מובאות תכונות ההעברה

וההחזרה של שימשת זכוכית שקופה בעובי שונה. הנתונים מובאים ממקור [14.2.1.1] .

טבלה 14.2.2.1: התכונות האופטיות ומשקל למ”ר של זכוכית שקופה בעובי שונה.

 

            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

            

ניתן לראות מן הטבלה לעיל כי השינוי בתכונות האופטיות של הזכוכית השקופה הרגילה, כאשר עובי השימשה גדל, אינו שווה בתחומי הספקטרום השונים. לשינוי זה בהעברת הקרינה, יש השפעה רבה על התיפקוד של מערכת החלון. לכן, מובא באיור 14.2.2.1 מהלך השינוי של העברת קרינת השמש בתחומי הספקטרום השונים כתלות בעובי הזכוכית של שימשת החלון.

נדגים שינוי חשוב זה גם באמצעות הטבלה הבאה. נגדיל את עובי הזכוכית מ3.0- מ”מ, שהיא הזכוכית המקובלת בחלונות למגורים עם שימשה עד שטח 1.0 מ”ר, לעובי של 12.0 מ”מ כנדרש בחלונות בעלי שימשה בשטח העולה על 7.0 מ”ר. בטבלה 14.2.2.2 ניראה את השינוי באחוזים של העברת הקרינה בתחומי הספקטרום השונים.

טבלה 14.2.2.2: העברת הקרינה דרך זכוכית שקופה כתלות בתחום הקרינה עקב שינוי עובי הזכוכית מ3.0- מ”מ ל12.0- מ”מ.

התחום הספקטראלי

השינוי בהעברת הקרינה

האולטרה סגול

קטנה בשעור של 24%

האור הנראה

קטנה בשעור קטן של 5% בלבד

האינפרה אדום

קטנה בשעור ניכר מאוד של 64%

קרינת השמש, הכוללת את

כל שלושת התחומים הקודמים

קטנה בשעור של 30%

כמובן שמשקל השימשה גדל באופן יחסי לעובי.    

14.2.3 ההעברה הספקטראלית|
ההעברה בכל התחום של קרינת השמש, החל מ300- ננומטר עד 2,100 ננומטר, דרך זכוכית החלונות השקופה נתונה באיור 14.2.3.1.

2

איור 14.2.3.1: ההעברה הספקטראלית של זכוכית שקופה – clear glass – (לפי [14.2.1.1]).

 

ההעברה הספקטראלית של דרך הזכוכית השקופה במיוחד (הנתונים כאן הם עבור זכוכית  Starphire של PPG), נתונה באיור 14.2.3.2.

3

איור 14.2.3.2: ההעברה הספקטראלית של זכוכית שקופה במיוחד – PPG starphire glass (לפי [14.2.1.2]).

הזכוכית השקופה במיוחד, מעבירה אמנם יותר אור בתחום הנראה ביחס לזכוכית הרגילה, אולם, כדאי לשים לב כי היא מעבירה הרבה יותר גם את הקרינה האולטרה סגולה, הגורמת נזק לחומרים בתוך הבנין וכן יותר קרינה אינפרה אדומה, משמע מעבר חום רב יותר.

 כידוע, קרינת השמש המגיעה אל כדור הארץ אינה מכילה כמעט אורכי גל הקצרים מ300- ננומטר. הקרינה הזו נבלמת ע”י שכבת האוזון. מן העקום רואים כי הזכוכית הרגילה אינה מעבירה קרינה מתחת ל300- ננומטר גם אם היתה מגיעה אליה. ניתן לראות כי היא מעבירה חלק ניכר מהקרינה בתחום האולטרה סגול שבין 300 עד 400 ננומטר. ההעברה הגבוהה ביותר היא בתחום הנראה, כמו כן, מעבירה הזכוכית חלק ניכר מקרינת החום האינפרה אדומה עד לאורכי גל שמעל ל2,000- ננומטר.

הזכוכית השקופה במיוחד מסוגלת להעביר קרינה גם באורכי גל הקצרים מ300- ננומטר, אולם כפי שנאמר לעיל, קרינה כזו אינה מגיעה אל כדור הארץ, כך שאין הבדל בינה ובין הזכוכית השקופה בתחום זה. מטבלה 14.2.2.1 ניתן לראות כי הזכוכית הזו מצטיינת בכך שהיא מעבירה יותר אור, אולם יש לשים לב כי היא מעבירה 13.0% יותר קרינה אולטרה סגולה בתחום שבין 300 עד 400 ננומטר, רק 3.0% יותר בתחום הנראה ו15%- יותר בתחום האינפרה אדום. אך החשוב ביותר הוא שהאפקט הכולל נותן תחושה של שקיפות מרשימה.

באיור 14.2.3.3 מובאת ההעברה הספקטראלית של זכוכית באיכות גבוהה שפותחה ע”י חברת PPG הנזכרת לעיל, ראה [14.2.1.3]. לזכוכית הנקראת אזורלייט – ,Azurlite גוון כחלחל חלש. אנו רואים כי זכוכית זו מעבירה אמנם במקצת פחות אור נראה, אולם היא חוסמת הרבה יותר טוב מאשר הזכוכית השקופה את הקרינה האולטרה סגולה והקרינה האינפרה אדומה. זכוכית האזורלייט יקרה

יותר, כמובן, מזכוכית שקופה רגילה.

4

איור 14.2.3.3: ההעברה הספקטראלית של זכוכית אזורלייט –Azurlite PPG – (לפי [14.2.1.3]).

14.3 תהליכי העיבוד של הזכוכית
יצרני הזכוכית השטוחה מייצרים מיגוון רחב מאוד של סוגים כדי לעמוד בצרכי הזיגוג השונים והדרישות העיצוביות של טכנולוגית הבניה. כל יצרן משתמש בשמות מסחריים משלו כדי לתת ייחוד למוצריו וכולל בקטלוגים את הנתונים הטכניים של מוצריו. נתונים אלה כוללים את תכונות ההעברה של קרינת השמש, האור הנראה, הקרינה האולטרה סגולה והאינפרה אדומה, תכונות ההחזרה, תכונות מכניות, תכונות שחיקה, עמידה בדרישות בטיחות, צבעים שונים, גימורים שונים ודרישות מיוחדות, כמו עמידה בפני התקפה של אטמוספירות עויינות. נסביר כאן את התכונות האופייניות העיקריות של סוגי זכוכית שונים.

14.3.1 זכוכית מרוככת
הזכוכית המרוככת – – annealed glass הינה המוצר היוצא מתהליך הייצור של הזכוכית הצפה (float glass). תהליך הקרור האיטי, הכרחי כדי לסלק את כל המתיחויות והמאמצים בתוך לוח הזכוכית. מאמצים אלה עלולים להיווצר כאשר תהליך הקרור הוא מהיר מדי או בלתי אחיד. אז עלול הלוח להיות שביר מאוד ואפילו להישבר מעצמו. הזכוכית המרוככת בטוחה בפני שבר פתאומי כתוצאה מסילוק המאמצים הפנימיים, אולם החוזק המכני שלה קטן יחסית. זכוכית זו אינה מתאימה לשימושים בהם יש דרישות ביטחון ובטיחות גבוהות.

14.3.2 זכוכית פירוליטית
פירוליזיז – pyrolysis הינו טיפול כימי בחומר בהשפעת חום. הזכוכית הפירוליטית –         pyrolytic glass היא זכוכית שמוסיפים לה ציפוי או גוון בתהליך העיבוד, בו הזכוכית מחוממת מחדש עד למצב בו היא רכה. ציפוי כזה יציב מאוד כמו הזכוכית עצמה.

הטיפול בחום מנוצל גם למטרות נוספות, כמו הגדלת החוזק של הזכוכית והחיסום שלה, כפי שמוסבר להלן.

14.3.3 זכוכית מחוזקת בחום
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
הזכוכית המחוסמת – tempered glass עוברת גם היא חימום נוסף ולחץ גדול יותר מאשר הזכוכית המחוזקת, והקרור נעשה בקצב מהיר ביותר. מתקבלת זכוכית בעלת חוזק מכני גדול בהרבה מזה של הזכוכית המחוזקת בחום, עד בערך פי 4 מאשר בזכוכית מרוככת. תהליך החיסום מבטיח כי כאשר הזכוכית נשברת כתוצאה מלחץ או הלם מכני, היא מתרסקת לגושים קטנים, בלתי חדים שסכנתם קטנה. הזכוכית המחוסמת ניתנת להתקנה במקומות בעלי דרישות בטיחות גבוהות.

14.3.5 זכוכית מונוליטית
לאחר תהליך החיסום, לא ניתן לשנות דבר בלוח הזכוכית. לכן, יש לחתוך את הזכוכית למידה הדרושה וכן לתת לה את כל הציפויים והטיפולים הדרושים, לפני החיסום. במהלך החיסום מקפידים מאוד על מתן אחידות לעובי הלוח. כך, מגיע לוח הזכוכית לאתר הבניה בצורתו הסופית המוגמרת – המונוליטית – monolithic glass בלי שיהיה ניתן לעשות בה שום שינויים.

14.3.6 ציפויים
בנוסף לציפוי בשיטה הפירוליטית, שהוא בדרך כלל חלק מתהליך הייצור עצמו, מקובלת כיום שיטה משוכללת נוספת לציפויים של הזכוכית. לאחר ניקוי יסודי וייבוש, מוכנס לוח הזכוכית  לתא אטום. שמרוקנים מתוכו את האויר, ויוצרים וקואום. הציפוי המתכתי מותז אל הזכוכית בתוך שדה מגנטי –  MSVD-  magnetic sputter vacuum deposition. בדרך זו ניתן לקבל שכבות ציפוי דקיקות ואחידות. כאשר רוצים לתת מספר ציפויים על אותו לוח זכוכית, מתיזים את חומרי הציפוי בזה אחר זה –  MLMSVD- magnetic sputter vacuum deposition multilayer על אותו המשטח.

14.4 סוגי הזכוכית
תהליכי העיבוד שתוארו לעיל מהוים בסיס להמשך הייצור של סוגים רבים של זכוכית לצרכים ושימושים בתנאים שונים של אקלים, דרישות ארכיטקטוניות, מכניות ובטיחותיות. להלן מובא תאור של כמה סוגים נוספים.

14.4.1 זכוכית משוכבת
בסעיף 10.4 כבר תוארה הזכוכית המשוכבת – זכוכית הסנדביץ’ – Laminated Glass. השימשה עשויה משתי שכבות זכוכית, דקות יחסית, המודבקות לפילם מחומר פלאסטי, כמו פוליויניל-בוטיראט – polyvinyl butyrate, בעובי 0.8 מ”מ (“0.030), ראה איור 10.5.1. עובי שכבות הזכוכית נקבע בהתאם לחוזק המכני הדרוש, כאשר הפילם מודבק בין שתי השכבות.

עובי הפילם הפלאסטי, נע בין 0.5 מ”מ עד 2.0 מ”מ, לפי הדרישות. הפילם הפלאסטי יכול להיות שקוף או בעל תכונות נוספות, כגון חסימת קרינה אולטרה סגולה או בעל צבע. כפי שניזכר לעיל, הזכוכית המשוכבת נותנת בידוד אקוסטי טוב יותר מאשר שכבת זכוכית בודדת באותו העובי הכולל.

הלוח הפנימי של זכוכית משוכבת הינו תמיד שקוף. את תכונות ההעברה הדרושות ניתן להשיג או באמצעות הפילם הפלאסטי כפי שתואר לעיל, או על ידי בחירת זכוכית חיצונית עם תכונות ההעברה והגוון הרצויות. כמובן שניתן לשלב, למשל, זכוכית חיצונית בעלת גוון עם פילם מונע מעבר קרינה אולטרה סגולה ושילובים אחרים לפי הצורך.

