應用全尺度實驗屋探討建築玻璃隔熱膜節能與熱舒適性能之研究

國立臺灣大學生農學院生物環境系統工程學研究所 碩士論文

Department of Bioenvironmental Systems Engineering College of Bio-Resources and Agriculture

National Taiwan University Master Thesis

應用全尺度實驗屋探討

建築玻璃隔熱膜節能與熱舒適性能之研究

A Study of a Full-Scale Experimental House Applied in Exploring the Energy Conservation and Thermal Comfort Performance of Glass

Heat-insulating Film in Buildings

蔡和益

Tsai, Ho-Yi

指導教授：黃國倉 博士

Advisor：Prof.Dr.-Ing. Huang, Kuo-Tsang 中華民國107年7月

July,2018

謝誌

綠建築對我來說，除了本身是建築背景之外，亦是另一個高端的學習領域，

回顧這幾年的學習生涯，有許多艱辛與喜悅；然而有幸的是，能步入到永續環境 與綠建築這個眾多成員的研究室，實感欣喜若狂。在這一段時光中，能夠以建築 相關的學科為研究主題，進而以科學化方式呈現研究結果，心中除了學習成果受 到肯定及喜悅外，也充滿了感激。

而歷經了好幾個寒暑，終於到了要告別耶子林大道的時候。回想在公館的日 子，每當踏入校園，所迎面而來的是寬闊高聳的樹林及徐徐的微風。永難忘懷在 臺大農場中看見一次又一次的太陽日出，並能天天在獨有的腳踏車陣中，穿梭閃 躲而過。能擁有如此人生經歷皆要感謝黃宏斌老師，對於我在研究方向不明確的 時候，指引我進入永續環境與綠建築研究室，並適時給予我支持與幫助。另外也 要感謝城鄉所康旻杰老師啟蒙我對都市保育的觀念，還有前經建會主委蔡勳雄老 師，以及開拓了我對生態工程瞭解的張文亮老師之任課教導，除了從各位老師的 課堂學習到專業知識外，並且在最初的研究方向上給予我許多提點。

伴隨在研究室成長的時間裡，由於老師這幾年來的悉心指導有關建築節能更 深入的相關知識，並給予我相當大的研究學習空間與資源，如從相關電腦軟體的 應用解析到各種儀器設備的操作使用，都能讓我有更深一層的認知與領悟。而在 研究的過程中，老師亦不時與我討論並指點我正確的方向，對於我在邏輯思考及 獨立研究能力的培養上都有很大的幫助，使我獲益匪淺。因而更能進一步參與研 究計畫，累積相關的研究經驗，並使我擴充了研究領域，亦增進了自行思考與判 斷能力。

能夠撰寫這篇論文，最後要感謝指導老師黃國倉博士，從決定論文研究題目 及蒐集資料與內容撰寫上，每一個階段都全心盡力的協助與支持我，給予我加油 打氣，還是亦師兼亦友，對於學生的慷慨協助令我銘記在心，可以說沒有恩師，

就沒有這一篇論文成果。另外感謝口試委員黃瑞隆博士與林子平博士，在論文上

除了銘謝老師的指導外，研究室的堉騰學弟及宏彥學弟在實驗過程中，對於 我在操作儀器設備與實驗設施的保全給予相當大的協助，並與我分享實驗學習的 心得，使得我能順利克服實驗困難與挑戰；而世禎、宇彥、羿成、哲宇、哲維、

裕恒、文元、彥碩、Kris、Bryon 於求學期間與我分享生活經驗與學習所得，由於 你們的陪伴，使我在研究學習生涯內容能夠豐富且多元。

在論文研究實測過程中，要特別感謝臺灣 3M 總公司的邱皇森經理，在實測的 材料上提供一切必要的協助，並給予最新資訊的回饋。在數值模擬技術方面，則 要感謝我的研究室學妹宜臻、怡廷，由於妳們不藏私的分享各種數值模擬上的經 驗，使我在學習過程中有如獲至寶般的珍貴，另外也添加了許多樂趣的回憶。

這些年來直至今日，子涵至始至終陪伴在我身邊一起成長，感謝妳的關心並 給予我溫暖與體諒，在我面臨困苦與低潮時，總是想辦法逗我開心與加油鼓勵，

使我能有繼續往前的原始動力。最後，感謝我摯愛的父親、母親及家人們，尤其 是母親無微不至的照顧，身體狀況不佳的父親之生活起居，使我能夠專心於課業 且無後顧之憂的完成學業，在此我僅將論文完成的喜悅與您們分享。

中文摘要

隔熱膜為一種安裝在玻璃窗上，透過反射和吸收太陽熱能，以達到隔熱效果 的抵抗紅、紫外線材質。常被附貼在建築外牆窗戶的玻璃上，除了夏季透過外遮 陽原理有效增加建築節能外，也是降低室內熱不舒適環境的選項。但對於亞熱帶 地區臺灣來說，由於熱濕氣候條件的不同，隔熱膜如何應用於臺灣建築外牆開口 玻璃是值得探討的問題。在建築玻璃開口朝向附貼隔熱膜建材該如何應用，應是 主要的研究課題。本研究是以實驗屋的實際實測方式為基礎，並利用建築耗能模 擬軟體 EnergyPlus 進行實驗屋室內環境數值模擬，並在實驗屋室內中，於不同季 節進行實際熱環境測量，以與傳統之清玻璃及外遮陽進行比較。

研究結果顯示:1.將隔熱膜與清玻璃、外遮陽模組實測結果比對，發現利用隔 熱膜確能有效降低室內的溫度。2.對於隔熱膜之隔熱性能來說，在冬季與夜間室外 低溫所造成的影響則是不明顯，利用隔熱膜與室內牆面的穩熱板則保有些微的隔 熱及保溫效果，於春(秋)季隔熱膜之隔熱性能略有提升的效果，而當隔熱膜在炎 熱的夏季室外氣溫愈高時，則外牆玻璃貼有隔熱膜之隔熱性能效果越好。3.利用實 驗模組實測與模擬實驗屋外牆體及其室外溫度環境與室內熱環境之間的相互影 響，經過分析比較及透過清玻璃與隔熱膜的光學性能參數計算輻射熱、傳導熱得

量，並且模擬計算實驗屋室內熱負荷與外牆熱傳結果，以具愈低之日射熱取得係 數(SHGC)之隔熱膜，擁有較好之節能與熱舒適改善效果。

關鍵字：隔熱膜、外遮陽、建築節能、室內熱不舒適環境、數值模擬

Abstract

Heat-insulating film is a material applied to glass windows to achieve heat insulation and keep infrared and ultraviolet rays out by reflecting and absorbing solar energy. Frequently applied to glass windows of external building walls, in addition to effectively enhancing building energy conservation through the principle of external shading during the summer, heat-insulating film is also an alternative for reducing indoor thermal discomfort. However, due to the differed heat and humidity climatic conditions of Taiwan situated in the subtropics, how heat-insulating film can be applied on the glass of external walls of buildings in Taiwan remains an issue worth exploring.

How to apply heat-insulating film material at the opening of building glass is the main research issue. This study adopted the actual measurements of the experimental house as the basis, while building energy consumption simulation software EnergyPlus was used to simulate indoor environmental values of the experimental house. Actual thermal environment measurements were taken inside the experimental house in different seasons, which were compared with traditional clear glass and external shading.

Research results show that: 1. The actual measurement results of heat-insulating film, clear glass, and external shading were compared. It was found that the heat-insulating film indeed effectively reduced the indoor temperature. 2. As far as the heat insulation performance of heat-insulating film is concerned, the impact caused by low temperatures in the winter and outdoor at night was not obvious. The use of heat-insulating film and indoor wall PS panels possess certain heat and temperature insulation effects, while the heat-insulating film’s heat-insulating performance is slightly improved in spring and autumn. For heat-insulating film in the scorching summer, the higher the outdoor temperature, the better the heat-insulation performance of the external wall glass with heat-insulating film attached; 3. Through the actual experimental module measurements, simulated external walls of the experimental house, and the interrelationship between the outdoor temperature and indoor thermal environment, using comparative analysis, and the optical performance parameters of glass and heat-insulating film, the radiant heat and conductive heat were calculated, and the results of the indoor thermal load and external wall heat conduction of the experimental house were simulated and calculated. The heat-insulating film with a lower solar heat gain coefficient; SHGC produced better energy conservation and thermal comfort improvement results.

Keywords：heat-insulating film, external shading, building energy conservation, indoor thermal discomfort, numerical simulation.

