清云土木工程与物业管研讨会中华民国

2010清雲土木工程與物業管理研討會/中華民國99年5月14日混凝土材料熱阻抗之研究探討TheStudyofThermalResistanceonConcrete徐瑞祥鄭弼至清雲科技大學土木工程系副教授清雲科技大學空間資訊與防災科技所Tel:[phone]-5719傅囿蓉、鄭聖憲E-mail:[e-mail]清雲科技大學土木工程系摘要建築物外殼的隔熱性能不佳，是造成室溫偏高的原因之一，不但降低環境的舒適度，且增加空調負荷耗能。混凝土材料為目前國內最常使用之營建材料，特別是建築物之外牆與與樓板幾乎都是使用混凝土材料，因此混凝土熱阻抗值之大小將影響建築物之隔熱效能。然而一般對混凝土之熱阻抗均僅視為單一數值，本研究則希望能透過實驗來充分了解混凝土之熱阻抗與時間、含水量等之關係。一、前言1-1研究動機地球之能源，由於長期之使用而逐漸枯竭，價格亦逐年上漲，2008年更面臨了全球第三次之石油能源危機，石油價格一舉登上每捅百餘美元，不僅造成全球經濟發展之遲緩，更引起通貨之膨脹。同時近幾年來全球面臨氣候暖化、南北極冰層融化及世界沙漠化等現象後，世界各國為了挽救地球日益惡化的環境，已展開全面性的地球環保責任。世界各國除致力於新能源之開發外，亦積極重視提高設備之效率及節約能源之措施。建築物之最大耗能部份為「空調」與「照明」。如何有效降低夏日冷氣之使用與消耗，為目前炙手可熱之研究課題。建築物外殼的隔熱性能不佳，是造成室溫偏高的原因之一，不但降低環境的舒適度，且增加空調負荷耗能。台灣位於亞熱帶地區，夏日炎炎，建築物用於冷氣空調之耗能非常可觀。在建築物中，影響此建築物之能源效率眾多因素中，建築構造體之隔熱能力是一項極為重要之考慮因素。而我國已於1996年成立行政院國家永續發展委員會，經建會已將「綠建築」納入「城鄉永續發展政策」之執行重點，見台灣地區每年新增建築物面積平均高達4000萬平方公尺以上，且建築物使用生命週期（LifeCycle）長達50年，因此配合「綠建築」之「建築節能政策」，建築物外殼與屋頂之之隔熱能力如何有效提升與實施效果是否落實，關係我國整體建築節能效益是否可達成，影響深遠，更是永續經營政策之重大趨勢。材料之隔熱能力來自於「熱阻」，不同之材料982010清雲土木工程與物業管理研討會/中華民國99年5月14日有不同之熱阻值，在機械熱流領域有關材料之熱阻及隔熱能力等相關之研究與應用，可說已相當之成熟，大至火箭、太空梭、核能電廠之熱傳導與隔熱，小到電腦CPU之散熱，均可透過熱傳導理論加以計算與模擬，但是先決條件是對各種材料之熱傳導相關性質能充分了解。最近幾年內政部建築研究所與國內各學術與研究單位積極的合作，針對建築物外殼隔熱性能檢測方法做了一系列之研究，同時也陸續建立了部分單一建材隔熱性能之資料庫。建築工程與我們的生活息息相關，因為混凝土取得容易、造價低廉、塑性很高，因此混凝土是建築工程中使用最為廣泛的材料之一。混凝土為水泥砂漿(基材)與骨材(填充材)組合成之複合材料，因為具有多孔性，因此隨著時間與外在環境之改變，其所含水分與熱阻抗將隨之而有所不同，然而一般對混凝土之熱阻抗均僅視為單一數值，本研究則希望能進一步探究混凝土之熱阻抗與時間、含水量等之關係。1-2研究背景我國於民國84年由內政部營建署、建築研究所及經濟部能源委員會共同推動建築節能法制化工作。依據「能源管理法」能源法第十七條之規定，於建築技術規則中增訂節約能源相關條文，以規範管制辦公、百貨及旅館等建築外殼之耗能性能，亦即ENVLOAD節能指標，將建築外殼耗能及屋頂之熱貫流率(Coefficientofthermaltransmission)或總熱傳係數(Overallheattransfercoefficient)納入法規條文，使建築外殼節約能源管理提升至一個全面性且趨向完整的水準。並於民國87年公佈擴大實施範圍，增列集合住宅，醫院及其它類型建築物納入管制。