14.4.2 זכוכית סלקטיבית
זכוכית שקופה מעבירה את האור הנראה (400 – 700 ננומטר) וקרינה אינפרה אדומה, הקרובה לאור הנראה – near infra red (700 – 1,500 ננומטר) , בשעור שווה פחות או יותר, כפי שמתואר באיור 14.2.3.1. יש להזכיר כי רק חלק זעיר מקרינת השמש המגיעה לכדור הארץ הינה באורכי גל שמעל ל1,500- ננומטר. במטרה לשפר את התיפקוד התרמי של הזכוכית, היינו, לשמור ככל האפשר על העברה גבוהה בתחום הנראה, אולם להקטין את העברת הקרינה בתחום האינפרה אדום, פיתחו היצרנים תוספים  או ציפויים לזכוכית, בעלי העברה סלקטיבית. השמות המסחריים מצביעים על התכונות האופייניות שבעזרתן רוצים לשווק את המוצר: “זכוכית בולעת חום” – heat absorbing glass, “זכוכית נוגדת חום” – heat resistant glass, ועוד.

יש לזכור היטב, כי כל זכוכית, בולעת כמות מסוימת של הקרינה העוברת דרכה. קרינה זו גורמת לעליה בטמפרטורת הזכוכית. ככל שמקדם המעבר נמוך יותר, תיבלע כמות גבוהה יותר של חום והזכוכית תתחמם יותר. חום זה מתפזר, גם פנימה אל תוך אויר החלל וגם החוצה אל האויר החיצון, באופן יחסי הפוך לטמפרטורות הפנים והחוץ. פרוש הדבר, שיותר חום מן הזכוכית יפלט בקיץ לתוך החלל המקורר מאשר החוצה. ולהיפך, יותר חום יפלט ממנה בחורף החוצה, כי הפנים חם יותר.

דוגמה טובה של זכוכית סלקטיבית היא זכוכית האזורלייט Azurlite, הניזכרת לעיל. ההעברה הספקטראלית שלה מתוארת באיור 14.2.3.2. עקומת מעבר הקרינה מראה כי הזכוכית מעבירה היטב את הקרינה בתחום הנראה, אולם חוסמת במידה ניכרת את הקרינה האינפרה אדומה הקרובה – near infrared.

היחס בין ההעברה בתחום הנראה להעברה בתחום האינפרה אדום הקרוב, שונה מסוג אחד של זכוכית למישנהו ומיצרן ליצרן. נתונים מדויקים ניתן לקבל בקטלוגים של יצרני הזכוכית.

הזכוכית הסלקטיבית מיוצרת במיבחר גדול של צבעים: אפור, תכלת, כחול, ירוק, זהב-ברונזה, חום ועוד. הצבע נבחר משיקולים עיצוביים-אסטטיים. אולם, כדי לעשות בחירה נכונה של סוג הזכוכית, יש לבדוק היטב את הנתונים הפוטומטריים המובאים בקטלוגים של היצרנים.

14.4.3 זכוכית רפלקטיבית
השימוש בזכוכית הרפלקטיבית מקובל כיום על ידי ארכיטקטים רבים. המראה הרפלקטיבי של הבנין נותן לו מימד של יוקרה.
התוספים או הציפויים שנסקרו בסעיף הקודם משנים את תכונות ההעברה של הזכוכית בתחומי הספקטרום השונים. דרך נוספת להקטין את כמות הקרינה החודרת דרך הזכוכית היא ציפוי רפלקטיבי על הדופן החיצוני שלה. היתרון התרמי הוא בכך שחלק מקרינת השמש הפוגעת במשטח מוחזרת עוד לפני שהיא חודרת אל תוך לוח הזכוכית ומחממת אותה. הציפוי הרפלקטיבי ניתן ליישום בשתי דרכים. התהליך היעיל ביותר הוא החדרה של תחמוצות מתכתיות לתוך אחד המשטחים של לוח הזכוכית, בתהליך העיבוד התרמי – הפירוליטי של הזכוכית מיד לאחר ייצורה. בתהליך זה מבטיחים כי הציפוי ישאר עמיד ולא יפגע במשך הזמן ע”י ניקוי, שיפשוף על ידי האבק ברוח, שריטה וחימום יתר. בדרך כלל ניתן הציפוי הרפלקטיבי על המשטח החיצוני של הזכוכית. השיטה השניה מתוארת להלן.

נוסף להקטנת כמות הקרינה החודרת דרך החלונות, מונעת הזכוכית הרפלקטיבית בשעות היום את האפשרות לראות דרך החלונות את הנעשה בתוך הבנין. לעומת זאת, האנשים בתוך הבנין יכולים לראות את הנעשה בחוץ. ללא ספק, שמשיגים בכך שיפור בתחושת הפרטיות של הנמצאים בתוך בנינים עם קירות מסך בעלי שטח זיגוג גדול. אולם יש להזהיר, כי המצב מתהפך בשעות החשכה. הזכוכית הרפלקטיבית מונעת ראיה דרכה מן הכיוון המואר יותר. בשעות החשכה דולק האור בתוך הבנין, ובחוץ שורר חושך. במצב זה, לא ניתן לראות מתוך הפנים החוצה, כפי שזה היה בשעות היום. אולם, זה אינו חשוב כל כך. החשוב הוא, שהאנשים בפנים חשופים וניתן לראות בנקל מבחוץ את כל הנעשה בפנים.

לעיתים, רוצים להתקין את הציפוי על זכוכית שקופה, בחלונות קיימים. במקרה כזה, ניתן להדביק פילם רפלקטיבי, המיוצר למשל על ידי חברת הענק האמריקאית M3, או לצפות את החלונות בצביעה, למשל, ע”י  צבע סלקטיבי של חברתSunX . בשתי השיטות הללו דרושה מיומנות בהדבקה או בצביעה. משך החיים של ציפוי בהדבקה או צביעה, מוגבל. החומר עלול לקבל שריטות בניקוי לא זהיר והוא מתנתק לאחר זמן מן הזכוכית ומתקלף ממנה.

שעור הרפלקטיביות נקבע על ידי עובי שכבת הראי. יש לבדוק היטב את הרפלקטיביות בתחום הנראה, מה שקרוי visible reflectance ורפלקטיביות עבור כל הספקטרום של קרינת השמש –

total solar reflectance. בדרך כלל, הערכים של ההחזרות הללו הם קרובים האחד לשני. כידוע, זכוכית שקופה מחזירה 6% עד 8% מהקרינה המגיעה אליה. באמצעות הציפוי הרפלקטיבי ניתן להגיע לרפלקטיביות של 35% ואפילו עד 40%.

נוסף לרפלקטיביות של ראי מוכסף, ניתן להוסיף לזכוכית את אחד הגוונים שהוזכרו לעיל, ולקבל זכוכית רפלקטיבית צבעונית.

יש להזהיר מהשימוש בזכוכית בעלת רפלקטיביות גבוהה עקב המיטרדים העלולים להיגרם. החזר קרינת השמש אל בנינים סמוכים עלול לשבש את המאזן האנרגטי שלהם, כאשר קרינת שמש תוחזר אליהם מבנינים סמוכים. באיור 14.4.3.1 מתואר מצב בו ניבנה מצפון לבנין קיים ובמקביל לו, עוד בנין חדש בו מותקנת זכוכית בעלת רפלקטיביות גבוהה. החזית הצפונית של הבנין הקיים מתחילה לקבל קרינת שמש בעונות שונות ובשעות שונות של היום, מכיוון בלתי צפוי – מן החזית הדרומית של הבנין החדש. ידועים מקרים בהם עלתה משמעותית הטמפרטורה של החדרים בחזית המקבלת את החזרי הקרינה, כאשר מערכת מיזוג האויר לא הספיקה לסלק את העומס התרמי הנוסף.

3

 
  

איור 14.4.3.1: החזר קרינת שמש מקיר דרומי של בנין אחד לקיר צפוני שלבנין סמוךאיזור בורסת היהלומים, תל אביב.

סכנה נוספת היא סינוור מוחזר מקיר הזכוכית הרפלקטיבית. הסינוור עלול להפריע לאנשים העובדים בבנינים סמוכים. ההחזר עלול להוות סכנה רצינית אם החזרי השמש מכוונים כלפי דרך ראשית. נהגים באותה הדרך עלולים לאבד רגעית את כושר הראיה עקב סינוור הבא בהפתעה מכיוון בלתי צפוי ולגרום חלילה לתאונות.

כדי להקטין את המיטרדים לשעור סביר, קיימות במדינות שונות תקנות האוסרות על שימוש בזכוכית שהרפלקטיביות שלה עולה על 20%, זאת, אם ההחזרים עלולים להגיע לבנין שכן או לדרך הומה.

14.5 קביעת עובי הזכוכית
עובי הזכוכית הדרוש בחלונות נקבע ע”י גודל השימשה בהתחשב בשיקולים שונים, בעיקר חוזק הלוח בפני עומס סטטי של הרוח (ביחידות ניוטון למ”ר), חבטה מכנית ובטיחות. תקן ישראלי – ת”י 1099 משנת 1981 [14.5.1], עם גליון תיקון משנת 1983 [14.5.2], קובע את העובי המינימלי של שימשת הזכוכית בחלון. בעת כתיבת שורות אלה, נמצאת בעיבוד מהדורה חדשה ומעודכנת של התקן.

בנוסף לשיקולים הניזכרים לעיל, מהווה מחיר הזכוכית ומשקלה גורם חשוב בבחירה. כמובן, ככל שעולה העובי מתייקר הזיגוג. גם משקל השימשה גדל ויש להתחשב בכך בחישובים הסטטיים-קונסטרוקטיביים.

בטבלה 2, בתקן משנת 1981, נקבע העובי  הדרוש לשימשת החלון לפי השטח שלה והקומה בבנין.

טבלה 14.5.1: קביעת עובי הזכוכית של חלונות

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

הערה: כאמור לעיל, התקן הישראלי נמצא בעיבוד מחדש. אי לכך, עשויים נתוני טבלה זו להשתנות.

14.5.1 מבנים בעלי סיכון רגיל
עובי הזכוכית בבנינים בעלי סיכון רגיל נקבע לפי טבלה מס’ 1 בגליון התיקון של התקן הישראלי הקיים, [14.5.2]. השטח המירבי לכל עובי של הזכוכית נקבע על ידי העומס הסטטי השקיל בניוטון למ”ר. חישוב העומס השקיל נעשה בעזרת משוואה הכוללת 3 מקדמים. המקדם הראשון נקבע לפי איזורי הארץ השונים. המקדם השני מביא בחשבון את הרום (הגובה) מעל מיפלס הים וכן האם האתר פתוח או מוסתר על ידי שוברי רוח או בנינים סמוכים. המקדם השלישי מתחשב בתנאי מיקום חריגים כגון פסגות, גאיות ואיזורים מוגנים במיוחד.

14.5.2 מבנים באזורי סכנה
|כאשר קיימות דרישות לבטיחות גבוהה מסיבה כלשהיא ובאיזורי סכנה. יש להגדיל את עובי הזכוכית ולהתקין זכוכית בעלת תכונות המקטינות את סכנת הפגיעה כאשר הזכוכית נשברת. למטרות אלה אפשר, לפי הצורך ולפי הדרישות של מומחי הבטיחות, לבחור באחד מן הסוגים הבאים:

זכוכית מחוזקת – זכוכית שנוצקת על רשת מתכת. זכוכית מחוסמת, כפי שתוארה לעיל.

