建築外牆隔熱及蓄熱效果對室內環境溫度影響之探討

建築外牆隔熱及蓄熱效果對室內環

境溫度影響之探討

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 年 12 月

（國科會GRB 編號） PG10301-0483

建築外牆隔熱及蓄熱效果對室內環

境溫度影響之探討

受 委 託 者：財團法人成大研究發展基金會

研究主持人：林子平

協同主持人：黃瑞隆

研 究 助 理 ：施文玫

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 103 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）

目 次

目次 ··· I

表次 ··· Ⅲ

圖次 ··· Ⅴ

摘要 ··· Ⅸ

第一章 緒論 ··· 1

第一節 研究緣起與背景 ··· 1

第二節 研究方法與流程 ··· 7

第二章 資料與文獻分析 ··· 11

第一節 何謂熱質量 ··· 11

第二節 蓄熱方式的分類 ··· 15

第三節 熱質量的評價參數 ··· 18

第四節 文獻回顧 ··· 24

第三章 熱質量在辦公建築的應用 ··· 33

第一節 外牆及屋頂蓄熱模擬條件概述 ··· 33

第二節 隔熱性能 ··· 35

第三節 熱質量在辦公大樓的運作機制 ··· 42

第四節 熱惰性與不同參數的耦合 ··· 52

第五節 隔熱與蓄熱性能的等效性 ··· 66

第六節 小結 ··· 72

第四章 熱質量在住宅建築的應用 ··· 75

第一節 住宅建築模型 ··· 75

第二節 熱質量在住宅的運作機制 ··· 76

第三節 改變熱惰性對自然通風熱舒適的影響 ··· 85

第四節 改變熱惰性對住宅空調能耗的影響 ··· 93

第五節 隔熱與蓄熱性能在住宅空調能耗等效性 ·· 97

第六節 小結 ··· 102

第五章 結論與建議 ··· 103

第一節 結論 ··· 103

第二節 建議 ··· 105

附錄 ··· 107

附錄一 國內常用外牆隔熱及蓄熱特性參數 ··· 107

附錄二 國內常用屋頂隔熱及蓄熱特性參數 ··· 115

附錄三 住宅類型中不同 U 值與 D 值組合在不同地

區的顯熱負荷 ··· 121

附錄四 夜間換氣回數對減少顯熱負荷的效果 ·· 125

附錄五 客廳與臥室的 6-9 月顯熱冷負荷彙整 ·· 127

附錄六 期初審查意見與期中報告回應一覽表 ·· 129

附錄七 期中審查意見與期末報告回應一覽表 ·· 131

附錄八 期末審查意見與成果回應一覽表 ··· 135

附錄九 專家諮詢座談會議紀錄 ··· 139

附錄十 第二次專家諮詢座談會議紀錄 ··· 141

參考書目 ··· 143

表次

表 1-1 中國夏熱冬暖地區居住建築屋頂和外牆的傳熱係數(K)

