詹耀裕、廖健閔
潤弘精密工程事業公司
一、前言
台灣位處於溫暖潮濕氣候地區，夏季日射量強烈，使得建築外殼承受極高的輻射與傳導熱量，對於空調系統冷房負荷相當大，不僅耗能且造成大量碳排放，因此業界期望找到新建材，降低建築外殼熱傳透率，達成節約能源，為節能減碳做出貢獻。
隨著近年地球平均氣溫持續上升，碳排放控制問題，持續成為國際上的焦點，在聯合國不斷要求各國制定淨零排放立法時空背景下，已有超過130國，宣布2050年實現淨零排放目標，歐盟和美國更早已針對碳排放進行碳稅課徵，從而形成二氧化碳排放權交易，期利用市場機制，達成全球溫室氣體減排目標。
聯合國環境規劃署（UNEP）2020年報告指出，建築產業在2019年排放了全球總耗能之35％，以及總溫室氣體之38％，高於工業部門和運輸的總排放量，建築產業節能減排，是達成國家淨零排放關鍵所在。
二、預鑄夾芯隔熱牆版性能說明
建築外部熱能，透過輻射、對流及傳導此3種基本傳熱方式進入室內，而建築外殼構造的熱傳透量是造成建築物熱負荷量主要來源，故歐美早有預鑄夾芯牆版先例。該型牆版有著極低熱傳遞率優點，在預防寒冷氣候所產生冷橋結露現象，有相當顯著效果，將該優點運用在熱帶區域，則可阻擋室外大量熱能傳入建築內部，降低冷氣耗電量，達到節能減碳之目的。
不過預鑄夾芯外牆內外葉牆版連結，是否會錯動、是否會因錯動產生滲水等疑慮？以往讓人們對它信心不足。因此潤泰公司乃提出改善並解決夾芯外牆版內外葉錯動和介面漏水對策，潤泰進行改良(文獻1、2)，將原先牆版承重鐵件增設不鏽鋼圓棒(如圖2.1所示紅色圓棒)連接內外葉混凝土，經數值分析結果，可將牆版錯動變形值由0.59mm大幅減少至0.13mm，一來為結構安全再提升，二來可以減少錯動而產生縫隙，且不鏽鋼圓棒可避免在有縫隙漏水情況下鏽蝕。另外不鏽鋼棒的斷面積極小，其對於熱傳導係數影響不足0.01，不影響整體外牆隔熱效果。當外牆一次防水不幸失效，伴隨高強度風壓下，雨水仍可能滲入3片式組合的夾芯隔熱外牆版界面，潤泰在牆版側邊隔熱版處再塗佈一層PU(如圖2.2)，降低滲水的風險，盡可能防患未然。
圖2.1 預鑄夾心隔熱牆版鐵件改良
圖2.2 預鑄夾心隔熱牆版防水塗佈
為了要建立完整的建築物熱傳導計算，政府於1995年依據能源管理法，將建築外殼耗能之總熱傳導係數納入法規中，使建築外殼節約能源管理趨於成熟。本節預鑄夾芯隔熱牆版之性能，根據「建築物節約能源設計技術規範(2021)」中，對於熱傳透率Ui之計算值(式1)判定，其中熱傳透率定義為：單位時間、單位溫差之條件下，垂直通過單位面積某構造物之傳透熱量，單位為：W/(㎡.K)。
其中，
Ui：外殼 i部位熱傳透率（W/(㎡.K)）。
ho：外表面熱傳遞率（W/(㎡.K)），規範取23.0。
hi：內表面熱傳遞率（W/(㎡.K)），規範牆面取9.0，屋頂取7.0。
ra：中空層熱阻（㎡.K/W），無中空層時，ra=0。
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）。
