第三章 熱質量在辦公建築的應用
第四節 熱惰性與不同參數的耦合
在前一節我們闡明了熱質量在辦公類建築的運作機制，為了更加瞭解外牆和 屋頂蓄熱性能的節能效益，我們在這一節將透過在外牆的隔熱性能 U 值固定在
=2.0 kW/㎡ K 下。，改變各種重要參數，藉由模擬各種情境，來觀察這些參數的 變動對外殼蓄熱性能的節能效益產生的影響。U 值=2.0 kW/㎡ K 係根據現行建築 技術規則的規定而來的。這些情境包括：
情境一：外殼熱惰性對空調負荷的影響 情境二：建築蓄熱與夜間換氣的耦合
情境三：外殼熱惰性與外表面太陽輻射吸收率 情境四：隔熱與蓄熱材料的排列方式
(一)不同外殼的熱惰性
圖 3-16 說明模擬所使用的牆體構造示意。其中外飾材料是瓷磚，內飾材料 為水泥砂漿粉刷，使用 RC 混凝土做為蓄熱材料。由於 RC 混凝土也具有部分隔 熱性能，為了讓每一種構造都有相同的 U 值=2.0 kW/㎡ K，所以其隔熱材厚度亦 要配合蓄熱材厚度隨著調整。U 值=2.0 kW/㎡ K 係根據現行建築技術規則的規定 而來的。藉由從無蓄熱材到以 450mm 混凝土作為蓄熱材料，創造如表 3-3 所示 之有不同蓄熱性能的十種外牆組合。這十種組合其熱惰性指標(D 值)從 0.2 提升 到 4.7，衰減因子從 0.99 到 0.16，時間延遲從 0.8 小時增加到 11.3 小時。
圖 3-16 U 值固定下的外牆構造示意說明 (資料來源：本研究繪製)
厚度(變動)
內飾材料 外飾材料
隔 熱 材 料
蓄 熱 材 料
表 3-3 U 值=2.0 W/㎡ K 下，十種模擬組合的蓄熱能力說明
編號 A B C D E F G H I J 隔熱厚度(mm) 10.0 8.9 7.8 6.8 5.7 4.6 3.5 2.5 1.4 0.3 蓄熱厚度(mm) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 U 值(W/㎡ K) 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 熱惰性指標 0.2 0.7 1.2 1.7 2.2 2.7 3.2 3.7 4.1 4.7 衰減因子 0.99 0.92 0.76 0.59 0.46 0.36 0.29 0.23 0.19 0.16 時間延遲(hour) 0.9 2.0 3.5 4.9 6.1 7.2 8.3 9.3 10.4 11.3(資料來源：本研究彙整)
圖 3-17 顯示這十種組合的 D 值與衰減因子或時間延遲的關係。從圖中所顯 示的相關係數 R2都高達 0.99 以上，顯示這三者有很高的相關性，這也意謂只要 從這三者中挑選出一個作為反應牆體熱質量效益的參數。相較之下，D 值因為具 有容易計算的優點，所以底下所有的分析，都將以 D 值作為反應各種牆體或屋 頂蓄熱性能的參數。
圖 3-17 十種模擬牆體的 D 值與衰減因子或時間延遲的關係 (資料來源：本研究繪製)
R² = 0.996
R² = 0.995
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
0 2 4 6 8 10 12 14
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
, hour
D
表 3-4 彙整了做為模擬對向的單元辦公室在台北、台中和高雄三個氣候區於 (a)4-10 月較炎熱季節、(b)3-11 月較涼爽季節每日 08:00~18:00 的單位外殼面積貫 流熱的總合。表 3-4 的數據顯示在較炎熱的 4-10 月其數值正值，表示在這段期
表 3-4 單元辦公室於 08:00~18:00 的單位外殼面積貫流熱
圖 3-19 牆體 D 值減少空調顯熱負荷的效果
表 3-5 單元辦公室不同空調運行模式下的顯熱負荷
雖然 D 值對牆體的貫流熱有很好的轉移效果，但是被轉移至夜間的貫流熱 一部分會被蓄積在室內成為翌日的空調負荷，另一部分則會因夜間戶外溫度較低 有機會傳回戶外。表 3-5 彙整了做為模擬對象的單元辦公室在台北、台中和高雄 三個氣候區當空調系統(a)僅在 4-10 月較炎熱季節、以及(b)全年的每日
08:00~18:00 運行時單位樓板面積空調顯熱負荷的總合。
圖 3-19 說明了增加牆體的 D 值(熱惰性指標)在台北、台中和高雄在減少空 調顯熱負荷的效果。從圖中可以看到當屋頂具有良好的蓄熱能力降低空調顯熱負 荷的效果較各向外牆的效果好。當屋頂的 D 值>3.0 時，若空調僅在 4-10 月運行，
在三個氣候區可以降低單位樓板面積空調顯熱負荷 30~40MJ/m2(相當於 9~10%)；
若是空調全年運行的話，在三個氣候區可以降低單位樓板面積空調顯熱負荷擴大 至 40~70MJ/m2(相當於 12~15%)。
(二)蓄熱與夜間換氣的耦合
