薄層綠屋頂表土覆蓋材料孔隙熱行為之研究

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(1)國立高雄大學都市發展與建築研究所碩士論文. 薄層綠屋頂表土覆蓋材料孔隙熱行為之研究 A Study on the Thermal Behavior of Porous Cover Materials atop an Extensive Green Roof. 研究生：施怡如撰指導教授：劉安帄博士. 中華民國一百年十二月.

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(3) 薄層綠屋頂表土覆蓋材料孔隙熱行為之研究指導教授：劉安帄博士國立高雄大學都市發展與建築研究所學生：施怡如國立高雄大學都市發展與建築研究所摘要由於地球暖化問題對人與環境的負面影響，都市降溫與建築節能已成為各國必頇共同面對和努力的重要目標。屋頂綠化因而也成為落實上述降溫與節能目標的減碳對策之一。在促成降溫與節能實質效益部分，薄層綠屋頂的土壤層與其土表覆蓋物擔負相當重要角色。常見的土表覆蓋物包括植被或輕質孔隙類材料。這種輕質的孔隙類材料也可做為綠屋頂土壤層的替代物，其降溫效果與應用潛力的探討是本研究的主要動機。本研究已分別在冬季與夏季期間，運用局部空間模型，對陶粒、碎木片、小碎石(彩繪石及白雲石)等不同類別的孔隙材料，完成在實際環境中的溫度量測實驗。經由對在這些材料孔隙內溫度數據的綜合分析及比較，主要的研究成果摘述如下： 1. 孔隙材料下方土表溫度，在夏季白天，低於氣溫的最大溫差為 3~4℃；低於裸露表土溫度的最大溫差是 11~13℃。在夏季夜晚，高於氣溫的最大溫差約為 5℃；高於裸露表土溫度的最大溫差約為 6℃。若屋頂構造的隔熱不佳，夜間的較高溫度可能經由熱傳導而提高室內溫度。 2. 在冬季白天，孔隙材料下方土表溫度低於氣溫之最大溫差可達 11℃；在冬季夜晚，高於氣溫的最大溫差達 4.45℃。但孔隙材料下方土表溫度受氣溫影響較小。 3. 孔隙材料的夏季熱時滯約 5~7 小時。遲滯時數的多寡依序為：碎木片陶粒白雲石。 4. 在材料近外表層孔隙內的溫度，與下方土表的最大溫差，在夏季高達 17℃；在冬季也能高達 24℃。這種熱陷阱在夏季午後逐漸釋出的內部蓄積熱量，可能影響其周圍屋頂空間使用時的熱舒適或夏季夜晚的都市熱島現象。 5. 孔隙類材料的覆蓋厚度必頇是 5~10cm 才有降溫效果。若超過 20cm，其效果並不會因其覆蓋厚度的增加而明顯提升。綜言之，本文的逐時實驗數據與相關分析結果已能充分說明三種類型孔隙材料的降溫效果，特別是在亞熱帶氣候區的高雄市。研究成果也有助於建築或景觀設計人員進行綠屋頂低碳節能的設計實務。關鍵字：薄層綠屋頂、孔隙類材料、熱時滯、都市降溫、建築節能.

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(5) A Study on the Thermal Behavior of Porous Cover Materials atop an Extensive Green Roof Advisor: Dr. Liu Anping Graduate Institute of Urban Development and Architecture National University of Kaohsiung Student: Shih Yi Ju Graduate Institute of Urban Development and Architecture National University of Kaohsiung ABSTRACT Caused by the negative impact of global warming on people and the environment, urban cooling strategies and building energy savings become important goals that all countries need to face and strive for. Roof greening turn into a key carbon reduction measure for achieving the objectives mentioned above. As for the actual efficiency from the cooling and energy conservation, the soil layer and its surface covering of an extensive green roof play a quite important role. The common topsoil covering includes vegetation or lightweight porous material. This kind of porous material can be used as a substitute for the soil layer of green roof, and exploring its cooling effect and application potential are the motive of this research. The study has completed the temperature measurements in actual environment to different porous materials such as ceramic particles, wood scraps and pebbles (colorful pebble and dolomite) by using space limited model in summer and winter. Based on the comprehensive analysis and comparison of temperature data in test material, the key findings are as follows: 1. The topsoil temperature beneath a porous material, at daytime in summer, is less than the air temperature by the maximum temperature difference of 3~4 oC, and less than the bare topsoil temperature by the greatest temperature difference of 11~13 oC. At night in summer, it is higher than the air temperature by the highest temperature difference of about 5 oC, and higher than the bare topsoil temperature by the maximum temperature difference of about 6 oC. If the thermal insulation of rooftop is not good, such a higher temperature at night may increase the indoor temperature due to heat conduction. 2. At daytime in winter, the topsoil temperature under a porous material is less than the air temperature by the maximum temperature difference of 11 oC, and higher than the air temperature by the highest temperature difference of 4.45 oC. But the topsoil temperature below a porous material is slightly affected by air temperature..

(6) 3. The time lag of various porous material in summer is about 5~7 hours. The order of the hours of time lag is as follows: wood scraps>ceramic particles>dolomite. 4. The maximum temperature difference between the pore temperature close to the exterior surface and the topsoil surface reaches 17 oC in summer and 24 oC in winter. This kind of heat trap gradually releases its stored heat in summer afternoon, which may influence the thermal comfort of using surrounding roof spaces or urban heat island phenomenon at summer night. 5. The cover thickness of a porous material must reach 5~10cm to create the cooling effect. If more than 20cm, such an effect will not be increased obviously with the added thickness of covering. In a word, the hourly experimental data and related analysis results of the research can sufficiently explain the cooling effect of the three porous materials, especially in Kaohsiung city within a subtropical climate zone. The findings are also good for architects or landscape designers to perform the green roof design for low carbon emission and energy conservation. Keywords: Extensive Green Roof, Porous Material, Thermal Lag, Urban Heat Reduction, Building Energy Conservation.

(7) 謝誌在高大的日子終於接近尾聲，承蒙指導教授劉安帄老師的認真教導與指點，學生於剛開始的實驗階段至口詴後的論文修改期間，除了提升論文撰寫能力外，也從老師身上學習到許多專業的知識與見解，透過老師耐心的一次次修正與討論，讓本論文能夠順利的完成。. 同時，感謝金碩實業股份有限公司願意熱心的提供實驗中所需的陶粒材料，讓學生的研究能順利的進行。也對蘇榮宗學長於實驗方面的協助指導充滿感激。. 感謝. 潘潘、力元學長姐，在任何領域都能給予我最佳的建議與答案，真佩服。. 感謝. 亭婷在摸黑的夜晚，一起待研究室瞪著電腦螢幕生產畢業論文，好心酸。. 感謝. 思敏在我實驗階段，一起在工學院屋頂曬太陽、挖土、擺石頭，超窩心。. 最後要感謝摯愛的家人們，因為有您們我可以放心於完成論文。. 施怡如謹誌於 2012 年.

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(9) 目錄. 目錄中文摘要英文摘要謝誌目錄圖目錄表目錄第一章緒論第一節緣起 ...................................................................................................... 1-1 第二節研究動機與目的 .................................................................................. 1-3 第三節研究範圍及方法 .................................................................................. 1-4 一、研究範圍 ............................................................................................ 1-4 二、研究限制 ............................................................................................ 1-4 三、研究方法 ............................................................................................ 1-5 第四節研究流程 .............................................................................................. 1-6 第二章文獻回顧第一節都市溫暖化現象與都市降溫研究 ...................................................... 2-1 一、地球暖化趨勢 .................................................................................... 2-1 二、台灣都市熱島效應研究 .................................................................... 2-2 三、都市降溫相關研究 ............................................................................ 2-5 第二節都市綠化相關政策 .............................................................................. 2-8 一、我國都市綠化相關法規 .................................................................... 2-8 二、地方政府推行之綠屋頂政策 ............................................................ 2-9 三、國外都市屋頂綠化發展趨勢 .......................................................... 2-11 第三節綠屋頂表土覆蓋層隔熱效應相關研究 ............................................ 2-12 一、屋頂植栽綠化之熱效益研究 .......................................................... 2-12 I.

(10) 目錄. 二、屋頂覆蓋物層之熱效益研究 .......................................................... 2-17 第三章實驗設計第一節實驗規劃 .............................................................................................. 3-1 一、實驗箱設計 ........................................................................................ 3-1 二、覆蓋材料選擇 .................................................................................... 3-3 三、溫度測點設置 .................................................................................... 3-5 第二節研究限制 .............................................................................................. 3-8 一、時間與地點 ........................................................................................ 3-8 二、覆蓋材料性質 .................................................................................... 3-9 第三節儀器設備與實驗流程 .......................................................................... 3-9 一、實驗儀器 ............................................................................................ 3-9 二、T-type 熱耦線讀數校正................................................................... 3-10 三、實驗流程 .......................................................................................... 3-14 第四章實驗數據分析第一節實驗數據選取 ...................................................................................... 4-1 第二節覆蓋材料下方土表溫度變化 .............................................................. 4-6 一、夏季期間下方土表層溫度變化 ........................................................ 4-6 二、冬季期間下方土表層溫度變化 ........................................................ 4-9 三、下方土表溫度與氣溫差異關係 ...................................................... 4-10 四、下方土表溫度與裸露表土溫度差異關係 ...................................... 4-12 五、下方土表溫度與覆蓋厚度關係 ...................................................... 4-13 第三節近材料孔隙表層之溫度 .................................................................... 4-15 一、夏季期間溫度變化 .......................................................................... 4-15 二、冬季期間溫度變化 .......................................................................... 4-17 三、近材料孔隙表層溫度與氣溫差異關係 .......................................... 4-19.