潤泰常用之預鑄夾芯隔熱牆版構造，是由6公分外葉鋼筋混凝土，加上2公分以上的XPS發泡隔熱版，再加上9公分內葉鋼筋混凝土所組成，考量不折損建築容積，與傳統牆版等厚17公分預鑄夾芯牆版(僅含2公分XPS版)，對照15公分傳統外牆版，經查詢規範中建材熱傳導係數表，得知以下建材之熱傳導係數K（W/(m.K)）：普通混凝土=1.4、發泡聚苯乙烯(PS版)=0.037、水泥砂漿=1.5、磁磚=1.3，透過式1的計算，得到預鑄夾芯隔熱牆版(內含2公分XPS隔熱版)熱傳透率為1.25（W/(㎡.K)），傳統牆版之熱傳透率為3.5（W/(㎡.K)），傳統牆版熱傳透率，為預鑄夾芯隔熱牆版的2.8倍，兩者差異巨大。
自2013年起，「建築技術規則」在住宿類綠建築(EEWH-RS)九大評估指標中，「日常節能」指標，是住宿類綠建築門檻指標之一，而日常節能指標中，「外殼節能」是首要評估要項，外牆平均熱傳透率設計值，只需要低於2.0，即可獲得綠建築標章外牆隔熱項目之4.0滿分，而預鑄夾芯隔熱牆版之熱傳透率1.25（W/(㎡.K)），大幅超越綠建築標章滿級分之要求，屬於極優的隔熱等級。
三、牆版隔熱性能實驗的驗證
為進一步驗證夾芯隔熱牆版之隔熱效能，我們設計一外牆隔熱實驗(配置參考圖3.1)，測試不同外牆版之隔熱性能。該實驗模型，由一隔熱箱、200W鎢絲燈泡、牆版試體所構成。其中隔熱箱版材，由雙層壓克力夾隔熱泡棉所構成，盡可能降低熱傳導和輻射散失，版材間則安裝橡膠條，並利用扣件和C型夾緊固，防止縫隙產生熱對流損失(圖3.2)。
牆版試體採用以下五種：試體1：對照組15公分RC牆版(圖3.3.1)；試體2：15公分RC牆版+3公分隔熱砂漿(圖3.3.2)；試體3：15公分RC牆版+8公分輕隔間牆(圖3.3.4)；試體4：17公分夾心隔熱牆版(圖3.3.5)；試體5：20公分夾心隔熱牆版(圖3.3.6)；試體受熱面積皆為40公分*40公分，混凝土強度為350kgf/cm2，測量設備使用兩組K型熱電偶，分別黏貼於牆版試體受熱面和背面，用於精準量測牆版表面溫度受熱過程中的變化，另外架設兩部溫度計，分別量測箱體內兩側環境溫度。
圖3.1 隔熱試驗配置圖
圖3.2 隔熱箱版材和接縫
圖3.3.1 試體1
圖3.3.2 試體2(1)
圖3.3.3 試體2(2)
圖3.3.4. 試體3
圖3.3.5 . 試體4
圖3.3.6 . 試體5
實驗於室內進行，環境平均溫度控制在200C±20C間，試體位置擺放固定，確保加熱區域淨空間體積相同，且於試體與隔熱箱交界面四周，施打矽利康阻絕空氣對流。試驗方式，採每組試體測試兩次，若兩者出現較大偏差則再做第三次，將偏差較大者剃除，每次試驗進行8小時，每小時記錄一次溫度，各試驗結果如圖3.4.1~3.4.5所示，將牆版兩側溫差歷時曲線，整理如圖3.5。
圖3.4.1 試體1溫度歷時圖
圖3.4.2 試體2溫度歷時圖
圖3.4.3 試體3溫度歷時圖
圖3.4.4 試體4溫度歷時圖
圖3.4.5 試體5溫度歷時圖
圖3.5 牆版兩側溫差比較圖
由實驗結果得知，20公分厚的夾芯隔熱版溫差，在加熱8小時後達到驚人的40.60C，而厚度17公分的夾芯隔熱版溫差，也可達到33.90C，表現也相當優異。由實驗結果得證：夾芯隔熱牆版對於阻絕熱能傳遞的效果，相當令人驚艷，17公分夾芯隔熱牆約略薄於傳統外牆粉刷後的厚度，對建築容積幾無額外負擔，故17公分夾芯隔熱牆版，為碳中和要求下的最佳方案。
四、建築外殼節能減碳和經濟效益評估
