玻璃性能對室內光、熱環境和
節能效果影響之實測研究
內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告
中華民國 105 年 12 月
玻璃性能對室內光、熱環境和
節能效果影響之實測研究
受 委 託 者 ： 國立聯合大學 研 究 主 持 人 ： 黃瑞隆 協 同 主 持 人 ： 黃國倉 研 究 助 理 ： 邱甯琪 研 究 期 程 ： 中華民國 105 年 1 月至 105 年 12 月 研 究 經 費 ： 新臺幣壹佰陸拾萬元內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告
中華民國 105 年 12 月
（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）I
目次
目次 ... I
表次 ... III
圖次 ... V
摘要 ... IX
ABSTRACT... XIII
第一章
緒論 ... 1
第一節
研究背景 ... 1
第二節
研究目的與預期成果 ... 4
第三節
研究步驟與流程 ... 5
第二章
理論基礎與文獻分析 ... 7
第一節
節能玻璃的介紹 ... 7
第二節
窗戶的熱傳遞 ... 14
第三節
玻璃光學性能計算軟體 ... 21
第四節
窗戶和熱舒適 ... 24
第五節
文獻分析 ... 27
第三章
實驗規劃 ... 39
第一節
實驗平台 ... 39
第二節
使用儀器 ... 41
第三節
歸零實驗 ... 43
第四章
研究發現 ... 45
第一節
外氣條件 ... 45
第二節
單層透明玻璃實驗結果 ... 50
第三節
單層色板玻璃實驗結果 ... 58
II
第四節
單層光致變色玻璃實驗結果 ... 66
第五節
雙層色板玻璃實驗結果 ... 74
第六節
雙層反射玻璃實驗結果 ... 82
第七節
雙層低輻射玻璃實驗結果 ... 90
第八節
實驗結果比較分析 ... 98
第五章
電腦模擬 ... 105
第一節
建築模型 ... 105
第二節
固定空調設定溫度 ... 106
第三節
不同空調設定溫度 ... 109
第四節
相同舒適程度下的空調設定溫度... 111
第六章
結論與建議 ... 117
第一節
結論 ... 117
第二節
建議 ... 119
附錄一 委託研究計畫案審查意見及廠商回應一覽表... 121
附錄二 委託研究計畫案期中審查意見回應一覽表 ... 122
附錄三 委託研究計畫案期末審查意見回應一覽表 ... 123
參考書目 ... 125
III
表次
表 1-1 研究進度 ... 6
表 2-1 平板透明玻璃和反射鍍膜玻璃對太陽輻射的熱特性 ... 8
表 2-2 使用隔熱節能膜製成的夾層玻璃熱性能 ... 10
表 2-3 中空玻璃和單層玻璃的 U 值 ... 10
表 2-4 15 種不同的玻璃系統在熱人體舒適性方面的影響分析 ... 31
表 3-1 實驗用玻璃的 U 值和 SHGC ... 40
表 3-2 用測量熱環境參數的儀器 ... 42
表 4-1 實驗期間外氣條件的每日統計數值 ... 45
表 4-2 實驗期間各實驗屋的冷氣用電比較 ... 98
表 5-1 溫度設定 26℃時的空調顯負荷和熱環境分析的結果 ... 107
V
圖次
圖 1-1 不同玻璃的 U 值、SHGC 和 VT 比較 ... 2
圖 1-2 目前市面上不同玻璃在 VT、U 值和 SHGC 的分布 ... 3
圖 1-3 研究流程 ... 5
圖 2-1 吸熱玻璃與透明玻璃的太陽輻射熱吸收與透射 ... 7
圖 2-2 低輻射玻璃與平板透明玻璃的透射與反射 ... 9
圖 2-3 變色玻璃在著色態和退色態的光譜曲線 ... 11
圖 2-4 平板透明玻璃貼節能膜前後的熱性能 ... 12
圖 2-5 典型節能玻璃的透射率曲線 ... 13
圖 2-6 窗戶傳熱示意圖 ... 14
圖 2-7 玻璃中心的 U 值計算示意 ... 16
圖 2-8 某種玻璃太陽輻射入射角度與玻璃透射率的關係 ... 17
圖 2-9 不同類型玻璃具有不同的反射、透過、吸收和再輻射特性 ... 18
圖 2-10 不同類型的玻璃對不同的太陽光譜具有不同的透過率 ... 19
圖 2-11 Optic5 計算軟體光譜曲線介面 ... 22
圖 2-12 Window5 計算整窗光學熱工性能介面 ... 23
圖 2-13 透過玻璃窗的太陽輻射與居住者的熱舒適 ... 24
圖 2-14 PPD-PMV 模式配合太陽輻射的調整說明 ... 25
圖 2-15 曼谷氣象條件下不同玻璃和貼模組合的 RHG 和 PPD 比較 ... 28
圖 2-16 玻璃種類對臨窗附近熱舒適的實驗設備和實驗結果 ... 29
圖 2-17 安裝不同玻璃窗朝西房間在溫度、冷氣能耗和照度的比較 ... 32
圖 2-18 Ochoa 等的研究成果圖 ... 33
圖 2-19 Cappelletti 等的研究彙整圖 ... 34
圖 2-20 不同朝向、窗牆比和玻璃類型下重慶地區辦公建築空調能耗 .... 35
圖 3-1 做為實驗平台的內政部建築研究所節能實驗屋 ... 39
VI
圖 3-2 實驗玻璃的換裝 ... 40
圖 3-3 數位電表及照度計 ... 41
圖 3-5 現場的儀器架設與設定... 42
圖 4-1 5/10-8/2 外氣條件的每日變化 ... 48
圖 4-2 5/10-8/2 外氣條件的日照每日變化 ... 49
圖 4-3 單層透明玻璃的每日冷氣用電 ... 51
圖 4-4 單層透明玻璃的每日熱環境條件 ... 52
圖 4-5 單層透明玻璃的每日照度變動 ... 57
圖 4-6 單層色板玻璃的每日冷氣用電 ... 59
圖 4-7 單層色板玻璃的每日熱環境條件 ... 60
圖 4-8 單層色板玻璃的每日照度變動 ... 65
圖 4-9 單層光致變色玻璃的每日冷氣用電 ... 67
圖 4-10 單層光致變色玻璃的每日熱環境條件 ... 68
圖 4-11 單層光致變色玻璃的每日照度變動 ... 73
圖 4-12 雙層色板玻璃的每日冷氣用電 ... 75
圖 4-13 雙層色板玻璃的每日熱環境條件 ... 76
圖 4-14 雙層色板玻璃的每日照度變動 ... 81
圖 4-15 雙層微反射玻璃的每日冷氣用電 ... 83
圖 4-16 雙層微反射玻璃的每日熱環境條件 ... 84
圖 4-17 雙層微反射玻璃的每日照度變動 ... 89
圖 4-18 雙層低輻射玻璃的每日冷氣用電 ... 91
圖 4-19 雙層低輻射玻璃的每日熱環境條件 ... 92
圖 4-20 雙層低輻射玻璃的每日照度變動 ... 97
圖 4-21 冷氣用電比較 ... 98
圖 4-22 PMV 及 PPD 的比較 ... 99
VII
圖 4-23 室內照度的比較 ... 102
圖 5-1 標準的辦公室建築模型... 105
圖 5-2 SHGC 與顯熱負荷、過熱時數和過熱嚴重度 ... 108
圖 5-3 不同夏季空調設計溫度空調顯熱的變化趨勢 ... 109
圖 5-4 不同 SHGC 對應的溫度調降的累積分布 ... 112
圖 5-5 空調季節的平均調降溫度和玻璃 SHGC 的關係 ... 114
圖 5-6 在相同舒適程度下，空調顯熱負荷和 SHGC 的關係 ... 114
圖 5-7 在相同舒適程度下，能源懲罰和 SHGC 的關係 ... 115
IX
摘要
關鍵詞：外窗玻璃、冷氣能耗、熱舒適、全尺度實驗 一 、 研 究 緣 起 21 世紀自然資源日益枯竭，人們意識到建築節能的重要性，因建築外窗損失的空 調、保暖、照明能耗佔到建築結構能耗一半以上；建築外窗是戶外與室內環境交流的 主要路徑，太陽光線透過外窗進入室內，提供自然採光，熱能透過熱輻射方式經由外 窗進入室內，不僅會增加建築的空調能耗，同時嚴重影響建築室內熱舒適性，太陽輻 射熱是造成空調能耗大和室內熱環境不良的主要原因。因此，本研究案探討建築外窗 的熱傳性能和光學性能，分析研究建築外窗對室內光、熱環境以及空調能耗等的影響， 以作為建築外窗選擇策略的參考。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本研究的研究方法為全尺度實測與電腦模擬兩部分，全尺度實驗實測選定六個貨 櫃屋為研究平台，架設溫濕度計、照度計等研究設備；正式實測實驗，實驗屋玻璃拆 卸更換為單層色板、單層變色、雙層色板、雙層反射、雙層低輻射，光環境、熱環境 和空調測量的全尺度長期實測實驗。 電腦模擬的部分，使用的軟體為 EnergyPlus;EnergyPlus，為新一代的建築能耗 模擬軟體；選用的建築模型是用於辦公能耗分析的典型辦公室平面，35mx35m 的正方 形平面，樓高為 3.0m，建立了基於室內熱舒適的建築能效評價模型，以辦公建築為例， 分析不同玻璃的 SHGC 對室內熱舒適和建築能耗的影響。 三 、 重 要 發 現 本研究旨在探討不同玻璃應用對空調耗能及室內環境的影響，在內政部建築研究X 所位於台南市歸仁區的實驗屋進行實測實驗外，並執行了相關的電腦模擬。研究發現： 1. 若以單層清玻璃做為比較基準，單層色板、單層變色、雙層色板、雙層反射 和雙層低輻射玻璃在實驗分析期間的節能效果分別是 7%、4%、33%、62%和 57%，由此可知，雙層微反射玻璃與雙層低輻射玻璃節能效果最佳。 2. 實驗結果顯示 5 間實驗室在臨窗區域幾乎都沒有過熱的問題。比較值得一提 的是，這 5 間實驗屋的 PMV 最低值分別是-0.69、-0.87、-0.75、-0.87 和 -0.74，剛剛好在可接受下限 PMV=-075 左右除了裝設透明玻璃外，其他 5 間 的實驗屋都低於-0.75 的下限值。這也再次證明除了單層透明玻璃外，其他 實驗屋的冷氣溫度可以再調高，節省能耗。 3. 在 PPD 部分，最高達 57%，實驗觀察期間 PPD 是介於 52%-12%，剩下的 1/4 時間其 PPD<12%。概括地說，在裝設單層透明玻璃的實驗屋 PPD 幾乎 3/4 的 實驗觀察時間其數值是超過可接受上限 20%，而且其對應的 PMV 也都是超過 +1.0。 4. 當使用 SHGC 較低的玻璃時，窗面積的變化對空調顯熱負荷、過熱時數以及過 熱嚴重度的變化範圍的差異也相對的縮小；反之，當使用 SHGC 較高的玻璃 時，窗面積的變化對空調顯熱負荷、過熱時數以及過熱嚴重度的變化範圍的 差異也相對的擴大。以 SHGC=0.1 為例，當窗面積比由 0.33 擴大到 0.67 時， 空調顯熱負荷的變動範圍相差 4.5 MJ／m2 ，過熱嚴重度相差 227℃-h；當使 用 SHGC=0.8 的玻璃時，空調顯熱負荷相差範圍從 4.5 MJ／m2 擴大到 109.1 MJ ／m2 ，過熱嚴重度從相差 30℃-h 擴大到 2920℃-h。 5. 建築能耗的變化趨勢整體呈線性關係，在相同的開窗比下，即使是不同的 SHGC，空調顯熱負荷隨室內設定溫度變化的斜率幾乎是相同的。當開窗比 =0.33 時，其斜率為-14.1 MJ/m2 -℃。這表示設定溫度每調降 1℃，對模型建 築而言，每單位平方米的樓板面積在 4 月到 11 月的空調季節將會增加 14.1 MJ
XI 的空調顯熱負荷。當開窗比=0.50 時，其斜率為-16.9MJ/m2 -℃；開窗比=0.67 時，其斜率為-19.5MJ/m2 -℃。隨著開窗比愈大，斜率也愈大，這表示當開窗 越大，調低室內設定溫度將導致更多的冷氣能耗。空調設計溫度較低時，建 築能耗相對較高，但不舒適時間相對較短。 四 、 主 要 建 議 事 項 根據研究發現，本研究針對行政檢查業務委託民間辦理處理的法制化，提出下列 具體建議。以下分別從立即可行建議及中長期建議加以列舉。 建議一 本研究之成果具推廣之效益，建議於相關講習會或成果發表會納入玻璃節能之相關議 題，加強相關宣導：立即可行之建議。 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：財團法人台灣建築中心 熱性能不佳的玻璃會引進較多的太陽輻射，研究結果發現熱輻射除了增加建築的 空調能耗外，也會造成室內熱舒適性的降低，為了提高室內熱舒適性，必須調降室內溫 度來做為弭補措施，又間接造成能源消耗。本研究已針對六種不同玻璃進行了分析與探 討，此一結果可作為國人選購玻璃時之參考，建議進行相關宣導推廣。 建議二 建議綠建材標章系統針對非傳統之玻璃，例如貼膜玻璃、光致變色玻璃及電致變色玻 璃等，研議是否納入既有基準進行評定，或必要時訂定評定基準：中長期建議 主辦機關：財團法人台灣建築中心
XII 協辦機關：內政部建築研究所 現行綠建材標章制度已有節能玻璃之基準，並針對玻璃之可見光穿透率、可見光 反射率及遮蔽係數進行規範，惟申請之玻璃絕大多數為複層低輻射玻璃，至於貼膜玻 璃、光致變色玻璃及電致變色玻璃等，是否可納入評定範圍或是否適用目前基準，並無 明確規定，建議於綠建材標章相關會議中進行研議，俾利將更多類型之玻璃材料納入綠 建材標章系統中。
