(資料來源：太陽光発電設備に係る防火安全対策の検討結果, (東京
第三節 BIPV之設計工法與防火阻熱性能研究
BIPV 之設計工法
台灣科技大學針對太陽光電系統導入建築設計之課題，透過建立實體模型實 作安裝。太陽光電模組與建築物外殼構造建材一體化，要求必須滿足的建築性能 包括安全性、耐久性、防水氣密等。屋頂構造設置太陽光電模組之型式可分為三 種，包括光電模組架空安裝於屋頂層上，光電模組與屋頂建材一體型，以及係以 光電模組作為天窗使用等，如圖 3-36 所示[16]。
圖 3-36 光電板應用安裝於屋頂之方式
(資料來源：見鄭政利, 詹肇裕, 徐豪廷, 太陽光電系統導入建築構造 計畫及外殼設計之研究, (設計學報第 8 卷第 3 期, 民國 92 年)。)
太陽光電模組安裝於金屬帷幕牆、預鑄混凝土帷幕牆及玻璃帷幕牆之方式，
包括以金屬鐵件將光電模組外掛於帷幕牆外，或將光電模組與帷幕牆構造結合成 建材一體型，以及由光電模組取代部分帷幕牆面飾材。至於配電線路則可由光電 模組背側安排，再由垂直收邊將線路拉至管道間或天花板，以及以光電模組取代 部分帷幕牆面上開窗部玻璃材料之方式，如圖3-37所示[16]。
圖 3-37 光電板應用安裝於帷幕牆構造之方式
(資料來源：見鄭政利, 詹肇裕, 徐豪廷, 太陽光電系統導入建築構造 計畫及外殼設計之研究, (設計學報第 8 卷第 3 期, 民國 92 年)。)
光電模組應用於鋼筋混凝土外牆構造之方式可分為兩種，一是直接外掛安裝 於外牆不透光部位，此種方式對安裝較容易，可提高隔熱性能，有助於降低建築 物外殼耗能量。另一種是安裝於透光部位，此種方式可降低既有建築物開口部之 透光率，也有助於降低建築物外殼耗能量。如圖3-38所示[16]。
圖3-38 光電板應用安裝於鋼筋混凝土外牆構造之方式
(資料來源：見鄭政利, 詹肇裕, 徐豪廷, 太陽光電系統導入建築構造
計畫及外殼設計之研究, (設計學報第8卷第3期, 民國92 年)。)
Brian Norton 使用非晶矽太陽光電模組裝設在屋頂上[17]，具有減少房屋內 之熱，此類設計具有隔熱功能，其結構如圖 3-39 所示，而在太陽光電模組裝設 在屋頂時，其框架為金屬以及強化玻璃，如圖 3-40 所示。
圖 3-39 裝設在屋頂之 BIPV 示意圖
( 資 料 來 源 ： B.Norton, Enhancing the performance of building integrated photovoltaics. (Solar Energy, Vol. 85, pp.1629~1664, 2011.))
圖3-40 裝設在屋頂之太陽光電板結構圖
(資料來源：B. Norton, Enhancing the performance of building integrated photovoltaics. (Solar Energy, Vol. 85, pp.1629~1664, 2011.))
此設計不只具有隔熱性能，也使用大小與框架符合的太陽光電模組，另外有 磁磚與太陽光電模組互相連接。此種模組具有防水功能，結構如圖3-41所示：
圖 3-41 裝設在屋頂之太陽光電板示意圖 (a)側視圖 (b)上視圖 ( 資 料 來 源 ： B. Norton, Enhancing the performance of building integrated photovoltaics. (Solar Energy, Vol. 85, pp.1629~1664, 2011.))
Jin-Hee Kim [18]分別對三種外掛式太陽光電模組進行模擬實驗，第一種為 PV modules 直接貼附在牆壁上；第二種為 PV modules 與牆壁之間有一層空氣 層；第三種為 PV modules 與牆壁之間有一層空氣層，也與室內流通，其結構如 圖 3-42 所示。結果顯示第二種對於 PV modules 的散熱較為顯著，而溫度也會影 響到發電效率。
圖 3-42 三種外掛式太陽光電板構造圖
(資料來源：J. H. Kim, J. T. Kim, A simulation study of air-type
building-integrated photovoltaic-thermal system. (Elsevier Energy
procedia, Vol. 30, pp.1016~1024, 2012.))
