空調水電及室內承裝業節能訓練班 建築隔熱材的選用與節能效益說明 陳奇夆 國立中央大學機械工程學系教授 Email : ccf@cc ncu edu tw 電話 : 886-3-426-7308 傳真 : 886-3-425-4501 大綱 引言 不透光屋頂隔熱 不透光外牆隔熱 透光屋頂 透光外牆 窗戶隔熱 不透光建築隔熱材 透光建築隔熱材 建築整合太陽能 結論 2
引言 3 建築物節能 在各類型建築之電能消費比例中, 除了特殊建築物類型 ( 車站軌道 電信網路機房 污水處理廠 倉儲 ) 外, 空調與照明耗電幾乎都是占比最大的項目, 空調耗電平均占比約 32%~54%, 照明耗電平均占比約 15%~30% 空調與照明耗電占整棟建築物總耗電量比例達六 七成, 而此兩部分耗電則受建築外殼設計影響顯著 若建築物在設計時就考量採光 隔熱 照明及冷暖氣等方面, 可顯著降低節約空調與照明系統的用電量 例如建築物的朝面, 若採取朝南或朝北建造, 可節省冷氣用電量 29% 隔熱材料方面, 玻璃是不良的隔熱材科, 如用雙層玻璃製窗, 熱量損失可減少一半, 建築物用較好的隔熱材料, 可節省冷暖氣用電量 30% 以上 使用冷暖氣管及屋頂隔熱 良好的採光 選擇省電燈具, 都是現代建築師的基本理念, 為妨選擇符合節能設計的建築 照明部分 : 如能有效利用自然光, 外加上述照明節能管理技術, 將可節省 65% 以上照明用電 4
太陽光光譜圖 紫外可見光紅外光光 2~5% ~48% ~50% 資料來源 : ITRI/MIRL 5 建築物牆體或屋頂熱力性能的指標 熱傳透率 (U 值 ) 和熱阻值 (R 值 ) 是用於衡量建築物牆體或者屋頂熱力性能的兩個指標 R 值代表建築物牆體或屋頂阻止熱量穿過的能力, 建築物牆體或屋頂的 R 值越高, 表示該牆體或屋頂的隔熱性能越強 U 值代表牆體或屋頂室內 外兩側表面之間的熱傳導量, 與 R 值的意義相反,U 值越低, 表示熱傳導量就越低, 牆體或屋頂的隔熱效果就越好 熱傳透率 U = 1 / R t, R t 牆體或屋頂的熱阻值 單位 :W/m 2.K 6
建築外殼隔熱改善計畫 舊有建築物節能改善工程補助計畫統計表 (2002~2007 年 ) 建築類型 公有建築物 私有建築物 補助類型 屋頂隔熱 外遮陽 屋頂隔熱 外遮陽 補助案件數 ( 件 ) 36 56 184 60 工程面積 (m 2 ) 30712.2 6920.3 28697.3 2497.5 補助金額 ( 萬元 ) 7800 3200 屋頂隔熱改善, 約可節省 20% 空調用電量 外遮陽隔熱改善, 約可節省 10% 空調用電量 資料來源 : 節能減碳綠建築 7 內政部建築物節約能源設計技術規範 住宿類建築物節約能源設計技術規範 旅館餐飲類建築物節約能源設計技術規範 醫院類建築物節約能源設計技術規範 辦公廳類建築物節約能源設計技術規範 百貨商場類建築物節約能源設計技術規範 學校類大型空間類及其他類建築物節約能源設計技術規範 8
不透光屋頂隔熱 9 屋頂的隔熱性能 我國的建築技術規則將加強屋頂的隔熱性能列為建築物節約能源管理的重點項目, 並以屋頂平均熱傳透率 (U ar ) 做為指標 建築技術規則 308 條之一規定屋頂平均熱傳透率應低於 0.8W/m 2.K, 以抑制屋頂因內 外表面溫差造成的熱傳導熱量 308 條之二則規定外牆及窗平均熱傳透率應低於下表所示之基準值 外牆平窗平均熱傳透率基準值均熱傳類別開窗率透率基準值 >0.5 0.5~0.4 0.4~0.3 0.3~0.2 0.2~0.1 <0.1 住宿 2.75 2.7 3.0 3.5 4.7 5.2 6.5 其他 2.0 2.7 3.0 3.5 4.7 5.2 6.5 10
降低屋頂傳熱的主要兩種方法 可了解到降低透過屋頂傳入室內熱量主要有兩個重點 : 降低屋頂外表面的等效外氣溫度, 亦即減少屋頂吸收太陽光 加強屋頂隔熱層性能, 亦即降低其 U 值 一般可以透過幾種方式來降低屋頂外表面的等效溫度, 如屋頂綠化 冷屋頂 屋頂遮陽及屋頂灑水等 利用反射層降低屋頂外表面等效溫度 利用隔熱層加強屋頂隔熱性能 11 綠化屋頂與一般屋頂的熱流量與外表面溫度比較 12
冷屋頂 普通屋頂由於容易吸收太陽熱, 表面和周圍空氣溫度差可達 50 左右, 導致頂層房間夏季空調冷負荷很大 所謂 冷屋頂 " 是指日射反射率高的屋頂, 透過對普通屋頂塗上高反射率的塗料, 可提高屋頂的日射反射率, 減少太陽熱量的吸收 冷屋頂的主要作用除了減少空調能耗及改善室內熱環境外 資料來源 :http://us.henry.com/& 建築節能應用技術手冊, 台灣綠色生產力基金會 13 高反射率屋頂及低反射屋頂的差異 資料來源 :2010, 林子平, 都市退燒及室內節能目標下屋頂鋼板反射率之實測及成果應用 14