XIII
ABSTRACT
Keywords: Exterior window glass, air conditioning energy consumption, thermal comfort, full scale experiment
In the 21st century, natural resources are increasingly being depleted, motivating people to realize the importance of building energy efficiency. The thermal losses due to a building’s exterior windows and the consequent energy consumptions for air conditioning, heating and lighting account for more than half of the energy consumption of buildings. Exterior windows are the main path of interaction between the outdoor and indoor environments. Solar light enters through exterior windows, providing natural light; while thermal energy through the exterior window via heat radiation. Solar light and thermal energy not only increase the energy consumption of air conditioning in a building, but at the same time can seriously affect the thermal comfort of a building’s indoor environment. Solar radiation heat is the main reason for the huge air-conditioning energy consumption and poor indoor thermal environment of many buildings. Therefore, this study explores the thermal and optical properties of exterior windows; and further analyzes the influences of a building’s exterior windows on indoor lighting, thermal environment and energy consumption of air conditioning, etc. The findings are used to determine a selection strategy for building exterior windows.
The research method of this study was divided into two parts, a full-scale test and computer simulation. During the full-scale experimental tests, six container houses were selected for data collection, installed with thermometers, hygrometers, illuminometers and other research equipment. During the official experimental test, the window glass of the experimental houses was removed and replaced with monolayer tinted glass, monolayer color-changing glass, dual-layer tinted glass, dual-layer reflective glass and dual-layer low emissivity (low-e) glass for long-term testing in full-scale experiments of the light environment, thermal environment and air conditioning requirements.
XIV
For computer simulation, the software used was EnergyPlus. EnergyPlus is a new generation building energy simulation software. The building model selected was used for energy consumption analysis of a typical office plan. With a square plane of 35mx35m and a floor height of 3.0m, the building energy efficiency evaluation model was established based on indoor thermal comfort. Taking an office building as an example, the influences of the solar heat gain coefficient (SHGC) of different glasses on indoor thermal comfort and building energy consumption was analyzed.
The aim of this study was to investigate the influences of different glass applications on the energy consumption of air conditioning, and building indoor environment. After conducting the real-life data collection in the experimental houses of the Architecture and Building Research Institute, Ministry of the Interior, located in the Guiren District in Tainan City, relevant computer simulations were executed. The study revealed the following:
1. Using monolayer clear glass as a comparative benchmark, the energy-saving effects of monolayer color-tinted glass, monolayer color-changing glass, dual-layer color-tinted glasses, dual-layer reflective glass and dual-layer low-e glass during the period of experimental analysis were 7%, 4%, 33%, 62%, and 57%, respectively. As revealed by the results, the dual-layer micro-reflective glasses and the dual-layer low-e glass have the best energy-saving effects.
2. The experimental results indicate that the 5 experimental houses have almost no overheating problems near the window area. It is more worth noting that the minimum values of the predicted mean vote (PMV) for these five experimental houses are -0.69, -0.87, -0.75, -0.87 and -0.74 respectively. These numbers were just about right at the acceptable lower limit of PMV = -0.75. Except for the house with the installation of transparent glass, the other 5 experimental houses all have the lower limit below -0.75. This also proves again that except for the monolayer
XV
transparent glass, the desired air-conditioning temperature of other experimental houses can be increased to save energy consumption.
3. In terms of the predicted percentage of dissatisfied (PPD), the highest measured value was 57%. During the period of experimental observation, PPD lay in the range of 52% -12%. For the remaining 1/4 of the time, PPD <12%. In summary, the PPD of the experimental house installed with monolayer transparent glass exceeded 20% above the acceptable limit during almost 3/4 of the experimental observation time, the corresponding PMV also exceeded +1.0.
4. When using glasses with lower SHGC, changes to the window area cause only small changes to the air-conditioning sensible heat load, the overheating hours and the difference in range of overheating severity. In contrast, when using glasses with higher SHGC, changes to the window area result in significant changes to the air-conditioning sensible heat load, the overheating hours and the difference in range of overheating severity. Taking SHGC = 0.1 as an example, when the window area ratio expands from 0.33 to 0.67, the variation of air conditioning sensible heat load differs 4.5 MJ/m2, and the overheating severity differs by 227℃-h. When using glass with SHGC = 0.8, the range of air-conditioning sensible heat load expands from 4.5 MJ/m2 to 109.1 MJ/m2, and the overheating severity expands from 30 ℃ -h to 2920 ℃ -h.
