建築節能策略實驗屋設計與實測驗證

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年

度

101

建築節能策略實驗屋設計與實測驗證

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 101 年 12 月

10163B001

建築節能策略實驗屋設計與實測驗證

執 行 方 式 ：□補助研究 ■協同研究 □自行研究

執 行 單 位 ：內政部建築研究所（環境控制組）

研 究 主 持 人 ：廖慧燕

共 同 主 持 人 ：呂良正

研

究

員 ：陳麒任、唐瑢書

研 究 助 理 ：李君婷、鄭雅文

內政部建築研究所協同計畫報告

中華民國 101 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

表次 ... III 圖次 ... V 摘要 ... IX 第一章 緒論 ...1 第一節 研究動機與目的 ...1 第二節 蒐集之資料、文獻分析 ...2 第三節 各章內容 ...4 第二章 研究方法 ...7 第一節 簡介 ...7 第二節 實驗屋的設計 ...8 第三節 實驗儀器介紹與說明 ... 11 第四節 介紹三種節能策略的實驗方式 ... 11 第三章 熱物理與熱舒適性相關理論 ...19 第一節 熱傳遞理論 ...19 第二節 總熱傳遞係數 U...22 第三節 太陽日照、輻射相關理論 ...23 第四節 熱舒適性相關理論 ...27 第四章 實驗結果分析與比較 ...43 第一節 遮陽實驗組 ...43 第二節 換氣率實驗組 ...50

第三節 不同屋頂與外牆 U 值實驗組...53 第五章 結論與建議 ...79 第一節 結論 ...79 第二節 建議 ...81 附錄一 第一次專家座談會委員意見與回應表 ...83 附錄二 期中審查會議記錄與回應表 ...87 附錄三 第二次專家座談會委員意見與回應表 ...91 附錄四 期末審查會議記錄與回應表 ...93 參考書目 ...97

表次

表 2-1 不同外牆與屋頂的 U 值 ... 13 表 2-2 風扇馬達之規格 ... 13 表 2-3 測量儀器的詳細規格說明 ... 14 表 3-1 臺灣部份城市之參考緯度 ... 34 表 3-2 臺灣 2008 年 24 節氣之赤緯 ... 34 表 3-3 THI 指數分級 ... 35 表 3-4 PMV 指標之冷熱等級 ... 35 表 4-1 外遮陽修正係數k_i表 ... 57 表 4-2 隆美窗簾遮光等級 ... 57 表 4-3 百葉片型式的k_i值與東西向剖面示意圖 ... 58 表 4-4 外遮陽實驗結果 ... 59 表 4-5 內遮陽實驗結果 ... 59 表 4-6 外遮陽與內遮陽實驗結果 ... 59 表 4-7 換氣率實驗結果 ... 60 表 4-8 不同屋頂與外牆 U 值實驗結果 ... 60

圖次

圖 2-1 實驗步驟流程圖 ... 15 圖 2-2 實驗屋的建置 ... 15 圖 2-3 裝修過後的室內牆面與內屋頂 ... 16 圖 2-4 室內裝修材料剖面 ... 16 圖 2-5 實驗屋外屋頂裝修過程圖 ... 17 圖 2-6 實驗屋外牆裝修材料剖面 ... 17 圖 2-7 實驗儀器說明 ... 18 圖 2-8 不同外牆與屋頂的 U 值剖面 ... 19 圖 2-9 電動手臂、北面百葉窗、阿拉斯加 3041 窗型換風扇 ... 19 圖 3-1 熱流方向示意圖 ... 36 圖 3-2 一維熱傳導分析自由體圖 ... 36 圖 3-3 平板表面的對流示意圖 ... 37 圖 3-4 總熱傳遞係數 U 值計算示意圖 ... 37 圖 3-5 地球運動示意圖 ... 38 圖 3-6 地球自轉示意圖 ... 38 圖 3-7 太陽高度角示意圖 ... 39 圖 3-8 太陽方位角示意圖 ... 39 圖 3-9 赤緯度示意圖 ... 40 圖 3-10 2008 年赤緯 ... 40 圖 3-11 太陽輻射與環境熱交換示意圖 ... 41 圖 3-12 太陽輻射傳至地表示意圖 ... 41 圖 3-13 傾斜面上之太陽輻射量俯視圖 ... 42 圖 3-14 傾斜面上之太陽輻射量側示圖 ... 42 圖 4-1 常見的外遮陽型式 ... 61

圖 4-2 百葉型式遮陽 ... 61 圖 4-3 外遮陽設計模擬圖 ... 62 圖 4-4 遮陽板百葉片尺寸 ... 62 圖 4-5 遮陽板實體圖 ... 63 圖 4-6 常見的內遮陽型式 ... 64 圖 4-7 內遮陽實驗樣本 ... 64 圖 4-8 遮陽實驗組－量測點位示意圖 ... 65 圖 4-9 換氣率、不同外牆 U 值實驗組－量測點位示意圖 ... 65 圖 4-10 實驗屋裝修過程中溫度計與輻射計的位置 ... 66 圖 4-11 實驗屋裝修過程中使用的儀器－太陽輻射計（左）、溫度計（右） ... 66 圖 4-12 實驗屋的外牆裝修後與裝修前 ... 66 圖 4-13(a) 外遮陽實驗組結果-實驗組：A 型無遮陽 vs. 對照組：C 型百葉型水平 遮陽板 ... 67 圖 4-13(b) 外遮陽實驗組結果- B 型百葉型 0 度水平遮陽板 vs. 對照組：C 型百葉 型水平遮陽 ... 67 圖 4-13(c) 外遮陽實驗組結果-實驗組：D 型實心水平遮陽板 vs. 對照組：C 型百葉 型水平遮陽 ... 68 圖 4-13(d) 外遮陽實驗組結果-實驗組：E 型外側遮陽 vs. 對照組：C 型百葉型水平 遮陽板 ... 68 圖 4-14(a) 內遮陽實驗組結果-實驗組：I 型一般遮光布 vs. 對照組：A 型無內遮陽

圖 4-14(e) 內遮陽實驗組結果-實驗組：H 型垂直式防焰遮光窗簾 vs. 對照組：G 型防焰遮光捲簾 ... 71 圖 4-15(a) 內外遮陽實驗組結果-實驗組：G 型防焰遮光捲簾 vs. 對照組：C 型百 葉型水平遮陽板 ... 72 圖 4-15(b) 內外遮陽實驗組結果-實驗組：H 型垂直式防焰遮光窗簾 vs. 對照組：C 型百葉型水平遮陽板 ... 72

圖 4-16(a) 換氣率實驗組結果-對照組：ACH=0 vs. 實驗組：ACH=7 ... 73

圖 4-16(b) 換氣率實驗組結果-對照組：ACH=0 vs. 實驗組：ACH=10.5 ... 74

圖 4-16(c) 換氣率實驗組結果-對照組：ACH=0 vs. 實驗組：ACH=14 ... 75

圖 4-16(d) 換氣率實驗組結果-對照組：ACH=0 vs. 實驗組：ACH=21 ... 76

圖 4-17 外牆、屋頂有無裝修的溫度比較 ... 77

摘要

關鍵字：實驗屋、外牆隔熱、自然通風、遮光率、內外遮陽 一、 研究緣起 在全球暖化及能源價格高漲的時代，建築節能減碳是目前臺灣永續發展之重 要研究方向，在眾多建築節能策略當中，又以室內外遮陽、外牆隔熱與自然通風 等被公認為成本低且適合臺灣環境的作法。近年來建築節能相關研究大多侷限於 小規模實驗或數值模擬，卻少有系統化且定量的實驗數據佐證，因此在推廣建築 節能措施時，較難讓民眾瞭解其改善效益，也不利於民眾根據自家住宅條件決定 合適節能策略。 二、 研究方法及過程 本計畫建置兩組實驗屋（室內面積各約 14.5 平方公尺），分別規劃作為實驗 組與對照組，量測室內氣溫、濕度、風速、環境表面溫度以及室內輻射量，比較 在不同節能措施下，室內空氣的最大溫差、白天平均溫差、全天平均溫差、以及 超過 28℃的累積溫度(PCI 指標)和時間長度，作為本實驗之評估指標。 本研究主要有三種實驗：遮陽實驗、換氣率實驗、不同外牆 U 值實驗。 在遮陽實驗中，以外遮陽係數有效k_i作為實驗的控制因素；內遮陽則以布料 的材質、遮光率當控制因素；換氣率實驗以換氣率為 0 之實驗屋作為對照組，並 控制實驗組實驗屋的風扇之運轉速度，使換氣率分別為 ACH=7、10.5、14、21； 不同屋頂與外牆 U 值實驗則規畫了兩種不同的 U 值做比較。 本案最終目的為完成實驗屋曝露於本土氣候條件下之室內外溫度、濕度、風 速與太陽輻射能等數據量測，並分析比較實驗組與對照組之結果差異，綜合整理 出各種節能策略之量化效益，找出適合臺灣氣候的建築外殼節能措施，俾利後續 建築節能策略推廣。