זכוכית משוכבת, זכוכית סנדויץ, כפי שתוארה לעיל. העובי המינימלי של הזכוכית באיזורי סכנה נקבע אף הוא בטבלה נוספת בתקן הישראלי הנ”ל.

14.6 זיגוג רב שכבתי
כאשר נעיין, בטבלה 9.4.1 בפרק 9,  ניווכח כי שימשת החלון מספקת אמנם הפרדה פיזית בין החוץ לפנים הבנין ומבטיחה החדרה מעולה של אור היום. אולם, הבידוד התרמי שלה הוא ברמה נמוכה למדי. מאותה טבלה ניווכח כי עובי השימשה השקופה משפיע מעט מאוד על מקדם המוליכות התרמית ה- U value(בתנאי הארץ). בזכוכית בעובי 3.0 מ”מ, מגיע מקדם זה ל7.04- ואט למ”ר של שטח השימשה למעלת צלזיוס של הפרש הטמפרטורות בין החוץ לפנים. בהתאמה יהיה מקדם המוליכות התרמית עבור זכוכית בעובי 12.0 מ”מ – 6.62 ואט למ”ר למעלת צלזיוס. המשמעות היא כי הגדלת עובי הזכוכית פי 4 מביאה בסך הכל להקטנה של 6% במוליכות התרמית של החלון.

נניח שיש להבטיח בתוך הבנין טמפפרטורת נוחות של C0 20, וביום חמסין כבד תהייה הטמפרטורה בחוץ C0 40. ההפרש הוא 200. אם בחלונות, או קירות המסך של הבנין מותקנת, לדוגמה, שימשה בודדת של 6.0 מ”מ,  יהיה מקדם המוליכות התרמית  W/m2 0C6.91. בתנאים אלה, יעביר כל מטר רבוע של השימשה  חום בשעור של 138 ואט. משמעות הדבר, כי כל שעה יחדירו 7.0 מ”ר של שטח הזיגוג 1.0 ק”וט של חום מן החוץ פנימה. זהו חום הנוסף להעברה ע”י הקרינה שתחדור דרך אותם החלונות.

בתנאי החורף זרימת החום תהיה הפוכה, מן הפנים החוצה ועקב כך גדלות ההוצאות על החימום. אם נניח יום או לילה קרים, כאשר הטמפרטורה החיצונית תהיה בסביבת C 00. הפרש הטמפרטורות בין הפנים לחוץ יהיה גם במצב זה C 200 , והפסד העברת החום בהולכה דרך הזכוכית יהיה באותו שעור כמו תוספת החום ביום החמסין שחושב לעיל. כדי לשפר את התיפקוד התרמי של חלונות עם שיכבת זכוכית שקופה בודדת ניתן להתקין זכוכית סלקטיבית או זכוכית משוכבת שתוארו לעיל. אולם שיפור זה הוא חלקי ואינו מספיק באיזורים בעלי אקלים קשה. באיזורים קרים, הפרשי הטמפרטורה בין הפנים לחוץ עלולים להגיע ל300– ואפילו עד 400 ואף יותר. באקלים שלנו, כדאי לבדוק האם ניתן להגיע לחיסכון רב באנרגיה ובהוצאות אם יתחילו להתקין זיגוג כפול באיזורים החמים.

14.6.1 זיגוג כפול
שיפור ניכר בתיפקוד התרמי מושג כאשר מתקינים זיגוג רב שכבתי. בדרך כלל מסתפקים בזיגוג דו שכבתי, או כפי שמוקבל לאמר, זיגוג כפול, איור 14.6.1.1. כאשר האקלים הוא קיצוני, או כאשר רוצים להשיג בידוד תרמי מעולה, מתקינים גם זיגוג תלת שכבתי. שכבות הזכוכית מותקנות במרחק של 5 מ”מ עד 15 מ”מ ביניהן. בארצות הברית מקובל מירווח של  “1/2, היינו 12.5 מ”מ.

3

איור 14.6.1.1: חלון עם זיגוג  כפול.

הזיגוג הכפול מותקן בשטח גדול יחסית ולכן עובי הזכוכית הינו לפחות 4 מ”מ עד 6 מ”מ. בחלונות גדולים יותר יש להתקין זכוכית של 8 מ”מ עד 12 מ”מ בהתאם לגודל השימשה. העובי הכולל של החלון במקרים אלה עשוי להגיע ל12.0- מ”מ עד ל36- מ”מ. כדי שיהיה ניתן לציין את המשטח עליו נעשים הציפויים למיניהם, הוסכם למספר את המשטחים של הזיגוג, ראה איור 14.6.1.2. המשטח החיצוני, של הזכוכית החיצונית הוא משטח מס’ 1. המשטח הפנימי של זכוכית זו הינו משטח מס’ 2. המשטח הפונה החוצה של הזכוכית הפנימית הינו משטח מס’ 3 והמשטח הפנימי שלה הוא משטח מס’ 4.

3

                                    איור 14.6.1.2: מיספור משטחי הזיגוג הכפול.

14.6.2 מבנה השכבות
לוח הזכוכית הפנימי של זיגוג כפול הינו בדרך כלל לוח שקוף. העובי של הלוח הפנימי יכול להיות דק יותר מאשר הלוח החיצוני. למשל, בחלונות שיש להתקין זכוכית חיצונית של 6.0 מ”מ, מתקינים לעיתים מטעמי חיסכון, זכוכית פנימית בעובי של 4.0 מ”מ. עקב החשש של פגיעה מכנית מבפנים, נהוג להתקין בדופן הפנימי זכוכית מחוסמת.

הלוח החיצוני מקבל, לרוב בדופן הפנימי שלו (משטח מס’ 2), את הציפויים למיניהם. ציפוי רפלקטיבי ניתן כמובן, על משטח מס’ 1. במקרים רבים קיים יותר מציפוי אחד.

14.6.3 מסגרת החלון
התיפקוד התרמי של מסגרת החלון נידון בפרק 9, סעיף 9.4.2. המעבר ממסגרות העץ המסורתיות למסגרות מתכת, בעיקר אלומיניום, גרם להגדלת ההפסדים עקב הולכת החום הטובה של המתכת. דבר זה הביא לפיתוח של מסגרות בהן קיימת הפרדה תרמית בין החלק החיצוני לחלק הפנימי של המסגרת על ידי חומר בעל מוליכות תרמית נמוכה, ראה איור 9.4.2.2 ונתונים בטבלה 9.4.2. בארץ עדיין מתקינים לרוב מסגרות ללא הפרדה תרמית. אולם יצרני החלונות מציעים גם מסגרות יעילות יותר עם הפרדה, כמובן בתוספת מחיר.

14.6.4 החלל בין הזכוכיות
החלל שבין הזכוכיות צריך להימצא בלחץ אטמוספירי רגיל. גם נושא זה נידון בפרק 9, סעיף 9.4.3. כפי שהוסבר שם, נחוץ גז בחלל שבין הזכוכיות לאיזון הלחצים בין הפנים לחוץ. הגז צריך להיות יבש, ללא אידי מים. לרוב ניתן להסתפק באויר נקי ויבש. אולם, ניתן להקטין עוד יותר את הולכת החום דרך הגז על ידי שימוש בגזים אצילים כמו ארגון וקריפטון, וכן תערובת של כל הגזים הללו, ראה טבלה 9.4.3.

14.7 זכוכית עם פליטות נמוכה – Low emissivity glass

שיפור מהפכני בתיפקוד התרמי של חלונות הושג עם הפיתוח של ציפוי הנקרא “ציפוי עם פליטות נמוכה”  -Low Emissivity Coating .

14.7.1 פליטות – Emissivity
כל גוף שהטמפרטורה שלו גבוהה מטמפרטורת הסביבה, בדרך כלל האויר שמסביבו, פולט קרינה תרמית (קרינה בתחום הספקטרום האינפרה אדום). הפליטה יחסית להפרשי הטמפרטורות. אולם, היא תלויה גם בכושר הפליטה – הפליטות ה-emissivity או ה-emittance של המשטח. למשל, קומקום המצופה בשיכבת ניקל מבריקה, יפלוט פחות קרינה לאויר שמסביבו מאשר קומקום לא מבריק.

הפליטות, ה-emissivity או ה-emittance המסומנת באות e, מוגדרת כערך יחסי לשעור פליטת הקרינה התרמית של משטח כלשהוא, בהשוואה לפליטת הקרינה מגוף שחור, באותה הטמפרטורה. אי לכך, הערך המירבי של e מגיע ל- 1=e. ככל שהמשטח יהיה בעל כושר פליטת קרינה נמוך יותר, קטן הערך של e.

פליטת הקרינה ממשטחים שונים תלויה גם בכיוון ביחס למישור המשטח. לכן מגדירים מונח המתאר את הפליטה הממוצעת לכל הכיוונים האפשריים מאותו משטח, היינו, לכל הכיוונים המתארים חצי כדור. זוהי “פליטות חצי כדורית” emissivity    .hemisphericalלהלן כאשר נרשום פליטות – emissivity, תהיה הכוונה לפליטות חצי כדורית של קרינה תרמית. הקורא שירצה להעמיק יותר בפיזיקה של מעבר חום בכלל ותכונות הפליטה של חומרים ומשטחים, מתבקש לעיין בספרות המתאימה, למשל [14.4.7.1].

14.7.2 מעבר קרינה דרך זכוכית
מעבר קרינת השמש דרך הזכוכית תלוי בשני גורמים עיקריים, מקדם המעבר של הזכוכית בתחום הספקטרום הכולל של קרינת השמש ותכונות הפליטות של משטחי הזכוכית. נתונים על מקדמי המעבר של כמה סוגי זכוכית חד שכבתית נמצאים בטבלה 14.2.2.1 לעיל. נתונים נוספים ניתן למצוא בקטלוגים של היצרנים.

הפליטות של משטחי זכוכית, בגוונים שונים, כרשום בטבלה 14.7.2.1 להלן, הינה 0.840, היינו, 84% מהפליטות התיאורטית של גוף שחור. כאשר רוצים להקטין את מעבר הקרינה דרך הזכוכית, יש להקטין את הפליטות שלה. זאת ניתן לעשות על ידי ציפוי סלקטיבי, המחדיר קרינה בתחום הספקטראלי הרצוי, במקרה שלנו בתחום האור הנראה, ומקטין ככל האפשר את המעבר בתחום הספקטראלי הבלתי רצוי, במקרה שלנו בתחום קרינת החום, היינו, בתחום האינפרה אדום. ציפוי כזה נקרא, “ציפוי בעל פליטות נמוכה” – Low Emissivity Coating. הציפויים הללו רגישים ללחות באויר, ולכן לא ניתן להשתמש בהם בזיגוג בעל שיכבה אחת, והכרח להתקינם רק בחלל אטום – בין שתי השכבות של זיגוג כפול.

הקטנת הפליטה של הקרינה מהזכוכית תלויה במשטח עליו מותקן הציפוי. באקלים חם, כאשר יש להקטין את חדירת קרינת השמש אל תוך הבנין פנימה, צריך לתת את הציפוי על משטח מס’ 2, שהוא המשטח הפנימי של הזכוכית החיצונית, איור 14.7.2.1 – א. באקלים קר, כאשר רוצים למנוע בחורף פליטה של קרינה מתוך הבנין החוצה, יש להתקין את הציפוי על משטח מס’ 3 של הזיגוג הכפול, היינו, על המשטח החיצוני של הזכוכית הפנימית, איור 14.7.2.1 – ב. אם רוצים להקטין את

מעבר הקרינה בשני הכיוונים, יש להזמין זיגוג עם ציפוי LowE, הן על משטח מס’ 2 והן על משטח מס’ 3, זיגוג כזה יהיה, כמובן, יקר יותר מאשר ציפוי על משטח אחד בלבד.

