第七章 輕質 RC 建築物外界空調負載分析
第二節 建築物外界空調計算方法
一、空氣調節之外界熱負荷
外界負載包括下列6 項熱負荷，此需透過空氣調節加以改善。
1.日光射進窗戶：表 7-1 及表 7-2，可計算日光透過玻璃之熱。
2.日光射到牆及屋頂上：高外氣溫度將使熱傳入室內，表 7-3 及表 7-4 供給一日光照射及日光遮蔽牆及屋頂之室內外等效溫度
差。表7-5 及表 7-6 提供以各種牆及屋頂之熱傳導係數。
3.外氣溫度：外氣溫度高於室內,則熱能經由牆、窗、地板、間牆 透入室內。
4.空氣中水汽壓力：外氣所含之水汽成分太高，會透入室內，此 種負載僅適用於在需求低露點溫度之室內方有意義。
5.風吹向牆面：風能使外氣溫度升高及含水分量增多。由門窗縫 滲入室內，增加室內顯熱與潛熱獲得。
6.外氣介入常作通風換氣之用：外氣介入係在降低室內調節空氣 的異味，但卻使系統增加冷卻與減濕負荷。
二、由玻璃透過之太陽熱 1.日照
太陽熱由日照「直射」或「漫射」進入室內。當太陽靠近地 球時，在十二月二十一日在大氣外緣的太陽熱大約 455Btu/(hr)(sq ft)。當太陽遠離地球時，在六月二十一日大約 415 Btu/(hr)(sq ft)。大 氣外之太陽熱量一年中都在這範圍內變更。太陽熱傳抵地面時低 於這些數字是因大部份熱已經散佈，反射並被大氣所吸收。散佈 幅射熱稱為「漫射」或「天空輻射」，最後終將平均分佈在地面 上。太陽熱直接穿透大氣稱為「直接輻射」。
2.玻璃
普通玻璃分為單層水晶和單或雙層強力玻璃。由普通玻璃透 過之太陽熱依靠它在地面位置（緯度）、日時、年時和窗口之面 向。只有窗口面向直接受陽，直接輻射成分才會影響冷房熱獲 得。漫射成分卻不受窗口方向影響。
三、建築物透入之熱
由外層（牆、屋頂）透入之熱是以最大值時計算，同受日光照射 及兩面溫度差之影響，由於熱源每天都有很大的變更，而影響由外層 透入之熱不穩定，然而可取等效溫度差代之。「等效溫度」差乃透過 建築物之總熱量受日光照射及屋外溫度變化之溫度差，等效溫度差卻 考慮不同之構造及面向、時間、設計情況，透入建築物之熱量可依公 式（7-1）計算之。
q=UA∆Te...（7-1）
式中
q=透入熱 Btu/hr；
U=導熱係數 But/(hr)(ft²)(°F)；
A=面積 ft²；和
∆te=等效溫度差(°F)。
內層（地面、天花板、牆壁）得到的熱是由於兩面空氣之溫度差所引 起的此溫差在一天內是不變，故此傳導熱可利用公式計算之。
表 7-1(1) 由普通玻璃透過之太陽熱（北緯 20°）
表 7-1(2) 由普通玻璃透過之太陽熱（北緯 30°）
表 7-2 由玻璃透過之太陽熱總因數
表 7-3 不同面向之等效溫度差(℉)
表 7-4 不同暴露條件下之等效溫度差(℉)
表 7-5 導熱係數 U－圬工牆*
表 7-6 導熱係數 U－圬工飾面牆*
四、等效溫度差
等效溫度差可以由日射、蔭牆及屋頂的相互關係來看，在不穩定 條件下熱透過牆壁的情形，可把一塊 12 吋厚的牆分為 12 片，每一片 吋厚，假定在開始時每片牆兩面溫度均一樣，又整塊牆兩面，即室內
外的溫度差維持不變的情況下來作分析研究。
當太陽照射到牆上，第一片獲得大部份的日光熱，如圖 7-1，第 一片之溫度升高過室外空氣及第二片，因此熱會滲透入室外空氣空氣 及第二片，如圖7-2 熱量在不同方向透入，乃視熱透入牆及外面空氣 所受之阻抗，熱順序透入第二片升高它的溫度，因此也使熱透入第三 片，如圖 7-3。吸收熱的程序，順序傳導至另一片連續透過牆壁至最 後一片，而剩餘之熱由對流及輻射傳入室內。在這特殊的牆壁，它要 大約七小時使日光熱由牆壁透入室內。因為在日光熱透過之前每片都 要吸收部份熱，大量的熱透入內部空間大約10%被牆壁各片所吸收。
圖 7-1 第一次吸收之日光熱 圖 7-2 在第二次時間吸收日光熱的 情況
圖 7-3 在第三次時間吸收熱的情況
這些圖並不考慮可能改變的太陽強度或室外溫度。在每一時間由 室外牆壁的面積所吸收的太陽熱在同一天內是同一程序，圖 7-4 和圖 7-5 表示在第二次和第三次時間的總太陽熱。室外溫度升高則減少熱 流向室外的總量，並增加牆壁的傳導熱。此相同的程序發生於同一種 牆的構造，導熱量乃視牆的熱阻抗及牆壁的熱容量而定。熱透過牆進 入室內的過程可能在全部 24 小時內均進行，也可能發生於夜間，假 如空調設備操作少於 24 小時，那麼因為夜間天空的輻射和室外溫度 的下降都可能減少導熱及時常可能倒轉熱的流向，因此空調負荷的估 計（日光和由屋頂及室外牆的導入），在空調設備操作少於24 小時下，