5. The changing trend of building energy consumption appears to be linear overall. Under the same window-wall-ratio, even with a different SHGC, the air-conditioning sensible heat load is almost the same as the slope of set indoor temperature changes. When the window-wall-ratio = 0.33, the slope is -14.1 MJ/m2-°C. This means that for every 1 °C decrease in the set temperature, during
XVI
the air-conditioning season from April to November, the air-conditioning sensible heat load will increase by 14.1 MJ per unit square meter of floor area of the model building. When the window-wall-ratio = 0.50, the slope is -16.9MJ/m2-℃; when the window-wall-ratio = 0.67, the slope is -19.5MJ/m2-℃. It can be observed that with a larger window-wall-ratio, the slope will also have a greater magnitude, which means that when the open window is larger, lowering the set indoor temperature will lead to more energy consumption for cooling air. When the designated temperature of air-conditioning is lower, the building’s energy consumption is relatively higher, but the time of discomfort is relatively shorter. According to the research findings, this study focused on the legalization of administrative inspection on business by entrusting civil handling and processing, and proposed the following specific recommendations. Below are, respectively, an immediate and feasible recommendation, and a middle-to-long-term recommendation.
The outcomes of this study have the benefits of promotion: It is recommended that relevant seminars or conferences include topics related to energy-savings from window glass, and strengthen relevant publicity; this is an immediate and feasible recommendation.
Organized by: Architecture and Building Research Institute, Ministry of the Interior Co – organized by: Taiwan Architecture & Building Center
Window glass with poor thermal performance will introduce more solar emissivity. The research outcomes reveal that thermal radiation not only increases the building’s energy consumption for air conditioning, but also, will cause a reduction in indoor thermal comfort. In order to improve indoor thermal comfort, the indoor temperature must be lowered to make rooms for complement measures, which yet indirectly cause the energy consumption. This study conducted an analysis and discussion on six different types of glasses. The result
XVII
described above can be used as a reference when citizens of Taiwan are purchasing window glass. It is recommended to promote the relevance of these findings publicity.
It is recommended that the rating system of Green Building Material considers whether to include non-traditional glasses, such as filmed glass, photochromic glass and electrochromic glass, into the existing benchmarks for assessment, or draft an assessment benchmark when necessary: Medium-to-long-term recommendation
Organized by: Taiwan Architecture & Building Center
Co-organized by: Architecture and Building Research Institute, Ministry of the Interior The current rating system of Green Building Material already has a benchmark for energy-saving glass, which focuses on the visible light transmittance, visible light reflectivity and shielding coefficient for evaluation. Yet, a vast majority of glasses in window applications are multi-layer low-e glasses. As for filmed glass, photochromic glass, electrochromic glass and so on, whether these glasses can be included in the scope of the assessment or if the current benchmark is applicable; there is no clear provisions. It is recommended that the rating system of Green Building Material deliberates in relevant meetings, so that it prompts the inclusion of more types of glass material in the rating system of Green Building Material.
1
第一章 緒論
第一節
研究背景
