建築外殼建材之隔熱性能評估研究

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(1)建築外殼建材之隔熱性能評估研究. 內政部建築研究所協同研究報告.

(2) ０９２－Ｍｏｉｓ９２１０２２. 建築外殼建材之隔熱性能評估研究. 受委託者：國立成功大學機械研究所研究主持人：蕭所長江碧協同主持人：陳教授寒濤、林教授憲德、楊教授冠雄研. 究. 員：吳信毅. 研究助理：王益彤、黃仁仕. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國九十二年十二月.

(3) 中文摘要關鍵詞：建築外殼建材、熱傳導係數、綠建築一、研究緣起近幾年來，內政部建築研究所積極建立綠建築九大評估指標，並推動綠建築標章制度，所以建材也應積極朝向綠化目標前進，以期能相輔相成，進而達到相得益彰的效果。為了推廣具有建築環保性能的綠建材，同時帶動國內建材產業的升級，內政部建築研究所鎖定四類綠建材作為核發高性能綠建材標章的對象，而「隔熱綠建材」便是其中一項。此外並成立建築外殼建材之隔熱性能實驗室，以期能檢測各種不同建築材料之隔熱性能，並提供具有公信力之檢測服務。由於至今國內尚無較具公信力之實驗室可以提供建材隔熱性能的檢測，導致建材廠商所採用的檢測標準並不一致。目前市面上之隔熱建材標示之數據無統一的標準，以致讓消費者無所適從。所以建立一套適合我國使用的檢測標準及國家級之檢測實驗室確實有其必要性，並能藉以提升國內建築之省能效益，同時帶動國內建材產業的升級，朝向綠建築的目標前進。. 二、研究方法及過程目前較常見的材料熱傳導係數檢測方法有熱箱法及熱流計法，熱箱法又可以分為校正熱箱法(Calibrated Hot Box Method)及保護熱箱法(Guarded Hot Box Method)。本研究的主要目的就是利用根據 ASTM(American Society for Testing and Material) C976 標準規範之校正熱箱法所建造的校正熱箱儀 (Calibrated Hot Box Apparatus, CHB 儀)來量測建材的熱傳導係數，進而量測各種不同型式之建築外殼建材的等效熱傳導係數或虛表熱傳導係數(Effective thermal conductivity or Apparent thermal conductivity)。本研究使用之試件的長度和寬度為國際間之最小標準尺寸 120 cm 和 120 cm，試件材料基本上以目 1.

(4) 前國內較常使用之建築外殼建材為主。由於此校正熱箱儀的基本假設為一維穩態(Steady state)的環境，故試件的長度和寬度須遠遠大於其厚度。經由本研究一系列的實驗測試可找出最適合本國之建築外殼建材的隔熱性能檢測標準試驗方法及程序，進而逐步建立本國建築外殼建材之隔熱性能資料庫，並藉由此資料庫來提昇國內建築之省能效益。此外，本研究內容尚包含蒐集國內外有關建材熱傳導係數、密度及比熱之儀器設備的相關資料，並訂定儀器設備之採購規格。. 三、重要發現由研究結果發現，本校正熱箱儀之熱損失的校正值對熱傳導係數的量測值影響很大，實驗時需特別注意。另外本校正熱箱儀僅能控制測試箱體內部之高溫區空氣溫度及低溫區空氣溫度，而無法直接控制建材試件的表面溫度，高溫區及低溫區之建材試件的表面溫度分別為九支熱偶計之溫度量測值的平均值。為了求得建材之熱傳導係數與溫度之關係，故實驗時需設定多組不同的環境條件，如此便可以找出試件熱傳導係數與溫度的關係。四、主要建議事項傳統的隔熱觀念往往只偏重於材料的熱傳導係數，而忽略了對流和輻射的重要性，故建議未來的研究能進一步量測建築外殼建材的熱貫流率 (Coefficient of thermal transmission)，以對建材隔熱性能做更完整的檢測。由於本研究是根據校正熱箱法所測得之結果，至於熱流計法之檢測設備，內政部建築研究所已經完成招標作業，俟此檢測設備啟用後，可能的話，建議採用此兩種檢測方法來進行檢測相同建材的熱傳導係數，而後將所得結果相互比較，以提高檢測的精確性及可信度。. 2.

(5) ABSTRACT Keywords: Construction Material of the Building Envelope, Thermal Conductivity, Green Building The main purpose of present study is apply the Calibrated Hot Box Apparatus that was set up according to the ASTM (American Society for Testing and Material) C976 standard to measure the thermal conductivity of the construction material of the building envelope. The standard test method and measuring process of the insulation performance for the construction material of the building envelope can be established from the present study. It’s worthy to note that the effect of the calibrated heat loss values on the measured thermal conductivity of the construction materials is not neglected. In addition, the present study also draws up the specifications of the heat flow meter instrument for measuring the thermal conductivity, density and specific heat of the construction materials of the building envelope.. 3.

(6) 目. 錄. 中文摘要...................................................................................................... Ⅰ 英文摘要...................................................................................................... Ⅳ 目錄....................................... ……………………………………………………Ⅴ 表目錄 .......................................................................................................... Ⅵ 圖目錄 .......................................................................................................... Ⅵ 第一章緒論第一節研究動機 ...................................................................................... 01 第二節研究背景與目的 ......................................................................... 02 第三節研究方法與流程 .........………………………………………………03 第二章建材之熱傳導係數檢測標準操作程序第一節實驗儀器設備裝置及功能說明............................................... 05 第二節量測建材熱傳導係數之理論分析 .......................................... 08 第三節實驗設施及量測系統之校正 ................................................... 09 第四節實驗操作程序.............................................................................. 13 第五節實驗數據之分析 ......................................................................... 15 第三章建材之熱傳導係數檢測實驗結果與討論第一節箱壁與環境之熱損失校正實驗............................................... 18 第二節箱體側邊滲透熱傳量校正實驗............................................... 20 第三節試件之實驗結果與討論............................................................ 21 第四章結論及建議........................................................................................... 31 參考文獻............................................................................................................... 32 附件一實驗儀器設備之校正報告書 ............................................................ 33 附件二標準試件之認證書.............................................................................. 38. 4.

(7) 附件三期中諮詢會議委員意見回應表........................................................ 40 附件四期末諮詢會議委員意見回應表........................................................ 42. 表. 目. 錄. 表 3-1. 電力計之線路損失校正表 ......................................................... 18. 表 3-2. 箱壁熱損失校正實驗條件 ......................................................... 18. 表 3-3. 側邊滲透熱傳量校正實驗條件 ................................................ 20. 表 3-4. 實驗試件編號表........................................................................... 21. 表 3-5. “磚牆塗漆”之實驗條件及結果 .............................................. 23. 表 3-6. “磚牆塗漆＋矽酸鈣板”之實驗條件及結果 ........................ 25. 表 3-7. “磚牆塗漆＋空氣層（2 ㎝）＋矽酸鈣板”之實驗條件及結果 ......................................................................................................... 27. 表 3-8. “磚牆塗漆＋空氣層（3.5 ㎝）＋矽酸鈣板”之實驗條件及結果 ......................................................................................................... 29. 圖. 目. 錄. 圖 1-1. 研究流程與步驟........................................................................... 04. 圖 2-1. 實驗箱體示意圖........................................................................... 05. 圖 2-2. 進行垂直實驗時之實驗箱體的組合示意圖 .......................... 06. 圖 2-3. 進行水平實驗時之實驗箱體的組合示意圖 .......................... 07. 圖 2-4. 室外側箱體之能量平衡示意圖 ................................................ 08. 圖 2-5. 實驗流程圖 ................................................................................... 10. 圖 3-1. 箱壁熱損校正實驗結果 ............................................................. 19. 圖 3-2. 箱體側邊滲透熱傳量校正實驗結果 ....................................... 21. 圖 3-3. 實驗試件之幾何示意圖 ............................................................. 23 5.

