研究過程與結果

為能分析及比較常重/輕質混凝土大樓的能源成本，研究上係分別針對 7

、20 及 60 層的建築物進行長期能源成本分析。對於上述的每一種樓層數，

均分別設計一棟鋼結構常重混凝土大樓及鋼結構輕質混凝土大樓，建築物均 配置合理的樓層面積(50m×50m=2500m²)、柱間跨度(10m)及樓層高度(3m)，

建築物的結構形狀均為正方形(每邊 5 跨，每邊長=50m)，結構件型態為鋼筋 輕質/常重混凝土樓版、鋼樑、輕質/常重混凝土填充鋼管柱、及輕質/常重混 凝土外殼，所有建築物均假設無地下層，均假設在地面處為固定端。換言之

，只進行地面層以上之長期能源成本分析與比較。整個研究的過程與結果，

茲分述如后。

1. 外殼建材之熱傳透率與熱散發量分析

首先假設在相同的室內外溫差條件下，利用先前介紹的相關式，以分 析輕質/常重混凝土外殼的熱傳透率與熱散發量。為簡化探討課題的複雜 性，建築物的門窗、遮陽等部件暫且不予考慮，僅在外殼建材(輕質/常重 混凝土)與厚度變化條件下來進行分析。至於外氣膜、磁磚、水泥砂漿等 因素所造成的影響也予以忽略，因為這並不會影響輕質/常重混凝土建築 間所散發熱量與耗能量的比較。本研究所探討的參數包括外殼建材高溫表 面的溫度(t_s,1)、室內空氣膜溫度(t_a)、室內外溫度差(Δt)、外殼建材的熱傳 導係數(k)以及外殼建材的厚度(d)等 5 項，假設其變化範圍如下：

ƒ

t

_s,1 = 36℃、34℃、32℃

ƒ

t

_a = 24℃

ƒ Δt = 12℃、10℃、8℃

ƒ

k = 0.05、0.10、0.50、1.00、1.50(單位：W/m·K)

ƒ

d = 0.23 m、0.15 m、0.12 m

利用式(3-2)至式(3-4)，可在外殼建材與厚度、室內外溫差變化條件下

，進行外殼熱傳透率(q^")、外殼內側表面溫度(t_s,2)與外殼每單位面積散發

Q

_w = 每單位面積外牆每小時散發的熱量(KWhr/m²)

Q

_r = 每單位面積屋頂每小時散發的熱量(KWhr/m²)

q

_w^" = 外牆的熱傳透率(KW/m²)

q

_r^" = 屋頂的熱傳透率(KW/m²)

在外殼建材厚度 d = 0.15 m、室內空氣膜溫度 t_a = 24℃、室內外溫差 Δt = 12℃、10℃與 8℃的條件下，將 3 種(7 層、20 層及 60 層)大樓的外牆 與屋頂面積代入式(3-7)，則可計算出不同樓層建築物於 24 小時內的外殼 散發總熱量，如表 3-4 所示。舉例來說，假設Δt = 12℃，若取常重混凝土 的 k 值為 1.5 W/m·K，則以常重混凝土為外殼建材的 7 層、20 層及 60 層 大樓於 24 小時內的外殼散發總熱量可由表 3-4 查得，分別為 8064.28、

17647.54 及 47134.52 KWhr；同樣假設Δt = 12℃，若取輕質混凝土的 k 值 為 0.5 W/m·K，則以輕質混凝土為外殼建材的 7 層、20 層及 60 層大樓於 24 小時內的外殼散發總熱量也可由表 3-4 查得，分別為 4391.87、9563.04 及 25474.33 KWhr。比較相同樓層高度之輕質/常重混凝土大樓於 24 小時 內的外殼散發總熱量，可發現輕質混凝土大樓的外殼散發總熱量約為常重 混凝土大樓的 54%，且其值與樓層高度的改變無關。

若採用不同 k 值的輕質混凝土取代 k 值為 1.5 W/m·K 的常重混凝土作 為外殼建材，以 7 層的輕質/常重混凝土大樓為例，其外殼散發總熱量的 比值隨輕質混凝土 k 值的減少而降低；或以外殼建材的能源節約率來評估

，則其值隨 k 值的減少而增加，如圖 3-8 所示。由圖 3-8 中亦可看出，輕 質混凝土 k 值小於 0.5 W/m·K 時，其外殼散發總熱量與常重混凝土的比 值愈小，此結果印證先前所述的建材 k 值小於 0.5W/m·K 可獲得較顯著的 隔熱效果。尤其甚者，若以 k 值介於 0.05~0.1 W/m·K 的輕質混凝土取代 k 值為 1.5 W/m·K 的常重混凝土作為外殼建材，則輕質混凝土外殼散發總熱 量可進一步降低為常重混凝土大樓的 7.6%~14.6%，即其散發總熱量可減 少 92.4%~85.4%。換言之，以具有優良隔熱性的輕質混凝土為外殼建材者