三、 重要發現 (一)、 遮陽實驗組： 甲、遮陽裝置分作內遮陽與外遮陽，實驗時以外遮陽係數有效k_i作為實 驗的控制因素，共有五組不同的外遮陽型式，k_i分別為 1、0.64、0.57、 0.43、0.24 。實驗結果顯示外遮陽係數有效k_i越小則室內降溫效果 越好，表示規範中的外遮陽係數極具代表性；對內遮陽而言，其布 料材質是影響降溫效果的主要原因；聚酯纖維（遮光率 65%）、尼 龍材質的雨傘布（遮光率 100%）、防焰遮光捲簾（遮光率 100%） 這三者的降溫效果較好，而直立式防焰遮光窗簾有直條開孔，故降 溫效果明顯較差。 乙、比較內外遮陽的室內空氣降溫效果，實驗結果顯示遮光率 100%之一 般內遮陽（防焰遮光捲簾及直立式防焰遮光窗簾）和k_i為 0.57 之外 遮陽相似。 (二)、 換氣率實驗組 ： 實驗結果，發現 ACH=10.5 的室內最大溫差（對照組室內外溫差-實 驗組室內外溫差）最大，但因為實驗當天氣溫比較低，不能判斷其降低 室內溫度的效果最好。ACH=7、14、21 這三組實驗的外氣高溫差不多， 若按 ACH=7、ACH=14、ACH=21 的 PCI 指標改善比例(PI 值)分別為 18.96%、19.56%、40.86%，由此可發現換氣率越高者通風降溫效果越好。

乙、於不同外牆 U 值實驗結果顯示，雖然室內瞬間最高溫度、白天平均 溫差、全年平均溫差等項目，室外牆面有隔熱(U 值=0.514)和室外牆 面沒有隔熱(U 值=0.934)的實驗結果於十月下旬時相差不多，推估其 原因，可能是因為以進入秋天，且屋頂外部有加裝 EPS(U 值=0.514) 已大幅降低室內溫度，所以室外牆面有無 EPS 的室內溫度相差不多。 但室外牆面有隔熱的實驗組之 PCI 指標(超過 28℃的累積溫度)較室 外牆面無隔熱的對照組，低了約 5.36%。

四、 主要建議事項 建議一 後續研究建議：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關： 由於本計畫實驗變數很多且礙於時程限制，故目前每種不同節能措施 的各項實驗週期僅為三到五天，若要提高實驗結論之可靠性及準確性，建 議後續研究因針對每項實驗進行長期觀測。除了換氣率實驗，內外遮陽與 外牆實驗全天候處於密閉且無空調狀態下進行，與一般住家真實使用情境 有所不同，建議後續研究可考量安裝空調設備，並搭配不同節能措施進行 實驗，並比較其空調設備耗電節能效益。 建議二 後續推廣建議：中長期建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：內政部建築研究所 「住宿類建築物節約能源設計技術規範」中的有效外遮陽係數k_i之節 能意義極具參考價值，未來應持續研究推廣。一般住宅於平常日白天大多

ABSTRACT

Keywords: experimental house, exterior and interior shading device, natural ventilation, insulation, shading rate

There are three different ways to reduce the indoor temperature and make people feel more comfortable：Installing shading devices, good ventilation in the room, and adding some insulations in the wall.

Two identical experimental houses with the internal dimension of 5.7m×2m×2.3m (length, width and height) are assembled on the roof of the Civil Engineering Research Building of NTU. The exterior global radiation, the transmitted solar radiation and the ambient, indoor air and surface temperatures at different locations in both experimental houses are measured, then we calculate maximum air temperature, average air temperature, and the difference of day average air temperature between two houses.

There are three types of experiment: shading devices (such as interior blind, exterior louver system with movable horizontal slats, etc.), ventilation, adding some heat insulation in the external wall and roof.

In the exterior shading devices experiment, we choose effective shading coefficient

i

k as control variables; In the interior blind experiment, we choose curtain fabric material and shading rate as control variables; In the air change rate experiment, we let ACH = 0 to be control group, while ACH=7、10.5、14、21 to be experimental group. In the insulation experiment, we use three types of walls (roof) with diffenent U value.

This project concludes that: 1. Shading devices

A. Exterior shading devices: the smaller the effective shading coefficientk_i is, the better result in reducing room air temperature is.

B. Interior blind: curtain fabric material influences room air temperature results a lot. Polyester fiber (the shading rate equals 65%), the nylon umbrella cloth (the shading rate equals 100%), flameproof shading roller (the shading rate equals 100%) , these three have better cooling effect.

C. Flameproof shading roller (the shading rate equals 100%) and exterior shading with shading coeffient equaling 0.57 have similar result in reducing room air temperature.

2. Air change rate

A. The higher the air change rate is, the more the temperature is reduced.

3. Heat insulation in the external wall and roof

A. Results shows that temperatue difference is 3~5 ℃ between the houses with and without roof insulation.

B. The room air temperature in the houses with and without external wall insulation is similar.

This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategy:

1. Because we need to experiment in real climate in this plan, environmental climate is an important factor. However, the climatic conditions can not be predicted nor controlled, the experiment may not be carried out and caused the data with error in inclement weather. Therefore, the term of each experiment should be long enough to do the monitoring, by this way, the reliability and the accuracy of the results will be improved.

For long-term strategy

第一章 緒論

第一節 研究緣起與背景

在全球暖化及能源價格高漲的時代，建築節能減碳是目前臺灣永續發展之重 要研究方向，在眾多建築節能策略當中，又以室內外遮陽、外牆隔熱與自然通風 等被公認為成本低且適合臺灣環境的作法。 當建築物具有良好建築外殼設計（例如室內外遮陽、低外牆熱傳遞係數）時， 可減少室外熱能傳入室內，以降低室內溫度，減少使用高耗電的冷氣空調來達到 節能效益。配合臺灣季風及地形關係，其通風可利用率（環境風速達 1.5 m / sec 以上時）甚至可達 40 ~ 65%，若建築物能妥善利用自然通風，在環境溫度不是特 別高的情況下，可使室內氣流速度達到舒適標準（0.1 ~ 0.5 m / sec），也能有效減 少空調的使用。近年來建築節能相關研究大多侷限於小規模實驗或數值模擬，卻 少有系統化且定量的實驗數據佐證，因此在推廣建築節能措施時，較難讓民眾瞭 解其改善效益，也不利民眾根據自家住宅條件挑選合適的節能策略。因此本計畫 預計建置兩組實驗屋（室內面積各約 14.5 平方公尺），分別作為實驗組與對照組。 本研究目標是：完成設計擴充性高之實驗屋，進行建築節能策略系統化之實 驗，針對節能減碳的目的作出數據化之效益評估，以利民眾根據自家住宅條件挑 選合適的節能策略。 最終完成實驗屋曝露於本土氣候條件下之室內外溫度、濕度、風速與太陽輻 射能等數據量測，並分析比較實驗組與對照組之結果差異，綜合整理出各種節能 策略之量化效益。本研究之重要性乃是透過實驗屋於真實臺灣氣候條件下之實驗 結果來探討各項節能措施對於室內溫度改善成效及量化實際隔熱效益，並找出適 合臺灣氣候的建築外殼節能措施，俾利後續建築節能策略推廣。

第二節 蒐集之資料、文獻分析

國內外關於各種建築節能策略之研究大多為小規模實驗或數值模擬，少有全 面性綜合探討各種策略之研究，根據小型實驗或模擬結果顯示這些策略均有不錯 的節能效益，但缺乏定量的實驗數據佐證。

