第二章 建材之熱傳導係數檢測標準操作程序
第五節 實驗數據之分析
步驟 1：箱壁與環境之熱損失(Qm)的校正實驗
此校正實驗之步驟請參見第三節之內容，為了求得操作溫度區間箱壁熱 損失與室外側空氣溫度與環境溫度差之關係式，本校正實驗需從操作溫度區 間之最低溫度加熱至最高溫度，逐步求取箱壁熱損失之校正值。實驗時，由 於吾人將室外側及室內側內部空氣溫度設為相同，使兩者之間沒有溫度差存 在，所以便沒有熱傳發生，即Qs =Qfl =0，可以將能量守恆方程式(2-1)式簡化 成以下形式：
Qm =Qf +Qh −Qc (2-5) 而Qf、Q 及Q 可由記錄器之數據經過計算求得，而後再將其計算結果代回(2-5) 式，即可求得 之值。室外側空氣溫度可直接由記錄器之讀數得知，而環境 溫度可由安裝在箱體外環境中之熱電偶線的溫度量測值取平均值，如此便可 以求得箱壁熱損失與室外側空氣溫度與環境溫度差之關係。由於進行了多組 不同溫度設定值之校正實驗，所以可以經由多組實驗結果求出箱壁熱損失與 室外側空氣溫度與環境溫度差之校正關係式。
h c
Qm
步驟 2：箱體側邊滲透熱傳量(Qfl)之校正實驗
此校正實驗之步驟請參見第三節之內容，為了求得操作溫度區間箱體側 邊滲透熱傳量與兩側箱體間溫度差之關係式，本校正實驗需從操作溫度區間 之最低溫度加熱至最高溫度，而後逐步求取箱體側邊滲透熱傳量之校正值。
由於使用已知熱傳導係數之標準試件進行校正實驗，所以Q 可以利用傅立葉 熱傳導方程式(2-2 式)求得，其中室外側及室內側之試件壁面溫度可分別由壁 面之熱電偶線平均值求得、試件之表面積及厚度亦可由量測得知。另外箱壁 與環境之熱損失已於步驟 1 中求得，所以可以將(2-1)式整理成如下之形式。
s
Qfl =Qf +Qh −Qc −Qm −Qs (2-6) 其中Qf 、Qh及Qc可由記錄器之數據經過計算求得，將其計算結果代入(2-6)
式即可求得Q 值。同時讀取記錄器上兩側箱體間之溫度差，如此便可以求得
第三章 建材熱傳導係數之實驗結果與討論
先前的實驗結果顯示，同樣的試件及實驗條件下，於不同時間進行實驗，
所求得的試件熱傳導係數卻有很大的落差
。
經過重新計算實驗數據及檢討實 驗流程之後，初步推斷發生此誤差的原因可能為實驗設備不穩定所導致。但，由儀器設備的校正結果發現溫度、流量及電力計之偏差皆在容許範圍以內，
如附件一之校正報告所示。於是，為了判定誤差發生的原因所在，便自行設 計了一組校正實驗，此校正實驗的步驟如下所述。
校正實驗進行時將室外側及室內側箱體內的空氣溫度皆設定與環境溫度 相同，因而便沒有箱壁熱損失(Qm)及側邊滲透熱傳量(Qfl)。此時加入箱體的能 量(Qh+Qf)便等於低溫滷水帶走的熱量(Qc)。但，由實驗結果發現，加入箱體 的能量卻大於低溫滷水帶走的熱量，發生此誤差的原因應在於低溫滷水的流 量計或加熱器及風扇的電力計。但是儀器的校正報告顯示電力計並無明顯的 偏差，因此我們便以攜帶式功率計同時對控制盤之電力計與實驗箱體輸入之 能量進行監測，結果發現兩者的數值並不相同。故可推斷產生誤差的原因為 箱體與控制盤間之線路損失。由於實驗箱體與控制盤間之線路長達 10 公尺以 上，其間的線路損失可能導致實驗結果的不準確性。
經由以上校正實驗，目前已找出發生誤差的主要原因可能為線路損失致。
下列兩種方式或許可解決此誤差：第一種為將控制盤搬移至箱體附近，以減 少線路熱損失;另一解決方式為在加熱器所能提供之功率範圍內，逐一進行線 路損失的估算，並將損失的比率做成校正表格，實驗數據計算時便根據此校 正表格對控制盤之讀數做修正。本年度之研究採用第二種方式，風扇電力計 之線路損失經過攜帶式功率計的校正，其實際值為控制盤讀數的 50%，加熱 器電力計之線路損失修正值如表 3-1 所示。以下為根據此校正方式進行之實驗 結果。
表 3-1 電力計之線路損失校正表
室內側箱體 室外側箱體 控制盤顯示
功率 實際值/控制盤顯示值 控制盤顯示
功率 實際值/控制盤顯示值 500 0.74 510 0.823 1050 0.84 1034 0.865 1490 0.868 1516 0.887 1980 0.89 2060 0.907 2067 0.894 2550 0.919
第一節 箱壁與環境之熱損失校正實驗
首先進行箱壁與環境之熱損失校正實驗，進行步驟如第二章第三節中”D.