目錄

謝 誌 ……… Ⅰ 中文摘要 ……… Ⅲ 英文摘要 ……… Ⅳ 目 錄 ……… Ⅴ 圖 目 錄 ……… Ⅵ 表 目 錄 ……… Ⅷ

第一章 緒論……… 1

第一節 研究動機與目的……… 1

第二節 研究範圍與內容……… 5

第三節 研究方法與流程……… 6

第二章 文獻回顧與研究實例介紹……… 9

第一節 文獻回顧……… 9

第二節 研究實例介紹……… 14

第三章 理論探討……… 23

第一節 建築外殼開口日射與舒適度理論……… 23

第二節 等效外部遮陽理論……… 31

第三節 數值模擬理論及運算公式探討……… 34

第四章 室內外實際溫度測量與結果……… 47

第一節 實測目的及實驗屋場地介紹……… 47

第二節 實測儀器介紹及測點配置方式……… 51

第三節 歸零實驗及實測設定流程……… 56

第四節 實測結果……… 61

第五章 EnergyPlus 模擬方法與模擬結果……… 70

第一節 模擬方法與流程……… 70

第二節 數值模型建立……… 73

第三節 模擬結果……… 84

第六章 綜合比較分析與討論……… 88

第一節 實測值與模擬結果之分析討論……… 88

第二節 實驗屋耗電量與隔熱膜節能效益……… 98

第三節 室內熱舒適性能分析與討論……… 106

第七章 結論與建議……… 112

第一節 結論……… 112

第二節 建議……… 113

參 考 文 獻……… 115

圖目錄

圖1-1 高層建築外殼隔熱膜應用實例……… 2

圖1-2 低層建築外殼隔熱膜應用實例……… 2

圖1-3 高層室內玻璃附貼一般隔熱膜……… 2

圖1-4 低層室內附貼高反射隔熱膜……… 2

圖1-5 研究流程圖……… 8

圖2-1 台大實驗屋基地環境航照圖……… 14

圖2-2 實驗屋室外實景……… 15

圖2-3 實驗屋室內全景……… 15

圖2-4 直達日射量變化……… 16

圖2-5 清玻璃與隔熱膜實驗模組透視圖……… 17

圖2-6 外遮陽與隔熱膜實驗模組透視圖……… 17

圖2-7 實驗屋平面圖……… 19

圖2-8 實驗屋東向立面圖……… 19

圖2-9 實驗屋東西向剖面圖……… 19

圖2-10 實驗屋南北向剖面圖……… 19

圖2-11 單層玻璃構造與光學性能透視圖……… 20

圖2-12 隔熱膜合成構造透視圖……… 22

圖2-13 實驗屋等效外部遮陽板立面圖……… 22

圖2-14 實驗屋等效外部遮陽板剖面圖……… 22

圖3-1 外殼開口玻璃熱交換示意圖……… 23

圖3-2 玻璃貼隔熱膜熱交換示意圖……… 23

圖3-3 開口玻璃三種光源的照射方式……… 25

圖3-4 玻璃日光輻射熱取得率示意圖……… 25

圖3-5 不同熱舒適範圍 PMV-PPD 曲線圖……… 29

圖3-6 水平外遮陽日射遮蔽剖面示意圖……… 31

圖3-7 玻璃隔熱膜日射阻隔剖面示意圖……… 31

圖3-8 水平外遮陽板之深度比計算方式……… 32

圖3-9 反應係數法計算原理圖……… 38

圖3-10 單層玻璃的熱平衡計算方法示意圖……… 42

圖3-11 建築物室內牆體表面熱交換途徑示意圖……… 44

圖4-1 實驗屋儀器測點位置平面圖……… 54

圖4-2 實驗屋儀器測點位置剖面圖……… 54

圖4-3 實驗屋室內隔熱膜與玻璃垂直表面測點位置分布圖……… 54

圖4-4 大氣水文資料庫入口網頁……… 55

圖4-5 台大簡易型氣象站與實驗屋相對位置航照圖……… 55

圖4-6 實驗屋模組歸零實驗流程圖……… 56

圖4-7 實測儀器準備流程圖……… 58

圖4-8 CENTER314 正面架設方式……… 59

圖 4-10 實測資料處理流程……… 60

圖 5-1 EnergyPlus 軟體四模組系統架構圖……… 71

圖 5-2 EnergyPlus 模擬流程圖……… 72

圖 5-3 Euclid 軟體使用介面……… 74

圖 5-4 Euclid 軟體模擬溫度變化趨勢圖……… 75

圖 5-5 使用 OpenGL 彩現前數值模型……… 76

圖 5-6 開啟 OpenGL 彩現後數值模型……… 76

圖 5-7 實驗組數值模型熱分析區域圖……… 78

圖 5-8 對照組數值模型熱分析區域圖……… 78

圖 5-9 EnergyPlus 軟體內建之空調系統節點圖……… 79

圖 5-10 空調系統及運行時間模塊圖……… 79

圖 5-11 OPINT6.0 各種複合光學建材參數蒐集軟體資料庫 ……… 80

圖5-12 台北市 TMY3 平均氣象年逐月氣象變化趨勢圖……… 84

圖 6-1 05/11-05/12 室內關閉空調溫度變化圖……… 88

圖6-2 05/16-05/17 室內開啟空調 22℃溫度變化圖……… 89

圖 6-3 05/11-05/12 材質表面溫度變化圖……… 90

圖 6-4 05/16-05/17 材質表面溫度變化圖……… 91

圖 6-5 06/27-06/28 室內關閉空調溫度變化圖……… 93

圖6-6 06/28-06/29 室內開啟空調 22℃溫度變化圖……… 94

圖 6-7 06/27-06/28 材質表面溫度變化圖……… 95

圖 6-8 06/28-06/29 材質表面溫度變化圖……… 95

圖6-9 實驗屋實驗模組空調用電 PM100 電力監控表……… 98

圖 6-10 05/16-05/17 全日逐時空調平均用電變化歷線圖……… 99

圖6-11 05/16-05/17(00:00-24:00)全日空調平均用電量……… 100

圖6-12 05/16-05/17(07:00-17:00)日間空調平均用電量……… 100

圖6-13 05/16-05/17(19:00-05:00)夜間空調平均用電量……… 100

圖 6-14 06/28-06/29 全日逐時空調平均用電變化歷線圖……… 101

圖6-15 06/28-06/29(00:00-24:00)全日空調平均用電量……… 101

圖6-16 06/28-06/29(07:00-17:00)日間空調平均用電量……… 102

圖6-17 06/28-06/29(19:00-05:00)夜間空調平均用電量……… 102

圖6-18 PR70 隔熱膜室內逐月空調耗電量……… 105

圖6-19 80cm 外遮陽室內逐月空調耗電量……… 105

圖6-20 8mm 清玻璃室內逐月空調耗電量……… 105

圖6-21 05/11-05/12 鄰窗 MRT 與玻璃表面溫度變化圖……… 106

圖6-22 05/11-05/12 中央 MRT 與空氣溫度變化圖……… 107

圖6-23 06/27-06/28 鄰窗 MRT 與玻璃表面溫度變化圖……… 109

圖6-24 06/27-06/28 中央 MRT 與空氣溫度變化圖……… 109

表目錄

表 2-1 近年來國外學者對於隔熱膜相關研究說明表……… 12

表 2-2 實驗屋-實驗組(隔熱膜)空間尺寸及設備資料 ……… 18

表 2-3 實驗屋-對照組(清玻璃)空間尺寸及設備資料 ……… 18

表 2-4 實驗屋-對照組(外遮陽)空間尺寸及設備資料 ……… 18

表 2-5 單層玻璃物理特性……… 20

表 2-6 隔熱膜光學及物理特性……… 21

表 3-1 建築構造及建材中空層熱阻ra 係數表……… 24

表 3-2 PMV 七種不同程度範圍內舒適度指標值……… 30

表 3-3 東向 8mm 清玻璃附貼隔熱膜對應水平外遮陽折減效果……… 44

表 4-1 實驗屋內外實測之目的及所需數據表……… 47

表 4-2 實驗屋(實驗組-隔熱膜)開口部位置及相關設備一覽表……… 48

表 4-3 實驗屋(實驗組-清玻璃)開口部位置及相關設備一覽表……… 49

表 4-4 實驗屋(實驗組-外遮陽)開口部位置及相關設備一覽表……… 50

表 4-5 CENTER314 記憶式溫溼度感測器外觀及詳細規格表……… 51

表 4-6 CENTER309 記憶式溫度感測器外觀及詳細規格表……… 52

表 4-7 LX-1128SD 溫照度感測器外觀及詳細規格表……… 53

表 4-8 台灣大學簡易型氣象站測站資料及觀測儀器架設高度……… 55

表 4-9 實驗屋實測條件設定表……… 57

表 4-10 實驗屋布置方式一覽表……… 58

表 4-11 歸零實驗室內未開空調溫度實測結果表……… 62

表 4-12 歸零實驗室內開啟空調溫度實測結果表……… 63

表 4-13 春(秋)季(晴天)隔熱膜與清玻璃開啟及關閉空調實測溫度結果表…… 64

表 4-14 夏季(晴天)隔熱膜與清玻璃開啟及關閉空調溫度實測結果表………… 65

表 4-15 夏季(陰天)隔熱膜與清玻璃開啟及關閉空調溫度實測結果表………… 66

表 4-16 夏季(陰晴天)隔熱膜與清玻璃開啟空調 20、22、25 溫度實測結果表… 67 表 4-17 夏季(晴天)外遮陽與隔熱膜室內開啟及關閉空調溫度實測結果表…… 68