為了評估夾芯隔熱外牆實際能夠節約的用電量，我們透過穩態熱傳基本公式(式2)，並參考張智元、徐呈瑞「智慧溫感建材在建築外牆的蓄熱特性與隔熱材性能之評估」參考文獻2中，對於建築物各方位升溫的紀錄數據，再結合實驗結果，計算出透過外牆傳入室內的總熱量，最後得知空調系統需要耗費多少電量來抵銷熱量。
再根據張智元、徐呈瑞「智慧溫感建材在建築外牆的蓄熱特性與隔熱材性能之評估」參考文獻3中，對於建築物各方位升溫的紀錄數據(表4.1)，搭配實驗結果(圖3.4)，可求得8:00至17:00間室外側和室內側的平均溫度，帶入(式2)，將西面和南面外牆每日傳遞的熱量求出(計算如下，結果如表4.2所示)。
表4.1 台中市西屯區外牆四面溫度紀錄(2011/9/23)
表4.2 外牆版熱量傳透統計表
接下來以30坪面積，估算空調使用6噸冷氣(17.44kW)，依據一級能效，取冷氣季節性能因數CSFP=5.11(其中
)，將夾芯隔熱外牆節約的能量，除以5.11，得到冷氣節約用電度數，再利用燃煤發電每度碳排約0.8
kg，推算出使用夾芯隔熱外牆可減少的碳排放量，數據整理如表4.3。
表4.3 夾芯隔熱外牆版節能減排統計表
以17公分夾芯隔熱外牆，在一般120 m2的住家為例，每月可節省116.4度電、省409元電費，減少碳排96公斤。
五、預鑄夾芯隔熱外牆製造工藝說明
預鑄夾芯隔熱外牆的構造，由室內至室外，為三部分所組成：內葉混凝土、保溫隔熱材XPS(聚苯乙烯)、外葉混凝土。而夾芯外牆之關鍵，在於內葉混凝土和外葉混凝土，須緊密連結，不發生錯動。本文將潤泰生產預鑄夾芯隔熱外牆之方法，作一簡介：
(1) 模具清潔整理完畢後，將底層鋼筋網入模，並進行預埋件佈置(如圖5.1所示)。
圖5.1 底層鋼筋網入模和預埋件佈置
(2) 底層(外葉)混凝土澆置(如圖5.2所示)。
圖5.2 底層(外葉)混凝土澆置
(3) 中間層放置XPS版，將隔熱版確實滿舖後，按計算規定間距，插入玻璃纖維連接件(如圖5.3所示)。
圖5.3 放置XPS版和連接件
(4) 上層鋼筋網入模及預埋件安裝(如圖5.4所示)。
圖5.4 上層鋼筋網入模及預埋件安裝
(5) 上層(內葉)混凝土澆置(如圖5.5所示)，需特別注意施作時間，須控制在底層混凝土初凝前或終凝後，否則外葉混凝土初凝後再受到擾動，玻璃纖維連接件與周圍混凝土，將產生空隙而失效，造成內外葉混凝土可能發生錯動，甚至剝落的嚴重後果，對於結構安全非常不利。（下期待續）
圖5.5 上層(內葉)混凝土澆置
參考文獻：
1.尹衍樑、詹耀裕、唐雪梅(2015)，「內外片不會錯離的新型預製混凝土夾心保溫牆版(ZL201520618925.2)」，大陸實用新型專利。
2.尹衍樑、詹耀裕、黃綢輝（2021），「去了台灣，才知道鋼結構和PC外牆這麼受歡迎！」，大陸預制建築網。
3.張智元、徐呈瑞(2012)，「智慧溫感建材在建築外牆的蓄熱特性與隔熱材性能之評估」，逢甲大學土木工程學系碩士論文。
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載；未經允許請勿任意轉載】
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