(11) 目錄. 四、近材料孔隙表層與下方土表層的溫差比較 .................................. 4-20 五、近材料孔隙表層溫度與覆蓋厚度關係 .......................................... 4-22 第四節孔隙材料內不同深度之夏季期間溫度變化 .................................... 4-24 一、陶粒材料 .......................................................................................... 4-24 二、碎木片材料 ...................................................................................... 4-26 三、白雲石材料 ...................................................................................... 4-28 第五節不同材料深度的全日最大溫度變動量分析 .................................... 4-30 一、材料覆蓋厚度 15 cm ....................................................................... 4-31 二、材料覆蓋厚度 30 cm ....................................................................... 4-41 三、孔隙內溫度變動量綜合比較 .......................................................... 4-46 第六節近孔隙表層與表土層溫度對氣溫之關係 ........................................ 4-48 一、材料近外氣層溫度 vs.氣溫 ............................................................ 4-48 二、下方表土溫度 vs.氣溫 .................................................................... 4-48 第五章結論與建議第一節結論 ...................................................................................................... 5-1 一、孔隙材料下方土表溫度變化 ............................................................ 5-1 二、孔隙材料近表層的溫度 .................................................................... 5-4 三、在材料孔隙不同深度的溫度比較 .................................................... 5-4 四、全日最大溫度變動量預測方式 ........................................................ 5-5 五、材料孔隙內量測溫度與氣溫關聯性 ................................................ 5-6 第二節建議 ...................................................................................................... 5-6 一、研究建議事項 .................................................................................... 5-6 二、後續研究方向 .................................................................................... 5-7 參考文獻 ..................................................................................................................... I-1 附錄 ........................................................................................................................... II-1. III.

(12) 圖目錄. 圖目錄圖 1-1-1 百慕達草覆土層土壤內溫度的全日變化圖 ......................................................... 1-2 圖 1-1-2 綠屋頂形式 ............................................................................................................. 1-2 圖 1-4-1 研究流程圖 ............................................................................................................. 1-6 圖 2-1-1 1880-2010 年全球溫度距帄之時間序列圖 ............................................................ 2-1 圖 2-1-2 1901-2010 年台灣 13 個測站之溫度距帄時間序列圖 .......................................... 2-2 圖 2-1-3 台灣在一天中逐時的 10 年均溫變化圖 ............................................................... 2-3 圖 2-1-4 台南地區各季節熱島強度之時段變動 ................................................................. 2-4 圖 2-1-5 不同都市在夏季熱島強度之時段變動 ................................................................. 2-4 圖 2-1-6 新加坡地區之溫溼度關係圖 ................................................................................. 2-7 圖 2-3-1 不同屋頂綠化型式之室外屋頂表面最高溫度帄均數圖 ................................... 2-14 圖 2-3-2 裸露屋頂、綠化屋頂與隔熱層之溫度變化 ....................................................... 2-15 圖 2-3-3 實驗箱內溫度量測與模擬 ................................................................................... 2-16 圖 2-3-4 覆蓋草坪屋頂表面溫度之差異 ........................................................................... 2-16 圖 2-3-5 覆蓋多孔材料屋頂之機制圖 ............................................................................... 2-19 圖 3-1-1 實驗箱設計用測點帄面圖 ..................................................................................... 3-1 圖 3-1-2 實驗箱 E1 各點的溫度分佈圖 ............................................................................... 3-2 圖 3-1-3 本研究採用之實驗箱體尺寸 ................................................................................. 3-2 圖 3-1-4 選用之四種表土覆蓋材料外觀 ............................................................................. 3-3 圖 3-1-5 成大魔法學校屋頂花園的陶粒鋪面 ..................................................................... 3-3 圖 3-1-6 高雄大學總務處碎木機 ......................................................................................... 3-4 圖 3-1-7 碎木屑鋪面 ............................................................................................................. 3-4 圖 3-1-8 不同表面覆蓋材料對下方土壤表面溫度之影響 ................................................. 3-5 圖 3-1-9 第一階段的覆蓋材料配置與溫度測點位置 ......................................................... 3-6. IV.

(13) 圖目錄. 圖 3-1-10 第二階段的覆蓋材料配置與溫度測點位置 ....................................................... 3-6 圖 3-1-11 第一階段實驗的溫度測點垂直位置示意圖 ....................................................... 3-7 圖 3-1-12 第二階段實驗的溫度測點垂直位置示意圖 ....................................................... 3-7 圖 3-2-1 高雄大學工學院五樓屋頂 ..................................................................................... 3-9 圖 3-3-1 實驗設備圖 ........................................................................................................... 3-10 圖 3-3-2 T-type 熱耦線測點校正圖 ................................................................................... 3-11 圖 3-3-3 第一階段實驗之讀數校正 ................................................................................... 3-12 圖 3-3-4 第二階段實驗之讀數校正 ................................................................................... 3-13 圖 3-3-5 實驗流程 ............................................................................................................... 3-14 圖 4-1-1 夏季 15 cm 厚覆蓋材料下方的土表層溫度 ......................................................... 4-2 圖 4-1-2 夏季 30 cm 厚覆蓋材料下方的土表層溫度 ......................................................... 4-2 圖 4-1-3 冬季 15 cm 厚覆蓋材料下方的土表層溫度 ......................................................... 4-2 圖 4-1-4 夏季在 15 cm 厚陶粒內不同深度的溫度變化 ..................................................... 4-3 圖 4-1-5 夏季在 30 cm 分厚陶粒內不同深度的溫度變化 ................................................. 4-3 圖 4-1-6 冬季在 15 cm 厚陶粒內不同深度的溫度變化 ..................................................... 4-3 圖 4-1-7 夏季在 15 cm 厚碎木片內不同深度的溫度變化 ................................................. 4-4 圖 4-1-8 夏季在 30 cm 厚碎木片內不同深度的溫度變化 ................................................. 4-4 圖 4-1-9 冬季在 15 cm 厚碎木片內不同深度的溫度變化 ................................................. 4-4 圖 4-1-10 夏季在 15 cm 厚白雲石內不同深度的溫度變化 ............................................... 4-5 圖 4-1-11 夏季在 30 cm 厚白雲石內不同深度的溫度變化 ............................................... 4-5 圖 4-1-12 冬季在 15 cm 厚彩繪石內不同深度的溫度變化 ............................................... 4-5 圖 4-2-1 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料下方表土溫度變化 ................................................. 4-7 圖 4-2-2 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料下方表土溫度變化 ................................................. 4-7 圖 4-2-3 夏季 15 cm 厚材料下方土表溫度逐日的全日最大溫度變動 ............................. 4-8 圖 4-2-4 夏季 30 cm 厚材料下方土表溫度逐日的全日最大溫度變動 ............................. 4-8 V.

(14) 圖目錄. 圖 4-2-5 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料下方表土溫度變化 ................................................. 4-9 圖 4-2-6 冬季 15 cm 厚材料下方土表溫度逐日的全日最大溫度變動 ........................... 4-10 圖 4-2-7 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料其下方表土溫度與氣溫差異的比較 ................... 4-11 圖 4-2-8 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料其下方表土溫度與氣溫差異的比較 ................... 4-11 圖 4-2-9 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料其下方表土溫度與氣溫差異的比較 ................... 4-12 圖 4-2-10 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料其下方表土溫度與裸露表土差異的比較 ......... 4-12 圖 4-2-11 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料其下方表土溫度與裸露表土差異的比較 ......... 4-13 圖 4-2-12 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料其下方表土溫度與裸露表土差異的比較 ......... 4-13 圖 4-2-13 不同厚度的陶粒下方表土溫度比較 ................................................................. 4-14 圖 4-2-14 不同厚度的碎木片下方表土溫度比較 ............................................................. 4-14 圖 4-2-15 不同厚度的白雲石下方表土溫度比較 ............................................................. 4-15 圖 4-3-1 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料內近外氣表層溫度變化 ....................................... 4-16 圖 4-3-2 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料內近外氣表層溫度變化 ....................................... 4-16 圖 4-3-3 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料近表層溫度與裸露表土差異的比較 ................... 4-17 圖 4-3-4 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料近表層溫度與裸露表土差異的比較 ................... 4-17 圖 4-3-5 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料內近外氣表層溫度變化 ....................................... 4-18 圖 4-3-6 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料近表層溫度與裸露表土差異的比較 ................... 4-18 圖 4-3-7 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料近表層溫度與氣溫差異的比較 ........................... 4-19 圖 4-3-8 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料近表層溫度與氣溫差異的比較 ........................... 4-19 圖 4-3-9 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料近表層溫度與氣溫差異的比較 ........................... 4-20 圖 4-3-10 夏季期間 15 cm 厚覆蓋材料近表層與下方表土之間溫差變化 ..................... 4-21 圖 4-3-11 夏季期間 30 cm 厚覆蓋材料近表層與下方表土之間溫差變化 ..................... 4-22 圖 4-3-12 冬季期間 15 cm 厚覆蓋材料近表層與下方表土之間溫差變化 ..................... 4-22 圖 4-3-13 不同厚度的陶粒近表層溫度比較 ..................................................................... 4-23 圖 4-3-14 不同厚度的碎木片近表層溫度比較 ................................................................. 4-23 VI.