和熱惰性指標(D)基準 ··· 4

表 1-2 英國建築節能規範對隔熱與熱質量的規定 ··· 4

表 2-1 幾種常見建築材料的熱質量 ··· 12

表 2-2 熱質量在夏季和冬季的運作原理說明 ··· 13

表 2-3 熱質量的評價參數 ··· 19

表 2-4 牆體蓄熱能力參數與材料基本物性之間的關係 ··· 20

表 2-5 部分常用外牆隔熱蓄熱特性 ··· 23

表 2-6 Lakeridou 案例研究的調查結果 ··· 26

表 2-7 Aste 等人的研究案例說明 ··· 28

表 3-1 不同隔熱性能的八種輕質量外牆熱性質說明 ··· 35

表 3-2 兩種類型外牆與屋頂的材料組成與熱力性質 ··· 42

表 3-3 U 值=2.0 W/㎡ K 下，十種模擬組合蓄熱能力說明 ·· 53

表 3-4 單元辦公室於 08:00~18:00 的單位外殼面積貫流熱 · 55

表 3-5 單元辦公室不同空調運行模式下的顯熱負荷 ··· 57

表 3-6 蓄熱與夜間換氣耦合下單元辦公室的顯熱負荷 ··· 60

表 3-7 不同外表面太陽光吸收率與蓄熱構造組合單元辦公室

顯熱負荷 ··· 63

表 3-8 不同蓄熱與隔熱排列方式下單元辦公室顯熱負荷 ··· 65

表 3-9 不同隔熱和蓄熱性能的牆體組合 ··· 66

表 4-1 兩種類型外牆與屋頂的材料組成與熱力性質 ··· 76

表 4-2 客廳和臥室選定的四種使用模式 ··· 77

表 4-3 U 值=2.0 W/㎡ K 下，五種模擬組合的蓄熱能力說明85

表 4-4 台北氣候下客廳與臥室的過熱時數及過熱嚴重度彙整87

表 4-5 台中氣候下客廳與臥室的過熱時數及過熱嚴重度彙整88

表 4-6 高雄氣候下客廳與臥室的過熱時數及過熱嚴重度彙整89

表 4-7 客廳與臥室的 6-9 月顯熱負荷彙整 ··· 94

表 4-8 不同隔熱和蓄熱性能的牆體組合 ··· 98

圖次

圖 1-1 成指數衰減關係的熱流量與隔熱厚度 ··· 2

圖 1-2 以生命週期經濟評估決定最佳隔熱厚度的概念 ··· 2

圖 1-3 屋頂熱質量吸收儲存自太陽輻射並延遲釋放 ··· 3

圖 1-4 研究流程圖 ··· 7

圖 1-5 研究進度及預期完成工作項目 ··· 9

圖 2-1 熱質量效應的工作原理 ··· 11

圖 2-2 熱質量的延時與削弱作用 ··· 14

圖 2-3 特貝朗牆的基本原理 ··· 15

圖 2-4 樓板蓄熱形式 ··· 16

圖 2-5 相變材料應用於現有的建築屋頂結構 ··· 17

圖 2-6 建築外牆的熱傳導解析示意簡圖 ··· 18

圖 2-7 Dynamic Thermal Property Calculator 的操作介面 · 22

圖 2-8 Williamson 的研究摘要 ··· 25

圖 2-9 D’Orazio 等的研究所使用的全尺寸實驗屋 ··· 26

圖 2-10 Yang 和 Li 的研究發現：時間常數與降低冷負荷之間

的關係 ··· 27

圖 2-11 Aste 等人的研究發現：牆體的熱質量對暖氣和冷氣需

求的影響程度說明 ··· 28

圖 2-12 不同組合下室內溫度降低的情形 ··· 29

圖 2-13 四種不同類型的建築外牆切面 ··· 30

圖 2-14 累積的二氧化碳排放量（a）全空調的情況下（b）混

合模式 ··· 31

圖 2-15 建築累積冷負荷隨熱惰性指標的變化趨勢 ··· 32

圖 3-1 燈光使用頻率 ··· 34

圖 3-2 辦公發熱設備使用頻率 ··· 34

圖 3-3 無熱質量下的外牆構造示意說明 ··· 35

圖 3-4 有不同外殼 U 值的單元辦公室的空調顯熱負荷 ··· 36

圖 3-5 有不同外殼 U 值的單元辦公室的全年空調顯熱負荷37

圖 3-6 全年空調顯熱負荷隨外殼 U 值的變化情形 ··· 38

圖 3-7 外牆 U 值在不同方位和氣候區對空調顯熱負荷影響39

圖 3-8 屋頂 U 值在不同氣候區對空調顯熱負荷影響 ··· 40

圖 3-9 兩種外牆與屋頂的逐時貫流熱 ··· 44

圖 3-10 兩種外牆與屋頂在 4~10 月的總貫流熱 ··· 45

圖 3-11 不同外牆與屋頂單元辦公室常時空調的逐時顯熱負

荷 ··· 46

圖 3-12 不同外牆與屋頂單元辦公室間歇空調的逐時室溫 · 47

圖 3-13 不同外牆與屋頂單元辦公室間歇空調逐時顯熱負荷48

圖 3-14 夜間換氣對重質量屋頂單元辦公室的室溫度顯熱負

荷影響 ··· 50

圖 3-15 熱質量和夜間換氣對單元辦公室 4-10 月顯熱負荷影

響 ··· 51

圖 3-16 U 值固定下的外牆構造示意說明 ··· 52

圖 3-17 十種模擬牆體的 D 值與衰減因子或時間延遲的關係53

圖 3-18 牆體的 D 值轉移白天貫流熱的效果 ··· 54

圖 3-19 牆體 D 值減少空調顯熱負荷的效果 ··· 56

圖 3-20 夜間通風降溫原理示意圖 ··· 59

圖 3-21 夜間換氣回數對減少顯熱負荷的效果 ··· 61

圖 3-22 蓄熱與外表面吸收率耦合對顯熱負荷減少的效果 · 64

圖 3-23 不同外殼 U 值與 D 值組合在台北的顯熱負荷 ··· 67

圖 3-24 不同外殼 U 值與 D 值組合在台中的顯熱負荷 ··· 68

圖 3-25 不同外殼 U 值與 D 值組合在高雄的顯熱負荷 ··· 69

圖 3-26 隔熱和蓄熱能力等值效果的說明 ··· 70

圖 4-1 重質量和輕質量客廳自然通風下，室內溫度的變化 78

圖 4-2 輕、重質量客廳在自然通風下室溫過熱時數 ··· 79

圖 4-3 輕、重質量客廳在自然通風下，室溫過熱嚴重度 ··· 79

圖 4-4 輕、重質量客廳在 7/1~7/3 逐時顯熱負荷 ··· 80

圖 4-5 輕、重質量客廳在 6-9 月空調顯熱負荷 ··· 80

圖 4-6 輕、重質量臥室在自然通風下室溫變化 ··· 82

圖 4-7 輕、重質量臥室在自然通風下室溫過熱時數 ··· 82

圖 4-8 輕、重質量臥室在自然通風下室溫過熱嚴重度 ··· 83

圖 4-9 輕、重質量臥室在 7/1~7/3 逐時顯熱負荷 ··· 83

圖 4-10 輕、重質量臥室在 6-9 月空調顯熱負荷 ··· 84

圖 4-11 客廳及臥室在不同模式的空調顯熱負荷 ··· 84

圖 4-12 台北地區 D 值對△過熱時數和△過熱嚴重度影響 · 90

圖 4-13 台中地區 D 值對△過熱時數和△過熱嚴重度影響 · 91

圖 4-14 高雄地區 D 值對△過熱時數和△過熱嚴重度影響 · 92

圖 4-15 台北地區 D 值對△顯熱負荷的影響 ··· 95

圖 4-16 台中地區 D 值對△顯熱負荷的影響 ··· 96

圖 4-17 台中地區 D 值對△顯熱負荷的影響 ··· 96

圖 4-18 不同外殼 U 值與 D 值組合在台北的顯熱負荷 ··· 98

圖 4-19 住宅外殼不同 U 值與 D 值組合在台中的顯熱負荷 99

圖 4-20 住宅外殼不同 U 值與 D 值組合在高雄的顯熱負荷 99

圖 4-21 住宅外殼不同 U 值與 D 值組合在台北的過熱嚴重度100

圖 4-22 住宅外殼不同 U 值與 D 值組合在台中的過熱嚴重度100

圖 4-23 住宅外殼不同 U 值與 D 值組合在高雄的過熱嚴重度101

摘 要

關鍵字：建築外牆、熱阻、熱質量、空調負荷、熱舒適 一、研究緣起 近年來，隨著建築能耗占國家總能耗的比例逐漸擴大，全球越來越重視建築 節能問題。設計有良好熱性能的外牆是一個簡單而有效降低空調負荷的方法。習 慣上是透過改進外牆的熱阻值以抑制外牆的熱量傳遞。利用隔熱材料的高熱阻(R 值)，可以阻礙進入或離開建築物的傳導、對流和輻射熱流。在建築物正確使用外 牆隔熱不僅能減少能源消耗，而且也可以降低 HVAC 系統的設計容量。綜合考量 外牆隔熱系統(包括材料種類和使用厚度)的初始成本加上節省的空調和供暖系統 的能源費用，以最小的成本來決定最佳的隔熱材料厚度。 二、研究方法及過程 本研究選定辦公建築和公寓住宅模型做為研究對象，利用建築能耗模擬軟體 EnergyPlus 進行全年逐時的空調負荷和室內熱環境的動態模擬，以調查建築外牆 的熱質量對典型辦公室及住宅的空調能耗和室內熱環境的影響。量化分析外牆的 熱質量與其他熱性能(如隔熱性能、外牆顏色和方位朝向)組合，對建築能耗與室 內熱舒適度的影響。並確定熱質量與夜間通風耦合對建築能耗和室內熱環境的好 處。本研究選定四種不同的夜間通風換氣情境進行分析與討論，最後透過對臺北、 台中和高雄三個地區的建築空調負荷進行動態模擬，以研究地區的差異性在優化 牆體構造型式方面的差異。 三、重要發現 本研究以辦公建築及住宅類建築為對象，探討外牆蓄熱能力在不同方位、不 同氣候區、不同顏色的外牆蓄熱對室內空調負荷之影響，進一步的透過不同熱阻 和熱質量的組合來解析最佳化組合，並透過夜間通風和熱質量耦合下的進行節能 分析。研究發現： 1. 藉由增加屋頂隔熱材料厚度(降低 U 值)，於台北、台中和高雄三個氣候區，辦

公室的 4-10 月及全年空調顯熱負荷隨著厚度增加而跟著線性降低。屋頂或者立 牆的 U 值和隔熱材料的厚度成指數遞減。但高隔熱性能的外牆，在涼爽的季節 阻擋室內的熱量散到戶外，反而增加空調負荷。空調季(4-10 月)運行空調，空 調顯熱負荷隨著 U 值的減少而減少，但隨著 D 值增加而降低。而全年空調則 隨著立牆 U 值降低而增加，無限制的增加 U 值其實是沒有助益的。 2. 探討不同隔熱與蓄熱性能組合對空調負荷影響與最佳化組合:將隔熱材料放在 室外側、中間和室內側三種組合進行不同的建築蓄熱與隔熱排列方式的情境模 擬，在相同的 U 值與 D 值組合下，改變蓄熱與隔熱排列組合對減少空調顯熱 負荷的幾乎沒影響。 3. 隨著外表面太陽輻射吸收率的增加，降低空調顯熱負荷的效果也愈好。當吸收 率從 0.3 增加到 0.9 時，在三個氣候區中，使用輕構造外牆可以節省空調顯熱 負荷 3%-5%；若是使用重構造可節省 14%-17%。 4. 進行夜間換氣的辦公建築於空調開機運行前約可降低 2~3°C，可節省約 10-14% 的顯熱負荷。且隨著夜間換氣回數的增加，降低空調顯熱負荷的效果也愈好。 於空調僅在 4-10 月運行情境下，在三個氣候區可以降低單位樓板面積空調顯熱 負荷 10~30%；若是空調全年運行的話，可節省至 20~40%。 5. 無論是辦公建築或住宅類建築的外牆或屋頂的 U 值與 D 值存在等值效果，辦 公類較住宅類建築明顯。降低立牆的 U 值對全年空調顯熱負荷的幫助，存在著 最佳 U 值。當立牆的 U 值高於 3.0W/㎡ K，降低 U 值對降低全年空調顯熱負荷 有正面幫助。但是當立牆的 U 值高於 3.0W/㎡ K 對降低全年空調顯熱負荷卻反 而有負面效果。 四、主要建議事項 根據研究發現，本研究提出下列具體建議： 建議一 增加立牆的隔熱效果(降低 U 值)對全年空調顯熱負荷的幫助，存在著最佳 U 值。當 立牆的 U 值高於 3.0W/m2-K 時，降低 U 值對降低全年空調顯熱負荷有正面幫助， 但是持續過度降低 U 值對全年空調顯熱負荷卻反而有負面效果之分析結果，可提供

我國作為建築與住宅節能策略與法令規範擬議研修之宣導及推廣說明參考：立即可 行建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所 本計畫建議將研究成果附錄三中的熱負荷模擬結果提供給住宅部門節能策略 之規劃與執行建議，並於全國能源會議、國內外重要能源會議提出供政策評估參考。 透過將本研究的成果分享給業界使用者了解隔熱及蓄熱的特色，以達到如何兼顧室 內熱舒適又能節省空調能耗的雙贏局面，同時更能減少材料使用上不必要的花費。 建議二 辦公室夜間換氣的空調節能策略或作為：立即可行建議 主辦機關：台灣電力公司 協辦機關：內政部建築研究所、財團法人台灣建築中心 本研究發現辦公室進行夜間換氣有效降低空調顯熱負荷，且隨著換氣回數增加 效果越好，當全年運行空調的辦公建築，可有效節省至 20~40%的負荷量。建議相 關單位可將附錄所載相關數據做為參考依據，作為於節能政策上有效的宣導參考。 建議三 將蓄熱設計手法納入相關手冊進行宣導：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署 本研究中發現住宅類建築中，根據在不同使用模式中提高牆體蓄熱能力對空調 顯熱負荷有不同的影響。建議將本計畫中有關建築外牆隔熱及蓄熱效果對室內環境 影響的使用模式，羅列出不同的使用模式下的節能效果，以利刊載於相關宣導手冊， 以達宣導外牆蓄熱及隔熱的節能效益，並能夠提供給使用者在同時考量牆體或屋頂 的隔熱和蓄熱能力的設計方向。

ABSTRACT

Keywords: external wall; thermal insulation; thermal mass; cooling load; thermal comfort

In recent years, because the building energy consumption of the national energy consumption has been growing, more and more attention on building energy efficiency. Designed the external wall with better heat insulation is a simple and effective way of reducing air cooling loads. Improved thermal mass from the external wall can inhibit heat transformation. Using the high thermal insulation (R value) can hinder enter or leave the building conduction, convection and radiation heat. In addition, R-value can downsize the design capacity of the HVAC system. Overall consideration of external wall costs (including material types and thickness) and economical energy costs from air conditioning and heat systems will determine the insulation thickness with minimum costs.