表 4-18 夏季(晴天)外遮陽與隔熱膜開啟空調 20、22、25 溫度實測結果表…… 69

表 5-2 實驗屋各部建材數值模型參數設定表……… 81

表 5-3 實驗屋單層玻璃及隔熱膜光學參數設定表……… 82

表 5-4 實驗屋室內溫度模擬結果表(一)……… 87

表 5-5 實驗屋室內溫度模擬結果表(二)……… 88

表 6-1 05/11-05/12 實驗模組關閉空調室內外溫度及時滯現象分析表………… 92

表 6-2 05/16-05/17 實驗模組開啟空調 22℃室內外溫度及時滯分析表………… 92

表 6-3 06/27-06/28 實驗模組關閉空調室內外溫度及時滯現象分析表………… 96

表 6-4 06/28-06/29 實驗模組開啟空調 22℃室內外溫度及時滯分析表………… 96

表 6-5 實驗屋各模組室內空調平均耗電量比較表……… 99

表 6-6 隔熱膜、清玻璃及外遮陽建材熱傳參數值表……… 103 表 6-7 實驗屋模組模擬空調耗電量比較表……… 105 表 6-8 隔熱膜與清玻璃室內(鄰窗部)人體舒適度影響分析比較表………… 108 表 6-9 隔熱膜與清玻璃室內(中央部)人體舒適度影響分析比較表………… 108 表 6-10 外遮陽與隔熱膜室內(鄰窗部)人體舒適度影響分析比較表………… 110 表 6-11 外遮陽與隔熱膜室內(中央部)人體舒適度影響分析比較表 ………… 111

第一章 緒論

第一節 研究動機與目的

一、 研究動機

面對全球氣候變遷對環境造成災害影響日益加劇，多年來世界各國紛紛尋找替代性 能源，以減緩衝擊環境。加上台灣能源及用電需求逐年成長，為使能源短缺的問題獲得 解決，擴大再生能源使用等策略，來控制能源消耗將會是關鍵。依據台灣針對建築物辦 公大樓進行能源監測發現，建築的整體耗能可分為三大類，分別以空調設備、動力設備、

照明設備，整體用電分布中，空調用電佔總耗電量約 50%、動力用電約佔 17%、照明 用電約佔 33%，依單位面積用電量強度分析顯示，辦公大樓之電力系統裝置容量，大 部份為空調部份用電需要。因此，如何降低空調能源需求，近年來在建築節能方面的課 題，外殼開口玻璃應用「隔熱膜」的發展，已成為住宅及辦公建築降低耗能的策略方式。

相較於隔熱模來說，台灣位處亞熱帶地區，建築外殼節能設計以外部遮陽型式最常見，

而外部遮陽系統，往往需要額外的區劃與建造單價及使用管理維護費用等，因此現有大 多數的建築節能設計，已優先考慮使用玻璃附貼隔熱膜方式，已成為選項之中。

隔熱膜是以反射和吸收太陽熱能原理，以達到隔熱效果。反射太陽熱能或直接把太 陽能量作部分吸收，反射雖然可以大幅阻隔太陽熱能，但同時也會導致室內反光，吸收 太陽熱能，並儲存於隔熱膜與玻璃，但吸熱能效果會衰減，所以其隔熱的效果也漸漸的 變差。由於太陽輻射熱透過外牆開口玻璃傳遞，是室內與室外環境熱交流的主要路徑，

太陽光線透過窗玻璃進入室內，提供自然採光；而熱能透過熱輻射方式經由室外進入室 內，不僅會增加建築的空調耗能，同時也嚴重影響建築室內熱舒適性，而太陽輻射熱是 造成空調耗能較大與室內熱環境升高的主因。因此，隔熱膜除了可以提供隔熱之外，也 可以降低室內在夏季空調耗能的狀況。

在李訓谷(2015)的研究中（文 1）也指出，隔熱膜在建築節能的應用方面，可以減 少較多的太陽輻射吸收，於炎熱的地區可以減少室內因為陽光溫度的增加，減少室內熱 不舒適性及空調的負荷，進而降低能源消耗。而隔熱膜在台灣或其他溫帶國家在冬季裡 運用，則有助於溫暖室內空氣溫度，反而提升室內舒適度；於建築節能的應用，則具有 反射大量紅外線輻射及降低高可見光穿透率，並且達到降低空調耗能等之優點。

圖1-1 高層建築外殼隔熱膜應用實例 圖 1-2 低層建築外殼隔熱膜應用實例

圖1-3 高層室內玻璃附貼一般隔熱膜 圖 1-4 低層室內附貼高反射隔熱膜

由上可知，建築玻璃附貼隔熱膜的好處很多，但對於台灣位處亞熱帶氣候區，屬於 熱濕的氣候環境，在夏季約有六個月的時間氣溫較高，性能不佳的隔熱膜會引進較多的 太陽輻射熱，研究結果也顯示太陽輻射熱，除了增加建築的空調能耗外，也會造成室內 熱舒適的降低，為了提高室內熱舒適性，必須調降室內溫度來做為彌補措施，但可能又 直接造成能源消耗。因此，隔熱膜是否可發揮隔熱性能及降低室內空調負荷的功能，便

Chaiyapinunt (2005)的研究(文 2)曾應用設計氣象條件，進行不同類型的玻璃與貼 隔熱膜，在熱傳導及室內熱舒適性方面的研究結果發現，若將有貼膜與無貼膜的玻璃相 互比較，顯示玻璃貼隔熱膜對降低熱傳有較好的效果。同時研究也指出熱傳導顯示玻璃 與貼隔熱膜的總透過率呈線性正比變化，與吸收率呈線性反比情況。在熱舒適指標方面，

選用預測不滿意百分率(Predicted Percentage Dissatisfied, PPD)做為指標，將預測不滿意 百分率分為玻璃表面溫度所引起的PPD 與太陽輻射所引發的 PPD 做比較。除了反射玻 璃以外，對於大部分的窗玻璃而言，由太陽輻射所引發效果的 PPD 值，比起玻璃表面 溫度所引起效果的 PPD 值大得許多。當選用清玻璃作為外牆窗戶時，會發生最不舒服 的狀態，而由玻璃附貼隔熱膜所引起的玻璃表面溫度的 PPD 值會增加，相對由太陽輻 射所引發的PPD 值會減少。

而依據Khamporn (2014)在熱帶國家過去實例研究(文 3)所得之結果指出，玻璃及 隔熱膜種類，在對鄰窗附近的人員活動的熱舒適作用，此時室內平均輻射溫度(Mean radiant temperature, MRT)是對影響人員活動的熱舒適條件的重要參數，較高的平均輻射 溫度連帶產生較高的熱不舒適。而在裝設清明玻璃空間內的熱不舒適值，是隨著透過玻 璃的太陽輻射量多寡直接變化的，由於太陽輻射造成的熱不舒適感，遠大於由於玻璃表 面溫度造成的熱不舒適感。相較於高透射(低吸收率)玻璃與隔熱膜，其熱不適感有很高 的成分主要來自太陽輻射，在安裝了低透射率(高吸收率)玻璃與隔熱膜的空間內，由於 玻璃表面溫度造成的熱不舒適感變得較高，其影響效果與太陽輻射所造成的熱不舒適感 均相同。總結以上所述，本研究的動機主要有下列二點：

1. 台灣建築外牆玻璃附貼隔熱膜尚未普遍使用，然而隔熱膜的隔熱性能，是否能有效 提升冷房效率與降低室內熱不舒適性，因此具有研究的價值。

2. 由於台灣地區經常可見建築外部遮陽，在亞熱帶地區熱濕氣候的環境條件下，建築 玻璃附貼隔熱膜，其隔熱性能與外遮陽之遮蔽性能有所不同？

二、 研究目的

  本研究主要目的為以下四點：

1. 試證明隔熱膜以實驗屋進行節能與室內熱舒適性之應用

以往隔熱膜依產品特性需要，都以實際建物作為外殼節能改善技術與室內熱舒適行 為研究，以做為室內空調溫度對特定建築耗能之影響性，如各類型通風住宅建築、辦公 類型建築與百貨建築等；但由於室外環境、空調設備效率及使用空間皆不同，對空調設 備能源耗用之影響亦不同，因此本研究欲探討以全尺度實驗屋為基準下，進行隔熱膜節 能與室內熱舒適溫度實測應用之可行性。