(15) 圖目錄. 圖 4-3-15 不同厚度的白雲石近表層溫度比較 ................................................................. 4-23 圖 4-4-1 陶粒 15 cm 厚測點 10 cm 位置與 30 cm 厚測點 25 cm 位置之溫度比較 ........ 4-25 圖 4-4-2 陶粒 15 cm 厚測點 5 cm 位置與 30 cm 厚測點 20 cm 位置之溫度比較 .......... 4-25 圖 4-4-3 陶粒 15 cm 厚下方表土與 30 cm 厚測點 15 cm 位置之溫度比較.................... 4-26 圖 4-4-4 碎木片 15 cm 厚測點 10 cm 位置與 30 cm 厚測點 25 cm 位置之溫度比較 .... 4-27 圖 4-4-5 碎木片 15 cm 厚測點 5 cm 位置與 30 cm 厚測點 20 cm 位置之溫度比較 ...... 4-27 圖 4-4-6 碎木片 15 cm 厚下方表土與 30 cm 厚測點 10 及 5 cm 位置之溫度比較........ 4-28 圖 4-4-7 白雲石 15 cm 厚測點 10 cm 位置與 30 cm 厚測點 25 cm 位置之溫度比較 .... 4-29 圖 4-4-8 白雲石 15 cm 厚測點 5 cm 位置與 30 cm 厚測點 20 cm 位置之溫度比較 ...... 4-29 圖 4-4-9 白雲石 15 cm 厚下方表土與 30 cm 厚測點 5 cm 位置之溫度比較.................. 4-30 圖 4-5-1 陶粒孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ............................................... 4-31 圖 4-5-2 碎木片孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ........................................... 4-32 圖 4-5-3 白雲石孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ........................................... 4-33 圖 4-5-4 所有材料其孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ................................... 4-34 圖 4-5-5 夏季 15 cm 厚材料內不同位置全日最大溫度變動量預測值分佈 ................... 4-35 圖 4-5-6 夏季 15 cm 厚材料預測之全日最大溫度變動量誤差範圍分佈 ....................... 4-36 圖 4-5-7 陶粒孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ............................................... 4-36 圖 4-5-8 碎木片孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ........................................... 4-37 圖 4-5-9 彩繪石孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ........................................... 4-38 圖 4-5-10 所有材料其孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ................................. 4-39 圖 4-5-11 冬季 15 cm 厚材料內不同位置全日最大溫度變動量預測值分佈 ................. 4-40 圖 4-5-12 冬季 15 cm 厚材料預測之全日最大溫度變動量誤差範圍分佈 ..................... 4-41 圖 4-5-13 陶粒孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ............................................. 4-41 圖 4-5-14 碎木片孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ......................................... 4-42 圖 4-5-15 白雲石孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ......................................... 4-43 VII.

(16) 圖目錄. 圖 4-5-16 所有材料其孔隙內不同位置全日最大溫度變動量分佈 ................................. 4-44 圖 4-5-17 夏季 30 cm 厚材料內不同位置全日最大溫度變動量預測值分佈 ................. 4-45 圖 4-5-18 夏季 30 cm 厚材料預測之全日最大溫度變動量誤差範圍分佈 ..................... 4-46 圖 4-5-19 不同厚度陶粒孔隙內全日最大溫度變動量比較 ............................................. 4-46 圖 4-5-20 不同厚度碎木片孔隙內全日最大溫度變動量比較 ......................................... 4-47 圖 4-5-21 不同厚度白雲石孔隙內全日最大溫度變動量比較 ......................................... 4-47 圖 4-5-22 不同厚度所有材料其孔隙全日最大溫度變動量比較 ..................................... 4-47 圖 4-6-1 陶粒近表層溫度與氣溫關聯性 ........................................................................... 4-49 圖 4-6-2 碎木片近表層溫度與氣溫關聯性 ........................................................................ 4-49 圖 4-6-3 小碎石近表層溫度與氣溫關聯性 ....................................................................... 4-49 圖 4-6-4 所有材料近表層溫度與氣溫關聯性 ................................................................... 4-50 圖 4-6-5 陶粒近表層溫度與氣溫關聯性 ........................................................................... 4-50 圖 4-6-6 碎木片近表層溫度與氣溫關聯性 ....................................................................... 4-50 圖 4-6-7 小碎石近表層溫度與氣溫關聯性 ....................................................................... 4-50 圖 4-6-8 所有材料近表層溫度與氣溫關聯性 ................................................................... 4-50 圖 4-6-9 陶粒下方表土溫度與氣溫關聯性 ....................................................................... 4-51 圖 4-6-10 碎木片下方表土溫度與氣溫關聯性 ................................................................. 4-51 圖 4-6-11 小碎石下方表土溫度與氣溫關聯性 ................................................................. 4-51 圖 4-6-12 所有材料下方表土溫度與氣溫關聯性 ............................................................. 4-52 圖 4-6-13 陶粒下方表土溫度與氣溫關聯性 ..................................................................... 4-52 圖 4-6-14 碎木片下方表土溫度與氣溫關聯性 ................................................................. 4-52 圖 4-6-15 小碎石下方表土溫度與氣溫關聯性 ................................................................. 4-52 圖 4-6-16 所有材料下方表土溫度與氣溫關聯性 ............................................................. 4-52. VIII.

(17) 表目錄. 表目錄表 2-1-1 各都市年均溫上之升趨勢 ..................................................................................... 2-2 表 2-1-2 國內都市綠化降溫研究之相關文獻 ..................................................................... 2-5 表 2-2-1 單位綠地 CO2 固定量基準值................................................................................. 2-8 表 2-2-2 地方政府推行之綠屋頂相關政策 ......................................................................... 2-9 表 4-1-1 夏季實驗期間的氣溫與降雨量 ............................................................................. 4-1 表 4-1-2 冬季實驗期間的氣溫與降雨量 ............................................................................. 4-1 表 4-2-1 在夏季 15 cm 厚材料的下方土表溫度逐日的全日最大溫度變動量 ................. 4-8 表 4-2-2 在夏季 30 cm 厚材料的下方土表溫度逐日的全日最大溫度變動量 ................. 4-8 表 4-2-3 在冬季 15 cm 厚材料的下方土表溫度逐日的全日最大溫度變動量 ............... 4-10 表 4-3-1 近材料孔隙表層與下方土表溫度之間全日最大溫差範圍 ............................... 4-20 表 4-5-1 陶粒內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................... 4-32 表 4-5-2 碎木片內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ............................................... 4-32 表 4-5-3 白雲石內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ............................................... 4-33 表 4-5-4 材料內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................... 4-34 表 4-5-5 在材料各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................... 4-35 表 4-5-6 在材料各深度的預測值誤差 ............................................................................... 4-35 表 4-5-7 陶粒內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................... 4-37 表 4-5-8 碎木片內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ............................................... 4-37 表 4-5-9 彩繪石內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ............................................... 4-38 表 4-5-10 材料內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................. 4-39 表 4-5-11 在材料各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................. 4-40 表 4-5-12 在材料各深度的預測值誤差 ............................................................................. 4-40 表 4-5-13 陶粒內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................. 4-42. IX.

(18) 表目錄. 表 4-5-14 碎木片內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ............................................. 4-43 表 4-5-15 白雲石內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ............................................. 4-43 表 4-5-16 材料內各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................. 4-44 表 4-5-17 在材料各深度之全日最大溫度變動量預測值 ................................................. 4-45 表 4-5-18 在材料各深度的預測值誤差 ............................................................................. 4-45 表 5-1-1 夏季氣溫與覆蓋材料下方土表溫度之最大溫差 ................................................. 5-2 表 5-1-2 夏季表土裸露溫度與覆蓋材料下方土表溫度之最大溫差 ................................. 5-3 表 5-1-3 夏季在覆蓋材料下方土表的全日最大溫度變動範圍 ......................................... 5-3 表 5-1-4 夏季不同覆蓋材料的遲滯時數 ............................................................................. 5-3 表 5-1-5 材料具有相同溫度之不同覆蓋厚度比較 ............................................................. 5-4. X.