This study of office buildings and apartment models uses the building energy simulation software, EnergyPlus, on cooling loads and indoor thermal environment in order to investigate the thermal mass. Through quantitative analysis of combinations from the external wall thermal mass and other thermal properties (such as thermal insulation, exterior color and orientation toward) study the impacts on building energy consumption and indoor thermal comfort. Also, it points out that the thermal mass and night ventilation can bring the positive effects for building energy consumption and indoor thermal environment. This study selected four different nighttime ventilation scenarios were analyzed and discussed, and through the dynamic simulations study the cooling loads of the building in Taipei, Taichung and Kaohsiung three regions in to better understand regional differences of optimizing wall types.

Office buildings and residential buildings are the objects in this study, we explore the external wall heat storage capacity and the indoor cooling loads effects come from different directions, different climate, and different colors. Then through different thermal resistance and thermal mass gets the optimal combination, and analyzing the energy saving by the thermal mass and night ventilation. The study shows:

1. Increasing the roof insulation thickness (U values decrease), in Taipei, Taichung and Kaohsiung three climatic zones, can effectively reduce the April to October indoor temperature and annual sensible heat load; in other words, the results are

storage capacity reduces the result. However, the better external wall insulation performance stop the outgoing indoor heat during the cool seasons, and it causes the higher cooling loads. Hence, the unlimited increasing insulation thickness (U values decrease) is not useful.

2. Investigating the different combinations of insulation and thermal storage in order to find the optimal performance: putting the insulation on the room outside, the middle of the room, and the room inside. According to the three different combinations of the building thermal storage and insulation arrangement simulated situations with the same the U-value and D-value, different thermal storage and insulation arrangements have no effect on reducing sensible heat load. 3. With the increased outer surface absorptivity of the solar radiation, the result of

reducing sensible heat load is better. When the absorption rate from 0.3 to 0.9 in three climate zones. The light external wall construction can save 3%-5% sensible heat load, and using the heavy construction can save 14% -17%.

4. The office buildings do the nighttime ventilation that can reduce 2~3 ° C before turn on the air conditioning, and it also can save about 10 to 14% of the sensible heat load. With the increased number of times of night ventilations, the result of reducing sensible heat load is better. When the air conditioning running during April to October, the unit floor area can reduce 10 to 30% of sensible heat load in three climatic zones; when the air conditioning running all year, it can save 20 to 40%.

5. When both insulation (U value) and regenerative (D value) exists on the office building or residential building external wall or roof, the result of office building has higher than residential construction. When the vertical wall has the increased insulation effect (lower U-value), it can bring helps for the annual sensible heat load with an optimal U value. When the U-value is higher than the vertical wall of 3.0W / m2-K, lower U-value can offer positive help for the annual sensible heat load. However, the vertical wall U-value less than 3.0W / m2-K, continue to reduce the U-value, the annual sensible heat load will instead have a negative effect.

Suggestions:

Based on the findings, this study makes the following specific recommendations: A. When the vertical wall has the increased insulation effect (lower U-value), it can

bring helps for the annual sensible heat load with an optimal U value. When the U-value is higher than the vertical wall of 3.0W / m2-K, lower U-value can offer positive help for the annual sensible heat load. However, the vertical wall U-value less than 3.0W / ㎡ K, continue to reduce the U-value, the annual sensible heat load will have a negative effect. According to the result, it can be provided as a building of residential energy conservation advocacy strategies and legal regulations of the proposed training and promotion Description Reference: immediately feasible suggestions.

Sponsored agencies: Construction and Planning Agency Co-organization: Architecture and Building Research Institute

This plan proposes will include the attachment 3 of the heat load simulation results in order to provide the planning, implementation, and recommendations of the residential sector energy-saving strategies for national energy conferences, domestic energy policy evaluation session. The results of this study will let industry user know the characteristics of thermal insulation and heat storage, both of them can achieve thermal comfort and the air conditioning energy saving, and it will reduce the unnecessary spending.

B. Office building do nighttime ventilation or air conditioning energy policy as: immediately feasible suggestions

Sponsored agencies: Taiwan Power Company

Co-organization: Architecture and Building Research Institute, Center for Architecture Foundation in Taiwan

The study found that office building do night ventilation can effectively reduce sensible heat load, and the increased number of times of night ventilations has the positive results. When the air conditioning running all year, it can effectively save 20 to 40%. Suggesting that the relative units can use the attachment 4 to be reference, which also can be useful data in the energy-policy advocacy.

C. The heat storage design techniques into relevant advocacy handbook: medium and long term recommendations

Sponsored agencies: Architecture and Building Research Institute Co-organization: Construction and Planning Agency

increasing heat storage of external walls will have different effects on the sensible heat load. Based on the results of external insulation walls and storage capacity for indoor environmental effects, list usage patterns with the energy-saving modes (Attachment 5) to be published in the relevant interest advocacy manual to achieve Vision guide. That is energy efficiency and insulation of external walls, and can be provided for users to consider the wall or roof insulation and heat storage capacity on the design directions.

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

壹、研究緣起 隨著建築能耗占國家總能耗的比例逐漸擴大，各國越來越重視建築節能問題。 如吾人所熟知的，經由建築外牆傳入室內的熱量往往是空調負荷的主要來源之一。 所以，設計有良好熱性能的外牆是降低空調負荷的一個簡單而有效方法。習慣上 是透過改進外牆的熱阻值以抑制外牆的熱量傳遞。利用隔熱材料的高熱阻(R 值)， 可以阻礙進入或離開建築物的傳導、對流和輻射熱流。在建築物正確使用外牆隔 熱不僅能減少能源消耗，而且也可以降低 HVAC 系統的設計容量。所謂的低能 耗建築和被動式建築一般都是基於高隔熱性能，同時各國的建築節能標準也都規 定外牆 U 值的最大允許上限。譬如，我國的建築技術規則就規定住宿類的建築 外牆平均 U 值低於 2.75 W/㎡ K，住宿類以外的建築低於 2.0 W/㎡ K。隔熱材料 是指能阻止或減緩熱量通過建築外殼的材料。隔熱是綠建築非常重要的設計手段， 因為它具有可以讓居室空間保留他們原有的內部熱量，同時避免增加過多來自外 部的熱量。隔熱材料的性能是以熱阻 R 值（高熱阻=高 R 值）來表示。根據穩態 熱傳導公式，通過壁體的熱傳量與它的傳導率 U 值成正比。由於 R-值是熱傳導 率 U 值的倒數，隔熱材料的厚度增加一倍並不會削減熱量損失了一半，而是成 如圖 1-1 所示之指數衰減。舉例來說，假設某一個特定的牆體當其無隔熱材料和 使用 1 英吋的隔熱材料之間的差可以節省 80％的熱傳量；而當厚度打算從 1 英 寸增加到 2 英寸時，該隔熱材料可再節省 9％的熱傳量，若打算 9 英寸變成 10 英寸，則僅僅只能再節省 1％的熱傳量。因此，需以如圖 1-2 所示之總生命週期 經濟的概念[1]，綜合考量外牆隔熱系統(包括材料種類和使用厚度)的初始成本加 上節省的空調和供暖系統的能源費用，以最小的成本來決定最佳的隔熱材料厚度。 Kaynakli (2012)等多個研究均指出，當隔熱材持續加厚以降低 U 值至一門檻時， 空調耗能卻無明顯降低，徒增材料生產製造的碳足跡。

另一方面，特別是對只要充分滿足夏季防熱要求，一般可不考慮冬季保溫的 南方溫暖氣候區而言，「不可能僅使用基於 U 值的方法(例如增加牆，屋頂，窗 戶的隔熱材料厚度)來設計節能建築」這樣一個概念在近幾年中越來越受到重視 [2]。通常適用於北方寒冷氣候區的建築保溫材料只是阻隔了熱傳遞，若是將此 一北方氣候的節能概念一成不變的搬到南方氣候來使用，有可能反而幫倒忙，把 已經很熱的建築物再用隔熱材料從外面包起來，不讓熱量散失出去，造成建築節 能效果不明顯[3]。

圖 1-1 成指數衰減關係的熱流量與隔熱厚度

(資料來源：Autodesk Sustainability Workshop[4])

圖 1-2 以生命週期經濟評估決定最佳隔熱厚度的概念

(資料來源：Omer Kaynakli, 2012[1])

