74

GÜNEŞ VE ISI KONTROL CAMLARI

Dr. Yusuf SARAÇ

Türkiye Şişe ve Cam Fabrikaları A.Ş.Araştırma Müdürlüğü

ÖZET

Bu bi ldiride güneş ve ısı kontrol camlarınınkarakteristikleri ortaya koyularak gerek ürün gerekse üretimteknolojisi seçiminde rol oynayan faktörler, bu camlarıngelişimleri doğrultusunda ele al ınmıştır.

GİRİŞ

Son yirmi yılda "Float Prosesi", gerek kalite gerekse kapasite yönündendüz cam üretiminde yeni bir çığır açmıştır. Buna paralel olarak düzcamdaki gelişmeler, düz camlara yeni özellikler kazandırarak değer

katılmış ürünler elde etmek ve bunların kullanımlarını yaygınlaştırmakyönünde olmaktadır.

2000'li yıllara doğru, çeşitli mimari tasarımlarda daha da sıkrastlayabileceğimiz görüntüler, düz cam kullanımında yeni bir boyutuortaya koymaktadır.

Günümüzde, mimari uygulamalarda düz cam artık sadece aydınlatma ve

dış mekanla görüntü bağlantısı sağlamakla kalmayıp, güneş ve ısıkontrol etkinliğine sahip bir yapı malzemesi olarakdeğerlendirilmektedir.

Sıcak iklim koşullarında güneş kontrol camları, güneş enerjisinin içerigirmesini önemli ölçüde önleyerek havlandırma giderlerinden tasarrufsağlamakta, güneş ışınlarının rahatsız edici parlaklığını azaltmaktadır.

75

Soğuk iklim koşullarında ısı kontrol camlan yüksek geçirgenlikleriylegün boyu güneş ışınlarından faydalanma olanağı sağlarken gece odadakieşyalardan yayılan radyasyonu yansıtarak odanın soğumasınıÖnlemektedir.

GÜNEŞ VE ISI KONTROLÜ NEDİR?

Camın Güneş Radyasyonu île Etkileşimi

Camın yüzeyine düşen güneş ısı radyasyonunun bir kısmı camtarafından geri yansıtılır, bir kısmı absorbianır, geri kalan kısmı isecamdan içeri girer. Absorbianan ısının bir kısmı dışarı yansıtılırken birkısmı da içeriye verilir. Şekil l'de görüldüğü gibi, yüzeyde yansıyan ısıile birlikte' absorbiandıktan sonra dışarı atılan ısı toplam ısıyansıtmasını, doğrudan geçen ısı ile birlikte absorbiandıktan sonra içerigiren ısı toplamışı geçirgenliğini verir.

GÜNEŞradyasyon ISISI

YANSITIUN ISI

ABSGRPLANDIKTANSONRA, DIŞARI NATILAN ISI

ISI YANSITMA

I

A

▼

CAM

DİREKT GF.ÇEN ISI

ABSORPLANAN ISI

BSORPLANDIKTAN SONRA

İÇERİYE GİREN ISI

GEÇİRGENLt&İ

Şekil : 1 Camın güneş radyasyonu ile etkileşimi

76

Güneş kontrol mekanizması, ısı absorbİayıcı camlarda harmandan veyayüzeyden renklendirilerek camın absorbsiyonunun artırılması, yansıtıcıcamlarda ise cam yüzeyinin kırılma indisi yüksek malzemelerlekaplanarak yansıtma özelliğinin artırılması esasına dayanır.

Güneş Radyasyonunun Spektral Dağılımı

Şekil 2'de güneş radyasyonunun spektral dağılımından görüleceği gibigüneş radyasyon enerjisinin görünür bölgeye düşen ve insan gözününalgılayabildiği kısmı yaklaşık % 50'sidir. Güneş radyasyon enerjisinindiğer % 50'si görünür bölgenin dışında yakın infrared bölgesinedüşmektedir ve gözün algılayamayacağı aralıktadır.