評估冷屋頂的物理性質 用來評估冷屋頂的物理性質包含太陽反射率 (Solar Reflectance) 與表面熱輻射率 (Thermal Emittance), 此兩性質的量值都是從 0 到 1,1 代表完全反射或是完全熱輻射 一個理想的冷屋頂應該能有效的反射太陽能與發散熱輻射冷卻自身, 因此應具備高太陽反射率 ( 能夠反射太陽光 ) 與高表面輻射率 ( 能夠散發輻射熱 ), 此類屋頂能阻擋大量原本要進入建築物內的太陽輻射, 而且因為高的熱輻射率使得屋頂表面溫度較低, 進而能降低都市熱島效應 日光反射指數 (Solar Reflectance Index, SRI) 是一個結合屋頂反射率與輻射率的綜合指標, 可用以判定屋頂材料吸熱與否, 通常會於屋頂材料說明上標示 日光反射指數的定義是以標準黑體表面 ( 反射率 0.05, 輻射率 0.90) 的數值為 0, 標準的白色表面 ( 反射率 0.80, 輻射率 0.90) 的數值為 100, 色反射性能更佳 ),SRI 值高的材料適合用來做冷屋頂材料 15 屋頂遮陽網 灑水及太陽能板 使用價格較為低廉的遮陽網可有效降低陽光直射的輻射強度, 降低屋頂溫度 適當運用遮陽網, 也可以延長建築物壽命 屋頂遮陽網的特點包括 : 1. 遮陽網可以讓部分陽光穿透, 因此不擔心光線受阻 2. 雨水可直接穿透遮陽網, 因此不擔心積聚的雨水壓垮網子 3. 陽光直射遮陽網, 熱上升機制帶動網下方空氣上升, 並使周遭涼空氣補入屋頂與網的間隙, 降低屋頂溫度 4. 遮陽網容易收放, 風大時可以輕易地收成一片垂在牆邊, 不佔空間 ; 無風酷熱時, 幾分鐘即可重新掛設完成 16
利用花架掛設遮陽網 資料來源 : http://www.sho-her.glob.tw& 建築節能應用技術手冊, 台灣綠色生產力基金會 17 屋頂灑水係將水直接噴灑於屋頂 屋頂灑水系統具有設備便宜 安裝簡單的優勢, 缺點在於每天定時定量的灑水需消耗大量的水資源, 所以盡可能配合水回收系統, 來避免浪費水資源 國內南部義守大學利用回收水在學生宿舍屋頂進行灑水降溫 與該校另一棟無灑水系統的宿舍比較, 發現有灑水裝置的屋頂地板可降低 3~8, 預估每年約可節省空調電費 118,272 元, 該系統的回收年限為 2.1 年 資料來源 : 義守大學環境教育網 & 建築節能應用技術手冊, 台灣綠色生產力基金會 18
屋頂隔熱設計 屋頂的隔熱 : 由於鋼筋混凝土 RC 本身是一種既笨重又隔熱不良的材質, 因此台灣現行以 15cm RC 為主流的屋面構造並非有利的隔熱構造, 假如沒有隔熱層, 單純以增加 RC 構造厚度很難達到隔熱效果 RC 屋頂的隔熱 : 在 RC 屋頂屋面構造上常用的隔熱材料是高分子材料的發泡 PS 板與 PU 板, 通常是以 0.25mm 厚度隔熱材用瀝青一起黏著於瀝青油毛氈防水層上, 上面再鋪一層 50mm 鋼絲網混凝土作為保護層即可 另外一種簡易屋頂隔熱工程的施工方式則是在防水層外鋪設隔熱磚, 常見的隔熱磚型式有包覆式隔熱磚 PS 板隔熱磚 斷熱泥隔熱磚 五腳隔熱磚 19 防水層外鋪設隔熱磚 資料來源 :http://tw.allproducts.com/construction/sungo 20
雙層通風屋頂 過去的斜屋頂構造常利用山牆上的百葉窗或屋頂上的通風塔把屋頂內的熱氣排除, 可得到良好的隔熱效果 但是現代建築之屋頂大多為平屋頂, 使通風塔與百葉窗的通風利用漸少 在現代則發展為雙層屋頂的隔熱設計, 亦即在平屋頂上加建一透空的鋼板屋頂, 中間的通風空氣層在 50cm 以上, 幾乎可將強烈的太陽輻射熱完全去除 21 不透光外牆隔熱 22
建築物外牆 外殼構造即是我們一般常說的建築物外牆, 外牆使用的材料應能盡量減少外界熱量侵入室內為必要條件 一般台灣的建築多為 RC 構造, 所以就外牆面材料而言, 使用較為明亮的表面材料以增加反射率為佳, 白色牆體具有 90% 之反射率, 而一般紅磚或深色建材則在 10%-50% 之間, 相差頗大 其實相較於鋼構及木構建築而言,RC 牆既厚重且隔熱能力又不佳, 夏天易產生有白天吸熱 晚上放熱的現象, 使得室內空氣一直維持高溫悶熱, 唯有加裝適當的隔熱材及空氣層才有良好之隔熱效果 一般常見的外牆隔熱原理 : 利用隔熱材與空氣層區隔內外牆以阻絕外界熱量進入, 台灣由於構造與經濟性之考量, 一般僅考量防水而在外牆貼設磁磚或丁掛, 通常仍不足以達到隔熱之效果 23 外牆隔熱設計策略 利用淺色外牆材料反射太陽熱輻射 : 利用外牆內中空部份隔熱 利用高性能外牆隔熱材料, 提高外牆隔熱性能 : 較適用於室內外或晝夜溫差大的場合 外牆隔熱材料種類繁多, 最常見的材料為發泡隔熱材, 例如 XPS 或 EPS 發泡板與 PU 聚氨脂板, 若用於外牆室內側則可用隔熱棉, 亦有廠商將外牆材料與隔熱材結合在一起, 可節省隔熱材施工手續 塗隔熱塗料, 如以 COAT PC200 防水斷熱節能塗料, 其效果無庸置疑, 但時效性 3-5 年, 就慢慢衰竭, 最主要原因乃是容易髒污, 而失去隔熱功效 可以增加其壽命 3 年以上, 達到防水隔熱節能效果 8 年以上 其 U 值效能可達 0.1017W/m.K 利用植物攀附外牆幫助隔熱, 其 U 值效能大約可達 0.1017W/m.K 24