民國93年修訂建築技術規則設計施工編，增訂第十七章綠建築，將建築物外殼節能設計列為綠建築之指標之一，同時依據建築技術規則設計施工編第三百十五條，訂定並頒布「辦公廳類、百貨商場類、旅館類、醫院類、住宅類、學校及大型空間類、其他類等建築物節約能源設計技術規範」。自此我國有關建築物外殼隔熱省能之相關法規可謂已趨完備，實際之效果則有待確切之實施與落實。近年來，為追求舒適健康室內居住及永續地球環境，提升國人生活品質，由內政部建築研究所推動之綠建材標章制度，已於93年7月完成制度之規劃，並配合內政部建築研究所實驗群檢測實驗機制建置，正式受理申請。為了推廣具有建築環保性能之綠建材，同時帶動國內建材產業之升級，內政部建築研究所參酌國際相關建材標章之精神、檢測程序及認定因子，並依本土氣候環境、產業現況，擬訂綠建材標章相關制度，提出評定項目、規範及評定基準，鎖定四類綠建築材料作為核發高性能綠建材標章的對象，所進行綠建材認證類別分析，其認證類別可歸納為高性能、生態、再生、健康等四大方向(如圖1所示)。其中1.健康綠建材必須具備低逸散、低汙染以及低臭氣等性能；2.生態綠建材具有抑制溫室效應、抑制臭氧層破壞、使用本土建築材料、省資源、省能源等性能；3.再生綠建材必須具備再循環、再利用以及廢棄物減量等性能；4.高性能綠建材必須具備耐久性佳、不需維護、高隔熱、高防音等性能。累計至98年9月，內政部共核發綠建材標章254件，產品涵蓋2568種，其中健康綠建材數量最多，佔76.9%，高性能綠建材則僅佔14.5%。高性能綠建材必須具備耐久性佳、不需維護、高隔熱、高防音等性能。針對「隔熱綠建材」之研究與發展，內政部建築研究所成立「建築外殼建材隔熱性能實驗室」，以期能檢測各種不同建築材料之隔熱性能，並針對各種建築材料和能源使用之關係進行測試和了解，以作為建築設計之參考。同時，內992010清雲土木工程與物業管理研討會/中華民國99年5月14日100政部建築研究所與國內各學術、研究機構積極的合作，針對建築物外殼隔熱性能檢測方法做了一系列之研究，同時也陸續建立了部分單一建材隔熱性能之資料庫。健康生態再生高性化物理生物ＴＶＯＣ、甲醛、臭味粉塵病毒、毒素、細菌抑制溫室效應使用本土建材再生循環｜Ｒｅｃｙｃｌ再利用｜Ｒｅｕｓｅ廢棄物減量｜Ｒｅｄｕｃ材料特殊功能材料基本性能綠建材認證類別圖１綠建材認證類別架構圖台灣位於亞熱帶地區，夏日炎炎，建築物用於冷氣空調之耗能非常可觀。在建築物中，影響此建築物之能源效率眾多因素中，建築物外殼的隔熱性能不佳，是造成室溫偏高的原因之一，不但降低環境的舒適度，且增加空調負荷耗能。台灣地區每年新增建築物面積平均高達4000萬平方公尺以上，且建築物使用生命週期（LifeCycle）長達50年，因此建築物外殼與屋頂之之隔熱能力如何有效提升與實施效果是否落實，關係我國整體建築節能效益是否可達成，影響深遠。建築工程與我們的生活息息相關，而混凝土更是建築工程中使用最為廣泛的材料之一，因為混凝土取得容易、造價低廉、塑性很高，近年來各國的專家學者不斷的投入研究。國內、外目前對於混凝土之研究，多侷限於「土木工程」領域，對於混凝土之探討亦大多僅針對對混凝土之力學性質[1]，至於對混凝土隔熱性能之影響則均僅視為單一數值。然而混凝土是由水、水泥、粗骨材與細骨材所組成的複合材料，因為具有多孔性，因此隨著時間與外在環境之改變，其所含水分與熱阻抗將隨之而有所不同，本研究則希望能進一步探究混凝土之熱阻抗與時間、含水量等之關係。二、文獻回顧2-1國內、外有關建築物節能及建材隔熱性能之研究綜觀世界各國的建築耗能管理基準，其中位於寒、溫帶氣候之歐美國家大多採用設定建築物外殼的熱阻值R(ThermalResistance)，或是熱傳導值U(OverallHeatTransferCoefficient)，亦即規定建築2010清雲土木工程與物業管理研討會/中華民國99年5月14日物的外殼熱阻值R須達到某基準值以上，或熱導值U在某基準值以下。因為熱阻值R愈高，或熱導值U愈小，則熱量愈不容易通過外牆進入室內。