GÖRÜNÜR YAKİN İNFRARED

KM —

ccliJzLU

(D

50 —

DALGA BOYU (um)

QÂ as t

Şekil : 2 Güneş enerjisinin 2.5 spektral dağılımı

Bu nedenle bir camın güneş kontrol etkinliğini çıplak gözle bakarakdeğerlendirmek yanıltıcı olacaktır. Güneş ışınları spektrum aralığında(0.2-2.5 mikron) toplam ısı geçirgenliğinin hesaplanması ile güneşkontrol etkinliği değerlendirilebilir.

Pencere camlan bu aralıkta yaklaşık

gösterirler.

87'lik bir geçirgenlik

77

Isı Radyasyonu

Gelen güneş ışınlarını absorblayan odadaki tüm eşyalar ve diğer ısıkaynakları da radyasyon neşrederler. Esasen sıcaklığı mutlak sıfırın(-273°C) üzerinde olan tüm cisimler radyasyon kaynağıdır. Her ne kadarherhangi bir dalga boyundaki radyasyon, bir cisim tarafındanabsorblandığında ısıya dönüşürse de ısı transferinde önem taşıyanelektromanyetik spektrum aralığı 0.2 ile 50 mikron arasında yer alır(Şekil 3).

GUNES KONTROL-

UV Görünür

0,2 04

Yakıninfrored

08

<—ısı KONTROL-

Uzakinfrared

25 50

DALGA BOYU (Mikron)

Şekil : 3 Elektromanyetik radyasyon

Spektrumun 0.2-0.A mikron aralığı ultraviyole bölge, 0.4-0.8 mikronaralığı görünür bölge, 0.8-2.5 mikron aralığı yakın infrared bölge, 2.5-50 mikron aralığı da uzak infrared bölgesi olarak adlandırılmıştır.

UV, görünür ve yakın infraredi kapsayan spektrum aralığında güneşışınlan kontrolü söz konusu iken oda sıcaklığındaki cisimlerdenyayınlanan uzak infrared bölgesinde ısı kontrolü söz konusudur.

Uzak infrared bölgede cam % 89'luk bir absorbsiyon gösterir. Dahasonra da absorbladığı bu ısıyı dışarı ileterek odanın soğumasına nedenolur.

78

Cam yüzeyi uzak infrared bölgede yansıtma özelliğine sahip bir metalveya metal oksitle kaplanarak bu aralıkta absorbsiyonu düşürülür. Düşükemisivite özelliği olan bu tür kaplamalı camlara Low-E camlardenilmektedir.

GÜNEŞ KONTROL CAMLARİ

Isı Absorblayıcı Camlar

Isı absorblayıcı camlar, tüm düz cam üretim yöntemlerinde camkütlesinin renkiendiriimesiyle bronz, gri, yeşil renklerde üretilen renklicamlar ile fİcat üretiminde sadece cam yüzeyinin renkiendiriimesiyleüretilen *'spektrafloat" tipi yüzeyi renkli camlardan oluşmaktadır.

Yansıtıcı Camlar

Yansıtıcı camlar, üretim hattında veya üretim hattı dışında çeşitli metalveya metal oksitlerle yüzeyleri kaplanarak yüksek yansıtıcılık özelliğikazandırılmış camlar olarak tanımlanırlar.

GÜNEŞ KONTROL CAMLARININ ÖZELLİKLERİ

Düz camlarda güneş kontrol etkinliği gölgeleme katsayısı ile ifade edilir.Camların sadece ışık geçirgenliklerine bakarak güneş kontroletkinliklerine karar vermek yanıltıcı olacaktır. Öncelikle bu iki özelliğitanımlayarak konuya yaklaşmak uygun olacaktır.

Işık Geçirgenliği

Camın yüzeyine 90°'lik açı ile gelen görünür ışığı (0.4-0.8 mikron dalgaboyu aralığında) geçirme özelliğidir.