木製百葉之外遮陽 澳洲 Green Star 六星級綠建築 - 墨爾本第二市政廳 (CH2) 之外遮陽木製百葉 資料來源 : 節能減碳綠建築 25 隔熱塗料使用效益說明 未使用隔熱塗 使用隔熱塗料 夏天 冬天 26
建築塑膠膜材特性 資料來源 : 朝陽科技大學建築及都市設計研究所碩士論文 27 光觸媒自我潔淨示意圖 資料來源 : 主動型綠建材的健康概念與發展趨勢, 洪明瑞 28
透光屋頂 透光外牆 窗戶隔熱 29 窗戶與屋頂窗戶透過率的管理基準 在建築物的中庭或走道的屋頂採用玻璃採光罩, 可增加透光明亮, 減少照明的用電, 具有照明節能上意義 但另一方面, 窗戶與屋頂天窗引進光線也將太陽的輻射熱引入室內, 會增加空調的用電 建築技術規則 308 條之一規定 : 當設有水平仰角小於 80 度之屋頂透光天窗, 且其水平投影面積 (HW a ) 大於 1.0m 2 時, 其透光天窗日射透過率 (HW s ), 應低於其基準值 (HW sc ) 但建築物外牆透空二分之一以上之空間, 不在此限 水平投影面積 HW a, m 2 基準值 HW sc HW a <30 =0.35 30 HW a <230 =0.35-0.001 (HW a -30.0) HW a 230 =0.15 30
玻璃帷幕牆的反光公害 有一些大樓玻璃帷幕牆為了減少空調耗電量採用鍍有金屬薄膜的高反射玻璃, 因而產生大量反射陽光, 造成危害交通安全及侵害鄰居生活隱私的 反光公害 問題 反光公害 是一種嚴重的環保公害, 是由於玻璃反射戶外景觀, 例如藍天白雲或是綠樹花叢, 導致鳥類誤認為玻璃是可通過的空域, 以致直接飛撞, 引發 鳥類撞擊玻璃而死亡 的問題 建築技術規則 308 條之一要求外牆 窗戶與屋頂所設之玻璃對戶外之可見光反射率不得大於 0.25, 以有效減低刺眼的反射陽光 31 窗平均遮陽係數 建築技術規則 308 條之二規定受建築節約能源管制建築物除符合 309 條 310 條 311 條或 312 條規定者及海拔高度八百公尺以上者, 其窗平均遮陽係數應低於下表所示之基準值 窗遮陽係數是指日射量穿透進開窗部位之比例, 包括外遮陽以及玻璃材質對日射量的折減比例 類別 開窗率 >0.5 0.5~0.4 0.4~0.3 0.3~0.2 0.2~0.1 <0.1 住宿類 0.1 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 其他 0.2 0.30 0.40 0.50 0.55 0.60 32
遮陽設計 _1 建築的外牆可分為可透光的窗戶及不透光或透光玻璃帷幕牆體, 對於可透光的窗戶節能重點在於控制太陽輻射經由窗戶傳入室內的日射波段範圍及輻射通量 控制阻擋太陽輻射進入建築物的手法, 可分成 採用遮陽設施 與 使用節能玻璃 兩大類 遮陽設施 可分為 外遮陽 與 內遮陽 一般而言, 即使是全面拉下的明亮色系室內百葉窗簾僅可檔去正面入射陽光 17% 的日射熱量 在亞熱帶地區, 外遮陽是最有效的節能方法之一, 最多可以節省 45% 的空調耗能 如一米窗高及一米遮陽深度南向遮蔽角 45 度的水平遮陽板, 全年可輕易遮去 68% 的日射熱量, 且外遮陽除可滿足節能的要求外, 更具有防範眩光的附帶效果 使用安裝高透光隔熱膜的玻璃具有空調節能與照明節能雙效益, 節省效果顯著 建築遮陽是為了避免陽光直射室內, 防止建築物的外殼被陽光過分加熱, 造成局部過熱和眩光的產生, 並保護室內各種物品而採取的一種必要措施, 合理的遮陽設計是改善夏季室內熱舒適狀況和降低建築物能耗的重要因素 33 遮陽設計 _2 現代建築由於立面上廣泛應用大面積玻璃, 因此太陽熱輻射的控制顯得非常重要, 控制太陽輻射的熱量主要涉及三個方面 :(1) 窗戶的朝向和大小 (2) 建築外殼構造材料的選擇 (3) 建築遮陽技術 遮陽技術是控制太陽熱輻射最有效也是最經濟的辦法, 良好的建築遮陽技術具有許多好的作用, 包含以下幾點 : 1. 防止太陽輻射進入室內 : 良好的遮陽系統不僅可改善室內熱環境, 而且可以大大降低建築的夏季空調製冷負荷 2. 避免建築外牆結構過度加熱 : 避免外牆結構被過度加熱而藉由二次輻射和對流的方式加大室內熱負荷 ; 降低建築外殼結構的日溫度波幅, 從而達到防止外牆結構熱裂, 延長使用壽命的作用 3. 防止眩光 : 可有效地防止眩光, 達到改善室內光環境的作用 合理的遮陽措施可以阻擋直射陽光進入, 或其轉化為比較柔和的漫射光, 從而滿足使用者對照明質量的要求 4. 防止紫外光直射造成物品損害 : 可以防止陽光直射室內, 造成陽光中紫外線對室內物品的損害 34
