Công nghệ sản xuất kính giúp giảm tải nhiệt và bức xạ.
Kính là một vật liệu quan trọng trong kiến trúc hiện đại. Hầu hết các công trình – từ nhà ở và tòa nhà văn phòng đến trung tâm thương mại và các cơ sở công cộng – đều dựa vào kính để đón ánh sáng tự nhiên, tạo cảm giác không gian rộng rãi và mang lại vẻ đẹp tinh tế. Tuy nhiên, việc sử dụng kính cũng đặt ra những thách thức đáng kể: nhiệt lượng mặt trời truyền qua các khe hở bằng kính có thể làm tăng nhiệt độ trong phòng, tăng tải trọng làm mát (tải trọng điều hòa) và gây khó chịu cho người sử dụng. Hơn nữa, bức xạ mặt trời, đặc biệt là tia cực tím (UV), có thể làm hỏng đồ nội thất, vải dệt và các vật liệu hoàn thiện nội thất. Dựa trên những nhu cầu này, ngành công nghiệp kính đã phát triển nhiều công nghệ sản xuất kính khác nhau có thể giảm tải nhiệt và bức xạ mà không làm giảm chất lượng ánh sáng.
Hiểu về các nguồn nhiệt và bức xạ trong thủy tinh
Ánh sáng mặt trời chiếu vào bề mặt kính bao gồm một số thành phần chính: ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại (IR) – đồng nghĩa với nhiệt – và tia cực tím (UV) – gây phai màu và làm xuống cấp vật liệu. Với kính thông thường (kính trong suốt/kính phẳng), hầu hết bức xạ mặt trời được truyền vào phòng, đặc biệt là trong phổ cận hồng ngoại. Kết quả là, phòng trở nên nóng mặc dù ánh sáng vẫn "dễ chịu". Đây là lúc công nghệ kính tiết kiệm năng lượng phát huy tác dụng: ngăn chặn sự truyền nhiệt (đặc biệt là tia hồng ngoại) và chặn tia cực tím, đồng thời vẫn duy trì sự truyền ánh sáng nhìn thấy để giữ cho phòng luôn sáng sủa.
Kính Low-E (độ phát xạ thấp): công nghệ giảm nhiệt cốt lõi
Một trong những cải tiến có ảnh hưởng nhất là kính Low-E, một loại kính mỏng, phát xạ thấp, phản xạ bức xạ nhiệt. Lớp này thường là một lớp màng rất mỏng (kích thước nanomet) bằng kim loại hoặc oxit kim loại, khiến nó trông trong suốt nhưng lại có các đặc tính quang học chọn lọc: nó truyền ánh sáng nhìn thấy được nhưng phản xạ ánh sáng hồng ngoại.
Nhìn chung, có hai cách tiếp cận đối với sản xuất vật liệu Low-E:
1. Phương pháp nhiệt phân (lớp phủ cứng)
Lớp phủ được phủ lên khi thủy tinh vẫn còn nóng trong quá trình sản xuất kính nổi, cho phép lớp phủ liên kết chắc chắn hơn với bề mặt thủy tinh. Ưu điểm của nó bao gồm độ bền và dễ thao tác. Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt của nó nhìn chung thấp hơn so với loại phủ bằng phương pháp lắng đọng chân không.
2. Phương pháp lắng đọng phún xạ magnetron (lớp phủ mềm)
Lớp phủ được tạo ra thông qua quy trình lắng đọng chân không, sử dụng kỹ thuật phun phủ để lắng đọng một lớp kim loại (thường là bạc/Ag) và một lớp oxit bảo vệ. Công nghệ này cho phép kiểm soát chính xác quang phổ ánh sáng truyền qua và phản xạ, dẫn đến hiệu suất tản nhiệt được cải thiện đáng kể. Vì lớp phủ nhạy cảm hơn, loại kính này thường được sử dụng trong các đơn vị kính hai lớp (IGU) để bảo vệ.
Kính Low-E không chỉ giảm lượng nhiệt hấp thụ mà còn ngăn chặn sự truyền nhiệt từ bên trong ra bên ngoài. Ở vùng khí hậu nhiệt đới, lợi ích chính của nó là giảm lượng nhiệt hấp thụ từ mặt trời, trong khi ở vùng khí hậu lạnh hơn, kính Low-E còn giúp giữ nhiệt, ngăn không cho nhiệt thoát ra ngoài.