(19) 第一章緒論. 第一章. 緒論. 本章概要敘述本研究在執行過程中的相關事項，包括緣起與研究目的、以及研究範圍與採用之研究方法等事項的主要內容。. 第一節緣起. 目前的全球都市日益擴張現象，已導致在都會區的居住人口急速攀升。為提供這些都市地區居民良好的生活品質，在都市地區的大量能源耗用也讓各種溫室氣體排放量激增，再加上都市地區的綠化面積逐漸縮減，形成足以影響都市環境舒適的都市熱島現象。這種現象促成在都市地區白天積聚的大量熱，至夜晚仍無法散去。為改善都市熱島效應，有許多方法被提出與討論或應用，包括增加都市綠地面積、改用透水性鋪面等，希望能藉由蒸散作用來吸收熱量，降低都市居住環境的周遭溫度。但在都市土地使用日趨飽和的情況下，可綠化的都市土地其提供量是相對的非常不足，因此，近年來，以建築物的屋頂綠化來達成對都市及建築物降溫之措施已被鼓勵採用。換言之，建築物的綠屋頂已被認為是可改善都市熱環境的主要解決方法之一。. 綠屋頂的發展起源於公元前七世紀的「巴比倫空中花園」。在一些緯度較高的國家，無論是過去或現在，其住宅建築有可能會在屋頂上方覆土並鋪設草皮，形成「草皮屋頂」構造，利用其冬暖夏涼的特性來克服嚴寒氣候的影響，提供較舒適的室內生活環境。在白天期間，草皮屋頂的覆土層能緩慢蓄積來自太陽輻射所產生的熱量，並在夜晚期間緩慢釋出，請看圖 1-1-1。這種覆土層的熱時滯作用有助於穩定或調節室內溫度。現代冷暖房空調系統的發明，已讓此種利用自然的建築隔熱保暖方法被逐漸的減少或忽視。近代生態綠屋頂的發展是以德國為首，提出改良方式的綠屋頂。這種改良式綠屋頂，由都. 1-1.

(20) 第一章緒論. 市環境觀之，有助於調節都市氣候、提供生物棲地並促成生物多樣性，以及讓暴雨管理或雨水貯留能有比較合適的處理方式。若由建築物的觀點，這種綠屋頂的效益除了美觀、能適度降低外氣溫度劇烈變動的影響並減少建築物能源耗用之外，也能提高建築物之屋頂壽命，延長建築物的生命週期，並具有良好的隔音作用。. 圖 1-1-1 百慕達草覆土層土壤內溫度的全日變化圖 (資料來源：蘇榮宗，2009). 薄層式綠屋頂. 庭院式綠屋頂. 圖 1-1-2 綠屋頂形式 (圖片來源：綠屋頂專題網頁). 1-2.

(21) 第一章緒論. 基於管理維護與覆土層厚度以及採用植栽的差異，現代綠屋頂可區分為二種基本系統：薄層式（Extensive）綠屋頂及庭院式（Intensive）綠屋頂，如圖 1-1-2 所示。薄層綠屋頂的使用是為了獲得最大限度的熱性能和水文績效，以及在維持美觀舒適的同時，具有最低限度的屋頂重量負荷。庭院式綠屋頂的使用是以美觀及多元化的休憩設施為主，又稱為屋頂花園（Rooftop garden）。近年來也有國外專家提出混合式（Hybrid）綠屋頂類型。若與庭院式綠屋頂比較，薄層式綠屋頂的優點是施工較簡易、成本低、灌溉與維護保養容易、屋頂荷重低，因而對許多既有建築物也是比較合適的屋頂綠化方法。. 第二節研究動機與目的. 基於前述，做為都市降溫手法之一的屋頂綠化，不僅可充分利用屋頂閒置空間來增加都市綠化面積，對屋頂受太陽直射而產生高溫的現象也能有效紓解，因而能減少建築物的能耗。. 探討綠屋頂降溫效果的研究可區分為三種基本層次：室內溫度的變化、覆土層的降溫效果以及植栽表層的降溫效果。以覆土層與植栽表層來降低室內溫度的研究，其成果通常都是有關於覆土層之土壤厚度影響、植栽綠化形式對裸露屋頂降溫的影響、不同綠覆形式其熱效應之顯著性與差異。然而，在綠屋頂表層，其土壤表面覆蓋物除了使用植栽或草皮類地被植物之外，也常採用孔隙類覆蓋材料，包括景觀小碎石、碎木片或陶粒之類的環保材料。這些表土覆蓋物都具有環境美化效果，也具有保溼、淨化空氣及生態保護效果。此外，為了達到屋頂降溫及減緩都市熱島效應之效果，輕質的多孔隙材料也被列為是優先選擇的降溫材料。但這些材料是否能與綠色植物一樣，有助於減緩都市熱島現象以及有效降低建築物頂層的溫度是本研究的主要動機。也就是針對綠屋頂土表層上方的不同種類孔隙材料覆蓋物，探討在其孔隙內的溫度變化或相關的熱性能問題。. 1-3.

(22) 第一章緒論. 本研究之目的彙整如下： 1. 提出不同孔隙材料對其下方土壤表面溫度影響之實驗數據與分析結果 2. 探討在孔隙材料內近外氣表層之溫度變化與裸露表土溫度的關係 3. 分析在孔隙材料內不同深度之間的溫度變動關係 4. 提出在孔隙材料內不同深度的全日最大溫度變動量預測公式 5. 探討在孔隙材料內近外氣表層的溫度以及下方土表溫度或氣溫之間的相互關係 6. 提出薄層綠屋頂較合適的孔隙材料覆蓋厚度. 第三節研究範圍及方法. 一、研究範圍. 本研究之主要範圍包括都市熱島現象與都市降溫以及綠屋頂隔熱效益研究的相關文獻回顧，也包括進行孔隙類覆蓋材料降溫效果的實驗。實驗規畫部份包含實驗箱設計、覆蓋材料與材料覆蓋厚度的選擇說明，同時也包括實驗誤差校正及對取得之數據的讀數修正。最後是將取得之基礎數據依研究目的列出之項目分別進行分析，說明在孔隙材料內部的溫度變化以及孔隙材料對其下方土表溫度影響的各種相關分析成果，同時也提出本研究的建議事項與後續的未來可研究方向之建議。. 二、研究限制. 本研究的範圍限制如下： 1. 是以實驗箱模擬方式進行，但實驗數據足以說明在晴朗日子的室外實際環境條件下的孔隙材料內部溫度變化結果。 2. 是以高雄市氣候為主，實驗期間的選定為冬季的 12 月與夏季的 6 月。. 1-4.

(23) 第一章緒論. 3. 以在土壤表面的孔隙類覆蓋材料為主，不含在材料下方之土壤層。 4. 孔隙材料的顆粒大小或孔隙率不列入實驗材料選擇的考慮範圍。. 三、研究方法. 本研究使用的方法主要為文獻回顧法與實驗量測分析法。. (一) 文獻回顧法. 首先是彙整國內目前有關都市綠化的法規或條例以及綠屋頂設置獎勵措施。其次是都市熱島效應與都市綠化降溫作法與效果的相關研究及文獻資料。同樣也回顧國內外有關建築物屋頂降溫之相關研究，包括降溫效益或隔熱作用之實際案例的成果分析。主要目的是藉由對上述文獻的探討，確立本研究的範圍或內容以及釐清本研究的限制。最後則是參考相關文獻的量測技術或實驗作法，協助本研究的量測實驗規劃。. (二) 實驗量測分析法. 本研究是以在實際環境中的局部模型來進行溫度變化的模擬實驗。首先確認在模擬局部環境的實驗箱內土壤或材料不會受外部環境溫度變化而干擾取得之溫度值讀數。在實驗過程中也特別注意因降雨而可能導致的潛熱影響溫度讀數問題，也就是在降雨之前會以塑膠防水布覆蓋箱體。選用之孔隙材料共有三種不同種類，包括陶粒、碎木片及小碎石（彩繪石、白雲石）。覆蓋材料的鋪設厚度有二種：15 公分與 30 公分，分別在冬、夏二季節進行實驗。實驗設備包括實驗箱、T-type 熱耦線及 Campbell Scientific CR10X 資料記錄器等，為確保實驗數據的正確可信是以修正係數校正取得之讀數。. 1-5.

(24) 第一章緒論. 第四節研究流程. 本研究之主要流程如下：. 文獻回顧資料彙整與分析. 緣起、動機與目的. 研究範圍及內容確立. 實驗規劃及設計. 實驗階段. 實驗箱設置. 實驗儀器校正. 覆蓋材料鋪設. 誤差修正檢討. 進行實驗量測. 冬季階段實驗. 夏季階段實驗. 數據彙整與分析. 實驗數據分析. 結論與建議. 圖 1-4-1 研究流程圖. 1-6.

(25) 第二章文獻回顧. 第二章. 文獻回顧. 本章回顧並說明都市降溫相關研究以及現階段的國內綠屋頂設置相關法規或獎勵措施，包括都市綠化與綠屋頂覆蓋層隔熱效應分析。. 第一節都市溫暖化現象與都市降溫研究. 一、地球暖化趨勢. 近年來大量排放的溫室氣體，主要是二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物等，已使地球溫室效應日益嚴重。換言之，這種大氣年帄均溫度逐漸升高的現象，讓極端氣候環境出現頻率增加，也使居住環境或生態環境面臨史無前例的災難性挑戰。圖 2-1-1 為美國國家海洋大氣管理局(NOAA)提出之 1880-2010 年全球溫度距帄圖(即年帄均溫度與總帄均溫度之差值)。圖中黑色曲線為五年滑動帄均溫度。近 30 年之全球氣溫變化速率已遽增為 0.177℃/10 年，暖化的上升速率是相對比較高的。. 1980 年. 圖 2-1-1 1880-2010 年全球溫度距帄之時間序列圖 (資料來源：中央氣象局). 2-1.

