綠廳舍改善之節能及室內舒適度
模擬探討-以屋頂隔熱為例
內 政 部建 築研 究 所自 行研 究報告
中華民國 104 年 12 月
PG10405-0141
綠廳舍改善之節能及室內舒適度
模擬探討-以屋頂隔熱為例
研 究 人 員：陳 麒 任、許 閔 涵
內 政 部建 築研 究 所自 行研 究報告
中華民國 104 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)ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE
MINISTRY OF THE INTERIOR
RESEARCH PROJECT REPORT
Energy Saving And Indoor Thermal
Comfortable Modeling Analysis With The
Green Renovation Plan’s Building - For
Roof Insulation Improvement
BY
CHEN CHI REN HSU MIN HAN
目次
表次 ... III 圖次 ... V 摘要 ... IX 第一章 緒論 ... 1 第一節 研究緣起 ... 1 第二節 研究方法與流程 ... 3 第三節 文獻收集項目 ... 5 第四節 研究成果 ... 5 第二章 相關文獻回顧與探討 ... 7 第一節 天體日照原理 ... 7 第二節 太陽輻射能基本理論 ... 14 第三節 熱傳基本理論 ... 20 第四節 室內環境熱舒適之相關理論 ... 29 第五節 屋頂隔熱與綠屋頂相關文獻 ... 33 第三章 屋頂隔熱設計規範及綠廳舍改善案例探討 ... 45 第一節 屋頂隔熱相關法令及設計規範 ... 45 第二節 屋頂隔熱改善節能成效之簡易推估模式 ... 50 第三節 綠廳舍屋頂隔熱與綠屋頂改善案例分析 ... 54 第四節 改善案例綜合探討 ... 74第四章 屋頂隔熱之節能與室內熱舒適度數值模擬分析 ... 77 第一節 建築物屋頂隔熱模擬之參數設定 ... 77 第二節 屋頂隔熱改善之節能與室內熱舒適度模擬分析.80 第五章 結論與建議 ... 93 第一節 結論 ... 93 第二節 建議 ... 95 附錄一 常用構造熱傳透率 Ui ... 97 附錄二 期中審查會議紀錄及處理情形 ... 107 附錄三 期末審查會議紀錄及處理情形 ... 111 參考書目 ... 115
表 2-1 熱舒適和感覺評價指標 ... 32 表 2-2 不同種類中空層之熱阻表 ... 36 表 2-3 不同種類材料之熱傳導係數 ... 37 表 2-4 各主要類型綠屋頂比較表 ... 42 表 3-1 屋頂透光天窗日射透過率 HWs 之基準值 ... 47 表 3-2 外牆及立面開窗部位（含玻璃與窗框）之節能基 準值... 48 表 3-3 空調型、住宿類、學校類及大空間類等建築之節能 基準值... 48 表 3-4 辦公類空調型建築電力消耗組成簡算表 ... 50 表 3-5 屋頂/牆面（不含開口部位）之面積比例試算表 ... 51 表 3-6 臺灣地區各方位及水平面之日射量比例 ... 52 表 3-7 屋頂/牆面（不含開口部位）之熱流量比例試算表 ... 52 表 3-8 各建築類型用電密度基準 ... 53 表 3-9 屋頂隔熱改善對於整棟建築物之節能比例簡算表 ... 53 表 3-10 行政院海岸巡防署屋頂隔熱改善節能比例簡算表 ... 59 表 3-11 國立台灣交響樂團綠屋頂改善屋頂層 U 值計算表 .... 64 表 3-12 國立台灣交響樂團綠屋頂改善節能比例簡算表 ... 64 表 3-13 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂層 U 值計算表 72 表 3-14 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化改善節能比例簡算表 ... 72
表 3-15 綠廳舍屋頂隔熱及屋頂綠化改善案例之節能效益表 . 74 表 4-1 模擬建築物之各結構部位材質表 ... 78 表 4-2 模擬建築物之開口部（窗戶）材質表 ... 79 表 4-3 各營運分區標準營運時間表 ... 79 表 4-4 各空間標準營運條件表 ... 79 表 4-5 屋頂薄層綠化模擬參數表 ... 80 表 4-6 台灣北、中、南地區設置屋頂隔熱（含綠屋頂）之 耗能模擬表 ... 81 表 4-7 台灣北、中、南地區屋頂隔熱之空調及總耗能模擬 節能率... 84 表 4-8 台灣北、中、南地區設置屋頂隔熱之 PMV 及 PPD 模擬表... 88 表 4-8 台北設置屋頂隔熱不同 U 值之 PMV 及 PPD 模擬結 果表... 84
圖 1-1 研究流程圖 ... 4 圖 2-1 太陽一日運行軌跡示意圖 ... 7 圖 2-2 地球繞行太陽之運行軌跡示意圖 ... 8 圖 2-3 地球受日照之赤緯角變化示意圖 ... 9 圖 2-4 以觀測點為中心之天球透視圖 ... 10 圖 2-5 地平座標系示意圖 ... 11 圖 2-6 赤道座標系示意圖 ... 11 圖 2-7 太陽在天球中位置示意圖 ... 12 圖 2-8 太陽輻射熱交換示意圖 ... 15 圖 2-9 大氣質量示意圖 ... 16 圖 2-10 地表不同緯度之日照情況示意圖 ... 16 圖 2-11 每日正午與傍晚之日照情況示意圖 ... 17 圖 2-12 太陽輻射強度與海拔高度關係圖 ... 17 圖 2-13 不同緯度地區水平面上太陽輻射強度關係圖 ... 19 圖 2-14 北緯 23°地區各主要朝向垂直面上太陽輻射強度 關係圖 ... 20 圖 2-15 熱傳導示意圖 ... 21 圖 2-16 熱流方向示意圖 ... 22 圖 2-17 一維熱傳導分析自由體圖 ... 23
圖 2-18 四種對流熱傳形式示意圖 ... 25 圖 2-19 總熱傳遞係數 U 值計算模型示意圖 ... 27 圖 2-20 熱傳遞之熱阻網路示意圖 ... 28 圖 2-21 可接受之舒適區域溫、濕 度曲線圖 ... 32 圖 2-22 PMV-PPD 曲線圖 ... 33 圖 2-23 新北市新莊國民運動中心（樹花園） ... 40 圖 2-24 成大綠色魔法學校（孫運璿綠建築研究大樓）之 屋頂綠化 ... 41 圖 2-25 常見之庭園型屋頂綠化案例 ... 42 圖 3-1 行政院海岸巡防署本部第七辦公大樓屋頂原貌 ... 54 圖 3-2 行政院海岸巡防署屋頂隔熱磚鋪設平面圖 ... 55 圖 3-3 行政院海岸巡防署屋頂隔熱改善剖面圖 ... 55 圖 3-4 行政院海岸巡防署屋頂隔熱不銹鋼活動濾罩大樣圖 ... 56 圖 3-5 行政院海岸巡防署屋頂隔熱改善後之現況全貌 ... 56 圖 3-6 行政院海岸巡防署屋頂隔熱磚細部照片 ... 57 圖 3-7 行政院海岸巡防署屋頂隔熱不銹鋼活動濾罩照片 ... 57 圖 3-8 國立台灣交響樂團屋頂改善前原貌 ... 60 圖 3-9 國立台灣交響樂團綠屋頂改善平面配置圖 ... 61 圖 3-10 國立台灣交響樂團綠屋頂改善立面配置圖 ... 61
圖 3-12 國立台灣交響樂團綠屋頂改善木料施作立面圖 ... 62 圖 3-13 國立台灣交響樂團綠屋頂改善模矩化植生苗盆詳圖 . 62 圖 3-14 國立台灣交響樂團綠屋頂改善前、後對照圖 ... 65 圖 3-15 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂改善前原貌 ... 66 圖 3-16 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之細部設計立面圖 ... 67 圖 3-17 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化竣工後現況 ... 67 圖 3-18 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之不銹鋼落水頭攔污籃詳圖 ... 68 圖 3-19 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之不銹鋼落水頭攔污籃現況照片 ... 68 圖 3-20 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之模組化花牆鐵架圖 ... 69 圖 3-21 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之模組化花牆鐵架現況照片 ... 69 圖 3-22 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之植生管澆灌系統設計圖 ... 70 圖 3-23 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架 綠化之澆灌系統現況照片 ... 70 圖 3-24 內政部警政署保安警察第一總隊屋頂隔熱及篷架
圖 4-1 假想建築物 3D 模型配置圖 ... 77 圖 4-2 頂層樓空調耗能及 U 值關係圖 ... 83 圖 4-3 頂層樓總耗能及 U 值關係圖 ... 83 圖 4-4 台灣北、中、南地區頂樓空調節能率比較 ... 86 圖 4-5 台灣北、中、南地區頂樓總節能率比較 ... 86 圖 4-6 台灣北、中、南地區全棟空調節能率比較 ... 87 圖 4-7 台灣北、中、南地區全棟總節能率比較 ... 87 圖 4-8 台灣北、中、南地區頂層樓 PMV 及 U 值之分布圖 ... 90 圖 4-9 台灣北、中、南地區頂層樓 PPD 及 U 值之分布圖 .... 90 圖 4-10 台灣北、中、南地區頂樓 PMV 及 U 值關係圖 ... 91 圖 4-11 台灣北、中、南地區頂樓 PPD 及 U 值關係圖 ... 91
摘 要