(8) 圖 3-4. 磚牆塗漆之實體........................................................................... 24. 圖 3-5. 磚牆塗漆之實驗結果.................................................................. 24. 圖 3-6. 磚牆塗漆＋矽酸鈣板之幾何示意圖 ....................................... 26. 圖 3-7. 磚牆塗漆＋矽酸鈣板之實驗結果............................................ 26. 圖 3-8. 磚牆塗漆＋空氣層（2 ㎝）＋矽酸鈣板之幾何示意圖 .... 28. 圖 3-9. 磚牆塗漆＋空氣層（2 ㎝）＋矽酸鈣板之實驗結果......... 28. 圖 3-10. 磚牆塗漆＋空氣層（3.5 ㎝）＋矽酸鈣板之幾何示意圖.. 30. 圖 3-11. 磚牆塗漆＋空氣層（3.5 ㎝）＋矽酸鈣板之實驗結果 ...... 30. 6.

(9) 第一章緒論第一節研究動機 1970 年代兩次世界石油危機，促使國際社會逐漸重視地球能源日漸耗盡的問題，也喚起了全球對節約能源研究的重視，國內的建築節能研究也隨之展開。內政部建築研究所於八十五年「第五次全國科技技術會議」整合節能研究提出綠建築概念，行政院也在同年度成立了「永續發展委員會」，於是綠建築的研究及推動便在國內如火如荼的展開。但綠建築的定義與內容目前尚眾說紛云而難以取得共識，各國提出的綠建築技術也五花八門，差異性相當大。近幾年來，內政部建築研究所積極建立綠建築九大評估指標，並推動綠建築標章制度，目前行政院即將予以法制化，成為普遍性的建築常規，所以建材也應積極朝向綠化目標前進，才能相輔相成，達到相得益彰的效果。為了推廣具有建築環保性能的綠建材，同時帶動國內建材產業升級革命，內政部建築研究所鎖定四類綠建材，作為核發高性能綠建材標章的對象，而「隔熱綠建材」便是其中一項。我國位處於溼熱的亞熱帶區，特別是夏季氣溫往往高達攝氏 30 度以上，若與地理風土環境單純的國外環境相比較，我們的氣候環境似乎較為複雜，如何在此氣候下維持舒適的室內環境並達成建築節能目標確實是一件不容易的課題，因此推動建築節能政策，更是一項具有相當挑戰性的工作。1995 年政府依據能源管理法，將醫院類和集合住宅類之建築外殼耗能及其他類建築屋頂之熱貫流率(Coefficient of thermal transmission)或總熱傳係數（Overall heat transfer coefficient）納入法規條文，將建築外殼節約能源管理提昇至一個全面性且趨向完整的水準。為了配合節約能源法規執行需要，內政部建築研究所成立建築外殼建材隔熱性能實驗室，以期能檢測各種不同隔熱性能之建築材料的特性，提供具有公信力之檢測服務。目前國內所使用的建築材料種類非常繁多，包含各種木材、石材、金屬、塑膠及複合型材料等等，其熱傳能力的差距也很大，熱傳導係數範圍可能為 200∼0.003 W/mK。所以經由一系列之建築材料熱傳導係數的量測，以建立建築外殼建材隔熱性能資料庫已是當務之急的工作。也可藉由此資料庫來提昇國內建築之省能效益，以朝向綠建築的目標前進。 7.

(10) 第二節研究背景與目的拜建築科技進步之賜，建造滿足各類需求的建築物已非難事，不過在追求美觀之外，更應該將環保的觀念融入建築設計之中。在我國，夏日的平均建築空調耗電佔了總尖峰用電的三分之一左右，空調節能的重要性由此可見一斑。所以為了營造舒適且環保的生活空間，非得藉助高性能綠建材的幫忙，但如何判定是否為高性能的綠建材呢？在隔熱性能方面，目前普遍使用的檢測方法有兩種，分別為「熱箱法(Hot Box Method , HBM)」及「熱流計法(Heat Flow Method, HFM)」，此兩種方法各有其優缺點。目前國外使用熱箱法來測定建築外牆建材的熱傳導係數(Thermal conductivity)k 和熱貫流率 U 已有相當深入的實驗研究，但仍甚少應用於現場的檢測[1]。大陸北京中建建築科學技術研究院於 1989 年與英國建築研究署合作，在 1992 年進行建築節能研究中，便針對使用熱箱法，如保護熱箱法 (Guarded Hot Box Method)和校正熱箱法(Calibrated Hot Box Method)，來測定建築外牆建材之熱傳導係數的原理做深入的探討，並組裝了大陸第一台可用於現場檢測的儀器。之後，他們也根據熱箱法測定建築外牆建材熱傳導係數的觀念研發了 RX—II 型熱傳導係數量測儀(或小型熱箱儀) [1]，該小型熱箱儀的冷卻區為自然對流條件。國內使用熱箱法來量測建材熱傳導係數的單位有內政部建築研究所之校正熱箱儀器(Calibrated Hot Box Apparatus)和國立成功大學機械工程學系逆向問題研究室之小型熱箱儀，該研究室之小型熱箱儀的冷卻區為自然對流條件，此和大陸的 RX—II 型熱傳導係數量測儀很類似。至於熱流計法方面，目前國內工研院能源與資源研究所具有利用熱流計法來量測建材熱傳導係數之實驗設備，而內政部建築研究所也預計在本年度添購此類設備，目前已經完成招標的工作，且此設備尚具有量測密度及比熱的功能。我國對於建築外殼性能檢測已有階段性的成果，但仍缺乏適合我國使用之檢測標準試驗方法及程序，以作為後續研訂國內建築外殼建材檢測認證之依據，故本研究之主要目的在於建立我國建築外殼建材之檢測標準試驗方法及程序，並逐步建立我國建築外殼建材之隔熱性能資料庫。本研究成果對國內建築外殼省能之推展與促進本土化優良建材產業之發展應有相當程度的貢獻，對於提昇國內經濟的發展及達成綠建築之目的也有正面的幫助。. 8.

(11) 第三節研究方法與流程本研究乃根據 ASTM(American Society for Testing and Material) C976[2]之標準所建造的校正熱箱儀來量測建材的熱傳導係數，進而可量測各種不同型式之建築外殼構材的等效熱傳導係數或虛表熱傳導係數(Effective thermal conductivity or Apparent thermal conductivity)。由於此校正熱箱儀的基本假設為一維穩態(Steady state)的環境，故試件的長度和寬度須遠遠大於其厚度，本研究之試件的長度和寬度為國際間之最小標準尺寸 120 cm 和 120 cm，由於所使用之試件為較大尺寸，以致到達穩態所需之時間較久，依試件及設定條件不同而有所變化，一般約需 36 小時左右。試件材料基本上以目前國內較常使用之建築外殼建材為主。傳統的隔熱觀念往往只偏重於材料的熱傳導係數，而忽略了對流和輻射的重要性，故本研究也嘗試量測各種建築外殼建材試件的熱貫流率，以了解其隔熱性能的好壞。經由本研究一連串的實驗測試可找出最適合本國之建築外殼建材的隔熱性能檢測標準試驗方法及程序，進而逐步建立本國建築外殼建材之隔熱性能資料庫。研究流程與步驟如圖 1-1 所示。值得注意的是本校正熱箱儀之熱損失的校正值對熱傳導係數和熱貫流率的量測值影響很大。此外，本研究內容尚包含蒐集國內外有關建材熱傳導係數、密度及比熱之儀器設備的相關資料，並訂定儀器設備之採購規格。. 9.

(12) 研究動機與目的. 相關文獻資料整理. 測量k值之儀器設備的校正與調整. 量測k值、密度及比熱之儀器設備的資料收集. 量測方法及步驟確立. 工作會議及專家學者意見彙整. 實驗操作. 採購儀器設備之規格訂定. 實驗數據之分析整理儀器設備之招標作業實驗結果討論. 熱箱法部分. 熱流計法部分撰寫報告. 計畫結束繳交報告. 圖 1-1. 研究流程與步驟. 10.