遮陽設計 _3 遮陽設施從總體上可以分為永久性和臨時性兩大類, 臨時性遮陽是只在窗口設置窗簾 帆布棚等 ; 永久性遮陽是指建築物外殼結構上各部位安裝長期使用的遮陽構造 從遮陽的型式來區分, 可以概分為五種 : 水平式 垂直式 格子狀 檔板式及百葉式, 其特性說明如下 : 1. 水平式遮陽 : 水平遮陽能夠有效的遮擋高度角較大 從窗戶上方照射下來的陽光, 適用於南向及北向的窗口 水平遮陽的另一個優點在於合理的遮陽板設計寬度及位置, 能有效地遮擋夏季日光並讓冬季日光最大限度地進入室內 2. 垂直式遮陽 : 能有效的遮擋高度角較小 從窗面側面斜射過來的陽光 不能遮擋高度角較大 從窗戶上方照射下來的陽光或接近日出 日落時分正對窗口平射過來的陽光 適用於東北 西北及北向附近的窗戶 35 遮陽設計 _4 3. 格子式遮陽 : 由水平式及垂直式遮陽板組合而成, 能有效地遮擋中等太陽高度角從窗前斜射下來的陽光, 遮陽效果比較均勻 這種形式的遮陽構造應用於東南或西南附近的窗戶 4. 檔板式 : 此種遮陽為平行於窗戶的遮陽措施, 能有效地遮擋高度角比較低 正射窗戶的陽光, 適用於東西向及附近的窗口 需要注意的是擋板式遮陽對建築的採光和通風都有比較嚴重的阻擋, 所以一般不宜採用固定式的建築結構, 宜採用活動式或方便拆卸的擋板式遮陽 5. 百葉式遮陽 : 百葉式遮陽可根據百葉形可歸納到前四種遮陽中, 其適用範圍很廣泛, 如果操控得當, 室外的百葉遮陽可以用於大部分朝向的遮陽而且效率較高 36
台灣辦公建築外遮陽對空調耗能的效益分析單位 地區 台北 台南 方位 南 西 北 東 南 西 北 東 無外遮陽 1653 1985 1467 1713 2511 2914 1827 223 水平遮陽 ( 節能比例 ) 垂直遮陽 ( 節能比例 ) 格子遮陽 ( 節能比例 ) 1442 1773 1365 1541 2101 2519 1652 1945 13% 11% 7% 10% 16% 14% 10% 13% 1483 1852 1341 1609 2189 2641 1607 2054 10% 7% 9% 6% 13% 9% 39% 8% 1347 1673 1281 1462 1907 2325 1512 1816 18% 16% 13% 15% 24% 20% 17% 19% 計算條件 : 室面積 5m*5m 高度 3.6m 窗面積 3m*2m 遮陽深度比 :4.0 註 : 單位 M.cal/ 年 37 遮陽係數 遮陽設計的節能成效一般用遮陽係數 (k i ) 來描述 遮陽係數是指在照射時間內, 照進有遮陽窗口的太陽輻射量與照進無遮陽窗口的太陽輻射量比值, 係數越小, 代表透過窗戶的太陽輻射熱量越小, 隔熱效果越好 遮陽的措施眾多, 針對特定建築項目之不同地理位置 朝向及建築物的用途各有適用的措施, 不同的遮陽型式在不同的氣候區也有著不同的適用性 總體上應滿足以下原則 : 在以空調為主的氣候區設計遮陽時, 可以僅考慮遮陽設施在夏季減少冷房負荷的效果, 而忽略在冬季可能因遮陽設施阻擋太陽輻射進入室內而造成些微增加暖房負荷的現象, 可採取固定式遮陽, 但仍以活動式遮陽為較佳 38
各種窗戶遮陽裝置 _1 構造名稱說明示意圖 水平式遮陽板 遮陽架 垂直式遮陽板 綜合式遮陽板 可旋轉水平百葉 可有效遮擋高度較大的陽光, 用於南向室外 對水平實體遮陽板的修正, 有利於遮陽板下的空氣流動, 減少構件蓄熱, 造型輕巧, 金屬材質可循環使用 可有效遮擋高度角較小的 從側面斜射過來的陽光, 適用於東北 北及北向室外 可有效遮擋高度角中等 從窗前斜射下來的陽光, 用於東南或西南向室外 可用於室外南向 39 各種窗戶遮陽裝置 _1 構造名稱說明示意圖 可旋轉垂直百葉 可用於室外東 西朝向 外置百葉窗 垂臂式遮陽棚 可綜合解決採光 通風及遮陽的矛盾, 造價較低, 易於操作 對西向可提供有效遮陽, 對通風有一定阻礙, 重量輕, 用於室外 對構件強度 耐候性及自潔要求較高 內置窗簾 / 百葉窗 美化室內, 防止視線干擾 防眩光 價格低廉, 安裝簡單 40
節能玻璃 _1 節能玻璃通常是指具有隔熱和遮陽性能的玻璃 目前我國尚未有關於節能玻璃具體的衡量指標 節能玻璃按生產工藝分類, 可分為一次製品 ( 在線產品 ) 和二次製品 ( 離線加工產品 ) 兩種 一次製品的節能玻璃主要有基體著色吸熱玻璃 在線 Low-E 玻璃 在線熱反射鍍膜玻璃等 ; 二次製品的節能玻璃主要有鍍膜著色吸熱玻璃 離線 Low-E 玻璃 離線熱反射鍍膜玻璃 中空玻璃 夾層玻璃 真空玻璃等 按性能分類, 可分為隔熱性能型節能玻璃 ( 如中空玻璃 真空玻璃 ) 遮陽性能型節能玻璃( 如 Low-E 玻璃 熱反射鍍膜玻璃 ) 和吸熱性能型節能玻璃 ( 如吸熱玻璃 ) 等 41 節能玻璃 _2 按產品構造分類, 可分為玻璃原片 