關鍵詞：屋頂隔熱、綠屋頂、建築節能、熱舒適度、PMV、PPD 一、研究緣起與目的 我國長期以來一直是能源短缺的國家，根據 103 年全國能 源會議最新資料顯示，台灣目前每年仍有 98%的能源仰賴進 口，若檢視我國各部門之能源消費結構，可發現住宅及服務業 部門（亦即早期所謂之住商部門）合計約佔 23%，可見建築物 每年所消耗之能源，就約佔全國四分之一，這些建築物普遍存 在耗能及不符生態環境等問題，若能從這些類建築著手進行節 能改善，對於我國整體之能源消費節省及降低溫室氣體排放， 將有莫大貢獻。 內政部建築研究所﹙以下簡稱本所﹚從 92 年開始辦理綠廳 舍及建築能源效率提升改善計畫，針對中央廳舍及國立大專院 校選擇具改善潛力之既有建築物，進行綠建築改善及節能改造 示範計畫，以引導建築物進行節能改善，可說是既有建築改善 之先驅及典範。總計 92 年至 103 年期間完成外殼耗能、屋頂隔 熱及外遮陽等改善案例累計達 96 案，除能有效降低建築外周區 之空調耗電外，對於室內熱負荷亦有很大程度改善。惟上述改 善手法執行至今，僅能以經驗方式推估其節能成效，缺乏較精 準之量化方式去計算其節能改善效益，且對於室內環境舒適度 改善之成效說明亦較無深入著墨。 本研究之目的除建立屋頂隔熱簡易之節能成效推估模式 外，研究過程並將透過電腦數值模擬方式（採用 EnergyPlus 軟 體），根據 ENVLOAD 設計重點，選定假想之模擬建築物，同時 整理欲分析之屋頂隔熱型式（含屋頂綠化）作為本研究模擬對 象，配合台灣不同地區之氣候條件參數，分別模擬出該假想建築物之空調耗電量及室內環境舒適度（將採用 PMV 指標作為分 析標的），最後可分析探討建築物受屋頂隔熱降低 U 值及所在地 區等變因下，與空調耗電量及室內熱環境舒適度之關聯性。 本研究之最終目的，係期望透過上述電腦數值模擬結果， 可建立建築物於不同屋頂隔熱條件下之改善成效資料庫，進而 可交叉比對分析得知在上述不同因子下，何種情況其改善成效 較佳，以及其關聯程度。除可作為本所後續辦理「建築節能與 綠廳舍改善補助計畫」之屋頂隔熱補助案例之事前評估改善效 益參考依據外，亦可供一般民眾或業界參考。 二、研究方法及過程 依據上述研究目的，本研究的研究方法及過程概述如下： （一）文獻回顧法： 收集整理我國屋頂隔熱常見之設計型式、法規檢討及成效推估 方式等相關資料，並整理有關建築日照、屋頂隔熱以及室內熱舒適 度等之基礎理論文獻資料。 （二）專家諮詢法： 本研究將與國內專家學者諮詢請益有關屋頂隔熱節能效益評 估模式及電腦模擬能耗軟體之技術問題，並配合調整修正建模資 料。 （三）數值模擬法： 採用電腦數值模擬方式（例如 EnergyPlus 等建築能源模擬軟 體），模擬屋頂隔熱於改善前、後，對於建築耗能狀況及室內熱環 境舒適度（例如 PMV 指標）之模擬結果。 （四）比較分析法：
針對模擬建物於不同地區及屋頂隔熱條件下，分別進行模擬並 交叉比對其改善成效，分析其差異及關聯性。 （五）總結法： 綜合上述相關資料進行綜合分析後，研擬所模擬各案之屋頂隔 熱節能及室內熱環境舒適度改善成效。整理分析所模擬案件中，對 於不同地區、屋頂隔熱條件下，何種條件情況下之改善效益較佳。 三、重要發現 本研究依據原規劃時程，已蒐集整理有關建築日照、屋頂隔熱 及綠屋頂、太陽輻射能、熱傳遞及室內熱舒適性等基本理論之相關 文獻，並就本所「建築節能與綠廳舍改善補助計畫」歷年來補助建 置之屋頂隔熱實際改善案例，列舉介紹常見之屋頂隔熱及綠屋頂類 型，並探討其推估之改善效益。最後整理出屋頂隔熱改善節能成效 之簡易推估模式，並進一步以 EnergyPlus 電腦軟體，模擬某假想之 建築物於不同屋頂層 U 值之空調與整體節能比率，以及其室內熱舒 適度改善程度。 本計畫依據目前之研究成果，研擬之結論如後： 1、 建立屋頂隔熱改善節能成效之簡易推估模式： 可依據屋頂隔熱改善部位之整棟建築物總樓地板面 積、該類建築 EUI、屋頂部位佔整棟建築電力消耗之比例、 U 值提升比例等資料，代入表 3-9 簡算表，即可求得屋頂隔 熱改善整棟建築之節能比例以及節省空調度數、節省空調費 用、總二氧化碳節省排放量等。可作為簡化推估屋頂隔熱節 能成效之速算工作表。 2、 模擬不同屋頂層 U 值及綠屋頂條件下之空調、整體用電節
能改善程度： 根據本研究模擬結果顯示，在節能改善方面，以台北地 區頂層 3F 為例，空調節能率約 4.65%、總節能率約 2.0%； 另若 U 值每降低 0.1 時，其空調節能率可再增加約 0.4%、 總節能率可再增加約 0.2%。 若以台北地區整棟建築（1F~3F）為例，當屋頂層 U 值 由 2.5 改善至 0.8 時，空調節能率約 2.1%、總節能率約 0.81%；若 U 值每降低 0.1 時，其空調節能率可再增加約 0.2%、總節能率可再增加約 0.1%。惟若建築物總樓層數約 多，則整棟之空調或總節能率將更低，故應以頂層樓之節能 效果作為判別依據。 此外經分析後可發現屋頂層 U 值越低，其空調耗能（含 風扇及空調主機）亦越低，且約略成線性比例關係，故對於 不同 U 值應可簡化以線性比例方式推估其耗能。此點可根 據熱力學定律 Q=U×A×ΔT 得知，當建築物之外殼面積 A 與 室內外溫差ΔT 固定不變時，熱能 Q 與熱傳透率 U 將成線 性比例，而空調耗能又與熱能 Q 成正比，故 U 值與空調耗 能成線性比例關係。 若就地域性來看，經分析後可發現台中地區之能耗最 高，其次高雄，最低為台北。此點與中央氣象局發布之臺灣 過 50~100 年各種氣象參數之變化統計報告內容相符。依據 模擬結果設置屋頂隔熱或綠屋頂之節能效果，為台中>高雄> 台北。 3、 模擬不同屋頂層 U 值及綠屋頂條件下之室內熱環境舒適度 改善程度： 在室內熱環境舒適度改善方面，當屋頂層 U 值由原有之 2.5 改 善至符合法規之 0.8 時，以台北地區頂層 3F 為例，PMV 值由 0.808
降至 0.734，約降了 0.073，另預測不滿意百分比 PPD 亦由 29.58% 降至 25.38%，約降了 4.21%，室內熱環境舒適度獲得明顯改善；另 若 U 值每降低 0.1 時，其 PMV 值約可再降低約 0.006、預測不滿意 百分比 PPD 可再降低約 0.33%~0.37%左右。惟 1F~2F 樓層之 PMV 與 PPD 改善幅度均不明顯，故屋頂隔熱對室內熱環境舒適度，僅對 頂層樓具有改善效果。 另關於屋頂綠化部分，PMV 值由 0.808 降至 0.475，約降了 0.332，另預測不滿意百分比 PPD 亦由 29.58%降至 14.31%，約降了 15.28%，其對室內熱舒適度之改善效果遠較傳統屋頂隔熱磚工法好 許多。 另由 U 值與空調及整體用電、U 值與 PMV 及 PPD 之關係圖可 看出，其幾乎成線性比例關係，亦即 U 值越低其 PMV 及 PPD 亦越 低，故對於不同 U 值應可以線性比例方式推估其 PMV 及 PPD 等。 四、主要建議事項 本研究已完成就屋頂隔熱之節能成效提出簡化計算模式。此外 並就台灣台北、台中、高雄等三個主要地區，針對不同屋頂隔熱層 之 U 值及屋頂綠化建立模擬資料庫，分析其節能及室內熱環境舒適 度之改善效果。茲就建議部分說明如下： 建議一 結合實驗屋進行屋頂隔熱及屋頂綠化對於室內節能及熱環境 舒適性之驗證：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：台灣室內環境品質學會 本所於今（104）年度委託台灣室內環境品質學會進行節能實 驗屋建置計畫，該計畫建置 6 組實體實驗屋，將可於後續年度針對
各種外殼節能手法（含屋頂隔熱及屋頂綠化）進行節能及室內熱舒 適性驗證。故建議未來可參考本計畫之模擬成果，再配合前述實驗 屋進行各種屋頂隔熱及屋頂綠化之室內節能及熱舒適性之驗證，以 作為實際效益之參據。 建議二 針對更多屋頂綠化種類進行節能及室內熱舒適度之模擬探 討：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：臺灣建築學會 本所於歷年來辦理之「建築節能與綠廳舍改善補助計畫」，辦 理眾多屋頂綠化之案例，惟對於其節能及室內熱舒適度之效益一直 缺乏有力之佐證。本研究雖完成屋頂薄層綠化之模擬，惟囿於人力 及時間有限，無法擴大模擬其他綠屋頂型式，建議後續年度可擴大 針對屋頂綠化之效益進行研究，以作為本所後續執行「建築節能與 綠廳舍改善補助計畫」及提供各界之參考。
ABSTRACT
Keywords: Roof insulation, Green roof,Building energy saving, Indoor thermal comfortable, PMV, PPD
The current amount of existing buildings is more than 97 % of all buildings in Taiwan. These buildings have high energy consumption and cause harm to the ecological environment. Architecture and Building Research Institute(ABRI) start to execute the "Building Energy Saving and GreenRemodeling Project" at 2003. In addition to reduce the power consumption with outer perimeter zone air condition of the building, it can also improve the indoor thermal load significantly. However, these improving techniques only estimate it's energy-saving efficiency by experience, and be short of the exact way to quantify the benefits of the improving energy efficiency and indoor environmental comfort.