(13) 第二章建材熱傳導係數之檢測標準的操作程序本章之內容乃根據內政部建築研究所性能實驗群之校正熱箱儀所撰寫之熱傳導係數檢測標準的操作程序，內容包含實驗儀器設備裝置及功能說明、量測建材熱傳導係數之理論分析、實驗設施及量測系統之校正、實驗操作程序及實驗數據分析，詳細說明如下所述。. 第一節實驗儀器設備裝置及功能說明本研究乃使用內政部建築研究所性能實驗群之熱環境實驗室的校正熱箱儀來進行建材的熱傳導係數量測，此設備的實驗箱體乃依據美國 ASTM C976[2]之規範以及其他相關文獻[3-8] 設計建置而成，並經由內政部建築研究所 89、90 及 91 年度之研究及規劃。整個實驗箱體主要區分成室外側、室內側及試件三個部分，如下圖所示。. 試件. 圖 2-1. 實驗箱體示意圖. 室內側與室外側箱體內各裝置一組加熱器、冷卻器與風扇，能獨立控制該側之空氣溫度及氣流速度。試件置於四周絕熱之支撐架（成口字形）中央， 11.

(14) 實驗進行時需將試件與支撐架間作成氣密狀態，以完全分隔室內側與室外側之氣流，使互不相影響兩邊之設定條件。室內側溫度可控制範圍為 5 ~ 40 ℃ ，穩態風速為 0 ~ 0.5 m/s。室外側溫度可控制範圍為 0 ~ 60 ℃，穩態風速為 0 ~ 3 m/s，最大風速可達 10 m/s。箱體內空氣溫度的控制，乃藉由加熱器與冷卻器相互搭配運轉，以達到精確的溫度調整與控制。加熱器是採用電阻加熱的方式，藉由電源供應器調整電流大小，來控制加熱量。冷卻器則由冰水機提供低溫之滷水，利用流量的控制來調節箱體內部空氣之溫度。在氣流條件的控制方面，則直接使用變頻器控制風扇的轉速以達到所要求之風速。另外兩側箱體內部亦裝設有濕度計，以記錄實驗時箱體內部之濕度，作為量測試件隔熱性能之參考。實驗儀器設備之詳細說明可參考文獻[10,11] 為了模擬垂直牆面或水平屋頂的狀況，整個測試箱體可以垂直或水平方式擺設，其箱體之組合狀況分別如下圖所示：. 圖 2-2. 進行垂直實驗時之實驗箱體的組合示意圖. 12.

(15) 圖 2-3. 進行水平實驗時之實驗箱體的組合示意圖. 其運轉方式如下所述：室內側箱體藉由固定式升高架、旋轉軸及下方之軌道可以直立或平躺，分別用於進行垂直試件及水平試件之測試。室外側箱體藉由移動式升高架、旋轉軸及軌道，同樣可以直立或平躺以進行垂直及水平測試。不同的是室外側箱體能做水平方向的移動，以方便試件的安裝。主要附屬量側儀器包括有記錄器(60 Channel，精確度± 0.5 %，溫度量測精確度± 0.1 ℃)、功率計（Power meter，精確度± 0.5 %）、熱電偶(精度要求 ± 0.1 ℃)、風速量測儀器(採用熱線 hot-wire 式)、溫度控制器(精度要求 ± 0.1 ℃)、流量計(提供滷水流經箱體之流量，藉以計算出其帶走之能量)。由於風扇所使用之電源為 3 相 220V，因此外加一組 3 相 220V 自偶變壓器及功率計補足實驗儀器之不足。本校正熱箱儀之功能為藉由控制試件兩側箱體內部空氣溫度、空氣速度及熱輻射條件，以求得穿過試件之熱傳量。而後，經由量取試件於室外側及室內側之表面溫度及試件的表面積與厚度，並配合傅立葉熱傳導定律以求得試件的熱傳導係數。本測試方法適用於大尺寸之均質( Homogeneous )及非均質( Non-homogeneous )的建築材料或複合型建材[12]。. 13.

(16) 第二節. 量測建材熱傳導係數之理論分析. 根據能量守恆定律，當系統到達穩定時，傳入系統的能量會等於傳出的能量。校正熱箱儀便是依據此原理，並搭配適當的實驗設備記錄傳入和傳出室外側箱體( Metering Chamber )之能量，進而利用傅立葉熱傳導定律(Fourier’s Law)求出試件的熱傳導係數。室外側箱體在穩態下之能量平衡示意圖如下所示。. Flanking Loss Qfl Wall Heat Loss Qm. Specimen. Box Cooling Qc Hot Side Th. Cold Side Tc Specimen Heat Loss Qs. Ts,h. Fan Energy Qf. Ts,c. Heater Energy Qh. Metering Chamber. 圖 2-4. Climatic Chamber. 室外側箱體之能量平衡示意圖. 故其能量守恆方程式可以寫為： Q f + Qh = Qm + Q fl + Qc + Qs. 其中 Qh ：加熱器所輸入之能量，W。 Q f ：風扇所輸入之能量，W。 14. (2-1).

(17) Qs ：穿透試件之能量，W。 Qm ：經由箱壁所損失之能量，W。 Q fl ：滲透所損失之能量，W。. 和 Qc ：箱體內部冷卻盤管所帶走之能量，W。. 在實驗進行過程中， Qh 、 Q f 與 Qc 可藉由儀器設備之記錄數據經過計算得知， Qm 與 Q fl 可由標準試件之校正實驗求得。若 Qh 、 Q f 、 Qc 、 Qm 及 Q fl 已知，代入(2-1)式即可求出 Qs 的值，進而可由傅立葉熱傳導定律求得試件之熱傳導係數，其關係式為： Qs =. kA(Ts ,h − Ts ,c ) L. (2-2). 其中. k：試件之熱傳導係數，W/mK。 L：試件的厚度，m。 A：試件的表面積，m2。 Ts ,h ：試件高溫區的表面平均溫度，℃。. 和 Ts ,c ：試件低溫區的表面平均溫度，℃。. 可以將(2-2)式改寫成以下形式： k=. 第三節. Qs L A(Ts ,h − Ts ,c ). (2-3). 實驗設施及量測系統之校正. 量測建材熱傳導係數的實驗流程如圖 2-5 所示。在進行建材熱傳導係數量測之前，必須先進行儀器及感測器之校正，包括溫度校正、功率校正、流量校正及線路損失校正。此外，實驗進行時，為了讓熱量穿過試件，所以室外 15.

(18) 側之空氣溫度與室內側之空氣溫度一定會有落差存在，此溫度差所產生之熱傳大致可以區分為兩個途徑，一是穿過試件的熱傳量，另一者為從試件側邊滲透之熱傳量，此熱傳量即為 Q fl 值。另外，室外側之空氣溫度與環境溫度亦有溫度差存在，所以有經由箱壁傳到環境中之熱損失， Qm 值。 Q fl 值及 Qm 值皆須在量測建材熱傳導係數實驗進行前，藉由校正實驗事先求得。. 儀器設備校正箱壁與環境之熱損失及側邊滲透熱傳量校正實驗. 包含以下校正項目： 1.流量計 2.電力計 3.風速計 4.濕度計 5.溫度量測設備 6.線路熱損失. 建築外殼建材之量測實驗實驗數據計算及結果分析. 圖 2-5. 實驗流程圖. 本實驗設備之校正實驗可由下列步驟進行之。 A. 溫度校正: 1. 先將所有熱電偶線一端以專用之焊接機將正負兩極焊接在一起，再將另一端以插頭方式與記錄器連接，逐一確定裝置無誤，且皆可以測得溫度值後加以編號。 2. 將所有熱電偶線與一支二重管水銀溫度計置入恆溫水槽中，接著將水槽溫度設定在實驗設備可測定範圍內之最低溫度，俟水槽之溫度達到設定值並穩定後，觀察水銀溫度計之讀數是否與恆溫水槽之設定溫度相同，藉此確認恆溫水槽內之實際溫度。 3. 將記錄器顯示之所有熱電偶線所測得之溫度讀數修正至與二重管水銀溫 16.