作為開口部件的窗戶是建築外殼的重要組成部分。它是室內與戶外環境交流的主 要路徑。通過外窗可以看見室外的景色。陽光進入室內提供自然採光，室內工作者對 自然光的感覺可能也會產生更好的工作效率，也可增加室內的寬敞度。但是，另一方 面它也是室內與室外能量阻隔最薄弱的環節。在氣候炎熱的地區，夏季透過玻璃窗的 室內太陽輻射得熱量占建築外殼負荷的一半以上。透過窗戶的太陽輻射熱得越多，不 僅會增加建築的空調能耗，勢必同時嚴重影響建築室內的熱舒適性。因此，本研究案 將主要基於建築外窗的熱傳性能和光學性能，分析研究建築外窗對室內光、熱環境以 及空調能耗等的影響，以作為建築外窗選擇策略的參考。 與室內光、熱環境以及空調能耗相關的玻璃基本性能参数有如下三個：（1）傳熱 係數(U 值)：建築外窗的 U 值主要用來衡量由溫差引起的建築外窗的熱傳導量。（2） 遮陽係數(SC)和太陽得熱係數(SHGC)：建築外窗玻璃的 SC 是透過玻璃與透過 3mm 厚 普通透明平板玻璃的太陽得熱之比。SC 用 0~1 的數值來表示，遮陽係數越大，表明太 陽輻射得熱越多，遮陽係數越小，太陽得熱就越少。由於 SC 值定義了外窗玻璃部分 的太陽得熱能力，不包括窗框部分。所以目前有關窗戶的標準正在從 SC 向太陽 SHGC 轉變。SHGC 的定義是透過窗戶進入到室內的太陽輻射得熱與入射到窗戶表面的太陽 輻射的比值。SHGC 是針對整窗來說的，因此還受到玻璃的 SC 值、窗框遮陽性以及 玻璃和窗框比值等因素影響。SHGC 也可以用 0~1 之間的數值來表示，SHGC 值越 大，太陽輻射得熱越多，SHGC 值越小，太陽輻射得熱越少。（3）可見光透過率(VT)： 建築外窗的 VT 是指可見光部分透過窗戶所占的比例。較高的可見光透射率意味著房 間中可以獲得較多光線，自然採光效果好，在設計合理的情況下，可以輔助電氣照明 能耗以及降低相關的空調負荷。VT 受玻璃類型、玻璃層數以及玻璃塗層等因素的影 響，變化範圍較大。無塗層的無色透明玻璃的 VT 超過了 90%，而帶有高反射塗層著 色玻璃的 VT 連 10%都不到，如圖 1-1 所示。2
圖1-1 不同玻璃的U值、SHGC和VT比較
3 通常所見的玻璃為普通單層玻璃(透明浮法玻璃)，若在其中加入一些金屬元素即 可製成吸熱玻璃，若在其表面鍍膜可以製成熱反射鍍膜玻璃和低輻射(low-E)玻璃，單 片玻璃組合後又可以製成中空玻璃和夾層玻璃等。圖 1-2 說明目前市面上不同玻璃在 VT、U 值和 SHGC 的分布。
圖1-2 目前市面上不同玻璃在VT、U值和SHGC的分布
(資料來源：http://www.mdpi.com/2075-5309/5/2/668/htm)
4
第二節
研究目的與預期成果
為了獲得不同性能外窗玻璃長期氣候下室內熱環境和光環境狀態，以及空調能耗 資料，本研究通過改裝位在台南歸仁區的內政部建築研究所節能實驗室的外窗，搭建 了實驗測試平臺，開展了不同性能外窗玻璃下，室內外溫度、室內外太陽輻射熱、室 內照度、電耗等參數測試，為建築外窗選擇策略參考依據。按照委託研究計畫案需求 說明，本案的研究內容： (一) 回顧與蒐集玻璃性能對室內光、熱環境和節能效果影響的研究與進展。 (二) 進行包括雙層玻璃、低輻射玻璃、變色玻璃等至少 5 種玻璃的室內光、熱環境和 空調與照明能耗測量的全尺度長期實測實驗。 (三) 解析玻璃的熱力與光學性質對建築物室內光、熱環境品質以及空調和照明耗能的 影響。 預期成果及效益成果如下 (一) 完成玻璃性能對室內光、熱環境和節能效果影響的研究與進展彙整。 (二) 完成至少 5 種節能玻璃的室內光、熱環境和空調與照明能耗測量的全尺度長期實 測實驗與結果分析。 (三) 完成建築玻璃對室內居住者舒適性及空調與照明能耗的解析,為建築玻璃的選擇 提供量化研究的科學依據。5
第三節 研究步驟與流程
本計畫的目的是了解五種玻璃之光環境、熱環境和能耗情形，研究工作將包括以 下步驟，研究流程與時程安排分如圖 1-3 和表 1-1。圖1-3 研究流程
(資料來源：本研究繪製)
6 藉由回顧先前研究與相關文獻，從玻璃性能原理出發，指出玻璃的正確概念、分 類、作用原理，及影響其性能發揮的因素，整理實驗玻璃的性能參數，介紹隔熱玻璃 在建築中的具體應用方式。進行實驗規劃設計，選定六個貨櫃屋為研究平台，架設溫 濕度計、日照計..等研究設備，做歸零實驗，並進行實驗校正。正式實測實驗，實驗 屋玻璃拆卸更換為單層色玻、單層變色玻璃、雙層色板玻璃，雙層微反射玻璃、雙層 低輻射玻璃，光環境、熱環境和空調測量的全尺度長期實測實驗。量化分析玻璃的熱 環境、光環境、耗能狀況，最室內熱舒適度的影響;確定六種玻璃對室內光、熱環境和 節能效果影響，為建築玻璃的選擇提供量化研究科學依據。
表 1-1 研究進度
(資料來源：本研究繪製)
7
第二章 理論基礎與文獻分析
第一節 節能玻璃的介紹
目前市場上對於節能玻璃上無準確的定義，也沒有關於節能玻璃的具體的衡量指 標。所謂節能玻璃是個相對的概念，是由人們將某些玻璃的性能與普通平板透明玻璃 相比較後所提出的。平板透明玻璃的特性為表面平滑整齊，純淨透明，可見光透過率 高。普通平板透明玻璃的透射波長範圍在 0.3~5μm，其中在可見光和近紅外線波段的 透射率超過 80%。一般認為節能玻璃通常是指具有比平板透明玻璃有更佳的隔熱和遮 陽性能的玻璃。隨著技術的發展，目前建築節能玻璃種類多樣，性能各異。底下將對 幾種常用的節能玻璃及其性能特點作簡要的介紹。 吸熱玻璃：吸熱玻璃是只能吸收大量紅外線輻射又保持良好的可見光透射率的玻 璃。生產吸熱玻璃的作法不外乎是在玻璃中添加微量的鐵、鎳、鈷金屬氧化物，或者 在玻璃表面鍍上一層或多層金屬氧化物薄膜，來提高玻璃的吸收係數，從而降低玻璃 的透射率。不同顏色和厚度的吸熱玻璃對太陽輻射的吸收和透射程度也不同。譬如圖 2-1 所示，6mm 厚的普通玻璃能讓 78%的太陽輻射透過，但相同厚度的藍色吸熱玻璃僅 能透過 54%的太陽輻射，有明顯阻擋陽光透射的效果。圖2-1 吸熱玻璃與透明玻璃的太陽輻射熱吸收與透射
(資料來源：本研究繪製)
8 雖然吸熱玻璃阻擋陽光透射的效果優於普通透明玻璃，但圖 2-1 亦表明是由於吸 熱玻璃二次輻射過程中向室內放出熱量較多，使得吸熱玻璃的隔熱功能受到一定限 制。吸熱和透光經常是矛盾的，況且吸熱玻璃吸收的一部分熱量仍然有相當一部分會 傳到室內，因此使用單層吸熱玻璃時，綜合效果不理想。反射玻璃鍍膜玻璃：反射鍍 膜玻璃又稱為陽光控制膜玻璃，一般是透過在玻璃表面鍍一至多層金屬或化合物薄膜 而成。鍍膜的主要功能是增加玻璃的反射係數，以達到大量反射太陽輻射熱的目的。 反射鍍膜玻璃具有良好的遮光性能，能將 40%~80%的太陽輻射熱阻隔在室外。但可見 光透過率也會隨著反射率的提高而減小，因此反射鍍膜玻璃會影響室內的自然採光。 另外，由於反射鍍膜玻璃的鏡面效果能賦予建築美感，不過應該強調的是熱反射鍍膜 玻璃最主要功能的是節能，其次才是映像裝飾功能。反射鍍膜玻璃和平板透明玻璃在 使用的功能上差別很大，表 2-1 比較了 6mm 平板透明玻璃和相同厚度的某種反射鍍膜 玻璃它們對太陽輻射的熱特性。由表 2-1 可見，反射鍍膜玻璃阻擋住了 67%的太陽熱 能，只有 33%進入室內，而普通平板透明玻璃紙阻擋住了 18%的太陽熱能，卻有 82%的 太陽熱能進入室內。 低輻射鍍膜(Low-e)玻璃：低輻射鍍膜玻璃一般是透過在玻璃表面塗敷一層或多層 具有可反射紅外線(波長在 2.5~40μm)的金屬或金屬氧化物薄膜而得到的。
表 2-1 平板透明玻璃和反射鍍膜玻璃對太陽輻射的熱特性
性能 6mm 平板透明 6mm 反射鍍膜 (遮蔽係數 0.38) 入射太陽能(%) 100 100 外表面反射(%) 7 22 外表面再輻射和對流(%) 11 45 透射進入室內(%) 78 17 內表面再輻射和對流(%) 4 16(資料來源：本研究彙整)
9
由於上述薄膜與普通平板玻璃相比具有很低的輻射率ε(普通玻璃表面的ε一般 為 0.8 左右，而 Low-e 玻璃的ε一般為 0.1~0.4 甚或更低)，因此將鍍有這種薄膜的 玻璃稱為低輻射玻璃(low emissivity coating glass)。由圖 2-2 的對比可以看出， 相較於平板透明玻璃，低輻射玻璃可以將 80%以上的紅外線熱輻射反射回去，大幅提 高了在中紅外線波段的反射率，從而也降低了吸收率。同時它也降低了近紅外線波段 的透射率，因此夏季能減少太陽輻射熱進入室內的程度。在可見光波段上，繼續保留 高透射率的特性，能為室內提供一個良好的採光環境，儘可能減少照明消耗。低反射 玻璃的節能效果就是既能像平板透明玻璃一樣讓室外太陽的可見光透過，又能像紅外 線反射鏡一樣將輻射熱反射回去。
圖2-2 低輻射玻璃與平板透明玻璃的透射與反射
(資料來源：參考文獻[工業材料雜誌 320 期])