In this study, it will use EnergyPlus to simulate the air conditioning power consumption and the thermal comfort of the indoor environment with the index of PMV and PPD, which according to different types of roof insulation which using different U and green roof, climatic parameters and direction etc. It will analyze the relevance between energy-efficiency and thermal comfort of the indoor environment. And analyze what improving method is better for improve effectiveness. It can be the reference of assess the benefits beforehand.
It had set up the simple estimating energy savings mode for roof insulation improvement. And further, it had analysis the air conditioning power consumption and the thermal comfort of the indoor environment in Taipei, Taichung, Kaohsiung etc three regions.
Finally, it can discuss the roof insulation and green roof of building as different roof U value and green roof types, and analyze the relevance of it's energy-efficiency and thermal comfort of the indoor environment.
第一章 緒論
第一節 研究緣起與目的
一、研究緣起
我國長期以來一直是能源短缺的國家，根據 103 年全國能源會 議最新資料顯示，台灣目前每年仍有 98%的能源仰賴進口，若檢視 我國各部門之能源消費結構，可發現住宅及服務業部門（亦即早期 所謂之住商部門）合計約佔 23%，可見建築物每年所消耗之能源， 就約佔全國四分之一，這些建築物普遍存在耗能及不符生態環境等 問題，若能從這些類建築著手進行節能改善，對於我國整體之能源 消費節省及降低溫室氣體排放，將有莫大貢獻。 為因應全球氣候變遷，節能減碳已為各國永續發展工作重點， 亦為我國施政主軸。然而台灣地區的既有建築物佔全國建築物總量 高達 97%以上，為帶動所有建築物逐年降低耗能，我政府自 100 年 起推動「政府機關及學校四省（省電、省油、省水、省紙）專案計 畫」，作為示範並引導民間採行節約能源措施。該專案強制要求中央 及地方之政府機關及學校每 年用電量、用油量及用水量以負成長為 原則，其中每年用電量以較前一年減少 1%為原則，並以 96 年為基 期年，至 104 年時以總體用電量節約 10%為目標，以具體行動帶動 民間響應節能減碳政策。 內政部建築研究所﹙以下簡稱本所﹚從 92 年開始辦理綠廳舍及 建築能源效率提升改善計畫，針對中央廳舍及國立大專院校選擇具 改善潛力之既有建築物，進行綠建築改善及節能改造示範計畫，以 引導建築物進行節能改善。總計 92 年至 103 年期間已完成綠廳舍類 改善 212 案、建築節能類改善 297 案，可說是既有建築改善之先驅 及典範，除能提高既有建築物能源使用效率及減緩都市熱島效應外 ，同時達到帶動我國相關綠能產業發展之目標。經統計至 103 年本所進行之外殼耗能、屋頂隔熱及外遮陽等改 善案例累計達 96 案，除能有效降低建築外周區之空調耗電外，對於 室內熱負荷亦有很大程度改善。惟上述改善手法執行至今，僅能以 經驗方式推估其節能成效，缺乏較精準之量化方式去計算其節能改 善效益，且對於室內環境舒適度改善之成效說明亦較無深入著墨。
二、研究目的
本研究將先回顧整理有關建築物屋頂隔熱以及室內熱舒適度等 之基礎理論文獻資料，並收集國內之屋頂隔熱常見設計型式及法規 檢討，以及相關節能成效推估方式。 研究過程將透過電腦數值模擬方式（採用 EnergyPlus 軟體）， 根據 ENVLOAD 設計重點，選定假想之模擬建築物，同時整理欲分 析之屋頂隔熱型式作為本研究模擬對象，配合台灣不同地區之氣候 條件參數，分別模擬出該假想建築物之空調耗電量及室內環境舒適 度（將採用 PMV 指標作為分析標的），最後可分析探討建築物受屋 頂隔熱降低 U 值、建築物立面開窗率、朝向比例及所在地區等變因 下，與空調耗電量及室內熱環境舒適度之關聯性。 本研究之最終目的，係期望透過上述電腦數值模擬結果，可建 立建築物於不同屋頂隔熱條件下之改善成效資料庫，進而可交叉比 對分析得知在上述不同因子下，何種情況其改善成效較佳，以及其 關聯程度。除可作為本所後續辦理「建築節能與綠廳舍改善補助計 畫」之屋頂隔熱補助案例之事前評估改善效益參考依據外，亦可供 一般民眾或業界參考。第二節 研究方法與流程
一、研究方法
本計畫之具體目的，為建置台灣本土常見之屋頂隔熱型式其改 善效益資料庫，並研擬其最佳改善效益之適用情況，其中所採用之 研究方法主要包括以下項目： 1、文獻回顧法： 收集整理我國屋頂隔熱常見之設計型式、法規檢討及成效推 估方式等相關資料，並整理有關建築日照、屋頂隔熱以及室 內熱舒適度等之基礎理論文獻資料。 2、專家諮詢法： 本研究將與國內專家學者諮詢請益有關屋頂隔熱節能效益 評估模式及電腦模擬能耗軟體之技術問題，並配合調整修正 建模資料。 3、數值模擬法： 採用電腦數值模擬方式（例如 EnergyPlus 等建築能源模擬軟 體），模擬屋頂隔熱及屋頂綠化於改善前、後，對於建築物 耗能狀況及室內熱環境舒適度（例如 PMV 及 PPD 指標）之 模擬結果。 4、比較分析法： 針對模擬建物於不同地區及屋頂隔熱條件下，分別進行模擬 並交叉比對其改善成效，分析其差異及關聯性。 5、總結法： 綜合上述相關資料進行綜合分析後，研擬所模擬各案之屋頂 隔熱及屋頂綠化，其節能及室內熱環境舒適度改善成效。整 理分析所模擬案件中，對於不同地區、屋頂隔熱條件下，何 種條件情況下之改善效益較佳。二、研究流程
本計畫之研究流程，詳圖 1-1 所示： 圖 1-1 研究流程圖 (資料來源：本研究整理) 確立研究標的與範圍 文獻收集 分析我國屋頂隔熱常用之 工法、法規檢討及成效推 估方式等相關資料 探討有關建築日照、屋 頂隔熱以及室內熱舒適 度等之基礎理論 實際屋頂隔熱改善案例 介紹與成效分析 專家學者意見諮詢 結論與建議 期中報告 進行電腦數值模擬與資 料分析 設定模擬建築物及屋頂 隔熱類型等相關參數 成果報告第三節 文獻收集項目
依據本計畫研究之目的及研究內容，本計畫擬收集下列相關文 獻及資料，以作為進行數值模擬分析時之建模依據。預定收集之文 獻資料項目如下： 我國屋頂隔熱及屋頂綠化常見之設計型式、相關規範、法規檢 討及成效推估方式等資料。 建築日照及屋頂隔熱相關基礎理論文獻。 室內環境熱舒適度理論文獻。 臺灣地區主要城市之 TMY3 標準氣象年資料。 EnergyPlus 相關文件及操作手冊。 本計畫將彙整上述資料進行分析探討，詳細探討內容將於後面 各章節說明。第四節 研究成果
本計畫之研究成果，說明如下： 一、 完成蒐集有關建築日照、屋頂隔熱、屋頂綠化、熱傳遞及室 內熱舒適性等基本理論之相關文獻。 二、 完成常見屋頂隔熱及綠屋頂改善手法之實際案例探討，並提 出其改善後節能成效之簡易估算模式。 三、 完成不同屋頂隔熱 U 值及屋頂綠化條件下之建築耗能及室內 熱舒適度（例如 PMV 或 PPD 指標）之模擬及分析。 四、 可供作為本所後續辦理「建築節能與綠廳舍改善補助計畫」 屋頂隔熱及屋頂綠化補助案例之事前評估參考依據。第二章 相關文獻回顧與探討
本章為探討建築屋頂隔熱的原理，首先從天體日照原理切入， 再介紹太陽輻射能基本理論，最後探討熱傳基本理論之計算基礎。 此外，本章亦將就熱傳遞及熱傳遞係數 U 之相關理論文獻作整理， 並探討室內熱舒適性相關指標（例如 PMV 指標）相關文獻，以作 為本研究後續分析之基礎。第一節 天體日照原理
