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建築節能
以新型防火酚醛建材評估臺灣環境之應用
國立勤益科技大學景觀系教授兼綠色生活科技整合研究中心主任 宋文沛
國立勤益科技大學綠色生活科技整合研究中心研究員及兼任助理教授 陳廷育
國立勤益科技大學冷凍空調與能源系副教授兼綠色生活科技整合研究中心副主任 趙有光
近年因社會型態與工作性質的改變，人類於室內活動時間增加，追求舒適的室內環境又可節能即為近年許多研究之主題。本研究以酚醛樹脂泡沫材料製作建材，希望藉由其特點來營造出適合人類辦公與居住之生活環境。此項材料除具有防火且環保等優點外，也具有保溫及隔熱之效果。研究成果也顯示，于冷氣房或暖氣房中，增加或減少1℃，則可節省約10％的能源消耗，因此若能以周遭環境加上新型建材，將可有效保障安全、節省能源，又能兼顧舒適之生活環境。本研究即以臺灣地區之冬季、夏季之氣候條件狀況，探討新型防火酚醛樹脂應用於建築上之效果。研究結果顯示，夏季條件下，白天最高溫時有5-8℃之溫差，顯示酚醛板具有顯著之隔熱成效；冬季條件下，內牆溫度大致維持穩定趨勢介於20-22℃間，顯示建材隔冷之特性。
關鍵字：酚醛樹脂、建築物保溫與隔熱、節能省碳
一、前言
臺灣地處亞熱帶，受到地理位置及氣候條件之影響，其為溫度及濕度均高之環境，再加上地狹人稠，為容納大量的人民居住及活動，因此都會區內樓房密佈，建築物常彼鄰而建。都市中，常以中央空調與密閉式玻璃建築的大樓型式興建，也造成空氣不流通又增加能源消耗的問題。由於社會型態與工作性質的關係，人類於室內活動時間增加，追求舒適的室內環境即為近年許多研究之主題[1]。研究以酚醛樹脂泡沫材料製作建材，希望藉由其特點來營造出適合人類辦公與居住之生活環境。許多研究均指出，于冷氣房或暖氣房中，增加或減少1℃，則可節省約10％的能源消耗，因此若能以周遭環境加上新型建材，將可有效節省能源，又能兼顧舒適之生活環境。
二、新型防火酚醛樹脂產品應用
1.新型建材之優勢
英國1985年波音737在曼側斯特發生飛機火災事件及1987年地下鐵失火導致重大傷亡的事件後，使得防火材料受到進一步的重視。但過去常使用之PLY系列發泡產品，於生產過程中常需添加化學物質，使得相關材質產品的易燃性提升，且易於燃燒過程中釋放DIOXIN及大量濃煙。除了防火安全性等考慮外，許多國家也普遍重視絕熱(heat-insulating)保溫(temperature keeping)材料的生產和建築的保溫工作，力求大幅度減少能源(energy source)的消耗量，從而減少環境污染和溫室效應(green house effect)[2][3]。由此可看出，世界趨勢對於強調建材的環保性、發展「綠色」保溫防火製品之訴求[4]，不論是產品製作或使用以及日後的處理問題，都要求最大限度地節約能源與減少對環境的危害。酚醛樹脂材料，因為具有Low fire, Low smoke, Low toxicity,隔音隔熱性能佳，吸水率低，重量輕容易加工，熱漲冷縮率低、絕緣性佳及優良的環保性能等優點，因此已經廣泛應用于公共安全的相關產業及製品，又因為本身材質具有相當穩定的尺寸安全性，也就是極低的膨脹率與收縮率，並具有不易燃燒之特性，因此運用在包覆寒帶區域原油(石油氣)管路與中央熱氣管路，可避免石油輸送管線因溫度變化而導致爆裂及減少熱氣管路熱能的損失。
2.酚醛樹脂之物性與化性
由於PVC材料於生產過程中必須添加塑化劑、安定劑、發泡劑…等等，但是萬一發生燃燒時卻會釋放出Dioxin造成大量濃煙，嚴重影響人身安全，因此為了達到多重環保要求及安全性，phenolic產品必須經過燃燒試驗、吸水試驗、conductivity試驗及Flaming試驗等4種方法作量測，以檢測phenolic產品的耐熱溫度、熱傳導係數、吸水率、抗壓強度、煙密度、難燃性、火焰高度、氧指數及釋出毒性氣體等9項重要品質特性是否符合規格要求[5]。本文整理出phenolic與相關產品的重要品質特性，以phenolic產品,聚氨脂, 聚氯乙烯與聚苯乙烯等相關產品要求之規格一覽表，如表1所示。由規格表可知，酚醛樹脂的熱傳導係數為0.026 w/mk，與傳統所使用的混凝土其熱傳導係數為1.64 w/mk來相比較之下，兩者相差近50倍的差距，而在熱傳學的觀念上，當介質的熱傳導係數越低的時候，導熱量相對為低，代表熱量不易傳導且易於隔絕熱能。
表1：phenolic相關產品之規格要求一覽表
