【窗裡乾坤】專欄   編者:左大鈞

鋁窗除了用來遮風、擋雨、隔音、採光與納氣外,還有一項重要的效用,就是節能阻熱,而這個節能阻熱的效用,除了關係玻璃透光率所影響的照明成本外,更重要的就在隔絕室外的熱源進入室內,或是確保室內的溫度不易散失,來達到夏季時可隔熱或冬季時可保暖的舒適生活與節約電耗效果。

就鋁窗的結構來說,有70%以上的面積為玻璃所組成,因此,玻璃可謂是決定窗子阻熱效能的主要關鍵;然而,市面上的玻璃種類眾多,有透明的清玻璃、色板玻璃、半反射玻璃、Low-E玻璃、Low-R玻璃等等,而就玻璃的結構組成來說,又有單層玻璃、膠合玻璃、複層玻璃之分,但不同的玻璃自有其不同的光學與物理特性,因此在阻熱的模式與效用上,就會有一些差異;但究竟該如何選擇才是良策呢?這就必須視自己的預算、阻熱的需求、開窗的通風習慣、環境的特性、鋁窗玻璃溝槽的規格而訂了。

在正式進入各種玻璃的隔熱效益分析之前,我們必須先了解一下熱的傳遞方式,才能依據其特性來作分析。熱的傳遞方式主要有三種型式,即熱傳導、熱對流、熱輻射,其傳熱的方式概為:

  • 熱傳導:

係固體型態間的傳熱方式,熱會從高溫的物體傳導至低溫的物體;舉例來說,手中握著冰塊,手上的溫度會傳導至冰塊,並導致冰塊開始融化;而鐵板燒也是藉由鐵板加熱的熱傳導方式來料理食材與保溫菜餚。

  • 熱對流:

係氣態或液態間以流體的方式來傳熱;當空氣或水在受熱時,其分子體積會變大,並使得密度相對變小,故暖空氣、水熱流就會往上竄升,形成熱的對流傳遞;以冬天常用的陶瓷式、葉片式、熱風式電暖設備來說,也多是利用將周遭空氣增溫的對流方式,來達到暖房的功效。

  • 熱輻射:

不需透過任何物質,而直接將熱源傳遞出去的方式即為輻射;如:太陽的熱即是藉由電磁波輻射方式傳到地球,期間不須經由任何介質做為傳遞。此外,在我們身處的環境中,除了太陽的輻射熱能外,所有的物件都可能會因為自身發熱(如體溫)或在接收外部熱源後,而使得本身的溫度高出絕對零度(-273.15 ℃)許多,這時物件自體就會主動地向周圍發射出長波紅外線(即許多人所稱的溫度輻射、自體輻射、二次輻射或再輻射;許多偵測體溫的熱感器,就是利用自體輻射出的長波紅外線熱源來進行成像,以作為生命探測或偵測體溫的工具,如下圖),而這種由物件受熱後所發出的自體電磁波,會因其表面的光亮或暗沉、平滑或粗糙、溫度狀況而有不同程度的輻射反射、吸收,以及穿透效能,其中物件的輻射吸收多寡,會直接影響著自體輻射的發射量強弱,而這個再輻射的發射效能,就是所謂的再輻射發射率(Emissivity),這也正是我們常聽到的Low-E玻璃(Low Emissivity Glass)所要控制的主要因子。

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在瞭解了熱的傳遞方式,以及熱輻射並非只有太陽輻射後,我們就不難判斷居家中存在的熱源種類不外乎有:

  • 外部熱源:

太陽光直接穿透進入室內的輻射熱能、太陽光因物件反射而進入室內的間接熱能、地表或戶外其他物件在吸收太陽輻射熱能後所產生的再輻射、建築本體結構(鋁窗、玻璃、牆面、採光罩等)因吸收了太陽輻射能量後所產生的熱傳導與自體輻射、室外暖風吹入室內的熱氣流等。

  • 內部熱源:

即居家內部自生的熱源,如:人員、寵物、各種物件所產生的自體輻射熱源,及因為烹飪、空調、設備運轉所產生的空氣對流熱源。

上述的熱源,會因為熱帶、寒帶,或是夏季、冬季的供暖或製冷需要不同,而採取相對應的阻隔或保存措施;接下來,我們就能利用不同玻璃的光學物理特性,來探討其在不同的熱源模式下,各自的阻熱或熱保存效能了。

首先,我們來談談低輻射玻璃,許多人一聽到低輻射玻璃就會直接聯想到Low-E(Low-Emissivity)玻璃,但有些人也會不免質疑,輻射不是Radiation嗎?這裡為什麼用的是Emissivity(發射率)?這與抑制輻射有什麼關係呢?