一、太陽運行基本理論 於地球上觀察太陽一天的運行，其每一時刻的位置，可藉由方 位角 A 與高度角 h 來定位。舉例來說，若以春分日之太陽運行軌跡 為例，如圖 2-1 所示，該圖中 ESWN 為地平面，分別代表東、南、 西、北四個方向，O 點為觀測點，Z 點為天頂。當約於上午 10 時左 右，太陽在天空 L 點處，ELW 為當日太陽之運行軌跡。 當太陽位置在 L 點，投影到地平面上 a 點，則可得到地平面上 之方位角 A=∠SOa，通常定義以南點 S 處為 0°，順時針為正值、 逆時針為負值，故北點 N 處為±180°，東點 E 處為-90°，西點 W 處 為 90°。於垂直面上，可得高度角 h=∠LOa，以地平面為 0°，天頂 Z 處為 90°。 圖 2-1 太陽一日運行軌跡示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅於太陽一天運行軌跡中，於午前、午後之太陽方位角 A 與高度 角 h，是以正午 12 時為中心相對稱。亦即上午 10 時與下午 14 時之 太陽方位角與高度角是相同的，只是方位角有正、負之分而已。至 於每日之日出與日落之高度角 h 皆為 0°，以正午 12 時之高度角 h 為 90°最高。 然而在地球表面上某一點所受日照的日變化與年變化，皆因地 球自轉及太陽公轉所致。地球自轉係繞著由南極與北極所連成之地 軸，由西向東自轉。每當地球自轉一周 360°，即代表經過一晝夜， 亦即 24 小時，因此地球每小時自轉 15°。若用度數計量時間則稱為 時角Ω。 至於地球繞行太陽公轉一周稱為一年，地球繞行太陽之運行軌 道面稱為黃道面，其與地球地軸成 66°33’ 傾斜夾角，由於地球於黃 道面繞行太陽時，該傾斜角度不變，隨著繞行到不同位置，造成太 陽光線照射到地球表面之情況不同，故形成四季變化如圖 2-2 所 示。 圖 2-2 地球繞行太陽之運行軌跡示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 太陽光線垂直照射的地點，與地球赤道所夾之圓心角，稱為赤 緯角δ，如圖 2-3 所示，當陽光垂直照射於赤道時，赤緯角δ=0°， δ值從赤道起算向北為正、向南為負，由該圖可知一年中之δ值每
日每時都在變化，其變化範圍為 23°27’≧δ≧-23°27’。以北半球而 言，於夏至日時，太陽在一年中正午之高度角最高，且晝最長、夜 最短；於冬至日時，太陽在一年中正午之高度角最低，且晝最短、 夜最長；於春分日（或秋分日）時，晝、夜時間相等。 圖 2-3 地球受日照之赤緯角變化示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 二、太陽位置的座標系統 根據相對運動原理，以地平面觀測點 O 為中心，將地球擴大為 極大的假想球面，此球面與地球同樣具有南極、北極、赤道、經度、 緯度，以兩極為軸隨著地球自轉。太陽及其它星體均在球面上運動， 此假想球面稱為天球。 以地平面觀測點 O 為中心的天球透視圖，如圖 2-4 所示。ESWN 為地平面，通過觀測點 O 引地平面法線交於天球 Z 與 Z'兩點，其中 Z 點即為天頂，Z'點為天底。過 O 點引與地球之地軸平行線，交天 球於 P、P'兩點，PP'線即為天軸。過 O 點引平行於地球赤道的直線， 交於天球 Q、Q'兩點，QQ'線即為天球赤道。
圖 2-4 以觀測點為中心之天球透視圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 若視天球與地球為同一圓心，則地球上之座標往與天球上的座 標網是相似的。地球上與赤道平行之緯度圈，在天球上稱為赤緯圈。 地球上通過南、北極的經度圈，在天球上稱為時圈。 在天球上，太陽 L 之位置是以相互直交的兩個圓圈做為天球座 標基線來表示，惟所取之座標基線不同，表示方法有有所不同。通 常採用的有地平座標系與赤道座標系兩種。 1、地平座標系： 係以通過觀測點 O 之地平面與天球相交之地平圈為第一圈，以 通過 O 點之天頂、天底、地平面南點及北點之子午圈為第二圈，如 圖 2-5 所示。經過太陽位置 L 點，過天頂 Z 點之子午圈稱為方位圈； 經過 L 點平行於地平面的圓圈，稱為高度圈。太陽的位置 L 點，即 由太陽在高度上與地平面所夾的高度角 h，及在方位上與地平面正 南 S 點所夾的方位角 A 來確定。
圖 2-5 地平座標系示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 上圖中高度角 h 以地平面為零度，向天頂方向為正值；方位角 A 以地平面南點 S 為零度，向西為正值、向東為負值。高度角 h 與 方位角 A，隨時間及地理緯度的不同而變化。 2、赤道座標系： 係以天球赤道為第一圈，以通過天軸 PP'之子午圈為第二圈，經 過太陽位置 L 點，平行於天球赤道的圈稱為赤緯圈，經過 L 點過 P、 P'的圈稱為時圈，如圖 2-6 所示。太陽的位置 L 點，可由在高度上 與天球赤道所夾的赤緯δ，及在方位上時圈與天球赤道南點 Q'方向 線所夾之時角Ω來確定。 圖 2-6 赤道座標系示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 上圖中，赤緯角δ以天球赤道為零度，由此向天球北極 P 方向 為正值，向天球南極 P'方向為負值。時角Ω以觀測點 O 與天球赤道 南點 Q'連線為零度線，自天球北極看，順時針為正值，即午後時間； 逆時針為負值，即午前時間。 表示太陽 L 點方位之時角Ω值，是根據地球每小時回轉 15°計 算來確定。可用下式來表示：
Ω=15×t=15×（n-12） （2-1） 上式中，t 為方位時間，是以真太陽時正午 12 時為零時，以此 分別向午前（負值）、午後（正值）起算的小時數。n 為一天 24 小 時的時間數。 三、太陽位置的計算原理 計算太陽在天球中對地球上某一點之相對位置，是由該觀測點 的地理緯度、季節（月、日）與時間三個因素來決定的。通常是以 地平座標及赤道座標同時表示太陽位置，亦即以太陽高度角 h、方 位角 A 及赤緯角δ、時角Ω來表示，如圖 2-7 所示。 圖 2-7 太陽在天球中位置示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 上圖中 ESWN 為地平圈 ZLZ'為方位圈，Z 為天頂，Z'為天底 QTQ'為天球赤道 PQ'P'為子午圈 PLP'為時圈，P 為天球北極，P'為天球南極
∠SOM=A 為太陽方位角 ∠MOL=h 為太陽高度角 ∠TOL=δ 為赤緯角 ∠TOQ'=Ω 為時角 ∠PON=ψ 為地理緯度（觀測點所在地） 在球面三角形 LZP 中，其內角： Z=π-A P=Ω 內角 Z、P、L 各頂點的對邊分別為 z、p、l。由上圖可知： z = π2 − δ ∙ (LP) p = π2 − h ∙ (LZ) l=π 2 −ψ∙ (PZ) 計算太陽位置時，觀測點的地理緯度ψ，需已知季節（月、日） 之赤緯δ，及時間的時角Ω。因此利用上述已知數值及球面三角形 定理，可推導出太陽高度角 h、方位角 A 等。 1、太陽高度角 h 推導： 按照球面三角形定理，求面三角形邊的餘弦，等於其它兩邊餘 弦的乘積，加上該兩邊正弦與其夾角餘弦之乘積，故：
cosp = cosl ∙ cosz + sinl ∙ sinz ∙ cosP 將 p、l、z、P 值代入上式可得：
cos(90° − h) = cos(90° − ϕ) ∙ cos(90° − δ)
+sin(90° − ϕ) ∙ sin(90° − δ) ∙ cosΩ 因cos(90° − h) = sinh
故可得太陽高度角公式為：
h = sin−1(sinϕ ∙ sinδ + cosϕ ∙ cosδ ∙ cosΩ) （2-2） 2、太陽方位角 A 推導： 按球面三角形定理：球面三角形邊的正弦與其對角的正弦成正 比，故： sinp sinP = sinz sinZ 將 p、P、z、Z 值代入上式可得： sin(90° − h) sinΩ = sin(90° − δ) sinA cosh sinΩ = cosδ sinA 故太陽方位角公式為： A = sin−1(cosδ∙sinΩ cosh ) （2-3）
第二節 太陽輻射能基本理論