Kính kiểm soát năng lượng mặt trời: có khả năng chọn lọc theo quang phổ.
Ngoài kính Low-E, còn có kính kiểm soát năng lượng mặt trời được thiết kế đặc biệt để giảm lượng nhiệt hấp thụ do bức xạ mặt trời. Công nghệ này hoạt động thông qua sự kết hợp của:
– Lớp phủ phản xạ hoặc chọn lọc quang phổ: phản xạ một phần bức xạ hồng ngoại.
– Hấp thụ và tản nhiệt: một số loại kính màu hấp thụ năng lượng mặt trời, sau đó dần dần giải phóng năng lượng đó trở lại môi trường bên ngoài.
Kính hấp thụ năng lượng mặt trời thường được sử dụng trên mặt tiền của các tòa nhà cao tầng hoặc các tòa nhà có cửa kính lớn. Ưu điểm của nó là giảm nhiệt đáng kể, nhưng cần thiết kế cẩn thận để tránh gây chói quá mức cho môi trường xung quanh.
Kính màu và hấp thụ nhiệt: nhuộm màu để giữ nhiệt.
Công nghệ tiếp theo là kính màu, hay kính hấp thụ nhiệt. Trong quá trình sản xuất kính phẳng, một số hợp chất kim loại được thêm vào để thay đổi đặc tính hấp thụ của kính—ví dụ, tạo ra các màu xanh lá cây, xám hoặc đồng. Loại kính màu này có xu hướng:
– Giảm cường độ ánh sáng và nhiệt lượng chiếu vào.
– Giảm độ chói,
– Mang lại vẻ ngoài thẩm mỹ nhất định.
Tuy nhiên, do thủy tinh hấp thụ nhiều nhiệt hơn nên nhiệt độ bề mặt có thể tăng lên. Vì vậy, trong một số ứng dụng nhất định, cần phải xem xét nguy cơ ứng suất nhiệt và nhu cầu về các quy trình tăng cường độ bền như tôi hoặc tôi nhiệt.
Kính nhiều lớp với lớp màng chắn tia UV và IR ở giữa
Kính nhiều lớp được tạo ra bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều tấm kính với một lớp màng ở giữa (lớp xen kẽ), thường là PVB (polyvinyl butyral) hoặc EVA. Mục đích ban đầu của kính nhiều lớp là để đảm bảo an toàn: nếu bị vỡ, các mảnh kính sẽ dính vào lớp màng. Tuy nhiên, công nghệ lớp xen kẽ hiện đại cũng có thể cung cấp thêm các chức năng khác:
– Chống tia UV rất hiệu quả (thường đạt hơn 95%),
– Giảm độ chói,
– Ở một số loại, nó giúp giảm sự truyền nhiệt (tùy thuộc vào thành phần lớp xen kẽ).
Do đó, kính nhiều lớp đang trở thành lựa chọn phổ biến cho các công trình đòi hỏi sự bảo vệ nội thất (ví dụ: phòng trưng bày, cửa hàng bán lẻ hoặc nhà ở có đồ nội thất dễ bị phai màu).
Kính hai lớp (Kính cách nhiệt/IGU): chiến lược “khoảng không giữa hai lớp kính”
Một công nghệ quan trọng khác là kính hai lớp, hay IGU, bao gồm hai tấm kính được ngăn cách bởi một lớp đệm để tạo thành một khoang chứa không khí khô hoặc khí trơ (như argon). Ưu điểm của kính hai lớp là:
– Giảm sự truyền nhiệt dẫn và đối lưu.
– Cải thiện sự thoải mái về nhiệt độ gần cửa sổ,
– Ngăn ngừa sự ngưng tụ hơi nước trong một số điều kiện nhất định.
Các tấm kính cách nhiệt (IGU) thường được kết hợp với kính Low-E: ví dụ, lớp kính ngoài để kiểm soát bức xạ mặt trời, lớp kính trong có lớp phủ Low-E để cải thiện khả năng cách nhiệt. Sự kết hợp này mang lại hiệu suất tốt hơn đáng kể so với kính đơn lớp.
Gốm nung và kính hoa văn: một cách tiếp cận tích hợp về khả năng che nắng.