2. 達成隔熱膜之節能與熱舒適性分析，並與清玻璃及外遮陽進行比較

本研究欲透過實驗屋進行其改裝實驗，並篩選目前市面上較優良之隔熱膜型號進行 研究分析，並同時與清玻璃及傳統外遮陽進行比較。

3. 透過數值模擬瞭解建材物理參數及應用

建材之性能受到諸多因素影響，如氣候、方位、經緯度、建築物中其他材料之物理 參數表現等等；因此隔熱膜測試常使用全尺度或大尺度測試，直接將建材料裝置於既有 或實驗用建築物上，以實際測量其節能效率。而在數值模擬上，應用建材參數輸入，確 實能有效掌握其模擬建物室內溫度環境特性，因此可獲得不同建材之參數及其應用。

4. 作為未來建築外殼開口節能改善的參考

過去台灣較缺乏針對建築外殼開口玻璃附貼隔熱膜之節能效益探討，且對於原有建 築節能之改善對策亦無具體評估與可行對策。相較於建築外殼之節能對策，普遍採用外 遮陽改善方式，雖然可有效阻擋部分太陽日射熱之取得，但因外遮陽需考量其施工成本 及便利性，加上如以深遮陽方式亦受建築法令限制其構造與規模。因此，本研究希望透 過研究，作為未來建築節能改善技術的參考策略之一。

第二節 研究範圍與內容

一、 研究範圍

本研究係以全尺度實驗屋空間為界，正式實驗時分為實驗組及對照組，分設二組實 驗屋設施，實驗組的試驗條件則為3M Prestige Series PR-70 隔熱膜加上單層 8mm 清玻 璃，對照組之試驗條件則以單層8mm 清玻璃、清玻璃加外遮陽為基準，分別探討對象 包括隔熱膜(實驗組)與清玻璃(對照組)、隔熱膜(實驗組)與等效外遮陽(對照組)，對於 夏季室內空調耗電量與太陽輻射熱影響，產生室內熱不舒適性進行比較與分析。在隔熱 膜與清玻璃，對空調耗電量之節能效益及室內熱舒適性方面，以實驗屋的配置現況，分 別對實驗屋模組進行24 小時的時間尺度切入分析，以了解在夏季當中，實驗屋室內溫 度高低與變化情況。而隔熱膜與外遮陽的探討範圍，則是以原有對照組加裝外遮陽，同 樣分別對實驗屋模組進行24 小時的時間尺度切入分析，以了解在夏季當中，實驗屋溫 度高低及全天變化情況。除此之外，分別對室內空調負荷進行全年8760 小時的逐時計 算，以了解實驗屋在不同溫度的條件之下，全年空調負荷的差異性。

二、 研究內容

本研究以全尺度實驗屋作為研究對象，在台灣可利用隔熱膜所構成之實驗型研究實 例不多，而台灣大學生工系永續環境與綠建築研究室，於102 年建成之複合式實驗屋，

即為應用隔熱膜所組裝之一例。本研究透過相關理論探討及文獻回顧後，進行實驗測試 與數值模擬計算，之後並以客觀的統計方法進行資料分析比較與驗證。其研究內容可分 為下列幾個部份：

1. 相關文獻回顧及理論探討

本研究透過國內外文獻回顧，瞭解隔熱膜、玻璃、外遮陽之基本理論及其應用 方式，以蒐集建材參數對於外殼之熱傳的影響。並透過前人研究的基礎，了解影響 實驗屋室內熱環境之因子為何。並比較過去的研究，常用的實測方法之條件設定與

2. 實驗屋熱環境實際測量與結果討論

本研究依實驗屋實際情況，選定適合的實驗方法並進行實驗條件設定。之後再 將所測量之結果，彙整後進行分析與討論。而此實測資料也可用來與數值模擬結果 對照，檢視數值模型之精確程度。

3. 數值模擬計算與結果探討

首先導入玻璃及隔熱膜光學參數與平均氣象年資料進行模擬，以檢視研究建立 模型之精確度。此外並應用此數值模型，模擬不同溫度環境及建材條件下之室內熱 負荷量，討論隔熱膜應用於實驗屋之適用性及節能設計方法。

4. 室內熱舒適性能影響評估

為了有效綜合評估實驗屋模組，室內周遭環境之熱舒適感受程度，透過分析比 較，並提出實驗屋空調溫度提升室內的熱舒適度指標 PMV(Predicted Mean Vote)之 評估探討及 PPD(Predicted Percentage Dissatisfied)不滿意度之指標評估。

第三節 研究方法與流程

一、 研究方法

本研究方法分為全尺度實驗與數值模擬兩部分，全尺度實驗設置二組實驗屋為研究 架構，設置溫濕度計、溫照度計等實測儀器設備。於正式量測前實驗屋玻璃分別在實驗 組及對照組安裝單層8mm 強化清玻璃，實驗組則加貼隔熱膜，對照組前後則以清玻璃 加裝成外遮陽作為區分，並配合實驗場地現況的光、熱環境與空調量測的全尺度實測。

在數值模擬方面，則運用 EnergyPlus8.7 動態建築耗能模擬軟體，耗能分析模型選用類 比辦公建築為模型，比擬典型的辦公室單元平面2.4m×3m 尺寸，樓高為 3.0m，建立 3D 效能評價模型，以分析玻璃與隔熱膜對室內空調耗能與熱舒適溫度分布情況。

二、 研究流程

本研究進行主要分為下列三階段進行，依序詳列如下：

第一階段：文獻回顧與基礎資料的蒐集與整理 第二階段：實驗屋熱環境實際測量與數值模擬計算 第三階段：資料整理與綜合分析討論

上述三階段工作-研究流程圖來說明其與論文各部份之關係，如圖1-5 所示。

圖1-5 研究流程圖 

實測資料分析

研究動機

研究目的

文獻回顧與理論探討

建材熱傳參數蒐集

室外氣象資料實測

室內外實測資料整理

不同模組之實驗屋 熱負荷及熱不舒適分析

結論與建議

實測結果與數值模擬進行比較

實驗屋設立與設計模組 數值模擬理論探討

選定數值模擬程式

第一階段第二階段第三階段

實驗屋室內熱環境實測 實驗基地四周環境

大氣水文資料庫比對

相關資料及 建材參數設定 數值模型建立

導入平均氣象年資料

模擬結果分析與整理 春季實驗屋

全密閉模組

秋季實驗屋 全密閉模組

夏季實驗屋 全密閉模組

冬季實驗屋 全密閉模組 台北氣象站資料

第二章 文獻回顧與研究實例介紹

第一節 文獻回顧

一、 國內相關研究

文獻資料蒐集後發現，目前國內對於隔熱膜的研究相當缺乏，回顧國內相關文獻 資料庫後，與隔熱膜研究直接相關的論文僅以李訓谷撰寫之「隔熱建材於既有建築之節 能改善評估研究」(文1)。在此研究中，作者藉由調查一些影響建築氣候的環境因子，

考量既有實驗屋外殼的節能改善策略，是運用實驗屋外殼開口玻璃附貼隔熱膜，針對三 款不同的隔熱膜性能表現作比較，並藉此進行比較不同隔熱膜、玻璃以及其他隔熱建材 之實際測試與電腦模擬之間的差異；另外增設空調溫度，提升對人員的熱舒適度之評估 探討。最後評估實驗場所改善前後之耗能數據及進行節能驗證，並尋找出在達到節能目 的之時，也能同時兼顧舒適度的最佳平衡點。接著藉由實測方式，記錄隔熱膜所接受的 太陽日射熱強度，提出評估建材的節能效益之改善情況，及改變空調溫度對於人員的熱 舒適度指標之影響。本研究針對此項所能降低實驗屋外殼耗能之方式，分別從節能效 益、熱舒適性能等觀點作綜合評估。

此外，值得一提的是，在本研究中作者也另外指出，玻璃隔熱膜貼附於玻璃外層能 夠發揮更好的隔熱效果，但由於直接暴露於紫外線中，卻會大大降低其使用年限；因而 研發將二氧化鈦(TiO2)材料鍍於隔熱膜外部，除了作為隔熱膜的保護層增加其使用年限 外，更由於其奈米的特性，可以發揮自我清潔的效果，大幅降低隔熱膜造成的玻璃表面 溫差。另外，台灣在探討不同玻璃與隔熱膜等建材應用，對空調耗能及室內熱環境的影 響方面，亦不乏相關之研究，以黃瑞隆撰寫之「玻璃性能對室內光、熱環境和節能效果 影響之實測研究」(文4)顯示，建築耗能的變化趨勢整體呈線性關係，在相同的窗、牆 比例下，即使是不同的太陽日射熱取得係數 (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC)，空調

顯熱負荷，會隨室內設定溫度變化的斜率幾乎是相同的。當窗牆比為 0.33 時，其斜率 呈現-14.1 MJ/m²-℃。這表示設定溫度每調降 1℃，對建築節能而言，每單位平方米的樓 板面積，在泛夏季的空調季節範圍內，將會增加 14.1 MJ 的空調顯熱負荷。當窗牆比為 0.50 時，其斜率呈現-16.9MJ/m²-℃；窗牆比為 0.67 時，其斜率視呈現-19.5MJ/m²-℃。