10 膠合玻璃：膠合玻璃是由兩片或者兩片以上的玻璃，用透明的黏結材料牢固黏合而成的複 合玻璃。膠合玻璃具有很高的抗衝擊性和抗穿透性，一般情況下外來撞擊物不會穿透，玻 璃碎片也不會飛離膠合層，從而起到安全防護的作用。近年來，建築用的膠合玻璃除了重 視傳統的安全性能外，也還要求其隔熱性能，所以市面上紛紛推出在經過改良的隔熱中間 膜，可以阻隔紅外線。表 2-2 列出了幾種隔熱節能膜製成的膠合玻璃的熱性能參數。中空 玻璃：中空玻璃是在兩層或者多層玻璃內部填充入氣體。我們知道玻璃的 U 值是 0.77 W/(m2 -K)，而空氣的 U 值是 0.028 W/(m2 -K)可以大大提高節能效率。
表 2-2 使用隔熱節能膜製成的夾層玻璃熱性能
性能 無色 綠色 藍色 灰色 可見光透過率(%) 82.1 71 48.2 48.8 可見光反射率(%) 8.1 7.1 6.4 5.8 太陽能透過率(%) 60.4 49.9 34.6 32.6 太陽能反射率(%) 7.0 5.7 5.8 5.3 太陽得熱係數 0.69 0.61 0.50 0.49 遮陽係數 sc 0.80 0.71 0.58 0.57(資料來源：本研究繪製)
表 2-3 中空玻璃和單層玻璃的 U 值
材料名稱 厚度/mm U 值/m2 ‧k 單片平板玻璃 3 6.84 單片平板玻璃 5 6.72 單片平板玻璃 3 6.69 中空玻璃 3+6A+3 3.59 中空玻璃 3+12A +3 3.22 中空玻璃 5+12A +5 3.17(資料來源：本研究繪製)
11 由此可見，玻璃的 U 值空氣的 27 倍，所以在玻璃之間填充入空氣可以降低 U 值。 中空玻璃和單層玻璃的 U 值比較如表 2-3，由表中可見中空玻璃的 U 值比單層玻璃的 低得多。變色玻璃：變色玻璃是指在光照射或者通過低壓電流等一定條件下改變顏色， 且隨條件的改變而變化，當施加條件消失後又可逆的自動恢復到初始狀態的玻璃。該 種玻璃可以隨著環境改變自身的透過特性，可以實現對太陽輻射能量的有效控制，以 滿足節能要求，如圖 2-3 所示。按照玻璃特性改變的原理不同，可分為隨著溫度升高 而透過率降低的熱致變色玻璃、或者隨著溫度升高光強增大而透過率降低的光致變色 玻璃，又或者當有電流通過時透過率降低的電致變色玻璃。在建築玻璃帷幕牆的應用 上，目前以光致變色和電致變色玻璃受到較多的關注。 目前光致變色玻璃的可見光透射率可以在 25%~75%的範圍內變化，太陽輻射透過 率的變動範圍是 23%~53%；電致變色玻璃可實現可見光透射率 10%~67%，太陽輻射 透過率 10%~66%的變化。Low-E 低輻射膜層及 solar-control 太陽控制膜等膜層即可直 接形成於普通玻璃或各種著色玻璃上，也可形成在聚酯膜上再貼附到玻璃上，以提升 現有玻璃的熱工性能，這種玻璃就稱為貼膜玻璃。貼膜玻璃：反射鍍膜玻璃和低輻射 玻璃是將金屬或金屬氧化物直接於玻璃上形成薄膜，但也可以先將其形成在聚脂膜上 再貼附到玻璃上，以提升現有玻璃的熱性能，
圖2-3 變色玻璃在著色態和退色態的光譜曲線
(資料來源：工業材料雜誌 290 期)
12 這種玻璃就稱為貼膜玻璃。玻璃貼膜使用起來非常方便，既可用在新建建築上， 也可以對既有建築玻璃進行節能改善。圖 2-4 說明了平板透明玻璃貼上某種節能膜後 的玻璃熱性能變化。 塗膜玻璃：塗膜玻璃是採用能塗附於建築玻璃表面可塗抹於玻璃之上的塗料中添 加奈米級的隔熱顆粒，使得玻璃表面形成類似鍍膜玻璃的膜層，既保持較高的可見光 透射比，又能降低玻璃的遮陽係數。該塗料可以有選擇性地讓太陽光透過，盡可能地 讓對室內採光有用的可見光透過，又盡可能地阻隔人眼看不到的近紅外線。圖 2-5 為 幾種典型的節能玻璃及理想的節能玻璃透過率曲線圖。 特別強調圖 2-5 中所列的幾種典型節能玻璃只是個案，不代表所有產品，每一大 類的產品性能存在著差異。從圖 2-5 可知，理想的節能玻璃應是幾乎隔絕近紅外線， 而對可見光透射比沒有影響；塗膜玻璃能夠有效阻隔近紅外線的透過，同時又能有較 高的可見光透射率，不足的是，絕大多數塗膜玻璃對近紅外線的阻隔是通過吸收來實 現的。 變色玻璃：變色玻璃有光致變色與電致變色，所謂的智慧型變色材料是可以藉由 電能、熱能或是光能使材料產生變色效果，光致變色智慧窗膜由實驗證實，太陽光熱
圖2-4 平板透明玻璃貼節能膜前後的熱性能
(資料來源：本研究繪製)
13 能所導致之空調用電是建築空調用電的一半，進而控制戶外光熱進入建築物內部 之能量，降低建築內部照明與冷氣之耗電量，達到節能舒適之目的；太陽光可以藉由 光粒子波傳遞光能及熱能為人們帶來光線及溫暖，但同時過強的光線及熱能量必須由 人們發揮創意及巧思來對其適當應用。 光致變色材料會隨陽光強烈程度造成顏色深淺變化，進而自動調節對光熱源的遮 蓋能力，可以有效遮蔽對太陽光所傳遞的強烈光線(眩光)及熱能源，在白天其保有最 大的可見光穿透率，且在夜晚時顏色變淺透視率增加，除可顯著降低油耗節省能源外， 達到室內舒適的環境。電致變色是材料的光學屬性（反射率、透過率、吸收率等）在 外加電場的作用下發生穩定、可逆的顏色變化的現象，在外觀上表現為顏色和透明度 的可逆變化。具有電致變色性能的材料稱為電致變色材料，用電致變色材料做成的器 件稱為電致變色器件。電致變色智能玻璃在電場作用下具有光吸收透過的可調節性， 可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內部的熱的擴散，減少辦公大樓和民用住宅在 夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須消耗的大量能源。
圖2-5 典型節能玻璃的透射率曲線
(資料來源:參考文獻[1])
14
第二節
窗戶的熱傳遞
圖 2-6 表明通過窗戶進入或流出房間的熱量包括二部分：由溫差驅動的熱傳遞和 太陽輻射獲得熱量。ASHRAE 基礎手冊給出了計算通過窗戶系統進入室內的熱量的關 係式。公式(2-1)等號右邊的第一項是計算溫差驅動的熱傳遞，第二項則是計算太陽輻 射獲得熱量。公式(2-1)也表明 U 值和 SHGC (Solar Heat Gain Coefficient)是影響窗戶傳 熱量的主要因素，因此美國的國家門窗評級委員會 NFRC (National Fenestration Rating Council)將 U 值和 SHGC (Solar Heat Gain Coefficient)確定為窗戶的主要熱力性能係數。
G SHGC T T U q ( out in) (2-1) 其中： q：熱流密度，W/m2； U：窗戶傳熱係數，W/（m2-K）； Tout：室外空氣溫度，℃； Tin：室內空氣溫度，℃； SHGC：太陽熱得係數，無單位； G：太陽輻射，W/m2。
圖2-6 窗戶傳熱示意圖
(資料來源：本研究參考 http://www.commercialwindows.org 重繪)15 溫差驅動的熱傳遞：只要室內空間與室外空間之間有溫差存在，室內與室外就通 過窗戶的窗框和玻璃進行由溫差驅動的熱傳遞。如圖 2-6(a) 所示，溫差驅動的熱傳遞 過程是由傳導熱傳、對流熱傳和輻射熱傳三種傳熱方式綜合作用的結果。傳導熱傳發 生在窗戶玻璃和窗框部位，單層玻璃的傳熱係數非常大，隔熱主要是靠窗戶兩側表面 的空氣層。窗戶的多層玻璃之間的氣體也會發生對流熱傳，通過改變多層玻璃之間的 距離，選擇絕熱性能更好的氣體可以有效地減小這部分對流熱傳。輻射傳熱發生在多 層玻璃之間、窗戶玻璃和窗框表面與室內外空間之間。所有的物體都在向空間發射熱 輻射，溫度高的物體發射的熱輻射多於溫度低的物體。夏季窗戶玻璃表面溫度高，室 內空間各個表面溫度低，所以玻璃向室內輻射熱量；冬季窗戶玻璃表面溫度低，室內 空間各個表面溫度高，所以室內空間各個表面向窗戶玻璃輻射熱量。窗戶玻璃吸收太 陽輻射以後溫度升高，從而會增加溫差驅動的熱傳遞。不管是冬天或者是夏天，熱量 總是由溫度高的一側流向溫度低的一側，傳熱量的大小取決於窗戶 U 值的大小。U 值 是衡量窗戶隔熱效果的物理參數，它的含義是室內外存在 1℃溫差時，通過單位面積 窗戶傳遞的熱流密度。 U 值越小，單位面積窗戶傳遞的熱量越小。U 值的大小決定於窗戶材料的導熱係 數和環境條件（如室內外溫差和風速）。NFRC(National Fenestration Rating Council) 規定的標準室內外環境條件為[2]： (1)風速：2.5m/s； (2)室內溫度：21℃； (3)室外溫度：-18℃。 NFRC 以該環境條件下計算得到的窗戶傳熱係數作為鑒定窗戶傳熱性能等級的 標準。除了環境條件以外，窗戶的傳熱係數 U 值的大小取決於窗戶本身組成材料的熱 力性能，包括窗戶玻璃、窗框、玻璃夾層填充的氣體等都會不同程度地影響窗戶的 U 值。玻璃是窗戶最重要的組成部分，玻璃的面積往往占整個窗戶面積的絕大部分，因 此玻璃的 U 值通常用玻璃中心的 U 值衡量，玻璃中心的 U 值主要受到玻璃的層數、相 鄰層玻璃之間距離的大小、夾層氣體的類型以及玻璃表面鍍膜的特性的影響。