3

איור 14.7.2.1: המשטח עליו ניתן ציפוי ה-Low E.

 א – על משטח מס’ 2 לאקלים חם.

ב – על משטח מס’ 3 לאקלים קר.

פתרון נוסף להקטנת מעבר הקרינה בשני הכיוונים, מוצע ע”י חברת MIRROR HEAT באר”הב.  הציפוי ניתן על שני צדדים של פילם פלסטי העשוי ממילר – Mylar שהוא פילם בעל חוזק רב. הפילם נמתח בתוך מסגרת החלון באמצע רווח שבין הזכוכיות, איור 14.7.2.2. הציפוי על הפילם זול יותר מאשר על לוחות הזכוכית, אולם ההרכבה של מערכת החלון מורכבת יותר ולכן גם יקרה יותר.

3

איור 14.7.2.2: זיגוג עם פילם Low E לשני הכיוונים באמצע המירווח בין הזכוכיות.

בטבלה 14.7.2.1 להלן מובאים, לדוגמה, ערכים של פליטות – emissivity של כמה זכוכיות. כדי שניתן יהיה להשוות את הערכים, מובאים בטבלה ערכים עבור זכוכית בעובי של 6.0 מ”מ, הלקוחים ממראה מקום [9.6] לעיל. מן הטבלה אנו מוצאים כי הגוון של הזכוכית לא משפיע על הפליטות שלה. פרושו של הדבר הוא, שהפליטות של זכוכית בגוונים שונים אינה שונה. אולם ציפוי רפלקטיבי מבריק, היינו ציפוי ראי, מקטין את הפליטות כמו בדוגמה של הקומקום שניזכרה לעיל. השינוי המשמעותי בא הודות לציפוי המיוחד  ה-Low E.

 כאמור, ציפוי ה-Low E על משטח מס’ 2 של הזיגוג הכפול מקטין את פליטת הקרינה מהחוץ פנימה. לכן, הוא מתאים לבנינים באיזורים חמים. ציפוי ה-Low E על משטח מס’ 3 מקטין את פליטת הקרינה מבפנים החוצה, לכן הוא מתאים לבנינים באקלים קר.

14.7.3 השיטות להתקנת שכבת הפליטות הנמוכה

כל הזמן נאמר כי שכבת ה-Low E  הינה ציפוי. למען הדיוק, כדאי להסביר כי קיימות כמה שיטות ליצירת השכבה הזו.

הציפוי הפירוליטי
הזכרנו לעיל את שיטת העיבוד הפירוליטי של הזכוכית, מתיזים על הזכוכית את חומר הציפוי כאשר הזכוכית עדיין חמה ורכה. החומר נספג לתוך הזכוכית והוא עמיד מאוד. אולם, בציפוי Low E פירוליטי, ניתן להשיג שכבת Low E דקה, שהפליטות שלה לא מספיק נמוכה. מתקבל מוצר שמקדם ההצללה שלו בין 0.50 ל0.60-. זהו מקדם הצללה בינוני ואינו מבטיח בידוד תרמי משובח. כדי לקבל בידוד תרמי משביע רצון יש להבטיח מקדם הצללה שהוא מתחת ל0.50-. לשם כך נחוצה שכבת Low E יעילה יותר.

פילם Low E מודבק לזכוכית
על פילם פלסטי בעל חוזק מכני רב, ועמיד בקרינה, בדרך כלל מילר Mylar, או חומר דומה, יוצרים שכבה של  פליטות נמוכה באמצעות שיטת ה- MSVD-  magnetic sputter vacuum deposition. בשיטה זו מכניסים גליל שלם של הפילם השקוף לתוך תא הוקואום. לאחר הורקת האויר, מתחיל תהליך רציף של גלילת הפילם תוך ההתזה בשדה המגנטי. למען האמת, תהליך זה הוא מורכב למדי ודורש התזה של מספר גדול של שכבות אחת אחרי השניה. לאחר היצור מועבר הפילם עם שכבת ה- Low E, לאולם בו חותכים את הזכוכית למידה הדרושה, ומדביקים עליה את הפילם. לאחר מכן מועברת הזכוכית עם הפילם המודבק לחיבור והדבקה למסגרת של שימשת הזכוכית הכפולה. כמובן שיש להקפיד שהפילם ימצא או על משטח מס’ 2 או על משטח מס’ 3 כדי שהוא ימצא בחלק הפנימי של הזיגוג.

פילם Low E באמצעמ המירווח
בסעיף 14.7.2 הזכרנו שיטה לייצור זכוכית עם פליטות נמוכה באמצעות פילם באמצע חריץ האויר. פילם כזה ניתן לייצר עם ציפוי על שני הצדדים, וכך מתקבל זיגוג בעל פליטות נמוכה לשני הכיוונים, המבטיח בידוד תרמי ברמה גבוהה מאוד. אולם, הזיגוג הופך למעשה לתלת שכבתי. תהליך הייצור של זיגוג זה יקר בהרבה, ולכן מחירו גבוה ממחיר זיגוג Low E הדו שכבתי הרגיל.

טבלה 14.7.2.1: מקדמי העברה, ההחזרה והפליטות – emissivity של סוגי זיגוג.

(עובי 6.0 מ”מ, אם לא סומן אחרת).

סימון:   לוח הזכוכית החיצוני: 1 – משטח חיצוני, 2 – משטח פנימי.

לוח הזכוכית הפנימי:  3 – משטח חיצוני, 4 משטח פנימי.

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
הכרומיות הינה תכונה של חומר מעביר אור המשנה את השקיפות שלו, היינו מקדם המעבר דרכו, בהשפעת קרינה או שדה חשמלי [14.8.1.1], [14.8.1.2], [14.8.1.3], [14.8.1.4].

14.8.2 פוטוכרומיות
כידוע, ניתן לשנות את השקיפות של העדשות במשקפי ראיה, על ידי השימוש במה שקרוי “זכוכית פוטוכרומית” -photochromic glass . זכוכית זו נהיית כהה יותר, היינו, מקדם העברת האור יורד, כאשר היא מוארת באור חזק, איור 14.8.2.1, ראה מקור [14.8.2.1]. הזכוכית מתבהרת, משמע מקדם העברת האור גדל, כאשר עוצמת האור הפוגע בה יורדת. התגובה באה הודות לשינוי במיקום ההדדי של הפרודות מהן עשויה הזכוכית בהשפעת קרינת האור. קרינה בתחומי הספקטרום האחרים, היינו בתחום האולטרה סגול והאינפרה אדום גורמת להשפעה קטנה על השקיפות. שינוי זה במיקום פרודות הזכוכית אינו משפיע על תכונות אחרות, למשל, החוזק והצורה של עדשת הזכוכית. התהליך הוא הפיך, לכן אין צורך באנרגיה נוספת כלשהיא להפעלת התהליך בשני הכיוונים. אולם לאחר שהזכוכית, למשל, זכוכית עדשת המשקפיים שהוזכרו לעיל, ייוצרה, אין לנו שליטה על קצב השינוי בשקיפות. השינוי מוכתב אך ורק ע”י עוצמת ההארה. לא נוכל להשאיר את הזכוכית בשקיפותה המלאה, אם נרצה מסיבה כלשהיא לא להכהות אותה כאשר עוצמת אור גבוהה.

3

איור 14.8.2.1: תגובה ספקטראלית אופיינית של זיגוג פוטוכרומי.

14.8.3 תרמוכרומיות
בדומה לפוטוכרומיות, ניתן בעזרת הרכב שונה של התוספים ליצור זכוכית בה השינוי בשקיפות ניגרם על ידי קרינת חום, היינו קרינה אינפרה אדומה, מן השמש או מכל מקור חום אחר. אנו קוראים לתהליך תרמוכרומיות, ולזכוכית כזו “זכוכית תרמוכרומית” – thermochromic glass. היא מגיבה, כאמור, בעיקר על החלק האינפרה אדום של הספקטרום, איור 14.8.2.2, ראה מקור [14.8.2.1].

גם בזיגוג התרמוכרומי, השינוי בשקיפות תלוי אך ורק בשינוי בעוצמת הקרינה. אין לנו דרך לשלוט בשקיפות אם ברצוננו להשאיר את הזיגוג שקוף במצב של הקרנה חזקה.

14.8.4 אלקטרוכרומיות
\הסברנו לעיל, כי מהלך השינוי הפוטוכרומי והשינוי התרמוכרומי מוכתבים חד משמעית בתהליך הייצור. לאחר מכן, השינוי במעבר הקרינה בתחום הנראה, או בתחום האינפרה אדום, יקבע אך ורק על ידי עוצמת הקרינה הפוגעת.

5

איור 14.8.2.2: תגובה ספקטראלית אופיינית של זיגוג תרמוכרומי.

כדי להגיע להצללה יעילה של חלונות באמצעים כרומיים, אנו מעונינים בשליטה על קצב השינוי בשקיפות. לשם כך פותחה הכרומיות הניתנת לויסות ע”י זרם חשמלי – האלקטרוכרומיות. זכוכית אלקטרוכרומית – electrochrimic glass מורכבת משתי שכבות של זכוכית רגילה, אשר ביניהן מותקנות כמה שכבות המאפשרת ויסות שעור השקיפות על ידי זרם חשמלי זעיר, הניתן לשליטה של מערכת הבקרה לפי תיכנות הרצוי לנו.

14.8.5 מיבנה השיכבה האלקטרוכרומית
שיכבת הציפוי האלקטרוכרומי, שבין הזכוכיות החיצוניות, מורכבת מ5- שכבות ביניים שונות, אותן מצפים אחת אחרי השניה, כמתואר באיור 14.8.5.1. השיכבה האלקטרוכרומית פועלת כקבל חשמלי. שתי השכבות החיצוניות השקופות, משמשות כמגעים – אלקטרודות המוליכות חשמל. כאשר מחברים אותן למקור זרם ישר, למשל סוללה חשמלית, יווצר באחת האלקטרודות מטען חשמלי חיובי ובשניה מטען חשמלי שלילי, היחסי למתח החשמלי שבין האלקטרודות. 3 השכבות האלקטרוכרומיות מבודדות מן האלקטרודות ואין מעבר זרם בינן ובין האלקטרודות. בתנאים אלה נוצר שדה חשמלי – בין האלקטרודות השקופות, כמו בכל קבל. שדה חשמלי זה גורם להחלפת יונים בין השכבות האלקטרוכרומיות. כתוצאה מכך משתנה השקיפות, היינו, משתנה שעור העברת הקרינה דרך כל הזכוכית.

6

מבנה השכבות: 
1 – מוליך חשמל שקוף
2 – אלקטרודה נגדית
3 – מוליך-מחליף יונים
4 – פילם אלקטרוכרומי
5 – מוליך חשמל שקוף

איור 14.8.5.1: שכבות הציפוי האלקטרוכרומי

14.8.6 תכונות הציפוי האלקטרוכרומי
הזיגוג האלקטרוכרומי נמצא בשלבי פיתוח מתקדמים, אולם עדיין לא הגיע לשימוש נירחב. הוא מנוצל למטרות מיוחדות, למשל, החלון בתא הטייס של מטוסים חדשים. הוא עדיין יקר מדי לשימוש המוני, אולם הציפיות מזיגוג זה הינן גדולות מאוד, והוא כבר קיבל כמה שמות מחמיאים כגון: The Smart Window – החלון החכם. התחזיות לייצור המוני ובמחירים מתקבלים על הדעת הינן אופטימיות, ויצרני הציפויים ויצרני הזכוכית מתחרים קשות על הבכורה להוצאת מוצר אמין לשיווק המוני.