壹、 室內外遮陽對於室內溫度之效果探討

Yu et al.（2008）利用分析軟體 eQUEST 計算各種節能措施在中國炎夏及炎寒 地區對空調耗電量的影響，結果顯示外殼遮陽（節省 11.31% 耗電量）及外牆隔熱 （節省 11.55% 耗電量）為最理想之節能策略。

Lai et al.（2011）利用分析軟體 eQUEST 探討不同屋頂型式、窗戶玻璃及遮陽 系統對住宅能耗之影響，窗戶玻璃之影響最為明顯，其次為遮陽系統，而屋頂型 式之影響為最少；使用 low-E 玻璃及箱式遮陽（如陽台）分別節省空調年耗電量 15.1%及 13.6%。 Bekkouche et al.（2011）探討如何透過建築物座向、隔熱及屋簷設計以降低沙 漠地帶之室內溫度，發現高比熱及高密度之材料（如石材）能提供最理想之熱質 量，而改變沒有外牆隔熱之建築物的座向對於室內溫度沒有明顯的改善效果，最 後建議加裝屋簷以達到較理想之室內熱舒適性。 Kim et al.（2012）提出一種外遮陽系統並透過實驗以探討其對於空調能耗之

量室內溫熱環境改善成效。實測結果可知外遮陽節能改善前，其太陽輻射熱得依 建築方位與開口率而定，約佔全體空間熱負荷 15％～50％，外遮陽改善後，量測 的結果顯示開口部位之外遮陽係數在量測期間可降低至 14％～0.3％，改善成效顯 著。

貳、 外牆隔熱對於室內溫度之效果探討

Pasupathy and Velraj（2008）做了兩個小型實驗屋，並在其中一個實驗屋的天 花板加上相變材料（phase change material 或簡稱 PCM），比較實驗與簡化模型模 擬分析出來之結果，確定模擬之準確性後，再利用模擬的方法分析使用兩層相變 材料對於實驗屋內部空氣的溫度改善效果評估，得知使用兩層相變材料可有效降 低室內溫度的振幅。

Jinghua Yu et al.（2009）利用類似 Ali Bolattürk（2008）的方法，並將 CDH 以 及 HDH 整合於同一公式中，以找出適合整年氣候的最佳化隔熱材料厚度，並比較 除了 EPS 以外的其他材料，例如 XPS（extruded polystyrene）、EPU（expanded

polyurethane）、Perlite 等。結果顯示，以中國上海的南面牆為例，EPS 所能減省的

能源金額最大，XPS 為第二，其餘的效果則較差。 M. D’Orazio et al.（2010）建造真實的實驗屋，比較屋頂加裝隔熱材料（EPS） 後，造成室內溫度的變化：室內的高溫相對於室外可以降低 5 ~ 8o C 左右。此外， 比較不同的屋頂瓷磚對於室內舒適度的影響，以及屋頂加裝隔熱材料後，在屋頂 瓷磚和隔熱材料之間開了一個通風口道，觀察室內溫度的變化。實驗結果顯示， 屋頂使用陶土瓷磚、有開通風口道以及加裝 EPS，可以使室內的溫度相對室外減 少 10o C 以上。 林清裕（2011）以電腦模擬公寓住宅空調負荷與外牆隔熱效益研究，針對臺 灣公寓住宅建築進行全年熱負荷的電腦模擬解析。隨著標準住宅模擬方位的改變， 台北、台中、高雄最高熱負荷方位與最低熱負荷方位相差 3 ~ 4%的全年熱負荷量；

全年空調用電量約相差 12 ~ 19%。當台北、台中、高雄的中間層標準住宅外牆熱 傳透率加強至 2.50 W/（m2 -k）時，各方位的全年熱負荷均能低於各地區標準住宅 中間層方位北、外牆熱傳透率 3.50 W/（m2 -k）水準的熱負荷標準。 本研究團隊，吳昇威（2010）利用 ABAQUS 建構 2D 的平面有限元素模型以 及 2D 的立面有限元素模型，將建築外牆加入相變材料（簡稱 PCM），藉由相變化 所伴隨而來的能量吸收與釋放，達到白天吸收熱量以降低室內溫度、晚上釋放熱 量以增溫的效果。並定義耗電量指標 Power Consumption Index（PCI），用以分析 有加相變材料以及沒加相變材料的外牆對於室內耗電量的評估。結果，有加裝 PCM 的房屋，其室內溫度的改善比例大約為 8 ~ 10%。最後假定月高溫、月低溫以及月 均溫近似一條正弦函數曲線，模擬真實的溫度歷時。因此，若是需要分析 PCM 對 某地區的改善效益，只需取得月高溫、月低溫、月均溫，即可進行模擬分析，另 外亦發現近似溫度之曲線的分析結果與真實溫度歷時的分析結果，其相對誤差大 約只有 10%，算是相當準確。而除了臺灣氣候下，也有研究在不同國家氣候下使 用相變材料的改善效果，並提出相應的建議。

第三節 各章內容

第一章：略述本研究之動機與目的。回顧學者及本研究團隊所從事的相關研 究，最後簡述本文的內容。 第二章：研究方法－描述兩組實驗屋的設計，並將實驗屋的裝修過程做詳細

第四章：本章將介紹每組實驗的節能裝置，並說明配置測量儀器的理由，後 依實驗組與對照組的量測結果進行整理與比較。

第二章 研究方法

第一節 簡介

近年來建築節能相關研究大多侷限於小規模實驗或數值模擬，卻少有系統化 且定量的實驗數據佐證，因此在推廣建築節能措施時，較難讓民眾明白瞭解其改 善效益，也不利於民眾根據自家住宅條件挑選合適節能策略。加上國外文獻資料 未必適用於臺灣氣候，而國內一般較少進行相關實驗，故於臺灣真實氣候下進行 實驗有其必要性。

壹、 影響實驗準確度之因素

由於在設計實驗屋時須考量到日後的擴充性，且能簡易變換各種不同節能設 施，故須較長時間來進行實驗屋細部設計與施工，因此在十個月計畫執行期程內， 勢必會縮短實際測試時間。又因本計畫需在真實氣候環境下進行實驗測試，故環 境氣候為重要的影響因素，但氣候條件無法預計亦不可控制，如遇惡劣天氣則實 驗可能無法進行或造成數據之誤差；且由於本計畫預計將進行多項不同測試，如 各種不同之遮陽設施及外牆材質等，因此待實驗屋設計且施工完成後，計畫執行 期程中僅有數個月之測試期，可能無法提供每項實驗足夠的實驗組數及較長時間 的監測資料，如此一來，可能會影響結果之可靠性及準確性。

貳、 實驗步驟

本計畫實驗步驟如下，此實驗流程圖如圖 2-1： 一、資料以及文獻蒐集，並進行文獻分析。 二、實驗屋的設計與建置。 三、準備實驗儀器及實驗屋材料。

四、進行實驗屋之裝修及儀器裝設。 五、操作三種不同的實驗（遮陽實驗、換氣率實驗、不同 U 值外牆實驗）。 六、整理實驗結果並做效益分析評估。

第二節 實驗屋的設計

本研究預計建置兩組實驗屋（室內面積各約 14.5 平方公尺），分別規劃作為 實驗組與對照組，以臺灣真實氣候環境下進行各種不同建築外殼因子（如：外遮 陽板、內遮陽窗簾、外牆材質等），和搭配不同室內換氣率的實驗，俾利瞭解前 述因子對於調節室內溫度的實際效能並且提出量化改善比例。

壹、 建置兩組實驗屋

一、實驗屋材質：鐵櫃式貨櫃（如圖 2-2） 二、實驗屋尺寸：5.7m2 .0m2.3 m（長寬高） 三、方位配置：南北向 四、實驗屋的開口設計： 長向牆面各開三面窗（110cm90cm），開窗率約 18.8% 。 南向牆面設置一門（90cm200cm）及風扇，北向設置百葉窗 （35cm35cm）。