如前段所述，儘管良好的隔熱能力可以有效降低建築能耗，然而不可能永遠 只使用以 R 值或 U 值為基礎的方法來設計節能建築。另一種有效的方法是利用

建築結構(特別是混凝土地板，牆壁和屋頂)本身的蓄熱能力。如圖 1-3 所示，屋 頂或者外牆的蓄熱性質(或稱熱質量)可以儲存吸收自太陽的能量，並在稍後慢慢 釋放蓄積的熱量，如此一來便可以達到消除來自太陽輻射熱造成的室內快速升溫 現象，以及行程延遲/減少室內負荷峰值的效果。

圖 1-3 屋頂熱質量吸收儲存自太陽輻射並延遲釋放

(資料來源：Omer Kaynakli, 2012[1])

也就是熱質量，以增加時間延遲與降低衰減因子也是重要的手段。建築結構 本身就有熱質量。透過利用高熱容建築材料的熱質量先吸收熱量，稍後再慢慢向 室內、外側釋放蓄積的熱量，將有助於室內溫度的調節，以及導致延遲/減少室 內負荷峰值和降低平均輻射溫度。 熱阻和熱質量是兩個用於改善熱舒適條件，以及用於降低空調負荷峰值，並 進而降低建築能耗的二個重要參數。在接近穩定的情況下，降低外牆傳熱的被動 手段主要是增加外牆熱阻值，但是在室外氣溫和太陽輻射存在明顯的週期性變化 的不穩定傳熱的情況下,還有必要考慮外牆結構的時間延後(time lag)與強度削弱 (decrement factor)影響。在動態條件下的研究[5]指出透過在建築物中採用有較低 熱導率，但有較高蓄熱能力的砌石牆(masonry wall)，可以有效延緩 60％以上由 穩態 U 值所表明的熱傳遞量。有鑑於熱質量和隔熱一樣，對建築的熱特性有廣 泛的影響，而且熱質量的產生蓄熱作用，是無法被隔熱材料所取代的。所以例如 歐盟和中國就將外牆的蓄熱性能也納入節能標準或規範之中。表 1-1 是與台灣有 相同氣候的中國夏熱冬暖氣候區的居住建築屋頂和外牆的傳熱係數(K)和熱情性 指標(D)節能設計標準[6]。如表 1-2 所示，英國新基準[7]也開始要求要求熱質量。

表 1-1 中國夏熱冬暖地區居住建築屋頂和外牆的傳熱係數(K)和熱惰

性指標(D)基準

屋 頂 外 牆 K<1.0,D≧2.5 K≦2.0,D≧3.5 或 K≦1.5,D≧3.0 或 K≦1.0,D≧2.5 K≦0.5 K≦0.7 備註：D<1.0 輕質屋頂和外牆，還應滿足國家標準 GB 5017-93《民用建築熱 工設計規範》所規定的隔熱要求。 K：外牆的熱傳率 D：外牆的熱惰性指標

(資料來源：中國建設部[6])

表 1-2 英國建築節能規範對隔熱與熱質量的規定

(資料來源：Thermal Performance[7])

貳、研究計畫的重要性 由於能源與環境問題，被動式低能耗建築技術又再度成為人們關注的焦點。 Element or system Value

Opening areas (windows and doors)

Same as actual dwelling up to maximum proportion of 25% of total floor area External walls(U value) 0.18W/㎡ k

Party walls(U value) 0.0 W/㎡ k Floor(U value) 0.13 W/㎡ k Roof(U value) 0.13 W/㎡ k Windows, roof windows, glazed

rooflights and glazed doors

1.4W/㎡ k (whole window value), g-value=0.63

Opaque doors 1.0 W/㎡ k Semi-glazed doors 1.2 W/㎡ k Airtightness 5.0m³/h.㎡

其中利用建築外牆的蓄熱性能，降低建築空調能耗，是被動式供冷技術的重要手 法之一。在世界各地的研究也已表明合理利用建築蓄熱可以有效的調節室內溫度， 達到降低空調能耗的目的。然而，關於建築熱質量在台灣的應用有以下的幾個問 題有待解決，同時也凸顯本計畫的重要性。 (1) 由於蓄熱牆體在建築中的重要作用，國外學者提出了多種概念、方法、 相關參數，透過本研究計畫執行可以將這些研究內容加以分析總結，將 有助於我國蓄熱外牆的技術的發展。 (2) 目前文獻中關於建築蓄熱的研究結果受當地氣候、建築特點、建築結構 的限制，加上熱質量用於濕熱氣候的研究相當有限[1-3]，國內也缺乏對 熱質量的詳細研究，因此國外的研究結果在台灣是否有通用性，有待確 定也值得研究。 (3) 我國建築大多採用鋼筋混凝土或磚石等重質材料建造，這些蓄熱容量大 的牆體的蓄、放熱作用可對抑制對室內溫度波動起一定的調節作用，然 而有關於鋼筋混凝土等重質牆體在北、中、南氣候區對室內熱環境影響， 以及如何結合夜間通風來降低空調能耗的研究較少。 (4) 目前有很多實用的商業軟體, 如 e-Quest 和 EnergyPlus 等，都考慮了蓄 熱的影響，但是需要具備較高的專業素養才能夠完成它們的操作。對於 設計者而言, 可能更需要一個簡單與容易使用的評估參數。考慮建築蓄 熱作用的評估參數眾多，它們對於在建築設計初期進行蓄熱性能的評價 有很好的幫助，可惜的是目前各國尚無統一的評價指標和評價參數。 參、研究預期成果效益 熱阻和熱質量是兩個用於改善熱舒適條件，以及用於降低空調負荷峰值，並 進而降低建築能耗的二個重要參數。在動態條件下的研究表明，隔熱和熱質量對 建築的熱特性有廣泛的影響。本計畫的目的在研究如何透過不同熱阻和熱質量的 組合來提高外牆的熱性能。 深入研究建築蓄熱不僅能夠優化建築熱性能的設計，改善建築熱環境提高舒

適性，節約能源，而且對於建築能耗的可持續發展有積極的作用。基於前人的研 究以及熱質量在台灣推廣有待解決的問題，本計畫內容與目的包括： (1) 界定國內常見外牆蓄熱能力之調查及指標。 (2) 探討外牆蓄熱能力對室內空調負荷之影響同時分析不同方位的外牆蓄熱 對室內空調負荷之影響。 (3) 探討國內北、中、南等不同氣候區下，外牆蓄熱對室內空調負荷之影響。 (4) 完成不同隔熱與蓄熱性能組合對空調負荷之影響與最佳化組合探討。 (5) 完成不同方位的外牆蓄熱對室內空調負荷之影響。 (6) 完成不同顏色的外牆蓄熱對室內空調負荷之影響。 (7) 完成夜間通風和熱質量耦合下的節能分析。

第二節 研究方法與流程

本計畫的目的是了解和量化熱質量在台灣對建築節能造成的好處。研究工作 將包括以下步驟，研究流程如圖 1-4 所示。研究進度及預期完成工作項目的甘地 圖如圖 1-5。

圖 1-4 研究流程圖

(資料來源：本研究繪製)

相關研究與文獻回顧 熱質量的分類、作用原理、影響因素、評價 參數、應用方式、優缺點、以及應用現狀和 前景等整理 常用建築材料熱阻與熱容量的計算，並了解 其熱阻和熱容的關係 選定作為研究對象的辦公建築和公寓住宅模 型，並進行直交實驗設計 全年逐時空調和室內熱環境的動態模擬 外牆熱質量以及與隔熱、顏色和方位組合對 空調負荷與室內熱環境的量化分析 熱質量與夜間通風耦合分析 北、中、南氣候差異在優化牆體熱阻與熱質 量組合的影響分析 結論與報告撰寫 選定作為研究對象的辦公建築和公寓住宅模 型，並進行實驗設計

(1)藉由回顧先前的研究與相關文獻，從熱質量的蓄熱原理出發, 指出熱質量的 正確概念、分類、作用原理及影響其性能發揮的因素, 整理各種熱質量效果 的評價參數，介紹熱質量在建築中的具體應用方式，應用現狀和應用前景， 以及利用熱質量的缺點。 (2)對實際常用的建築材料進行熱阻與熱質量的計算，以瞭解實際材料其熱阻和 熱容的關係。以便研究不同熱阻與熱質量對空調負荷和室內熱舒適度的影 響。 (3)選定做為研究對象的辦公建築和公寓住宅模型，並進行實驗規劃設計。 (4)利用著名的建築能耗模擬軟體 EnergyPlus 進行全年逐時的空調負荷和室內熱 環境的動態模擬，以調查建築外牆的熱質量對典型辦公室及住宅的空調能耗 和室內熱環境的影響。選用 EnergyPlus 的原因包括它是經過廣泛驗證的、能 模擬各種先進的建築特色、以及多數先前的熱質量研究也使用該軟體做為模 擬工具。 (5)量化分析外牆的熱質量與其他熱性能(如隔熱性能、外牆顏色和方位朝向)組 合，對建築能耗與室內熱舒適度的影響。 (6)確定熱質量與夜間通風耦合對建築能耗和室內熱環境的好處。本研究選定四 種不同的夜間通風換氣情境進行分析與討論。參考先前的研究，四種夜間通 風情境暫定為：無夜間通風、換氣次數為每小時 5 次、10 次和 20 次。 (7)透過對臺北、台中和高雄三個地區的建築空調負荷進行動態模擬，以研究地 區的差異性在優化牆體構造型式方面的差異。氣象資料採用 TMY3 逐時氣象 年。