(19) 度計之溫度值相同為止。 4. 接著將恆溫水槽之溫度調整至實驗設備可測定範圍內之最高溫度，同樣等水槽之溫度達到設定值並穩定後，觀察水銀溫度計之讀數是否與恆溫水槽之設定溫度相同。 5. 修正記錄器上顯示之所有熱電偶線測得之溫度讀數與二重管水銀溫度計之溫度值，直至兩者相同為止。 6. 將恆溫水槽之溫度從實驗設備可測定範圍之最低溫度開始，逐步調整至實驗設備可測定範圍最高溫度為止，並隨時觀察記錄器顯示之溫度讀數與恆溫水槽內二重管溫度計之溫度值是否相同，若不同則調整記錄器內部之設定值至相同為止，並重複上述步驟直至在實驗設備可測定溫度範圍內，記錄器上所顯示之溫度讀數與二重管溫度計之溫度值相同為止。 7. 其餘溫度量測設備由儀器廠商以專用之校正設備進行校正工作，包含室內側與室外側滷水之入口與出口溫度計及室內側及室外側之空氣溫度計校正報告請見附件一。. B. 流量校正 1. 由控制盤將室內側或室外側的流量設定在實驗設備可輸出流量的最低值，並將管內之滷水引流至量桶中，同時以碼錶計時。在一定時間後，根據記錄器所設定之流量值計算滷水累積流量並與量桶內之水量比較，看是否相同，若不相同則調整控制盤內之流量計設定值，直至兩者之數值相同為止。室內側與室外側之校正方式皆相同。 2. 由控制盤將室內側或室外側的流量設定在實驗設備可輸出流量的最大值，並重複步驟 1 之動作，直至根據控制盤所設定之流量值計算滷水累積流量與量桶內之水量相同為止。室內側與室外側之校正方式皆相同。. C. 風扇功率計校正: 使用三相 220V 功率計量測風扇功率，使用前與 Yokogawa 功率計(準確度達±0.5%)進行校正比對，其回歸方程式為. 17.

(20) Q f = Pf * 1.02 − 1.85. (2-4). 其中 Pf :為增購一組三相 220V 功率計顯示值和 Qf :校正值 D. 箱壁與環境之熱損失( Qm )的校正實驗 1. 將不透氣之任意平板物件放置在試件支撐架上，並以隔熱膠帶及不透氣膠帶做好氣密，以防止室外及室內側箱體間產生氣流互通的現象。並將兩側箱體內部空氣溫度設定在相同溫度值(高於環境溫度) 。此時，因為兩側箱體間沒有溫度差存在，所以可以假設兩者之間沒有熱量的交換(即 Qs = Q fl = 0 )。當系統達到穩定時，輸入箱體的能量相當於箱壁與環境間之. 熱損失量(即 Qm = Q f + Qh − Qc )，其能量平衡請參見圖 2-4。 2. 記錄室外側箱體加入之總能量，即為室外側箱體所對應之熱損失量，並紀錄室外側箱體內部空氣溫度與箱體外環境溫度差值，即可獲得箱壁熱損失量與箱體內外溫度差之校正關係式。 3. 由於箱體熱損失量會隨著風速的設定值改變而有所變化，即不同的風速條件會造成不同的箱體熱損失量，所以進行建材試件實驗時風速的設定值須與箱壁與環境熱損失校正實驗時的設定值相同，至於風速條件的設定值則以我國室外環境條件為參考依據。. E.箱體側邊滲透熱傳量( Q fl )之校正實驗 1. 將儀器設備廠商所提供之標準試件(其熱傳導係數為已知)放置在測試台上，並以隔熱膠帶及不透氣膠帶做好氣密，以防止兩側箱體間有氣流互通之現象產生。將室內側空氣溫度設定在與箱體外環境溫度相同之溫度值，同時對室外側進行加熱。當系統達到穩定時，根據能量守恆定理可得知輸入室外側箱體的能量相當於經由箱壁熱損失之能量、通過標準試件的熱量及箱體側邊滲透之熱傳量的總和，即 Q f + Qh − Qc = Qm + Qs + Q fl 。箱壁熱損失量可由箱體內外溫度差及箱壁與環境之熱損失校正實驗所求 18.

(21) 得之校正關係式求得，又因標準試件之熱傳導係數為已知，所以通過標準試件的熱傳量便可以經由計算求得。由儀器設備之記錄數據並加以計算可求得 Qh 、 Q f 與 Qc 值。將 Qm 、 Q fl 、 Qh 、 Q f 及 Qc 代入能量守恆方程式 (2-1)式，便可計算出由箱體側邊所滲透之熱傳量。 2. 記錄兩側實驗箱體之空氣溫度差，並配合上述所求得之由箱體側邊所滲透之熱傳量值可求得由箱體側邊所滲透之熱傳量與箱體間之溫度差的校正關係式。. 第四節實驗操作程序經過以上一系列的校正工作後，量測建材熱傳導係數的實驗進行程序如下所述。步驟 1：將試件安裝於支撐架上並做好氣密 a. 室外側箱體之支撐架為可移動式滑輪，因此可將室外側箱體以手動方式移出，直到室外側箱體的位置完全不影響試件之拆卸與安裝。 b. 將試件支撐架以推高機升高至室內側箱體及室外側箱體相同高度之位置，並以螺絲栓緊固定於兩側之懸臂上。 c. 裝置試件於支撐架上。由於本年度之研究乃使用尺寸 120 cm x 120 cm 的試件，其最大重量約在 1 噸左右，基於操作安全的考量，採取直接在試件支撐架上施工的方式。施工前需先在支撐架上面標註試件施工的區域，其目的在使室外側箱體內部的表面積維持在固定值，此固定表面積須與校正實驗進行時相同。 d. 當試件建造完成後利用隔熱膠帶與不透氣膠帶，將試件周圍與支撐架之間隙密封，以防止室外側與室內側之間有氣流互通之現象產生。步驟 2：室內側之熱電偶線黏貼以手動方式將試件支撐架兩側之懸臂推至靠近室內側箱體之位置，便於室內側熱電偶線之黏貼。以量測表面溫度專用之膠布將熱電偶線固定於試件室內側表面上，完成後將試件推至量測實驗進行時之 19.

(22) 預定位置。步驟 3：室外側之熱電偶線黏貼以人力推動室外側箱體達適當位置，便於室外側熱電偶線的黏貼。以量測表面溫度專用之膠布將熱電偶線貼於試件室外側表面上，再以黏性較強的膠帶輔助以防止熱電偶脫落。步驟 4：實驗系統定位 a. 將實驗系統室外側箱體歸位與系統結合 b. 將室外側、試件與室內側等三個箱體組件串連組合，並以鬆緊螺絲鎖緊以做好結合處之氣密，以避免箱體內部環境直接受到外界環境狀態之影響。步驟 5：實驗量測 a. 打開控制面板之總電源，並依序啟動恆溫桶、冷凝泵、冷凍機、室內側風扇、室外側風扇之電源，待風扇運轉幾分鐘後再啟動室內側加熱器及室外側加熱器。檢查所有儀器設備是否正常，如果正常則將室內側溫度、室外側溫度、室內側滷水流量、室外側滷水流量、室內側風扇及室外側風扇調整至實驗所需之設定值。 b. 約須經過 36 小時的運轉後整個實驗箱體方可達到穩定狀態，此時試件表面平均溫度的變化上下跳動不超過 ± 0.1 ℃；而室外側箱體的平均熱功率變化不能超過 ± 1 %，且必須具有方向性，亦即只能往功率增加或減少的方向變化。在達到上述條件之後，其計算結果差異不超過 1 %時，才能開始記錄此時之實驗數據，如此該試件的實驗數據量測才算正式完成。實驗記錄數據則包括溫度、流量及熱量之加入與移出等數據。步驟 6：實驗設備關機當實驗結束後，依序關閉室內側和室外側之加熱器、恆溫桶、冷凝泵以及冷凍機，數分鐘後再關閉室內側風扇及室外側風扇，最後關閉實驗設備之總電源。步驟 7：數據分析 20.