2-2，用來排風；北向牆面上設置一開口做百葉窗，大小為 35 公分乘 35 公分，使 風扇進出口處的空氣可以產生對流，模擬自然通風。

貳、 實驗屋之實驗方法

兩棟實驗屋皆為南北向配置，依照方位命名西側棟為 West House，東側棟為 East House，其中一棟為實驗組而另一棟當做對照組；本計畫針對三種被公認為成 本低且適合臺灣環境的節能措施進行實驗：室內外遮陽、外牆隔熱與自然通風。 每次實驗只比較同一種節能措施不同型式的結果，如：進行遮陽實驗時，兩棟實 驗屋的外牆 U 值一樣，室內皆不通風，實驗組和對照組分別裝置不同的遮陽型式。 原先計畫以 PMV 和 PMVI 指標推估室內熱舒適性，故需量測室內氣溫、濕 度、風速、環境表面溫度以及室內輻射量，儀器設備包括：溫度計、輻射計、濕 度計以及風速計。但 PMV 指標不適用室內溫度高於 30℃的環境，所以最後比較 最高室內溫差、白天平均溫差、全天平均溫差、以及超過 28℃的累積溫度和時間 長度。

參、 實驗屋的裝修

由於兩棟實驗屋皆由貨櫃屋構成，且放置在十層樓高的大樓樓頂，無任何陰 影遮蔽，以致於貨櫃屋的室內溫度很高且上升速度很快。為了讓後續的實驗能真 實地模擬出一般住宅裝置節能系統前後的變化比較，故兩棟貨櫃屋都必須做外牆 與屋頂隔熱，使實驗屋的室內溫度能與一般住宅相近，並且裝修實驗屋的內牆、 地板與內屋頂，美化室內環境。 實驗屋之室內牆面與內屋頂的裝修方式相同，室外牆面與外屋頂的裝修方式 相同，唯室外牆面無隔熱材，外屋頂則於角材和鐵皮之間放置隔熱材－保麗龍 EPS

（3.5 cm）。以上裝修過程參考圖 2-3 ~ 2-6。 一、室內牆面裝修材料由內而外分別為： 1. 矽酸鈣板（厚度 0.6 cm） 2. 角材（45903.32.8 cm） 3. 保麗龍 EPS（3.5cm） 4. 鐵皮 二、室外牆面裝修材料由外而內分別為： 1. 水泥板（0.8 cm） 2. 角材（45903.32.8 cm） 3. 鐵皮

第三節

實驗儀器介紹與說明

本實驗儀器分作四部分，說明如下。實驗儀器如圖 2-7： 一、戶外量測儀器－溫度計（型號︰GP-02）、濕度計（型號︰RIXEN TRH-302 系列）、太陽輻射計（型號︰LI-COR LI-200SZ）、室外風速計（型號： YOUNG MODEL 05203）。 二、室內量測儀器－溫度計（型號︰GP-02，鐵面式 28 支、型號︰GP-01，無 鐵面式 14 支）、濕度計（型號︰RIXEN TRH-302 系列）2 支、太陽輻射 計（型號︰LI-COR LI-200SZ）2 個、室內風速計（型號：HD403TS）2 個。以上測量儀器的詳細規格說明參考表 2-3。 三、筆記型電腦－提供顯示即時監控的螢幕（廠牌︰ASUS） 四、資料擷取器－ 1. 擷取系統（型號：Compbell CR-1000）一台 2. 資料蒐集器（型號：Compbell AM32B）兩台

第四節 介紹三種節能策略的實驗方式

為瞭解節能裝置在臺灣一般住宅的應用效果，本實驗以臺灣真實氣候環境下 進行各種不同建築外殼因子，特別是在夏天（七月至十月）之間來做測試。目前 公認成本低且適合臺灣環境的節能做法有：室內外遮陽、外牆隔熱以及自然通風， 故實驗主要朝這三種節能策略來進行。依據建築外殼因子設定實驗項目，詳細說 明如下： 一、遮陽實驗組：遮陽裝置分為內遮陽與外遮陽，本研究主要以這兩種來做 實驗；內遮陽實驗的控制因素為布料之遮光率，而外遮陽實驗的控制因 素為遮陽係數－有效k_i值，詳細計算過程參見第四章第一節。

二、換氣率實驗組：由於自然通風較難控制，將改採機械通風模擬自然通風， 以利控制換氣率（ACH），故於南北面牆安裝風扇排風與電動百葉窗（如 圖 2-9），並將開發一自動控制程式，由電腦排程控制風扇與電動百葉窗 的開啟，風扇馬達之規格參考表 2-2。依據「建築技術規則」規定之居家 最小機械通風量，樓地板面積每平方公尺所需通風量 8 m3 / hr，計算出實 驗屋最小通風量為 102 m3 / hr（3.5ACH），即每小時風扇（低速 600 m3 / hr）約需運轉 10 分鐘，故程式將設定通風系統每運轉 2 分鐘後關閉 10 分鐘（簡稱開 2 關 10）。若要改進行 7ACH 實驗，通風系統改為開 4 關 8 模式。預計將以不同排程方式，進行換氣率實驗（ACH = 7、10.5、14、 21）。 三、不同外牆 U 值實驗組：目前規劃兩種外牆 U 值實驗－室外牆面無 EPS、 室外牆面有 EPS，U 值分別為 0.934、0.514；另外，本研究也把裝修過程 中，在不同屋頂 U 值下的量測結果納為實驗數據一併整理，有關外牆與 屋頂的構造大樣及對應的 U 值參考表 2-1。由於角材皆為支撐結構，因此 計算 U 值時，將視為無空隙。外牆與屋頂剖面說明如圖 2-8，詳細計算過 程參見第四章第三節。

表 2-1 不同外牆與屋頂的 U 值 (本研究整理) 表 2-2 風扇馬達之規格 速度 高速 低速 排風量（CMH） 870 600 電流（A） 0.35 0.28 噪音值（dBA） 48 37 消耗電力（W） 36 23 安裝尺寸（mm） 345345203 (本研究整理) 種類 構造大樣 厚度 dx （m） 熱傳導 K （W / K-m） 熱對流 係數 H （W/m2 -K） 熱阻係數 R （m2 -K/W） 熱傳透 係數 1/ n i i U 



R （W/m2 -K） 外 牆 一 內牆有 EPS 外牆無 EPS 外牆無 空氣層 外氣膜 ---- ---- 23 1/23 0.934 水泥板 0.01 0.45 ---- ---- 鋼浪板 0.002 45 ---- ---- EPS 0.035 0.04 ---- ---- 矽酸鈣板 0.006 0.311 ---- ---- 內氣膜 ---- ---- 9 1/9 外 牆 二 屋 頂 二 內牆有 EPS 外牆有 EPS 外牆無 空氣層 外氣膜 ---- ---- 23 1/23 0.514 水泥板 0.01 0.45 ---- ---- EPS 0.035 0.04 ---- ---- 鋼浪板 0.002 45 ---- ---- EPS 0.035 0.04 ---- ---- 矽酸鈣板 0.006 0.31 ---- ---- 內氣膜 ---- ---- 9 1/9 屋 頂 一 無隔熱 外氣膜 ---- ---- 23 1/23 0.953 鋼浪板 0.002 45 ---- ---- EPS 0.035 0.04 ---- ---- 矽酸鈣板 0.006 0.31 ---- ---- 內氣膜 ---- ---- 9 1/9

表 2-3 測量儀器的詳細規格說明 溫度計：高精度超導－表面 溫度測溫貼片 GP-02 系列  量測範圍：-40 ~ +250℃  貼片尺寸：10 × 16mm， t =1.0mm  反應速度：約 15 秒 ※表面完全密貼狀況下。  導熱係數：低於 100℃≧0.8W/mk，高於 120℃ ＞1.5w/mk ASTM D5470 濕度計：RIXEN TRH-302  量測範圍：0 ~ 100% RH  儀器尺寸： 90 × 54 (H) mm  反應速度：15 秒內 (90% at + 25℃ in moving air at 0.5 m/S)  精確度 (at +25℃)：±2% RH，±0.3℃ 太陽輻射計： LI-COR LI-200SZ  儀器尺寸:直徑 2.38cm，高度 2.54 cm  靈敏度: 90 μA／1000 Wm-2  線性度：最大偏差值為 1%的 3000 Wm-2  精確度：自然日照條件下± 5%，方位角 45°仰角 誤差< ± 1% （360°） 室內風速計：HD403TS  量測範圍：0.05-40.0m/s  儀器尺寸：58 65 35(cm)  反應速度：0.2 s  精確度：±(0.03m/s+2%f.s.)

