透明隔熱玻璃技術

材料世界網   文/工研院材化所 傅懷廣、鍾松政、鍾寶堂

全球暖化效應造成世界各地之氣候產生極大改變，節能減碳已成為目前最可能的應對策略。由於美觀與透光性的需求，大量玻璃被運用在建築物上，窗戶的隔熱性能為影響建 築空調用電之重要因素。具有隔熱性能之窗玻璃能將紫外光與紅外光隔絕於戶外，只允許可見光進到室內，有效降低熱能傳導至室內並減少空調耗能使用量。本文將針對目前 市售與工研院材化所研發之隔熱玻璃技術現況做一介紹。   目前全球暖化與氣候變遷問題日趨嚴重，各國無不極力推動節能減碳，為當今極為重要之課題。台灣地理位置處於亞熱帶，氣候濕熱，夏天高溫達到攝氏30度以上，其空調需 求龐大，每逢夏天電力使用量屢創高峰，常造成發電系統跳機，有時甚至需以分區斷電或限電的措施來因應，造成用戶之損失與不便。 近年來，我國政府在強力推行節能減碳下，用電量已持平且開始減量，然而一般住商建築耗電量增加尚無法停止。根據能源局資料的統計顯示：住商總用電量至2010年已占全 國總用電量之31%，且用電仍以年成長率7.6%增加速率的壓力下，住商建築空調用電占全國總用電量之8.3%，而由建築物外殼進入的熱消耗全國總用電量之6.35%。外殼進入的 熱消耗整個建築空調用電的74%，比例非常高。依據台灣電力公司統計，夏季尖峰期外氣溫度每上升1˚C，空調用電量上升約6%，在台灣大都市中，夏季都會區與郊區之溫度至 少相差3~4˚C，而都市高溫化、乾燥化造成空調能源耗用增加、不舒適熱環境及空氣品質降低的現象不容小覷，若能有效減少都市排放二氧化碳，增加降溫冷卻作用，將能減 低都市高溫化。 建築物外殼結構主要為窗戶、屋頂、外牆所構成。對於一般住宅而言，約60%熱能透過熱輻射方式經由窗戶進入室內，由於一般玻璃只能隔絕經由窗戶進入熱能的7%，現行建 材的隔熱性能不佳，導致消耗很高的空調用電，因此對建築用隔熱材料來說，隔絕熱輻射為首要課題。為有效降低由窗戶進入室內的熱能，多數的窗戶均會加裝窗簾或隔熱玻 璃，而窗簾會阻擋光進入室內，且會影響視覺效果，此時選用隔熱玻璃便能兼顧照明與視覺，但是價格也相對高昂。

 一般熱傳遞的機制包括輻射、傳導、對流。高性能的隔熱材料對於熱應具有很高的阻絕性，以防止熱以輻射或傳導的形式傳到室內。因此，熱輻射阻絕材料與絕熱（阻斷溫度 差異所引起的熱傳導）材料為達成建材高隔熱性能的兩種必備材料。對於使用於亞熱帶的隔熱玻璃而言，因室內外溫差較小、日照輻射強烈，隔熱玻璃以開發能隔絕太陽熱輻 射之技術為首要考量。 透明隔熱機制 太陽輻射能量分布為紫外光區、可見光區和紅外光區三個部分。太陽的溫度高，主要放射波長位於可見光區，人體、建築物的溫度在室溫附近，主要放射能量位於遠紅外線 4~50 μm範圍，屬於非太陽產生的熱。太陽的熱能分布如圖一所示，380~780nm的可見光波段，780~2500 nm的紅外線波段（以近紅外線為主），100~380 nm 紫外線波段，其 中紅外線約占整個太陽光分布之53%，可見光約占43%，紫外線約占4%。 圖一 太陽熱源與能量分布圖 由於美觀與透光性需求，大量玻璃被運用在建築物上。在亞熱帶區域的台灣，夏季太陽光直接照射進入室內，其中約60%的太陽熱能經由窗戶進入室內，往往使人感到刺眼、 灼熱，造成室內溫度上升與冷房負荷增加。因此，阻絕太陽輻射熱直接進入室內與兼顧室內採光，為目前開發節能建材的首要工作。對於亞熱帶建築窗戶而言，其熱輻射傳遞 為重要因素。以隔熱的效果而言，具有紅外線反射機制之隔熱效能為最佳，吸熱次之。 當太陽光照射到玻璃時，一部分能量直接穿透玻璃進入室內，另一部分能量會經由玻璃吸收後，再轉換成熱向室內與室外傳遞（圖二）。吸熱的機制雖然可以將熱吸收於玻璃 上，避免直接輻射於室內物體造成加熱效果，且可經輻射與對流作用傳到室外，由於室外對流較旺盛，往室外熱傳可達約70%，其效果約等於熱反射機制的70%左右，因此，經 由吸熱的機制也可達到隔熱的目的。 圖二 太陽熱能經透明玻璃的熱傳機制 隔熱性能的評估方式有很多種，日光輻射熱取得率(Solar Heat Gain Coefficient;SHGC)為太陽熱能直接傳到室內的比例，包括太陽光直接穿過玻璃進入室內的比例與能量經 由玻璃吸收後再往室內傳遞的比例之總和，此指標愈低，代表玻璃的隔熱效果愈佳。SC (Shading Coefficient)為另一指標，定義為太陽熱能穿過特定玻璃直接傳到室內的輻 射熱與3 mm厚平板玻璃之熱量比值，此輻射熱包括太陽光直接穿過玻璃的比例與玻璃吸收後再往室內傳遞的熱量比例之總和，SC數值越小，代表玻璃建材阻擋外界熱能（包含 太陽輻射熱能）進入建築物能量越少。SHGC或SC愈小，代表通過玻璃的熱量較低，其玻璃對於輻射熱有較佳的遮蔽效果。

