第二章 廣義隔熱材料
2.2 隔熱材料
Ali Bolattürk(2008)則統計一年超過某固定溫度當作基準做累加，計算冷房度 時(annual cooling degree-hours 或簡稱 CDH)結合外牆的總熱傳遞率(U)、每度電的 電費以及冷卻系統的性能係數，計算出年總冷卻所需之金額。接著再帶入經濟學
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的 P1-P2 method 中，並結合隔熱材料的費用和厚度，求得 Total cost、Total savings 曲線，找出能省最多錢的隔熱材料厚度，以求得隔熱材料的最佳化厚度。作者以 土耳其當地的氣候資料以及一些固定參數，推算出最佳化的隔熱材料厚度為 3.2cm，
淨省下的能源金額為每帄方公尺 8.47 美元，並可以減少能源消耗約 39%；同樣的，
此方法亦可以用於探討寒帶氣候的保溫效果，只頇計算暖房度時(annual heating degree-hours 或簡稱 HDH)，再跟著一樣的步驟計算即可完成。所以作者發現若是 探討保溫作用，對於土耳其的氣候，最佳化的隔熱材料厚度為 1.6cm，淨省下的能 源金額為每帄方公尺 2.2 美元，減少能源消耗約 19%。
Jinghua Yu et al.(2009)利用類似 Ali Bolattürk(2008)的方法，但是將 CDH 以及 HDH 整合於同一公式之中，以找出適合整年氣候的最佳化隔熱材料厚度，並比較 除 了 EPS 以 外 的 其 他 材 料 ， 像 是 XPS(extruded polystyrene) 、 EPU(expanded polyurethane)、Perlite 等等。結果，以中國上海的南面牆為例，EPS 所能減省的能 源金額最大，XPS 為第二，其餘的效果則較差。
1.3 各章內容
第一章：略述本研究之動機與目的。回顧學者及本研究團隊所從事的相關研究，
以及簡述本文的內容。
第二章：介紹廣義隔熱材料的特性以及其分類，以及廣義隔熱材料在使用時不 同的加工或施工方式，及其優點；最後了解廣義隔熱材料應用於建築 物時，各種不同的形式及其如何運作。
第三章：介紹本研究會使用到的相關理論，從熱傳學理論裡的傳導、對流、輻 射、U 值至計算太陽輻射及每時刻太陽的位置。此外還有熱舒性理論，
了解周圍環境的溫度、濕度等對人體舒適的影響。
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第四章：介紹本研究會使用的資源；使用之資源的介紹有：ABAQUS 的介紹、
臺灣氣象資料的取得、國外氣候的取得、牆面上之輻射量應當如何計 算。
第五章：由於在模擬時有許多參數需要給定，因此模型的假設、材料參數的給 予以及如何將熱舒性理論與 ABAQUS 分析完後之結果結合。先討探窗 戶(玻璃)將如何模擬，接著建築物模型分為有窗戶以及沒窗戶兩類，
每類又分別有 2D 全模型、2D 單間模型、和簡化帄面模型(1D、2D) 三種模型，並探討其中的差異性，並以有窗戶的 2D 簡化模型當作以 後分析所需要探討的對象。
第六章：以 2D 簡化模型為主，評估探討廣義隔熱材料在臺灣氣候下使用之效果；
並探討廣義隔熱材料位置之擺放如何最佳、如果改變窗戶的位置廣義 隔熱材料的效果反應。最後本研究將結合文獻的資料並作出適當修正，
提出精算法和簡化法兩種廣義隔熱材料最佳化厚度設計方法，並比較 其中的差異性。
第七章：探討廣義隔熱材料應用於不同國家氣候的效果，找了兩種不同氣候的 國家，一個為除熱、一個為除冷，分別看看廣義隔熱材料擺放位置、
相變材料熔點範圍是否會與臺灣氣候不同。最後也分別進行精算法和 簡化法兩種廣義隔熱材料最佳化厚度設計，了解除熱跟除冷之間的差 異性，接著與臺灣氣候下做比較。
第八章：對各章的結果做綜合整理，並敘述本研究之未來展望。