可利用等效溫度資料計算之。標準的牆及屋頂之熱容量是與每平方呎 重量之磅數成比例，俾便於利用插入法計算。
圖 7-4 在第二次時間吸收日光熱以及 增加吸收日光熱的情況
圖 7-5 在第三次時間吸收日光熱以及 增加吸收日光熱的情況
五、導熱係數U
導熱係數或U 值是透過建築物結構的透熱速率 Btu/(ft²)(°F 溫差)。
速率乘上溫差是熱透過結構的流量，任何牆的U 值倒數量熱透過該牆 的總阻抗，熱透過牆的總阻抗是結構上每層內外表層氣膜的熱阻抗的 和。表7-5 及表 7-6 中導熱係數係根據很多普通型的建築實驗而得。
第三節 案例計算
本節利用本章所述之原則，針對三棟建築物進行實例計算，比較 使用輕質骨材混凝土於結構物前後對整棟建築物電力空調負載，以及 省電率之比值。
一、建築物of-14 案例計算
淡水竹圍段 東 西 南 北
八樓 外牆面積
窗面積（含門） 140.94 ft2 104.07 ft2 652.8 ft2 566.89 ft2 依據“空氣調節設計基礎 徐式基金會出版（Hand Book & Air Conditioning Sytem Design ; by carrie US）
5.日光熱獲得=峰值日光熱×窗面積×玻璃透熱因數×框修正
東 14×140.94×0.46×
1.17=1061.95
12×140.94×0.46×
1.17=910.25 － 1061.95 910.25 － 西 14×104.07×0.46×
1.17=784.15
164×104.07×0.46
×1.17=9185.72 － 784.15 9185.72 － 南 30×652.8×0.46×
1.17=10540.1
12×652.8×0.46×
1.17=4216.04 － 10540.1 4216.04 － 窗
北 14×566.89×0.46×
1.17=4271.4
14×566.89×0.46×
1.17=4271.4 － 4271.4 4271.4 － 東 31.25×420.65×
0.48=6309.75
0.48=8619.68 329 2159 2873 南 14.5×1299.66×
0.48=9045.63
26×1299.66×
0.48=16219.76
14.25×1299.66×
0.48=8889.67 3015 5407 2963 牆
0.48=7536.12 218 2403 2512 總計 33656.54 51014.02 22324 29393 9206
南 30 12 8 21 15
0.44=5713.62 287.2 1092 1896 南 8×413.11×
省電率(%) － － － 39.8 39 66.8
9.計算結果：見表 7-8 所示。
第四節 小結
各種案例比較使用輕質混凝土後，整棟建築空調負荷至少可 節省電力30%以上，比較表 7-7、表 7-8 及表 7-9，其整理結果見表 7-10 及圖 7-6 所示，顯示輕質骨材混凝土對節能效益上有甚高之 意義。
表 7-9 建築物 of-4 使用輕質骨材混凝土之電力空調負載及省電率比較
普通混凝土 輕質混凝土
時段 正午 下午 4 點 下午 7 點 正午 下午 4 點 下午 7 點 東 14×601.15×0.4×
1.17=4529.55
12×601.15×0.46×
1.17=3882.47 － 4529.55 3882.47 － 西 22×327.75×0.4×
1.17=3880.69
12×327.75×0.46×
1.17=2116.74 － 3880.69 2116.74 － 南 14×562.05×0.4×
1.17=4234.93
123×562.05×0.46
×1.17=37206.92 － 4234.93 37206.92 － 窗
北 14×430.59×0.4×
1.17=3244.41
0.47=9151.75 4527 2740 3038 西 25×839.11×
0.47=9859.54
18×839.11×
0.47=7098.87
13×839.11×
0.47=5126.96 3273 2356 1702 南 2.5×963.49×
0.47=1132.1
10.5×963.49×