表面覆膜結構 夾層結構和空腔結構四種 其中玻璃原片的節能玻璃有基底著色吸熱玻璃 變色玻璃等 ; 表面覆膜結構的節能玻璃有陽光控制鍍膜玻璃 Low-E 玻璃 自潔淨玻璃 鍍膜吸熱玻璃 鍍膜電磁屏蔽玻璃等 ; 夾層結構的節能玻璃有普通夾層玻璃 夾絲電磁屏蔽玻璃等 ; 空腔結構的節能玻璃有中空玻璃 真空玻璃等 在選擇使用節能玻璃時, 應根據建築物所在地理位置確定玻璃型式, 嚴寒地區和寒冷地區的玻璃應以控制熱傳導為主, 盡量選擇中空玻璃 ; 夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區盡量控制太陽光之紅外進入室內以減少空調負荷, 最好選擇熱反射玻璃 吸熱玻璃及 Low-E 中空玻璃 42
節能玻璃 _3 整體而言, 玻璃傳導熱的速度快, 是建築物能耗的關鍵部位, 因此, 提高玻璃的保溫隔熱能力非常必要 一般可以透過幾種辦法增加玻璃的保溫隔熱能力, 使其成為隔熱保溫玻璃, 說明如下 : 1. 增加層數 : 可以用增加玻璃層數 在層間形成空氣墊層的辦法製造保溫玻璃 增加玻璃層數, 有利於降低玻璃板之間溫差梯度, 對降低輻射傳熱有利 實驗的辦法尋找尺寸適度的空氣間層, 以優化保溫效果 普通 4mm 白色玻璃的熱傳導細數大於 6W/m 2.K; 而兩片 4mm 白色玻璃加 15mm 空氣間層的保溫玻璃的傳熱係數可降至 2.8 W/m 2.K 2. 填充氣體或氣凝膠 : 惰性氣體對於溫差反應遲緩, 利用這一原理, 在兩層玻璃之間填充惰性氣體可以有效地降低對流並減少熱傳導 德國研製的氣凝膠, 是一種極小的二氧化矽微孔晶格抗壓保溫材料, 其內部 75% 為空氣, 故具有極高的輻射通過能力和極好的保溫能力, 在非真空狀態下可達到 0.017W/m 2.K 的超低 k 值 因其結構的粒子小於可見光的波長, 因此光線不會強烈擴散 該材料作為真空玻璃的層間支撐可以實現極低的 k 值, 同時又避免了因玻璃變形而導致的破壞 43 節能玻璃 _4 3. 抽真空 : 在真空狀態下對流和傳導傳熱量都為零, 因此使用真空玻璃可以達到極佳的保溫效果, 但真空會導致玻璃間層出現負壓, 而脆性的玻璃在變形過大時會破碎 為克服這一問題, 常常在兩塊玻璃之間設置一些結構支撐 為了避免因為這些玻璃間支撐的熱傳特性, 造成所謂的冷橋效應, 美國 Colorado 玻璃中心成功地使用 0.5mm 直徑的支撐, 使真空 Low-E 玻璃的 k 值降到 0.6 7W/m 2.K 的水平 此外, 真空玻璃需要密封性能極佳的條件, 為保證密封性, 往往就使用連續的玻璃作為邊條, 反而容易使得邊條處產生冷橋效應 4. 設置塗層或膜片 : 金屬塗層或膜片會玻璃的光學性質, 其光譜穿反射率的變化與塗層的厚度 層數與成分及塗層的位置有關 44
三種窗戶隔熱方式的效果 資料來源 : 台灣電力公司 45 不透光建築隔熱材 46
屋頂及外牆隔熱材 _1 傳統價格較低的岩棉 玻璃棉 膨脹珍珠岩等隔熱材料, 隔熱性能差 ( 導熱係數為 0.065-0.090W/m K) 吸濕性高 抗震性能和環保性較差, 無法達到綠色節能標準 另石棉和玻璃棉等材料帶有大量的有害物質, 無法滿足人類的健康要求 對於屋頂與外牆的隔熱方面, 目前研發可應用的材料有省能隔熱塗料 ( 如氣凝膠壓克力樹脂 氧化矽氣凝膠原 ) 發泡陶瓷輕質骨材隔熱外牆板 隔熱磚 發泡樹脂隔熱材以及泡沫玻璃等 隔熱材依使用的材料分為有機及無機系兩種 塑膠發泡體 ( 如 EPS XPS PUF PET 等 ) 具有導熱係數低 保溫隔熱效果好 自重輕 吸水率低 化學穩定性好 施工方便等優點 國內發泡樹脂隔熱材則多用於屋頂隔熱, 若用於隔間壁板大多著眼於發泡基材之吸音機能 主要的材質為硬質發泡 PU, 交聯 PE 泡棉及發泡 PS 板, 而酚醛樹脂發泡材亦有使用 資料來源 : 陳志恆, 國立臺北科技大學材料及資源工程所 47 屋頂及外牆隔熱材 _2 氧化矽氣凝膠 : 原應用於真空保溫片之芯材, 在壓力達 10 torr 之際 其導熱係數可降至 0.008W/mK 以氣凝膠作為隔熱塗料的填充材, 能達到少量添加即可有效降低塗料導熱性能 發泡陶瓷輕質骨材 : 利用河川淤泥 燃煤飛灰 石材污泥等廢棄物, 經添加劑及混合 造粒 燒成可以製得比重 <1 的發泡陶瓷輕質骨材, 這種骨材在歐美各國已發展有相當長的歷史, 台灣利用廢棄物製造此種材料尚屬創舉 此項輕質骨材具有輕量 絕緣 無機質 球狀等特性 泡沫玻璃 (foamglas): 用研碎的玻璃和碳粉混合, 在模具中加熱, 即可得各種形狀的泡沫玻璃 具有防火 防水 耐腐蝕 不燃 防囓 防蛀 無毒 不老化 無放射性機械強度好 尺寸穩定性好等特點, 是環保型隔熱保溫材料 泡沫玻璃在建築節能領域中的應用包括, 建築屋頂隔熱保溫 建築外牆外保溫 鋼構烤漆鐵皮內層隔熱 泡沫玻璃的物理性質, 密度為 120 ~ 150 kg/m3 導熱系數為 0.038 ~ 0.042 w/mk 抗壓强度為 7 ~ 9 kg/cm2 操作温度範圍 -268 ~ 482 48 資料來源 : 陳志恆, 國立臺北科技大學材料及資源工程所