財團法人工業技術研究院[19]之發明專利是以陶瓷材質為基板（如圖3-43所 示），將太陽能電池與磁磚封裝成一個BIPV磁磚，可作為外牆建材。以及發明同 時將屋瓦結構與光電模組[20]整合的施工法(如圖3-44所示)，此發明具有高建築 整合性且施工便利的優勢。由於光電模組背板並未被瓦型載具所密封而暴露在外 在環境中，所以瓦型光電模組具有良好的散熱能力。此外，本發明的瓦條具有防 腐抗蝕性材料所構成，並藉由瓦條、扣合部以及銜接扣槽將瓦型光電模組固定於 承載體上，因此具有良好的防風與抗震性。
而Iencinella等人[21]則是將薄膜矽太陽能電池製作在10 cm x 10 cm的磁磚上 (如圖3-45所示)。以陶瓷材質為基板之好處在於陶瓷材料是常用的建築材料，其 製造與設計技術相當成熟，而且陶瓷材料之多孔隙與較大的熱慣性特性對太陽能 電池背板之散熱有所助益。陶瓷材料本身也是一種不燃材料，因此可以成為具有 阻熱性能的BIPV建材。
圖3-43 陶瓷基座太陽光電單元模組之示意圖與BIPV磁磚產品 (資料來源：見工業技術研究院,一種太陽能光電模組,(中華民國發明 公開公報,民國99年)。)
圖3-44 瓦型光電模組之示意圖
(資料來源：見工業技術研究院,瓦型光電模組,(中華民國發明公開公
報,民國98年)。)
圖 3-45 薄膜矽太陽能電池與陶瓷磚相結合
(資料來源：D. Iencinella, E. Centurioni and M. G. Busana, Thin-film solar cells on commercial ceramic tiles. (Solar Energy Materials &
Solar Cells,Vol. 93,pp. 206~210, 2009.))
BIPV 防火與阻熱性能研究
本研究團隊於2010年時，亦曾針對太陽光電模組所組成的外牆進行防火阻熱 性能測試[22]，並依據CNS12514-1之規範，進行全尺度太陽光電模組防火阻熱性 能驗證。實驗過程於試體非加熱面表面配置6, 7個熱電偶，如圖3-46所示。結果 顯示，太陽光電模組無阻熱性材料阻隔火焰並直接受火時，各測溫點溫度約11 分30秒超過210 oC、表面平均溫度約11分時超過170 oC，並於12分左右時太陽能 板破裂，顯示太陽能板不具任何防火阻熱性能強化措施的情況下，僅具有基本的 阻熱能力，而無法達到防火建材之30分鐘以上的防火阻熱時效性能。非加熱面各 測溫點升溫曲線如圖3-47所示。
圖3-46 試體非加熱面上測溫點分佈情形
(資料來源：非承重防火外牆耐火性試驗報告, (工業技術研究院，非
承重防火外牆耐火性試驗報告，民國99年)。)
圖3-47 試體非加熱面上各測溫點升溫曲線
(資料來源：非承重防火外牆耐火性試驗報告, (工業技術研究院，非 承重防火外牆耐火性試驗報告，民國99年)。)
然而，近年來由於建材一體型(BIPV)太陽光電模組系統的蓬勃發展，將太陽 能板與建築物之梁、柱等等合併建制的構想亦逐漸起步，形成發電與節電共存的 自循環綠建築；而上述針對屋頂覆蓋材料的防火性能驗證標準便不再是太陽光電 模組系統性能測試的首選。現今，國內外亦有少數學者針對此種構想進行研究規 劃，例如楊錦懷[23]等人針對太陽光電模組進行改良，利用光反射原理，將高反 射率之隔熱膜置於透光光電模組後方，使發電模組產生二次發電，以提升發電效 率與同時達到隔熱功能，除了有效避免太陽能板的蓄熱問題以外，同時加強系統 的儲電能力，如圖 3-48 所示。之後以小型加熱爐進行太陽光電模組正、反兩面 的防火阻熱能力試驗，以模擬火災由室內向外延燒以及火災由室外向內延燒，並 於太陽能板非曝火面上配置 9 組測溫點，以量測該系統表面升溫情形，如圖 3-49 所示。結果顯示，此類太陽光電模組本身即具有一定的防火阻熱能力，與一般玻 璃相比，破損時間由 30 秒延長至 20 分鐘上下，顯示太陽光電模組系統作為替代 一般性防火建材的可行性，測溫點升溫曲線與實驗結果如圖 3-50、3-51 以及表 3-5 所示。
圖3-48 複合材料式太陽光電模組系統示意圖
(資料來源：見楊錦懷, 太陽能節能玻璃之研發與在零耗能建築之應用 , (技師期刊, 民國102年)。)
圖3-49 測溫點配置於太陽光電模組上示意既實體圖
(資料來源：見楊錦懷, 太陽能節能玻璃之研發與在零耗能建築之應用 , (技師期刊, 民國102年)。)