79

Gölgeleme Katsayısı

Güneş ışınlan spektrum aralığında {% 98*i 0.2-2.5 mikron dalga boyuaralığında) 3 mm'lik float camının ısı geçirgenliği % 87'dir. Gölgelemekatsayısı standart olarak alınan 3 mm'lik cama göre ısı kazanç kesriolarak tanımlanır. Yani 3 mm'lik float camının gölgeleme katsayısıstandart olarak 1 alınır. Bir camın güneş ısı geçirgenliği değerinin0.87'ye bölünmesi ile o camın gölgeleme katsayısı bulunmuş olur. Butanıma göre düşük gölgeleme katsayıları daha iyi bir güneş kontrolününgöstergesidirler.

Renkli Camların Güneş Kontrol Etkinlikleri

Renkli camlarda güneş kontrolü absorbsiyon esasına dayanır. Camyüzeyine gelen güneş ışınlarının büyük bir kısmı absorbianır. Daha sonraabsorbianan güneş ışınlarının bir kısmı dışarı verilirken bir kısmı daiçeri girer (Şekil 4). Böylece içeri giren güneş ısısı miktarında normalrenksiz cama göre düşme sağlanır.

Renkli camlar, güneş kontrol etkinliği arttıkça temperleme ön koşulunuda beraberinde getirirler. Kuvvetli absorbsiyon, cam yüzeyinde termalgerilim yaratacağından özellikle belli boyutların üzerinde temperlenerekkullanılırlar.

Yansıtıcı Camların Güneş Kontrol Etkinlikleri

Yansıtıcı camlarla güneş ışınlarının kontrolü yansıtma esasınadayandığından cam yüzeyine gelen güneş ışınlarının doğrudan yansıtılankısmı renksiz cama veya renkli cama göre çok daha fazladır (Şekil 5).Yansıtıcı camların güneş kontrol etkinlikleri de kaplama cinsine,kalınlığına ve uygulanan prosese göre değişiklikler gösterir.

80

\\h/ RENKSİZ FLOAT6 mm

/rr^\

< >

% 7

DÎREKTgeçirgenlik

% 10ABSORBLANDIKTANSONRA DIŞARIverilen isi

% 17TOPLAM YANSITMA

GÖLGELEME KATSAYISI: 0.95

BRONZ FLOAT6 mm

>

% 7direktYANSITMA

% 35ABSORBLANDIKTANSONRA DIŞARI ^VERİLEN ISI

% 40TOPLAM YANSITMA

% 7DÎREKTGEÇİRGENLİK

ABSORBLANDIKTANSONRA ICERlVERİLEN ISI

% 83TOPLAM GEÇİRGENLİK

% 4DİREKTgeçirgenlik

% 16ABSORBLANDIKTANSONRA ICERlVERİLEN ISI

% 60TOPLAM GEÇİRGENLİK

GÖLGELEME KATSAYISI: 0.69

Şekil : 4 Renkli camın güneş konlrol etkinliğinin renksiz camla karşılaştırması

81

\\ I//

/! 1 \\

CLEAR STOPSOL6 mm

5^ 25

DİREKTYANSITMA

% 18ABSORBLANDIKTANSONRA DIŞARIVERİLEN ISI <j.% 43TOPLAM YANSITMA

% 50s. \ DİREKT

GEÇİRGENLİK

% 17ABSORBLANDIKTANSONRA İÇERİVERİLEN ISI

% 57TOPLAM GEÇİRGENLİK

GÖLGELEME KATSAYISI : 0.65

\\U/

/jT\\

BRONZ STOPSOL6 mm

% 26DİREKTYANSITMA

% 34ABSORBLANDIKTAN ^SONRA DIŞARI <\VERİLEN ISI ^% 60TOPLAM YANSITMA

GÖLGELEME KATSAYISI: 0.46

% 29DİREKTGEÇİRGENLİK

% 11ABSORBLANDIKTANSONRA İÇERİVERİLEN ISI

%. 40TOPLAM GEÇİRGENLİK

Şekil : 5 Yansıtıcı camlarda güneş kontrolü

82

Kaplama Cinsî

Kaplama malzemesi olarak uygulamada en çok altın, gümüş, bakır,titan, krom, nikel-krom alaşımı gibi metallerle, titan oksit, kalay oksit,demir oksit, krom oksit, kobalt oksit gibi metal oksitler kullanılırlar.