箱壁與環境之熱損失校正”所述，先將低溫區(室內側)及高溫區(室外側)箱體的 空氣溫度設定在相同的溫度值(高於環境溫度)，即 Tc=Th，如此一來便可以假 設高溫區與低溫區間沒有熱量的交換，即Qs =Qfl =0。本年度之研究進行了三 組不同溫度設定值的箱壁熱損校正實驗，實驗條件如表 3-2 所示。
表 3-2 箱壁熱損失之校正實驗條件
Th (oC) Tc (oC) Th-Tout (oC) Qm (W)
CASE1 60 60 29.86 80.16 CASE2 62.5 62.5 32.42 79.87 CASE3 65 65 35.42 80.39
由於高溫區之空氣溫度設定值皆大於環境溫度，所以將高溫區之低溫滷水 流量關閉，僅以加熱器與風扇來控制高溫區之空氣溫度。如此一來，低溫滷 水所帶走之熱量值便為零，即Q 。經過一段時間的運轉，俟整個實驗箱體 達到穩定狀態後，記錄高溫區加熱器與風扇加入之能量(Q 及 )及高溫區空
=0
c
h Qf
氣溫度與實驗環境之溫度差(T - )，將上述 、Q 、 、Q 及Q 代入能量
第二節 由箱體側邊所滲透之熱傳量的校正實驗
25 30 35 40 45
Th-Tc (oC )
10 11 12 13 14 15
Qfl ( W )
圖 3-2 箱體側邊滲透熱傳量校正實驗結果
第三節 實驗結果與討論
完成箱體熱損失及箱體側邊熱傳量的校正實驗後，便可進行建材試件之 熱傳導係數檢測實驗。為了便於實驗的進行及結果的分析，故將本研究之實 驗試件予以編號，試件編號及說明如表
3-4
所示。表 3-4 實驗試件編號表
編號 試件結構
試件 1 磚牆塗漆
試件 2 磚牆塗漆 + 矽酸鈣板
試件 3 磚牆塗漆 + 空氣層(2 cm) + 矽酸鈣板 試件 4 磚牆塗漆 + 空氣層(3.5 cm) + 矽酸鈣板
試件 1：”磚牆塗漆”之熱傳導係數量測
2. 於高溫區之試件表面溫度T 為第 21、22、23、24、25、26、27、28、29 及 30 頻道之平均值。
1 的 值可能隨溫度呈反比的關係，即 值隨著溫度的升高而下降。若欲
圖 3-4 磚牆塗漆之實體
38 40 42 44 46 48
T ( s oC )
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
keff, 1 ( W/mo C )
圖 3-5 磚牆塗漆之實驗結果
試件 2：”磚牆塗漆 + 矽酸鈣板”之熱傳導係數量測 的熱傳導係數。由(3-6)式可求得 約在 0.05∼0.09(W/m
L1 L2 eff,2
120
120
13
2磚牆 B 0.8
矽酸鈣板 水泥漆 單位：cm
圖 3-6 磚牆塗漆+矽酸鈣板之幾何示意圖
38 40 42 44 46 48
T ( s oC )
0.3 0.4 0.5 0.6
keff, 2 ( W/mo C )
圖 3-7 磚牆塗漆+矽酸鈣板之實驗結果
試件 3：”磚牆塗漆 + 空氣層(2 cm) + 矽酸鈣板之實驗”之熱傳導係數量測 為了欲瞭解空氣層的斷熱效果，故在磚牆與矽酸鈣板間隔著 2cm 的空氣 層，其幾何示意圖如圖 3-8 所示。試件 3 之實驗結果如表 3-7 與圖 3-9 所示。
由表 3-6 和表 3-7 可發現，磚牆與矽酸鈣板間存在有空氣層時，其等效熱傳 導係數又比沒有空氣層下降了許多，其值約在 0.40 ~ 0.41 (W/moC)之間，而試 件的溫度範圍約在 43 ~ 47 (oC)之間。此證實了空氣具有斷熱的功能。圖 3-9 為試件 3 之等效熱傳導係數k 可能隨溫度的變化情形，由該圖可發現k 隨 溫度的變化不大。
3 ,
eff eff,3
表 3-7 “磚牆塗漆 + 空氣層(2 cm) + 矽酸鈣板”之實驗條件及結果
試件 3 Th
(oC)
Tc
(oC)
Ts,h (oC)
Ts,c
(oC)
Ts
(oC)
keff,3 (W/moC) Case1 60 20 54.874 30.361 42.617 0.41 Case2 60 25 56.502 34.072 45.287 0.41 Case3 60 30 54.800 35.290 45.045 0.41 Case4 65 30 59.008 35.774 47.391 0.40