Để giảm nhiệt mà không hoàn toàn dựa vào lớp phủ, ngành công nghiệp cũng sử dụng men gốm (một loại hoa văn gốm) trên thủy tinh. Hoa văn này được đúc và nung vào thủy tinh, tạo ra liên kết vĩnh cửu. Các chức năng chính của nó là:
– Giảm cường độ bức xạ mặt trời (che nắng),
– Giảm độ chói,
– Tăng tính riêng tư và thẩm mỹ.
Các họa tiết trang trí thường được kết hợp với thiết kế mặt tiền, ví dụ như các họa tiết chuyển màu dày đặc hơn ở những khu vực đón ánh nắng trực tiếp.
Gia cường (tôi luyện/tăng cường nhiệt) để chịu được tải trọng nhiệt.
Khi kính được thiết kế để hấp thụ hoặc phản xạ nhiệt, độ chênh lệch nhiệt độ trên bề mặt kính có thể tăng lên. Để giảm nguy cơ vỡ do ứng suất nhiệt, kính thường được xử lý thành các thành phần sau:
– Kính cường lực: cứng hơn và vỡ thành nhiều mảnh nhỏ.
– Tôi luyện nhiệt: độ bền trung bình, độ bền gãy lớn hơn so với tôi luyện thông thường.
Quá trình gia cường này không phải là công nghệ giảm nhiệt trực tiếp, nhưng rất quan trọng trong thiết kế hệ thống kính hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao.
Các chỉ số hiệu suất: SHGC, giá trị U và VLT
Để lựa chọn công nghệ phù hợp, hiệu suất của kính thường được đánh giá dựa trên một số thông số:
– SHGC (Hệ số hấp thụ nhiệt mặt trời): hệ số càng nhỏ thì lượng nhiệt mặt trời truyền vào càng ít.
– Hệ số U: Hệ số càng nhỏ thì khả năng cách nhiệt càng tốt (giảm truyền nhiệt).
– VLT (Hệ số truyền ánh sáng nhìn thấy): Hệ số càng cao, càng nhiều ánh sáng nhìn thấy đi vào.
Mục tiêu lý tưởng thường là đạt được hệ số SHGC thấp và VLT khá cao, để phòng vẫn sáng nhưng không quá nóng. Tuy nhiên, luôn có sự đánh đổi về chi phí, màu sắc, mức độ phản xạ và nhu cầu thẩm mỹ.
Hướng đổi mới: kính thông minh và lớp phủ thế hệ mới
Trong tương lai, công nghệ sản xuất thủy tinh sẽ ngày càng hướng tới các vật liệu chức năng thích ứng, ví dụ:
– Kính điện sắc: độ tối thay đổi theo điện áp, tự động điều chỉnh nhiệt độ và độ chói.
– Kính đổi màu theo nhiệt độ: thay đổi màu sắc theo nhiệt độ.
– Lớp phủ chọn lọc quang phổ tiên tiến: tăng cường khả năng chọn lọc (cho phép ánh sáng nhìn thấy đi qua nhưng chặn tia hồng ngoại hiệu quả hơn).
– Tích hợp với hệ thống quang điện (BIPV): kính tạo ra điện năng đồng thời giảm bức xạ mặt trời.
Mặc dù một số công nghệ vẫn còn tương đối đắt tiền, nhưng xu hướng tiết kiệm năng lượng và các tiêu chuẩn xây dựng xanh đang thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi hơn.
Đóng cửa
Các công nghệ sản xuất kính giúp giảm tải nhiệt và bức xạ đang phát triển nhanh chóng, từ kính Low-E, kính kiểm soát năng lượng mặt trời, kính màu, kính nhiều lớp chức năng, đến hệ thống kính hai lớp. Mỗi lựa chọn đều có cơ chế hoạt động, ưu điểm và hạn chế riêng. Chìa khóa thành công nằm ở việc lựa chọn sự kết hợp phù hợp với khí hậu, hướng nhà, thiết kế mặt tiền và nhu cầu tiện nghi của người sử dụng. Với việc ứng dụng đúng cách, kính không còn là "nguồn nhiệt" trong tòa nhà, mà là một yếu tố thông minh hỗ trợ hiệu quả năng lượng, sự thoải mái về thị giác và bảo vệ nội thất khỏi bức xạ mặt trời.
