第三章 熱質量在辦公建築的應用
第二節 隔熱性能
建築外殼能夠具有良好的蓄熱性能和隔熱性能影響空調節能的關鍵性因素。
在這一節我們先探討隔熱性能的影響，至於蓄熱性能的影響則在後續的幾節中探 討。為了瞭解隔熱性能在台灣地區對辦公建築空調負荷的影響，首先我們透過如 圖 3-3 所示之改變幾乎無熱質量的金屬帷幕外牆或鐵皮屋頂的隔熱材厚度，來觀 察隔熱性能對辦公室空調負荷的影響。其中外飾材料為 9 mm 的鋼板，內飾材料 為 19mm 的石膏板。表 3-1 列出了我們所選擇的八種外牆或者屋頂的構造的說明。
這八種構造隔熱材厚度由 0 mm 到 55mm，其對應的 U 值是從 6.0W/ m²K 到 0.5 W/ m²K。
表 3-1 不同隔熱性能的八種輕質量外牆熱性質說明
編號 1 2 3 4 5 6 7 8
隔熱厚度
(mm) 0 5 7.5 10 25 35 45 55 U 值(W/㎡
K)
6.0 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.75 0.5 D 值(-) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
(資料來源：本研究彙整)
圖 3-3 無熱質量下的外牆構造示意說明 (資料來源：本研究繪製)
內飾材料 (石膏板) 外飾材料
(金屬板) 隔
熱 材 料
厚度(變動)
首先，我們從表 3-1 中選出編號 2 (5 mm 隔熱材，U 值=3.0W/m²K)、編號 5 (25mm 隔熱材，U 值=1.5W/m²K)和編號 8(55mm 隔熱材，U 值=0.5W/m²K)，並 以有西向外牆的單元辦公室，在台北氣候下的全年空調負荷模擬結果為例，來詳 細說明外殼的 U 值變化對不同季節的空調顯熱負荷影響。眾所周知，低 U 值的 外牆或屋頂具有良好的隔熱效果。在炎熱的季節它可以阻擋熱量從戶外傳入室內，
從而減輕空調負荷；但另一方面，在涼爽的季節它也會阻擋室內的熱量散到戶外，
反而增加空調負荷。圖 3-4 是這三種構造在天氣較炎熱的 4-10 月，以及較涼爽 的 11-3 月的空調顯熱負荷。圖 3-4 明白顯示不論是有較低 U 值的西向外牆或者 是水平屋頂的單元辦公室，在 4-10 月有較低的空調顯熱負荷，在 11-3 月反而有 較高的空調顯熱負荷。在西向外牆，當 U 值從 3.0 W/ m²K 依序遞減至 1.5 W/m²K、
0.5 W/m²K 時，在 4-10 月的總空調冷負荷從 7863MJ(1.0)遞減至 7519 MJ(0.956) 和 7292MJ (0.927)。同樣在水平屋頂部分，U 值從 3.0 W/m²K 依序遞減至 1.5 W/m²K 和 0.5 W/m²K 時，在 4-10 月的總空調冷負荷從 12924MJ(1.0) 遞減至 10836MJ(0.838)和 9076 MJ(0.702)。然而在 11-3 月，當 U 值從 3.0 W/m²K 依序遞 減至 1.5 W/m²K 和 0.5 W/m²K 時，西向外牆的總空調冷負荷從 1442MJ(1.0)遞增 至 2,435 MJ(1.69)和 3,560 MJ(2.47)；水平屋頂從 1797 MJ(1.0)遞增至 2265 MJ(1.25) 和 4026MJ (2.26)。
圖 3-4 有不同外殼 U 值的單元辦公室的空調顯熱負荷 (資料來源：本研究繪製)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
4-10月 11-3月 4-10月 11-3月
西向外牆 水平屋頂
顯熱負荷, MJ
U=0.5 U=1.5 U=3.0
圖 3-5 有不同外殼 U 值的單元辦公室的全年空調顯熱負荷 (資料來源：本研究繪製)