月次 工作項目 第 1 個 月 第 2 個 月 第 3 個 月 第 4 個 月 第 5 個 月 第 6 個 月 第 7 個 月 第 8 個 月 第 9 個 月 第 10 個 月 第 11 個 月 備 註 熱質量分類、作用原理、評 價參數、應用現況和前景等 整理 常用建築材料熱阻和熱質 量的計算，並瞭解其熱阻和 熱容的關係 選定研究對象，進行實驗設 計 全年逐時空調負荷和室內 熱環境的動態模擬 外牆熱質量以及隔熱、顏色 和方位組合對空調負荷與 室內熱環境的量化分析 熱質量與夜間通風耦合分 析 北中南氣候差異再優化牆 體熱阻和熱質量組合的影 響分析 報告撰寫 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 5 % 13 % 23 % 35 % 50 % 60 % 73 % 83 % 93 % 98 % 100 %

圖 1-5 研究進度及預期完成工作項目

(資料來源：本研究繪製)

第二章 資料與文獻分析

第一節 何謂熱質量

室外空氣溫度和太陽輻射存在明顯的週期性變化，所以牆壁的熱傳遞過程實 際上並不存在穩定狀況，而是屬於不穩定狀況。簡單來說，如圖 2-1(a)所示，在 白天，因為太陽輻射加上比較高的室外空氣溫度，熱量會透過牆體由室外往室內 傳遞。到了晚上，太陽下山和氣溫下降，熱量會由室內往室外傳遞。如圖 2.1(b) 所示的一種情況是增加建築物的牆體、屋頂或者樓板的蓄熱能力，將白天多餘的 熱量儲存在蓄熱材料內部，到晚上才讓熱量從蓄熱材料內散發出來。這種利用建 築牆體、屋頂或者樓板的蓄熱特性，將熱量先儲存起來，稍後再釋放，而在時間 上產生向後推移的現象，就稱為”熱質量效應”。 (a)日/夜間的熱流量交替循環 (b)熱質量的工作原理

圖 2-1 熱質量效應的工作原理

(資料來源：本研究繪製)

對某一種特定的材料來說，須同時滿足底下三項基本的特性方能提供達到有 用水準的熱質量︰ 熱質量原理 白天 熱 涼爽 晚上 熱 涼爽

1. 具高比熱；每公斤所儲存的熱才能最大化。 2. 具高密度；材料越厚重，它能儲存的熱就越多。 3. 具適當的熱傳導係數；流入和流出外材料的熱流率才能與建築物日/夜間 的熱流量循環交替同步。 我們以表 2-1 所列的幾種常見的建築材料來說明。首先，像木材這類的材料， 有高的熱容量(熱容量=比熱×密度)，但是它的熱傳導係數相當低，因此局限它在 白天吸熱並且在夜裡釋放的速率。接著，鋼也能夠儲存熱量，但是它和木材剛好 形成對比；它有非常高的熱傳導係數，這意謂熱量可以迅速的被吸收與釋放，反 而不能和建築物的日/夜間的熱流量循環交替同步。最後，像磚塊、石材和混凝 土這類特別厚重的建材具有前述三項的所有特性，它們有高的熱容量和適當的熱 傳導係數，使得熱量在材料的表面和內部之間的傳遞速率能和大樓熱量的日/夜 間交替循環的速率一致。

表 2-1 幾種常見建築材料的熱質量

建築材料 比熱容 (J/kg.K) 密度 (kg/㎡) 熱導係數 (W/m.k) 有效熱質量 木材 1600 500 0.13 低 鋼 450 7800 50.0 低 混凝土 1000 2300 1.75 高 磚 1000 1750 0.77 高 石材 1000 2300 1.8 高

(資料來源：本研究彙整)

利用建築進行蓄熱是一種新型的建築系統, 也是被動式設計的手法。利用材 料的蓄熱能力有時間延遲(Time lag)與強度衰減(Decrement factor)現象兩個主要 的優點。時間延遲指熱量自室外傳入室內的過程中所需的時間，同時溫度幅度發 生的衰減稱為強度衰減。例如，如圖 2-2 所示，假如在設計建築時能讓延時超過 6 小時，當外界環境處於下午 2 點最高溫度時，室內受到牆體延遲作用，那麼室

外最高溫度將在晚上 8 點左右傳至室內，就可以大大的減少建築空調系統的負荷。 表 2-2 則說明瞭熱質量在夏季和冬季的運作原理。

表 2-2 熱質量在夏季和冬季的運作原理說明

夏季 冬季 白天： •在炎熱的天氣，窗戶保持關閉，以 防止戶外高溫的空氣。 •地板和牆壁的熱質量可以吸收輻射 和對流的熱量，有助於穩定室內溫 度。 白天： •低角度的太陽光可以透過窗戶照進室 內，地板和牆壁透過熱質量吸收熱 量。 •當傍晚太陽下山後，室內溫度下降， 熱流反轉，傳回房間。 夜間： •打開窗戶，利用夜間通風冷卻建築 結構。 •如果預報顯示隔天白天是高溫的天 氣，則在早上關閉窗戶。 夜間： •夜間拉下窗簾和關閉窗戶，以減少熱 損失。 •熱質量繼續釋放熱，直到清晨大部分 儲存的熱量被釋放完為止。

(資料來源：本研究繪製)

圖 2-2 熱質量的延時與削弱作用

(資料來源：本研究繪製)

峰值溫度延 遲六個小時 峰值溫度可達6-8 的差異 採用較高的熱質量 採用較低的熱質量 外部溫度 白天 晚上 白天

第二節 蓄熱方式的分類

蓄熱材料的定義是能夠儲存能量的物質（儲存的能量可以用於暖房(heating) 也可用於冷房(cooling)。它包括建築外圍護結構，建築內部的分隔物、傢俱，甚 至連建築室內的空氣也可以看成是蓄熱材料。就蓄熱材料所處的位置來看，可以 分為室外蓄熱材料和室內蓄熱材料。像傢俱和室內的水泥隔間或者樓板，因為它 們沒有直接暴露在室外空氣溫度的作用下，便屬於室內蓄熱材料。相反的，像建 築物的外牆和屋頂等直接暴露在不斷變化的室外空氣溫度的作用下，就屬於室外 蓄熱材料。 根據蓄熱的方式的不同，應用於建築外牆結構進行冷、熱量儲存的方式也有 很多。本報告將按照其主要蓄熱方式來進行闡述。 牆體蓄熱：利用通過牆體進行熱儲存系統研究最多的是特貝朗牆(Trombe Wall)系統，如圖 2-3 所示。這種系統一般是南面安裝透明的玻璃蓋板, 背面是預 製的具有一定厚度的混凝土牆, 牆體外表面塗成深色, 白天吸收太陽輻射。在冬 天通過如圖 2-3(a)的空氣迴路向室內供熱, 同時存儲多餘的熱量，再於夜間向建 築室內散熱。在夏季的空調季節通過如圖 2-3(b)的空氣迴路，利用原本要排出室 外的涼爽空氣，冷卻牆體，減少傳入室內的熱量。 (a)冬天模式 (b)夏天模式

圖 2-3 特貝朗牆的基本原理

(資料來源：本研究繪製)

樓板蓄熱：樓板作為建築組成的一部分也可以用於蓄熱和蓄冷，利用樓板進行 採暖、供冷的工程應用越來越普遍，且樓板材料一般熱容量較大，因此其蓄熱作用 也越來越得到關注。較常見的樓板材料為混凝土，太陽直接照射在地板熱質量上表 面，熱質量升溫與室內換熱並同時儲存熱量。如圖 2-4 所示，其優點為太陽輻射得 熱利用率高，適用於南面窗牆比大的建築。但缺點是太陽照射在地板上表面，熱源 由底部供熱，由於熱質量的熱延遲效果地板過熱不可避免。

圖 2-4 樓板蓄熱形式

(資料來源：本研究繪製)