(23) 實驗數據之分析請參見下節所述。. 第五節. 實驗數據之分析. 步驟 1：箱壁與環境之熱損失( Qm )的校正實驗此校正實驗之步驟請參見第三節之內容，為了求得操作溫度區間箱壁熱損失與室外側空氣溫度與環境溫度差之關係式，本校正實驗需從操作溫度區間之最低溫度加熱至最高溫度，逐步求取箱壁熱損失之校正值。實驗時，由於吾人將室外側及室內側內部空氣溫度設為相同，使兩者之間沒有溫度差存在，所以便沒有熱傳發生，即 Qs = Q fl = 0 ，可以將能量守恆方程式(2-1)式簡化成以下形式： Q m = Q f + Q h − Qc. (2-5). 而 Q f、Qh 及 Qc 可由記錄器之數據經過計算求得，而後再將其計算結果代回(2-5) 式，即可求得 Qm 之值。室外側空氣溫度可直接由記錄器之讀數得知，而環境溫度可由安裝在箱體外環境中之熱電偶線的溫度量測值取平均值，如此便可以求得箱壁熱損失與室外側空氣溫度與環境溫度差之關係。由於進行了多組不同溫度設定值之校正實驗，所以可以經由多組實驗結果求出箱壁熱損失與室外側空氣溫度與環境溫度差之校正關係式。步驟 2：箱體側邊滲透熱傳量( Q fl )之校正實驗此校正實驗之步驟請參見第三節之內容，為了求得操作溫度區間箱體側邊滲透熱傳量與兩側箱體間溫度差之關係式，本校正實驗需從操作溫度區間之最低溫度加熱至最高溫度，而後逐步求取箱體側邊滲透熱傳量之校正值。由於使用已知熱傳導係數之標準試件進行校正實驗，所以 Qs 可以利用傅立葉熱傳導方程式(2-2 式)求得，其中室外側及室內側之試件壁面溫度可分別由壁面之熱電偶線平均值求得、試件之表面積及厚度亦可由量測得知。另外箱壁與環境之熱損失已於步驟 1 中求得，所以可以將(2-1)式整理成如下之形式。 Q fl = Q f + Qh − Qc − Qm − Qs. (2-6). 其中 Q f 、 Qh 及 Qc 可由記錄器之數據經過計算求得，將其計算結果代入(2-6) 21.

(24) 式即可求得 Q fl 值。同時讀取記錄器上兩側箱體間之溫度差，如此便可以求得箱壁熱損失與室外側空氣溫度與環境溫度差之關係。由於進行了多組不同溫度設定值之校正實驗，所以可以經由多組實驗結果求出由箱體側邊滲透之熱傳量與兩側箱體間之溫度差的校正關係式。步驟 3：建材熱傳導係數之量測為了求得建材熱傳導係數與溫度之關係，本研究進行了多組溫度設定值之實驗。首先設定實驗條件，俟箱體達到穩定狀態後再開始讀取實驗數據，讀取之數據包含了室外側與室內側之空氣溫度與試件壁面溫度、室外側與室內側之滷水流量及出入口溫度差、室外側與室內側之加熱器及風扇所使用功率、室外側與室內側之風速、濕度及環境溫度。當數據蒐集齊全後，首先將室外側空氣溫度與環境溫度差代入箱壁熱損失校正關係式求出 Qm ，並將兩側箱體間之溫度差代入由箱體側邊所滲透之熱傳量的校正關係式求出 Q fl 。 Q f 、 Qh 及 Qc 可利用由記錄器所量得之數據並經由計算求得。將以上資料代入(2-1). 式，並加以整理之後可求得穿過試件之熱傳量 Qs 。其表示式如下所示。 Qs = Q f + Qh − Qc − Qm − Q fl. (2-7). 將所得之 Qs 值代入傅立葉熱傳導方程式(2-3)式便可求得試件之熱傳導係數。由於進行了多組不同溫度設定值之實驗，所以可經由多組實驗結果求得建材熱傳導係數隨溫度變化之情形。. 22.

(25) 第三章. 建材熱傳導係數之實驗結果與討論. 先前的實驗結果顯示，同樣的試件及實驗條件下，於不同時間進行實驗，所求得的試件熱傳導係數卻有很大的落差。經過重新計算實驗數據及檢討實驗流程之後，初步推斷發生此誤差的原因可能為實驗設備不穩定所導致。但，由儀器設備的校正結果發現溫度、流量及電力計之偏差皆在容許範圍以內，如附件一之校正報告所示。於是，為了判定誤差發生的原因所在，便自行設計了一組校正實驗，此校正實驗的步驟如下所述。校正實驗進行時將室外側及室內側箱體內的空氣溫度皆設定與環境溫度相同，因而便沒有箱壁熱損失(Qm)及側邊滲透熱傳量(Qfl)。此時加入箱體的能量(Qh+Qf)便等於低溫滷水帶走的熱量(Qc)。但，由實驗結果發現，加入箱體的能量卻大於低溫滷水帶走的熱量，發生此誤差的原因應在於低溫滷水的流量計或加熱器及風扇的電力計。但是儀器的校正報告顯示電力計並無明顯的偏差，因此我們便以攜帶式功率計同時對控制盤之電力計與實驗箱體輸入之能量進行監測，結果發現兩者的數值並不相同。故可推斷產生誤差的原因為箱體與控制盤間之線路損失。由於實驗箱體與控制盤間之線路長達 10 公尺以上，其間的線路損失可能導致實驗結果的不準確性。經由以上校正實驗，目前已找出發生誤差的主要原因可能為線路損失致。下列兩種方式或許可解決此誤差：第一種為將控制盤搬移至箱體附近，以減少線路熱損失;另一解決方式為在加熱器所能提供之功率範圍內，逐一進行線路損失的估算，並將損失的比率做成校正表格，實驗數據計算時便根據此校正表格對控制盤之讀數做修正。本年度之研究採用第二種方式，風扇電力計之線路損失經過攜帶式功率計的校正，其實際值為控制盤讀數的 50%，加熱器電力計之線路損失修正值如表 3-1 所示。以下為根據此校正方式進行之實驗結果。. 23.

(26) 表 3-1. 電力計之線路損失校正表. 室內側箱體. 室外側箱體. 控制盤顯示功率. 實際值/控制盤顯示值. 控制盤顯示功率. 實際值/控制盤顯示值. 500. 0.74. 510. 0.823. 1050. 0.84. 1034. 0.865. 1490. 0.868. 1516. 0.887. 1980. 0.89. 2060. 0.907. 2067. 0.894. 2550. 0.919. 第一節箱壁與環境之熱損失校正實驗首先進行箱壁與環境之熱損失校正實驗，進行步驟如第二章第三節中”D. 箱壁與環境之熱損失校正”所述，先將低溫區(室內側)及高溫區(室外側)箱體的空氣溫度設定在相同的溫度值(高於環境溫度)，即 Tc=Th，如此一來便可以假設高溫區與低溫區間沒有熱量的交換，即 Qs = Q fl = 0 。本年度之研究進行了三組不同溫度設定值的箱壁熱損校正實驗，實驗條件如表 3-2 所示。. 表 3-2. Th. (oC). 箱壁熱損失之校正實驗條件. Tc (oC). Th-Tout (oC). Qm (W). CASE1. 60. 60. 29.86. 80.16. CASE2. 62.5. 62.5. 32.42. 79.87. CASE3. 65. 65. 35.42. 80.39. 由於高溫區之空氣溫度設定值皆大於環境溫度，所以將高溫區之低溫滷水流量關閉，僅以加熱器與風扇來控制高溫區之空氣溫度。如此一來，低溫滷水所帶走之熱量值便為零，即 Qc = 0 。經過一段時間的運轉，俟整個實驗箱體達到穩定狀態後，記錄高溫區加熱器與風扇加入之能量( Qh 及 Q f )及高溫區空 24.

(27) 氣溫度與實驗環境之溫度差( Th - Tout )，將上述 Qh 、 Q f 、 Qs 、 Q fl 及 Qc 代入能量守恆方程式 (2-1)式便可求出箱壁與環境之熱損失量 Qm 。因 Qs 、 Q fl 及 Qc 皆為零，所以可以將 (2-1) 式簡化為下列方程式。 Qm = Qh + Q f − Qc − Q fl − Qs. (3–1). 圖 3-1 為高溫區空氣溫度與實驗環境之溫度差( Th - Tout )和箱壁與環境之熱損失量 Qm 的關係圖。利用繪圖軟體( Grapher )求出兩者間之關係式，其表示式為： Qm = 78.6707 + 0.0451 × (Th − Tout ). (3–2). 90. 88. 86. 84. Qm ( W ). 82. 80. 78. 76. 74. 72. 70. 28. 30. 32. 34. Th-Tout ( oC ). 圖 3-1 箱壁熱損校正實驗結果. 25. 36. 38.