，其能源消耗率僅為常重混凝土外殼的 7.6%~14.6%，亦即其能源節約率

高達 92.4%~85.4%。

3. 輕質混凝土作為外殼建材之經濟效益

由先前的分析可知，利用輕質混凝土的隔熱特性來達到隔熱節能之目 的，理論上是可行的。然而，相對於一般常重骨材，輕質骨材之製造成本 較高，其實際面則應分析輕質混凝土作為外殼建材是否具有經濟效益。因 此，須先探討出輕質/常重混凝土作為外殼建材的長期能源成本差異，再 與外殼建材的成本比較，俾供全面研究發展及推廣應用結構用途輕質骨材 混凝土之參考。如前所述，利用經由外殼傳入室內的熱量可推算出溫度平 衡上所需的冷房空調冷凍噸。如此，則依冷凍噸需求量的多寡計算其耗電 量與用電成本，即可進行外殼建材的長期能源成本分析，並據以比較其經 濟效益。而在冷房負荷的計算過程中，僅考慮外殼建材的顯熱負荷，其他 室內顯熱負荷、室內潛熱負荷、換氣負荷、配管負荷等因素則不予考慮，

以簡化分析的過程。

在外殼建材厚度 d = 0.15 m、室內空氣膜溫度 t_a = 24℃、室內外溫差 Δt = 12℃、10℃與 8℃的條件下，假設電費每度為 3.5 元，可計算出不同 樓層輕質/常重混凝土建築物之冷房每小時運轉所需電費，如表 3-5 所示

。以 7 層樓建築物為例，其冷房空調每小時運轉所需電費隨外殼 k 值與Δt 的增加而增加，如圖 3-9 所示。此外，以外殼建材厚度 d = 0.15 m、室內 外溫差Δt = 12℃的條件為例，由圖 3-10 可知，不同樓層樓建築物冷房空 調每小時運轉所需電費均隨外殼 k 值的增加而增加。同樣條件下，若以 k 值為 0.5 W/m·K 的輕質混凝土取代 k 值為 1.5 W/m·K 的常重混凝土，則由 圖 3-11 可看出，輕質/常重混凝土建築物之冷房空調用電成本間的差異隨 空調運轉時間的增加而明顯增加；若以輕質混凝土取代常重混凝土所節省 的用電成本來評估，則其經濟效益將隨輕質/常重混凝土建築物樓層的增 加而急遽擴增，如圖 3-12 所示。

由上述分析可知，以輕質混凝土取代常重混凝土可節省冷房空調的用 電成本。但另一方面，在未來的使用年限內，是否能藉由輕質混凝土外殼

建材長期的能源節約效益來彌補外殼建材成本與建築物建造成本的差異

，仍有賴完整的評估技術⎯工程經濟。在外殼建材厚度 d = 0.15 m、室內 外溫差Δt = 12℃的條件下，以 k 值為 0.5 W/m·K 的輕質混凝土取代 k 值為 1.5 W/m·K 的常重混凝土，則可進行不同樓層高度輕質/常重混凝土建築物 之經濟評估。研究上，對於輕質/常重混凝土建築物投資方案的經濟評估 準係採用現值法(present worth method)。換言之，對任一投資方案，將其 預估的現金流量，按其最低可接受報酬率(MARR)折現至現在的價值(PW)

第四節 小結

建築外殼之節能特性主要與壁體的熱傳透率即隔熱性有關，因此增加外 殼隔熱性能是其節能之道。換言之，外殼構造應以能減少外界熱量侵入為必 要條件。就住宿類建築物而言，其不透光部位屋頂與外牆構造之平均熱傳透 率應分別低於

1.5 W/m

²與

3.5 W/m

²。而一般

12 cm

厚的常重混凝土外殼之平 均熱傳透率均高於前述限制，故必須選用其他具有良好隔熱能力的建材，或 加裝隔熱材、加強中間空氣層及隔熱處理，以符合規範的要求。本研究在改 變外殼建材與其厚度、室內外溫差的條件下，進行不同樓層輕質