相變材料蓄熱 相變材料是指隨著溫度變化而改變形態並能提供潛熱的物質。相變材料在發 生相變的過程中，可以吸收環境的熱量,並在需要時間向環境釋放出熱量，從而 達到控制周圍環境溫度的目的。在相變過程時，相變材料將吸收或釋放大量的潛 熱，同時材料自身的溫度在相變完成前後幾乎維持不變。透過在普通建築材料中 加入相變材料,製成具有較高熱容量的輕質建築材料，稱為相變儲能建築材料。 被稱為新一代熱質量的相變儲能建築材料作為一種熱功能複合材料，可將能量以 相變潛熱的形式進行貯存，實現能量在不同時間，空間位置之間的轉換。如圖 2-5 所示，將相變材料應用到現有的建築屋頂結構中，可以大大增加屋頂結構的 儲熱功能。由於相變儲能結構的儲熱作用，穩定了屋頂結構的溫度，建築物室內

和室外之間的熱流波動被減弱，作用時間被延遲，從而減少室內溫度波動，同時 可以降低建築物空調系統的設計負荷，達到節能的目的。 (a) (b)

圖 2-5 相變材料應用於現有的建築屋頂結構

(資料來源：

a)http://media.treehugger.com/assets/images/2011/10/phasecnage-ho

w.jpg 、b) http://www.villagepcm.com/thermal-mass.htm )

第三節 熱質量的評價參數

在穩態傳熱的情況下，僅用熱阻這項參數便可以詳盡的描述牆體的傳熱特性。 然而在實際情況中，牆體的傳熱現象是複雜的不穩定傳熱過程。建築外牆的熱傳 導解析可以如圖 2-6 所示的簡圖來表示，其相關假設如下：溫度僅沿 x 軸方向變 化；牆體無內熱源熱；牆體材料的物性參數為常數；牆體導熱過程忽略濕氣傳導 及其相變熱對牆體的熱物性參數和溫度分佈的影響。則牆體的熱傳導可視為一維 非穩態的傳熱過程，其方程式為 (2-1) 式中：ρ為密度(kg/m3_{)；c 為比熱容(KJ/kg-K)；k 為熱傳導係數(W/m-K)。}

圖 2-6 建築外牆的熱傳導解析示意簡圖

(資料來源：本研究繪製)

在實際的應用中，牆體的兩側的邊界條件為 (2-2) (2-3) 2 2

x

T

k

t

T

c













)]

(

)

(

[

)

(

₀

h

T

t

T

₀

t

x

T

k

_x



_{o sol}



_x





)]

(

)

(

[

)

(

h

T

t

T

t

x

T

k

_{x L}



_{i x L}



_i





 

式中 ho 和 hi 分別為牆體外側、內側空氣對流換熱係數(W/㎡ K)；Tx=0(t)和 Tx=l(t) 分別為牆外、內壁面溫度。Ti(t)為室內空氣溫度；Tsol(t)為室外的日照-空氣溫度 (sol-air temperature)，考慮日照-空氣溫度的 24 小時週期性，一般將其視為正弦變 化。 由公式(2-1)可知方程的解，在邊界條件不變下，只考慮厚度(L)、密度(ρ)、 比熱容(c)及導熱係數(k)四個參數的影響。而且這四項參數也組成了如圖 2-6 所 示的牆體的隔熱與蓄熱能力。

表 2-3 熱質量的評價參數

參數名稱 物理意義 熱容量 某種物質單位質量溫度升高 1℃所吸收的熱量 時間常數 決定建築物對周圍熱負荷的響應率，定義為溫度降到初始 值的 63%時所需的時間。 時間延遲 對於建築外牆任何深度 x 處，溫度到達最大值的時間比牆 體室外側表面溫度達到最大值的時間落後的相位角。 衰減倍數 描述溫度波或熱流波通過外牆的衰減現象，定義為室內溫 度振幅和室外溫度振幅的比率。 導納因數 當溫度按照 24 小時為一個週期變化時，熱量傳遞到牆體的 深度。 蓄熱係數 週期性作用下，當表面溫度波的振幅為 1℃時，消耗在加 熱無限大之厚度牆體材料的熱流波振。 熱擴散率 表面溫度對單位元表面熱流密度變化的響應，定義為熱流 密度和熱傳導率乘積的平方根。 日熱容量 一天 24 小時材料儲存的熱量 有效熱儲存 考慮建築的熱容量、熱阻、建築內外表面熱阻的影響。 熱質量效應係數 考慮與不考慮熱質量蓄熱時所需的月冷負荷之比。 M 因數 考慮建築動態特性，修正穩態熱傳係數。 熱惰性指標 外殼結構抵抗溫度波和熱流波在材料層傳播的指標。

(資料來源：本研究彙整)

牆體的隔熱能力是指阻止或減緩熱量通過牆體的能力。牆體或材料的隔熱能 力是以熱阻 R 值來衡量測量。R 值為熱傳導率(U 值)的倒數，其計算式為： (2-4)

k

L

U

R



1



牆體的蓄熱能力通常慣稱為熱質量，它對通過牆體的熱量起延時與削弱作用。 描述牆體蓄熱能力的參數有很多，其名稱和物理意義整理如表 2-3。其中導納因 數、時間延遲、衰減倍數在英國的建築節能規範中使用，蓄熱係數和熱惰性指標 則在中國的建築節能標準中使用。表 2-4 說明瞭牆體導納因數、時間延遲、衰減 倍數、蓄熱係數和熱惰性指標與牆體材料的基本物性參數之間的關係。底下是它 們計算方法的說明。

表 2-4 牆體蓄熱能力參數與材料基本物性之間的關係

厚度(L) 密度(ρ) 比熱(c) 熱導係數(k) 熱阻 ◎ ◎ 導納因數 ◎ ◎ ◎ ◎ 時間延遲 ◎ ◎ ◎ 衰減倍數 ◎ ◎ ◎ 蓄熱係數 ◎ ◎ ◎ 熱惰性指標 ◎ ◎ ◎ ◎

(資料來源：本研究彙整)

蓄熱係數：材料的蓄熱係數是指在一定週期性的熱作用下，當牆體表面溫度 的波幅為 1℃時，消耗在加熱無限大之厚度牆體材料的熱流波振幅，材料的蓄熱 係數可以表示材料的穩定性。材料蓄熱係數的單位為 W/㎡ K，計算公式如下： (2-5) 式中ρ為材料的密度(kg/m3_{)；c 為材料的比熱(KJ/kg-K)；k 為材料的導熱係數} (W/m-K)密度(kg/m3)；w 為溫度的波動週期(秒)，一般取 86,400 秒(24 小時)為週 期。 牆體的熱惰性指標：當牆體的熱阻相同而組成材料不同時，室外溫度對室內 環境的影響不同，牆體材料的蓄熱係數愈大，則對室內環境的影響也就愈大；所

ck

w

ck

S



2





0

.

51



以在實際的建築牆體中，也會採用牆體的熱阻與牆體材料的蓄熱係數的積，即建 築牆體的熱惰性指標，來評價牆體的傳熱、蓄熱性能。牆體熱惰性指標的計算公 式如下： (2-6) 若為多層牆體材料，則 (2-7) 式中 R 為牆體材料的熱阻, ㎡ K/W；S 為牆體材料的蓄熱係數, W/㎡ K。 在熱惰性指標中熱阻反映介質或介質間的傳熱能力的大小，蓄熱係數表達吸 收和釋放熱能的能力。因此，熱惰性指標表達了牆體對於溫度變化和傳熱變化的 抵抗能力；熱惰性指標越大，牆體越不易改變其溫度。 導納因數、時間延遲、衰減倍數的理論計算公式相當繁瑣，在 ISO 13786:2007 中有詳細的說明。透過由 Arup 開發 Concrete Centre 發行的免費軟體 Dynamic Thermal Property Calculator 可以算出各種牆體構造的導納因數、時間延遲、衰減 倍數。圖 2-7 是該軟體的操作介面。

接下來我們將利用公式(2-4)-(2-6)以及 Dynamic Thermal Property Calculator 算出國內常用外牆與屋頂構造的導納因數、時間延遲、衰減倍數、蓄熱係數和熱 惰性指標等描述其蓄熱特性的參數。部分的計算結果如表 2-5，完整的計算結果 請參考附錄一與附錄二。

S

R

D













n i i i

S

R

D

1

圖 2-7 Dynamic Thermal Property Calculator 的操作介面

表 2-5 部分常用外牆隔熱蓄熱特性

編號 構造大樣 厚度 m 比重量 kg/㎡ 比熱 kJ/kg·K 熱導係數 W/m·K 熱阻 K·m/W 蓄熱係數 W001 室外空氣層 0.043 瓷、磚 0.010 2400 0.841 1.3 0.008 13.81 灰漿 0.015 2000 0.801 1.5 0.010 13.22 細骨材混凝土 0.120 2200 0.881 1.4 0.086 14.05 灰漿 0.010 2000 0.801 1.5 0.007 13.22 室內空氣層 0.111 隔熱與蓄熱能力參數 熱傳導率 3.78 導納因數 5.64 熱惰性 1.53 衰減倍數 0.72 時間延遲 4.00 W002 室外空氣層 0.043 瓷、磚 0.010 2400 0.841 1.3 0.008 13.81 灰漿 0.015 2000 0.801 1.5 0.010 13.22 細骨材混凝土 0.150 2200 0.881 1.4 0.107 14.05 灰漿 0.010 2000 0.801 1.5 0.007 13.22 室內空氣層 0.111 隔熱與蓄熱能力參數 熱傳導率 3.50 導納因數 5.78 熱惰性 1.83 衰減倍數 0.63 時間延遲 4.86