(28) 第二節由箱體側邊所滲透之熱傳量的校正實驗此校正實驗之實驗步驟如第二章第三節中之”E.箱體側邊熱傳量校正實驗”所述。本研究進行了三組不同溫度設定值的校正實驗，實驗條件如表 3-3 所示。. 表 3-3. Th. 側邊滲透熱傳量之校正實驗條件. (oC). Tc (oC). Th-Tc (oC). Qfl (W). CASE1. 60. 20. 40. 11.39. CASE2. 60. 25. 35. 11.93. CASE3. 60. 30. 30. 12.05. 首先需完成實驗條件之設定，而後將實驗設備運轉一段時間，直至整個實驗箱體達到穩定狀態後，方可進行實驗數據的記錄。記錄數據包含高溫區加熱器與風扇加入之能量( Qh 及 Q f )、試件之高溫區表面溫度與低溫區表面溫度差( Ts ,h - Ts,c )以及高溫區空氣溫度與實驗環境之溫度差( Th - Tout )。本校正實驗乃採用熱傳導係數為 0.059 W/moC 之標準試件來進行實驗(標準件之認證如附件二所示)，所以將於高溫區之標準試件的表面溫度與低溫區之表面溫度差( Ts,h - Ts,c )代入(2–2)式便可求出 Qs 值。另外，將高溫區之空氣溫度與實驗環境溫度差 ( Th - Tout ) 代入箱壁熱損失校正關係式 (3-2) 式，便可求出 Qm 。最後將上述之 Qh 、 Q f 、 Qs 及 Qm 代入能量守恆方程式(2-1)式即可求出箱體. 側邊之熱傳量 Q fl 。此時低溫滷水的流量依然維持為零，即 Qc = 0 。故(2-1)式可簡化為下列之形式： Q fl = Qh + Q fl − Qs − Qm. (3–3). 圖 3-2 為高溫區之空氣溫度與低溫區之空氣溫度差( Th - Tc )和箱體側邊熱傳量的關係圖。同樣利用繪圖軟體( Grapher )求出兩者間之關係式，其表示式如下所示。 Q fl = 9.491 + 0.0657 × (Th − Tc ) 26. (3–4).

(29) 15. 14. Qfl ( W ). 13. 12. 11. 10 25. 30. 35. 40. 45. Th-Tc ( oC ). 圖 3-2. 箱體側邊滲透熱傳量校正實驗結果. 第三節實驗結果與討論完成箱體熱損失及箱體側邊熱傳量的校正實驗後，便可進行建材試件之熱傳導係數檢測實驗。為了便於實驗的進行及結果的分析，故將本研究之實驗試件予以編號，試件編號及說明如表 3-4 所示。. 表 3-4 實驗試件編號表編號. 試件結構. 試件 1. 磚牆塗漆. 試件 2. 磚牆塗漆 + 矽酸鈣板. 試件 3. 磚牆塗漆 + 空氣層(2 cm) + 矽酸鈣板. 試件 4. 磚牆塗漆 + 空氣層(3.5 cm) + 矽酸鈣板. 27.

(30) 試件 1：”磚牆塗漆”之熱傳導係數量測首先進行的是編號 1 之磚牆塗漆試件的熱傳導係數量測實驗。將抹平的磚牆用虹牌水泥漆以 1：3 的比例和甲苯均勻混合塗抹在試件上，試件的幾何示意圖與實體如圖 3-3 及圖 3-4 所示。其實驗步驟與結果分析分別如下所述：. 1. 首先設定實驗條件，實驗條件如表 3-5 所示。經過一段時間的運轉，俟實驗箱體達到穩定狀態後，便開始記錄實驗數據，記錄時間為 60 分鐘，數據分析時取其平均值。. 2. 於高溫區之試件表面溫度 Ts,h 為第 21、22、23、24、25、26、27、28、29 及 30 頻道之平均值。. 3. 於低溫區之表面溫度 Ts,c 為第 41、42、43、44、45、46、47、 48、49 及 50 頻道之平均值。 4. 高溫區之空氣溫度 Th 與低溫區之空氣溫度 Tc 分別為第 3 頻道及第 1 頻道之數值。. 5. 實驗環境溫度 Tout 為第 31 頻道及第 51 頻道之平均值。 6. 將實驗數據代入(3-2 式)之箱壁熱損失校正關係式與(3-4 式)之側邊熱傳量校正關係式，可求出 Qm 及 Q fl 。 Q h 及 Q f 則可由控制盤讀數，並經由線路損失校正計算後求得。將 Q fl 、 Qm 、 Q h 及 Q f 代入(2-1)式之能量守恆方程式，便可求得穿過試件之熱傳量，其表示式為： Qs = Qh + Q f − Qm − Q fl. (3–5). 7. 將上述所求得之 Qs 、高溫區與低溫區之試件表面溫度差、試件之截面積及厚度代入(2-2)式，便可以求出試件之熱傳導係數。為了欲以求得試件熱傳導係數隨溫度的變化情形，本研究對試件 1 進行了七組不同溫度值的實驗，其實驗結果如表 3-4 及圖 3-5 所示。表 3-4 中之 Ts 值為 Ts,h 和 Ts,c 之平均值。由表 3-4 可以發現，試件溫度在 40 ~ 46 (oC)之間時，其等效熱傳導係數值 k eff ,1 約在 0.62 ~ 0.67 (W/moC)之間。從圖 3-5 可以發現試件 28.

(31) 1 的 k eff ,1 值可能隨溫度呈反比的關係，即 k eff ,1 值隨著溫度的升高而下降。若欲求得更精確的 k eff ,1 值，建議再多作幾組不同溫度設定值的實驗數據。. 表 3-5. “磚牆塗漆“之實驗條件及結果. 試件 1. Th ( C). Tc ( C). Ts,h (oC). Ts,c (oC). Ts ( C). keff,1 (W/moC). Case1. 61. 28. 53.63. 36.03. 44.830. 0.63. Case2. 64. 28. 54.49. 35.5. 44.995. 0.63. Case3. 62.5. 28. 55.54. 37.05. 46.295. 0.62. Case4. 65. 24. 52.65. 33.01. 42.830. 0.65. Case5. 60. 20. 50.29. 31.16. 40.725. 0.67. Case6. 62.5. 20. 52.84. 31.69. 42.265. 0.66. Case7. 65. 15. 54.85. 35.21. 45.030. 0.63. o. o. o. 單位：cm. 水泥漆 120. B 磚牆 2. 120 圖 3-3. 實驗試件之幾何示意圖. 29. 13.

(32) 圖 3-4. 磚牆塗漆之實體. 0.9. keff, 1 ( W/moC ). 0.8. 0.7. 0.6. 0.5. 0.4. 38. 40. 42. 44. Ts ( oC ). 圖 3-5 磚牆塗漆之實驗結果. 30. 46. 48.

