Оптические свойства оконного стекла и стеклопакетов

Светопрозрачные конструкции оконного блока в той или иной степени пропускают солнечное излучение в помещение, его поглощают и отражают (рис. 2.6). При этом видимый свет освещает помещения и вместе с коротковолновым инфракрасным (ПК) и ультрафиолетовым (УФ) излучением нагревает его (табл. 2.6).

Как видно из табл. 2.6, УФ излучение занимает незначительную долю тепловой энергии, излучаемой солнцем, и совсем не присутствует в спектре излучения внутренних поверхностей помещения. За счет длинноволнового ПК излучения (длина волн более 2500 нм) через стекла в отопительный период происходят теплопотери из помещения в окружающую среду.

Способность стекла пропускать, отражать или поглощать солнечный свет оценивается коэффициентами пропускания τ, отражения ρ и поглощения α, сумма которых равна единице, то есть α+ρ+τ =1. Эти характеристики для оконного стекла марок M0, M1, М2, М3, М4 равны: в видимой части спектра - τv = 0,9; ρv = 0,08 и αv = 0,02; в коротковолновом спектре ИК излучения - τе = 0,82; ρе = 0,07 и αе = 0,11. То есть обычное оконное стекло пропускает коротковолновые ИК излучения почти так же хорошо, как и видимый свет. Оптические характеристики одно- и двухкамерных стеклопакетов с различными газами и стеклами приведены в табл. 2.7.

Способность стекла отражать направленное на него длинноволновое ИК излучение характеризуется его излучательной способностью ε, под которой понимают отношение мощности излучения поверхности к мощности излучения так называемого абсолютно черного тела (АЧТ). Под АЧТ понимается такое условное тело, которое полностью поглощает все попадающее на него излучение. Для АЧТ ε=1, то есть энергия излучения АЧТ составляет 100 % по отношению ко всем другим телам, являющихся менее мощными излучателями и называемыми серыми телами. Чем меньше ε, тем больше тепловой энергии отразится от стекла обратно в помещение. Для обычного оконного стекла излучательная способность ε составляет приблизительно 0,84, а у стекол с низкоэмиссионным покрытием колеблется в пределах 0,04...0,2 в зависимости от назначения и типа покрытия. Сравнительная спектральная характеристика обычного оконного стекла и стекла с низкоэмиссионным покрытием (рис. 2.7) показывает, что низкоэмиссионное стекло достаточно хорошо пропускает видимый свет, и почти полностью отражает тепловую энергию в длинноволновом ИК диапазоне (с длиной волны более 800 нм).

Тепло, поступающее в помещение в летнее время за счет солнечной радиации, аккумулируется внутренними стенами и перекрытиями, что приводит к их перегреву. Теплопоглощающие стекла позволяют поглотить часть солнечной энергии. Они имеют осредненные характеристики: τе = 0,19; ρе= 0,08; αе = 0,73. Высокое значение αе характеризует способность таких стекол поглощать солнечную энергию. Стекла с солнцезащитными покрытиями имеют характерную окраску в отраженном свете и классифицируются как «теплоотражающие».
Солнцеотражающие покрытия, отличающиеся большим разнообразием, могут быть подразделены на две основные группы. Неселективные покрытия отражают солнечную радиацию во всем спектре солнечного излучения, включая видимый свет, селективные - пропускают видимый свет (λ = 38...0,78 мкм) и отражают ИК излучение с длиной волны λ = 0,78 мкм.
Неселективные покрытия выполняются на основе оксидов железа, хрома, никеля и титана; наносятся с одной или с обеих сторон стекла. Солнцеотражающий эффект неселективных стекол основан на отражении и абсорбции металлического слоя толщиной 5...30 нм, в основном состоящего из элементов 8-й подгруппы периодической таблицы - хрома (Cr), NiCr или других сплавов. Металлический слой может быть покрыт низко абсорбирующим слоем диэлектрика или двумя слоями - с целью получения эффекта интерференции.
Селективные покрытия выполняются на основе серебряного слоя, толщиной 10...20 нм. Солнцезащитный эффект таких покрытий основан на отражении коротковолнового ИК излучения за счет наличия в покрытии свободных электронов. Работа покрытия может быть улучшена за счет дополнительных слоев из низко абсорбирующих диэлектрических материалов - олова, цинка, сульфата цинка и др. Эти дополнительные слои определяют цвет покрытия.
Так как теплопоглощающие и теплоотражающие стекла в видимой части спектра пропускают 75...80 % излучения солнца, и только 5...20 % в ИК области солнечного излучения, то в соответствии с табл. 2.6 можно определить общий затеняющий эффект SH, создаваемый такими стеклами. В диапазоне длин волн 380...760 нм (видимый спектр) SH = 53 % x 0,80 = 42 %. В диапазоне длин волн 760...2500 нм (ИК спектр) SH = 46 % х 0,20 = 9 %. Таким образом, в помещение попадает 42 % энергии солнца в видимой части спектра и только 9 % в инфракрасной области.