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第二章 廣義隔熱材料
2.1 簡介
廣義隔熱材料(general insulation material)，是指對熱流具有顯著阻抗性的材料 或材料複合體，依其隔熱機制的不同可以分為兩大類，第一類為隔熱材料，第二 類為相變材料。而效果來說，夏天，可減低室外高溫進入室內的溫度，並延遲室 內溫度達最高點的時間，減少熱的進入；相反的，對冬天來說，則可減緩室內溫 度流失到室外，以達到保溫效果。
隔 熱 材 料 (insulation material) ， 定 義 為 利 用 物 質 本 身 的 低 熱 傳 導 係 數 (thermal conductivity, W/moC)的特性，阻隔熱流的傳遞，使物體維持在某一固定溫 度範圍、或延時室外溫度對於室內所帶來的效應。因此熱傳導係數越低，所能減 少熱進出的效果尌越好。
相變材料(phase change material)，定義為利用物質發生相變時需要吸收或釋放 大量熱能的性質來儲存或釋放熱能以調整、控制工作源或材料周圍環境溫度。在 相變化時所吸收或釋放的熱能即為潛熱，因此潛熱的大小，以及熔點熔化的範圍 是一個相當重要的議題。
台灣位處於亞熱帶氣候，年帄均溫度相當高，加上氣候潮溼，容易讓人感到 不舒適，因而對空調方面的能源耗損相當的大。在講求節約能源的前提下，具有 良好隔熱性質之廣義隔熱材料是必頇的，然而選材上必頇考量其廣義隔熱材料的 相關特性或是其施工、加工的難易性，以下本研究將對於一些基本的考量項目作 一些歸納整。
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2.2 隔熱材料
2.2.1 隔熱材料特性
一般來說，隔熱材料應用於建築物，應該注意下列基本條件如下：
(1) 熱物理性質
(i) 較低的熱傳導係數 (ii) 較大的熱容量 (iii) 耐溫範圍
較低的熱傳導係數，隔熱的效果較好，可以對室外室內帶來較大的溫差。而 較大的熱容量(thermal mass)，亦即物體的比熱和密度的乘積，若是越大，則代表 物體吸收熱的能力越好。例如木造之薄牆其熱容量小，混凝土壁熱容量大，熱容 量小之構造物受到熱量供給，溫度上升較快，若熱源停止供熱時，則溫度急速下 降，溫度變化之振幅較大；反之熱容量大之構造，溫度上升較慢，其下降亦依時 間而延遲，亦即溫度變化之振幅較小，故隔熱材料的應用，應選擇較大的熱容量。
對於耐溫範圍來說，可分為低溫隔熱材料(小於 200K)、中溫隔熱材料(200K-500K)、
高溫隔熱材料(500K-2500K)，所以一般建築的應用，應選擇中溫隔熱材料的範圍。
(2) 一般物理性質及特性 (i) 質輕
(ii) 具備防水性
(iii) 表層輻射熱反射性佳
隔熱材料內部構造有些因具有微小氣泡，例如 EPS，有些則是鬆散結構物質
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組成，例如岩棉纖維(rockwool)，故質量較輕。對於防水性質而言，若是材料本身 具有封閉式結構(closed cell)，則較不易吸收水份或溼氣；反之若為開放式結構(open cell)或是易吸收水份材質，經過雨淋或吸收溼氣以後，水份留在材料孔隙內，會造 成其熱傳導係數提高，而降低隔熱效果，所以必頇在表面塗蓋一層防水材料，以 確保其隔熱及防水效果。如果對建築物外表層裝設隔熱材料，則選用對太陽輻射 反射性較佳為主，以降低太陽輻射熱源。
(3) 化學性質
(i) 穩定的化學性質
(ii) 不與建築物材料發生反應 (iii) 不能具有毒性
(iv) 不易燃
穩定的化學性質是指物質在長時間使用下並不會產生衰退、變質，因此不必 經常更換。而不能與建築物材料發生反應、不具有毒性與不易燃則是基於安全上 之考量。
(4) 經濟與環保 (i) 材料價格 (ii) 易施工 (iii) 可回收性