16
圖2-7 玻璃中心的U值計算示意
(資料來源：本研究繪製)
以圖 2-7 所示的雙層玻璃窗戶為例，玻璃中心的 U 值計算式如下： (2-2) (2-3) ; (2-4) (2-5) (2-6) 其中: U：窗戶玻璃的傳熱係數，W/(m2·K)； R：窗戶玻璃的總熱阻，(m2·K)/W； R1：窗戶玻璃外側對流熱阻，(m2·K)/W； R2 、R4：窗戶玻璃導熱熱阻，(m2·K)/W； R3：夾層空氣熱阻，(m2·K)/W； R5：窗戶玻璃內側對流熱阻，(m2·K)/W； ho：窗戶玻璃外側對流傳熱係數，W/(m2·K)； hi ：窗戶玻璃內側對流傳熱係數，W/(m2·K)； δ：窗戶玻璃的厚度，m； λ：窗戶玻璃的導熱係數，W/ (m·K)； h3c：窗戶玻璃夾層空氣的對流傳熱係數，W /(m2·K)； h3r：窗戶玻璃夾層空氣的輻射傳熱係數，W /(m2·K)；17 太陽輻射得熱：太陽輻射得熱的來源主要是太陽的直接輻射、天空散射輻射，或 者地面和其他表面的反射。其中一部分輻射熱量被反射回外界空間，一部分透過窗戶 玻璃直接進入室內，一部分被窗戶玻璃吸收導致玻璃溫度升高隨後間接傳遞進入室 內，如圖 2-6 (b)所示。夏季透過窗戶進入室內的太陽輻射成為夏季空調負荷最主要的 影響因素，在空調負荷中所占的比重超過室外溫度和濕度引起的傳熱量。衡量透過窗 戶進入室內的太陽輻射熱量的大小有兩個參數：太陽熱得係數 SHGC 和遮陽係數 SC(Shading Coefficient)。SHGC 的定義是透過窗戶進入室內的太陽輻射熱量與投射到 窗戶表面的太陽輻射熱量的比值。SC 的定義是垂直入射角度下某窗戶系統的太陽得 熱與 3mm 透明玻璃的太陽得熱的比值。 這 2 個參數都綜合考慮了直接進入室內的太陽輻射部分和窗戶玻璃吸收太陽輻射 溫度升高後向室內傳遞的熱量。然而，SHGC 和 SC 側重的點不同，因為 SHGC 更直 接反映了太陽輻射入射角度對玻璃透射率的影響(如圖 2-8)，所以 SHGC 比 SC 更常用。 雖然可以得到任意入射角度下的 SHGC，最常用的是太陽輻射入射角度為 0°即垂直入 射時的 SHGC。
圖2-8 某種玻璃太陽輻射入射角度與玻璃透射率的關係
(資料來源：本研究參考 http://www.commercialwindows.org 繪製)
18
圖2-9 不同類型玻璃具有不同的反射、透過、吸收和再輻射特性
(資料來源：本研究參考 http://www.commercialwindows.org 繪製)
19 控制不同波長的太陽輻射反射、吸收、透射的比例能夠有效地改善窗戶的熱力性 能，如圖 2-9。太陽光波長範圍包含極廣，從不可見的短波紫外線到可見光、不可見的 長波近紅外線。可見光在太陽輻射的總能量中占 44%，更多的部分(53%)是來自紅外線 和少部分(3%)來自紫外線。太陽輻射的這個特性使得太陽輻射本身具有選擇性，也就 是說可以人為地阻止部分光譜的能量穿過玻璃進入室內。 如圖 2-10 所示，不同類型的玻璃對不同的太陽光譜具有不同的透過率。利用玻 璃的這種選擇性能夠來減小窗戶玻璃 SHGC，在夏季可以減小窗戶的太陽輻射得熱有 效地降低空調負荷。
圖2-10 不同類型的玻璃對不同的太陽光譜具有不同的透過率
(資料來源：http://coating-glass.com.tw)
20 太陽熱得係數 SHGC 描述的是整個窗戶系統的性能，在很廣泛的範圍內能夠精確 地計算窗戶系統的太陽得熱。SHGC 是一個 0～1 之間的無量綱數，其越高代表窗戶 系統的太陽得熱越多。所謂的 SHGC 就是太陽輻射照到窗戶時，直接穿透玻璃而進到 室內的熱量，和經由玻璃吸收之後，以對流與輻射的方式再傳到室內的熱量這二個熱 量的加總。也就是：
(2-7) (2-8) 其中τ：玻璃的穿透率 α：玻璃的吸收率 Ni：經玻璃吸收的太陽輻射後再傳進室內的比例
21
第三節 玻璃光學性能計算軟體
玻璃的光學性能計算依據國際 ISO 9050-2003《Glass in building-Determination of light transmittance，solar direct transmittance，total solar energy transmittance，ultraviolent transmittance and related glazing factors》計算 規則，設計或評價建築門窗、玻璃幕牆定型產品的熱工性能時，應統一採用本規程規 定的標準計算條件進行計算，在進行實際的工程設計時候，玻璃熱工性能計算所採用 的邊界條件應符合如下規定設計或評價建築門窗的熱工性能時，所採用的環境邊界條 件應統一採用下列標準計算條件。 1.冬季計算標準條件應為： 室內空氣溫度Tin=20℃ 室外空氣溫度Tout=-20℃ 室內對流換熱係數hc,in=3.6 W/（m2·K） 室外對流換熱係數hc,out =16 W/（m2·K） 室外平均輻射溫度Trm,out =Tout 室內平均輻射溫度Trm,in =Tin 太陽輻射照度Is=300 W/m2 2.夏季計算標準條件應為： 室內空氣溫度Tin=25℃ 室外空氣溫度Tout=30℃ 室內對流換熱係數hc,in=2.5 W/（m2·K） 室外對流換熱係數hc,out =16 W/（m2·K） 室外平均輻射溫度Trm,out =Tout 室內平均輻射溫度Trm,in =Tin 太陽輻射照度Is=500 W/m2
22 計算傳熱係數應採用冬季標準計算條件，並取Is= 0 W/m2。主要是因為傳熱係數 主要是對於冬季節能計算很重要。夏季雖然說傳熱係數與冬季不同，但傳熱係數隨著 條件的變化不是很大，對夏季的節能和負荷計算所帶來的影響也不大。計算遮陽係數、 太陽能總透射比應採用夏季標準計算條件，並取Tout=25℃。這樣是因為遮陽係數對於 夏季節能和空調負荷的計算是非常重要的。冬季的遮陽係數的不同對採暖負荷所帶來 的變化也不大。 Optic5、Window5 計算軟體，Window 5.0 由美國伯克利實驗室 LBNL 實驗室開 發，採用 ASHRAE SPC142 和 ISO15099 的最新計算方法，如圖 2-12 用於分析窗傳熱 性能，包括傳熱係數 U、太陽輻射得熱因子 SHGC、可見光透過率 VT、冷凝指數 CR。 Window 5.0 可以與 LBNL 開發的 Therm5、Resfin、Optic5 等其他程式連結，還可以 顯示表面溫度圖，介面友好，使用方便。Optic 5 用於玻璃的光譜曲線的導入，Window 5 用於對導入的光譜曲線的單算或者組合計算，最終得到遮陽係數，可見光透射比， 和傳熱係數。
圖2-11 Optic5 計算軟體光譜曲線介面
(資料來源：本研究彙整)
23
圖2-12 Window5 計算整窗光學熱工性能介面
(資料來源：本研究彙整)
24
第四節 窗戶和熱舒適
在 ISO7730[3]所述的 PMV-PPD 模型被廣泛用於熱舒適水平的評價。根據 PMV-PPD 模型，與熱舒適相關的主要環境參數是空氣的溫度，平均輻射溫度，相對濕度和空氣 速度。Lyons[4]強調為了量化如圖 2-13 所示之玻璃窗對居住者的熱舒適的影響，除了 建築物內周圍壁面的長波輻射熱外，應該多考慮 2 個變數，即直接和散射太陽輻射。 La Gennusa 等[5]提供了一種通用的算法來計算位在受太陽照射的玻璃面積附近的居 住者因直達和散射輻射而導致的平均輻射溫度升高量。在這樣的情況下，該平均輻射 溫度取決於環境的玻璃的內表面溫度和落在人體上的太陽輻射強度。以 La Gennusa 等人開發的一般表達式如下： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12)圖2-13 透過玻璃窗的太陽輻射與居住者的熱舒適
(資料來源：本研究彙整)
25 其中，Tr4,irr和 Tr4,ur, 分別表示照射到和未照射到陽光的人體的平均輻射溫度; △Tr4,d 和△Tr4,b分別表示由於擴散和直達輻射的平均輻射溫度上升; Ti為環境的第 i 個 等溫表面的絕對溫度; FS→i和 FS→j是人體分別和第 i 個等溫表面或環境與第 j 個透明表 面之間的角度係數; Id,j是通過入環境中的第 j 個透明表面的散射輻射; Ib是進入室內 並落在人體上的直達太陽輻射;αd andαb分別指的是瀰漫性和太陽直接輻射的相對吸 光度; fp是在太陽光束方向上的對象的投影面積因子; Cdn是的晝夜係數(1=夜間時段和 0=白天期間)；和 Cs是係數代表對象是否被太陽光線直接照射（1 為位在照射區域內， 0 則否）。 Arens 等[6]和 Sullivan [7]採用線性算法來估計太陽直接輻射存在時的 PPD，如圖 2-14 所示。PPD 從是淨 PMV 計算。該 PPD 是從淨 PMV 計算得來的。淨 PMV 是由熱 舒適性工具算得之”沒有太陽能”的 PMV 數值，再加上太陽能修正值的總和。一旦” 沒有太陽輻射”和”太陽輻射”的 PPD 是已知的，由減法所獲得”只有太陽輻射”的 PPD。