若是以全年空調顯熱負荷的觀點來看，增加外殼 U 值的效益在西向外牆和 水平屋頂得到的是不同的結果，如圖 3-5 所顯示。對西向外牆而言，當 U 值從 3.0 W/m²K 依序遞減至 1.5W/m²K 和 0.5W/m²K 時，全年的總空調冷負荷從 9305 MJ(1.0) 遞增至 9955 MJ(1.07)和 10851 MJ(1.17)。也就是說，西向外牆的 U 值從 3.0W/ m²K 將低至 1.5 和 0.5W/m²K 時，並不會降低全年空調顯熱負荷，反而使 有西向外牆的單元辦公室的全年空調顯熱負荷分別增加了 7%和 17%。然而，同 樣的 U 值變化，對水平屋頂而言，有著和西向外牆不同的效果，全年空調顯熱 負荷 14721MJ(1.0) 遞減至 10101MJ(0.86)和 13103MJ(0.86)。
從前面的模擬結果似乎暗示存在著最佳 U 值。圖 3-6 顯示單元辦公室全年空 調顯熱負荷隨著不同的外殼 U 值變化的情形。從圖中可以看到，對於西向外牆 而言，當 U 值=3.0W/㎡ K 時，有最低的全年顯熱負荷。對水平屋頂而言，最低 全年顯熱負荷發生在 U 值=1.0W/㎡ K 時。
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
U=0.5 U=1.5 U=3.0
顯熱負荷, MJ
外殼U值, W/m2K 西向外牆 水平屋頂
圖 3-6 全年空調顯熱負荷隨外殼 U 值的變化情形 (資料來源：本研究繪製)
由於圖 3-6 顯示最佳的立牆 U 值發生在 3.0 W/㎡ K，因此我們以單元辦公室 外牆 U 值=3.0 W/㎡ K 時的空調顯熱負荷做為比較基準，來觀察不同方位、不同 氣候分區下立牆 U 值的變化對空調顯熱負荷的影響。圖 3-7 顯示了有著東、南、
西、北向外牆的單元辦公室，在台北、台中和高雄三個氣候區的空調顯熱負荷的 變化。特別強調，圖中的比值是指與 U 值=3.0 W/㎡ K 時的空調顯熱負荷的比值。
當改變 U 值時，使得其數值大於 1.0 時，表示改變 U 值會增加空調顯熱負荷；
相同的，其數值小於 1.0 時，表示改變 U 值能減少空調顯熱負荷。
對於 4-10 月的空調顯熱負荷而言，模擬結果顯示，當立牆 U 值從 6.0 W/㎡
K 降低到 0.5W/㎡ K 時，空調顯熱負荷的比值，是隨著 U 值的降低，比值也跟 著成線性降低。降低的比例則依立牆方位不同數值稍有變動。在台北是從 1.09~1.06 降低至 0.95~0.91；台中是從 1.12~1.09 降低至 0.91~0.87；高雄是從 1.13~1.10 降低至 0.89~0.85。然而，對於全年空調顯熱負荷面而言，模擬結果則 顯示完全不同於 4-10 月的空調顯熱負荷的現象。當立牆 U 值從 6.0 W/㎡ K 降低 到 3.0 W/㎡ K 時，空調顯熱負荷的比值是隨著 U 值降低而降低；但當 U 值從 3.0 W/㎡ K 降低 0.5W/㎡ K 時，隨著 U 值的降低，比值卻反而跟著升高。當 U 值從 6.0 W/㎡ K
0 5 10 15 20
0.5 0.8 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.5 6.0
顯熱負荷, GJ
U值, W/㎡-K
水平屋頂 西向外牆
(a) 台北
(b) 台中
(c) 高雄
圖 3-7 外牆 U 值在不同方位和氣候區對空調顯熱負荷影響 (資料來源：本研究繪製)
0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
U , W/ -K
4-10 4-10
4-10 4-10
0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
U , W/ -K
4-10 4-10
4-10 4-10
0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
U , W/ -K
4-10 4-10
4-10 4-10