Kaplama Kalınlığı

Metal kaplamaların kalınlıkları 50-100 angstrom mertebesinde, metaloksit kaplamaların kalınlıkları 0.1-0.5 mikron mertebesindedir.

Kaplama Prosesi

Halen ticari olarak kullanılan yüzey kaplama prosesleri şunlardır;

1. Pirolitik kaplama prosesi

- Hat dışı sıcak püskürtme Sert kaplama- Hat üstü sıcak püskürtme

2. Vakumda biriktirme

3. Kimyasal biriktirme Yumuşak kaplama

4. Metal saçılması (sputtering)

Pirolitik kaplama prosesinde 550-600^C'daki cam yüzeyine çeşitli metaltuzları veya organometalik bileşikler püskürtülerek, yüzeyde yansıtıcımetal oksit tabakası oluşturulur. Kaplama dış etkilere dayanıklıolduğundan ' sert kaplama" olarak nitelendirilir. Sert kaplamalı camlarkesilebilen, temperlenebilen özelliklere sahiptir ve tek camuygulamalarında kaplama dış yüzeye gelecek şekilde kullanılabilirler.

Vakumda yapılan oda sıcaklığında uygulanan proseslerde (vakumdabiriktirme, sputtering vs.) kaplama dış etkilere dayanıksızdır,kesilemezler, sonradan temperlenemezler. Bu tür kaplamalara "yumuşak

83

kaplama" denilmektedir. Yumuşak kaplamalı camlar çift camlarda veya

lamine cam sistemlerinde kullanılırlar. Bazı sputtering ürünlerinin tek

cam uygulamalarında ise kaplamanın oda tarafındaki yüzeye gelmesi

tavsiye edilmekte ve kaplanmış yüzey özel dikkat gerektirmektedir. Bu

durumda gelen güneş ışınları önce absorbianıp daha sonrayansıtılacağından temperlenerek kullanımları kaçınılmaz olacaktır,

Sputtering ve vakum proses ürünlerinin temperlenmeleri kaplama prosesi

öncesinde yapılmaktadır.

Pirolitik prosesle renksiz cama yapılan kaphımalarda gölgeleme katsayısı

tek cam uygulamalarında 0.65 mertebesindedir. Pirolitik prosesürünlerinin güneş kontrol etkinliklerinin artırılması için renkli camlarauygulanan kaplamalar yansıtıcı camlara yeni bir boyut getirmiştir. Böy

lece tek cam uygulamalarında gölgeleme katsayısı 0.35-0.40 değerine

kadar düşürülerek oldukça etken bir güneş kontrolü sağlanabilmektedir.Kaplamanın iç ve dış yüzeyde kullanım esnekliği de estetik açıdanüstünlük sağlamaktadır.

ISI KONTROL CAMLARI

Gün boyu üzerlerine düşen güneşin ve diğer kaynakların ısılarını

absorblayan odadaki tüm eşyalar uzak infrared bölgede (3-30 mikrondalga boyu aralığı) radyasyon yayarlar. Bu radyasyonu absorblayan camkondüksiyon ve konveksiyonla enerjiyi dış mekana iletir. Böylece oda

soğumuş olur. Cam yüzeyinin emisivitesi düşürülerek uzak infrared

bölgede absorbsiyonu azaltılır ve yansıtması artırılır. Bu özelliği taşıyandüşük emisiviteye sahip camlara Low-E camlar denir.