圖2-14 PPD-PMV模式配合太陽輻射的調整說明
(資料來源：參考文獻[1])
26 淨 PMV 是的”無太陽輻射”PMV 投票的總和，再加上太陽輻射校正。然後 PPD 由 於單獨太陽輻射作用（PPDsolar）的部分可以通過根據在等式所示的關係中從總的 PPD 值（PPDtotal）減去由於表面溫度影響的 PPD（PPDsurface）的部分而獲得，如公式 (2-13)所示。 ( 2-13)
27
第五節 文獻分析
Chaiyapinunt 等[8] 基於曼谷的設計氣象條件進行關於不同類型的玻璃窗和貼 膜在熱舒適性和熱傳導方面的研究。在他們的研究中選擇了透明玻璃，色板玻璃、鍍 膜玻璃、雙層玻璃面板和 Low-E 玻璃等不同類型的玻璃窗，並且將不同光譜光學性能 的玻璃貼膜貼在這些類型的玻璃上。 熱傳導指數 RHG 可細分為由於傳導作用和由於太陽輻射的影響。圖 2-15 表明在該 研究所有調查的有或無貼膜玻璃中，RHG 數值來自於太陽輻射的比例遠高於來自傳導 作用。以單層和雙層玻璃有最低的 RHG。當與無貼模的玻璃相比，顯示玻璃貼膜對 RHG 有好的降低效果。玻璃貼膜可降低 RHG 導因於其能降低太陽輻射量，同時玻璃貼膜對 於降低來自傳導的 RHG 的效果很小。同時研究也指出 RHG 與玻璃窗戶和玻璃貼膜的總 透過率呈線性正比變化，與吸收率呈線性反比改變。 在熱舒適指標部分選用不滿意預測百分比(PPD)做為指標，同樣的將 PPD 細分成起 因於表面溫度的 PPD 和太陽輻射的 PPD。圖 2-15 亦顯示了不同玻璃和貼模組合下的 PPD 比較。該研究表明，除了在反射玻璃外，對於大多數的玻璃窗戶而言，PPD 起因於太 陽輻射效果的數值，比起因於表面溫度效果比數值大得多。當選用透明玻璃作為玻璃 窗時，會發生的最不舒服的狀態。玻璃窗貼膜會引起由於表面溫度的 PPD 增加，以及 導致由於太陽輻射的 PPD 減少。該研究還發現玻璃窗戶和貼薄膜的玻璃窗戶源於太陽 輻射作用的 PPD 值與其總透射率呈現線性變化。源於表面溫度效應的 PPD 值與其總吸 收率也幾乎呈線性變化。該研究中選用相對熱增益(RHG)為熱傳導指數，圖 2-15 顯示 了不同玻璃和貼模組合下的 RHG 比較。 Khamporn 和 Chaiyapinunt[9]在泰國分析了玻璃種類對坐在臨窗附近的人的熱舒 適的作用，如圖 2-16 所示。他們的研究是在分別安裝透明玻璃(具有高透光率)和色板 玻璃(具有低透射率、高吸收率)的試驗室中進行實驗研究，如圖 2-16 (a)所示。因為 平均輻射溫度是影響坐在臨窗附近的人的熱舒適條件之重要參數，該研究選擇不滿意 預測百分比(PPD)的作為熱舒適的評估指數。該研究發現平均輻射溫度和玻璃窗的透射 太陽輻射和表面溫度直接相關。較高的平均輻射溫度連帶的產生較高的 PPD 值。28
圖2-15 曼谷氣象條件下不同玻璃和貼模組合的RHG和PPD比較
(資料來源：參考文獻[8])
29 (a)實驗設備說明 (b)透明玻璃實驗結果 ((c)色板玻璃實驗結果
圖2-16 玻璃種類對臨窗附近熱舒適的實驗設備和實驗結果
(資料來源：參考文獻[9])
30 圖 2-16 (b)的實驗結果顯示：在安裝透明玻璃房間裡的 PPD 數值是隨所透射的太 陽輻射量直接變化的，由於太陽輻射造成的熱不舒適感遠大於由於表面溫度造成的熱 不舒適感。相較於高透射玻璃窗其熱不適感有很高的成分主要來自太陽輻射，在安裝 了低透射率(高吸收率)玻璃窗的房間裡，由於表面溫度造成的熱不舒適感變得重要， 其影響效果和太陽輻射造成的熱不舒適感不相上下，如圖 2-16(c)所示。 Singh 等[10]基於印度德里(複合氣候)、孟買(濕熱氣候)、班加羅爾(溫和氣候)、 焦特布爾(沙漠氣候)、西隆及列城(寒冷氣候)等六個城市的當地天氣條件，進行了從 3mm 單層透明玻璃到雙層低輻射玻璃與太陽能控制塗膜等 15 種不同的玻璃系統在熱人 體舒適性方面的影響分析，如表 2-4。 表 2-4 顯示在與台灣同為濕熱氣候區的孟買的分析結果。在夏季室內溫度設定為 25℃的條件下，表 2-4 顯示玻璃內表面溫度變化從 33.1 至 43.5℃，若僅單獨考慮表 面溫度，這意謂它給人一種溫暖的感覺。單純由表面溫度造成的 PPD surface 介於 5 ％和 10％的區間內，基本上這些數值都還是在熱舒適的範圍內之間變化。單純由太陽 輻射造成的 PPDsolar，其最小值是 1％，發生在反射率的陽光控制玻璃(編號 13)；而 最大值是 66％，發生在 3mm 單層透明玻璃。同時考慮表面溫度和太陽輻射的 PPDtotal 值的範圍從 6％至 71％。從表 2-4 可以看出對於孟買的濕熱氣候，兩種太陽能控制窗(編 號 12 和 13)是最適合的。Yao 和 Zhu[11]透過 DeST 軟體模擬了安裝熱致變色玻璃的典 型住宅建築在自然採光、熱舒適和冷氣能耗的情形。 黃瑞隆等[15]針對玻璃帷幕牆對於空調耗能與室內環境熱舒適的影響進行實測研 究。主要實驗場所為兩間朝向正西的實驗室，進行開窗率與內遮陽之比對實驗，所用 的玻璃為 8mm 的綠色強化玻璃。開窗面積分別改變為 50%，0%。窗簾分別為鋁百葉 窗簾、亞麻布百葉窗簾、紗質布簾以及遮光布簾。研究結果顯示，雖然改變開窗率或 使用窗簾並無法符操作溫度整日維待終 ISO 7730 建議之範團，但是對於空調節能與室 內環境之熱好適仍有明顯之改善效果。當開窗簾降為 50%時，操作溫度可降低 0.5℃。 0%開窗率時可整日維持在 26℃左右，當裝設鋁百葉窗簾可以降低 1℃，亞麻布百葉窗 簾可以降低 2℃，紗質窗簾可以降 2~3℃，遮光布簾可以降低 4℃。在空調耗電的影響
31 上，降低開窗率可節省約總耗電量的 25%，裝設遮光布簾有較佳之節能效果，垂直亞 麻布百葉窗聯與紗質窗簾之節能效果相近，而水平鋁百頁窗簾之節能效果最差。 高甫生和周雪飛[16]熱舒適與輻射換熱之間的關係。根據設定的帷幕牆建築模型 的各種參數計算，分析了玻璃類型、窗牆比、表面平均輻射溫度、遮陽措施等因素對 人體熱舒適及空調能耗的影響,為玻璃幕牆建築的空調設計和研究提供科學理論依據。
表 2-4 15 種不同的玻璃系統在熱人體舒適性方面的影響分析
編號 縮寫 內表面溫 (°C) 室內太陽輻 射(W/ m2) PPDsurface (%) PPDsolar (%) PPDtotal (%) 1 S Cl 3 33.4 451 5 66 71 2 S Cl 6 34.9 419 6 62 68 3 S Brz 42.5 247 9 37 46 4 S Gry 43.5 224 10 33 43 5 S Grn 42.7 243 9 36 45 6 D Cl 36.0 336 6 47 53 7 D Brz 37.9 199 7 23 30 8 D Gry 38.3 179 7 20 27 9 D Grn 37.3 200 6 22 28 10 D A SC 37.4 133 6 12 18 11 D A SC 37.5 77 6 6 12 12 D A SC 36.5 71 6 5 11 13 D R SC 32.5 27 5 1 6 14 D LE 1 33.8 246 6 26 32 15 D LE 2 33.1 242 5 25 30(資料來源：參考文獻[10])
32 如圖 2-17 的結果表明，若在朝西的房間安裝了熱致變色雙層玻璃窗後，與雙層透 明玻璃窗和雙層色版玻璃窗的情況相比，原本高度不舒適的室內熱環境條件的分別可 降低 70％和 53％，以及舒適的室內熱環境條件可以提高 14.5％和 2.4％，同時也減少 了 19％的冷氣電力需求。此外，它還表現出比雙層透明玻璃窗和雙層色版玻璃有更佳 的照明均勻性，能提供居住者適當的室內照度條件和降低眩光的風險。該研究的結論 為：熱致變色玻璃窗在室內熱環境，能源和自然採光三方面具有高性能，可廣泛適用 於夏熱冬冷地區的節能建築。
圖2-17 安裝不同玻璃窗朝西房間在溫度、冷氣能耗和照度的比較
(資料來源：參考文獻[11])
33 Ochoa等的研究[12]確定了整體考量高視覺舒適性和性能，以及低能耗的窗口大小 調整的優化程序。研究透過軟體模擬對位於荷蘭阿姆斯特丹溫帶氣候的標準化辦公室 (如圖 2-18(a))，進行的空間在不同的開口大小下(如圖 2-18(b))的視覺舒適性和能源 消費(如圖 2-18(c))，得到同時滿足能源和視覺要求的解決方案。
圖2-18 Ochoa等的研究成果圖
(資料來源：參考文獻[12])