אין ספק, שכאשר תתממשנה הציפיות, תתחולל מהפכה גדולה בתחום הזיגוג. הזיגוג האלקטרוכרומי יתן לראשונה אפשרות לבקרה דינמית של החלק השקוף במעטפת הבנין.

כאשר הזיגוג הזה יגיע לשוק, יהיה ניתן להשיג אותו במיבחר של תכונות כדי להתאימו לצרכים. בשלב זה נביא בטבלה הבאה כמה מן התכונות של ציפוי אלקטרוכרומי, כפי שהן ידועות בשלב הנוכחי.

טבלה 14.8.5.1: תכונות של אופייניות של זיגוג אלקטרוכרומי

                                                                               מצב בהיר              מצב כהה

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                                                     5 – 1 וולט

1 – 5 וולט

 

זיכרון                                                               1 – 24 שעות

1 – 24 שעות

 

מהירות השינוי המלא                                           1 – 60 שניות

1 – 60 שניות

 

מחזורי פעולה למשך חיי השיכבה                                עד מיליון מחזורים

עד מיליון מחזורים

 

משך החיים

5 – 20 שנים

 

טמפרטורות הפעולה התקינה                                               C 00  עד C 700

C 300 – עד C 700

 

14.8.7 החיסכון הצפוי באנרגיה

מלימוד התכונות הידועות של זיגוג אלקטרוכרומי ניתן לחזות את פוטנציאל החיסכון באנרגיה, כאשר תגיע טכנולוגיה זו לשלב של ייצור המוני. התחזיות היו והינן אופטימיות, אולם כאמור הפיתוח עדיין נמשך ואין לדעת מתי ייצא מוצר זה לשוק, ומה יהיה מחירו.

החיסכון הצפוי מזיגוג אלקטרוכרומי נובע מן האפשרות של בקרה דינמית מתוכננת שתביא בחשבון את מצב קרינת השמש וקרינה מהרקיע בכל רגע מצד אחד, ואת הדרישה של החלל לאור וחום מצד שני. בדרך זו יהיה ניתן לעשות אופטימיזציה של הספקת האנרגיה לקרור והספקת תאורה טבעית או חשמלית אלטרנטיבית. איור 14.8.7.1 מביא באופן סכמתי את המאזן של דרישת האנרגיה החשמלית לתאורה, מול דרישת האנרגיה לקרור למ”ר של שטח החלל.

7

            איור 14.8.7.1: צריכת האנרגיה החשמלית בקוט”ש למ”ר לתאורה וקרור של החלל כתלות בסוג הזיגוג.

אנו רואים מן האיור כי זכוכית החלונות המקובלת לסוגיה השונים, השקופה, הסלקטיבית בעלת הגוון, והרפלקטיבית, גורמות לצריכה גבוהה של אנרגיה חשמלית. הזכוכית השקופה הרגילה, מחדירה הרבה אור יום ומביאה לחיסכון בצריכת האנרגיה לתאורה, אולם היא גורמת לצריכה גבוהה לקרור. הזכוכיות בעלות הגוונים השונים, שקיפותן נמוכה בהשוואה לזכוכית השקופה. הן צורכות פחות אנרגיה לקרור, אולם הן גורמות לעליה בצריכת האנרגיה לתאורה. הזכוכית הרפלקטיבית מקטינה בהרבה את צריכת האנרגיה לקרור, אולם עקב שקיפותה הנמוכה, היא מחדירה רק אחוז נמוך של אור היום ובך עולה צריכת האנרגיה לתאורה.

כפי שניתן לראות בנקל מן האיור, הזיגוג האלקטרוכרומי לסוגיו, היינו, הפוטוכרומי. התרמוכרומי והאלקטרוכרומי יאפשרו חיסכון משמעותי באנרגיה. אולם, ללא ספק שהתיפקוד הדינמי של הזיגוג האלקטרוכרומי יהיה בעל הפוטנציאל הגדול ביותר לחיסכון בצריכת האנרגיה בבנינים.

לא נותר לנו אלא לקוות שהזיגוג האלקטרוכרומי יגיע ליישום המוני בעתיד הקרוב.

14.9 זכוכית ארכיטקטונית

כמה מיצרני הזכוכית הגדולים מייצרים זכוכית בעלת ציפוי עם צורות גיאומטריות שונות כמתואר באיור 14.9.1. חברת PPG נתנה לזכוכית זו את השם “PATTERNLITE GLASS”. חומר הציפוי עשוי מזכוכית boro-silicate טחונה דק מאוד. מוסיפים אליה פיגמנטים אנאורגניים בעלי הצבע הרצוי ומתקבל חומר הקרוי Frit Ceramic.  ה-Frit מותז על לוח הזכוכית דרך רשת של הצורה הרצויה או על כל השטח. לאחר מכן עוברת הזכוכית חימום עד לטמפרטורה של C 620(F 11500),  כך שהציפוי הקרמי הופך לחלק אינטגראלי של הזכוכית.

מגוון הצבעים כולל שחור, אפור, חום, כחול, ירוק ואפרסק.

באיור 14.9.1 נתונות 3 צורות בסיסיות. כמובן שלפי הזמנה מיוחדת בכמות גדולה ניתן לקבל את הצורות הללו בהרכבים שונים של השטח האטום והשקוף, וכן צורות אחרות לפי בחירת הארכיטקט המתכנן.

היתרון של זכוכית כזו הוא כי היא אינה מסתירה את המראה החוצה, אולם, היא מקטינה כמות הקרינה החודרת אל תוך המבנה ובכך קטן העומס התרמי בעונה החמה והסינוור קטן בכל ימות השנה.

החסרון הגדול של זכוכית ארכיטקטונית זו הוא מחירה היקר. היא מיוצרת בכמויות קטנות יחסית ולכן הוצאות ייצורה גבוהות בהכרח.

8

איור 14.9.1: זכוכית ארכיטקטונית – בעלת ציפוי עם צורות גיאומטריות.

14.10 זכוכית מסתירה
הזכוכית המסתירה – או בכינויה המוכר יותר ה-Spandrel Glass. זוהי זכוכית אטומה למעבר קרינה, אולם היא שומרת על הצבע והמראה כמו זכוכית שקופה בעלת אותו הגוון. זכוכית זו משמשת להסתרה ואטימה של חלק מחזית הבנין תוך שמירה על המראה האחיד של קירות המסך. היא מיוצרת באותה הדרך שתוארה לעיל לזכוכית הארכיטקטונית.

מתקינים זכוכית זו, למשל, מתחת לסף החלונות עד רצפה. בחלק אטום זה של קיר המסך ניתן להתקין מבפנים מערכות של צנרות, הספקות ושאר פריטי בנין שאינם ניראים כלפי חוץ.

14.11 לבני זכוכית
לבני הזכוכית – glass blocks או glass bricks הינן מוצר העשוי זכוכית כפולה, איור 14.11.1, בגודל של 100x  100 מ”מ עד 300x  300 מ”מ. העובי הוא 50 עד 100 מ”מ. הלבנים עשויות לרוב מזכוכית שקופה, אולם הן מעבירות  האור בצורה מפוזרת, כך שהמראה בשני הכיוונים מוסתר.

לבני הזכוכית מנוצלות לבנית קירות דקורטיביים בבניני מגורים, בבניני ציבור, במבני תעשיה, מרכזי ספורט חדרי מדרגות ועוד.

9

איור 14.11.1: לבני זכוכית

14.12 יצרני זכוכית
הזכרנו כבר את חברת פילקינגטון – Pilkington מאנגליה ואת חברת Pittsburgh Plate Glass – PPG מאר”הב. נוסיף שמות של כמה יצרני זכוכית נוספים לאיזון: חברת סנט גוביין – Saint Gobain מצרפת, ראה [14.11.1], חברת  Glaverbelמבלגיה, חברת ל”ופ -LOF – Libbey-Owens-Ford   מאר”הב וחברת Viracon גם היא מאר”הב.

חברת פניציה במפרץ חיפה, ייצרה בעבר זכוכית לחלונות. כיום היא נמצאת באיזור התעשיה בציפורי והיא משווקת מוצרי זכוכית שונים, ביניהם זכוכית משוכבת בעוביים וגוונים שונים. כמו כן, קיימות חברות רבות הרוכשות זכוכית מהיצרנים הגדולים ומוסיפות עיבודים וציפויים בצבעים שונים ומוכרות את הזכוכית המוגמרת בשמן המסחרי ליצרני חלונות וקבלני בניה. הזכרנו חברה כזאת – Heat Mirror מאר”הב, המיצרת זכוכית עם ציפויים מעולים של Low E. כמו כן נזכיר את חברת Ipasol  מגרמניה.

מראי מקום לפרק 14:

[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.

14.2 Clear plate glass

Numerous kinds of flat, transparent glass, known as clear plate glass, already exist for a multitude of purposes. Regular clear plate glass is used primarily for windows. It contains a number of additives as noted below, including iron oxides. This is what makes it appear faintly green when looked at from the side.

In many instances, glass of extremely high transparency is requested, such as in museums or luxury buildings. It allows top level visibility connection between inside and out. In such places, highly transparent glass is installed. The most famous example is the modern pyramid outside the Louvre in Paris. Positioned at the center of a huge plaza, surrounded by palaces, it made the museum internationally famous, allowing the viewer inside to see everything surrounding it.

This glass is also used for specific purposes such as picture framing. The glass is made with less additives, particular with no iron, which makes it appear white, and also makes it a lot more expensive than regular glass. Known as Starphire, it is more fully described below.

14.2.1 Chemical composition

The chemical composition of clear plate glass according to the Pittsburgh Plate Glass company of USA [14.2.1.2, 14.2.1.2] is presented in table 14.2.1.1 below.

Table 14.2.1.1: Chemical composition of clear glass and very clear glass

 Float clear glassStarphire float glass
Silicone Dioxide73.0%73.0%
Sodium Oxide14.0%15.0%
Calcium Oxide9.0%10.0%
Trace Elements4.0%2.0%

14.2.2 Optic characteristics

The thermal properties of some types of glass appear in table 9.4.1 above.

The following table presents transmission and return characteristics for clear glass of different thicknesses. Data is from the following source [14.2.1.1]

Table 14.2.2.1: Optical characteristics and weight per sq.m. for different thickness of clear glass

             Transmission Return   

   Glass

thickness

  UV

  Visible

light

Infra

red

Overall

solar

radiation

  Visible

light

Overall

solar

radiation

 Shading Weight
   mm.    %   %   %   %   %   % 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
            

This table shows that the changes in optic characteristics for regular glass once the thickness increases is not equal for the various aspects of the spectrum. The change in transmission of solar radiation strongly impacts the glass system’s functioning. Figure 14.2.2.1 presents the course of changes across the spectrum as dependent on the thickness of the glass pane.

Figure 14.2.2.1Transfer of solar radiation across the spectrum as dependent on glass thickness

We can also demonstrate this important change in the table below. Increasing the thickness of the glass pane from 3.0 mm, which is the accepted thickness for windows of up to 1 sq.m. in homes, to a thickness of 12.0 mm as required in areas with windows of 7 sq.m. and more, table 14.2.2.2 (below) shows the change in percentage of transmitted radiation across the spectrum.

Table 14.2.2.2

Transfer of radiation through clear glass dependent on change of glass thickness from 3 mm to 12 mm

Spectral field

Change in transmitted radiation

UV

Reduces by 24%

Visible light

Reduces by only 5%

Infrared

Reduces substantially by 64%

Solar radiation, including all three

spectra noted above

Reduces by 30%

Of course, the weight of the glass pane increases relative to thickness.    