隨著開窗比例愈大，斜率也愈大，這就表示當開窗越大，調低室內設定溫度，將導致更 多的空調耗能。空調設計溫度較低時，建築耗能相對較高，但熱不舒適時間相對較短。

在文獻資料蒐集的過程中，可以發現另一個現象，台灣因為氣候型態的關係，對於 建築室內熱環境控制的相關研究議題，主要是以夏季隔熱為主要的研究方向。而應用隔 熱膜的相關研究技術，則主要是從外殼的開口、玻璃與隔熱膜材質的改善方面著手。而 對於建築室內空間來說，夏季過熱所產生的空調負荷的情形，是一個相當嚴重的問題，

空調耗能及室內熱不舒適的計算，也受到諸多影響，如氣候、方位、經緯度、建築內外 部隔熱材料之表現等。也由於建築空間使用型態與空調系統效率有關，將會對節能之效 益產生影響，而造成節能成效程度不一的差異。因此必須先探討擬控制因素，包括太陽 方位角、建築物位置、太陽輻射的分布、溫度變化、建築材料光學及熱學參數、空調設 定溫度和地熱與人體適合室內的熱舒適性範圍。針對室內熱舒適性範圍，李訓谷在上述 研究中，也整理出國內對熱環境舒適度評估，引用相關的PMV 及 PPD 指標，且有效地 綜合評估人體對周遭環境之舒適度感受，及此「舒適」之感覺與空間物理量的關係。

二、 國外相關研究

國外對於隔熱膜應用研究的範圍很廣，但大多數研究都以不同類型的建築空間，搭 配玻璃貼附隔熱膜為主要的研究對象；但由於玻璃與隔熱膜不僅是可作為外殼開口太陽 日射熱的隔熱利用建材，也提供生活上使用機能。因此也有許多學者投入窗玻璃及隔熱 膜的研究工作。近年來針對隔熱膜的研究方向，主要還是希望能夠了解不同隔熱膜的性 能表現，在研究過程中主要分為二種研究方法，分別為實驗測試及電腦模擬二種。

在實驗測試的部分Moretti ,Belloni 這兩位學者在 2015 年便透過實際實測的方式，

在二間相同一樣條件的辦公空間，設置有無隔熱膜情形下，以全尺度的實驗屋模組測試 不同的耗能狀況，探討隔熱膜對於建築能耗以及晝光利用的影響，並透過資料的分析了 解不同模組在溫度上的變化(文5)。而以電腦模擬為例 Chunying Li 及 Tin-tai  Chow 在 2010 年便利用 EnergyPlus 建築耗能模擬軟體，以三至五種隔熱膜附貼在清玻璃、灰玻 璃、雙層玻璃分別在三種不同的建築形態，如辦公建築、百貨商場、飯店建築，應用 EnergyPlus 模擬在玻璃有隔熱膜情況下，等不同模組進行模擬研究(文 6)；模擬時間為 夏、冬季各一天，進行全天隔熱膜受熱狀況模擬，瞭解玻璃隔熱膜室內的溫度變化情形。

除了上述兩種常見方式外，也有學者另以其他研究方法進行分析。例如Sing 及 Garg 針 對印度進行的實驗模擬不同玻璃系統，考慮不同類型之窗戶系統，對人體熱舒適度影響 研究(文7)；總共模擬 15 種型態玻璃，同樣玻璃加上隔熱膜前後的結果，可發現其 PPD 由級數53 降為 18，且因為此實驗模擬的對象為熱帶地區，其模擬的結果亦可作為台灣 的參考。另外 Chaiyapinunt 依據泰國的設計氣象條件，進行不同類型的玻璃窗與隔熱 膜在熱舒適性和熱傳導方面的研究(文2)。在此研究中選擇了透明玻璃，色板玻璃、鍍 膜玻璃、雙層玻璃面板和 Low-E 玻璃等不同類型的玻璃窗，並且將不同光譜學性能的 玻璃附貼隔熱膜，結合在這些開窗上測試分析之研究。

以下表2-1 說明近年來國外學者針對隔熱膜之相關研究成果及其研究案例位置。

表2-1 近年來國外學者對於隔熱膜相關研究說明表

學者 年代 地區 研究內容

Moretti

Belloni 2015 美國

針對隔熱膜對於辦公類建築的耗能、晝光利 用、熱舒適度做了全尺度實驗屋的綜合研究。

驗證了隔熱膜可控制陽光，並降低室內冷房負 荷及室內熱不舒適的情況，然而僅止於數值模 擬。因此這研究另以全尺度實驗屋測試，在二 個條件一樣的辦公空間，以有無設置隔熱膜情 形下，不同的耗能狀況進行實測分析。(文5)

Chunying Li

Tin-tai Chow 2010 香港

於香港氣候地區的辦公大樓、購物商場和飯店 建築之室內空間，進行實測與模擬中置換三款 不同隔熱膜，並貼附在不同類型玻璃面，量測 其室內溫度。探討隔熱膜在建築物耗能，以實 際測試與電腦模擬的差異。最後結論顯示，將 清玻璃貼上隔熱膜後的隔熱性能比有色玻璃及 複合玻璃更為優異。而最後在研究中發現，將 隔熱膜運用在辦公大樓效果最佳。(文6)

Singh

Garg 2008 印度

針對印度進行的模擬實驗，共模擬15 種不同玻 璃系統及型態，考慮不同類型之窗戶系統對人 體熱舒適度影響。新德里地區的氣候極為複 雜，在冬天應用具有陽光控制隔熱膜的玻璃並 不能保證室內的熱舒適度，然而在夏天卻是合 適的選項。孟買地區的氣候濕熱，則需使用雙 層玻璃搭配陽光控制隔熱膜才能維持室內的熱 舒適度。(文7)

Chaiyapinunt

Khamporn 2005 泰國

依據泰國的氣象資料條件，在熱舒適性和熱傳 導方面，進行不同類型玻璃與隔熱膜結合的相 關研究。在研究中選擇了透明玻璃，色板玻璃、

鍍膜玻璃、雙層玻璃面板和 Low-E 玻璃等不同 類型的玻璃窗，並將不同光譜參數的玻璃及隔 熱膜結合在外牆開窗上。另外還選擇了玻璃種 類，對在鄰窗附近作業人員的熱舒適性作分 析，以熱舒適指標作為評估之研究。(文2、3)

三、 相關文獻歸納與整理

綜合上述文獻蒐集結果，可以整理出下列幾點結論：

1. 目前國內雖然經常可見以玻璃建材附貼隔熱膜的應用形式，但是目前國內對於相關 的研究仍舊缺乏。

2. 影響隔熱膜熱性能表現的因子很多，除當地的氣候條件外，玻璃及隔熱膜本身的物 理參數、隔熱膜成分及附貼方式，也都影響隔熱膜溫度變化的因子，而學者對於隔 熱膜研究工作，也主要在了解這些參數變化對室內外溫度所造成的影響。

3. 對於隔熱膜的研究，可採用實際測量與電腦軟體數值模擬兩種方式。應用電腦數值 模擬的研究方式，所獲得資料雖然快速，且參數值可任意作修改，但其真正模擬結 果是否正確仍存疑。因此，最好能以實測數據對數值模擬結果作檢驗的工作，以避 免模擬資料錯誤的情況產生。

4. 過去研究結果顯示，影響隔熱膜溫度變化最重要的參數是直達日射熱，而所選用的 隔熱膜材質種類也是影響隔熱膜溫度重要的因素之一，以下研究便針對這兩項變因 以電腦數值模擬計算方法來進行參數式分析，以研究隔熱膜在不同參數條件改變下 之溫度變化及空調耗能改變情況。

5. 台灣在亞熱帶地區，太陽輻射熱得約貢獻 17%的冷房負荷。因而在濕熱氣候區，減 少室內直達日射以及降低冷房負荷是兩大建築設計重點。在台灣過去經常使用的方 法為建築外部遮陽，然而此方法由於成本與施工困難度等因素，卻不見得適用於建 築外殼節能改善。

第二節 研究實例介紹

一、 實驗屋基地環境條件

本研究選定建置之實驗屋位於台灣大學造園館旁，實驗屋共分為二組設置，分別為 南、北向排列，而於南、北向室外側各另有一組垂直遮陽板設立，以設定二組實驗屋位 處基地環境，背景條件完全相同的情況下，接受太陽的直達日射。北側實驗屋其外牆對 接北面的垂直遮陽板，面朝北向台大農場。南側實驗屋則在外牆對接南面垂直遮陽板，