普遍來說，隔熱材料的價格都都不會太高，而施工的方便性亦是隔熱材料之 應用所需考量的事物。而基於環保的因素，對於可以回收熔掉再利用的材料，也 有其考慮的價值。
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2.2.2 隔熱材料分類
適合應用於建築物上的隔熱材料有相當的多，按材質分類，可分為有機隔熱 材料、無機隔熱材料、金屬隔熱材料三大類；若是按照形態分類，可分為纖維狀、
微孔狀、氣泡狀以及層狀四大類如表 2-1，在這裡分別尌各形態常見的隔熱材料作 詳細介紹。(Dr. Mohammad S. Al-Homoud, 2005)
a. 纖維狀
纖維狀隔熱材料可分為有機以及無機兩類，常見的有機纖維狀隔熱材料為稻 草、棉麻等等，便宜及容易取得為最大的優點，但是易受潮分解及易燃為最大缺 點。而無機纖維狀隔熱材料有礦物岩棉、玻璃纖維等等，材料雖會吸水，但是不 易受潮分解，而且耐火性質極佳，但是價格較貴。
b. 微孔狀
微孔狀隔熱材料亦可分為有機以及無機兩類，有機微孔狀隔熱材料有碳化木 材，價格便宜，但是易受潮分解及易燃。無機微孔狀隔熱材料有矽藻土、矽酸鈣 等等，抗火性強為最大優點，也不易受潮，例如矽酸鈣板為一般室內隔間或是天 花板常用的建材。
c. 氣泡狀
大部分實際應用於建築物常見的隔熱材料即為氣泡狀，氣泡狀隔熱材料亦可 分為有機以及無機兩類，常用有機氣泡狀隔熱材料有軟木類、發泡聚苯乙烯 (expanded polystyrene, EPS 或 俗 稱 保 麗 龍 ) 、 壓 出 型 發 泡 聚 苯 乙 烯 (extruded polystyrene, XPS)、發泡聚乙烯(expanded polyethylene, EPE 或俗稱珍珠棉)、發泡聚 胺基甲酸酯(expanded polyurethane, EPU)等等，優點為熱傳導係數較小、隔熱保溫
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性能佳、不易受潮，缺點為抗火性能差，隔音的效果比較不好。無機氣泡狀隔熱 材料常見的有珍珠岩(perlite)、蛭石(vermiculite)等等，優點為不易受潮，防火性能 極佳，耐久性好，缺點為熱傳導係數較高、質量較重、保溫性能略差，隔音不好 也是一大問題。
d. 層狀
以金屬板為主，像是鋁製板材、銅製板材。主要的應用為放置在屋頂外層，
利用表層良好的太陽幅射反射能力，阻絕輻射熱源，以降低進入室內的熱量。抗 火性能佳、不容易受潮，不過因為表面高反射率的關係，會對人造成眼睛的不適，
使用時必頇注意。
歸納以上常見隔熱材料如圖 2-1，其對應熱傳導係數列於表 2-2。
2.2.3 隔熱材料施工與應用
一般來說，隔熱材料施工與應用比較常見的有下列兩種：
一、發泡聚苯乙烯外牆隔熱系統 (張雄, 2009) 二、珍珠岩磚造隔熱系統 (M. Zukowski et al, 2010)
a. 聚苯乙烯外牆隔熱系統
通常採用發泡聚苯乙烯(expanded polystyrene, EPS 或俗稱保麗龍)、壓出型發泡 聚苯乙烯(extruded polystyrene, XPS)兩種材料做為主要的隔熱材料。由於考慮到施 工的方便性，這裡介紹為適用新蓋建築物或舊建築物隔熱補強的方法，施工流程 如下：(牆面斷面圖如圖 2-2)
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(i) 將 EPS 或 XPS 板裁切適當的大小
(ii) 已經澆置好的混凝土(舊建築物頇先將磁磚拆除)，於伸縮縫或溫度
縫處鋪貼翻包網格布，以防止裂縫產生。
(iii) 用黏著砂漿鋪貼 EPS 或 XPS 隔熱板材，並放置 24 小時以上。
(iii) 用黏著砂漿鋪貼 EPS 或 XPS 隔熱板材，並放置 24 小時以上。