研究緣起與背景

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起

隨著建築能耗占國家總能耗的比例逐漸擴大，各國越來越重視建築節能問題。

如吾人所熟知的，經由建築外牆傳入室內的熱量往往是空調負荷的主要來源之一。

所以，設計有良好熱性能的外牆是降低空調負荷的一個簡單而有效方法。習慣上 是透過改進外牆的熱阻值以抑制外牆的熱量傳遞。利用隔熱材料的高熱阻(R 值)，

可以阻礙進入或離開建築物的傳導、對流和輻射熱流。在建築物正確使用外牆隔 熱不僅能減少能源消耗，而且也可以降低 HVAC 系統的設計容量。所謂的低能 耗建築和被動式建築一般都是基於高隔熱性能，同時各國的建築節能標準也都規 定外牆 U 值的最大允許上限。譬如，我國的建築技術規則就規定住宿類的建築 外牆平均 U 值低於 2.75 W/㎡ K，住宿類以外的建築低於 2.0 W/㎡ K。隔熱材料 是指能阻止或減緩熱量通過建築外殼的材料。隔熱是綠建築非常重要的設計手段，

因為它具有可以讓居室空間保留他們原有的內部熱量，同時避免增加過多來自外 部的熱量。隔熱材料的性能是以熱阻 R 值（高熱阻=高 R 值）來表示。根據穩態 熱傳導公式，通過壁體的熱傳量與它的傳導率 U 值成正比。由於 R-值是熱傳導 率 U 值的倒數，隔熱材料的厚度增加一倍並不會削減熱量損失了一半，而是成 如圖 1-1 所示之指數衰減。舉例來說，假設某一個特定的牆體當其無隔熱材料和 使用 1 英吋的隔熱材料之間的差可以節省 80％的熱傳量；而當厚度打算從 1 英 寸增加到 2 英寸時，該隔熱材料可再節省 9％的熱傳量，若打算 9 英寸變成 10 英寸，則僅僅只能再節省 1％的熱傳量。因此，需以如圖 1-2 所示之總生命週期 經濟的概念[1]，綜合考量外牆隔熱系統(包括材料種類和使用厚度)的初始成本加 上節省的空調和供暖系統的能源費用，以最小的成本來決定最佳的隔熱材料厚度。

Kaynakli (2012)等多個研究均指出，當隔熱材持續加厚以降低 U 值至一門檻時，

空調耗能卻無明顯降低，徒增材料生產製造的碳足跡。

另一方面，特別是對只要充分滿足夏季防熱要求，一般可不考慮冬季保溫的 南方溫暖氣候區而言，「不可能僅使用基於 U 值的方法(例如增加牆，屋頂，窗 戶的隔熱材料厚度)來設計節能建築」這樣一個概念在近幾年中越來越受到重視 [2]。通常適用於北方寒冷氣候區的建築保溫材料只是阻隔了熱傳遞，若是將此 一北方氣候的節能概念一成不變的搬到南方氣候來使用，有可能反而幫倒忙，把 已經很熱的建築物再用隔熱材料從外面包起來，不讓熱量散失出去，造成建築節 能效果不明顯[3]。

圖 1-1 成指數衰減關係的熱流量與隔熱厚度 (資料來源：Autodesk Sustainability Workshop[4])

圖 1-2 以生命週期經濟評估決定最佳隔熱厚度的概念 (資料來源：Omer Kaynakli, 2012[1])

如前段所述，儘管良好的隔熱能力可以有效降低建築能耗，然而不可能永遠 只使用以 R 值或 U 值為基礎的方法來設計節能建築。另一種有效的方法是利用

建築結構(特別是混凝土地板，牆壁和屋頂)本身的蓄熱能力。如圖 1-3 所示，屋 頂或者外牆的蓄熱性質(或稱熱質量)可以儲存吸收自太陽的能量，並在稍後慢慢 釋放蓄積的熱量，如此一來便可以達到消除來自太陽輻射熱造成的室內快速升溫 現象，以及行程延遲/減少室內負荷峰值的效果。

圖 1-3 屋頂熱質量吸收儲存自太陽輻射並延遲釋放 (資料來源：Omer Kaynakli, 2012[1])

也就是熱質量，以增加時間延遲與降低衰減因子也是重要的手段。建築結構 本身就有熱質量。透過利用高熱容建築材料的熱質量先吸收熱量，稍後再慢慢向 室內、外側釋放蓄積的熱量，將有助於室內溫度的調節，以及導致延遲/減少室 內負荷峰值和降低平均輻射溫度。

熱阻和熱質量是兩個用於改善熱舒適條件，以及用於降低空調負荷峰值，並 進而降低建築能耗的二個重要參數。在接近穩定的情況下，降低外牆傳熱的被動 手段主要是增加外牆熱阻值，但是在室外氣溫和太陽輻射存在明顯的週期性變化 的不穩定傳熱的情況下,還有必要考慮外牆結構的時間延後(time lag)與強度削弱 (decrement factor)影響。在動態條件下的研究[5]指出透過在建築物中採用有較低 熱導率，但有較高蓄熱能力的砌石牆(masonry wall)，可以有效延緩 60％以上由 穩態 U 值所表明的熱傳遞量。有鑑於熱質量和隔熱一樣，對建築的熱特性有廣 泛的影響，而且熱質量的產生蓄熱作用，是無法被隔熱材料所取代的。所以例如 歐盟和中國就將外牆的蓄熱性能也納入節能標準或規範之中。表 1-1 是與台灣有 相同氣候的中國夏熱冬暖氣候區的居住建築屋頂和外牆的傳熱係數(K)和熱情性 指標(D)節能設計標準[6]。如表 1-2 所示，英國新基準[7]也開始要求要求熱質量。