常用材料之 K 值 49 熱傳透率 U i 計算表 資料來源 : 辦公廳類建築物節約能源設計技術規範 50
透光建築隔熱材 51 目前市面上的玻璃使用形式 _1 色板玻璃 : 色板玻璃會對吸收輻射的太陽光, 這將致使玻璃溫度上升, 並以方式向 釋放熱量 因可見光透射率過低, 致使太陽光照明利用率差, 對人工採光的依賴而導致建築能耗增加 另外, 因可見光透射率的差異, 導致透過的可見光常會有明顯的色彩傾向, 這可能會影響人們正常的工作與生活 室外室內 吸收 熱輻射 熱輻射 3mm 厚度的透明玻璃 52
目前市面上的玻璃使用形式 _2 雙層玻璃 : 是指兩層玻璃的中間部分為中空 真空或充填惰性氣體的玻璃 其傳導係數可以降低到 1 W/m 2.K 以下 中空玻璃可以有效防止因室內外溫差而導致熱量外溢, 從保溫的角度來看, 這種玻璃適用於寒冷和嚴寒地區 圖資料來源 : 台玻集團 熱反射玻璃 : 是利用金屬或金屬化合物濺鍍在玻璃表面, 使其產生一層或者多層均勻的金屬氧化物或氮化物膜, 因金屬鍍膜的厚薄不同, 即可呈顯出不同的色彩及高性能的隔熱效能 其特性為 :(1) 隔熱性高, 可節省能源,(2) 可防陽光直射, 給室內居住者舒適感,(3) 可呈顯多彩和諧的建築物外觀, (4) 具鏡子效果, 可視光線的反射效果, 把天空或周圍的環境景色, 映照在建築物上 在 20 世紀中期研究成功之後, 熱反射玻璃一度成為高層建築玻璃幕牆的主要材料 53 目前市面上的玻璃使用形式 _3 低輻射玻璃 (Low-E): 是由清玻璃 / 色板玻璃 鍍膜層 真空層 / 鈍氣層組合而成 具有玻璃透明可見光與遮斷太陽紅外線進入室內的優點, 陽光照射到玻璃時, 穿透清玻璃後碰到鍍膜層, 此層一般由銀 二氧化鍚以及鎳鉻合金組成, 可以將陽光中的紅外線大部份反射至室外, 可見光部份則進入室內, 讓室內可以享有良好的光線, 又不會感覺炎熱 ; 冬天時也可以因為結構中的真空層而達到阻隔效果, 避免熱能流失 鍍膜層位置會因其需求而有所不同, 寒帶地區鍍膜位置在內層玻璃外側, 可以阻斷室內熱能輻射至室外, 維持室內保暖 ; 亞熱帶地區鍍膜位置在外層玻璃內側, 可阻斷大量輻射熱進入室內, 保持室內涼爽 鍍面在 #2 面適用亞熱帶型氣候 鍍面在 #3 面適用寒帶型氣候 室外 室內 室外 室內 54
目前市面上的玻璃使用形式 _4 溫致變色玻璃 : 溫致變色材料則是在不同的溫度下轉換材料的顏色 溫致變色材料中 (V1-xNbxO2) 最廣用, 於 70 左右, 物性變化明顯 其他還有 Ti2O3 Fe3O4 Mo9O26 等 不過, 這類材料變色時幾乎完全不透明, 在防止熱量進入的同時也嚴重降低了室內照度, 較適用於天窗 光致變色玻璃 : 光致變色是指材料在光照時會改變光學特性, 無光時恢復原樣, 或者相反 光致變色材料早已應用在窗玻璃及太陽眼鏡上, 不過應用在窗玻璃上時最大缺點是冬陽時偏暗, 夏陽時反而偏淡, 節能效用較差 高可見光選擇性玻璃 : 高可見光選擇性玻璃則具有可通透光線, 並限制熱能進入的優點 ITO 薄膜 ( 錫銦金屬氧化物薄膜 ) 能達到高可見光透過率 較低紅外線透過率的要求 在玻璃上鍍一層 0.3μm 的 ITO 薄膜, 其可見光透光率可達 84%, 紅外線透光率約為 46% 而 18 nm TiO2-Ag-TiO2 的複合膜可以將日光中 95% 的 IR 皆反射 55 3M 日照調節隔熱膜 _1 產品類別產品系列 產品名稱 Prestige 40 高透光系列 Prestige 50 Prestige 60 Prestige 70 遮蔽紅外線 IR65CLAR Silver P-18 Silver 18 Silver 35 日照調節隔熱膜 經典系列 Neutral 20 Neutral 35 Neutral 50 Neutral 70 Amber 35 Nickel 50 夜景系列 Night Vision 15 Night Vision 25 Night Vision 35 Night Vision 45 資料來源 : 3M 公司網站 安全防護膜 Ultra S150 Ultra S400 防爆膜 - 透明 Ultra S600 Ultra S2200 防爆膜 - 日照調節 Ultra Silver S20 Ultra Night Vision S25 Ultra Neutral S35 Ultra Neutral S50 Ultra Prestige 50 Ultra Prestige 70 Safeguard S20 防災膜 - 透明 Safeguard S20 Safeguard S40 56