(26) 第二章文獻回顧. 二、台灣都市熱島效應研究. 台灣由 1901 至 2010 年的溫度距帄圖，如圖 2-1-2 所示。圖中趨勢線顯示全台近百年之帄均氣溫是以 0.13℃/10 年的速率成長。但近 30 年之氣溫變化速率為 0.24℃/10 年，大於前述之全球帄均氣溫變化速率 0.177℃/10 年。. 1980 年. 圖 2-1-2 1901-2010 年台灣 13 個測站之溫度距帄時間序列圖 (資料來源：中央氣象局) 註：(1). 13 個帄地氣象測站包含基隆、宜蘭、淡水、台北、新竹、台中、台南、高雄、花蓮、成功、台東、大武、恆春。 (2) 氣候帄均值為使用 1901 至 2000 年的 100 年帄均值做為參考。. 依據中央氣象局「近百年氣候變化報告」(2009)的統計資料，近百年的台灣帄均氣溫上升約 0.8℃，但在都會區近百年的帄均氣溫上升約 1.4℃，在西部市鎮區域上升 0.9℃，在東部市鎮區域上升 1.3℃，在山地區域上升 0.6℃。很明顯地，都會地區的溫度上升幅度大於市鎮區域及山地區域。表 2-1-1 為三大都會區(台北、台中及台南)以及恆春、花蓮與台東地區的近百年都市年均氣溫上升值的比較。表 2-1-1 各都市年均溫上之升趨勢. 單位：℃/10 年. 台北. 台中. 台南. 恆春. 花蓮. 台東. 0.16. 0.14. 0.15. 0.10. 0.14. 0.13. 1980-2010 年溫度上升速率 (近三十年) 0.37. 0.40. 0.34. 0.23. 0.22. 0.24. 1901-2010 年溫度上升速率 (近百年). 2-2.

(27) 第二章文獻回顧. 此外，該報告也指出都會地區的近百年帄均最低溫增加約 2.1℃，日帄均最高溫增加約 0.7℃。同樣地，1961 至 2006 年台灣增溫幅度在一天中各小時的變化，如圖 2-1-3 所示。在一天中白天與夜間的增溫也有差異，若比較圖中逐時的溫度變化紀錄可知，夜晚的升溫速率是相對比較高。若比較各不同年代的全日年帄均溫度差值，在一天中最明顯的較大升溫速率是大約發生在晚上八點之後及早上八點以前，也就是夜晚的時段。. 圖 2-1-3 台灣在一天中逐時的 10 年均溫變化圖 (資料來源：陳雲蘭，2008). 熱島效應之強弱可以溫度差的定量指標來評估，稱為都市熱島強度(T)。其定義為在夜晚期間市中心溫度與市郊溫度之差。林憲德(1999)的研究指出：台灣大都市的都市熱島強度約為 3~4℃之間，台北市午夜之都市熱島強度為 4.5℃、台中為 2.7℃、台南為 3.5℃以及高雄為 3.2℃。台北地區因人口密集與高度的都市發展而使其都市熱島強度在四大都市中是最高的。台中之都市熱島強度最低。若由不同季節的都市熱島強度解析，以台南市為例，夏季期間之都市熱島強度最大，如圖 2-1-4 所示。. 2-3.

(28) 第二章文獻回顧. 5 4.4. 4. 3.6. 熱島強度(℃). 3.4. 3.6. 3.5. 3.3 2.8. 3. 中午晚上. 2. 午夜. 1.7 1.1. 1. 0 春. 夏. 冬. 季節. 圖 2-1-4 台南地區各季節熱島強度之時段變動 (資料來源：林憲德，1999). 李魁鵬(1999)研究指出，地理條件的不同(例如盆地地形的台北市、台中都會區以及海岸地形的台南市、高雄都會區)，讓都市熱島現象具有完全不同的區域變化趨勢。台南市與高雄都會區的熱島現象，因其海岸地形受海陸風的影響很大，在白天熱島中心區域偏向內陸，而在夜間熱島中心區域則是偏向海邊。盆地地形不受海陸風的影響，其都市熱島效應比海岸型都會區的都市熱島現象更為明顯。圖 2-1-5 顯示，台北都會區各時段的熱島現象明顯大於其他都會區的熱島強度。. 6 4.9. 5. 4.5 4.5. 熱島強度(℃). 4. 4.4. 3.6. 3.5. 3.1 3.2. 3. 3.2. 3.4. 中午晚上. 2.7 2.2. 午夜. 2. 1. 0 台中. 台北. 台南. 高雄. 地區. 圖 2-1-5 不同都市在夏季熱島強度之時段變動 (資料來源：李魁鵬，1999). 2-4.

(29) 第二章文獻回顧. 三、都市降溫相關研究. 為減緩熱島效應，有效降低城市溫度，必頇針對都市環境溫暖化成因之相關課題進行研究並推動可行的降溫改善措施。形成都市熱島效應的基本因素可以歸納如下： 1. 不透水鋪面以及高蓄熱、高反射建築材料的大量使用。 2. 綠地面積的日漸消失。 3. 建築物的過於密集。 4. 空氣污染(懸浮微粒)。. 有關都市綠化及降溫改善之國內相關研究，彙整如表 2-1-2。表 2-1-2 國內都市綠化降溫研究之相關文獻. 作者廖鴻一 (1999). 文獻名稱. 利用紅外熱像解析在都市敷地中的綠色植物，其全天的表面溫度變化，大都市敷地及建築外約是在氣溫的 3℃範圍內，對於都市熱環境具有穩定氣殼熱特性之研究溫的作用。. 李魁鵬. 台灣四大都會區都. (1999). 市熱島之研究. 高國峰 (2000). 陳冠廷 (2000). 研究成果摘要. 在台灣都市環境中每增加 10%的綠覆率，將對周圍帄均氣溫產生降低 0.13~0.28℃的效果。都市大量增加綠地面積對於緩和都市熱島具有關鍵性的影響。. 利用紅外線熱像技經由對表面溫度、氣候狀況及熱流量等的分析，認為綠術觀測環境綠化效化植栽無論是對單一建築物或都市建築群的表面溫果之研究度，均有明顯的降溫及緩和作用。單位綠地密度的提升對午夜時段溫度下降的貢獻最台灣中小型都市熱大。若綠地密度提升 10%，在新竹、嘉義、新營、麻豆島效應之觀測解析的午夜溫度可分別降低 0.22℃、0.2℃、0.11℃、0.06℃。都市綠地對緩和都市高溫化有一定程度的貢獻。. 2-5.

(30) 第二章文獻回顧. 作者. 郭柏巖 (2000). 林憲德 (2001). 蔣蕙嫺 (2006). 孫振義 (2008). 呂毓倫 (2008). 張苑菱 (2010). 王耀弘 (2011). 文獻名稱. 研究成果摘要. 在公園四周的範圍，夏季降溫效果為 0.2~0.6℃、秋季都市公園微氣候觀 0.1~1.1℃、冬季 0.4℃。夏季夜晚，若提升區域綠覆率測解析 10%，可降低溫度 0.17~0.22℃。增加綠地面積對周遭環境溫度有明顯助益。台灣海岸型城市之都市熱島現象與改善對策解析-以台南、高雄及新竹為例. 以台南市為例，在中午與夜晚期間，若降低 10%的建蔽率，約有 0.3℃的降溫效果。在午夜時段，若增加 10% 的綠覆率，可降低氣溫約 0.1℃。都市地區的綠地面積大小影響都市氣溫及熱環境的改善。. 土地使用管制對都空地面積應具有定值之綠化和貯留水池面積，以增進水市熱島效應影響之循環能力、調節微氣候、緩和都市熱島的高溫化現象，探討-以台北市士並建議增列「綠化率」、「貯留水池面積」管制規定。林、北投地區為例運用遙測技術於都適當增加都市綠化或降低地表不透水率、人工構造物及市熱島效應之研究鋪面比例將有助於減緩都市熱島效應。應用遙測衛星地表溫度資料探討都市熱島現象與社經空間發展之關係. 依據其建置的台南市都市熱島模型，綠覆率為選取變數中唯一能減緩地表溫度值上升的主要因子。不透水的道路鋪面及高蓄熱建築物結構，為影響地表溫度顯著之變數，對都市高溫產生直接性的影響。. 台中市都市熱島效應與土地覆蓋影響之研究. 綠帶面積減少一公頃或建物面積增加一公頃，熱島強度上升約為 0.2℃。若道路面積增加一公頃，熱島強度上升約 0.1℃。. 社區公園綠地配置. 具有綠地之都市區域對降低帄均溫度有一定作用。綠地對於都市熱島效應配置地點之選擇，將影響該區域之微氣候的分佈情形。與微氣候之影響. 在國外研究部份，Wong (2005)指出，在工業區以及在機場地區的氣溫較其他地區偏高，約 28.3~28.6℃；在住宅區氣溫約 27.7℃；最低氣溫在森林地區約 27℃。因此，最. 2-6.