(資料來源：本研究彙整)

第四節 文獻回顧

由於熱質量的延時與削弱作用在建築節能中的重要性，在國際上已獲得相當 程度的重視，並已有許多學者對這一領域展開了大量的研究。

國際能源機構（IEA）在其 Task 13: Advance solar low energy buildings 計畫 中，特別在其歐洲和北美洲的 12 個測試模塊房子中的 5 個進行熱質量的影響實 驗。實驗結果表明，建築熱質量可以在溫帶氣候區有效抑制夏天室內溫度過熱的 問題[8]。 Williamson[9]的文章介紹了在澳大利亞氣候條件下採用熱質量的好處。在遵 循澳大利亞的建築規範要求下，Williamson 透過對如圖 2-8 (a)的建築模型進行能 耗模擬。Williamson 使用圖 2-8(b)所示之混凝土夾心板的牆構造，在牆體的總 U 值不變的前提下，調整混凝土和隔熱材的厚度，以組成有不同熱質量的外牆。圖 2-8 (c)顯示逐漸增加牆體熱質量在澳大利亞不同氣候區產生的節能效益。從這些 結果可見，增加外牆的熱質量（其他性質保持不變）可以大量減少總能耗量。在 夏季和冬季明顯的氣候區 2 和氣候區 3 其效果最為突出。根據研究發現， Williamson 提出一個質量增強 R 值(Mass Enhanced R-value)的概念。

式中 R 是穩態狀況下的 R 質，m 是牆體的 m 因數(m-Factor)。而且此一 RME 值 可以取代建築規範中的 R 值。 D’Orazio 等[10]有感於許多目歐盟成員國前的節能建築法規似乎遵循北歐的 趨勢要求高隔熱性能的建築外殼，以及這種規定忽略了在溫暖氣候區建造典型建 築的所必需的元素—外殼熱質量。D’Orazio 等的研究透過在圖 2-9 的全尺寸實驗 屋的實測實驗，探討了屋頂熱質量如何影響室內的舒適度。實測實驗使用了輕型 和重型兩種不同的屋頂。實驗地點是在有溫暖氣候的義大利的安科納(Ancona,

m

R

R

_ME



Italy)。實驗表明，一定程度的屋頂熱質量能保證在夏季和冬季有更好的室內舒 適度，而且還可以減少暖氣的能源消耗。 (a)使用的建築模型 (b)使用的混凝土夾心板牆 (c)熱質量的節能效果

圖 2-8 Williamson 的研究摘要

(資料來源：Williamson, 2011[9])

Lakeridou[11]以位於英國南部的巴斯大學(the University of Bath)內具有不同 的熱質量的兩棟大樓進行案例研究。案例研究的內容包括室內溫度測量以及熱舒 適問卷調查。如表 2-6 所示之調查結果表明，建築熱質量可以在實現熱舒適性方 面發揮關鍵作用。Lakeridou 強調在英國熱質量是達成建築物於夏天，室內有舒 適溫度的最重要參數。

圖 2-9 D’Orazio 等的研究所使用的全尺寸實驗屋

(資料來源：Lakeridou, 2010[11])

表 2-6 Lakeridou 案例研究的調查結果

(資料來源：Lakeridou, 2010[11])

Yang 和 Li[12]進行了熱質量結合夜間換氣對香港空調辦公樓能耗影響的定 量分析。Yang 和 Li 的研究以時間常數(time constant)作為描述建築熱質量的參數。 研究結果(參考圖 2-10)發現：以完全沒有熱質量的建築(時間常數=0)做為比較基 準，增加時間常數 (即建築物的熱質量)，能有效減少冷負荷。若時間常數>400， 減少冷負荷多達 60％以上；然而，當時間常數>1000，進一步增加建築物的熱質 量可能會稍微增加了冷卻負荷。這是因為過大的時間常數，推遲了熱質量的熱釋

放到隔日的白天。因此，研究指出為了達到最有效減少冷負荷時，建築熱質量和 夜間換氣量需要匹配。另外，Zhou 等人[13]也在香港進行熱質量與自然通風耦合 的研究，也得到類似的結果。

圖 2-10 Yang 和 Li 的研究發現：時間常數與降低冷負荷之間的關係

(資料來源：Yang 和 Li, 2008[12])

Aste 等人[14]的研究評估了多種參數的組合對提升或衰減熱慣性作用的結 果。他們對一些具有相同外牆 U 值，但有不同的動態性能的案例(如表 2-7)進行 了電腦模擬，計算其節能效果(如圖 2-11)。其分析結果顯示牆體的熱質量會影響 暖氣和冷氣需求的範圍約在 6％(暖氣)和 21％(冷氣)。Kossecka 和 Kosny[15]的研 究指出在美國不同的氣候區和建築類型下，牆體熱質量的節能效果介於 2.3％至 11.3％。然而，Bojic 和 Loveday 的研究[16]指出若 HVAC 系統為間歇運轉，熱 質量對暖氣的節能效果可達 40％，而對冷氣的效果更高達 84％。不過若 HVAC 系統是連續運轉，則沒有發現熱質量會產生相關的影響。 Balaras[17]表明建築物的熱質量可以降低冷氣負荷的峰值和室內溫度的波 動。他還表明作為能源節約替代方案的熱質量在提供舒適的室內環境的效果。 Balaras 的研究表明，對於大晝夜溫度變化的氣候區，熱質量顯著減少了空調系 統的能耗。他建議設計者應先計算建築物的最佳的熱質量，然後以可以減少室內 溫度波動的方式來佈置熱質量。他還提出對於辦公樓，可以通過夜間通風來增加

熱質量。

表 2-7 Aste 等人的研究案例說明

(資料來源：Aste, 2009[14])

圖 2-11 Aste 等人的研究發現：牆體的熱質量對暖氣和冷氣需求的影

響程度說明

(資料來源：Aste, 2009[14])

Brown[18]透過將地板熱質量從 20 kg/m2 增加到 200 kg/m2 的實驗方式來了 辦公大樓中熱質蓄熱對於減少能耗的作用，研究結果顯示：在門窗關閉和通風兩 種情況下, 室內最高溫度分別下降了 1℃和 2℃；與原建築相比，增加熱質量後 節能 18 ~20 %。

Givoni[19]測試在美國加州北部氣候下，不同重質材料的蓄熱能力對夏天白 天降低室內溫度的作用。研究發現利用建築蓄熱耦合夜間通風在潮濕的加州是一 種非常有效的降溫措施, 在白天最高溫度為 38℃時, 室內最高溫度只有 24.5℃。 Ednashav 等人[20]利用 EnergyPlus 軟體模擬了四種蓄熱材料(輕質、中輕質、 中重質、重質)和四種夜間通風情況(無通風、自然通風、每小時 20 回和 30 回的 機械通風)下的室內溫度變化的情況。結果顯示, 建築蓄熱結合適當的通風能使無 空調房間的室溫降低 3~6℃，如圖 2-12 所顯示。

圖 2-12 不同組合下室內溫度降低的情形

(資料來源：Edna Shaviv，2001)

Gregory[21]等透過軟體模擬了澳洲四種有不同熱質量的常見外牆構造，如圖 2-13 所示，以瞭解熱質量在澳洲氣候下對住宅的空調能耗影響。Gregory[19]等發 現：熱質量具有在沒有使用暖氣或冷氣情況下，還能保持室內溫度的舒適，從而 顯著降低住宅能耗的能力。為了最大限度地減少能源消耗和建築創造一個可持續 發展的未來，充分利用建築結構的熱質量是必須的。而且 Gregory 的研究也發現 搭配良好的隔熱，外牆熱質量的節能效果更能發揮。

圖 2-13 四種不同類型的建築外牆切面

(資料來源：Sami A. Al-Sanea，2012)