供給地球周圍大氣熱量主要有三種來源，分別是太陽、其他星 體以及地球本身之地熱。惟地球距離其他發熱星體距離太遠，所接 受之熱能極小，此外地球本身傳遞給大氣的熱量也很少，均可忽略 不計，故一般認為太陽輻射能應是地球大氣層最主要的熱源，亦即 太陽輻射能是影響氣候之主要因素，也是建築物外部熱條件之主要 來源。 太陽輻射能照射地球大氣層時，一部分會被雲層反射回宇宙空 間，其餘部分則分別會被大氣中各種氣體分子所散射，或是被大氣 中之臭氧、二氧化碳或水分子等吸收，最後剩餘部分才會直射到達 地表面，此時其太陽輻射強度已大為減弱，如圖 2-8 所示。圖 2-8 太陽輻射熱交換示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 到達地面之直接輻射與散射輻射之和稱為總輻射，亦即所謂太 陽輻射，其中直接輻射係以平行光方式直接投射於地表面，散射輻 射則係被空氣中的氣體分子或浮游灰塵所反射而朝四向散射。 通過大氣層透過陽光的程度稱之為大氣透明度，亦即為大氣透 明係數 P，P 值與太陽高度角 h 及大氣層厚度有關，當太陽高度角 越低，則陽光透過大氣層越厚，大氣透明度 P 值也越小；反之，當 太陽高度角為 90°時，陽光透過大氣層最薄，大氣透明度也最高， 定義此時之 P 值為 1，故 P 值在任何情況下都小於或等於 1。 若以大氣層厚度來衡量大氣透明度，稱為大氣質量 m，在地球 表面上，大氣質量 m 在任何情況下都大於或等於 1，如圖 2-9 所示。 圖中 O 點為地球海平面觀測點，並假設當 O 點垂直向上到大氣層上 界 A 點時之 m 值為 1，此時即稱為「一個大氣質量」。故圖中 A'點 之大氣質量可用下式求得： 假設 OA=1 OA'=m 則 sinh = 1 m
m = 1 sinh = csch （2-4） 圖 2-9 大氣質量示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 影響太陽輻射強度之因素包括：地理緯度、太陽高度角、大氣 透明度、天空雲量及海拔高度等。在大地水平面上，太陽直接輻射 強度與太陽高度角、大氣透明度成正比。在低緯度地區，太陽高度 角高，陽光通過大氣層厚度較薄，大氣透明度就大，故太陽直接輻 射強度較大，如圖 2-10 中之 a 點所示。反之，於高緯度地區之太陽 高度角較低，陽光通過之大氣層厚度較厚，大氣透明度也較小，故 太陽直接輻射強度較小，如圖 2-3 中之 b 點所示。 圖 2-10 地表不同緯度之日照情況示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅
每日於正午太陽高度角較高，陽光通過之大氣層較薄，因此太 陽直接輻射強度較大；於清晨及傍晚，太陽高度角較低，陽光通過 之大氣層較厚，因此太陽直接輻射強度較小，如圖 2-11 所示。 圖 2-11 每日正午與傍晚之日照情況示意圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 此外，在海拔高度較高處，大氣中的雲量與灰塵較少，陽光通 過之大氣層較薄，故太陽輻射強度較大。太陽輻射強度與海拔高度 之關係如圖 2-12 所示。 圖 2-12 太陽輻射強度與海拔高度關係圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 至於散射輻射強度，與太陽高度角成正比，與大氣透明度成反
比。例如在海拔較高處，大氣透明度大，散射輻射強度則較小；天 空有雲時，散射輻射強度較無雲時還大。在高緯度地區若地表面有 積雪覆蓋，因雪的反射能力較強，故散射輻射會較大。此外在陰影 處或室內，雖然沒有直射陽光卻仍有光線，即太陽散射輻射所致。 於大氣層表面，垂直於大氣層之太陽輻射能量，與太陽及地球 間之距離平方成反比。此處定義太陽常數 S0來表示太陽照射到地球 之輻射能量，其係指太陽與地球間距離為平均距離（1496×105km） 時，於大氣層表面（此時無大氣影響）垂直於太陽光線之單位面積、 單位時間所接受之太陽輻射能。於氣候理論計算中，太陽常數值為： S0=1.94 cal/(cm 2 ×分鐘) 或 1164 kcal/(m2×小時) （2-5） 當太陽與地球間位置變更時，則太陽常數將修正為 S0/r 2 。當太 陽輻射通過大氣層時被反射、散射與吸收，此時到達地表面之太陽 輻射強度減弱很多。假設地球水平面上之太陽直接輻射強度為 Sn， 地球垂直面上之太陽直接輻射強度為 Sv，則其公式為： Sn = S0P csch×sinh r2 （2-6） Sv = S0Pcsch×cosh×cos (A−α)r2 （2-7） 上式中 S0為太陽常數 P 為大氣透明度 csch 為大氣質量 m h 為太陽高度角 A 為太陽方位角 r 為以地球與太陽間之距離平均值作為單位，簡化計算可取值 為 1 α為垂直面之外向法線的方位角 當 r 值取為 1 時，則上述公式可簡化為：
Sn = S0× Pcsch× sinh （2-8） Sv = S0× Pcsch × cosh × cos (A − α) （2-9） 然而在建築實際設計中，須利用太陽輻射強度資料時，應盡量 採用當地實測資料，這樣更符合實際情況。若無法取得實測資料時， 再利用上述公式求取。一般來說實測值均會大於理論計算值，此乃 因上述理論計算值僅考量太陽直接輻射，而實測值除含太陽直接輻 射外，另還包含來自周遭環境之散射輻射。 若於夏季最熱月份分別針對不同緯度地區進行該地水平面上太 陽輻射強度實測，整理如圖 2-13 所示，可看出各緯度地區太陽輻射 強度於一日中之變化，其中太陽輻射強度於高緯度地區較弱，於低 緯度地區則較強，且太陽輻射最高值皆發生於當地時間之正午。 圖 2-13 不同緯度地區水平面上太陽輻射強度關係圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 若以相同緯度但不同朝向，進行該地垂直面之太陽輻射強度量 測，則會發現其量測結果並不相同。舉例來說，若以北緯 23°地區 為例，於夏季最熱月份，分別量測不同朝向垂直面之太陽輻射值， 可發現以東、西向最大，其次是南向，北向最小，且出現最大值知
時間，通常是太陽光線接近垂直於這個朝向的時刻，如圖 2-14 所示。 至於其他緯度地區之太陽輻射強度變化規律，均與此相近，僅輻射 強度不同。 圖 2-14 北緯 23°地區各主要朝向垂直面上太陽輻射強度關係圖 資料來源：建築日照設計，卜毅 綜合上述說明，若能統計實測太陽輻射強度，掌握日照資料， 對於建築物之遮陽、隔熱、採暖、採光、建築物之設計朝向，乃至 太陽能之利用，均有很大幫助。
第三節 熱傳基本理論
依據熱傳學理論，熱傳模式主要有三種：熱傳導（Thermal Conduction）、熱對流（Thermal Convection）及熱幅射（Thermal Radiation）。分別說明如下： 一、熱傳導（Thermal Conduction） 熱傳導是唯一可透過不透明固體的方式來傳熱，惟其亦可發生 於流體中，但僅限於平流（laminar flow）或擾流邊界層（turbulent boundary layer）極靠近物體表面的平流次層（laminar sublayer）中。 其原理乃物質中溫度較高部份之粒子，具有較高能量，有較頻 繁之粒子間碰撞，而將能量傳輸到溫度較低之粒子，並提昇此處之溫度。故物體中若存在溫度梯度（temperature gradient），則能量將 由高溫區流向低溫區，此即為導熱熱傳。而垂直於熱傳方向之單位 面積上之能量傳輸率正比於此方向之溫度梯度，其可表示為： （2-10） 根據上式可推導出傅利葉導熱定律方程式 (Fourier’s law of heat conduction)如下公式： （2-11） 其中 稱為熱通量（heat flux），為單位面積、單位時間內之熱能傳 輸率。其單位為 J / (s．m2 )。 稱為熱傳率（heat-transfer rate），為在一段時間Δt ＞0 內傳 輸之熱能。其單位為 J / s。 k 稱為導熱係數（thermal conductivity），其單位為 W /(m．K) 上式亦可用圖 2-15 表示，為熱傳導穿透面積為 A 且厚度為ΔX 之平板，其中熱傳遞係由溫度高之 T1傳至溫度低之 T2，上式之負號 代表導熱熱傳能量傳遞的方向為溫度減少的方向。 圖 2-15 熱傳導示意圖 資料來源：熱傳學講義，王曉剛