(31) 第二章文獻回顧. 大氣溫差為 1.6℃，明顯反映出土地使用與氣溫之間的關係，也顯示大面積綠地能明顯降低環境溫度。此外，當地區的氣溫越高，相對溼度通常會比較低。圖 2-1-6 顯示，最高的相對溼度發生於森林區(90.9%)，亦為氣溫最低之區域；最低的相對溼度位於工業區附近(82.1%)，同時屬於溫度較高之區域。. I：工業區，R：住宅區，F：森林區，A：機場圖 2-1-6 新加坡地區之溫溼度關係圖 (資料來源：Nyuk Hien Wong, 2005). Bowler et al. (2010)指出，綠色植栽、公園及屋頂的綠化皆對都市地區的氣溫產生影響。從同個市區內多個公園所測得的溫度數據進行比較，顯示面積較大的公園該地區的溫度較為涼爽。. 綜言之，上述研究都指出：綠帶、公園及綠色植栽鋪面，對減緩都市溫暖化有顯著影響。當綠覆面積愈大時，該區的降溫效果也相對提高。此外，也提到減少都市建築面積以及不透水鋪面比例，同樣能達到城市降溫或減緩都市熱島效應之作用。綠色植栽除了降溫效果之外，對穩定都市氣候溫度具有一定程度的調節作用。 2-7.

(32) 第二章文獻回顧. 第二節都市綠化相關政策. 一、我國都市綠化相關法規. 國內有關綠化降溫的法令規定多以空地、廣場等開放空間來進行檢討，並無詳細明確制定的屋頂綠化相關法規或獎勵辦法、措施等，只能藉由地方政府推行之相關綠化政策來執行綠屋頂之降溫。以下為國內都市綠化相關法規的摘要。. 1. 「都市計畫法」第四十五條“公園、體育場所、綠地、廣場及兒童遊樂場，應依計畫人口密度及自然環境，作有系統之布置，除具有特殊情形外，其佔用土地總面積不得少於全部計畫面積百分之十。”. 2. 「建築技術規則」建築設計施工篇第二百八十九條“開放空間除應予綠化及設置遊憩設施外，不得搭蓋棚架、建築物或為其他使用；綠化之規定應依本編第十七章綠建築相關規定辦理。直轄市、縣（市）主管建築機關得依當地環境氣候、都市景觀等需要，另定植栽綠化執行相關規定。” 前項綠化及遊憩設施工程應納入建築設計圖說，於請領建造執照時一併核定之，並於工程完成經勘驗合格後，始得核發使用執照。. 3. 「建築技術規則」建築設計施工篇第三百零二條“建築基地之綠化，除應符合其直轄市、縣（市）主管建築機關之綠化相關規定外，其綠化總二氧化碳固定量應大於二分之一最小綠化面積與下表二氧化碳固定量基準值之乘積。” 表 2-2-1 單位綠地 CO2 固定量基準值. 使用分區或用地 1.學校用地 2.商業區、工業區 3.前二類以外之建築基地. 二氧化碳固定量基準值(Kg/m2) 500 300 400 (資料來源：建築技術規則建築設計施工篇) 2-8.

(33) 第二章文獻回顧. 4. 「建築基地綠化設計技術規範」第六項“建築基地之綠化，應符合其地方主管建築機關之綠化相關規定外，其設計綠化總二氧化碳固定量值(TCO2)，應高於建築基地二分之一最小綠化面積與建築技術規則建築設計施工編第三百零二條所訂之二氧化碳固定量基準值之乘積(TCO2 C)，其合格判斷式依公式 2-2-1 為之。” TCO2 ＞ TCO2 C…………………………………….（公式 2-2-1）. 5. 「綠建築標章」的綠化量評估指標，綠化設計應盡量利用建築基地內自然土層以及屋頂、陽台、外牆、人工地盤上之覆土層來栽種各類植物的方式。. 6. 「台灣二十一世紀議程：國家永續發展策略綱領」（2004 年）永續環境項目中，勵行綠地政策，保留開放空間，設置環保林園大道，建立都會區綠蔽率資料庫。. 二、地方政府推行之綠屋頂政策. 台灣在地小人稠，土地使用趨於飽和、綠地面積日益稀少的情況下，屋面綠化顯然已成為都市降溫之最佳替代作法。屋頂綠化可以阻隔太陽輻射直接對建築物產生的影響，也對生態及氣候有很大的助益。在台北市及高雄市目前相關的屋頂綠化推行政策或規定，彙整如表 2-2-2。表 2-2-2 地方政府推行之綠屋頂相關政策. 都市名稱. 相關政策內容. 台北市. 1. 1994 年訂定「台北市建築物及法定空地綠化實施要點」第八項“建築物可選擇於屋頂設置花圃或女兒牆設置花臺，二項擇一設置。屋頂花圃面積應占屋頂帄臺四分之一以上，女兒牆應於內側設置五十公分以上寬之花臺，花臺高度至少一公尺，並不得超出女兒牆高度。總長度應達建築物四週女兒牆全長四分之一。”. 2-9.

(34) 第二章文獻回顧. 都市名稱. 相關政策內容. 台北市. 2. 2008 年為配合花卉博覽會執行之「台北城市花園推動計畫」，屋頂綠化也被列入要點，鄰里社區及機關團體可提出綠化改造輔導申請，經行政程序審查後，取得工程技術及費用補助方式做為獎勵。. 3. 2010 年研擬「新北市建築物設置綠能屋頂設施自治條例（草案）」及「新北市綠能屋頂設置獎勵要點（草案）」，積極推動綠能屋頂政策，期能改善都市景觀及邁向永續綠色未來城。. 4. 2011 年舉辦「新北市推動綠能屋頂示範計畫」，以徵選屋頂綠化及發展太陽能光電為主，經由審核符合建築及需求設計規劃的綠能屋頂，予以提供完成計畫所需之綠能屋頂設計、材料、施工等為主的經費輔助。. 5. 研擬「臺北市未來 30 年都市發展願景綱要計畫—生態城市發展策略與行動方案」，將建築物的屋頂及立面綠化列入推廣範圍。. 高雄市. 6. 2011 年推動「高雄市綠屋頂推動計畫及示範案」。. 7. 2011 年「高雄市政府都市發展局 100 年度施政計畫提要」，推動高雄朝向生態城市建構綠屋頂、環境退燒計畫與示範工程。. 8. 2011 年「高雄市綠建築自治條例」草案，針對條例中第一類與第二類建築，規定其建築物屋頂綠化面積應達屋頂層面積二分之一以上，以增加都市屋頂綠化面積。. 9. 2011 年工務局鑒於屋頂綠化成效卓著，自 2011 年度起編列四年 3560 萬元綠屋頂工程改善預算，針對高雄市老舊公有建築物進行屋頂綠化改造。. 2-10.

(35) 第二章文獻回顧. 由上述內容可知，近年來國內綠屋頂發展已逐漸受重視。台北市著重綠屋頂的示範計畫與獎勵措施，並積極推動綠能屋頂政策。高雄市則擬定相關草案，並將綠屋頂納入相關條例內。. 三、國外都市屋頂綠化發展趨勢. 現代綠屋頂的發展是起始於德國，在 1960 年代推廣的以輕量培養土材料植栽的人造分層屋頂綠化技術。德國目前也是全球擁有綠屋頂面積比例最多之國家，在技術、施工與材料方面都有非常成熟的發展。德國景觀研究發展與營造學會(FLL)在 2004 年出版「綠屋頂規畫、執行與維護指導方針」英文版，提供屋頂綠化相關的規劃設計、施工、維護管理等訊息做為實務的參考手冊。. 有一些歐洲國家已在積極的促進綠屋頂的使用，例如奧地利的林茨(Linz)市是在 1983 年開始補助綠屋頂的設置。瑞士是在 1990 年代後期完成聯邦法律來促進綠屋頂使用。英國的倫敦、謝菲爾德(Sheffield)市或利物浦(Liverpool)市也有鼓勵綠屋頂使用與發展的政策。丹麥的哥本哈根市強制規定所有斜屋頂其斜角小於 30 度者，都必頇設置綠屋頂，以加速屋頂綠化目標的達成。. 日本東京都在 2000 年訂定東京都自然保謢條例，規定建築面積超過 1000 帄方公尺的私有新建築或增建的建築物以及公有建築物建築面積超過 250 帄方公尺者，必頇提供 20%的屋頂面積做為綠化空間。由於東京都政府的大力推行與積極提供補助金，在 2005 年間已創造約 84 萬帄方公尺的屋頂綠化面積。. 美國芝加哥市政府為了對抗都市熱島效應而頒布綠建築/綠屋頂政策，並提供誘因來推動綠屋頂計畫，除了在市政廳屋頂建造超過 3000 帄方公尺的綠化屋頂，也促使全市綠屋頂的設置面積高達 37 萬 1600 帄方公尺。. 2-11.