圖 2-1 實驗步驟流程圖 （本研究繪製） （a） （b） （c） 圖 2-2 實驗屋的建置 （本研究拍攝） （a） 東西向牆面各開 3 面窗（11090 cm） （b） 北向牆面設置百葉窗 （c） 南向牆面設置一門（90200 cm）及風扇（3535 cm）

圖 2-3 裝修過後的室內牆面與內屋頂 （本研究拍攝）

圖 2-5 實驗屋外屋頂裝修過程圖

（本研究拍攝）

圖 2-6 實驗屋外牆裝修材料剖面

室外風速計 (YOUNG MODEL 05203) 室內風速計 (HD403TS) 濕度計(RIXEN TRH-302) 太陽輻射計(LI-COR LI-200SZ) 表面溫度計(型號︰GP-02) 鐵面式：量測壁體 表面溫度計(型號︰GP-01) 無鐵面式：量測空氣

外牆一（U = 0.934） 內牆有 EPS 外牆無 EPS 外牆無空氣 外牆二／屋頂二（U = 0.514） 內牆有 EPS 外牆有 EPS 外牆無空氣 屋頂一（U = 0.953） 內牆有 EPS 外牆無裝修 圖 2-8 不同外牆與屋頂的 U 值剖面 （本研究整理） 圖 2-9 電動手臂、北面百葉窗、阿拉斯加 3041 窗型換風扇 （本研究繪製）

第三章 熱物理與熱舒適性相關理論

第一節 熱傳遞理論

物體間會因為溫度不同而造成能量傳遞，這種傳遞的能量被定義為熱。而根 據能量傳遞的方法不同，可以將熱傳遞分成 3 種方式，傳導（conduction）、對流 （convection）、輻射（radiation）。

壹、 傳導

當一物體內有溫度梯度存在時，能量會從高溫區傳到低溫區。此種能量傳遞 方式稱為傳導，且單位面積之熱傳導速率和法線溫度梯度成正比，示意如圖 3-1， 因此可寫成以下公式： q T A n    _（3.1） 代入比例常數後，可得    T q kA n （3.2） 其中 q 為熱傳遞速率（W），A 為熱傳遞面積（m2_）， T n   是面之法線方向的溫 度梯度（o C / m），k 稱為材料的熱傳導係數（thermal conductivity）（W / m-o C）；因 此根據能量平衡可得出熱傳導通式；假設一個一維傳導系統，且考慮一自由體元 素如圖 3-2 即可列出能量平衡式： 傳入左面的能量 + 傳入右面的能量 = 內能的改變量      left right T q q c dxdydz t （3.3） 代入式（3.2）可得： ( )   _  _      _                x x x T T T T

k dydz k k dx dydz c dxdydz

當熱傳導係數為常數，將式（3.4）整理後同除dxdydz可得： 2 2   _    x T T k c x t （3.5） 若考慮三軸方向之熱傳導，以式（3.3）至式（3.5）同理可得： 2 2 2 2 2 2



 _  _  _      x y z T T T T k k k c x y z t （3.6） 其中



為密度（kg / m3_{），c 為比熱（J / kg-}o C）， T t   為溫度對時間的微分（oC / s）。

貳、 對流

熱對流有分成兩種，分別是自由對流（free convection）和強制對流（forced convection）。自由對流是指當液體或氣體有一部份受熱時，體積膨脹、密度減少， 因此氣體會逐漸上升，其位置由附近溫度較低、密度較大的物質所填充，此物質 又受熱上升，周圍物質又補充至此位置，藉由此方式將熱量由流動之流體傳播至 各處。而強制對流是指有外力介入時產生的對流，如風扇。因此將一塊熱物質置 於風扇前的冷卻速率比放在靜止的空氣中要快的許多。 考慮一平板置於具有流速之流體中如圖 3-3，其中為T_w平板的溫度，T_為流 體的溫度，u為流體的速度，由於黏度的作用，在板上流體層的速度為零，所以在 這個點，熱只靠傳導方式來傳遞。因此我們可以利用式（3.2），帶入熱傳導係數以 及流體在板上的溫度梯度來計算熱傳遞。雖然流體層在板上的速度為零，可是流

參、 輻射

在傳導和對流的機制中，能量傳遞需經由介質。但熱也可以傳入真空的區域， 這種機制即是電磁輻射。而因為溫度差引起的電磁輻射即稱為熱輻射。就熱力學 的觀點顯示，理想的輻射體為黑體（black body），據史蒂芬－波次曼熱輻射定律， 其能量放射率正比於該物體絕對溫度四次方，以及正比於它的表面積，因此輻射 熱傳遞可表示成下式： 4 radiation q AT （3.8） 其中是比例常數，稱為史蒂芬－波次曼常數（Stefan-Boltzmann constant）， 其值為 8 5.669 10  （W / m2-K4）。式（3.8）僅表示由一黑體所放射的輻射。而兩黑 體間的淨輻射交換量將正比於兩黑體之絕對溫度四次方的差，如下式： 4 4 1 2 ( ) q T T A  （3.9） 但此式僅適用於黑體，其他型式的表面不會和黑體一樣輻射這麼多，因此必 需加入新的因數，稱為放射率



（emissivity），除此之外，並非所有放射的輻射量 會到達另一表面，因此式（3.9）可改成： 4 radiation G q F F_ AT （3.10）

其中F_是放射率函數（emissivity function），F_G為幾何外視因數（view factor）。 輻射熱傳遞現象相當複雜，其計算很少能像式（3.9）般簡單。

第二節 總熱傳遞係數 U

考慮如圖 3-4（a）的一維平面壁體，一面曝露於熱流體 A，另一面曝露於冷流 體 B，熱傳遞可以表示：（符號參照 3.1 節） 1 ( A 1) ( 1 2) 2 ( 2 B) kA q h A T T T T h A T T x        （3.11） 熱傳遞過程可以如圖 3-4（b）的熱阻網路表示。而總熱傳遞為總溫度差和總 熱阻的比值如下： 1 2 1 1 A B T T q x h A kA h A   _   （3.12） 上式中 1 hA是代表對流熱阻，傳導和對流綜合作用的總傳遞，通常用總熱傳遞

係數 U（Overall Heat Transfer Coefficient or Thermal Conductance）表示：

( _{A B}) q UA T T （3.13） 1 2 1 1 1 U x h k h  _   （3.14） 若考慮中間壁體有多層不同材料，亦即含有不同的熱傳導係數以及厚度的話， 將公式（3.14）改寫如下： 1 1 2 1 1 n 1 i i i U x h  k h   



 （3.15）

第三節 太陽日照、輻射相關理論

太陽日照、輻射與地球和太陽之間的相對運動有關，而當輻射量通過大氣層 到達建築物表面時，根據輻射的入射角、建築物所建之方位傾斜角度與建築物附 近之地理環境都有相關。

壹、 太陽日照

地球處於太陽系裡，並且是以太陽為中心繞著太陽公轉，因此而造成地球上 的四季變化，而地球中心在公轉時所作的軌跡稱為黃道平面，太陽亦在黃道平面 上，如圖 3-5。而在公轉同時，地球亦會由西向東自轉造成日夜的變化，地球自轉 是繞著通過它本身南極與北極的一根假想軸，稱為地軸，地軸與黃道面約有 66 33  之夾角，如圖 3-6。 隨著一年內地球公轉與自轉，太陽位置相對於地球時時刻刻都在改變。太陽 位置通常以太陽高度與太陽方位角來表示，其中太陽高度角（h）與太陽方向角（A） 依照球面三角形的數學原理，可得其公式如下：（卜毅，1994）

sinhsin sin cos cos cos  t （3.16）

cos sin sin cos t A h   （3.17） 其中 為赤緯，為緯度，t 為時角；各項因子解釋如下： 一、太陽高度角（h） 太陽高度角為太陽位置與量測點連成之直線與水平面的夾角，可表示太陽所 在的高度，亦可採用天頂距（zenith angle）Z 表示，而天頂距是太陽位置與量測點 連成之直線與天頂的夾角，太陽高度角與天頂距的範圍都是 0°至 90°，如圖 3-7。 二、太陽方位角（A）