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，如圖 2-16 所示。 圖 2-16 熱流方向示意圖 資料來源：熱傳學講義，王曉剛 因此可寫成以下公式： q T A n ∂ ∝ ∂ 代入比例常數後，可得 ∂ = ∂ T q kA n （2-12） 其中 q 為熱傳遞速率（W），A 為熱傳遞面積（m2）， 是等溫面 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-oC）；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 2-17 所示。
圖 2-17 一維熱傳導分析自由體圖 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，2011 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 ρ ∂ + = ∂ left right T q q c dxdydz t 代入式（2-6）可得： ( ) ρ ∂ + ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ x x x T T T T
k dydz k k dx dydz c dxdydz
x x x x t （2-13） 當熱傳導係數為常數，將上式整理後同除dxdydz可得： 2 2 ρ ∂ = ∂ ∂ ∂ x T T k c x t （2-14） 若考慮三軸方向之熱傳導，以式（2-12）至式（2-14）同理可 得： 2 2 2 2 2 2 ρ ∂ + ∂ + ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ x y z T T T T k k k c x y z t （2-15） dx x
其中 為密度（kg / m3），c 為比熱（J / kg-oC）， 為溫度對時間的微 分（oC / s）。 二、熱對流（Convection） 熱對流是由於流體在固體表面整體與不規則運動所造成。對流 熱傳存在於不同溫度之物體表面與表面上之流體之間，流體因為黏 滯力，會在物體表面形成一速度邊界層（hydrodynamic or velocity boundary layer），同樣的，因為溫度不同，亦會形成一溫度邊界層
（thermal boundary layer），大部分流體之速度邊界層與溫度邊界層 非常類似，此稱為雷諾類比（Reynolds Analogy）。對流熱傳之熱傳 機制，在接近物體表面，因為流體流速幾乎為零，故熱傳主要是導 熱熱傳，且熱傳率在“流體/物體”界面必須連續，可以下列公式表 示： （2-16） 上式中，q（W）是熱傳率（Heat rate），為單位時間內之熱能 傳輸率。s 代表物體（solid），f 代表流體（fluid）。但因為流體之溫 度分佈非常複雜，故以上式求對流熱傳之方法甚為困難。此熱傳進 入流體主流（bulk flow） 後，熱傳之熱傳機制有兩種：微觀之流體 分子之隨機運動與擴散（random molecular motion or diffusion），以 及巨觀之流體流動，可以下式表示：
Convection = Conduction + Advection （2-17） (熱對流) = (熱傳導) + (流體運動)
故流體之流速、物理性質（如密度、黏滯係數、導熱係數等） 以及流場之幾何形狀等，均會影響熱傳率，此複雜之熱傳形式可用 一簡單之方程式來表示上述之複雜性質，稱為“牛頓冷卻定律” （Newton’s law of cooling），如下列公式所示：
其中
h 稱為“熱傳係數”（convection heat-transfer coefficient），其
單位為 W/（m2．K），相較於導熱係數，此係數非物質之特 性（thermo-physical property），除一些特殊情況，此係數非常 複雜，多須由實驗或半經驗方程式（semi-empirical correlation） 求得。 As（m2）為熱對流面積。 Ts（K）為熱對流面溫度。 T∞（K）為流體溫度。 此 外 對 流 熱 傳 可 由 流 體 之 形 式 分 為 ： 強 制 對 流 （ forced convection）、自然對流（natural or free convection）、沸騰（boiling） 以及凝結（condensation）等四種對流熱傳形式，如下圖所示： 圖 2-18 四種對流熱傳形式示意圖 資料來源：熱傳學基本概念，網路資料 （http://admin.must.edu.tw/upfiles/ADUpload/c23_downmul143368 6824.pdf） 上圖中透過外力如風扇或幫浦去帶動流體者，稱之為強制對流。
自然對流主要由於流體上下溫度不同、密度不同，而形成之浮力 （buoyancy forces）而產生能量傳遞所造成。一般熱傳中流體由無 相變化（phase change）所傳輸之能量為流體之“顯能”（sensible heat），而當流體產生相變化時，所傳輸之能量為流體之“潛能” （latent heat），故於沸騰或凝結狀態下之熱傳係數相當大。 三、熱幅射（Thermal Radiation） 任何物質只要絕對溫度大於零，因為原子或分子之電子狀態改 變，就會散發“電磁波”（electromagnetic wave）或稱“光子” （photon），其傳輸不需任何介質，此稱為“熱幅射”（thermal radiation），其主要為因溫度而造成之幅射。 幅射熱源一般均為體積熱源現象（volumetric phenomenon），然 而幅射可視為表面現象（surface phenomenon），理想幅射熱發射源 稱為“黑體”（blackbody），其發射能量與其絕對溫度之四次方成 正比，此稱為“史代芬-波茲曼定理”（Stefan-Boltzmann’s law），如 下式所示： （2-19） 其中σ=5.669*10-8 （W /m2．K4 ） 稱為“史代芬-波茲曼常數” （Stefan-Boltzmann constant）。故兩不同溫度之間之淨幅射熱傳輸可 用下式表示： （2-20） 然而真實之物體表面並非理想黑體，通常稱為“灰體”（gray body），若定義其幅射熱發射量為理想黑體之ε倍, 此係數稱為“發 射係數 Fε”(emissivity factor)。有些幅射熱由於幾何形狀關係 無法完全由一發射面傳輸至另一接受面，故幅射熱還須乘一係數， 稱之為“視覺因子 FG”(view factor)，故幅射熱傳方程式寫為：
（2-21） 當一幅射源（溫度 T1）完全被一大面積幅射吸收面（溫度 T2） 所包圍，則上式變為 （2-22） 由史代芬-波茲曼定理亦可定義出幅射熱傳係數 hr（radiation heat-transfer coefficient）： （2-23） 故當對流熱傳與幅射熱傳同時存在時，熱傳率為 （2-24） 四、總熱傳遞係數 U 若考慮一維平面壁體，一面曝露於熱流體 A，另一面曝露於冷 流體 B，如圖 2-19 所示 圖 2-19 總熱傳遞係數 U 值計算模型示意圖 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，2011 熱傳遞可以表示：
1 ( A 1) ( 1 2) 2 ( 2 B) kA q h A T T T T h A T T x = − = − = − ∆ （2-25） 熱傳遞過程可以如圖 2-20 所示之熱阻網路表示。 圖 2-20 熱傳遞之熱阻網路示意圖 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，2011 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 − = ∆ + + （2-26） 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 （2-27） 1 2 1 1 1 U x h k h = ∆ + + （2-28） 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，可將上述公式改寫如下： 1 1 2 1 1 n 1 i i i U x h = k h ≡ ∆ +
∑
+ （2-29） 一般來說，建築外殼的 U 值越小越好，U 值越小代表在相同熱量 q 的情況下，溫差(TA−TB)越大，即室外與室內的溫差越大，如此 當室外氣溫較高時，室內的溫度可以維持較低溫，以保持涼爽；相 反的，若是在寒冷的氣候下，U 值越小，則會有保溫的效果。但是 除了 U 值以外，密度和比熱（熱容量）也佔有重要的影響。