Hacker [22]等以生命週期的觀點評估位於英國的一棟住宅，外牆熱質量在 100 年的建築生命週期內，對建造和運轉(暖氣和冷氣能耗)所產生的 CO2的影響。 針對四種不同熱質量水準的外牆的分析結果，Hacker 發現源自於外牆蓄熱作用， 運轉暖氣和冷氣所消耗的能量會隨著外牆熱質量增加而顯著的減少。圖 2-14 顯 示出，就建造所排放的 CO2而言，高熱質量的外牆至多較低熱質量的外牆多排 放 15%的 CO2(4.93 噸)，但是此一建造所多排放的 CO2，很快的在生命週期的初 期便被運轉所減少的 CO2排放量平衡回來。在整個生命週期內，高熱質量的外 牆所減少的 CO2 排放量達 17%(35.7 噸)。 Tasnuva[23]探討熱質量在加拿大住宅建築對能源性能的影響。研究表明，熱 質量對降低能源消耗顯著影響（在溫哥華節省 15％的暖氣與冷氣能耗），以及 降低室內溫度。另外研究也表明熱質量若能與其他策略(如高隔熱 R 值)結合能創 造比單單使用熱質量更多的節能減排。

圖 2-14 累積的二氧化碳排放量（a）全空調的情況下（b）混合模式

(資料來源：Jacob N Hacker，2008)

Balaras[24]表明熱質量可以降低建築物冷負荷的峰值和溫度的波動。他建議 有效的利用熱質量可以提供舒適的室內環境，作為節約能源的替代方法。他的研 究表明，熱質量在大晝夜溫度變化的氣候下，顯著減少了空調系統的能耗。他還 提到在辦公建築熱質量若能搭配到夜間通風，可以創造更多的空調節能潛力。 袁偉等[25]對中國西安地區某一居住建築的全年累計冷/熱負荷進行動態模 擬，分析在自然通風和蓄熱耦合作用下對能耗的影響，研究結果發現：牆體的材 料是影響建築能耗的重要因素，重型牆體結構比輕型牆體結構節能，外牆結構為 重型材料時的節能率可以達到 11.76%。袁偉和張雪玲[26]分析不同氣候下自然通 風與蓄熱耦合作用的節能效果。結果表明由於地區的差異性，各個地區達到最佳 的節能效果的墻體構造型式有很大的差異。

白雪蓮等[27]以重慶地區居住建築為研究對象，構造九種有不同蓄熱性能的 外牆型式。利用 e-Quest 軟體模擬建築空調冷負荷，分析了在不同空調運行模式 下熱惰性指標對累計負荷的影響。結果表明：熱惰性指標和衰減倍數的增大有益 於累計冷負荷的減小，當熱惰性指標小於 3 時，其變化對空調冷負荷影響不明顯， 如圖 2-15 所示。同時，熱惰性指標對累計冷負荷的影響還需要考慮不同功能房 間在不同時段的熱性能要求。

圖 2-15 建築累積冷負荷隨熱惰性指標的變化趨勢

(資料來源：白雪蓮，2013)

白貴平等[28]引入圍護結構的”熱穩定性度時數(DH)”和”反應係數”(BER)”的 概念，分析不同形式的維護結構對室內空調冷負荷及室內空氣熱穩定性的影響， 提出如何對針對不同的使用條件下合理選擇維護結構的隔熱形式。Xing Jin 等[29] 透過熱質量的時間延遲及衰弱因數兩個參數分析發現，牆壁的熱質量對能耗和房 間的熱舒適性有很大影響。Kyoung-ho Lee 等[30]，探討熱質量及建築結構儲能 來減少建築能耗在高峰時刻的用電需求，研究中發現這樣的設計能夠促使空調耗 電高峰期減少約 30%的能耗，並兼顧室內使用者的舒適程度。

第三章 熱質量在辦公建築的應用

第一節 外牆及屋頂蓄熱模擬條件概述

為獲得辦公建築熱質量對建築節能性能的影響，本計畫的研究對象為典型一 般辦公建築，每一層樓平面劃分為東、南、西、北四個辦公空間單元，皆為寬 5m，長 6m，面積 30 ㎡的長方形區域，且各單元空間皆有一個寬 4m，高 1m 的 窗戶及遮陽深度 1m 的外遮陽。計算熱負荷時，使用 EnergyPlus 模擬軟體及標準 氣象年來計算全年的空調負荷量。其輸入條件為：在上班時間(星期一至星期五， 8:00-18:00)全年供應冷氣。在每間辦公空間的人員密度為 0.1 人/㎡；每辦公空間 的光源使用頻率如圖 3-1 所示，早上 8 點到 12 點與下午 1 點到 6 點為主要使用 時段；而辦公空間中的相關設備使用時段如圖 3-2 所示，使用頻率與燈光使用一 致。 就辦公建築耗能可分為牆體的貫流熱及顯熱負荷兩種，本研究取實驗模型分 成外周區四個方位及內周區水平方位兩部分來討論。外周區負荷包括外周熱及內 部發熱，與外界氣象條件關係密切；內周區(中央區)則包括內部發熱及屋頂隔熱。 本章將討論在不同方位和氣候區屋頂及外牆隨外殼 U 值變化對空調顯熱負荷的 情形，透過三種不同模式來探討調整空調時間是否能節省空調負荷；並透過改變 熱質量的材料來探討最佳化的情形。

圖 3-1 燈光使用頻率

(資料來源：本研究繪製)

圖 3-2 辦公發熱設備使用頻率

(資料來源：本研究繪製)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 00:00 08:00 12:00 13:00 18:00 23:59 Fr e q u e n cy

Lighting

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 00:00 08:00 12:00 13:00 17:00 23:59 F req u en cy

Office Occupancy

第二節 隔熱性能

建築外殼能夠具有良好的蓄熱性能和隔熱性能影響空調節能的關鍵性因素。 在這一節我們先探討隔熱性能的影響，至於蓄熱性能的影響則在後續的幾節中探 討。為了瞭解隔熱性能在台灣地區對辦公建築空調負荷的影響，首先我們透過如 圖 3-3 所示之改變幾乎無熱質量的金屬帷幕外牆或鐵皮屋頂的隔熱材厚度，來觀 察隔熱性能對辦公室空調負荷的影響。其中外飾材料為 9 mm 的鋼板，內飾材料 為 19mm 的石膏板。表 3-1 列出了我們所選擇的八種外牆或者屋頂的構造的說明。 這八種構造隔熱材厚度由 0 mm 到 55mm，其對應的 U 值是從 6.0W/ m²K 到 0.5 W/ m²K。

表 3-1 不同隔熱性能的八種輕質量外牆熱性質說明

編號 1 2 3 4 5 6 7 8 隔熱厚度 (mm) 0 5 7.5 10 25 35 45 55 U 值(W/㎡ K) 6.0 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.75 0.5 D 值(-) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2

(資料來源：本研究彙整)

圖 3-3 無熱質量下的外牆構造示意說明

(資料來源：本研究繪製)

內飾材料 (石膏板) 外飾材料 (金屬板) 隔 熱 材 料 厚度(變動)

首先，我們從表 3-1 中選出編號 2 (5 mm 隔熱材，U 值=3.0W/m²K)、編號 5 (25mm 隔熱材，U 值=1.5W/m²K)和編號 8(55mm 隔熱材，U 值=0.5W/m²K)，並 以有西向外牆的單元辦公室，在台北氣候下的全年空調負荷模擬結果為例，來詳 細說明外殼的 U 值變化對不同季節的空調顯熱負荷影響。眾所周知，低 U 值的 外牆或屋頂具有良好的隔熱效果。在炎熱的季節它可以阻擋熱量從戶外傳入室內， 從而減輕空調負荷；但另一方面，在涼爽的季節它也會阻擋室內的熱量散到戶外， 反而增加空調負荷。圖 3-4 是這三種構造在天氣較炎熱的 4-10 月，以及較涼爽 的 11-3 月的空調顯熱負荷。圖 3-4 明白顯示不論是有較低 U 值的西向外牆或者 是水平屋頂的單元辦公室，在 4-10 月有較低的空調顯熱負荷，在 11-3 月反而有 較高的空調顯熱負荷。在西向外牆，當 U 值從 3.0 W/ m²K 依序遞減至 1.5 W/m²K、 0.5 W/m²K 時，在 4-10 月的總空調冷負荷從 7863MJ(1.0)遞減至 7519 MJ(0.956) 和 7292MJ (0.927)。同樣在水平屋頂部分，U 值從 3.0 W/m²K 依序遞減至 1.5 W/m²K 和 0.5 W/m²K 時，在 4-10 月的總空調冷負荷從 12924MJ(1.0) 遞減至 10836MJ(0.838)和 9076 MJ(0.702)。然而在 11-3 月，當 U 值從 3.0 W/m²K 依序遞 減至 1.5 W/m²K 和 0.5 W/m²K 時，西向外牆的總空調冷負荷從 1442MJ(1.0)遞增 至 2,435 MJ(1.69)和 3,560 MJ(2.47)；水平屋頂從 1797 MJ(1.0)遞增至 2265 MJ(1.25) 和 4026MJ (2.26)。

圖 3-4 有不同外殼 U 值的單元辦公室的空調顯熱負荷

(資料來源：本研究繪製)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 4-10月 11-3月 4-10月 11-3月 西向外牆 水平屋頂 顯 熱 負 荷 , M J