此公式所計算出來之太陽方位角是自觀察者所在之地和太陽位置連成的線投 影至水平面上與正南方所夾之角，故太陽在正南方時為 0°，而向東為負，向西為 正，其值介於180° ~ 180°間，示意如圖 3-8。 三、緯度（） 緯度是指觀測點與地球球心的連線和地球赤道面所形成的線面角，其值為 0° 到 90°，赤道面以北稱北緯，記為 N，赤道以南稱南緯，記為 S。臺灣部分城市參 考緯度如表 3-1。 四、時角（t） 地球自轉一圈為 360°，需耗時 24 小時，因此可知每小時轉 15°。已知太陽在 正午 12 時處於正南方，時角即為 0°；以此為基準，午前為負值，午後為正值，因 此時角的計算方法如下： ( 12) 15 t T  （3.18） 其中 t 為時角，T 為時間（以 24 小時制計算）。 五、赤緯（ ） 太陽光線垂直照射於地球上的地點，與地球赤道所夾的圓心角稱為赤緯。地 球繞太陽公轉運行軌道的平面，即黃道面，與地球的地軸有 66 33 之夾角，地球在 軌道上運行時，由於傾斜角度不變，而地球在運行軌道上的位置不同，會造成太 陽光線投射到地球上的情況也不同，因此會產生每日太陽的高度不同及一年的四

N ︰積日，即為日期在一年 365 天內的第幾天角積日 0 79.6764 0.2422 ( 1985) Int[( 1985 4 N    年份  年份 )/ ] 表 3-2 為 2008 年臺灣 24 節氣之赤緯。圖 3-10 為利用此公式所計算出來 2008 年的赤緯與向中央氣象局取得之觀測的赤緯比較。

貳、 太陽輻射能

太陽是一個巨大的球狀熾熱氣團。太陽表面輻射溫度約為 5770 K，根據推算， 太陽中心的溫度高達 15500000 K，相當於太陽表面溫度的 2700 倍，它不斷向宇宙 空間輻射能量，稱為太陽輻射能。理論上而言，輻射至地球的熱量是來自於太陽 及其他星體的輻射能與地球本身自熱的總和，但是由於其他星體離地球甚遠，以 致地球接受到的熱量極小，而地球的地熱供給大氣的熱量也很少，均可略而為不 計。因此可認為太陽輻射能是地球大氣層的唯一熱源（卜毅，1994）。 太陽輻射從太陽釋出起，約 8 分 20 秒到達地球大氣層外，在通過大氣層時， 一部分被雲反射回到宇宙空間，其餘部分，一些受到天空中各種氣體分子的散射， 而一些被它們吸收。由於反射、散射與吸收的同時影響，使到達地面的太陽輻射 強度大為減少，如圖 3-11（陳啟中，2000）。地表接收之太陽輻射受下列因素影響： 一、天文因素 1. 地球與太陽相對位置。 2. 太陽赤緯。 3. 時角。 二、地理因素 1. 緯度及經度。 2. 海拔高度。

三、幾何因素 1. 受輻射面之周遭地形遮蔽效應。 2. 受輻射面之傾斜角度。 3. 受輻射面之方位。 四、物理因素 1. 大氣之衰減（吸收、反射、散射等）。 2. 受輻射面之表面性質。 太陽輻射傳至地表可分為如下 3 種方式，其示意如圖 3-12。 一、直達輻射（direct solar radiation）

指太陽輻射直射至地表的輻射。 二、漫射輻射（diffuse radiation） 經由大氣吸收、散射、或經地面反射等已被改變方向的輻射，其中包含 了太陽輻射經大氣吸收、散射後，間接到達的天空輻射及由地面物體吸 收後，再發散的地表輻射。 三、反射輻射（reflected radiation） 到達地表的輻射，被地表覆蓋物影響而產生的反射現象。 Bouguer 公式（3.20）與 Berlage 公式（3.21），可以計算出直達輻射量與漫射 輻射量，而各種方位之面上的總輻射量即可利用此兩種輻射投影至面的法向量來 計算，其公式如下：

1 cos cos( ') cos( (90 )) 2 1 cos 2 t DN SH TH I I A A h I I                  （3.24） 其中： DN I ︰法線面直達輻射量（W / m2_） 0 I ︰大氣圈外日射量（W / m2_） SH I ︰水平面上的漫射輻射量（W / m2_） DH I ︰水平面上的直達輻射量（W / m2_） TH I ︰水平面上的總輻射量（W / m2_） t I ︰傾斜面上的總輻射（W / m2_{），三項分別為傾斜面上的直達、漫射、反射輻射。} 示意如圖 3-13、圖 3-14。 A ︰太陽方位角 A︰牆面法向量之方位角 ︰傾斜面與地面之夾角 h︰太陽高度角 ︰地面反射率 P ︰大氣透射率

第四節 熱舒適性相關理論

熱舒適性的定義是可以讓人感到滿意的熱環境。就生理與能量傳輸觀點而言， 欲使人體的冷熱感覺達到舒適程度，人體與外界的熱量傳輸關係必達到平衡。當 此熱量傳輸關係無法達到平衡時，即會形成人體的熱負荷，造成對冷熱感覺的不 舒適感。人體與環境的熱量傳輸關係會依不同緯度、季節、種族、性別、年齡、 穿著及營養狀態等而影響人們對冷熱感覺的判斷。由於人的感覺涉及主觀因素， 因此欲以量化方式評估熱舒適性，勢必需要使用統計方法將主觀感覺與相關生理 反應建立經驗關係。綜合來說，影響人體冷熱感覺的因素主要可分為： 一、 外在環境因素：空氣溫度、相對濕度、風速及輻射溫度。 二、人體狀況因素：新陳代謝產熱量及衣著量。

現行熱環境指標不下數十種之多，各有其適用領域。基本上，這些指標都是 將數個影響冷熱感覺或生理反應的參數利用一些統計、迴歸的方式綜合成一個變 數，此變數就成為一種舒適度指標。

壹、 中央氣象局之溫濕指數（THI）

人類對周遭大氣環境的適應能力因年齡和身體狀況而不同，而影響人體舒適 的氣象因素包括氣溫、濕度和風等要素。中央氣象局參考發佈的舒適度指數 CI （Comfort Index）即為溫濕指數 THI（Temperature Humidity Index），係根據天氣 預報的基本資料，經過溫度、濕度等條件與人體熱平衡的關係計算的結果。THI 的計算公式如下： 17.269 exp 237.30 0.55 1 ( 14) 17.269 exp 237.30 d d T T THI T T T T       _        _  _       _        （3.25） 其中T ︰環境溫度；T_d︰露點溫度 (%) 100 T  _      相對濕度 根據 THI 計算出來之數值將其劃分為六個等級，即指數 10 以下為非常寒冷、 指數 11 至 15 為寒冷、指數 16 至 19 為稍有寒意、指數 20 至 26 為舒適、指數 27 至 30 為悶熱及指數 31 以上為易中暑等六類，如表 3-3。

溫。PMV 是用來評估熱舒適的指標，為目前最常用、也最廣泛被使用的指標，其

函蓋範圍包括各式建築物（如醫院、辦公室、教室等等）、交通工具（如汽車車艙、

船艙等等）。

一、 PMV 指標

PVM 指標（Predicted Mean Vote，PMV），即「預測的平均回答值」，是運用

統計方法得出人體感覺與環境變數的定量函數關係，為 Rohles et al.（1973）於 1980 年初針對 1600 名大專學生進行調查，將溫度、濕度、性別與熱暴露長度與舒適度 之間建立統計相關性。該項調查將冷熱主觀感依3至3劃分成 7 個等級，如表 3-4。 Franger（1989）更進一步將上述舒適度的調查結果與能量平衡關係建立一完 整的理論模式，明確指出人體的熱舒適性受到六個參數的影響，分別是風溫、風 速、空氣濕度、平均輻射溫度、人體活動量以及衣著量的影響，此模式已被國際 標準組織（International Organization for Standardization，ISO）定為熱舒適評估方 式。能量平衡關係如下： Ld (M W )E_resC_res R_s C_sE_sk （3.26） 其中 Ld 為人體熱負荷，單位為（W / m2_{），M 為人體新陳代謝率，W 為外部} 工作強度，E_res為人體呼吸蒸發熱損失，C_res為人體呼吸熱對流損失，R_s為人體表 面輻射熱損失，C_s為人體表面熱對流損失，E_sk為人體皮膚蒸發熱損失。PMV 建 立於人體只有在與外界的熱量進出達到平衡才會感到舒適，當熱量無法達到平衡 時即形成熱負荷，再根據統計結果與其建立一關係式，PMV 公式如下： 0.036 PMV(0.303e M 0.028) [( M W ) H E_cC_resE_res] （3.27） 此理論公式（3.26）、（3.27）在經過不斷發展後，由 ISO 7730 規範製定如 下：