0.47=4754.82
27.5×963.49×
0.47=12453.11 375.8 1578 4133 北 3×1697.85×
0.47=2393.97
27.5×1697.85×
0.47=21944.71
32×1697.85×
0.47=25535.66 794.6 7284 8476 牆
0.28=13317.99 1826.5 3824 976 總計 48595.43 120330.8 65585.47 26686 84163 8324.8
(Btu/Hr)
33.7
39.845 42.4 39
30
66.666.8 87.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
90 of-14 d-2 of-4
正午 下午四點 下午七點
省電率(%)
圖 7-6 建築物使用輕質骨材混凝土省電比較圖
第八章 輕質骨材混凝土使用於 RC 結構物
經濟性綜合分析
第一節 前言
本研究根據過去進行輕質骨材混凝土的種種問題，經過上面各章 之分析，可獲如表8-1 綜合評估表，基本上評估使用輕質骨材混凝土 於RC 結構物上，由結構及耗能分析結果都顯示經濟可行，以下為本 研究之綜合分析。
第二節 水庫淤泥製造輕質骨材經濟性分析
在台灣以水庫淤泥製造成輕質骨材，不僅可解決長久以期水庫淤 泥無處堆置及處理問題，更將淤泥資源化成另一種新材料，符合「綠 色」、「環保」、「再生利用」的目標，為屬於「綠色材料」之一，因此，
將「水庫淤泥」製造處理成「輕質骨材」，已提供水庫淤泥的「環境 負擔成本」的經濟效益。目前由國外歐、美及大陸進口的骨材單價介 於 2000∼5000 元/m³。本研究經模擬在水庫附近設置輕質骨材廠成本 分析，可得到假設工廠生產量可達到 36 萬 m³/年，則在 10 年攤提所 有生產設備、人員、租金、水電等費用下，輕質骨材成本為450 元/ m³，
此一單價具有相當的競爭力，並且在就業市場提供 1 萬個就業機會。
表 8-1 輕質骨材混凝土使用於 RC 結構物之經濟性綜合評估表
第三節 輕質骨材混凝土工程性質比較分析
傳統輕質骨材混凝土受限於輕質骨材吸水率高達 20∼30%以 上，因此在配比考量上以較低坍度及使用高漿量，以確保施工性及安 全性。本研究水庫淤泥經旋窯高溫燒結的輕質骨材，可在輕質骨材表 面形成一玻璃化（瓷化）的薄層，吸水率可降低至 10%以下，並且外 殼具有莫氏硬度指標 6∼7 硬度值。因此，輕質骨材混凝土可如同傳 統混凝土一般，具有高流動的性能。本研究初步評估輕質骨材混凝土 的工程性質，輕質混凝土配比方法採用「黃氏緻密配比設計法」，由 於採用常重砂、輕質粗骨材，飛灰緻密堆積降低水泥漿用量，減少水 泥與水用量；應用飛灰等卜作嵐材料改善骨材界面性質；使用強塑劑 及飛灰提供良好工作性能，因此可達到如同高性能混凝土的性能，以 四種不同配比，初步得到成果如下：
一、工作性：坍度 250±20mm，坍流度 550∼700mm，屬於高流動化 SCC 範圍。
二、抗壓強度：28∼68MPa（98 天齡期）。
三、彈性模數與ν 值：試驗結果與 ACI 318 相近。
四、熱導性係數：介於0.53∼0.65w/m°K 間。
第四節 輕質 RC 建築物結構經濟效益比較分析
在地震帶的台灣，傳統常重RC 構造由於混凝土單位重大，增加 構造物自重，產生巨大的地震水平力。本研究輕質骨材混凝土採用高 性能混凝土技術，同時具有強度夠、高工作性及耐久性佳的特性，可 以解決以往輕質混土工作性不佳、強度不足而無法使用於主要構件梁 及柱的問題，透過ETABS 結構程式，分析實際四棟建築物案例使用輕 質骨材混凝土可達到下列之經濟效益：
一、單位重愈輕的輕質混凝土愈有利於版厚的縮減量，縮減率介於8
∼28%之間。
二、在限制相同主鋼筋量為標準，分析自重及外力減少情況下，單位 重1600kg/m³之輕質骨材混凝土可縮短梁柱斷面積，平均達 57%，
而單位重1800 kg/m³及 2000kg/m³之輕質骨材混凝土可縮短梁柱斷 面積分別達到49%與 45％左右。
三、小梁柱僅考慮垂直靜載重與活載重下，縮減量分別可達到37∼
54%之間。
四、柱與牆斷面的縮減，可增加樓地版的使用空間；梁與版斷面的縮 減，可提昇樓層淨高度或增加樓層數。
五、高性能輕質骨材混凝土具高流動、強度夠及耐久性佳的特性，解
決梁柱接頭處施工不易的問題。
決梁柱接頭處施工不易的問題。