Low-E Camlar

Low-E cam ̂ yüzeyinde düşük emisivitede bir kaplama bulunan düz cam

türüdür. Düşük emisivite, cama uzun dalga boyundaki radyasyonu (3-30mikron arası) yansıtma özelliği kazandırır.Böylece Low-E camlar gece,güneş ışınlarını absorblayan oda içindeki tüm eşyaların ve duvarların

84

yaydığı uzak infrared bölgedeki radyasyonun hemen tamamını geriyansıtarak odanın soğumasını önlerler.

Low-E Camların Özellikleri

Low-E camların en önemli özelliği, şüphesiz düşük emisivitelerindendolayı uzak infrared bölgede gösterdikleri yüksek yansıtma değeridir.Görünür bölgede ise bu camlar normal kaplanmamış cam gibi davranarakyüksek geçirgenlik gösterirler.

Low-E camların diğer yansıtıcı özellik gösteren camlardan sayısalfarklılıklarım gösterebilmek için terminolojik bazı kavramların kısacatanımlanmasında yarar olacaktır.

Emismte

Emisivite, cisimlerin radyasyon yayma güçlerinin bir ölçüsüdür. Bircismin radyasyon yayma gücü, absorbsiyonu ile orantılıdır. Uzak infraredbölgede yüksek yansıtıcılık (düşük absorbsiyon) gösteren düşükemisiviteli kaplamalar camın yalıtım değerini artırır.

Isı İletim Katsayısı (U-Değeri)

Pencere camlarının ısı yalıtım etkisi, ısı iletim katsayısı (U-değeri)ile belirtilir. U-değeri (bazı literatür ve broşürlerde K-değeri), camın heriki yüzeyindeki sıcaklık farkının yarattığı ısı aktarımını tanımlamajayarayan bir katsayıdır. Camın her iki yüzeyinde'.ı herbir derece sıcaklıkfarkının, birim cam alanından aktardığı ı ı miktarıdır. Normal tekcamda U-değeri 5.8 VV/m'".°K iken bu değer çift camda 3.0 VV/m^.°Kve Low-E cam kullanılmış çift camda 1.8 W/m^.°K'dır. U-değerinintersi, yani (l/U) değeri R ile gösterilir ve ısı iletimine karşı olandirenci ifade eder. Isı yalıtımının iyi olduğu durumlarda U değeri düşük,dolayısıyla tersi olan R-dcğeri büyüktür.

85

Şekil 6'dan da görüleceği gibi etkin U değerleri karşılaştırmasındayüzeyi kaplı (Low-E kaplama ile) çift cam, güneş ısı kazancını aynenkoruduğundan tuğla duvardan daha iyi bir ısı yalıtımına sahiptir.

6.0

5.0

İ.O -

î3.0

o:

.sUJQ

2.0

1,0 -

ısı KAYBI

m ^ GÜNEŞ ISI KAZANCIETKİN U DE&ERİ

|s; El KAYBI-ia KAZANCI. ETKİN U DEĞERİila

TEK CAM ÇİFT CAM

2YÜZEYİ KAPLI

ÇİFT CAMUGLA

DUVAR

Şekil : 6 Etkin U-değeri

Low-E camlar elektriksel iletkenliğe sahip olduklarından oto sanayiindebüyük ilgi görmüşlerdir. Oto ön ve arka camlarında rezistansh camlaryerine kullanılarak cam yüzeyinde istenmeyen buğulanma ve buzlanmayıönlerler. Ford Motor Co. son modellerinde arka camlarda rezistansh cam

yerine Low-E camdan yapılmış lamine cam kullanrnışdır. Cam, kenarşerit vasıtası ile arabanın elektrik sistemine bağlanabilmektedir. Böylecegörüntü estetiğini bozmadan kalın bir buz tabakasını 2 dakikada erittiğitest edilmiştir.

86

YANSITICI VE LOW-E CAMLARIN ÜRETİM YÖNTEMLERİ

Yansıtıcı ve Low-E camların üretimleri için halen kullanılmakta olan beşticari kaplama prosesi vardır.