面朝南向喬木12 米高度及二層樓造園館教學大樓，此二組實驗屋其冷氣開口外牆面，

共同面朝西向水泥空地及喬木6 米高度；而二組實驗屋其外牆玻璃開口，則以共同面朝 東向農場圍籬 1.8 米高度與鄰近基隆路高架道。(圖 2-1)為實驗屋模組，基地環境之航 照圖，從照片中可看出，基地四周的環境中並無高聳的建築物突出，而唯一在南面較高 的遮蔽物為喬木12 米高度。因此本研究所設實驗屋南、北向，如為設置外牆開口朝向 南面接受日照的時間，則受到南向喬木12 米高之陰影遮蔽影響較大。

為了解決南向立面有最高的輻射熱取得不佳的問題，本實驗屋在南、北側的排列時 以短邊牆面朝東西向配置，採用外牆開口玻璃共同朝東向的方位；另一方面也為了解決 外牆開口，必須接受到太陽日射熱的需求，因而將實驗屋遠離東向1.8 米高圍籬，距離 達5.9 公尺設置實驗屋。因此實驗屋在上午太陽東晒的時間，東側牆面便可以接受到太 陽輻射熱，而發揮室內玻璃及隔熱膜吸收與隔熱應有的功能。另外實驗屋設置座向時，

若以東向開窗而言，在泛夏季月時無法獲得大量且有效的太陽輻射熱，因此在本研究之 實驗屋開口玻璃面朝東向，是否仍發揮隔熱膜之隔熱的性能，其室內溫度控制及熱負荷 量之多寡，也是接下來研究過程中為之探討的課題。

二、 實驗屋空間基本資料

本研究設置實驗屋共分為實驗組及對照組，兩組進行全尺度實驗，實驗屋僅面朝東 向，外牆垂直面開窗180×180cm，開窗位置以不受圍牆、灌木陰影遮擋日照為原則如圖 示(2-2)，所以仍可接受到陽光，室內水平面亦可接受到陽光直射圖，如圖(2-3)所示，

其它室內外開口部則呈現全部封閉狀態。而實驗屋以大面積開窗方式，與先前文獻學者 所提出的，如辦公大樓、購物商場與飯店帷幕式建築等，在建築外牆以常見的開窗類型 類比，也與一般通風式住宅建築常見的陽台加大落地窗相近。因此，本研究先確立實驗 屋外殼以大面開窗的型式設置，同時計算外殼之窗牆比例為0.15，以期更能符合台灣地 區熱濕氣候環境的建築現況。

圖2-2 實驗屋室外實景(資料來源:本研究) 圖 2-3 實驗屋室內全景(資料來源:本研究)

此外，台灣屬於亞熱帶氣候區，地理位置及熱濕的氣候條件，可能導致實驗屋在夏 季過熱情況。為避免實驗屋室內累積過多的輻射熱，因而影響隔熱膜實驗的準確性，因 此將兩組實驗屋室內牆面，披覆保溫與隔熱材的穩熱板(聚苯乙烯 Polystyrene, P.S 板) 貼附牆面鋼材，以阻絕室外熱傳導。最後於二組實驗屋南、北向外側距離1 公尺處，分 別設置平行於實驗屋的垂直金屬遮陽板，使二組實驗屋之外部輻射熱量條件均相同。下 圖(2-4)為不同方位建築物，其終日受日射量與季節之關係，此圖亦表示了不同方位，

於各節氣時之逐時受熱量大小(文8)。由下圖中可看出，建築物在各季節水平面終日所 接受到的太陽輻射熱最大，各方位垂直面之日射熱次之。

圖2-4 直達日射量變化(資料來源:文 8)

由上圖可知，由於太陽軌跡之關係，不同方位之建築立面所接受到，來自太陽之輻 射熱量亦不相同。因此，本研究以實驗屋外殼大面積玻璃開口，以朝向東方之立面分別 討論於8mm 清玻璃貼附隔熱膜之效果。此外，理論上隔熱膜貼於室內與室外側之玻璃，

對於最終進入室內之總熱取得亦不相同；有鑒於實際應用隔熱膜時，以貼附於玻璃窗內 側之方式施工較為簡便，同時亦較不會因外界氣候之影響而產生變質，而有較佳之耐久 性。所以本研究欲探討貼附於室內側玻璃之隔熱膜的情形，較符合實務上之需求。

在熱舒適方面，在台灣夏季建築外牆，經常可見外部遮陽板遮蔽直達日射，而對於 室內熱舒適之控制，大致上較以隔熱膜來得優良，然而此一現象也與窗面向方位有關，

以南向開窗而言，夏季月時外遮陽對室內熱舒適控制之表現，反而是玻璃隔熱膜表現較 差(文9)。因此，若以實驗屋開窗方位朝東向來說，對於室內熱舒適控制是否仍以隔熱 膜表現較外遮陽來的優越，是接下來探討的課題。本研究為了探討隔熱膜，對於建築外 殼節能改善效益之策略方式，首先以單層清玻璃附貼隔熱膜與單層清玻璃，進行實際實 測比較，如圖(2-5)。經過實測數據完成後，改造原有對照組實驗屋之單層清玻璃外部 加裝遮陽板，再進行實驗組隔熱膜與對照組外遮陽模組實測比較，如圖(2-6)。並評估 隔熱膜與傳統外遮陽之模組進行比較分析。

由於實驗屋透過立面窗玻璃進入之熱得量之節能效果與方位有關，且空調節能效益 又與室內空間面積、使用型態、空調使用模式等因子影響；加上各型式之隔熱膜光學性 能上之差異，有些隔熱膜是透過將日射熱吸收，來達到減少日射穿透量。然而此類型之 隔熱膜往往會造成玻璃內表面溫度上升，雖然減少了日射輻射量進入室內，但玻璃表面 升高的溫度，卻導致以熱對流方式進入室內，增加了室內熱負荷。所以在眾多因子皆會 同步影響節能效益下，直接以空調耗能量進行比較與外遮陽之節能等效性，無法單純獲 知由窗玻璃之節能貢獻。因此，本研究以透過窗玻璃之熱得量(Heat Gain)與同樣由外遮 陽遮蔽下之窗玻璃熱得量比較，直接換算玻璃隔熱膜對應於外遮陽之效果為 180×80cm 之等效遮陽板，以做為對照組外部遮陽實測基礎。

圖2-5 清玻璃與隔熱膜實驗模組透視圖 圖 2-6 外遮陽與隔熱膜實驗模組透視圖 (資料來源:本研究繪製) (資料來源:本研究繪製)

基於以上各種因素考量，故本研究在未來實測及數值模擬時，選定以實驗屋外部開 口朝向東面之玻璃附貼隔熱膜與玻璃對應外遮陽，作為實驗研究的實測依據。實驗屋的 基本空間條件及設備項目如下表所示:

表2-2 實驗屋-實驗組(隔熱膜)空間尺寸及設備資料

項目 內容

空間尺寸 長303cm×寬 244cm×高 265cm

座向方位 坐西朝東

外殼建材 鋼板

內殼建材 穩熱板 (PS 板)

採光建材 8mm 單層強化清玻璃＋PR70 隔熱膜(大鋁窗 180×180cm) 門窗建材 鋁門90×180cm、鋁窗 67.5×68.5cm

採光開口 單面採光(東向)、三面及屋頂不透光

空調設備 變頻窗型冷氣機

表2-3 實驗屋-對照組(清玻璃)空間尺寸及設備資料

項目 內容

空間尺寸 長303cm×寬 244cm×高 265cm

座向方位 坐西朝東

外殼建材 鋼板

內殼建材 穩熱板 (PS 板)

採光建材 8mm 單層強化清玻璃(大鋁窗 180×180cm) 門窗建材 鋁門90×180cm、鋁窗 67.5×68.5cm 採光開口 單面採光(東向)、三面及屋頂不透光

空調設備 變頻窗型冷氣機

表2-4 實驗屋-對照組(外遮陽)空間尺寸及設備資料

項目 內容

空間尺寸 長303cm×寬 244cm×高 265cm

座向方位 坐西朝東

外殼建材 鋼板

內殼建材 穩熱板 (PS 板)

採光建材 8mm 單層強化清玻璃(大鋁窗 180×180cm) 門窗建材 鋁門90×180cm、鋁窗 67.5×68.5cm 採光開口 單面(東向)採光、三面及屋頂不透光 遮陽設備 外部水平遮陽板180×80cm

圖2-7 實驗屋平面圖 圖 2-8 實驗屋東向立面圖

圖2-9 實驗屋(a-a)東西向剖面圖 圖 2-10 實驗屋(b-b)南北向剖面圖

三、 實驗屋外殼建材之物理特性

實驗屋建材物理特性資料蒐集，是未來研究數值模擬工作計算時，之參數設定的重 要依據，其數值也會對模擬結果產生重要的影響，故在此整理出本研究之實驗屋中，各 部實際建材與熱傳計算相關的物理數據。

1. 外殼建材:

鋼板形成實驗屋之主要結構性建材為鋼板，其鋼材熱傳導效應較其它建材來的 較高，在室內側露出的牆面的部分，需要以穩熱板包覆阻斷來自室外傳導熱源。而 鋼板在溼度較高的亞熱帶地區台灣來說，若以70%溼潤條件下，其熱導係數 K 值為 45w/mk。(文 10)

2. 內殼建材:穩熱板(聚苯乙烯 Polystyrene, P.S.板)

為阻斷實驗屋外殼鋼材過高的導熱傳遞，避免由室外傳入室內側產生過多熱傳 量，影響實驗的準確性，室內牆面利用隔熱性佳的穩熱板披覆於鋼材，其熱導係數 K 值為 0.034w/mk。(文 11)

3. 採光建材:單層透明清玻璃

隔熱膜最主要附貼於玻璃，玻璃種類的選擇對於實驗屋的隔熱性能會有極大的 影響，本研究選用台灣玻璃公司生產之浮式明板強化玻璃，其型號為 TG-CL-8。此 單層8mm 為強化玻璃，室內外採光開口 180×180cm，可耐室內外溫度之急遽變化，

可視為實驗屋的實驗模組之比較依據，其相關物理特性如下表(2-5)所示：

表2-5 單層玻璃物理特性

編 號 厚

度

可見光 紫 外 線 透 過 率

太陽熱能 U-值

遮 蔽 係 數 透

過 率

室 外 反 射 率

反 射 率

吸 收 率

直 接 透 過 率

總 透 過 率

總 熱 透 過 量

冬

夜 夏 日

mm % % % % % % % W/m² W/m²K W/m²K CL-8 8 88 8 59 7 15 78 82 638 5.75 5.19 0.95

(資料來源：文12)

4. 門窗建材:鋁門、鋁窗

實驗屋模組，分別於南向立面設置有鋁門及鋁窗，而鋁窗開口(67.5×68.5cm)在 室內側以穩熱板包覆，在實測過程中呈現封閉狀態無法通風及採光。而鋁門開口尺 寸(90×180cm)外側為垂直遮陽板遮擋其日射熱，其熱導係數 K 值為 210.04w/mk。

5. 隔熱膜:3M-PR70

隔熱膜為實驗屋最主要的實測建材，選擇隔熱膜的種類，對於實驗屋的隔熱性 能會有極大的影響，而本研究試驗所採用的隔熱膜，為台灣3M 公司生產之日照調 節隔熱膜，屬最新式高透光性材質，其型號為Prestige Series PR70 系列(文 13)。此 款型號內層是由多層聚酯薄膜所組成，是形成材料的基礎，再以超過200 層的奈米 膜堆積而成的聚酯化合物膠膜(Polyester film，PET)，其總厚度共為 60μm，詳如下 圖(2-12)，其相關光學及物理特性如下表(2-6)所示：

表2-6 隔熱膜光學及物理特性 Prestige Series PR-70 隔熱膜

光學 物理

太陽熱能 可見光

日 光 輻 射 取 得 減 少 率

熱 損 失 減 少 率

眩 光 減 少 率

紫 外 線 阻 絕 率

總 日 光 輻 射 熱 阻 絕 率

遮 蔽 係 數

室 外 反 射 率

室 內 反 射 率

穿 透 率

表 面 發 散 率

熱 貫 流 率

厚 度

% % % % % % % % U μm 38 3 23 99.9 50 0.58 9 9 68 0.78 0.99 60 (資料來源：文12)

圖2-12 隔熱膜合成構造透視圖(資料來源：文 13) 6. 外部水平遮陽板

本研究目的為比對隔熱膜與一般外遮陽之節能效益，為了利於評估外遮陽板，

因此本研究僅以台灣常見的水平遮陽板的型式，配合實驗屋外殼開口玻璃面朝東 向，作為數值模擬工作的計算依據；而先不考慮其他型式及其他方位之遮陽的日射 遮蔽效果對實驗屋外殼開口的影響。在數值模擬計算上，將外遮陽視其外部邊界條 件，可供數值模型做節能計算分析。本研究以實際水泥板上方舖設鋁箔方式，如下 圖(2-13)所示，作為傳統外部遮陽，遮陽板深度為 80cm 如圖(2-14)所示，而外遮陽 對於窗面熱得折減效果分析，將分別於第三章第二小節中說明。

圖2-13 實驗屋等效外部遮陽板立面圖 圖 2-14 實驗屋等效外部遮陽板側面圖

第三章 理論探討

第一節 建築外殼開口日射與舒適度理論

一、開口日射及得熱原理

一般建築外殼經由開口處玻璃，進入室內之熱量大致可區分為太陽輻射熱與室內外 溫差所引起的傳導熱；其中因為玻璃內外表面溫差，透過玻璃本身以及隔熱膜以熱傳導 方式進入玻璃表面，最後再以熱對流之方式成為室內之熱得量。而太陽輻射熱之部分，

當日射抵達窗玻璃外表面時，取決於玻璃及隔熱膜之光學性能，而產生日射輻射反射、

日射輻射吸收與日射輻射穿透現象。

影響熱傳導進入室內之多寡，取決於玻璃及隔熱膜的熱傳透係數 U 值(W/m²K)，

擁有 U 值愈低，代表該材料擁有愈佳之隔熱性能，藉由熱傳導進入室內之熱得量亦愈 低。而玻璃本身之日射吸收率，則用以表示日射輻射有多少比率被玻璃所吸收，而被玻 璃所吸收之日射輻射隨著時間移動，因此一段時間之後，會再同時向室內與室外以長波 放射之形式，進入室內而計入熱得中。建築外殼開口熱得原理如圖，(3-1)所示。(文 14)

圖3-1 外殼開口玻璃熱交換示意圖 圖3-2 玻璃貼隔熱膜熱交換示意圖 (資料來源:本研究改繪) (資料來源:本研究改繪)

二、建材熱學與光學公式探討 1.隔熱性能 U 值計算

一般建築材料 U 值的計算，通常都利用熱傳學理論的熱阻原理，計算複合建材的 總U 值，然而我國之建築節能設計規範以構造之熱傳透率 U 值，作為評估屋頂隔熱性 能之指標，雖屋頂之隔熱性能要求，更勝於建築外牆。但是 U 值僅能反應建築之熱傳 透，單一的 U 值指標不能評估壁體或屋頂表面之熱反射以及構造高溫蓄熱等效果。況 且本研究實例與今日業界上常見之建築隔熱工法、材料眾多，然而其隔熱之原理亦各異，

利用公式計算所獲得的 U 值，但往往無法顯現出建材運用在實驗屋，或建築物中的實 際動態熱傳現象；因此有必要進行實驗測試對實驗屋節能之效果比較，以獲得整體性之 評估。實驗屋外殼𝑖部位以實牆或玻璃之熱傳透率𝑈𝑖之計算，可依下列(式一)求得：

𝑈𝑖 1 𝑅

1

ℎ1o ^{∑ 𝑑𝑥}𝑘𝑥 𝑟𝑎 1 ℎ𝑖

式一

其中:

Ui ：i 部位之熱傳透率[W/(㎡.K)]

ra ：中空層之熱阻[㎡.K/W] ，自下表讀取 ho ：外表面的熱傳遞率， [W/(㎡.K)]

hi ：內表面的熱傳遞率 [W/(㎡.K)]

kx ：i 部位內第 x 層材料之熱傳導係數[W/(m.K)]

dx ：i 部位內第 x 層材料之厚度[m]

R ：外殼 i 部位之總熱阻[㎡.K/W]

表3-1 建築構造及建材中空層熱阻 ra 係數表

中空層之種類 熱阻 ra [W/(㎡.K)]

雙層玻璃之中空層(密閉) 0.155

雙層窗之中空層(半密閉) 0.13

屋頂、壁體密閉中空層 0.086

2.光學性能定義

前章所提到，玻璃在建築物節能部分可區分為遮陽效能與隔熱性能兩方面。所謂遮 陽效能係指玻璃阻擋太陽日光輻射熱進入室內之部分，其評估指標為遮蔽係數 SC (Shading coefficient)。隔熱效能是指熱能經過熱傳導、對流穿透玻璃，其評估指標為熱 穿透率U 值。所謂太陽日光輻射熱，係指照射在玻璃之輻射熱，除了來自於太陽直接照 射外，另外尚有來自間接的輻射，包含空氣與灰塵等的散射輻射熱，及周邊物體的反射 輻射熱等直射光、散射光及反射光的總和，如圖(3-3)所示。

照射於玻璃之日光輻射熱一部份會因穿透而直接進入室內，此比率稱為日射透過率 (solar transmittance)，一部份則會因反射而保留在室外，此比率稱為日射反射率 (solar reflectivity)，最後一部份則為玻璃所吸收，此比率稱為日射吸收率(solar absorption rate)。