Items phenolic 聚氨脂 聚氯乙烯 聚苯乙烯
耐熱溫度 ˚C 180 120 70 60
抗壓強度 kpa 210 33 127 107
Smoke Density (DM) 9 68 51 66
耐燃時間 sec >=1150 <=30 <=30 <=30
氧指數 42 26 25 19
Conductivity (w/mk) 0.026 0.030 0.029 0.038
重量損失 % 37 95 100 94
吸水率 (kg/m 3 ) 0.02 0.03 0.03 0.2
火焰高度 (mm) 15 230 100 250
酚醛樹脂物質其特性具有耐熱溫度高，耐燃時間也較長，對於火災的預防有極佳的預防作用[6][7]。酚醛樹脂產品經過燃燒試驗、吸水試驗、conductivity試驗及Flaming試驗等4種方法檢測其耐熱溫度、熱傳導係數、吸水率、抗壓強度、煙密度、難燃性、火焰高度、氧指數及釋出毒性氣體等9項重要品質特性後，製成之產品如圖1所示。
為瞭解新型防火酚醛樹脂是否適於應用在建築上，並營造出舒適的室內溫度與節能減碳的生活環境，本研究將製造出之酚醛樹脂產品應用於建築上。依研究設計，蓋成兩棟建築，以酚醛板為主要建築材料，並設置溫度感應器於內外側。房子以南北走向建造(如圖2)，實驗屋蓋于建築頂樓無陰影遮蔽，仿真全尺度無遮掩之日照情形，並詳細測試日曬對於各個不同牆面影響。當太陽升起時，東側牆面會開始提高溫度，隨著太陽軌跡之移動，東側屋頂、西側屋頂、西側牆面將依序升溫，南面會因地理 位置而受太陽斜射影響。從實驗屋之屋頂與東南西北面之室內外溫度進行監測，如圖3所示，除分析隔熱板之隔熱與隔冷效應外，也藉此評估人們在此建築中，其生活與工作之舒適程度。
三、實驗方式
本次研究以臺灣二種不同的氣候條件包括冬季(寒流) 與夏季等狀況環境下，進行測試。受地球暖化影響，今年臺灣夏季七月最高溫為35.3℃，四月最低溫為14.8℃(氣象局，2009)。
夏季以七月為研究時間點，台中地區夏季平均一天溫度為29.1度，七月之月平均溫度最高溫為35.3度，最低溫為23.8度，最大瞬間風速為11.2m/s，每10分鐘平均風速5.2m/s。冬季以四月寒流為例，平均一天溫度為22.5度，其月平均溫度最高溫為30度，最低溫為14.8度，最大瞬間風速為11.8m/s，每10分鐘平均風速5.9m/s。房屋內外溫度並以商用CFD仿真軟體FLUENT進行仿真；實驗並以即時監控之方式，將資料準確的傳輸及收集至監控系統中，確保分析系統之準確性，本研究所設置之即時監控系統包含各時段之溫度變化、內外溫差等，皆能於設置時間內，將量測資料傳輸至控制中心。實驗並以熱影像儀(Thermal imager)進行評估，熱影像機的構造類似一般電視攝影機，但它的感測波段並非可見光範圍（0.4 ~0.6 ）而是在熱紅外線範圍（3 ~15）。藉由熱影像機可量測出物體因外在環境所產生之溫度，經由幾何光學對應關係，直接將目標物各點轉換為相應的圖像單元。
四、結果與討論
4.1夏季溫度變化
夏季實驗屋資料分析與研究成果如圖5所示。結果顯示建築物其四面牆與東西側屋頂一日溫度變化情形。圖a、b、c、d分別為北側、東側、南側及西側牆面溫度；e、f分別為東向與西向屋頂變化情形。每個牆面與屋頂皆進行牆內與牆外之溫度監測。
由溫度曲線變化情形可知：東側屋頂于上午七時起，外側溫度逐漸升高且高於內側溫度，上午七點至下午四點這段期間，為全天溫度較高之時段，此時段外側溫度均高於內側，於下午四點溫度逐漸下降，且內側溫度逐漸高於外側溫度，並隨著時間增加兩者溫差越大。西側屋頂于上午七時起外側溫度逐漸升高，且高於內側溫度，上午9點至下午2點這段期間，內外側溫度上升趨勢相近，溫度差約1-2度，外側牆面於下午2點時，溫度達到最高，之後溫度逐漸下降，且內側溫度逐漸高於外側溫度。
4.2冬季溫度變化
冬季實驗屋資料分析與研究成果如圖6所示。結果顯示建築物其四面牆與東西側屋頂一日溫度變化情形。圖a、b、c、d分別為北側、東側、南側及西側牆面溫度；e、f分別為東向與西向屋頂變化情形。每個牆面與屋頂皆進行牆內與牆外之溫度監測。