表 1-1 中國夏熱冬暖地區居住建築屋頂和外牆的傳熱係數(K)和熱惰

性指標(D)基準

K<1.0,D≧2.5 K≦2.0,D≧3.5 或 K≦1.5,D≧3.0 或 K≦1.0,D≧2.5 K≦0.5 K≦0.7

備註：D<1.0 輕質屋頂和外牆，還應滿足國家標準 GB 5017-93《民用建築熱 工設計規範》所規定的隔熱要求。

K：外牆的熱傳率 D：外牆的熱惰性指標

(資料來源：中國建設部[6])

表 1-2 英國建築節能規範對隔熱與熱質量的規定

(資料來源：Thermal Performance[7])

貳、研究計畫的重要性

由於能源與環境問題，被動式低能耗建築技術又再度成為人們關注的焦點。

Element or system Value Opening areas

(windows and doors)

Same as actual dwelling up to maximum proportion of 25% of total floor area External walls(U value) 0.18W/㎡ k

Party walls(U value) 0.0 W/㎡ k Floor(U value) 0.13 W/㎡ k Roof(U value) 0.13 W/㎡ k Windows, roof windows, glazed

rooflights and glazed doors

1.4W/㎡ k (whole window value), g-value=0.63

Opaque doors 1.0 W/㎡ k Semi-glazed doors 1.2 W/㎡ k Airtightness 5.0m³/h.㎡

Thermal mass parameter(TMP) Medium(250kJ/㎡ k)

其中利用建築外牆的蓄熱性能，降低建築空調能耗，是被動式供冷技術的重要手 法之一。在世界各地的研究也已表明合理利用建築蓄熱可以有效的調節室內溫度，

達到降低空調能耗的目的。然而，關於建築熱質量在台灣的應用有以下的幾個問 題有待解決，同時也凸顯本計畫的重要性。

(1) 由於蓄熱牆體在建築中的重要作用，國外學者提出了多種概念、方法、

相關參數，透過本研究計畫執行可以將這些研究內容加以分析總結，將 有助於我國蓄熱外牆的技術的發展。

(2) 目前文獻中關於建築蓄熱的研究結果受當地氣候、建築特點、建築結構 的限制，加上熱質量用於濕熱氣候的研究相當有限[1-3]，國內也缺乏對 熱質量的詳細研究，因此國外的研究結果在台灣是否有通用性，有待確 定也值得研究。

(3) 我國建築大多採用鋼筋混凝土或磚石等重質材料建造，這些蓄熱容量大 的牆體的蓄、放熱作用可對抑制對室內溫度波動起一定的調節作用，然 而有關於鋼筋混凝土等重質牆體在北、中、南氣候區對室內熱環境影響，

以及如何結合夜間通風來降低空調能耗的研究較少。

(4) 目前有很多實用的商業軟體, 如 e-Quest 和 EnergyPlus 等，都考慮了蓄 熱的影響，但是需要具備較高的專業素養才能夠完成它們的操作。對於 設計者而言, 可能更需要一個簡單與容易使用的評估參數。考慮建築蓄 熱作用的評估參數眾多，它們對於在建築設計初期進行蓄熱性能的評價 有很好的幫助，可惜的是目前各國尚無統一的評價指標和評價參數。

參、研究預期成果效益

熱阻和熱質量是兩個用於改善熱舒適條件，以及用於降低空調負荷峰值，並 進而降低建築能耗的二個重要參數。在動態條件下的研究表明，隔熱和熱質量對 建築的熱特性有廣泛的影響。本計畫的目的在研究如何透過不同熱阻和熱質量的 組合來提高外牆的熱性能。

深入研究建築蓄熱不僅能夠優化建築熱性能的設計，改善建築熱環境提高舒

適性，節約能源，而且對於建築能耗的可持續發展有積極的作用。基於前人的研 究以及熱質量在台灣推廣有待解決的問題，本計畫內容與目的包括：

(1) 界定國內常見外牆蓄熱能力之調查及指標。

(2) 探討外牆蓄熱能力對室內空調負荷之影響同時分析不同方位的外牆蓄熱 對室內空調負荷之影響。

(3) 探討國內北、中、南等不同氣候區下，外牆蓄熱對室內空調負荷之影響。

(4) 完成不同隔熱與蓄熱性能組合對空調負荷之影響與最佳化組合探討。

(5) 完成不同方位的外牆蓄熱對室內空調負荷之影響。

(6) 完成不同顏色的外牆蓄熱對室內空調負荷之影響。

(7) 完成夜間通風和熱質量耦合下的節能分析。