第四節 室內環境熱舒適之相關理論
關於人體暴露於中性（moderated）及極端（extreme）熱環境下 的舒適標準，國際標準組織（International Organization for Standards, ISO）有一系列的測量及評估標準。其中 ISO 7730：Moderate thermal environments- Determination of PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort 和 ISO 7726： Instruments and methods for measuring for measuring physical quantities 係用於規範一般室內熱環境的條件與測量標準，可作為本 研究參考。 根據 ISO 7730 的定義，熱環境上的舒適為「當人的下意識對所 處之熱環境表示滿意時的狀況」。人體對熱環境感到滿意的基本條件 是人體與環境保持熱平衡。而人體與環境的熱平衡則受人體的活動 量（activity）、衣著量，以及環境的參數包括：溫度、平均輻射溫度（mean radiation temperature, MRT）、風速及溼度等之影響。若是能 測得室內環境中的各項參數，則可根據 ISO 7730 計算出用來表示室 內熱環境舒適度的 PMV 與 PPD 指標。 另我國國家標準訂定 CNS 15537 室內環境熱舒適度量測法，以 量測所得之物理量來預測處於一般熱環境中人體對熱的感覺，這些 熱舒適條件適用於健康男性及女性，而此標準亦適用於室內環境的 設計或對現有室內環境進行熱舒適度量測。
一、PMV（預測平均投票數，Predicted Mean Vote）指標
該尺度將描述熱感覺度的文字轉成相應的數字。ISO 7730 以及國家
標準 CNS 15537 中訂定當 PMV 介於-0.5∼0.5 為推薦之室內熱舒適
範圍。最初由丹麥學者 P.O.Fanger 所提出之 PMV-PPD 評價法中， PMV 為表決的平均預測值，PPD（Predicted Percentage Dissatisfied Value）為預測不滿意百分比，其 PMV 是以統計法得出人體感覺與 環境等六個量的定量函數關係，如式所示： （2-30） PMV 指標是建立在人體保持熱平衡的條件下。當人體保持熱平 衡則體內的新陳代謝熱會與人體的散熱量保持平衡。在一般的熱環 境中，人體主要是靠皮膚及呼吸來調整體內溫度，來保持熱平衡。 根據 Fanger 對 1,300 個受測者的實驗結果，PMV 的理論計算公式如 下所示： )} ( ] ) 273 ( ) 273 [( 10 96 . 3 ) 34 ( 0014 . 0 ) 5867 ( 10 7 . 1 ] 15 . 58 ) [( 42 . 0 ] ) ( 99 . 6 5733 [ 10 05 . 3 ) ){( 028 . 0 303 . 0 ( 4 4 8 5 3 36 . 0 a cl c cl r cl cl a a a M t t h f t t f t M p M W M p W M W M e PMV − − + − + × − − − − × − − − × − − − − × × − − + = − − − − （2-31） 上式中 /W ℃ m 078 . 0 for 645 . 0 05 . 1 or /W ℃ m 078 . 0 for 29 . 1 00 . 1 1 . 12 ) ( 38 . 2 for 1 . 12 or 1 . 12 ) ( 38 . 2 for ) ( 38 . 2 )} ( ] ) 273 ( ) 273 [( 10 96 . 3 { ) ( 028 . 0 7 . 35 2 2 5 . 0 25 . 0 5 . 0 5 . 0 25 . 0 25 . 0 4 4 8 ≤ + = ≥ + = ≤ − = ≥ − − = − + + − + × − − − = − cl cl cl cl cl cl a a cl a c a a cl a cl c a cl c cl r cl cl cl cl I I f I I f v t t v h v t t t t h t t h f t t f I W M t
其中 fcl=衣著表面積係數 M=人體新陳代謝率（W/m2） W=對外作功率（W/m2） Icl=衣服絕緣值（m 2 ℃/W） Pa=水蒸氣分壓（pa） ta=室內空氣溫度（℃） tr=平均輻射溫度（℃） var=氣流速度（m/s） hc=對流熱損失係數（W /m 2 ．℃） tcl=衣服表面溫度（℃） 根據ASHRAE 55 指出，人體新陳代謝 率(活動量)在 1.2Met及衣 著量(夏天衣服絕緣值為 0.5clo，冬天為 0.9clo)條件下，夏季舒適溫 度為 24.5℃tb*1 (RH=50%，10%不滿意度下)，舒適溫度範圍 23~26 ℃ET*2；冬季舒適溫度為 22℃tb (RH=50%，10%不滿意度下)，舒適 溫度範圍 20~23.5℃ET，夏季與冬季重疊區域為 23~24℃ET，可接受 之舒適區域溫、濕度曲線，如圖 2-21 所示。 註1：tb=運轉溫度。 註2：ET=有效溫度
圖 2-21 可接受之舒適區域溫、濕 度曲線圖 資料來源：ASHRAE 55，2004 ISO 7730 亦建議上述 PMV 公式（2-31）中之環境熱舒適參數 適用範圍為： -3<PMV<3 活動量：M=46 ~232 W/m2 (0.8~4 Met，1Met=58.2 W/m2) 衣著量：Icl=0~0.310 m 2℃/W (0~2 clo，1clo=0.155 m2℃/W) 室內溫度：ta=10~ 30℃ 平均輻射溫度：tr=10~40℃ 平均風速：var=0~1 m/s 大氣壓力：pa=0~2,700 pa 相對濕度：R.H.=30~70% 二、熱舒適和感覺評價指標 將 PMV 值按人體的熱感覺分成七個等級如表 2-1，並已經大量 試驗獲得不滿意等級的熱感覺人數占全部人數的百分比 PPD，可繪 製出 PMV-PDD 曲線如圖 2-22。圖中曲線的底端 PMV 值等於 0 時， PPD 仍有 5％的人不滿意，當 PMV 值來到 0.5 時，代表環境稍熱， 此時的不滿意百分比 PPD 上升到 10%，這同時也說明環境在任何時 間不可能使所有的人都滿意。 表 2-1 熱舒適和感覺評價指標 ASHRAE 分級 PMV 值 冷 -3 涼 -2 微涼 -1 中性 0 微暖 1 暖 2 熱 3 資料來源：美國冷凍空調協會 ASHRAE，1996
圖 2-22 PMV-PPD 曲線圖 資料來源：室內環境品質診斷及改善技術指引，內政部建築研 究所 Fanger 將上圖之所有實驗數據繪成圖表，並找出迴歸曲線，所 導出之 PMV 與 PPD 的關係式如下： PPD = 100 − 95 × e−(0.03353×PMV4+0.2179×PMV2) （2-32） 應用此方程式，當獲得 PMV 值時，同時也可獲得此時感到 不 滿意人數的百分比（PPD 值）。根據國際標準組織 ISO 7730 的舒適 指標值，建議介於-0.5 與 0.5 之間為舒適範圍，亦即 PPD 建議在 10% 以下，如圖 2-22 中綠色框範圍。
第五節 屋頂隔熱與綠屋頂相關文獻
一、屋頂隔熱相關文獻 建築物室內、外的溫度差及太陽輻射的日射量是造成建築耗能 的兩大主因，針對「溫度差」的節能技術則是「隔熱」，而針對「日 射量」的節能技術則是「遮陽」。因此建築屋頂隔熱主要目的，係為 提昇建築物屋頂阻絕外界太陽直射進入屋內熱 量之能力。 依據內政部建築研究所「建築物外遮陽暨屋頂隔熱設計參考手 冊，2007」，茲整理有關屋頂隔熱相關技術如下： 熱舒適範圍1、常見屋頂隔熱使用材料之種類： 屋頂隔熱材料主要可分為以下三大類： (1)填充材：填充於天花板內的中空部分，有時也舖設在天花板的 表面；根據其外形又可細分為纖維狀材料（玻璃棉、岩棉）、粒 狀材料（保麗龍粒、稻殼、鋸木屑、膨脹蛭石）、粉狀材料（硅 藻土、碳酸鎂）等。 (2)板塊狀材料：如纖維板、石棉板、岩棉板、毛氈、軟木板、發 泡苯乙烯板等軟質隔熱板；或是氣泡玻璃板、鹽化樹脂板等硬 質隔熱板。 (3)反射材：利用鋁箔等反射材張貼於空氣層的一側或二側，或將 空氣層用鋁箔板隔開，利用其反射輻射熱的特性來隔熱。 理想的隔熱材最好不具吸濕性。因為隔熱材如浸透在水分中， 空氣層為水所取代，水的熱傳導係數為空氣的 20 倍以上，因此使熱 流容易通過，隔熱性因而降低。一般對於隔熱材料之使用應注意下 列幾個原則： (1)應選擇 k 值小者之材料為佳。 (2)水之 k 值在常溫下約為 0.5kcal/mh℃ (為空氣之 25 倍) ，因其 k 值相當大，故材料若吸濕後，其斷熱效果會大為降低。 (3)隔熱材料應配置於熱源側較佳，如此則可直接將熱量隔絕之。 (4)不同材料間之配置設計上，應避免產生熱橋現象*3 (5)使用空氣層做隔熱材時，其厚度最好在 5 cm 左右，若超過 5 cm 時中間應加設抗輻射材料，並且要保持良好之氣密性，或是使 其通風良好。 ，以免使其 斷熱效果降低。 2、屋頂隔熱常見之手法： 註3：係指構造上厚度較薄的部位，或該部所用材料不同，其熱傳導抵抗弱，熱損失與透過多經過此 處，此部位溫度較低，因此易結露。