120
120
13
2 磚牆 B 0.8
矽酸鈣板 水泥漆
2
空氣層 單位：cm
圖 3-8 磚牆塗漆+空氣層(2 cm)+矽酸鈣板之幾何示意圖
40 42 44 46 48 50
Ts ( oC )
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
keff, 3 ( W/mo C )
圖 3-9 磚牆塗漆+空氣層(2 cm)+矽酸鈣板之實驗結果
試件 4：”磚牆塗漆 +空氣層(3.5 cm) + 矽酸鈣板之實驗”之熱傳導係數 試件 4 之研究乃欲進一步瞭解空氣層厚度對斷熱效果的影響情形。其實驗 試件之幾何示意圖如圖 3-10 所示。其實驗結果如表 3-8 與圖 3-11 所示。比 較表 3-7 和表 3-8 之實驗結果可發現空氣層厚度加大後，其等效熱傳導係數 又下降了一些，其值約在 0.35 ~ 0.4 (W/moC)之間，而試件的溫度範圍約在 40
~ 44 (oC)之間。此現象乃由於空氣的熱傳導係數很低，具有斷熱的效果，所以 增加空氣層的厚度相當於增加了隔熱的效果。圖 3-11 為試件 4 之等效熱傳導 係數 可能隨溫度的變化情形，由圖 3-11 可發現 可能隨T 的增加而減 少。
4 ,
keff keff,4 s
表 3-8 “磚牆塗漆 + 空氣層(3.5 cm) + 矽酸鈣板“之實驗條件及結果
試件 4 Th (oC)
Tc (oC)
Ts,h
(oC)
Ts,c
(oC)
Ts
(oC)
Keff,4 (W/moC) Case1 60 20 54.054 26.583 40.319 0.40 Case2 60 25 54.460 29.158 41.809 0.38 Case3 60 28 56.024 31.374 43.699 0.35
120
120
13
2 磚牆 B 0.8
矽酸鈣板 水泥漆
空氣層
3.5
單位：cm
圖 3-10 磚牆塗漆+空氣層(3.5 cm)+矽酸鈣板之幾何示意圖
38 40 42 44 46 48
Ts ( oC )
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
keff, 4 ( W/mo C )
圖 3-11 磚牆塗漆+空氣層(3.5 cm)+矽酸鈣板之實驗結果
第四章 結論及建議
目前較常見的材料熱傳導係數檢測方法有熱箱法及熱流計法。熱箱法又可 以分為校正熱箱法及保護熱箱法。本研究是根據校正熱箱法來量測各種不同 建材之熱傳導係數。熱流計法之檢測設備目前內政部建築研究所已經完成招 標作業。俟此檢測設備啟用後，有些建材可建議採用此兩種不同的量測設備 來進行檢測，而後將所得之結果相互比較，以提高檢測的精確性及可信度。
從本研究結果可以得知，利用本研究之校正熱箱儀操作流程可以測得建材 在不同環境條件下的熱傳導係數。由實驗結果顯示磚牆塗上水泥漆後之熱傳 導係數約在 0.62 ~ 0.67 (W/moC)之間。若加上矽酸鈣板後其等效熱傳導係數會 下降至 0.41 ~ 0.45 (W/moC)之間，於此計算過程中也可估算此矽酸鈣板的熱傳 導係數約為 0.05∼0.09(W/moC)。由此可見，若建築外殼加上熱傳導係數較低 之材料，如矽酸鈣板等，可以提高其隔熱效果。實驗結果也顯示，空氣層具 有斷熱的效果。空氣層厚度越厚，相對地其等效熱傳導係數也會越低。
值得注意的是本校正熱箱儀僅能控制測試箱體內部之高溫區空氣溫度及 低溫區空氣溫度，而無法直接控制建材試件的溫度。若欲求得較精確的建材 熱傳導係數，建議多設定幾組不同的環境條件，進而求得試件熱傳導係數隨 溫度的變化情形。
本量測設備可以於各種不同的環境條件下進行檢測的工作，只是現階段為 了建立較適合我國的檢測標準，故本研究便依據我國的氣候條件來設定高溫 區及低溫區之空氣溫度，以便對我國及進口建材進行檢測。
本研究已建立了建築外殼之隔熱性能檢測的標準操作程序，並分別對單一
本研究已建立了建築外殼之隔熱性能檢測的標準操作程序，並分別對單一