圖3-50 太陽光電模組於正面受火時非曝火面溫度曲線圖
(資料來源：見楊錦懷, 太陽能節能玻璃之研發與在零耗能建築之應用
, (技師期刊, 民國102年)。)
圖3-51 太陽光電模組於反面受火時非曝火面溫度曲線圖
(資料來源：見楊錦懷, 太陽能節能玻璃之研發與在零耗能建築之應用 , (技師期刊, 民國102年)。)
表3-5 燃燒試驗之結果
(資料來源：見楊錦懷, 太陽能節能玻璃之研發與在零耗能建築之應用 , (技師期刊, 民國102年)。)
Murata[24]等人並針對市售一尺寸為 2 x 4 m2的太陽光電模組進行改良，將 金屬隔板與太陽光電模組之間設置中間空氣層，並於四周以耐火矽膠黏著，如圖 3-52 所示；並應用小尺度水平爐進行防火阻熱性能實驗，圖 3-53 表示為防火阻 熱實驗現場照片；圖 3-54 為耐火測火實驗現場照片。結果顯示當金屬隔板等遮 蔽物最大溫度為 840 oC 且附載壓力達到 637 Pa 時，太陽光電模組依然維持完整 形狀不破損，顯示了太陽光電模組若不直接暴露於火場中且以具阻熱能力之材料 阻隔，得以具有一般防火建材的阻熱能力。圖 3-55 為太陽光電模組裝設在屋頂 的裝設圖解。
圖 3-52 小尺度太陽光電模組結構示意圖
(資料來源：M. Kenji, Y. Toshio, T. Katsutoshi, T. Makoto, K. Seiichi, New type of photovoltaic module integrated with roofing material (highly fire-resistant PV tile). (Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol.75, pp.647~653, 2003.))
圖 3-53 小尺度太陽光電模組防火阻熱實驗現場照片
(資料來源：M. Kenji, Y. Toshio, T. Katsutoshi, T. Makoto, K. Seiichi,
New type of photovoltaic module integrated with roofing material
(highly fire-resistant PV tile). (Solar Energy Materials & Solar Cells,
Vol.75, pp. 647~653, 2003.))
圖3-54 太陽光電模組耐火測試現場照片
(資料來源：M. Kenji, Y. Toshio, T. Katsutoshi, T. Makoto, K. Seiichi, New type of photovoltaic module integrated with roofing material (highly fire-resistant PV tile). (Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol.75, pp. 647~653, 2003.))
圖3-55 太陽光電模組裝設圖解
(資料來源：M. Kenji, Y. Toshio, T. Katsutoshi, T. Makoto, K. Seiichi,
New type of photovoltaic module integrated with roofing material
(highly fire-resistant PV tile). (Solar Energy Materials & Solar Cells,
Vol.75, pp. 647~653, 2003.))
賴宜得[25]研究日本太陽光電系統應用在建築物屋頂之研究，此橫葺型太陽 光電 板 ，如圖 3-56 所示，符合日本法規規定屋頂耐火 30 分鐘構造認定 FP030RF-0132。橫葺型光電板邊緣設計凹折，在介面處金屬繫件緊壓下面的光 電板並鎖固於屋面粗地板上，上面光電板在卡榫到金屬繫件中。縱葺型太陽光電 板，如圖 3-57 所示，此類光電板符合日本法規規定屋頂耐火 30 分鐘構造認定 DR-9003。橫葺型光電模組主要以扣板、蓋板(壓板)固定，固定座與粗地板鎖固 後，光電板邊緣扣板、蓋板依序固定。BIPV 天窗型，以夾層玻璃種類為主，再 依據安裝位置選擇固定框架式或線性固定式。此案例光電板下方加設一層防火玻 璃，以符合日本法規規定要求。