由於受東北季風之影響，對照溫度曲線變化情形可知，一天實驗屋外之溫度變化介於13-20℃。東側屋頂一天溫度介於13-18℃，溫度最低在清晨5-7點約13℃，于上午八時起，外側溫度才逐漸升高，中午12點溫度為18.2℃，是全天溫度較高之時間。12點之後，隨時間溫度逐漸下降，溫度由18.2℃逐漸降低至15.7℃。東側屋頂內側溫度皆維持20-22℃之間，與外側溫差介於3-7℃。西側屋頂一天溫度介於15-20℃，溫度最低在清晨5-7時約15℃，于上午七時起，外側溫度才逐漸升高，中午12點溫度為20.1℃，是全天溫度較高之時間。溫度於12點之後逐漸下降，由20.1℃逐漸降低至17℃。西側屋頂內側溫度皆維持20-22℃之間，與外側溫差介於1-6℃，於中午時內外牆溫度最為接近。
4.3仿真軟體仿真結果
夏季CFD仿真軟體仿真結果如圖7所示，早上8點的模擬圖可看出，受太陽照射影響，東側外牆溫度變化大；東側屋頂也因為溫度上升空氣密度減少，而有熱流速度快的情形。下午2時的仿真圖顯示，太陽隨時間移動使西側屋頂溫度上升，溫度流場速度變化也以此處為最快。冬季模擬結果如圖8所示，早上8點的模擬圖可看出，受寒流影響，房屋外牆溫度偏低，整棟以南邊牆面溫度最高；屋頂受東北季風與早晨溫度上升之交互影響，有熱流變化之情形。下午2時的仿真圖顯示，西側屋頂溫度有上升趨勢，溫度流場速度變化仍以此處為最快。熱像儀分析顯示，以夏季東側內外牆為例(如圖9)，早上8點因受太陽直射影響，溫度上升，內部空間溫度尚未升高，因此內外溫度差距大；隨著時間增加太陽西偏，外牆溫度稍微降低，因此內外牆溫度差距逐漸減少，顯示建材具有一定的隔熱效果。
六、文獻
[1] L.P. Warren, Peter A. Taylor “A comparison of occupant comfort and satisfaction between a green building and a conventional building”. Building and Environment, Volume 43, Issue 11, pp. 1858-1870.( 2008)
[2] 戴嘉鴻、張起明，「防火材料設備的可靠度評估」，中華民國第六屆可靠度與維護度技術研討會論文集(2005)。
[3] S. Mohammad, H. Al, “Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials”. Building and Environment, Vol. 40, Issue 3, pp.353-366.(2005)
[4] 翁鳳英，「節能屋在德國的發展」，經濟部能源局，能源報導季刊，pp.27(2007)。
[5] W.P. Sung, T.J. Cheng, C.I. Chang, “Application of 6-Sigma methodology to improve process capability of multiple characteristics of fireproof resin products”. Practice Periodical of Hazardous, Toxic, and Radioactive Waste Management. ASCE, Vol. 13, No.2. pp. 82-89.(2009)
[6] C.S. Jwo, L.Y. Jeng, H. Cheng, S.L. Chen, “ Research of water-base nano-PU paint for heat insulation”. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 7130.(2008)
[7] D.L. Chen, L. Liu, H.C. Zhou, Q.H. Wang, C.M. Xiong, H.L. Yin, “ Experimental investigation on feasibility of a realtime adjustable heat- insulation device”. Ranshao Kexue Yu Jishu/Journal of Combustion Science and Technology, Vol. 10, No. 2, pp. 149-154. (2004)
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發表於 2014-9-4 14:57:36
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