(33) 試件 2：”磚牆塗漆 + 矽酸鈣板”之熱傳導係數量測為了欲進一步探討複合建材的隔熱效果，故在試件 1 之室內側加上一層長寬皆為 120 cm 及厚度為 0.8 cm 的矽酸鈣板。在磚牆及矽酸蓋板間不添加任何黏著劑，僅利用木頭角材及角鐵固定之。實驗試件之幾何示意圖如圖 3-6 所示。此試件進行了三組不同的溫度設定值的實驗，其實驗條件如表 3-6 所示。. 表 3-6. “磚牆塗漆 + 矽酸鈣板“之實驗條件及結果. 試件 2. Th ( C). Tc ( C). Ts,h (oC). Ts,c (oC). Ts ( C). keff,2 (W/moC). ksi (W/moC). Case1. 60. 20. 51.498. 28.4. 39.949. 0.41. 0.05. Case2. 65. 20. 57.201. 30.305. 43.753. 0.43. 0.07. Case3. 65. 28. 57.847. 34.922. 46.385. 0.45. 0.09. o. o. o. 實驗步驟與試件 1 完全相同，在此不再詳述。實驗結果如表 3-6 及圖 3-7 所示。由表 3-5 和表 3-6 可發現試件 1 加上矽酸鈣板後，其等效熱傳導係數 k eff , 2 降低了不少，約在 0.41 ~ 0.45 (W/moC)之間，而試件的溫度約在 40 ~ 46 (oC) 之間。熱傳導係數的降低乃意味著隔熱性能的增加，由此可見，加上酸鈣板確實具有隔熱的效果。由圖 3-7 可發現試件之 k eff , 2 隨著 Ts 的增加而增加，此趨勢和圖 3-5 不同。此現象有待進一步探討。另外由 k eff ,1 及 k eff , 2 也可以求得矽酸鈣板之熱傳導係數，其計算方式如下所示： L k eff , 2. =. L1 k eff ,1. +. L2 k si. (3–6). 其中 L 為試件 2 的厚度， L1 為試件 1 的厚度， L2 為矽酸鈣板的厚度。 k eff , 2 為試件 2 的等效熱傳導係數、k eff ,1 為試件 1 的等效熱傳導係數，而 k si 為矽酸鈣板的熱傳導係數。由(3-6)式可求得 k si 約在 0.05∼0.09(W/moC)之間。此值頗吻合文獻[11]裡之實驗結果，故本實驗設備的熱傳導係數量測值應具有相當高的精確性。. 31.

(34) 單位：cm. 0.8. 水泥漆 120. B 磚牆 2 矽酸鈣板. 120 圖 3-6. 13. 磚牆塗漆+矽酸鈣板之幾何示意圖. 0.6. keff, 2 ( W/moC ). 0.5. 0.4. 0.3. 38. 40. 42. 44. 46. Ts ( oC ). 圖 3-7 磚牆塗漆+矽酸鈣板之實驗結果. 32. 48.

(35) 試件 3：”磚牆塗漆 + 空氣層(2 cm) + 矽酸鈣板之實驗”之熱傳導係數量測為了欲瞭解空氣層的斷熱效果，故在磚牆與矽酸鈣板間隔著 2cm 的空氣層，其幾何示意圖如圖 3-8 所示。試件 3 之實驗結果如表 3-7 與圖 3-9 所示。由表 3-6 和表 3-7 可發現，磚牆與矽酸鈣板間存在有空氣層時，其等效熱傳導係數又比沒有空氣層下降了許多，其值約在 0.40 ~ 0.41 (W/moC)之間，而試件的溫度範圍約在 43 ~ 47 (oC)之間。此證實了空氣具有斷熱的功能。圖 3-9 為試件 3 之等效熱傳導係數 k eff ,3 可能隨溫度的變化情形，由該圖可發現 k eff ,3 隨溫度的變化不大。. 表 3-7. “磚牆塗漆 + 空氣層(2 cm) + 矽酸鈣板”之實驗條件及結果. 試件 3. Th (oC). Tc (oC). Ts,h (oC). Ts,c (oC). Ts (oC). keff,3 (W/moC). Case1. 60. 20. 54.874. 30.361. 42.617. 0.41. Case2. 60. 25. 56.502. 34.072. 45.287. 0.41. Case3. 60. 30. 54.800. 35.290. 45.045. 0.41. Case4. 65. 30. 59.008. 35.774. 47.391. 0.40. 33.

(36) 0.8. 單位：cm. 水泥漆 120. B 磚牆 2 空氣層矽酸鈣板. 120 圖 3-8. 13 2. 磚牆塗漆+空氣層(2 cm)+矽酸鈣板之幾何示意圖. 0.6. keff, 3 ( W/moC ). 0.5. 0.4. 0.3. 0.2. 40. 42. 44. 46. 48. 50. Ts ( oC ). 圖 3-9 磚牆塗漆+空氣層(2 cm)+矽酸鈣板之實驗結果. 34.

(37) 試件 4：”磚牆塗漆 +空氣層(3.5 cm) + 矽酸鈣板之實驗”之熱傳導係數試件 4 之研究乃欲進一步瞭解空氣層厚度對斷熱效果的影響情形。其實驗試件之幾何示意圖如圖 3-10 所示。其實驗結果如表 3-8 與圖 3-11 所示。比較表 3-7 和表 3-8 之實驗結果可發現空氣層厚度加大後，其等效熱傳導係數又下降了一些，其值約在 0.35 ~ 0.4 (W/moC)之間，而試件的溫度範圍約在 40. ~ 44 (oC)之間。此現象乃由於空氣的熱傳導係數很低，具有斷熱的效果，所以增加空氣層的厚度相當於增加了隔熱的效果。圖 3-11 為試件 4 之等效熱傳導係數 k eff , 4 可能隨溫度的變化情形，由圖 3-11 可發現 k eff , 4 可能隨 Ts 的增加而減少。. 表 3-8. “磚牆塗漆 + 空氣層(3.5 cm) + 矽酸鈣板“之實驗條件及結果. 試件 4. Th ( C). Tc ( C). Ts,h (oC). Ts,c (oC). Ts ( C). Keff,4 (W/moC). Case1. 60. 20. 54.054. 26.583. 40.319. 0.40. Case2. 60. 25. 54.460. 29.158. 41.809. 0.38. Case3. 60. 28. 56.024. 31.374. 43.699. 0.35. o. o. 35. o.

(38) 0.8. 單位：cm. 水泥漆 120. B 磚牆 2 空氣層矽酸鈣板. 120 圖 3-10. 13 3.5. 磚牆塗漆+空氣層(3.5 cm)+矽酸鈣板之幾何示意圖. 0.6. keff, 4 ( W/moC ). 0.5. 0.4. 0.3. 0.2. 38. 40. 42. 44. 46. 48. Ts ( oC ). 圖 3-11 磚牆塗漆+空氣層(3.5 cm)+矽酸鈣板之實驗結果. 36.

(39) 第四章結論及建議目前較常見的材料熱傳導係數檢測方法有熱箱法及熱流計法。熱箱法又可以分為校正熱箱法及保護熱箱法。本研究是根據校正熱箱法來量測各種不同建材之熱傳導係數。熱流計法之檢測設備目前內政部建築研究所已經完成招標作業。俟此檢測設備啟用後，有些建材可建議採用此兩種不同的量測設備來進行檢測，而後將所得之結果相互比較，以提高檢測的精確性及可信度。從本研究結果可以得知，利用本研究之校正熱箱儀操作流程可以測得建材在不同環境條件下的熱傳導係數。由實驗結果顯示磚牆塗上水泥漆後之熱傳導係數約在 0.62 ~ 0.67 (W/moC)之間。若加上矽酸鈣板後其等效熱傳導係數會下降至 0.41 ~ 0.45 (W/moC)之間，於此計算過程中也可估算此矽酸鈣板的熱傳導係數約為 0.05∼0.09(W/moC)。由此可見，若建築外殼加上熱傳導係數較低之材料，如矽酸鈣板等，可以提高其隔熱效果。實驗結果也顯示，空氣層具有斷熱的效果。空氣層厚度越厚，相對地其等效熱傳導係數也會越低。值得注意的是本校正熱箱儀僅能控制測試箱體內部之高溫區空氣溫度及低溫區空氣溫度，而無法直接控制建材試件的溫度。若欲求得較精確的建材熱傳導係數，建議多設定幾組不同的環境條件，進而求得試件熱傳導係數隨溫度的變化情形。本量測設備可以於各種不同的環境條件下進行檢測的工作，只是現階段為了建立較適合我國的檢測標準，故本研究便依據我國的氣候條件來設定高溫區及低溫區之空氣溫度，以便對我國及進口建材進行檢測。本研究已建立了建築外殼之隔熱性能檢測的標準操作程序，並分別對單一建材及複合建材之熱傳導係數進行了檢測工作。建議未來除了對各種不同建材之熱傳導係數進行檢測，也應將此建材之熱貫流率一併量測，並逐步建立建築外殼之隔熱性能資料庫，相信對國內隔熱綠建材的推動有相當的助益。此不僅可以滿足人們對生活品質的要求又可兼顧呵護環境的工作，對地球環保盡一份心力。. 37.