14.2.3 Spectral transmittance

Transmittance across the range of solar radiation, starting from 300 nanometers up to 2100 nanometers, through clear plate glass, is presented in figure 14.2.3.1 below:

Figure 14.2.3.1: Spectral transmittance through clear glass (according to 14.2.1.1)

The spectral transmittance through extremely clear glass is presented in figure 14.2.3.2 below, with data for Starphire glass by PPG

Figure 14.2.3.2: Spectral transmittance of extremely clear PPG Starphire glass (according to 14.2.1.2)

The extremely clear glass does admittedly let more visible light penetrate compared to regular glass, but it is worth noting that it also allows far more UV light through, which causes damage to materials within the building, and also far more infrared gets through, which represents much greater heat.

 

As is known, solar radiation reaching Earth contains almost no wavelengths shorter than 300 nanometers. This radiation is blocked by the ozone layer. From the graph we see that regular glass does not transmit radiation below 300 nanometers, even if this radiation would be able to reach us. The glass does however transmit a good proportion of radiation in the ultraviolet range between 300 to 400 nanometers. The highest level of transmission is in the range of visible light. Regular glass also transmits a substantial quantity of the hot infrared radiation, up to wavelengths of over 2,000 nanometers.

The extremely transparent light is able to transmit radiation with wavelengths of less than 300 nanometers, but as was explained above, this radiation does not reach Earth, so that equates it with regular glass for this aspect. From table 14.2.2.1 we can see that this glass excels because it allows higher penetration of light, but it also allows in 13.0% more UV in wavelengths of 300 to 400 nanometers, only 3.0% more in the visible range, and 15% more infrared. The most important element, however, is the overall, impressive effect this glass offers.

Figure 14.2.3.3 presents the spectral transmittance of the high quality glass developed by PPG, as noted earlier [see 14.2.1.3]. This glass, known as Azurlite, has a pale bluish tone. We can see that this glass lets in a little less visible light, but it blocks a great deal more UV and infrared than regular glass.

Azurlite is understandably more expensive than regular glass.

Figure 14.2.3.3: Spectral transmittance for PPG Azorlite glass [see 14.2.1.3]

14.3 Glass processing

Manufacturers of plate glass produce a wide range of types to cover diverse glazing needs and design requirements of construction technologies. Every manufacturer uses its own brand name as a way of presenting the product as unique, and provides catalogs with technical data. The data also presents transmittance of solar radiation, visible light, UV and infrared, returned light, mechanical characteristics, wear and tear, upholding of safety requirements, hues and finishes, as well as special requirements such as resistance to hostile atmospheres.

Below is an explanation of the main characteristics of different types of glass.

14.3.1 Annealed glass

Annealed glass is the outcome of the float glass production process. Slow cooling is vital for removing all tension and stress within the pane of glass. Stress can occur when the cooling process is too fast or not uniform, making the plate of glass very brittle, and even causing it to break. Annealed glass offers greater safety against sudden shattering as a result of having internal stress removed, but its mechanical strength is relatively small. This glass is not suited to uses with high security and safety needs.

14.3.2 Pyrolysis glass

Pyrolysis is a chemical treatment under heat. Pyrolitic glass receives a coating or hue during the production process, with the glass reheated until softened. The coating is very stable, as is the entire sheet of glass.

Treating the glass with heat is also used to other advantages, such as increasing its strength and tempering, as explained below.

14.3.3 Heat strengthened glass

After regular production, this glass undergoes another treatment with heat and pressure. It is reheated at a temperature that brings it close to softening, then cooled at fast speed. Following the treatment, its mechanical strength is doubled, compared to annealed glass. This glass is still not considered safety glass.

14.3.4 Tempered glass

This glass also undergoes reheating and higher pressure than heat strengthened glass. The cooling process is also a lot faster. The outcome is glass with much higher mechanical strength than heat strengthened glass, and up to 4 times stronger than annealed glass. The tempering process ensures that when the glass breaks resulting from pressure or mechanical shock, it shatters into small lumps which, not being sharp, means there is very little danger involved.

Tempered glass is suited for installation in places where high safety levels are required.

14.3.5 Monolithic glass

Following the tempering process, no further alterations can be made to the plate of glass. Therefore it must be cut to the appropriate size and given coatings and other treatments before tempering. During tempering meticulous attention is paid to uniform thickness. Monolithic glass is then delivered to the building site in its final form and size. No additional changes can be made to it.

14.3.6 Coatings

In addition to pyrolitic coating, which is usually part of the production process itself, it is currently common to employ additional advanced coating methods. After thoroughly cleaning and drying the glass, the plate is inserted into a sealed chamber from which the air is drawn out to create a vacuum. A metallic coating is sprayed onto the glass within a magnetic field in a process known as magnetic sputter vacuum deposition or MSVD. This allows for fine, uniform layers of coating to the glass. When several layers are wanted, the process is termed MLMSVD – multi layer magnetic sputter vacuum deposition.

14.4 Types of glass

The processes described above are the basis for production of many types of glass suited to diverse conditions such as climate, or architectonic, mechanical and safety requirements. Several additional types of glass are described below.

14.4.1 Laminated glass

Laminated ‘sandwich layers’ glass is described in section 10.4. This glass is made of two layers of relatively thin glass, glued to a film of plastic material such as polyvinyl butyrate, of a thickness of 0.8 mm (0.03”) as shown in figure 10.5.1. The thickness of the glass layers is determined according to the required mechanical strength, with the film glued between the two layers.

The thickness of the plastic film is between 0.5 to 2 mm, based on the requirements. The plastic film can be transparent or have additional characteristics such as UV radiation blocking or a tint. As noted above, laminated glass offers better acoustic insulation than a single pane of regular glass of the same total thickness.

The internal layer of laminated glass is always transparent. The required transmittance characteristics can be reached through the plastic film as described above, or by choosing an external glass with the necessary transmittance characteristics and tint. It is also possible to create combinations, for example an external tinted layer with UV blocking film, or any other combinations.

14.4.2 Selective glass

Clear glass transmits visible light (400 to 700 nanometers) and infrared, which is near the range of visible light (700 to 1,500 nanometers) at more or less equal rates, as shown in figure 14.2.3.1. Only a small amount of sunlight reaching Earth is in wavelengths of over 1500 nanometers.

Improving the function of thermal glass, which means preserving transmittance of as much visible light as possible while simultaneously reducing infrared light, manufacturers developed additives or coating for glass with selective transmittance abilities. The commercial brand names indicate the typical characteristics which help market the glass, such as: heat absorbing glass, heat resistant glass, and so on.

It is important to keep in mind that all glass absorbs a certain amount of radiation passing through it, causing the temperature of the glass to rise. The lower the transmittance quotient, the more heat will be absorbed and the glass will become hotter. The heat disperses, including into the air of the space inside as well as the air outside, in inverse proportion to the internal and external temperatures. What this basically means is that more heat is expelled into the cooler internal space in summer than into the external space, and in winter, more heat will be expelled to the outside since it is warmer inside.

A good example of selective glass is Azurlite, already mentioned above. Its spectral transmittance is presented in figure 14.2.3.2. The graph shows how the glass transmits visible light well, but substantially blocks both infrared and near-infrared.

The ratio between visible and near-infrared light is different from one type of glass to another, and from one manufacturer to another. Each manufacturer’s catalog provides the data for its glass.

Selective glass is produced in a wide range of colors: gray, light blue, blue, green, bronze-gold, brown and more. The color is usually chosen based on esthetic style considerations. However, choosing the right kind of glass should still rely on thoroughly examining the photometric qualities presented in the manufacturer’s catalog.

14.4.3 Reflective glass

Architects commonly use reflective glass, which add a dimension of prestige to a building. The additives and coatings described above alter transmittance of various light spectra. Another way to reduce the quantity of light transmittance through glass is to add an externally applied reflective coating. The thermal advantage is that part of the solar radiation hitting the glass is returned even before penetrate the plate of glass and warming it.

Reflective coatings can be applied in two ways. The most effective is penetration of metal oxides into one of the glass plates during the thermal pyrolitic processing immediately after production of the glass. This process ensures the coating’s stability over time despite cleaning, wind and dust abrasion, scratching, heating and so on. Usually the reflective coating is applied to the outward facing side. The second method is described below.

In addition to reducing the quantity of radiation penetrating the windows, reflective glass also prevents looking through the glass from the outside in during daylight hours. By contrast, people inside the building can see out. This undoubtedly provides a greater sense of privacy to those inside buildings with glass curtain walls. It should be noted, however, that the inverse occurs at night, when the reflective glass prevents people in the more strongly lit internal space from seeing outside, but allows outsiders in the darker space to see in, leaving those indoors with no privacy at all.

Occasionally a request is made to add the coating to existing clear glass windows. In such cases, a reflective film can be attached, such as that made by the American mega company 3M, or the windows can be coated by painting on a selective screen produced by SunX. Both methods require skillful application. The lifespan of the film or paint is limited, the coating can scratch during insufficiently careful cleaning, and over time this layer peels away from the glass.

The amount of reflectivity is determined by the mirror’s thickness. Visible reflectance needs to be carefully checked, as well as total solar reflectance. Usually, the values for both are very similar. As is known, clear glass returns 6% to 8% of the radiation reaching it. Reflective coating can increase those values to 35%, if not 40%. In addition to silvered mirroring, a tint can also be added to the glass, as noted above, to produce colored reflective glass.

Highly reflective glass should be used with caution due to the disturbances it can create. Returned solar radiation onto adjacent buildings can disrupt those buildings’ energy balance. Figure 14.4.3.1 presents a situation where a new building was constructed to the north of, and parallel to, an existing building with high reflective glass. the existing building’s northern facade receives solar radiation at different times of the day during the four seasons from an unexpected source: the southern facade of the new building. The temperature in rooms receiving this reflection rose noticeably, and even air conditioning was unable to dissipate the added thermal load.

Figure 14.4.3.1: Return of solar radiation from the southern wall of one building to the northern wall of the adjacent building. Diamond Exchange Center, Tel Aviv

A further danger is glare by light returned from reflective glass. Glare can disturb people working in nearby buildings. The reflection can become a serious danger when directed towards a main traffic route, causing drivers to become momentarily blinded by strong light appearing suddenly from unexpected directions, with the danger of accidents.

Reducing these disturbances to a bearable level requires that governments pass standards prohibiting the use of glass with greater than 20% reflectivity on other buildings or traffic avenues.

14.5 Determining glass thickness

The thickness of glass needed for windows is determined by the size together with additional considerations, but especially the static load of wind (in units of nanometers per sq.m.), a mechanical blow, and safety. ISO 1099 of 1981 [14.5.1] with its amendment standard of 1983 [14.5.2] set the minimum thickness of glass for window panes. Currently a new, updated version of the standards is under preparation.

In addition to the considerations noted above, price of the glass and its weight are also important factors when making choices. Obviously, the thicker the glass, the more costly it becomes. Its weight also increases, which must be taken into account when making statistical construction calculations.

In table 14.5.1 based on 1981 standards, the necessary thickness for window panes is determined by its surface area and the floor of the building:

        Table 14.5.1: Determining thickness of glass for windows

Window area (sq.m.)

0.5   1.0   1.5   2.0   2.5   3.0   3.5   4.0   4.5   5.0

Window thickness (mm)

Up to 6 floors

3.0   3.0   4.0   4.0   5.0   5.0   5.5   5.5   6.5   6.5

 

More than 6 floors

3.0   4.0   4.0   4.0   6.5   7.0   7.0   8.0   8.0   8.0

Note: as mentioned, the Israeli standards are currently being revised and data in the table above may need to be adjusted.