0.036 3 5 8 4 4 3 PMV (0.303 0.028) {( ) 1.4 10 (34 ) 1.7 10 (5867 ) 3.96 10 [( 273) ( 273) ] ( ) 3.05 10 [5733 6.99 ( ) ] 0.42 [( ) 58.15]} M a a cl cl MRT cl c cl a a e M W M t M p f t T f h t t M W p M W                                           （3.28） 其中： M ︰人體新陳代謝率（W / m2） W︰外部工作強度（W / m2），對大部分的代謝量均可設為零 a P ︰水蒸氣分壓（kPa） 4030.18 exp 18.6686 100 235 7.50062 a a RH t P    _  _     a t ︰空氣溫度（C） cl f ︰人體有衣物覆蓋的面積與沒有衣物覆蓋的面積之比例 1.00 0.2 for 0.5 1.05 0.1 for 0.5 cl cl cl cl cl I I clo f I I clo      _{ }  cl I ︰衣服的熱阻（clo），1clo=0.155（ 2 m - C / W ） cl t ︰衣服表面溫度（C） ……（E_res） ……（C_res） ……（R_s） ……（C_s） ……（E_sk）

MRT T ︰平均輻射溫度（C） 1 1 2 2 1 2 ... ... n n MRT n AT A T A T T A A A        n T ︰各個牆面的平均溫度（C） n

A

︰各個牆面的面積（m2_） 國際標準組織 ISO 7730 對於 PMV 指標的適用範圍強調適用於舒適或稍不舒 適的室內環境，而較極端的溫熱環境則應該參考其它的評估指標。因此 PMV 指標 不適用溫度高於 30℃的環境，但實驗時的室內溫度通常都高於 30℃，所以本研究 最後比較室內空氣溫度的最大溫差、白天平均溫差、全天平均溫差、以及超過 28 ℃的累積溫度和時間長度。 二、 PMVI 指標 一般來說，PMV 指標的冷熱等級可參考表 3-4，正的表示熱感，負的表示 冷感，而人體會感到舒適的範圍是在-0.5 到+0.5 之間，因此我們可以計算室內平均 溫度的 PMV 值，並區分過冷與過熱兩類。PMV 值超過+0.5 視為過熱，因此將 PMV 減去 0.5 所得的值，在所有時間做分析步累加，可得到一個指標，定義為熱舒適度 指標，Predicted Mean Vote Index(PMVI)，公式如下：

PMVI= （3.29）

其中

n：總共的分析步

參、 本研究判斷節能策略效果的方法

本研究主要比較各種不同節能措施降低室內溫度的效果，室內溫度降低越多， 則效果越好。比較的溫度如下列四項，若溫差為正值，則代表對照組的室內溫度 較實驗組的高，故實驗組的效果比對照組好。 一、 室內最大溫差 對照組室內和室外的最高溫度溫差-實驗組室內和室外的最高溫度溫差 二、 白天平均溫差 假設白天時間為 06:00 ~ 18:00 對照組室內白天平均溫度-實驗組室內白天平均溫度 三、 全天平均溫差 對照組室內全天平均溫度-實驗組室內全天平均溫度 四、 PCI 耗電量指標 參考吳昇威 (2010) 提出的 PCI 指標。假設冷氣的耗電量和當時室內溫度與開 啟冷氣溫度的溫差成正比，並利用溫濕指標 (THI)，藉由台灣的溼度計算出會使人 體感到不舒適的臨界溫度，此溫度定為 Tset，為 28 oC。假設人體感到不舒適時，

即會開啟冷氣，可定義出一耗電量指標，Power Consumption Index (PCI)，公式如 下： 1 PCI ( ) ( ) n i set i set i T T H T T  



  （3.30） 其中

PCI PCI PCI

  _對照組 _實驗組 （3.31）

PI PCI / PCI_對照組 （3.32）

另外，為了瞭解開啟冷氣的時間，則必須計算室內空氣溫度大於 28℃所占的 時間。

表 3-1 臺灣部份城市之參考緯度 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁47) 表 3-2 臺灣 2008 年 24 節氣之赤緯 地名 台北 新竹 台中 嘉義 緯度 25°02' 24°48' 24°09' 23°30' 地名 台南 高雄 基隆 花蓮 緯度 23°00' 22°37' 25°08' 23°58' 節 氣 立春 雨水 驚蟄 春分 清明 殼雨 立夏 小滿 日 期 2 月 4 日 2 月 19 日 3 月 6 日 3 月 21 日 4 月 5 日 4 月 20 日 5 月 6 日 5 月 21 日 赤 緯 -16°25' -11°30' -5°32' 0°22' 6°12' 11°38' 16°38' 20°15' 節 氣 芒種 夏至 小暑 大暑 立秋 處暑 白露 秋分 日 期 6 月 6 日 6 月 22 日 7 月 7 日 7 月 23 日 8 月 8 日 8 月 23 日 9 月 8 日 9 月 23 日 赤 緯 22°41' 23°26' 22°33' 20°00' 16°23' 11°19' 5°34' -0°12' 節 氣 寒露 霜降 立冬 小雪 大雪 冬至 小寒 大寒 日 期 10 月 8 日 10 月 24 日 11 月 8 日 11 月 23 日 12 月 7 日 12 月 22 日 1 月 6 日 1 月 20 日 赤

表 3-3 THI 指數分級 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 48） 表 3-4 PMV 指標之冷熱等級 等級 主觀感覺 3  熱（hot） 2  溫（warm） 1  微溫（slightly warm） 0 適中（neutral） 1  微涼（slightly cool） 2  涼（cool） 3  冷（cold） （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 48） THI 指數 10 以下 11~15 16~19 20~26 27~30 31 以上 舒適感 非常寒冷 寒冷 稍有寒意 舒適 悶熱 易中暑

q 圖 3-1 熱流方向示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 49） dx x

圖 3-3 平板表面的對流示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 50） （a） （b） 圖 3-4 總熱傳遞係數 U 值計算示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 50） （a） U 值計算模型圖 （b） 熱阻網路示意圖

圖 3-5 地球運動示意圖

（資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 51）

圖 3-7 太陽高度角示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 52） 圖 3-8 太陽方位角示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 52）

圖 3-9 赤緯度示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 53） 4 14 24

(

°

)

赤緯(2008)

觀測

計算

圖 3-11 太陽輻射與環境熱交換示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 54） 圖 3-12 太陽輻射傳至地表示意圖 （資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 54）

圖 3-13 傾斜面上之太陽輻射量俯視圖

（資料來源：丁銘顯，廣義隔熱材料應用於增加室內熱舒適度之數值模擬，(國立 臺灣大學碩士論文，2011）。頁 55）

第四章 實驗結果分析與比較

第一節 遮陽實驗組

遮陽實驗組：遮陽裝置又分為內遮陽與外遮陽，故主要以這兩種來做實驗； 內遮陽實驗的控制因素為布料材質與遮光率，而外遮陽實驗的控制因素為遮陽係 數－有效

k

_i



值，以下為詳細說明。

壹、 外遮陽的型式設計

圖 4-1 為常見的外遮陽裝置。在現有的建築節能法令中，「

k

i值」為外遮陽的 檢驗基準，其為外遮陽對日射遮陽效果的指標，例如

k

_i



0.32

時，表示可阻擋全年 日射熱的 68%，所以當

k

_i



0.5

時，表示可阻擋 50%以上的全年日射熱，也才達到 政府「綠建築推動方案」的補助基準。表 4-1 即為水平式實心遮陽板的外遮陽修正 係數

k

_i表，若為百葉型式的遮陽板（如圖 4-2），其有效

k

_i



值需另外做計算，計算 式如下： 如a0，則

k

_i

     

1 (1

k

_i

) (1



_i

)