降低到 3.0 W/㎡ K 時，在台北、台中和高雄其比值分別從 1.02~1.01、
1.04~1.01 和 1.06~1.02 降低至 1.0。當 U 值從 3.0 W/㎡ K 降低到 0.5 W/㎡ K 時，
在台北、台中和高雄其比值分別從 1.0 升高至 1.20~1.15、1.11~1.03 和 1.03~0.98。
若比較台北、台中和高雄氣候區的模擬結果可以發現，隨著冬天的氣候由北到南 逐漸變暖和，所以在降低立牆 U 值使得 11-3 月的空調顯熱負荷反而增加的現象 愈來愈不明顯。甚至在高雄氣候區，其比值還來到 1.0 左右(1.03~0.98)。這表示 在高雄地區降低立牆的 U 值，並不會像在台北地區一樣，會在冬天造成反效果。
由於圖 3-6 顯示最佳的水平屋頂 U 值發生在 1.0 W/㎡ K，因此我們以單元辦 公室水平屋頂 U 值=1.0 W/㎡ K 時的空調顯熱負荷做為比較基準，來觀察不同氣 候分區下水平屋頂 U 值的變化對空調顯熱負荷的影響。圖 3-8 顯示了單元辦公室，
在台北、台中和高雄三個氣候區的空調顯熱負荷的變化。從模擬的結果可以看到：
雖然在台北氣候區，屋頂 U 值低於 1.0W/㎡ K 會略為增加全年空調顯熱負荷；
但在台中和高雄氣候區屋頂 U 值低於 1.0W/㎡ K 仍可以降低全年空調顯熱負荷。
所以，整體而言，藉由增加水平屋頂的隔熱材料來降低其 U 值可以持續降低 4-10 月或者全年空調負荷。當屋頂 U 值由 6.0W/㎡ K 降低到 0.5W/㎡ K，或者隔熱材 料厚度由 0 mm 增加到 5.5mm 時，在台北 4-10 月或全年空調顯熱負荷比值從 1.59 或 1.38 成線性的降低至 1.0。4-10 月或全年空調顯熱負荷比值，在台中或者是高 雄則是從 1.76 或 1.58 降低至 0.87。
圖 3-8 屋頂 U 值在不同氣候區對空調顯熱負荷影響 (資料來源：本研究繪製)
0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
U , W/ -K
4-10 4-10 4-10
綜合前面對幾乎無熱質量的輕質外牆或屋頂的模擬結果，我們得到幾個發現：
1. 整體而言，藉由增加屋頂隔熱材料厚度來降低屋頂的 U 值，於台北、台中 和高雄三個氣候區，對辦公室的 4-10 月或者全年空調顯熱負荷的降低是有 正面幫助的。4-10 月或者全年空調顯熱負荷基本上是隨著 U 值的降低而跟 著線性降低。
2. 藉由增加立牆隔熱材料厚度來降低立牆的 U 值，對辦公室 4-10 月的空調顯 熱負荷的降低是有正面幫助的。於台北、台中和高雄三個氣候區，4-10 月的 空調顯熱負荷基本上是隨著 U 值的降低而跟著線性降低。
3. 降低立牆的 U 值對辦公室的全年空調顯熱負荷的幫助，存在著最佳 U 值。
當立牆的 U 值高於 3.0W/㎡ K，降低 U 值對降低全年空調顯熱負荷有正面 幫助。但是當立牆的 U 值低於 3.0W/㎡ K，繼續降低 U 值對降低全年空調 顯熱負荷卻反而有負面效果。主要原因是高隔熱性能的外牆，在涼爽的季節 它也會阻擋室內的熱量散到戶外，反而增加空調負荷。這種現象，在氣候較 為涼爽的台北氣候區尤為明顯。
4. 當考慮建築立牆的隔熱性能時，必須考慮建築的特性。如果是屬於自然通風 能力良好的辦公建築物，在涼爽的 11-3 月份可以透過自然通風維持室內的 舒適性，則持續降低外牆的 U 值基本上是有利的。但是，若是屬於自然通 風能力不佳的辦公建築物，在涼爽的 11-3 月份仍然必須靠空調系統方可以 維持室內的舒適性，一昧的降低外牆的 U 值，對降低全年空調負荷不見得 是有利的，它存在著最佳 U 值。
5. 但是我們也並需強調，不論是屋頂或者立牆的 U 值和隔熱材料的厚度並不 是成線性關係，而是成指數遞減。而隔熱材的初期費用往往是隨著厚度線性 增加，亦即就經濟觀點而言，也不應無限制的增加隔熱材料的厚度。