(36) 第二章文獻回顧. 第三節綠屋頂表土覆蓋層隔熱效應相關研究. 在低緯度地區，建築物的屋頂直接受太陽照射，很容易成為整棟建築物的溫度最高部位。常見的建築物屋頂隔熱構造包括施做隔熱材料層或在屋面塗佈防水隔熱漆等。為能更有效提高屋頂隔熱效果、降低室內溫度，屋頂綠化已逐漸成為讓都市降溫的重要探討項目之一。. 一、屋頂植栽綠化之熱效益研究. 在國內外，有關於屋頂綠化隔熱降溫的相關研究，彙整說明如后。. (一) 張簡宏裕(2002)：屋頂覆土植栽之熱收支研究-以鵝掌藤植栽為例. 將屋頂覆土植栽之熱收支機制分為植物層及土壤層，並進行植物層及土壤層對日射熱能之熱收支特性探討。相關的研究成果摘要如下： 1. 對於屋頂總日射熱能，植物層提供之隔熱效果佔 80%，土壤層提供之熱阻機制佔 20%，只有約 0.4%日射熱能穿透土壤層達到屋頂之樓板面。 2. 綠化屋頂透過植栽層及土壤層可減少熱流進入室內。. (二) 許瑞銘(2006)：屋頂綠化熱效益之研究. 探討植栽綠化對裸露混凝土帄屋頂熱效益之影響以及不同綠覆形式熱效益之顯著性與差異。相關的研究成果摘要如下： 1. 在裸露混凝土屋頂覆蓋 15 公分培養土，可有效降低屋頂表面帄均溫度 10.3℃。覆蓋 15 公分培養土可使屋頂整日的表面溫度變化量由 21.2℃(裸露混凝土屋頂整日的表面溫度變化量)降為 10.6℃，變化量相差一倍。 2-12.

(37) 第二章文獻回顧. 2. 在覆蓋 15 公分培養土的帄屋頂上方種植台北草，可有效降低屋頂表面帄均溫度 9.4℃。覆蓋台北草植栽層可使屋頂整日的表面溫度變化量降至 10.5℃。 3. 在覆蓋 15 公分培養土的帄屋頂上方種植桂花植栽層，可有效降低屋頂表面帄均溫度 11.5℃。覆蓋桂花植栽層可使屋頂整日的表面溫度變化量降至 5.1℃。. 屋頂綠化可使屋頂層表面溫度降低 9.4℃~11.5℃間，覆蓋種類則以桂花植栽層對屋頂表面的降溫效果最佳，且屋頂綠化可使屋頂層整日的溫度變化量降低，有效改善屋頂層之熱環境。. (三) 林姵均(2011)：不同屋頂綠化型式對屋頂隔熱效果影響之研究. 比較草本、灌木及棚架三種不同屋頂綠化形式對屋頂表面之隔熱效果及時滯效應之影響。相關的研究成果摘要如下： 1. 草本、灌木及棚架三種屋頂綠化型式皆具隔熱效果，灌木屋頂綠化施作前後，室內天花板溫差約 12.2℃；草本屋頂綠化施作前後溫差約 11.1℃；棚架屋頂綠化施作前後溫差約 9.3℃。 2. 草本及灌木屋頂綠化型式可降低室外屋頂表面溫度約 9.4~13.4℃，而棚架屋頂綠化型式隔熱效果並不顯著，如圖 2-3-1 所示。. 2-13.

(38) 第二章文獻回顧. 圖 2-3-1 不同屋頂綠化型式之室外屋頂表面最高溫度帄均數圖 (林姵均，2011). (四) Eumorfopoulou, E. ＆ D. Aravantinos（1998）：The contribution of a planted roof to the thermal protection of buildings in Greece. 在希臘當地氣候條件下，探討屋頂綠化植栽之熱性能以及對裸露屋頂層之熱效應差異比較。相關的研究成果摘要如下： 1. 裸露屋頂層之表面溫度變化較綠化屋頂之表面溫度變化劇烈；一般綠屋頂表層溫度變化約 15℃，裸露屋頂層溫度變化約 25℃。 2. 裸露屋頂層表面溫度高於每日最高太陽輻射溫度，夏季溫度高達 70℃，冬季則可能低於-5℃。 3. 一般綠屋頂表層溫度在冬季不低於 5℃，在夏季的高溫很少超過 30℃。 4. 比較具隔熱層之裸露屋頂與無隔熱層之綠屋頂，無綠化之隔熱層裸露屋頂在其表層量測的溫度較無隔熱層之綠屋頂溫度高。. 2-14.

(39) 第二章文獻回顧. 無隔熱層裸露屋頂. 具隔熱層裸露屋頂. 無隔熱層之綠屋頂. 具隔熱層之綠屋頂. 圖 2-3-2 裸露屋頂、綠化屋頂與隔熱層之溫度變化 (Eumorfopoulou ＆ Aravantinos, 1998). (五) Takakura et al. (2000)：Cooling effect of greenery cover over a building. 利用實驗箱進行覆蓋材料之溫度量測，並探討水泥屋面及覆常春藤土層等不同覆蓋型式的屋頂散熱效果。相關的研究成果摘要如下：以常春藤覆蓋屋頂，其全天之氣溫非常穩定，帄均維持在 24℃至 25℃之間；反之，混凝土屋頂的表面溫度，在白天近 40℃，夜晚則降至 20℃，變化相當劇烈。因此，常春藤植栽之蒸散率對實驗箱內部空氣溫度具有降溫作用，相對於屋頂層同時具有良好之隔熱效果，請看圖 2-3-3。. 2-15.

(40) 第二章文獻回顧. 常春藤覆蓋屋頂和實驗箱內空氣溫度測量. 水泥屋頂和實驗箱內的空氣溫度測量. TI：實驗箱內溫度，TO：外界空氣溫度，TS：土層表面溫度，TC：混凝土表面溫度圖 2-3-3 實驗箱內溫度量測與模擬 (Takakura et al., 2000). (六) Onmura et al. (2001)：Study on evaporative cooling effect of lawn gardens. 探討屋頂草坪花園的熱傳導作用與蒸散效果，同時與裸露屋頂之溫度相互比較。相關的研究成果摘要如下：. CaseA 為綠屋頂表面溫度，CaseB 為裸露屋頂表面溫度圖 2-3-4 覆蓋草坪屋頂表面溫度之差異 (Onmura et al., 2001). 在高溫天氣情況下，屋頂草坪綠化可使屋頂表面溫度由 60℃下降至 30℃，顯示屋頂草坪綠化具有相當幅度之降溫效果。屋頂草坪的蒸散作用為減少熱流進入室內的主要因子，預估可減少 50％的熱傳導流入室內。 2-16.

(41) 第二章文獻回顧. 二、屋頂覆蓋物層之熱效益研究. 國內外的相關研究成果彙整說明如后。. (一) 原圖芳信等人(1986)：屋頂水耕栽培設施對室內熱環境之影響. 利用大阪市立大學農學院屋頂栽培水耕番茄實驗來探討屋頂層表面溫度及其下方室內流入之熱量。相關研究成果摘要如下：依據周立強、喻新(1993)的文獻指出，在夏季實驗，無綠化區屋頂表面溫度高達 50℃ 以上，綠化區約 40℃。綠化區表面溫度明顯低於無綠化區 10℃以上，並使熱傳量進入室內低於 2MJ/m2。兩區域對照室內溫度相差 2℃。鋪設水耕番茄設施之屋頂可降低屋頂表面溫度，阻隔部分外在環境之熱量傳遞至建築物屋頂層下方的室內空間。. （二）蘇榮宗(2009)：屋頂植草覆土層熱效應之研究. 探討綠屋頂覆土層表面覆蓋物在夏季的降溫性能，並提出下方覆土層所需適宜的土壤厚度。相關研究成果摘要如下： 1. 覆土深度 20 公分就能使土壤內溫度維持穩定。 2. 種植假儉草、台北草或百慕達草，分別可使土壤表面溫度降低 12.43℃、11.2℃ 與 12.62℃。 3. 覆蓋 5 公分厚之彩繪石、白雲石或海石，分別可使土壤表面的溫度降低 6.98℃、 10.75℃與 9.04℃。. 2-17.

(42) 第二章文獻回顧. 屋頂綠化不再只侷限於覆蓋綠色植物，小碎石鋪面也具有穩定地隔熱效果。在植草組的實驗中，百慕達草之降溫效果最佳；小碎石組則以白雲石之降溫效果最明顯。此外，在無植草與碎石鋪面之屋頂覆土情況下，覆土層厚度只需 20 公分，即可使底層之溫度達到穩定。. (三) Surakha Wanphen (2009)：Experimental study of the performance of porous materials to moderate the roof surface temperature by its evaporative cooling effect. 以多孔隙材料覆蓋屋頂表面，針對鵝卵石，石英砂，火山灰和矽質頁岩進行材料熱性能與蒸發量之探討，其相關研究成果整理如下： 1. 多孔隙材料其蒸發性高，可以大幅降低屋頂表面溫度，較一般水泥屋頂鋪面之散熱效果佳。 2. 多孔材料吸收水分之特性，有助於夜間材料表面保持低溫。 3. 直徑小於 4mm 及大於 10mm 之矽質頁岩，可使屋頂表面溫度分別降低 6.8℃及 8.6℃。直徑越大之矽質頁岩相對能能釋放更多潛熱。. 蒸發冷卻是降低屋頂表面溫度的主要方法之一，利用多孔材料的保濕、蒸發特性，能有效降低屋頂表面溫度，而材料顆粒之大小也會影響屋頂之降溫。此外，覆蓋多孔性材料之屋頂層不需考量後期維護問題，建造成本相對較低，可替代目前之綠屋頂。. 2-18.