/

常重混凝土 建築的熱傳透率與熱散發量分析，再依據熱平衡原理推算冷房空調的耗電量 與用電成本，以探討輕質混凝土作為建築外殼的經濟效益。綜合以上析論，

可獲致以下幾點結論：

1. 熱傳導係數愈大的材料對周圍環境變化的反應較快，以致熱能通過時，

只有少數能量被吸收以提升其溫度，因而有較多的能量被傳遞過去，故 其熱傳透率與熱散發量也相對增加。在特定的外牆厚度條件下，不同熱 傳導係數的建材，其熱傳透率均隨著室內外溫差的增加而增大；尤其室 內外溫差愈大時，熱傳透率愈多，此時建材的隔熱特性更形重要。而在 特定的室內外溫度差條件下，不同熱傳導係數的建材，其熱傳透率均隨 著外牆厚度的增加而減少。在特定的外殼厚度、室內空氣膜溫度與室內 外溫差條件下，以輕質混凝土取代常重混凝土作為外殼建材時，輕質

/

常 重混凝土大樓間外殼散發總熱量的比值維持一定，與樓層高度的改變無 關。建築物外殼散發總熱量和能源節約率均與其熱傳導係數有關，若熱 傳導係數愈小，則散發總熱量愈少，能源節約率相對增加。由此觀之，

建築物外殼建材的熱傳導係數與空調設備的能源消耗率之間具有正比的 關係。輕質

/

常重混凝土建築物之冷房空調用電成本間的差異隨空調運轉 時間的增加而明顯增加；若以輕質混凝土取代常重混凝土所節省的用電 成本來評估，則其經濟效益將隨輕質

/

常重混凝土建築物樓層的增加而急 遽擴增。經由現值法綜合考量外殼建材長期的能源費用、外殼建材成本

與建築物出租收益的經濟評估結果可知，不論樓層高度為何，輕質混凝 土建築物之經濟效益均優於常重混凝土建築物者。

表

3-1

空氣膜表面之傳熱係數

各種膜面溫度之 h 值(W/m²·K)

膜面方向 熱流方向

24℃ 43℃ 55℃ 66℃

水平 向上 8.18 11.24 12.49 13.57

水平 向上 6.76 8.69 9.42 10.16

垂直 水平 7.44 9.94 10.96 11.87

表

3-2

外牆建材之熱傳導係數對牆體散發熱量與內牆表面溫度之影響

表

3-3

屋頂建材之熱傳導係數對樓版散發熱量與樓版內表面溫度之影響

表 3-4 外殼建材之熱傳導係數對不同樓層高度建築物外殼散發總熱量之影響 0.50 4391.87 9563.04 25474.33 1.00 6669.72 14568.21 38871.28 36

1.50 8064.28 17647.54 47134.52 0.05 512.19 1109.44 2947.10 0.10 980.83 2126.20 5650.41 0.50 3659.89 7969.20 21228.61 1.00 5558.10 12140.18 32392.73 34

1.50 6720.23 14706.29 39278.76 0.05 409.75 887.55 2357.68 0.10 784.66 1700.96 4520.33 0.50 2927.92 6375.36 16982.89 1.00 4446.48 9712.14 25914.18 32

24 0.15

1.50

7.44 6.76

5376.18 11765.03 31423.01

表

3-5

外殼熱傳導係數對不同樓層高度建築物冷房運轉所需電費之影響

1.50 1176.04 2573.60 6873.78 0.05 74.69 161.79 429.79

784.03 1715.73 4582.52

表

3-6

不同樓層高度輕質

/

常重混凝土建築物之經濟評估

7 層樓建築物 20 層樓建築物 60 層樓建築物 輕質混凝土 常重混凝土 輕質混凝土 常重混凝土 輕質混凝土 常重混凝土 建造成本(萬元) 1252.6 1136.1 4978.1 4721.2 31019.5 32477.2 服務年限 50 50 50 50 50 50 每年冷房空調運轉費用(萬元) 96.1 176.4 209.2 386.0 557.3 1031.1 最低投資報酬率(MARR) 10% 10% 10% 10% 10% 10%

現值(萬元) -2205.4 -2285.1 -7052.3 -8548.3 -36545.0 -42700.4

圖

3-1

建築節約能源體系架構圖

(a)經固體或靜止液體的熱傳導

(b)由表面流動流體的熱對流

(c)兩表面間的淨輻射熱交換

圖

3-2

熱傳遞之方式

(a)

傳導

(b)

對流

(c)

幅射

q

^″

T

1

T

1

>T

2

T

2

表面溫度 T2

表面溫度 T1

q

1

″

q

2

″

T

S

>T

_∞ 流動流體 TS

T

S

q

^″

圖

3-3

通過平面壁的熱傳遞

圖

3-4

室內外溫差對外牆熱傳透率之影響

圖

3-4

室內外溫差對外牆熱傳透率之影響

在文檔中 鋼結構輕質骨材混凝土建築之經濟性評估 (頁 61-80)