其實如果看倌們有仔細詳讀前面所提到的熱輻射說明,就不難理解這個發射率Emissivity為什麼決定著阻熱的效能。

由於鋁窗的玻璃會同時接受到上面曾提到的「外部熱源」與「內部熱源」的輻射熱能,而這些輻射不管是直接輻射、間接輻射、物件自體的再輻射,在傳遞到玻璃時,就會出現「穿透玻璃」、「被玻璃反射」、「被玻璃吸收」的三種情形,因此如果我們能提高玻璃的輻射反射效能,相對而言就能降低輻射被玻璃所吸收,而輻射吸收量受到減抑,自然就能有效控制玻璃的再輻射發射率;所以,Low-E(Low-Emissivity)玻璃的設計概念,就是利用熱裂解或真空濺鍍的方式,在玻璃表層上熔融(硬膜)或鍍上銀薄膜(軟膜),並藉由這個較不影響可見光穿透的銀薄膜,來反射掉輻射光譜中的大部分紅外線與紫外線,以達到不影響可見光穿透」、「降低玻璃輻射吸收量」與「控制再輻射發射量」的多重綜效;如此一來,室溫就不容易透過玻璃向外散失,而室內物件的再輻射,也會因為銀薄膜的反射而留存在室內,從而達到供暖的效果,這就像是保溫瓶的銀壁內膽設計一樣,藉由其高反射性,被動式的將熱水的輻射熱能反射並保留在瓶內,達到溫度不易流失的效果,而這也正是為什麼Low-E玻璃主要源於、用於寒帶、高緯度、高海拔地區之故。

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Low-E玻璃銀薄膜的高輻射反射效果與「低自體輻射的特性,目前也已普遍被溫熱帶地區拿來運用,藉由Low-E玻璃銀薄膜在不同玻璃面上的位置調整,技巧性的把來自屋外的各種輻射熱能反射出室外,同時也抑制了玻璃的再輻射發射率,而達到控制室溫的製冷效果,只是在溫熱帶的區域,室內、外溫差通常為10℃左右,所以控溫的效能與需求性,不若寒帶地區的內外溫差有著20~30℃的差異,來得更為顯著與必要。

因Low-E玻璃銀薄膜容易氧化,所以必須使用在膠合或複層玻璃的內層中,但無論銀薄膜塗層是在玻璃夾層中靠近室外的那側(即「第二玻璃面」),還是靠近室內的那側(即「第三玻璃面」),其透光率和熱傳導係數(U值)都相同,但當塗層位於「第二玻璃面」時,太陽熱能增益係數則會降低(SHGC值,即窗戶的太陽熱能獲取係數,數值越低,表示窗戶所傳遞的太陽熱能就越少),故適合用於溫熱帶國家;如為寒帶地區使用時,則銀薄膜塗層位於「第三玻璃面」時,效果會比在「第二玻璃面」來得更好。

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由於Low-E玻璃的銀薄膜必須使用在雙層玻璃的內層,導致整體價格不菲,且並非所有的鋁窗規格都能符合複層玻璃的安裝需要,因此目前坊間也有一種名為Low-R(Low-Radiation)的低輻射玻璃,其設計構想與Low-E玻璃是利用輻射的反射來控制玻璃的再輻射效能有所不同,其主要是藉由在玻璃上黏貼具有吸附太陽輻射熱能的隔熱膜、或者直接在玻璃生產過程中,即行添加了具有吸收紫外線、紅外線效果的吸收劑,來吸附掉太陽輻射中的不可見光熱能,而這些被玻璃所吸收的能量,會經由玻璃的再輻射及空氣的對流效應,被傳導到室外而散失。