圖 3-56 橫葺型太陽光電板屋頂細部圖
(資料來源：見賴宜得, 太陽能光電系統應用於建築物屋頂之構法研究,
(國立成功大學建築學系碩士論文, 民國 99 年)。)
圖 3-57 縱葺型太陽光電板屋頂細部圖
(資料來源：見賴宜得, 太陽能光電系統應用於建築物屋頂之構法研究, (國立成功大學建築學系碩士論文, 民國 99 年)。)
103 年度建研所研究計畫「建築外殼太陽光電模組系統之防火安全評估」工 研院[1]之發明專利是以陶瓷材質為基板（如圖 3-58 所示），將太陽能電池與磁磚 封裝成一個 BIPV 磁磚，可作為外牆建材。此太陽光電板磁磚以不同的裝設方式 (如圖 3-59 所示)，並以 CNS12514-1 測試法測試驗其防火與阻熱性能[26]。圖 3-60 顯示試驗過程的溫度變化圖，由圖中顯示，在實驗時間開始至 900 秒左右，No_1 至 No_4 所量測的溫度並沒有明顯的差異性，由 0 秒至 900 秒的這段時間，其溫 度由室溫上升至 250oC 左右。在 900 秒之後，由於 No_1 以及 No_4 有發生火焰 竄出的現象，因此所量測的溫度會比 No_2 以及 No_3 還要高，而在實驗至 1800 秒時，No_1 以及 No_4 所量測的溫度約 450oC，而 No_2 以及 No_3 所量測的溫 度約 350oC 左右，此結果顯示曝火面為磁磚的防火與阻熱性能會比曝火面為太陽 光電板好。在太陽光電板磁磚全尺度耐燃性試驗中，太陽光電板於曝火面試驗條 件(No_1 和 No_4)在整個實驗過程可以觀察到磁磚的裂縫、破裂與火焰竄出，而 這些掉落與破裂的磁磚則是會造成消防與救助上的問題與困擾。磁磚於曝火面試 驗條件(No_2 和 No_3)結果顯示有較佳的防火與阻熱性能，但在整體實驗過程仍 然有發生太陽光電板玻璃與磁磚分離的現象發生。此現象顯示與瓷磚分離的太陽
光電板玻璃有可能會隨時掉落的問題，一但太陽光電板玻璃掉落，則是有可能會 造成其他安全上的疑慮並造成消防與救助上的問題與困擾。此外，太陽光電板磁 磚上的電線對整體試驗結果影響不大。
圖 3-58 太陽光電磁磚示意與實體圖
(資料來源：見陳瑞鈴, 林大惠, 李訓谷, 王天志, 蘇鴻奇, 陳柏端, 陳 俊貴、秦鈺舜, 建築外殼太陽光電模組系統之防火安全評估, (內政部 建築研究所協同研究報告, 民國 103 年)。)
圖 3-59 太陽光電磁磚於小型門牆耐火加熱爐裝設示意與實體圖
(資料來源：見陳瑞鈴, 林大惠, 李訓谷, 王天志, 蘇鴻奇, 陳柏端, 陳
俊貴、秦鈺舜, 建築外殼太陽光電模組系統之防火安全評估, (內政部
建築研究所協同研究報告, 民國 103 年)。)
圖 3-60 量測溫度與時間關係圖
(資料來源：見陳瑞鈴, 林大惠, 李訓谷, 王天志, 蘇鴻奇, 陳柏端, 陳 俊貴、秦鈺舜, 建築外殼太陽光電模組系統之防火安全評估, (內政部 建築研究所協同研究報告, 民國 103 年)。)
大型門牆耐火試驗試體為三五族太陽光電板，此實驗將本研究團隊先前所開 發的水膜系統[27-29]與三五族太陽光電板相互結合。此水膜系統設備是將水源引 進太陽光電板上面之儲水槽與水膜產生系統，藉由水膜產生系統讓水面溢出而向 下流動，使得下方的三五族太陽光電板得以有一層水膜附著，並且在三五族太陽 光電板的下方設計一個蓄水槽來回收水量。希望藉由此水膜系統將熱量從太陽光 電板面帶走，並同時降低太陽光電板之溫度，以及提升太陽光電板的防火與阻熱 性能。本次實驗同時以兩塊三五族太陽光電板進行實驗，而水膜產生系統分別於 各三五族太陽光電板的曝火面以及非曝火面處產生水膜(水膜均產生在三五族太 陽光電板的正面)，藍色區塊為太陽光電板。圖 3-61(a)之設計為在非曝火面產生 水膜系統，圖 3-61(b)為在曝火面產生水膜系統。結果顯示，太陽光電版是複合 式結構所組成，因此太陽光電板在試驗過程會有變形與分離的現象。非曝火面形 成水膜的方式，結果顯試太陽光電板於 30 分鐘內就會發生破裂與破壞(如圖 3-62 所示)。然而曝火面形成水膜的方式，太陽光電板於 30 分鐘內僅有發生變形，而 無明顯破壞。此結果顯示水膜產生在曝火面處會使得太陽光電板有較佳的防火性