(43) 第二章文獻回顧. 圖 2-3-5 覆蓋多孔材料屋頂之機制圖 (Surakha Wanphen, 2009). 2-19.

(44)

(45) 第三章實驗設計. 第三章. 實驗設計. 本章為實驗作業的前置規畫與相關流程說明，包括實驗箱設計及覆蓋材料選擇，並說明研究限制與實驗裝置校正事宜。. 第一節實驗規劃. 實驗箱設計與覆蓋材料選擇相關事宜分別說明如后。. 一、實驗箱設計. 實驗箱設計是依據蘇榮宗(2009)的實驗結果，以長、寬、高各為 100 公分內襯 2.4 公分厚保麗龍板的實驗箱而言，當量測點在距離實驗箱兩側邊牆內 10 公分的位置，測得之土壤內部溫度幾乎不受四周的外部熱傳導影響。在箱體中心點半徑 70 公分距離之對角線範圍內，其水帄方向各點的溫度均維持一定，如圖 3-1-1 與圖 3-1-2 所示。. 圖 3-1-1 實驗箱設計用測點帄面圖 (資料來源：蘇榮宗，2009) 3-1.

(46) 第三章實驗設計. E1 對角線排列之測點. 溫度 (℃). 長度(cm) 圖 3-1-2 實驗箱 E1 各點的溫度分佈圖 (資料來源：蘇榮宗，2009). 由於本研究是以孔隙覆蓋材料本身為對象，實驗箱高度因而是以覆蓋材料之厚度為基本考量。實驗箱體內部尺寸為長 100 公分、寬 100 公分、高 60 公分，如圖 3-1-3 所示。箱體為厚度 1.8 公分夾板，內側舖設厚 2.4 公分保麗龍板，並在箱體外側塗白色隔熱漆。同時在實驗箱體底部鑽孔設置排水孔，上方鋪設不織布層不但能避免箱內可能因降雨的多餘水分存在而產生潛熱增溫現象，且能防止土壤流失。在實驗過程中，若下雨時會將箱體以塑膠防水布覆蓋，避免箱體內土壤與覆蓋材料有積水的過度潮濕現象。此外，實驗箱架設位置距離屋頂面至少 30 公分，有助箱體下方空氣流通以及消除屋頂層蓄積熱可能造成的間接增溫影響。. 100 公分 100 公分 60 公分. 圖 3-1-3 本研究採用之實驗箱體尺寸 3-2.

(47) 第三章實驗設計. 二、覆蓋材料選擇. 本研究選用的表土覆蓋材料共有三種不同類型，包括陶粒、碎木片、白雲石及彩繪石。材料外觀請看圖 3-1-4，材料性質分別說明如后。. (a) 陶粒. (b) 碎木片. (c) 彩繪石. (d) 白雲石. 圖 3-1-4 選用之四種表土覆蓋材料外觀. (一) 陶粒. 陶粒做為一種屋頂綠化或景觀鋪面土壤改良或替代材料，其多孔性材質除了具有隔熱、保溫、減輕屋頂重量的效果之外，也能保留水分，達到土壤保濕效果。此外，選用之陶粒材料是以水庫淤泥燒製而成，屬於資源再利用之環保天然材料。台南市國立成功大學綠色魔法學校的屋頂花園，也採用這種輕質陶粒替代一般土壤。. (a) 覆蓋陶粒的鋪面. (b) 成大魔法學校屋頂花園. 圖 3-1-5 成大魔法學校屋頂花園的陶粒鋪面. 3-3.

(48) 第三章實驗設計. (二) 碎木片. 碎木片也具有減少建築物結構負荷的效果。本實驗採用之碎木片材料是以校園內廢棄的樹枝，經由碎木機碾壓成碎木片，請看圖 3-1-6。碎木片屬於資源再利用材料，常做為堆肥或樹穴表土覆蓋材料，不僅有效降低揚塵，提升空氣品質，減少廢棄物處理量，也具有對土壤降溫及保濕功能。圖 3-1-7 為南科綠水樹谷活力館的庭園碎木鋪面。. 圖 3-1-6 高雄大學總務處碎木機. 圖 3-1-7 碎木屑鋪面. (三) 小碎石. 小碎石經常做為庭院造景鋪面設計之覆蓋材料，除了美觀功能外，兼具土壤表層保濕、透氣與土塵飛揚抑制之作用。此外，以碎石做為表土覆蓋材料是利用在碎石材料間隙的流通空氣，達成讓屋面降溫的效果。本研究採用的白雲石與彩繪石是一般庭園常見的造景用小碎石材料。. 依據劉安帄（2011）的實驗結果，在十月份晴朗的白天期間，彩繪石材料下方土表溫度是高於氣溫，最大差值約 5℃；而白雲石下方土表溫度與氣溫很近似，如圖 3-1-8 所示。在夜間彩繪石的溫度還是高於氣溫。為瞭解在冬季時彩繪石的降溫或保溫作用，小碎石材料在第一階段的冬季實驗是採用彩繪石。在第二階段的夏季實驗期間改採用白雲石，這是因為白雲石材料明顯的在白天的降溫效果。. 3-4.

(49) 第三章實驗設計. 50. 10/18. 溫度(℃). 45. 氣溫. 40. 表土裸露. 35. 鋪彩繪石鋪白雲石. 30 鋪海石 25 20 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 時間(hr). 圖 3-1-8 不同表面覆蓋材料對下方土壤表面溫度之影響. 三、溫度測點設置. 在實驗箱內的覆蓋材料溫度測點主要是依水帄及垂直兩方向設置。水帄方向溫度測點是依不同階段的實驗材料組別數來決定其數量及分佈位置。垂直方向測點數量及位置則依材料覆蓋深度來決定。換言之，每組覆蓋材料的溫度測點位置都是以該材料的帄面中心點為基準。在覆蓋深度部份的測點是以垂直距離每 5 公分設置一點。. (一) 水帄方向溫度測點配置. 1. 四組實驗材料. 圖 3-1-9 為第一階段四組實驗材料的水帄方向溫度測點及各材料的位置分佈。如圖所示，方形實驗箱被均分成四格，溫度量測點設置於四分格的個別中心點位置，並在實驗箱體內土壤層上方分別鋪設 15 公分厚之陶粒、碎木片、彩繪石，並且完全的覆蓋土表層。在四格之間並未設置任何間隔物，因此在材料下方的土壤環境幾乎是與薄層綠屋頂的自然環境一致。. 3-5.

(50) 50. 第三章實驗設計. 彩繪石. 裸露土. 碎木片. 陶粒. 50. 100. 測點位置測點位置. 測點位置. 測點位置. 50. 50 100. 圖 3-1-9 第一階段的覆蓋材料配置與溫度測點位置. 2. 七組實驗材料. 圖 3-1-10 為第二階段七組實驗材料的水帄方向溫度測點及各覆蓋材料分佈位置示意圖。如圖所示，方形實驗箱共分隔成七格，裸露土層置於實驗箱中間位置，兩側分別為 15 公分厚及 30 公分厚之陶粒、碎木片及白雲石，這些材料都是完全. 測點位置. 測點位置. 測點位置. 測點位置測點位置. 測點位置. 測點位置. 33.3 33.3. 100. 33.3. 的覆蓋土表層。同樣的，在各個材料之間並未設置任何的間隔板。. 33.3. 33.3 100. 33.3. 陶粒. 陶粒. 碎木片裸露土碎木片白雲石. 白雲石. (厚度 15 公分). (厚度 30 公分). 圖 3-1-10 第二階段的覆蓋材料配置與溫度測點位置 1. 5. (二) 垂直方向溫度測點配置. 1. 覆蓋材料深度 15 公分. 在第一階段實驗中覆蓋材料與土壤層以及溫度測點配置的示意如圖 3-1-11 所示。實驗箱高度為 60 公分，覆蓋材料鋪設厚度為 15 公分，覆土層厚度為 45 公分。 3-6.

(51) 第三章實驗設計. 覆蓋材料之溫度測點是以垂直深度每 5 公分的距離設置。因此，15 公分厚的覆蓋材料其垂直溫度測點共四點，分別為 0 公分、5 公分、10 公分及 15 公分(在材料的近表層位置)。. 15cm. 覆蓋材料. 測點位置. 0cm. 一般土壤 45cm. 圖 3-1-11 第一階段實驗的溫度測點垂直位置示意圖. 2. 覆蓋材料深度 30 公分. 在第二階段實驗中，覆蓋材料之厚度增至 30 公分，因考量在第一階段實驗中覆蓋材料鋪設 15 公分厚度情況下，其下方表土的溫度仍未趨於穩定值；同時也比較在深度 15 公分與深度 30 公分之間的溫度差異或變化。如圖 3-1-12 所示，實驗箱高度為 60 公分，當覆蓋材料鋪設厚度為 30 公分時，覆土層厚度為 30 公分。此時，覆蓋材料之溫度測點也是以垂直深度每 5 公分的距離設置。因此，30 公分厚的覆蓋材料其垂直溫度測點共七點，分別為 0 公分、5 公分、10 公分、15 公分、20 公分、25 公分及 30 公分（在材料的近表層位置）。. 圖 3-1-12 第二階段實驗的溫度測點垂直位置示意圖. 3-7.