因為Low-R低輻射玻璃主要是在玻璃生產過程中添入紫外線、紅外線吸收劑,因此不像Low-E玻璃的銀薄膜會有容易氧化的顧慮,故而也能以單層玻璃的方式來製作,相對也能降低採購的成本,且一般常規的鋁窗規格也都能安裝使用。

除了Low-E、Low-R玻璃外,其實色板玻璃與不含低輻射塗層的半反射玻璃同樣也是具有一些隔熱的效用,因為在太陽的輻射熱能中,可區分為可見光(約占44%)、不可見光的紫外線(約占3%)與短波紅外線(約占53%),而不同於Low-E玻璃是控制自體輻射量且能維持較高的可見光穿透率,以及Low-R玻璃是利用吸收太陽不可見光輻射的方式來達到隔熱的效果,色板玻璃與半反射玻璃則是利用「阻擋」或「反射掉」太陽輻射中的部分「可見光」來達到阻熱的效用(色板玻璃對於可見光的遮蔽效果概為:綠色色板玻璃>灰色色板玻璃>茶色色板玻璃>藍色色板玻璃;半反射玻璃對於可見光的遮蔽效果則為:綠色半反射玻璃>藍色半反射玻璃>灰色半反射玻璃>茶色半反射玻璃>透明銀半反射玻璃),雖然不可見光中的短波紅外線仍為太陽輻射中的主要熱源,但畢竟Low-E、Low-R玻璃與色板、半反射玻璃有著不小的價差,因此在選用時,可依預算、受光情形、開窗習慣來選擇適合的產品。

如果家中鋁窗的座向並非面東、面西、非玻璃屋,或建築主體前方有其他建物或地況會遮障陽光時,其實尚不須採用到價格昂貴的Low-E、Low-R玻璃;而如果鋁窗位處受陽面,且日照狀況十分嚴重而必須選用Low-E、Low-R玻璃時,則可搭配選擇複層玻璃,因為進入室內的熱源,除了有太陽輻射、玻璃的自體輻射外,還有玻璃受熱時的熱傳導,因此複層玻璃的中空層具有阻斷熱傳導的效用,在阻熱與保暖的效果表現上,還是會明顯優於使用膠合式的Low-E、Low-R玻璃(若單就減緩熱傳導的效能來看,複層玻璃優於膠合玻璃,而膠合玻璃的中間層膠膜也具有減緩熱傳導的效果,所以又會比單層玻璃來得好)。

至於除了玻璃外,鋁窗又該如何選擇呢?鋁窗隔熱不外乎兩種方法,一是選用斷熱鋁材的產品,但這種產品價格實在不親民,也有結構強度上的問題,且家中如果還是會經常開窗通風,那麼室外熱風就會透過熱對流進入室內,斷熱鋁材也就英雄無用武之地了;二是選用純白色的塗裝,利用其對輻射的低吸收率,進而達到抑制熱傳導與維持較低的再輻射量的效果,此不失為最簡單也是最便宜的方法。

最後還是不免提醒大家,玻璃的選用確實能夠帶來一定的阻熱效果,但也並非是全然絕對,因為進入或存在於室內的熱源太過多樣,不是單單只有輻射熱能而已,如果家中沒有隨時關門窗的習慣,或是需要經常性的開窗通風與開門進出,那麼太陽輻射熱、室外地面與物件的自體輻射熱能、熱風對流都還是會進入到室內,那麼隔熱玻璃也變得意義不大;但如果又為了要遷就隔熱玻璃的效用,又把窗戶長時間關閉的話,在不通風的情況下,又必須得常開冷氣或仰賴新風系統,而導致電耗增加,這些問題都必須衡量清楚與客觀取捨;再者,台灣北部冬季還是會有寒流來襲,如果家中選用了Low-E、Low-R玻璃,那麼冬天寶貴的陽光熱能還是會有不易進入室內的顧慮,這也是要設想清楚的狀況;至於,採用色板玻璃與半反射玻璃也可能會降低光線的穿透率,而導致室內昏暗必須常開照明,這也必須審慎納入考量。

各式玻璃的阻熱模式與效益比較,如下表:

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編者的請求:

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