夜間通風是指於夜間把室外相對涼爽的空氣引入室內，直接降低室內空氣的 溫度，排除室內蓄熱，解決室內的高溫問題, 如圖 3-20 所示。夜間通風的降溫效 果與辦公建築中的蓄熱體有密切的關係。
夜間通風可以採取自然通風、機械通風或混合通風的方式。無論是採用哪一 種方式，一個非常關鍵的環節就是要確定房間的通風換氣量。由於夜間通風同時 利用通風和蓄熱來對建築進行降溫, 所以在確定夜間通風建築的熱環境狀況時, 需要同時考慮通風和蓄熱的作用。同時，圖 3-19 有最大減少空調顯熱負荷效果 的牆體 D 值發生在 3.2，所以，我們考慮了如表 3-3 中 D 值=3.2 的編號 G 構造，
以及夜間換氣回數從 0~6ACH 的組合，來進行建築蓄熱與夜間換氣的耦合情境 模擬。夜間換氣時間是從深夜的 24:00 到清晨的 07:00。表 3-3.4 彙整了做為模擬 對象的單元辦公室於蓄熱與夜間換氣的耦合模擬情境下，在台北、台中和高雄三 個氣候區當空調系統(a)僅在 4-10 月較炎熱季節、以及(b)全年的每日 08:00~18:00 運行時單位樓板面積空調顯熱負荷的總合。
圖 3-20 夜間通風降溫原理示意圖 (資料來源：本研究繪製)
圖 3-20 說明了採取夜間通風的降溫效果，來排除室內蓄熱以減少空調顯熱 負荷，在台北、台中和高雄的節能效果。從圖 3-21 中可以看到隨著夜間換氣回 數的增加，降低空調顯熱負荷的效果也愈好。當夜間換氣回數增加到 6.0 ACH 時，
若空調僅在 4-10 月運行，與無夜間通風的狀況相比，在三個氣候區可以降低單 位樓板面積空調顯熱負荷 10~30MJ/m2(相當於 8~15%)；若是空調全年運行的話，
在三個氣候區可以降低單位樓板面積空調顯熱負荷擴大至 50~80MJ/m2(相當於 20~30%)。若是與無蓄熱能力(編號 A 構造)加無夜間通風的情況相比，具有良好。
排熱
表 3-6 蓄熱與夜間換氣耦合下單元辦公室的顯熱負荷
圖 3-21 夜間換氣回數對減少顯熱負荷的效果
蓄熱能力加足夠夜間通風(6ACH)，於空調僅在 4-10 月運行情境下，在三個 氣候區可以降低單位樓板面積空調顯熱負荷 20~140MJ/m2(相當於 10~30%)；若 是空調全年運行的話，擴大至 70~240MJ/m2(相當於 20~40%)。
(三)蓄熱與外表面吸收率
建築外殼的外表面通常有不同的顏色，而不同的顏色意謂著對於太陽輻射有 不一樣的吸收率。吸收率介於 0~1.0 之間。外牆或屋頂外表面的吸收率越高，就 會吸收越多的太陽輻射，造成其白天的外表面溫度變得越高，使得外表面溫度日 夜間溫度差的變動振幅擴大。此一溫度振幅的擴大，則為牆體或屋頂的蓄熱能力 創造更為有利的條件。為了了解外表面太陽輻射吸收率對外牆或屋頂蓄熱能力節 能效果的影響，我們選擇了表 3-3.1 中無蓄熱能力編號 A( D 值=0.2)的構造和有 良好蓄熱能力的 3.2 的編號 G( D 值=3.2)，以及外表面吸收率為 0.3、0.6 和 0.9 的組合，來進行建築蓄熱與外表面吸收率的耦合情境模擬。表 3-7 彙整了做為模 擬對象的單元辦公室於蓄熱與外表面吸收率的耦合模擬情境下，在台北、台中和 高雄三個氣候區當空調系統(a)僅在 4-10 月較炎熱季節、以及(b)全年的每日 08:00~18:00 運行時單位樓板面積空調顯熱負荷的總合。
圖 3-22 說明了外表面太陽輻射吸收率對外牆或屋頂蓄熱能力節能效果的影 響。圖中縱座標的減少的顯熱負荷是指輕構造 A 和重構造 G 的空調顯熱負荷的 差。
從圖中可以看到隨著外表面太陽輻射吸收率的增加，降低空調顯熱負荷的效 果也愈好。當外表面太陽輻射吸收率從 0.3 增加到 0.9 時，在三個氣候區使用重 構造較使用輕構造外牆的單元辦公室，可以降低單位樓板面積的空調顯熱負荷也 從 6~15MJ/m2(約相當於顯熱負荷總和的 3%)擴大至 16~25MJ/m2(約相當於顯熱 負荷總和的 5%)；若是使用重構造較使用輕構造屋頂的單元辦公室的話，可以降 低單位樓板面積空調顯熱負荷從 30-70 MJ/m2(約相當於顯熱負荷總和的 14%)擴 大至 70~150MJ/m2(約相當於顯熱負荷總和的 17%)。
表 3-7 不同外表面太陽光吸收率與蓄熱構造組合單元辦公室顯熱負荷
圖 3-22 蓄熱與外表面吸收率耦合對顯熱負荷減少的效果 (資料來源：本研究繪製)
0 20 40 60 80 100 120 140
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
,MJ/m2
4-10
0 20 40 60 80 100 120
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
,MJ/m2
4-10
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0.1 0.3 0.5 0.7 0.9
,MJ/m2
4-10
(四)隔熱與蓄熱的排列方式