3M 日照調節隔熱膜 _2 資料來源 : 3M 公司網站 57 遮蔽紅外線 IR65CLAR 資料來源 : 3M 公司網站 58
高透光系列 ~Prestige_1 Prestige 40 Prestige 70 資料來源 : 3M 公司網站 59 高透光系列 ~Prestige_2 3M Prestige 高透光日照調節隔熱膜, 運用了 200 多層奈米薄膜與專利感壓膠結合之超高科技, 層層將太陽射線中的紅外線與 UV 射線折射 反射或吸收, 最後過濾出可見光進入屋內, 達到高透光 高隔熱與抗 UV 的效能 特色 : 省電 節能 : 隔絕室外熱源, 提昇空調效益 ; 引進自然光線, 節省燈源耗電 控制採光 調整炫光 : 低內外反光, 無鏡面反射效應 美化建物外觀 100% 玻璃安全防護 : 防止玻璃意外飛散, 保護您的家人 紫外線隔絕 99% 以上 : 遠超過市面上防曬油 30~50 之 SPF 值 ; 降低陽光對皮膚的傷害, 如曬黑 暗沉 老化和皮膚癌發生率 ; 減緩傢俱擺飾老化與褪色 無金屬成份添加 : 無氧化疑慮, 適合台灣海島型氣候 ; 零屏蔽效果, 不影響室內無線電波的收訊 ( 例 : 手機 無線網路 ) 資料來源 10 : 年 3M 公司網站原廠品質保證
隔熱 節能 高透光系列 ~Prestige_3 3M 日照調節隔熱膜為您的窗戶帶來更多隔熱價值, 有助於增加舒適度, 降低能源消耗 在炎熱的天氣中,3M 玻璃貼膜總隔熱率最高可達 79%, 於同樣空調環境下可減低室溫 3~6 ( 冷氣設定上升 1, 節省 6% 冷氣耗電 ), 同時調節室內不同區域溫差 ; 使室內空調更有效散佈, 提升舒適感與空調系統壽命 減輕空調負荷, 達到節能效果, 符合 ISO14001 陽光照射和從窗戶傳導並輻射進室內的熱量都會使室溫上升, 增加冷氣房負荷 隔熱膜最高可隔絕 79% 的日照熱能 ; 能減輕冷氣房負荷, 達到節能效果 資料來源 : 3M 公司網站 控制採光 調整炫光 高透光系列 ~Prestige_4 利用自然光做採光是減少照明費用的好方法, 但自然光太強時, 又會因室內炫光而造成的眼睛不適感 ; 如果在窗戶上加裝窗簾, 反而又會阻礙欣賞窗外的景觀 這時安裝 3M 玻璃貼膜可以兼顧玻璃透視度下調和陽光照射, 改善炫光的問題 可見光線穿透率 (%) 數值越小, 則窗邊炫光程度更輕微 建築外觀的完善美學 透過隔熱膜的安裝, 可提升建物外觀的協調性與美感, 更可有效利用玻璃本身的透明感, 提升質感 3M 全系列玻璃貼膜顏色 密度以及隔絕熱能品質齊全, 為您的建築營造理想的美學平衡和性能特徵 ; 另外高透光系列之 3M 玻璃貼膜提供了清晰優質的隔熱科技, 展現高效透視的性能, 是店面展示及窗外景致享受的最佳隔熱方案 資料來源 : 3M 公司網站
使用案例 : 福特汽車公司 資料來源 : 3M 公司網站 63 使用案例 日本 夏季 ; 方位 : 西 窗戶玻璃 : 厚度 6mm 透明玻璃, 遮蔽係數 :0.95 3M 日照調節隔熱膜 :Silver 18(RE18SIAR), 遮蔽係數 :0.29 註 : 本數據是與窗戶玻璃距離為 30cm 所測得 資料來源 : 3M 公司網站 64
多層膜隔熱膜設計 目標 :400-760 nm 之平均 T+760-18002200 nm 之 (100- 平均 T )>140 規劃 :400~740 nm :T >90%, 740~760 nm :T >50%, 760~800 nm :T <50%, 800~2200 nm :T <10% 設計實例 : 使用 Essential Macleod 光學薄膜軟體, 設計之多層膜隔熱膜 波長範圍 平均穿透率 400-760 nm 81.1 760-2200 nm 12.8 隔熱指標值 168.3 65 建築整合太陽能 66
建築整合太陽能 BIPV 建築整合太陽能 (Building Integrated Photovoltaic;BIPV) 為近年市場逐漸起飛之太陽光電應用, 由於投入 PV 的廠商持續增加, 競爭日益激烈, 越來越多的廠商注意到 BIPV 應用快速成長的趨勢, 紛紛推出針對 BIPV 特別設計的產品 建築整合太陽能是使用太陽能光伏材料取代傳統建築材的一種應用方式, 使建築物本身成為一個大的能量來源, 而不必用外加方式加裝太陽能版, 因為在設計階段就考量, 所以發電率和成本比值最佳, 天窗和外牆是通常最大的接光面, 及為一棟綠建築 可以部分或全部供應建築用電, 現有建築也可能用改裝方式成為 BIPV 建築 最大好處是太陽能板價格可以攤進被它取代的原始建築材料, 安裝成本也可以算進建築工事中, 從而降低使用太陽能的成本. 而且在設計階段就納入太陽能, 可以使接光率提高並且兼具美觀因素. 這些因素使 BIPV 成為成長最快的太陽能產業應用 67 資料來源 : 維基百科 &BIPV 廠商與產品巡禮 - 薄膜與新興技術篇 建築整合太陽能 BIPV BIPV 有數種型態 : 屋頂包覆 用太陽能材料作成可彎曲的半軟性薄板, 裝置於屋頂 屋頂外加 模組化的太陽能板, 拼接式外裝於屋頂, 是最常見方法 太陽能瓦是另一種模組形式但是比較小類似於瓦片, 安裝美觀可以整合進建物, 使用彈性也大 外牆 鑲嵌或設計進外牆, 配合建築設計還能兼作擋雨板和裝飾 遮陽 玻璃窗 半透明的模組可以取代窗戶天窗或玻璃帷幕, 兼具遮陽 資料來源 : 維基百科 68