……….（4.1） 如a0，則

k

_i

 

k

_i ……….（4.2） 其中︰ a︰垂直窗面間隙平均寬度 t ︰遮陽板平均厚度 i



︰開孔率 i o A A 

i

A

︰穿孔總面積 o

A

︰遮陽板總面積WL i

k

︰實心遮陽板的外遮陽修正係數，查表 4-1 由於實驗屋的方位配置為南北向，為針對此方位設計較佳的遮陽型式，本實 驗以水平式外遮陽為主，共設計了五種外遮陽型式進行實驗，為方便描述，本研 究把五種外遮陽型式分別編號為 A 型、B 型、C 型、D 型與 E 型：  A 型：無遮陽 此型式之實驗屋並無安裝任何內外遮陽裝置。  B 型：百葉型－0 度水平遮陽板（深度比=0.5） 此型式之外遮陽裝置的深度與窗高比為 0.5，遮陽板和窗戶面之間的夾角 為 90 度，採半遮蔽（百葉片向外傾斜45）型式，有效k_i為 0.64。  C 型：百葉型－0 度水平遮陽板（深度比=1） 此型式之外遮陽裝置的深度與窗高比為 1，遮陽板和窗戶面之間的夾角為 90 度，採半遮蔽（百葉片向外傾斜45）型式，有效ki為 0.57。  D 型：實心板－0 度水平遮陽板（深度比=1） 此型式之外遮陽裝置的深度與窗高比為 1，遮陽板和窗戶面之間的夾角為 90 度，採全遮蔽（實心板）型式，有效k_i為 0.43。  E 型：外側遮陽型－90 度水平遮陽板（深度比=1）

裝置水平式外遮陽的模擬圖，如圖 4-3，詳細的遮陽板百葉片尺寸說明如圖 4-4， 遮陽板之實體如圖 4-5。其有效

k

_i



的計算式如下：  B 型：百葉型－0 度水平遮陽板（深度比=0.5），深度長 50cm。 2 2 8 5 2.343 2 2 a c h    （h為百葉片寬度、c為百葉片心到心的間距） 0 a ，使用上述公式（4.1） 5 100 0.213 50 110 i i o A a A       查表 4-1，東西向，深度比 0.56，內插得

k

_i



0.542

1 [(1 0.542) (1 0.213)] 0.64

i

k

   

 



，故有效

k

_i



值為 0.64。  C 型：百葉型－0 度水平遮陽板（深度比=1），深度長 90cm。 0 a ，使用上述公式（4.1） 10 100 0.237 90 110 i i o A a A       查表 4-1，東西向，深度比等於 1，

k

_i



0.43

1 [(1 0.43) (1 0.237)] 0.57

i

k

   

 



，故有效

k

_i



值為 0.57。  D 型：實心板－0 度水平遮陽板（深度比=1），深度長 90cm。 查表 4-1，東西向，深度比等於 1，

k

_i



0.43

，故有效

k

_i



值為 0.43。  E 型：外側遮陽型－90 度水平遮陽板（深度比=1），深度長 90cm。

k

_i



0

10 100 0.237 90 110 i i o A a A      

1 [(1 0) (1 0.237)] 0.237

i

k

     



，故有效

k

_i



值取 0.24。 綜合以上四種遮陽型式，並相對應的有效

k

_i



值可參考表 4-3。

貳、 內遮陽材料特性說明

一般坊間常見的內遮陽裝置如圖 4-6 所示，種類很多，但不易有內遮陽窗簾的 分級，比較常見的分類是以遮光率來做比較，例如：遮光率 100%為一類，常見的 有全面遮光（背膠材質），而遮光率 70 ~ 85%是一般住戶經常選購的範圍，市面上 較常見的有三明治遮光布，第三類則是遮光率 50%的雨傘布，材質為尼龍布。 最後我們找到了市占率較高的窗簾業者（隆美窗簾），它們針對消費者的需求 做了一個分級表格，參考表 4-2，共分為四級，遮光率 100%為一級、80 ~ 90%為 二級、60 ~ 80%為三級、50%為四級。 本案將依不同的遮光率以及不同材質的內遮陽裝置做實驗，分別編號為 F 型、 G 型、H 型及Ｉ型，並互相比較實際的遮光效果。以下為內遮陽的實驗樣本，參 考圖 4-7：  F 型：雨傘布－材質為 100%尼龍，遮光率 100%。隆美窗簾分級：一級。 此布料由隆美窗簾業者提供，且註明遮光率為 50%，但實驗結果顯示一層雨 傘布（遮光率註明為 50%）的降溫效果和兩層雨傘布（遮光率註明為 75%）的降 溫效果差不多。後來經由台大物理所的光學實驗室進行透光率檢測，量測的波長 範圍從 220nm 到 1100nm，結果顯示：一層雨傘布（遮光率註明為 50%）與兩層雨 傘布（遮光註明為 75%）的透光率皆為零。故之後的實驗只列出兩層雨傘布與其 它布料的比較，並標註此雨傘布的遮光率為 100%。  G 型：防焰遮光捲簾－遮光率 100%。隆美窗簾分級：一級。

參、 室內測量儀器之設置

儀器說明參閱第二章圖 2-7。目前共有兩台資料擷取器，分別放在東、西兩棟 實驗屋內，一台擷取系統則放在西棟實驗屋內和電腦連結，顯示即時監控的數據。 為能夠準確地量測出室內空間的溫度、輻射量與濕度，東、西棟實驗屋內的中央 各放置一個太陽輻射計和一支濕度計；而用來量測室內空氣的溫度計共有三支， 位置同在室內的中央，離室內地板的高度分別為 70cm、115cm、185cm（室內空間 淨高 230cm）；另外，量測室內壁體的溫度共有五個點位，分別在東、西向的牆面 與玻璃上以及天花板。以上測量點的佈置可參考圖 4-8。

肆、 遮陽實驗結果

判別隔熱效果最快的方式就是比較室內與室外的空氣溫度，故遮陽實驗的數 據結果以室內的空氣溫度為主，輔以太陽輻射量做相對應的比較。而在換置不同 的遮陽措施時，要確保兩棟實驗屋的室內空氣溫度是否一致，並考量壁面的溫度 是否相同，再次確認兩棟實驗屋的初始環境條件一樣。 此實驗的環境條件為不開門和窗－封閉的實驗屋，實驗前一天兩棟實驗屋都 要在夜晚通風，使室內溫度一致，確認兩棟的初始室溫、壁溫相同。實驗儀器裝 設分作兩部分，一部分在戶外，另一部分在室內。包括輻射量、相對溼度和室內 外溫度的量測。

一、外遮陽裝置

本實驗以 C 型外遮陽作為對照組，再分別在四個時期於實驗組裝置 A 型、B 型、D 型及 E 型外遮陽裝置，比較同一時期兩個實驗屋之室內空氣與室外的溫差， 作為各種外遮陽裝置之效益評估指標，實驗結果如圖 4-13。

表 4-4 為四組實驗在不同實驗期間所量測到室內空氣最大溫、室外空氣最大溫。 由於每組實驗之進行時間不同，實驗結果無法直接比較，必須逐一與對照組進行 比較，再以室內最大溫差、白天平均溫差、全天平均溫差、以及超過 28℃的累積 溫度和時間長度，作為評估指標 (詳細計算方法在第三章第四節)。本研究主要比 較各種不同節能措施降低室內溫度的效果，室內溫度降低越多，則效果越好，故 上述溫差為正值，則代表對照組的室內溫度較實驗組的高，實驗組的效果比對照 組好。 比較 A 型與 C 型之實驗結果，如表 4-4(a)，各指標都顯示同一時期 C 型的遮 陽效果較 A 型佳。 比較 B 型與 C 型之實驗結果，如表 4-4(b)，各指標都顯示同一時期 C 型的遮 陽效果較 B 型佳。 比較 C 型與 D 型之實驗結果，如表 4-4(c)，各指標都顯示同一時期 C 型的遮 陽效果較 D 型佳。 比較 C 型與 E 型之實驗結果，如表 4-4(d)，各指標都顯示同一時期 C 型的遮 陽效果較 E 型佳，其中室內最大溫差為 3.4℃，降溫效果顯著。 綜合以上實驗結果，發現 E 型外遮陽裝置對於降低室內溫度的效果最優異， 其次為 D 型，而 A 型與 B 型效果相當，皆比 C 型差。故外遮陽有助降低室內溫 度，且 ki’越小，則遮陽效果越好。

二、內遮陽裝置