34 Cappelletti 等[13]對一組由不同的窗口配置的開放空間辦公室(圖 2-19(a))，於 室內熱環境控制在舒適的條件下，分析了這些辦公室在巴黎，米蘭和羅馬的氣候條件 下的暖氣和冷氣能耗需求。圖 2-19(b)顯示了夏季期間的在不同城市的 PMV 變化和冷 氣能耗的分析結果。 陳瑞玲[14]等利用熱舒適度測量設備，以及辦公室及中庭為實測對象，採用 ISO 7730 的 PMV 與 PPD 舒適度指標，對玻璃帷幕牆對外周區及中庭的熱環境影響進行實 測評估。該研究並著重在探討內、外遮陽的使用、以遮蔽部分開窗面積的方式等各種 可能促進室內熱舒度的改善方案。
圖2-19 Cappelletti等的研究彙整圖
(資料來源：參考文獻[13])
35 楊鵬翔和丁勇的研究[17]選擇了單層玻璃、中空玻璃、Low-E 中空玻璃三種常見 的外窗玻璃，針對重慶地區，研究了不同朝向和窗牆比下，玻璃對辦公建築空調能耗 的影響。 楊慧媛和高甫生[18]以某博覽中心為建築模型,採用 EnergyPlus 和自編的熱舒適計 算程式類比了玻璃幕牆建築的室內熱環境,著重分析了玻璃類型、窗牆比對室內熱舒適 性的影響.對幕牆建築室內不同位置 PMV 值的計算結果表明,人體與玻璃幕牆的相對位 置對熱舒適影響較大。 如圖 2-20 所示。研究表明，夏季室內熱環境需求隨朝向、窗牆比的變化而變化。 不同玻璃冬夏季對空調製冷、制熱能耗的影響表現存在差異，對辦公建築全年空調能 耗的影響表現出不確定性。要權衡考 慮各種影響因素，根據實際情況選擇設計辦公建 築外窗玻璃。
圖2-20 不同朝向、窗牆比和玻璃類型下重慶地區辦公建築空調能耗
(資料來源：參考文獻[18])
36 楚洪亮等[19]分別對安裝普通中空和 Low-E 中空玻璃外窗的試驗房的在杭州夏季 室內熱環境參數(溫度、熱舒適指標 PMV-PPD)和光環 Low-E 境參數照度進行了測定。 試驗結果表明，安裝普通中空和 Low-E 中空玻璃外窗的試驗房室內 PMV 值在-0.7 至 0.7 之間的時間分別約為 50%和 72%，後者熱舒適性明顯優於前者．試驗房工作區域 自然光照度大於 110 lx，滿足建築採光設計標準規定的室內自然採光照度的最低要求。 狄育慧等[20]，分析玻璃幕牆對室內熱環境與能耗的影響，西安市某辦公建築玻 璃幕牆對室內熱環境的影響。通過現場測試和計算得出 PMV‐PPD 值，並調查了辦公室 內人們對室內熱環境的滿意度，認為該玻璃幕牆建築室內熱環境能滿足大部分人的要 求，其理論依據即當人體處在穩定的熱環境中時，此時如果人體的熱負荷越大，那麼 人體偏離熱舒適的狀態就越遠。該研究，通過實驗測試和軟體類比，被測建築的熱舒 適指標值令人滿意，只要設計合理，同樣能達到熱舒適。 杜峰等[21]針對福建省福州市的 1 棟玻璃幕牆建築進行了幕牆玻璃的透射、反射 和遮陽等參數的實驗室測定，分別為鍍膜玻璃、Low-E 玻璃、塗膜玻璃和貼膜玻璃。 結果表明：無論採用哪種類型的幕牆玻璃，室內照度最小值 高達 l 058．03 kwh／m2 ， 峰值甚至達到了 4 281.96 kwh／m2 ，導致了室內光環境的惡化；建築全年冷熱負荷面 積指標合計最小值為 221．6 kwh／m2 ，其中較好的是貼膜玻璃、鍍膜玻璃和 Low—E 玻璃。 宋冰等[22] 以西安市典型的辦公建築為研究，實測加主觀問卷相結合的模式從人 體主觀熱舒適方面探究造成該類建築能耗高的原因，發現窗地面積比較大的房間受陽 光照射時室內溫度波動劇烈，有升溫陝、全天高溫持續時間長的特點；通過分析主觀 問卷髮現臨窗辦公人員因受到不對稱熱輻射影響其熱中性溫度比靠牆辦公人員低 1.9 ℃，且更易於產生熱感，進而導致提前開啟空調設備進行製冷降溫，增加了建築能耗 量。 王嬌[23]該文從實驗與數值模擬角度進行了雙層皮玻璃幕牆夏季對室內熱環境影 響的研究。以寒冷地區某高校雙層皮玻璃幕牆實驗樓建築為測試研究物件，搭建了雙 層皮玻 璃幕牆對室內熱環境影響的實驗研究平臺，設計了多工況測試方案。通過測試
37 幕牆夾層內溫度和室內溫度分佈，對比分析了夏季雙層皮玻璃幕牆夾層高度、通風口 的啟閉、夜間通 風方式等對室內熱環境的影響，並對此建築幕牆的合理使用方式給出 了建議。實驗研究結 果表明：夏季白天，幕牆夾層內的溫度隨高度增加而增大，且該 溫度受太陽輻射的影響比 受室外溫度的影響更大。 王本娟[24] 研究玻璃表皮建築熱環境現狀分析節能改造措施，通過對山東建築大 學圖書館的中庭內熱環境的現場問卷調查與實測、計算機對自然通風、PMV、，情況的 類比、對冬夏兩季室內冷熱負荷的計算與分析，得出了因素對室內熱環境的影響結果， 且為室內不同的太陽輻射量區域種植植物的種類作了 詳細地分析，提出要對玻璃表皮 進行節能改造。 李崢嶸和句俊玲[25]將電致變色玻璃實物安裝于上海閔行一實驗台進行測試。這 個實驗台包括 2 個幾乎相同的辦公建築會議室，南側是玻璃窗。其中一個會議室安裝 電致變色玻璃，可見光透過率為 0.01~0.59，另一個會議室安裝 Low-e 玻璃。2 個房 間均安裝了內遮陽簾。研究中分析了電致變色玻璃對室內光環境和熱環境的控制效 果，同時，與安裝 Low-e 玻璃和內遮陽的會議室的光、熱效果進行對比。結果表明， 非空調工況時，電致變色玻璃能夠提供更均勻、穩定和舒適的室內熱環境；同時，電 致變色玻璃能夠控制室內照度在一定範圍內，特別適用於辦公建築室內光環境的舒適 性。
39
第三章
實驗規劃
第一節 實驗平台
本文的實驗平台為六座全尺度實驗屋，如圖 3-1 所示。該實驗屋位於內政部建築 研究所台南市歸仁區的實驗群戶外空地。每一座實驗屋都是由 20 英呎標準貨櫃(20 英 呎長×8 英尺寬×8.5 英呎高)改裝而成的。每一間實驗屋安裝一台冷氣能力 4.2 kW 的變 頻分離式冷氣。每一間實驗屋面積為 14.4 m2 。六間實驗屋的面積與室內佈置、窗戶氣 密性和外殼的隔熱性能基本上一致完全一致，窗戶的大小、位置也相同，實驗屋，窗 戶朝向正西方，窗外無樹木及其它建築物遮擋太陽輻射。 房間的外窗尺寸為由二片 1mx2m 的玻璃組成。由於實驗測試的主要目的是針對不 同玻璃在相同氣候條件下，對室內熱環境、光環境以及冷氣能耗的影響。因此實驗屋 必須進行不同性能的玻璃換裝。圖3-1 做為實驗平台的內政部建築研究所節能實驗屋
(資料來源：本研究彙整)
40 以利進行對比實驗。配合六間實驗屋現有安裝的是 8 mm 透明玻璃，本研究保留其 中一間不變作為對照組，其餘五間進行玻璃換裝。選用的五種玻璃分別是單層色版玻 璃、單層光致變色玻璃、雙層色版玻璃、雙層低輻射玻璃、雙層反射玻璃。它們的規 格說明以及 SHGC 和 U 值如表 3-1 所示。圖 3-2 說明了玻璃的換裝過程。
表 3-1 實驗用玻璃的 U 值和 SHGC
編號 玻璃組成 U 值(W-M2/K) SHGC 1 8 mm 透明玻璃 5.6 0.85 2 8mm 色板玻璃 5.6 0.52 3 8 mm 光致變色玻璃 5.2 0.38 4 8 mm 色板+8 mm 空氣層+8 mm 透明 3.0 0.35 5 8 mm 反射+8 mm 空氣層+8 mm 透明 3.0 0.33 6 8 mm 低輻射+8 mm 空氣層+8 mm 透明 2.5 0.28(資料來源：本研究彙整)
圖3-2 實驗玻璃的換裝
(資料來源：本研究彙整)
41
第二節
使用儀器
配合實驗目的，實驗期間要記錄的參數項目包括冷氣的用電量、熱環境參數，照 度以及戶外氣候條件。各項儀器說明如下： 數位電表：在 6 間實驗屋裡都各裝設一台數位電表用以記錄冷氣的即時耗電量， 如圖 3-3。熱環境參數：本研究測量的熱環境包括空氣乾球溫度、相對濕度、風速和 以及室內黑球溫度。於現場測量的測量使用儀器規格如表 3-2 所示。 選用的儀器都符合 ISO 7726 對熱評估儀器設備的要求。在每一間實驗室裡都架設 兩套熱環境參數紀錄儀器。一套擺在離窗戶 1.5 米處，另一套擺在離窗戶 4.5 米處。 照度計：照度測量使用如圖 3-4 所示之 HE140 照度計。該儀器的照度量測範圍在 1~40000Lux。在每一間實驗室裡都架設 4 台照度計。擺設位置為距離窗戶 1.1m、2.2m、 3.3m、4.4m 處。戶外氣候測量：使用實驗室目前現有的小型氣象紀錄系統，紀錄的參 數包括溫溼度、風向、風速和日照強度。各項儀器在現場架設與設定情形，如圖 3-4。圖3-3 數位電表及照度計
(資料來源：本研究彙整)
42
表 3-2 用測量熱環境參數的儀器
測量參數 儀器名稱 儀器型號 精密度 溫溼度 溫溼度計 CENTER314 濕度±25％RH 溫度 0.7°C 黑球溫度 標準黑球 -- 0. 7°C 風速 風速計 DHLTA HD2103.2 ±0.01m/s 照度 照度計 HE140 ±3% rdg 輻射 輻射計 DHLTA HD2102.2(資料來源：本研究彙整)
圖3-5 現場的儀器架設與設定
(資料來源：本研究彙整)
43