BIPV 之薄膜太陽光電技術 _1 薄膜 PV 產業則呈現 First Solar 一枝獨秀的狀況 分析 2009 年全球薄膜 PV 市場佔有率, 排名首位之 First Solar 為 65.4%, 約佔市場三分之二 ; 排名第二位的 Uni-Solar 為 6.6%, 僅約 First Solar 十分之一 ; 第三位的 Sharp 為 5.5%, 與 Uni-Solar 相距不遠, 但琍位 Kaneka 為 2.2%, 僅為第三位 Sharp 40% 左右 根據全球薄膜 PV 市場前幾大廠商之市場佔有率, 可歸納出 First Solar 獨居鰲頭 ; 排名第二的 Uni-Solar 與第三的 Sharp 跟隨在後, 但與 First Solar 有一大段的差距, 為第二領先集團 ; 而第四名之後與第二領先集團又有一段差距, 因此領先廠商與其他廠商之間市場地位差距甚大 目前在薄膜太陽光電方面, 主要技術包括矽薄膜 (Thin-film Si) 碲化鎘 (CdTe) 銅銦鎵硒(CIGS) 三種技術 ; 在新興技術方面, 目前較受矚目為染料敏化太陽能電池 (Dye-Sensitized Solar Cell; DSSC), 其他還有高分子 有機 奈米太陽能電池等技術, CdTe 為人們公認的高效 穩定 廉價的薄膜光伏器件材料 資料來源 :BIPV 廠商與產品巡禮 - 薄膜與新興技術篇 69 BIPV 之薄膜太陽光電技術 _2 以下針對主要技術之重點廠商在 BIPV 產品之發展進行說明 矽薄膜 : Uni-Solar 核心技術為使用軟性基板的薄膜太陽能電池, 其採用不銹鋼薄板作為基板, 在基板鍍上三層的吸光薄膜 (Triple- junction), 轉換效率約為 9% Uni-Solar 過去幾年以商用建築屋頂應用為主力市場 由於 BIPV 市場逐漸興起, Uni-Solar 遂利用該公司的核心技術開發多項應用於住宅 Sharp 在矽薄膜以及染料敏化技術均有佈局 在 BIPV 應用上,Sharp 並沒有特別規劃相關產品, 而是直接將現有產品用於建築應用上 雖然 Sharp 2009 年薄膜 PV 模組的銷售量居全球第三位, 但 Sharp 並不像是其他大部分投入 BIPV 的廠商, 均將產品以特定的品牌名稱作行銷, 甚至在其企業網站上並無產品型錄等相關資料可供參考, 在 PV 系統方面活動相對十分低調 70 資料來源 :BIPV 廠商與產品巡禮 - 薄膜與新興技術篇
BIPV 之薄膜太陽光電技術 _3 碲化鎘 (CdTe) :First Solar 為目前全球銷售量最大的 PV 廠商, 其使用獨特的 Vapor Transport Deposition 製程技術生產 CdTe 模組 First Solar 最大的競爭利器, 為其量產後的製造成本為業界最低, 與競爭對手有一段差距, 且 First Solar 仍不斷改進製程, 持續降低成本 原本 First Solar 產品絕大部分應用於發電廠, 近兩年已經逐漸打入商用建築市場, 藉由 BIPV 的方式安裝於商用建築的屋頂 由於 First Solar 產品含有鎘化合物, 一般住宅對於 First Solar 的產品仍有相當大的疑慮, 尚無安裝於住宅的應用案例 銅銦鎵硒 (CIGS):Ascent Solar 成立於 2005 年, 其技術為採用 CIGS 技術 軟性塑膠基板,BIPV 方案品牌名稱為 WaveSol TM, 長度有 5 米與 2 米兩種規格, 寬度為 35 公分,2 米的模組輸出功率為 45~55W,5 米的模組輸出功率為 120~140W, 優點為可以適合各種形狀的建築 重量輕 系統安裝成本低 該公司將 BIPV 視為主要目標市場, 積極與系統安裝商建立合作關係, 該公司目前有一條 15MW 產線, 預計在今年底將產能擴充至 30MW 71 資料來源 :BIPV 廠商與產品巡禮 - 薄膜與新興技術篇 結論 建築物節能設計, 應同時考量採光 隔熱 照明及冷暖氣等方面 新建築物應在建築設計時就同時考量 建築隔熱材的選用原則 : 滿足法規與規範 建築地理位置, 氣候與居住環境 日照條件 是否兼具採光 配合整棟建築物節能設計需求 隔熱性能的指標與節能效益 應用位置 應用方式與施工問題 美觀性與維護性 吸濕性 抗震性與環保性 成本 壽命 其它效益 72