14.5.1 Buildings with standard risk

The thickness of glass in buildings with standard risk is set according to table 1 of the existing Revised Israel Strandards [14.5.2]. The maximum thickness is set by the static load weighed in newtons per sq.m. The weighted load calculation uses a formula with 3 coefficients. The first coefficient is set according to different areas of the country. The second takes into account the height above sea level, and whether the building site is open or concealed behind wind breakers or adjacent buildings. The third coefficient takes into account any irregularities of location such as hilltops, ravines, or particularly protected areas.

14.5.2 Buildings in danger areas

When requirements are made relative to high level safety for any reason, and in dangerous areas, the thickness of the glass must be increased and the glass installed must contain characteristics that reduce the risk of damage when the glass breaks. Security experts taking into account the purpose of the glass allow the following types:

            Strengthened glass – poured onto a metal network

            Tempered glass – as described earlier

            Laminated glass – ‘sandwich’ glass, as described earlier

The minimum thickness for glass in areas of danger is presented in additional table contained in the Israel Standards.

14.6 Multilayered glazing

Looking at table 9.4.1 in chapter 9, we find that a window does admittedly provide a physical separation between the building’s interior and the outdoors, and ensures excellent penetration of daylight. However, its level of thermal insulation is very low. From this same table we also see that the thickness of clear glass has very little influence on the coefficient of thermal conductivity, the U-value, in Israel’s climate. In glass 3.0 mm thick this coefficient reaches 7.04 watts per sq.m. of glass panel to one degree Celsius of a different between inside and out. accordingly, the thermal conductivity coefficient for glass of 12.0 mm thickness would be 6.62 watts / sq.m. per Celsius degree. This means that increasing the thickness of the glass four-fold brings about a reduction of just 6% in the window’s thermal conductivity.

If we assume that inside the building a comfortable 20ºC is assured, and in a heat wave the temperature outside is 40ºC, the difference is 20ºC. If the windows or curtain walls of the building are installed with insulated 6.0 mm thick glass, the thermal conductivity coefficient will be 6.91 W/m2 ºC. Under such conditions, every sq.m. of window will transmit heat at the rate of 138 watts. This means that hourly, 7.0 sq.m. of glassed area lets 1.0 kilowatt of heat penetrate from outside to the interior. This heat is in addition to the radiation already penetrating the windows.

In winter, the flow of heat will reverse, from inside to out, which increases the costs of heating the internal space. If we assume a cold day or night, when the outside temperature is close to 0ºC, the different between internal and external temperatures is 20ºC, and the loss in heat conductivity transmittance through the glass will equate to the added heat penetrating during a heat wave. The single glass pane’s thermal functioning can be improved by installing selective glass or laminated glass, as described earlier. This is till only a partial improvement and insufficient for areas with harsh climates. In extremely cold areas, where the difference between internal and external temperatures can reach as much as 30ºC to 40ºC, this is insufficient. In our climate, it is worth examining whether major energy savings can be made by installing double glazing in very hot areas.

14.6.1 Double glazing

Significant improvements to thermal functioning can be reached by installing multilayered glass. Usually double layered glass, commonly known as double glazing, is the choice, as shown in figure 14.6.1.1. When the climate is particularly severe, or excellent thermal insulation is sought, triple layered glass is installed. The layers of glass have distances of between 5 mm to 15 mm between them. In the USA, the accepted distance is a half inch, or 12.5 mm.

Figure 14.6.1.1: Window with double layer of glass

The double layer of glass is installed in a relatively large area, therefore its thickness is at least 4 mm and up to 6 mm. In even larger windows the thickness would reach between 8 to 12 mm, based on the window’s size. The total thickness of windows in this case can reach between 12 to 36 mm. The surface areas are numbered, as shown in figure 14.6.1.2, to allow indicating which coatings are intended for which side of each layer. The external surface of the external layer is numbered 1, and its inner face is 2. The externally facing surface of the next layer is number 3, and the internally facing side is 4.

Figure 14.6.1.2: Numbering double layered glass

14.6.2 Structure of the layers

The internal plate of glass in double glazing is usually clear. The thickness of the internal plate can be less than that of the external plate. In windows needing 6.0 mm, for example, and to save on costs, the internal plate may be 4.0 mm. It is also common practice to install an internal layer of tempered glass to avoid mechanical damage from inside the space.

Usually the external plate’s inner side (surface area 2) receives the various coatings. Reflective coating is applied to surface 1. Often, more than one type of coating is used.

14.6.3 The window frame

The thermal role of the window frame is discussed in chapter 9, section 9.4.2. The transition from traditional wooden frames to metal frames, and especially aluminum, caused increased losses due to metal’s good heat conductivity. This in turn led to the development of frames with a thermal separation between the external and internal frame sections with a material of low thermal conductivity, as shown in figure 9.4.2.2 and accompanying data in table 9.4.2. In Israel, frames without thermal separation are usually installed, although many window makers offer more effective frames with separation for a higher price.

14.6.4 The space between the glass panes

The space between the layers of glass needs to be at a regular atmospheric pressure. This topic was also covered in chapter 9, section 9.4.3. As explained there, gas is needed in the space between the plates of glass to balance the pressure between inside and out. The gas must be dry, without water vapor. Usually dry clean air is sufficient but the heat conductivity can be reduced even further by using noble gases such as argon and krypton, or a mix of gases as shown in table 9.4.3.

14.7 Low emissivity glass

A revolutionary improvement in thermal functioning of windows was achieved with a coating known as low emissivity coating.

14.7.1 Emissivity

Every object having a temperature greater than that of its surroundings, which is usually air, emits thermal radiation in the infrared range relative to the temperature disparity. However, this also depends on the emissivity (or, emittance) of the surface. A kettle, for example, coating with shiny nickel will emit less radiation into the air around it than a non-shiny kettle.

Emissivity or emittance is indicated by the symbol ε, defined as the relative rate of thermal radiation emittance of a specific surface compared to the emittance by a black object at the same temperature. Therefore, the maximum value of ε can reach ε = 1. The less radiation emittance a surface has, the smaller its ε value will be.

Emissivity of different surfaces also depends on direction relative to the surface’s plane. Therefore, the average emission for all possible directions from the same surface is defined: that is, all directions that can indicate a hemisphere. This is known as hemispherical emissivity: from now on, when emissivity is referred to, it means hemispherical emissivity of thermal radiation. If you wish to delve further into the physics of heat transference in general, and emittance characteristics of different materials and surfaces, look for appropriate literature, such as in section [14.4.7.1].

14.7.2 Transmittance of radiation through glass

The transfer of solar radiation through glass depends on two main factors: the transmittance coefficient of the particular glass for the overall spectrum of sunlight, and the glass plate’s emissivity characteristics. Data on transmittance coefficients for several types of single layer glass are found in table 14.2.2.1. Additional data can be found in manufacturer’s catalogs.

Emissivity of glass surfaces of different hues as noted in table 14.7.2.1 is 0.840, that is, 84% of the theoretical emissivity of a black object. Reducing this transmittance of radiation via glass requires reducing its emissivity. This can be attained with a selective coating which penetrates radiation of the desired spectrum, which in our case is visible light, while reducing the transmittance of the undesired spectrum as far as possible, which in our case is heat radiation, or the infrared spectrum. This coating is known as low emissivity coating. Their sensitivity to moisture in the air means they cannot be used on single layer glass, but can be installed only in a sealed space, such as that between double glazing.

Reduction of radiation emission from lass depends on the surface to which the coating is attached. In hot climates, when the amount of heat penetrating into a building needs to be reduced, surface area 2 needs to be coated: this is the internal surface of the external pane, as shown in figure 14.7.2.1 In cold climates, when the goal is to prevent escape of heat inside the building to the outside, surface 3 should be coated, being the outward facing surface of the internal glass panel, as shown in the same diagram. If it is necessary to reduce radiation emission in both directions, then a Low E coating must be ordered, covering surfaces 2 and 3. This glass will be more expensive than coating on just one surface area.

Figure 14.7.2.1: The surface requiring Low E coating
A – surface 2, for hot climates .
B – surface 3, for cold climates.

A further solution for reducing transmission of radiation in two directions is provided by the Mirror Heat company in USA. Their coating is applied on two sides of a very strong plastic film made of Mylar. The film is then stretched within the window frame in the middle of the space between the two planes of double glazing, as shown in figure 14.7.2.2. Coating the film is cheaper than coating the actual glass, but assembling the window is more complex and therefore more expensive.

Figure 14.7.2.2: Glazing with a two directional Low E film positioned between two planes of glass

In table 14.7.2.1 emissivity values are shown for several types of glass; to make the comparison feasible, all values are for glass of 6.0 mm thickness, as shown in chapter 9.6 above. The table indicates that the tint of glass has no influence on its emissivity. This means that emissivity for different colors of glass is the same. However, a shiny reflective coating, which is actually a mirror coating, reduces emissivity, as with the kettle mentioned earlier. The significant difference occurs due to use of Low E coating.

 Low E applied to surface 2 of double glazing reduces radiation emissivity from the outside to the inside. It is therefore very suited to buildings in hot climates. Low E on surface 3 reduces emissivity from the inside to the outside, and is therefore well suited to cold climates.

14.7.3 Methods for installing the low emittance layer

So far, Low E has consistently been referred to as a coating. For the sake of precision, it is worth explaining the several methods for producing this layer.

Pyrolitic coating

Pyrolitic processing of glass has already been noted, where a coating material is sprayed onto the still hot, soft glass. The spray is absorbed into the glass, making it more resilient. Low E pyolitic coating allows a fine Low E layer, but it has insufficient emissivity. The outcome is a product with a shading coefficient of between 0.50 to 0.60, or a medium level only which does not ensure quality thermal insulation. A satisfactory thermal insulation requires shading coefficient below 0.50. In other words, a more efficient Low E layer is needed.

Low E film fastened to glass

A layer of film with low emittance can be produced using the MSVD (magnetic sputter vacuum deposition) method on a plastic mechanically strong film that withstands radiation, usually Mylar or a similar material. In the MSVD method, an entire roll of transparent film is inserted into a vacuum chamber. Once the air has been emptied out, a continuous process rolls the film while spraying it in a magnetic field. In fact, this process is very complex and requires spraying of a large number of layers, one after the other. Once this is complete, the film with its Low E layer is taken to the cutting hall where glass is cut to size, and film is fastened to it. Then the glass with the attached film is connected and joined to the frame used for double layer glazing. Care must be taken to ensure that the film will be on surface 2 or 3, to ensure it is on an internally facing pane of glass.

Low E film midway in the space

In section 14.7.2 we noted a glass production method with low emissivity through a film midway in the air space between the two panes of double glazing. This film can be produced with coating on both sides, giving the window very low emissivity in both directions, which ensures an extremely high level of thermal insulation. However, that actually turns the glazing into three layers. The cost of producing this kind of glazing is much higher, making it quite a bit more expensive than the more standard two layers of Low E coating.

Table 14.7.2.1: Coefficients for transmittance, return and emissivity for different types of glass

Thickness: 6.0 mm unless stated otherwise.