但玻璃所吸收之日光輻射熱能形成顯熱後，又分為二部分以熱對流方式傳熱，其中一部 份會以熱輻射方式再傳至室外，熱輻射方式即為玻璃表面之輻射熱，為可見光反射率 (visible solar radiation reflectivity)；另一部份則傳入室內，為可見光透過率(visible solar radiation transmittance)。故傳至室內之日光輻射熱，包括日射透過之輻射熱及玻璃所吸 收再傳入室內之輻射熱，其所占日光輻射熱之比率稱為日光輻射熱取得率(solar heat gain coefficient, SHGC)，如圖(3-4)所示。

圖3-3 開口玻璃三種光源的照射方式 圖 3-4 玻璃日光輻射熱取得率示意圖 (資料來源:本研究繪製) (資料來源:本研究繪製)

(一)各種玻璃光學公式計算：

可將量測之數據代入光學與熱學性能計算公式，即可求得建材之光學與熱學性 能計算公式表示如下：

(1) 單層玻璃之太陽熱能日射透射率與日射反射率之計算單層玻璃之日光透射率 τe

與日光反射率 ρe 是將測得之分光透射率按照公式(二)~(三)計算之。

𝜏^ℯ

2500 300

( )

nm

nm

S^

  



2500 300

nm

nm

S^



𝜌_ℯ

2500 0 300

( )

nm

nm

S^

  



2500 300

nm

nm

S



𝜏_ℯ：單層玻璃之日光透射率(%) 𝜌_ℯ：單層玻璃之日光反射率(%) (2)單層玻璃之日光吸收率之計算：

單層玻璃之日光吸收率 𝛼 ，可由公式(四)計算得之。

𝛼_ℯ 1 𝜏_ℯ 𝜌_ℯ (式四)

(3)日光輻射熱取得率之計算：

經由上述玻璃性質量測後，再藉由上述計算公式可求出單層玻璃之光學性能，接 著可利用下述之公式求出單層玻璃之日光輻射熱取得率。單板玻璃之日光輻射熱取得 率之計算，由單板玻璃之日光輻射熱取得率 g，按照公式(五)計算出玻璃所吸收日光 輻射熱傳送至室內之比率 𝑞𝑖，再帶入(六)計算得之。

𝑞𝑖 𝛼_ℯ ℎ𝑖

ℎ ℎ𝑖 式五

𝑔 𝜏

𝑞𝑖 式六 三、室內舒適度評估指標

1. 預測平均表決值

溫熱環境的評估指標為有效地綜合評估，人體對周遭環境之舒適感受度，及此「舒 適」之感覺與空間物理量的關係。熱環境指標中，首推「預測的平均表決值」(Predicted Mean Vote,PMV) 指標為最完備，並已列入國際標準之列。由於影響人體溫熱舒適度的 決定因子十分複雜，不但有生理因素更包括心理因素。丹麥學者P.O. Fanger 將一千三 百位左右的人員，置於人工控制熱環境實驗室中進行實驗，將其心理量依氣溫、濕度、

氣流、著衣量及工作強度等物理量進行統計分析，以找尋舒適與不舒適之範圍，之人體 熱平衡模型，如表(3-2)。

表3-2 PMV 七種不同程度範圍內舒適度指標值

PMV 指標值 舒適性感受

+3 炎熱 Hot

+2 溫暖 Warm

+1 微溫 Slightly warm 0 適中 Neutral -1 微冷 Slightly cold

-2 涼爽 Cool

-3 寒冷 Cold

(資料來源：文15) 並用該模型用來表示與 PPD 評估指標之關係。藉此預測不滿意百分比 PPD，表示 在該 PMV 模型舒適指標中，有多少百分比的人感到不舒適。因此 PMV 意旨「預測的

平均表決值」，是運用統計方法得出人體感覺與環境等，六個量的定量函數關係。關係 式如下，予以詳述：

𝑃𝑀𝑉 0.303𝑒𝑥𝑝 0.036𝑀 ＋0.028 𝑀－𝑊

－3.05 5.73－0.007 𝑀－𝑊 －𝑃𝑎 －0.42 𝑀－𝑊 －58.15 －0.0173𝑀 5.87－𝑃𝑎 ＋0.0014𝑀 34－𝑡𝑎 －3.96 𝑓𝑐𝑙

𝑡𝑐𝑙＋273 𝑀𝑅𝑇＋273 －𝑓𝑐𝑙 ℎ𝑐 𝑡𝑐𝑙－𝑡𝑎 (式七) 式中：

tcl：衣服表面溫度（℃）

𝑡𝑐𝑙 35.7－0.0275 𝑀－𝑊 0.155 𝑙𝑐𝑙 3.96 10 𝑓𝑐𝑙

𝑡𝑐𝑙＋273 𝑀𝑅𝑇＋273 －𝑓𝑐𝑙 ℎ𝑐 𝑡𝑐𝑙－𝑡𝑎 fcl：著衣時表面積（Acl）/裸體時表面積（Ad）

fcl=1.00＋0.2lcl，當 lcl<0.5clo =1.05＋0.1lcl，當 lcl>0.5clo

hc：對流熱傳遞率(W/（m²K）)

ℎ𝑐 2.38 𝑡𝑐𝑙－𝑡𝑎 0.25，當 2.38 𝑡𝑐𝑙－𝑡𝑎 0.25＞12.1√𝑉 12.1√𝑉，當 2.38 𝑡𝑐𝑙－𝑡𝑎 0.25＜12.1√𝑉

M：人體新陳代謝量（W/m²）

W：外部工作強度或外部影響人體之能量（W/m²），對大部分的代謝量均可設為0。

lcl：衣服的熱阻（clo），1clo=0.155(m²K/W) ta：空氣溫度（℃）

Pa：水氣分壓（Kpa）

MRT：平均輻射溫度（℃）

V：相對風速（m/s）

2.預測不滿意百分比

　 而另一個溫熱環境的評估指標為「預測不滿意百分比」（Predicted Percentage of Dissatisfied, PPD），意為人們不滿意度之評估指標。其關係式如下所示：

𝑃𝑃𝐷 100 95𝑒𝑥𝑝 0.03353𝑃𝑀𝑉 0.2179𝑃𝑀𝑉 式八

由上可知，從PMV 舒適範圍程度值，按人的熱感覺分成很炎熱、暖、稍暖、舒適、

稍涼、涼、冷七個等級，並透過大量試驗獲得，感到不滿意等級的熱感覺人數占全部人 數的百分比 PPD，畫出 PMV-PPD 曲線，如圖(3-4)所示。使用 PMV-PPD 曲線，可以 獲得不同著裝、從事不同工作的人在不同熱環境中的熱感覺。國際標準化組織ISO 7730

（12-15-1994）已規定 PMV：-0.5~0.5 範圍內為室內熱舒適指標。

圖3-5 不同熱舒適範圍PMV-PPD 曲線圖 (資料來源：文 16)

3.周壁平均輻射溫度

前文曾敘述，玻璃所吸收再傳入室內之輻射熱，由於在室內形成熱對流之後，當周 圍牆面與室內人員之間所產生的輻射熱傳播，對冷熱感覺有很大的影響時，這時室內空 氣溫度與周圍牆面溫度也變得相差甚大，此時熱輻射溫度也變得非常大，形成平均輻射

溫度(Mean Radiant Temperature,MRT)，而室內平均輻射溫度就是在被周圍牆面或其他 放射面所包圍的室內某測點，測到這些輻射面所放射出，相等熱量的黑球表面溫度 (Black ball Surface Temperature,BST)。一般而言，在室內周圍的牆面、天花板、地板等，

其表面溫度都不相同，影響人體的冷熱感覺也非常複雜，所以室內平均輻射溫度，也隨 測點的設置位置而不同。因此平均輻射溫度的概算值，可採用綜合周牆面各部平均效果，

如下公式(九)求得：

設定表面溫度為𝑡 , 𝑡 , ⋯ 𝑡 ，各部之面積為𝑆 , 𝑆 , 𝑆 ⋯ 𝑆 ，則：

𝑀𝑅𝑇 𝑡 𝑆 𝑡 𝑆 ⋯ 𝑡 𝑆

𝑆 𝑆 ⋯ 𝑆 式九

式中：

MRT ：周壁平均輻射溫度(℃) t：牆面表面溫度(℃)

S：牆壁面積 (m²)

但實際上，目前作為室內外熱環境測點，常採用黑球溫度Tg 來換算，若以平均輻 射溫度比而言，在室內溫度較低時，此時黑球溫度就比室內溫度低，但室內風速增大時，

黑球溫度就會接近室內溫度，因而產生與實際體感溫度不同之現象。因此，黑球溫度要 在室內風速相當於靜穩狀態 0.5m/s 以下，黑球溫度依此來判定體感溫度才有效。黑球 溫度與空氣溫度、相對風速 V (m/s)之間的關係式，如下所示：

𝑀𝑅𝑇 𝑇𝑔 0.237√𝑉 𝑇𝑔 𝑇𝑎 式十

式中：

MRT ：周壁平均輻射溫度(℃)