美國ASHRAE之建築物節約能源亦經發佈為Standard90，以DesignGuide(設計準則)之方式呈現。其主要架構為建築建築設計與空調系統設技師有二項系統選擇方向。第一種方向為一切依據設計準則來進行各項子系統之設計，包含建材之選定、座向……等等。第二種方向則可完全自由發揮，但最終人仍須控制其建築單位面積總耗能為DOE-2.1電腦程式計算值以內。此設計準則所揭櫫之兩大方向提供了國際間最先進之建築省能法規架構，為世界所參考依循[2]。與我國同屬濕熱型氣候的東南亞國家，其建築節能設計參數則為”建築物外殼總熱傳值OTTV(OverallThermalTransferValue)”。此基準主要為規範「外來熱得」，亦即以建築物外殼總熱傳導，控制外界經由建築物外殼的熱傳率，將其限制於某一定值以下，以達到節約能源之目的[2]。反觀位於溫帶之日本，自1979年實施以”外周區年間空調負荷PAL(PerimeterAnnualLoad)”為主的建築物節約能源法規以來，獲得相當顯著的能源節約效果。PAL值的觀念相對於東南亞的OTTV值，除了建築之外殼熱絕緣性能以外，更加強調內、外遮陽性質等對於外周區空調負荷之影響。因只規定PAL值須控制於某限值之下，而不局限其外殼設計，因而賦與建築師更大的設計自由度。比較OTTV與PAL之差異，在於OTTV直接限制建築物的「外來得熱」；而PAL則是將「建築外殼熱阻」與「空調負荷」皆考慮進去。我國於民國84年由內政部營建署、建築研究所及經濟部能源委員會共同推動建築節能法制化工作，參酌新加坡之OTTV基準，研擬本土化之建築節能評估指標，建立”建築外殼耗能量，ENVLOAD(EnvelopeLoad)”，以作為我國建築物節約能源設計依據。依據能源法第十七條之規定，於建築技術規則中增訂節約能源相關條文，以規範管制辦公、百貨及旅館等建築外殼之耗能性能。並於民國87年元公佈擴大實施範圍，增列集合住宅，醫院及其它類型建築物納入管制。民國93年修訂建築技術規則設計施工編，增訂第十七章綠建築，將建築物外殼節能設計列為綠建築之指標之一，同時依據建築技術規則設計施工編第三百十五條，訂定並頒布「辦公廳類、百貨商場類、旅館類、醫院類、住宅類、學校及大型空間類、其他類等建築物節約能源設計技術規範」。自此我國有關建築物外殼隔熱省能之相關法規可謂已趨完備，實際之效果則有待確切之實施與落實。台灣地區每年新增建築物面積平均高達4000萬平方公尺以上，且建築物使用生命週期（LifeCycle）長達50年，實施效果是否落實，關係我國整體建築節能效益是否可達成，影響深遠。因此內政部建築研究所陸續針對建築物外殼隔熱省能相關問題，與國內學術及研究單位合作做了一系列之研究。在建築物中，影響此建築物能源效率之眾多因素中，建築材料之隔熱能力是一項極為重要之因素。因此為能達成建築省能之目標，就有必要針對各種建築材料和能源使用之關係進行測試和了解，以作為建築設計之參考。首先，楊秉純[3]建構了一個建築材料熱傳導性能量測實驗室，可量測均值或非均值建築材料之熱傳導率，並進一步利用這些數值進行其建築物熱取得率之計算和分析；楊冠雄等[4]則依據典型建築外殼之設計型態加以分類，計算其於台灣各氣候條件下之ENVLOAD值分布情形，並參酌89年台灣地區實施送審核可之申請案件計算結果，以提出ENVLOAD值對應於台灣各地區氣候條件修正之可能性，做為中央主管建築機關修訂建築技術規則1012010清雲土木工程與物業管理研討會/中華民國99年5月14日之參考；顏貽乙等[5]之研究中除了建置了玻璃日光輻射熱取得率量測實驗室外，同時亦開始針對國內常用之外殼建材進行隔熱性能量測，其中均值及非均值建材各十件(如表一所示)。蕭江碧等[6]之研究則建立了我國建築外殼檢測標準試驗方法及程序，並逐步增加了對磚牆塗漆、磚牆塗漆+矽酸鈣板、磚牆塗漆+空氣層(2cm)+矽酸鈣板、磚牆塗漆+空氣層(3.5cm)+矽酸鈣板等四種複合外牆之