屋頂隔熱的方式有許多種，最終目的就是將太陽的輻射熱儘可 能地隔絕於室外，相關手法茲列舉如下： (1)舖設隔熱層：運用材料的熱阻隔特性來阻擋太陽輻射熱傳遞入 室內。 (2)反射太陽輻射：於屋頂表面選用色彩明度高的材料（例如白色）， 藉以反射太陽的輻射熱，防止屋頂吸收過多的熱。 (3)加設天花板並留空氣層：在屋頂直下的樓層裝設天花板，並與 屋頂間留設足夠的空氣層及通風口，以便利用通風來迅速排除 熱量。 (4)屋頂花架：利用蔓藤形成天然的遮蔽，花架周圍立面必須有三 分之二以上透空，花架結構以木質材料為佳。 (5)屋頂花園：土壤及植物具有蒸發散熱的作用，可帶走屋頂結構 熱，而土壤亦具有良好的隔熱性能，為天然的素材。 (6)天窗加裝外遮陽及通風裝置：如果屋頂面有利用天窗採光的設 計，其朝向宜避開太陽直射，於天窗並提供外部反光遮陽裝置， 且有從裝置上部排走熱量的通風措施。 (7)灑水設備：由於屋頂面受太陽直接照射時的溫度可高達 55℃， 若將水灑於其上，藉由水遇熱蒸發的原理，可帶走屋面的熱。 (8)採用雙層屋頂構造：利用上層構造來遮蔽直接日射，中間為開 放的空氣層，利用風力或浮力通風的原理來散熱，外層採用淺 色輕質材料，用以遮擋太陽的熱進入內層屋頂。 (9)屋頂通風塔或排氣裝置：在非空調空間，設置屋頂通風塔（風 力通風）或屋頂排氣裝置（浮力通風）來減低室內環境的熱負 荷。 3、屋頂隔熱設計準則： 在設計屋頂隔熱時，可依照下列準則，以兼顧經濟又達到隔熱 效果：
(1)增加遮陽能力：宜盡量避免太陽光直接照射屋頂面，可運用雙 層屋頂或屋頂花架來阻擋。 (2)增加隔熱能力：屋頂隔熱節能的設計重點在於使用良好的隔熱 材，由於鋼筋混凝土本身的隔熱能力不佳，所以必須在屋頂面 舖設隔熱層，增加隔熱能力。依公式（2-29）可知複層隔熱材 的熱傳透率 Ui 計算公式如下： （2-33） 其中 Ui：某 i 部位外殼的熱傳透率 [W/ m2‧k] ra：中空層之熱阻 [m2‧k /W]，可查表 2-2 ho：外表面熱傳遞率 (取 23.0) [W/ m2‧k] hi：內表面熱傳遞率 (牆面取 9.0，屋頂取 7.0) [W/ m2‧k] kx：第 x 層材料之熱傳導係數 [W/ m‧k]，可查表 2-3 dx：第 x 層材料之厚度 [m] (3)避免水平天窗：因水平方位的日射量是南向立面的約 2.78 倍， 也是所有方位最高的，雖然水平天窗有利於室內採光，但在熱 性能上卻十分不利，故設計時應儘量避免。 (4)傾斜屋頂：建築物屋頂的日射量，受屋頂坡面的傾斜角度影響。 由於北半球的太陽，冬季時軌道偏向南邊，因此屋頂最適當的 傾斜角度為緯度再加 5°，一般設計時，以不超過最適角度的± 15°為佳。 表 2-2 不同種類中空層之熱阻表 中空層之種類 熱阻 ra [ m2‧K/W] 屋頂密閉中空層 0.086 屋頂密閉中空層(附鋁箔) 0.25 閣樓空間或雙層屋頂之中空層 0.28 (無通風) 0.46 (有通風，空氣層<20cm) 1/hi ra dx/kx 1/ho 1 = Ui + + +
∑
0.78 (有通風，空氣居≧20cm) 閣樓空間或雙層屋頂之中空層(附鋁箔) 1. 09(無通風) 1. 36 (有通風) 註：(1)當某部位無中空層時，上式中之 ra 可省略不計(即 ra=0) (2)新材料、新構造之熱性能數據，應取得實驗證明。 (3)常用之 Ui 值詳見附錄 1，若所採用之材料未納入者則應依上式計算。 資料來源：建築物外遮陽暨屋頂隔熱參考手冊，2007 表 2-3 不同種類材料之熱傳導係數
資料來源：綠建築設計技術規範，2012 二、綠屋頂相關文獻
屋頂綠化扣除原有屋頂結構層及防水層外，主要包括土壤層與 植被層兩大部分。其中土壤層係由土壤顆粒、土壤溶液與土壤空氣 等固態、液態與氣態三相所構成，隨著地面的氣候變化，將改變土
壤孔隙中氣相與液相的含量，因此造成土壤水分含量的變化。而水 為熱的良好導體，因此增加土壤中水分含量將增加土壤整體的傳熱 性。根據文獻研究顯示，土壤水分與土壤熱傳導係數是呈現一正相 關的關係（徐森雄，2005）。另土壤水分蒸發後水的相態變化產生潛 熱的消散，亦即土壤中每公克的水其蒸發後，消散之潛熱平均約為 540cal/g（周鼎金，1995）。因此土壤於屋頂綠化隔熱中，可做為太 陽輻射和建築物壁體間重要的隔熱介質，不但可阻隔太陽輻射對建 築物壁體的熱吸收，同時也可延緩建築物壁體的散熱，達到隔熱、 保溫之功效。 另植物對溫濕度的調節有很大的幫助，根據相關文獻研究顯示， 茂密的枝葉可以吸收和反射 80 至 90％的太陽長波輻射熱，葉片的 蒸散作用又可消耗一部份熱量，惟不同的植栽種類會影響其隔熱與 蒸散之效果（陳瑞鈴等，1999）。因此植栽的蒸散作用可降低周圍外 氣溫度及土壤表面溫度，但因植栽蒸散是一個複雜的物理作用，蒸 散量會受到許多因子所影響，包含葉片面積、厚度、植栽高度、密 度及氣孔等，以及太陽輻射、溫度、濕度、風速及土壤含水量等影 響因子，目前所有蒸散量之測定方法都無法準確的計算，只能以推 估的方式探討。 另根據文獻研究顯示，植栽對於日射熱能約有 80％日射照射熱 量的消散效果，由此可知屋頂綠化之植栽，於日射熱能之熱平衡機 制中，主要的 80％之日射熱能，可由植物層所形成熱的反射、消耗 及水分蒸散等作用，所帶走的潛熱來達成（張簡宏裕，2002）。 故經過綠化之屋頂，可藉由土壤層與植被層吸收太陽輻射熱及 蒸散水分，有效降低屋頂的表面溫度、外部周圍空氣溫度及屋頂的 平均輻射溫度，減少太陽輻射熱對建築物的影響，降低屋頂表面熱 流通過，進而降低建築物室內溫度與能源消耗。 依據內政部建築研究所「屋頂綠化技術手冊，2015」指出，綠
屋頂主要可概括分為三種類型：薄層綠屋頂、盆缽型綠屋頂及庭園 型綠屋頂，主要是按植栽種 類、介質厚度及功能使用區分，茲分別 就屋頂綠化主要類型說明如下：
1、薄層綠屋頂（Extensive green roof）：
指在屋頂上以滿鋪方式在防水層上覆蓋厚度低於 30 公分的輕 量介質，並種植強韌、低矮、具自生性的植栽，以適應燠熱、乾旱、 強風等不利環境，達到提昇環境效益、永續節能的目的。基於建築 物承載量的考量和低維護管理的需求，目前公司部門及現有建物多 推行薄層綠屋頂。此類型施工較簡單、傾斜度在 45°內的屋頂皆可 施作，較庭園型及盆缽型綠屋頂工法有低維護管 理、低承載需求、 節省結構成本等特性，例如新北市新莊國民運動中心之屋頂綠化案 例，詳如圖 2-23。 圖 2-23 新北市新莊國民運動中心（樹花園） 資料來源：屋頂綠化技術手冊， 2015 2、盆缽型綠屋頂（Container-type green roof）：
形成之綠屋頂。因容器與介質材料取得容易，且盆缽器具可移動性， 故民眾可方便自行操作施工，以及依照植物生長狀況調整擺放位置。 惟佈設時應儘量將屋頂樓板面積鋪滿，阻絕太陽輻射熱直接曬到防 水層，才能減少屋頂樓板傳遞熱能至頂樓室內，以達到隔熱及節能 的效用。例如成大綠色魔法學校（孫運璿綠建築研究大樓）之屋頂 綠化案例，詳如圖 2-24。 圖 2-24 成大綠色魔法學校（孫運璿綠建築研究大樓）之屋頂綠化 資料來源：屋頂綠化技術手冊， 2015
3、庭園型綠屋頂（Intensive green roof）：
一般係由屋主或業者委託景觀設計者利用設計手法將小型喬木、 灌木、地被植物等進行屋頂複層綠化，常有休憩設施或花園，主要 以美觀欣賞及休憩療育為目的。庭園型綠屋頂具有景觀效果佳、植 物層次豐富、完整性高、覆土深、植物根系可充分伸展等優點。但 由於涉及設施結構等設計，以及喬木移植專業，建議尋找專業廠商 規劃、設計和施工、維護管理。常見之庭園型屋頂綠化案例，詳如