Hat Dışı Sıcak Püskürtme

Sıcak püskürtme prosesinde cam yaklaşık 550°C'a kadar ısıtılarakpüskürtme ile yüzeyde istenen metal oksit tabakası oluşturulur.

Hat Üstü Sıcak Püskürtme

Bu yöntemde cam, float prosesinin bir parçası olarak kaplanır. Camşerit float banyosunu terkederken temiz ve kaplama için uygunsıcaklıktadır. Buraya eklenecek bir püskürtme kabini ile metal oksitkaplama elde edilir.

Kaplanmış cam, tavlama fırınına girerek tavlandıktan sonra istenenboyutlarda kesilebilir veya doğrudan stoklanabilir.

Vakumda Biriktirme

Vakumda biriktirme işlemi hat dışında olup, oda sıcaklığına yakınsıcaklıkta, yüksek vakumda camın kaplandığı yarı sürekli bir işlemdir.Metaller ısıtılarak buharlaştırılır ve cam yüzeyine kaplanırlar.Buharlaştırma enerjisi ısıtıcı dirençten doğrudan elektrik akımı geçirerekveya elektron bombardımanı ile sağlanır. Kaplanacak camlar birçerçeveye yüklenerek vakum tankına yerleştirilirler. Burada ergimişhalden veya doğrudan sübiimleşerek buhar fazına geçen metal buharları,cam plaka yüzeyini kaplar.

Kimyasal Biriktirme

Kimyasal biriktirme ayna gümüşleme hattına benzer kesikli bir işlemdir.

fi7

Çeşitli indirgen çözeltiler yardımı ile metal tabakası cam yüzeyindeoluşturulur. Camın bu tür bir çözeltiye daldırılması (dip-coating) aynıteknikle yapılır.

Metal Saçılması (Sputtering)

Metal saçılması oda sıcaklığında ve yüksek vakumda sağlanan bir

kaplama işlemidir.

Metal saçılması (sputtering) işleminde, kaplanacak madde plaka şeklindeve katodun üzerine yerleştirilir. Yaklaşık 500 volt ile 3000 volt arasındayüksek negatif gerilimle yüklenen katot yüzeyi önündebir plazma oluşur.zMetal saçılması için gerekli olan gaz (örneğin argon) pozitif iyonlara veelektronlara ayrışır. Atomların bu elektronlarla çarpışması sonucu yeni

elektronlar oluşur. Bundan dolayı elektrotlara .akan elektriksel yüklütanecikler sabit bir şekilde yeniden oluşurlar ve kararlı bir plazma

meydana getirirler. Pozitif gaz iyonları katoda doğru hareketlenir ve

kinetik enerjileri ile metali aşındırırlar. Saçılan metal tanecikleri decam üzerinde yoğunlaşarak kaplanırlar. Yüksek kaplama hızı ve çok iyi

bir kaplama dağılımı verdiğinden, metal saçılması (sputtering), vakumkaplamaya göre daha ekonomik ince metal kaplama sağlar.

Bu kaplama prosesleri içerisinde iki tanesi "hat üstü sıcak püskürtme" ve"sputtering" rekabet halindedir. Sputtering prosesi daha homojen birkaplama sağlamasına rağmen, kaplamanın yumuşak olması ve yüksekfiyatı en büyük dezavantajdır. Hat üstü sıcak püskürtme prosesi ilkyatırımının düşük olması ve ürünlerin kesilebilir, temperlenebilirözellikleri ile tek camlarda kaplama dış yüzeye gelecek şekilde

uygulanabilme avantajına sahiptir.

Her iki proseste de geliştirme çalışmaları sürdürülmektedir.

Araştırma Merkezimizde sıcak püskürtme prosesi ile yansıtıcı ve Low-Ecamların pilot düzeyde üretimi çalışmaları amacıyla bir pilot yüzey

88

kaplama fırını kurulmaktadır. Float hattı uygulamalarına temel teşkiledecek olan pilot çalışmalarda, çeşitli performanstaki kaplamalarda,İşletme parametreleri optimizasyonu hedef alınmıştır.