                        Indicators:   : External layer of glass: 1 – outer surface; 2 – inner facing surface

                                    Internal layer of glass: 3 – outer facing surface; 4 – inner surface

Type of glass or Trade name

  Total solar radiation

       Visible light

 

או סימון החצרן

Transmittance

   Return

Transmittance

   Return

Emissivity

 

   %

 %

 %

    %

 %

 %

  

                     Surface Number

 

 1

  2

 

  1

  2

    1

  2 או 3

Clear

  77.5

7.1

7.1

   88.0

8.0

8.0

0.840

   0.840

Bronze

  48.2

5.4

 5.4

   53.0

5.7

5.7

0.840

   0.840

Gray

  45.5

5.3

 5.3

   43.0

5.2

5.2

0.840

   0.840

Green

  48.7

5.6

 5.6

   74.9

7.0

7.0

0.840

   0.840

Blue

  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

Clear reflective

  15.9

22.0

 37.0

   20.0

25.0

32.0

0.840

   0.570

LowE clear

  60.0

17.0

 22.0

   84.0

5.5

7.8

0.840

   0.100

LowE tinted

עם גוון

  36.0

9.3

 20.0

   50.0

3.5

5.4

0.840

   0.100

PPG LowE Sungate100 Clear

שקופה

  29.6

23.0

 6.0

   68.0

4.0

6.2

0.838

   0.086

PPG LowE Sungate50 Reflective

  40.0

27.3

 21.4

   54.0

6.0

12.0

0.839

   0.086

Viracon LowE VE185 Clear

 56.4

14.4

 23.7

   85.0

5.4

5.2

0.840

   0.090

Viracon LowE VE240 Dark gray

אפורה כהה

 15.9

8.5

 23.4

   35.0

10.1

14.1

0.840

   0.110

Laminated glass 3.00 + clear film 3.00

   

   70.0

    

Clear acrylic 6.0 mm

   

   85.0

    

Clear fiberglass 2.0 mm

   

   60.0

    

14.8 Electrochromatic glass

14.8.1 Chromaticity

Chromaticity is the characteristic of a light transmitting material that alters transparency: in other words, the transmittance coefficient as impacted by radiation or an electrical field [14.8.1.1], [14.8.1.2], [14.8.1.3], [14.8.1.4].

14.8.2 Photochromaticity

The transparency of lenses used in spectacles can be changed by using something known as photochromatic glass. It becomes darker in strong light: that is, its light transmittance coefficient drops, as shown in figure 14.8.2.1. The glass lightens – that is, its transmittance coefficient rises – when the force of the light hitting the lenses decreases. This reaction is the result of changes in the position of molecules comprising the glass under the influence of light radiation. Radiation in other ranges of the spectrum, specifically UV and infrared, barely influence transparency. This change in position of the glass molecules does not impact other characteristics, such as strength and shape of the glass lends. The process is reversible and therefore no additional energy is required to activate it in either direction.


After the glass, such as the one described above for use in spectacles, has been produced, we hve no control over the rate of change in its transparency, which is dictated entirely by the strength of the light. There is no way to maintain its standard transparency in strong light.

Figure 14.8.2.1: Typical spectral reaction of photochromatic glass

14.8.3 Thermochromatic glass

As with photochromaticity, a different composition of additives can be used to create glass where the change in transparency is caused by heat, or specifically, radiation of infrared from the sun or any other heat source. This is known as thermochromatic glass, which responds primarily to the infrared spectrum, as shown in figure 14.8.2.2 (see source in 14.8.2.1). In thermochromatic glass, the change in transparency is totally dependent on the strength of the radiation. We have no way of controlling transparency: we cannot make it stay clear in a state of exposure to strong radiation.

Figure 14.8.2.2: Typical spectral reaction of thermochromatic glass

14.8.4 Electrochromaticity

As explained above, the photochromatic and thermochromatic changes are unequivocally produced in the production process. Thereafter, changes in transitions of radiation in the visible range, or infrared range, are determined wholly by the strength of the light hitting the glass.

Achieving effective window shading through chromatic means, we need to have better control of the rate of change of transparency. For this reason, a type of glass was developed having chromaticity adaptable through an electric current, and known as electrochromatic glass. It is comprised of two layers of regular glass, with several layers installed between them that allow regulating the rate of transparency by an electric current that is managed by the control system set by parameters of our choosing.

14.8.5 The structure of the electrochromatic layer

The layer of electrochromatic coating between the outer layers of glass comprises 5 intermediary layers, coated one after the other, as shown in figure 14.8.5.1. The electrochromatic layer operates like an electric cable. The two outer, clear layers serve as contacts: electricity-conducting electrodes. When connected to a source of direct current, such as an electric battery, a positive electric charge is created, and in the other, a negative electric charge, relative to the electric voltage between the electrodes. The three electrochromatic layers are isolated from the electrodes and there is no flow of current between them. Tis condition creates an electric field between the clear electrodes, as in any cable. The electric field causes the exchange of ions between the electrochromatic layers. As a result, the transparency alters: that is, the amount of transmittance of radiation through the glass alters.

Figure 14.8.5.1: Layers of electrochromatic coating Structure of the coating:
1 – Clear electricity conductor
2 - Counter electrode
3 – Ion exchanging conductor
4 – Electrochromatic film
5 – Clear electricity conductor

14.8.6 Characteristics of the electrochromatic coating

Electrochromatic glazing is currently in advanced stages of development, but has not yet reached expansive use. It is used for specific purposes, such as the pilot’s cockpit window in newest jets. This glass is still very expensive for general use, but expectations of it are great, and it is already being given very suitable names, such as “The Smart Window.” Forecasts for mass production and acceptable prices are optimistic, and manufacturers of the coating and the glass are putting up tough competition to be the first with a reliable, mass market product.

Without a doubt, when this glass becomes readily available, another revolution in glazing will come about. Electrochromatic glass will be the first to enable dynamic control of the transparent element of a building’s cladding.

Once this glass reaches the general market, it will be possible to obtain with a range of characteristics to suit diverse needs. At the current stage, the table below presents several of the electrochromatic coating’s currently known characteristics.

Table 14.8.5.1: Characteristics of electrochromatic glass

 

Light –

maximum transparency

Dark

minimum transparency

Transmittance of overall solar radiation – TS                               50% – 70%

50% – 70%

10% – 20%

Light transmittance – Tv

50% – 70%

10% – 20%

Infrared radiation return – Rnir        

10% – 20%

> 70%

Activation voltage                                                    

1 – 5 volt

 

Memory                                                              

1 – 24 hours

 

Full changeover speed                                          

1 – 60 hours

 

Repeat actions over the layer’s life span                                

Up to 1 million

 

Life span

5 – 20 years

 

Regular activation temperature 70º

C 300 – C 700

 

14.8.7 Forecast energy savings

Studying the known characteristics of electrochromatic glass indicates that a potential saving in energy can be expected once the technology reaches mass production. Forecasts were, and remain, optimistic, but development is still in progress and neither a target date for mass production nor final costs are known.

The expected saving from electrochromatic glass derives from the possibility of dynamic, planned control which on one hand constantly takes into account solar and sky radiation while simultaneously configuring the requirement of light and heat within the space. This will allow optimization of energy supply for cooling, and optimally balancing natural light or electrical alternatives. Figure 14.8.7.1 offers a schematic explanation of the balance between electrical energy for light compared to energy for cooling, per sq.m. of internal space.

Figure 14.8.7.1: Electrical energy requirements (kWh) per sq.m. for lighting and cooling of internal space as a function of type of glass

From the diagram above, we see that the currently accepted types of window glass (clear, selective with tint, and reflective) cause high electrical energy consumption. Regular clear glass allows much higher penetration of natural light and is therefore cost saving on energy for lighting, but it also causes higher consumption of energy for cooling. The various types of tinted glass have lower transparency compared to standard clear plate glass. They allow lower cooling energy consumption, but cause an increase in lighting energy consumption. Reflective glass considerably reduces cooling energy consumption, but due to its low level transparency, only a very small percentage of natural light can penetrate, causing an increase in lighting energy needs.

As can easily be seen from the diagram, various types of electrochromatic glass (photochromatic, thermochromatic, electrochromatic) allow significant energy savings. However, the dynamic activation of electrochromatic glass will hold the highest potential for energy savings in buildings.

We definitely look forward to mass production and application of electrochromatic glass in the near future.

14.9 Architectonic glass

Several of the largest glass manufacturers produce glass with coatings having geometric designs, as shown in figure 14.9.1. The PPG company labeled them Patternlite Glass. The coating is made of extremely finely ground boro-silicate glass. Inorganic pigments of the desired color are added to produce a substance called Ceramic Frit. This frit is sprayed over the entire glass plate through shaped netting. The glass is then heated to 620º C (1150º F), turning the ceramic coating into an integral part of the glass.

The range of colors includes black, gray, brown, blue, green and peach.

Figure 14.9.1 shows three basic shapes. Other shape combinations can be ordered specially. The advantage of this glass is that it does not conceal what can be seen from the inside, yet reduces the amount of penetrating light into the structure, thereby reducing the thermal load during hot seasons, and the amount of glare throughout the year.

The main disadvantage of architectonic glass is its high cost. It is produced in relatively small quantities, which increases production costs.

Figure 14.9.1: Architectonic glass – different types of geometric coatings

14.10 Concealing glass

Concealing glass, or as it is more commonly known, Spandrel Glass, is impervious to radiation transmittance but preserves its appearance like regular plate glass of the same hue. This glass serves to conceal and block part of the building’s facade while maintaining a uniform appearance with the rest of the glass curtain wall. It is produced in the same way as architectonic glass.

This glass might be installed in the area beneath the viewing windows and down to the floor. In this section of concealed glass it is possible to install supply pipes and channels and many other building details that are not seen from the outside.

14.11 Glass block

Glass blocks, also known as glass bricks, are made of double layered glass in sizes from 100 x 100 mm with a thickness of between 50 to 100 mm. The blocks, as shown in figure 14.11.1, are usually made from clear glass, but transmit scattered light, concealing whatever is on either side of them. They are used to good advantage as a decorative element in homes, public buildings, industrial structures, sports centers, stairwells and more.

As can easily be seen from the diagram, various types of electrochromatic glass (photochromatic, thermochromatic, electrochromatic) allow significant energy savings. However, the dynamic activation of electrochromatic glass will hold the highest potential for energy savings in buildings.

We definitely look forward to mass production and application of electrochromatic glass in the near future.

14.9 Architectonic glass

Several of the largest glass manufacturers produce glass with coatings having geometric designs, as shown in figure 14.9.1. The PPG company labeled them Patternlite Glass. The coating is made of extremely finely ground boro-silicate glass. Inorganic pigments of the desired color are added to produce a substance called Ceramic Frit. This frit is sprayed over the entire glass plate through shaped netting. The glass is then heated to 620º C (1150º F), turning the ceramic coating into an integral part of the glass.

The range of colors includes black, gray, brown, blue, green and peach.

Figure 14.9.1 shows three basic shapes. Other shape combinations can be ordered specially. The advantage of this glass is that it does not conceal what can be seen from the inside, yet reduces the amount of penetrating light into the structure, thereby reducing the thermal load during hot seasons, and the amount of glare throughout the year.

The main disadvantage of architectonic glass is its high cost. It is produced in relatively small quantities, which increases production costs.

Figure 14.11.1 Glass Blocks

14.12 Manufacturers of glass

Pilkington, of England, has already been mentioned, as well as PPG – Pittsburgh Plate Glass in USA. Several more manufacturers of renown include Saint Gobain of France [see 14.11.1], Glaverbel of Belgium, LOF – Libby Owens Ford of USA, and Viracon, also in the USA.

Phoenicia Glass in Haifa Bay, Israel, used to produce glass for windows. The company is currently located in the Tzippori Industrial Center and markets diverse glass products, including laminated glass of varying thicknesses and tints.

Many other glass companies purchase their glass from large manufacturers and add finishes or coating in a range of colors, selling the final product under trade names to window makers and construction companies. One such is Heat Mirror of the USA, which produces glass with excellent Low E coatings. Ipasol from Germany is another quality company.

References for chapter 14:

[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]            Israel Standards ISO 1099, October 1981.

[14.5.2] Israel Standards ISO 1099 – Adjustment 1, Novemer 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.

סגירת תפריט