 針對隔熱目的而言，將太陽光輻射熱能全部反射為最佳隔熱方式。因此一理想的隔熱窗戶玻璃需具備對 780~2,500 nm紅外光區段（Near-IR與Mid-IR）的高反射特性，對於紫 外光亦需具備高反射或吸收的特性，在380~780 nm可見光區則必須視建築物採光與隱私需求，兼具光線柔和與舒適。 隔熱玻璃種類 以隔熱玻璃的發展而言， 窗戶玻璃的發展從一般玻璃、有色玻璃、熱反射玻璃、低輻射(Low Emissivity)玻璃到智慧型玻璃，隔熱的技術也從靜態演變成動態隔熱。表一列 出一些靜態隔熱玻璃的隔熱性能比較，有色玻璃的吸熱機制效果較差，熱反射玻璃主要在玻璃上鍍上一層透光性較差的金屬來反射太陽光，隔熱效果不錯，但透光性很低，且 可見光反射造成眩光嚴重。低輻射玻璃主要在玻璃上鍍上一層透光性較高的金屬膜來反射紅外光，不但透光性較高，並具很低的熱輻射性，即本身可以反射長波長的遠紅外線 ，即便搭配有色玻璃，於吸熱後亦不會以輻射的方式將熱傳至室內。至於較高等級的低輻射玻璃，則在玻璃上鍍上多層金屬膜（如銀-介電材多層膜），可選擇性地讓可見光 穿過，同時阻止近紅外光透過，具更佳的隔熱效果。但金屬銀膜容易氧化，因此一般只用於密封的雙層玻璃窗戶上。低輻射玻璃原本設計於寒冷地區的室內保溫，因此反射長 波長的遠紅外線為其主要設計的功能，如用於隔熱用途，其在近紅外光的反射能力可能因產品設計不同而有所差異，但利用其低輻射性質搭配吸熱材料，亦可達到不錯的隔熱 功能。 

表一 市售隔熱玻璃性能比較 低輻射玻璃(Low-E Glass)可選擇性地讓可見光穿過，同時阻止近紅外光透過，維持高透光且隔熱的效果，為目前性能較佳的隔熱玻璃。Low-E玻璃以生產方式可分為線上 (On-Line)與離線(Off-Line)兩種。 線上鍍膜低輻射玻璃 此種Low-E鍍膜方式因與平板玻璃生產製程連線，稱為線上式Low-E鍍膜。其製造方法主要是使用熱解製程(Pyrolytic Process)，在玻璃膏離開窯爐後，將Low-E薄膜材料噴灑 於成型的高溫平板玻璃上，利用熱解程序將薄膜材料鍍覆於平板玻璃上，以此方式產生的產品稱為硬鍍(Hard Coad)低輻射玻璃。可採單片式、膠合式、複層式組合，並且可 直接高溫強化、彎曲加工，使用上極為方便。硬鍍式低輻射玻璃的主要特色為1.製程單純、成本低；2.可強化加工；3.可單片使用；4.節能效果不如軟鍍膜；5.鍍膜顏色固定 ，選擇性較少。 本文節錄自工業材料雜誌320期綠色節能及隔熱建材技術專題，全文內容請參閱材料世界網