(40) 參考文獻 1. 北京中建建築科學技術研究院，建築 2000 網站，http://www.jz2000.com/ 2. ASTM Standard C976-90, “Standard Test Method for Thermal Performance of Building Assemblies by Means of a Calibrated Hot Box.” 3. ASTM Standard C236-89, “Standard Test Method for Steady-State Thermal Performance of Building Assemblies by Means of a Guarded Hot Box.” 4. R. G. Miller, “Hot Box Operating Techniques and Procedures: A Survey,” Journal of Testing and Evaluation, Vol. 15, No. 3, 1987, pp. 153-166. 5. R. R. Zarr, D. M. Burch, T. K. Faison, C. E. Arnold and M. E. Connell, “Calibration of the NBS Calibrated Hot Box,” Journal of Testing and Evaluation, Vol. 15, No. 3, 1987, pp. 167-177. 6. 中國國家標準 CNS 9960, “住宅用隔熱材料之隔熱性能試驗法”，民國 72 年。 7. 中國國家標準 CNS 7333, “隔熱材料之導熱係數測定法”，民國 70 年。 8. 中國國家標準 CNS 8081, “建築用組件（嵌板）性能測試法”，民國 70 年。 9. 楊秉純、簡國祥，“建築外殼耗能檢測分析－建築構造體熱取得率量測實驗室建立”，內政部建築研究所研究計劃成果報告，民國 89 年。ASTM 10. 嚴貽乙、簡國祥，“建築外殼性能檢測分析研究（二）─玻璃日光輻射熱取得率量測實驗室建置與建築外殼建材隔熱性能資料庫建立”，內政部建築研究所研究計劃成果報告，民國 90 年。 11. 蕭江碧、林憲德和陳寒濤， “建材性能檢測分析實驗研究─子計劃 1.建築外殼建材隔熱性能實驗”，內政部建築研究所研究計劃成果報告，民國 91 年。 12. Standard C1363-97, “Standard Test Method for the Thermal Performance of Building Assemblies by Means of a Hot Box Apparatus.”. 38.

(41) 附件一實驗儀器設備之校正報告書. 39.

(42) 40.

(43) 41.

(44) 42.

(45) 43.

(46) 附件二標準試件之認證書. 44.

(47) 45.

(48) 附件三期中諮詢會議委員意見回應表期中諮詢委員意見. 回應. 蔡教授尤溪 1. 本計劃之量測似有嚴重之誤差，導致 1. 自從校正熱箱儀搬至台南歸仁實驗室無法獲得可靠之材料 k 值。後就一直出狀況，一有狀況我們就請承包廠商前來處理，但一年多來廠商始終無法將會造成量測誤差的問題解決。若測試箱體之熱損失無法校正好，則會造成所求得之試件熱傳導係數有不合理的現象發生。. 2. 測試箱體熱損失遠比實驗傳量大，會 2. 測試箱體之熱損失主要來自線路損失造成多少誤差，應給予評估。及流量計讀數有誤所致，若將此兩項誤差修正後應可獲得較合理的實驗結果。 3. 磚牆塗漆之依據為何，不見說明。 3. 欲了解塗漆的隔熱效果。 4. 上塗漆後之 k 值變化自 1.04 至 4.68，4. 此不合理的現象主要來自線路損失及明顯不符物理原理，應探討測量上之流量計讀數有誤所致。目前已克服。誤差。江教授哲銘 1. 配合綠建材標章認證制度，建議可先 1. 依指示辦理。推出 k 值小於 10 之建材部分之標準檢測。. 2. 建議最後可提擬標準檢測法及基準。2. 依指示辦理。 3. 研究成果可以肯定。 3. 會繼續努力求得更完美的研究成果。黃教授正弘 1. 本計劃之實驗誤差之主因可能在 Q 1. Q 值之誤差主要來自線路損失及流量值之不準度。若能克服則預測結果將計讀數有誤所致。目前已克服。會更準確。何副所長明錦 1. 所擬建材隔熱性能的檢測之標準必 1. 依指示辦理。須能運用在法規的制定，此部分請研究團隊再做加強。李教授魁鵬 1. 變頻器可能造成諧波干擾影響量測 1. 依指示辦理。儀器穩定度，可檢討其影響程度。. 46.

(49) 期中諮詢委員意見. 回應. 陳教授海曙 1. 本研究對我國人才培育有極大之貢 1. 會繼續努力。獻。. 2. 外殼建材的測試條件應與室外之方 2. 位、自然風、溫度盡量接近，目前我國之測試標準是否合理，應有所說明。 3. 國內隔熱測試之硬體與操作技術之 3. 累積尚不足，應繼續進行。. 本實驗室之測試條件與外界環境並沒有直接的關係。目前本實驗室之測試條件乃依據原廠商之標準試件來設定。依指示辦理。. 柯教授佑沛 1. 溼度低影響透氣性建材之熱傳導係 1. 本實驗設備僅能控制溫度及風速並無數甚鉅，HOT BOX 內除了溫度應控法控制濕度。若有需要將建議建研所制，溼度恆定控制亦應考慮。添購此設備。 2. 熱傳量與壁面溫差理論上成正比，但 2. 本實驗設備之誤差主要來自線路損失實驗誤差的存在，應使迴歸之直線有及流量計讀數有誤，目前已克服。截距存在(可能因熱損失造成)，不必一定通過原點。蕭所長江碧 1. 請研究團隊儘速完成擬定建材隔熱 1. 已完成採購作業。性能量測儀器之採購規格，俾利本所辦理後續儀器採購作業。 2. 為配合本部建築相關法規制定的進 2. 依指示辦理。度，請研究團隊儘速完成擬定建材隔熱性能的檢測標準，且建議初期可先從實驗量測結果較穩定的建材著手。張助理研究員恭銘 1. 報告書內缺建材隔熱性能量測儀器 1. 會後補齊。規格相關資料及執行進度說明，且未附期初審查意見回應表。. 2. 請研究團隊擬定建材檢測標準試驗 2. 依指示辦理。方法時，一倂完成該相關檢測試驗表格之製作，以利日後本所性能群環境實驗室接受外界委託檢測使用。. 47.

(50) 附件四期末審查會議委員意見回應表期末諮詢委員意見. 回應. 王主任文伯 1. 建議未來應先規劃檢測程序草案，再 1. 依指示配合辦理。透過相關實驗檢測之實作來檢討，以符合未來申請認證及接受委託測試之需求。. 2. 研訂標準檢測方法時，應考量儀器設 2. 本研究之數據表示方式乃依據市面備及實驗室所需的環境控制條件，並上標準試件認證書常使用之方式，未檢討檢測結果的數據表示方法。來研訂標準檢測方法時將依此方式可以辦理。李教授魁鵬 1. 鑑於一般複合材料熱傳性能均以 U 1. U 值的檢測方式需再進一步研究，並值表示來作探討，建議本案報告書內與專家學者討論。容及圖表所引用複合材料熱傳性能亦以 U 值表示，以區別於單一均質材料之 K 值。黃教授正弘 1. 本案研究之實驗分析已有相當成 1. 未來會繼續努力。果，值得肯定。 2. 未來檢測技術與經驗，應在成果報告 2. 將於成果報告中補足，並將目前研究書詳記，並提出標準檢測程序，以提結果彙整建立基礎性能資料庫。供未來技術人員移轉之訓練參考基礎；並建議將實驗分析結果彙整建立基礎熱性能資料庫。陳組長瑞鈴. 1. 除數據分之必要結果外，請於計畫期 1. 將於會後補足成果報告之完整內容。程內完成成果報告之完整內容。 2. 建材外殼部分的隔熱性能檢測之研 2. 依指示辦理。究，請於明年度提出建議標準檢測程序。. 48.

(51) 49.

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