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打造綠建築的5個關鍵技術
2010/05/06 17:26:00瀏覽2062|回應0|推薦0
結合高透光太陽能窗發電模組、晝光導光板、Smart window、軟性電致變色製程/軟性節能膜技術、REDDEX等五項關鍵技術,綠建築本身不但能夠調節光線與溫度,又能省電與減少碳排放,讓結構(安全)、空間(舒適)及外觀(美感)三者兼容並蓄。
【撰文/編輯部】

或許有人會問:為何要發展綠建築?2009年八八風災、2010年4月25日北二高走山,恐怖的景象深深烙印在你我心中,人工建築對環境的巨大傷害,都肇因於現代的建築材料大多經過繁複加工,使得這些建築物成為高污染、高排碳、高耗能的元兇,這點讓人不得不正視綠建築的重要性。透過綠建築,不只能達到節能減碳效果,更能預防洪災、改善地球暖化。

據統計,台灣建築產業相關之二氧化碳排放比例,約佔全國總排放量的28.8%,其中建材生產能源佔9.31%,營建運輸佔1.49%,營建工地佔0.2%,住宅使用佔11.88%,商業部門佔5.49%,足見我們所居住的房子對二氧化碳排放量有很大的影響。

為了瞭解綠建築的發展,我們特地走訪榮獲鑽石級綠建築的台北市立圖書館北投分館,以及同樣是鑽石級綠建築的工研院南分院第二期員工宿舍,深入探討綠建築的九大指標:生物多樣化、綠化量、基地保水、日常節能、二氧化碳減量、廢棄物減量、水資源、污水與垃圾改善、室內健康與環境。簡單地說,選擇不西曬、可回收的建材,做好遮陽,採光好、通風佳,採用無毒、環保的綠建材做為室內裝潢和家具材料,加上室外的綠化環境,就可以朝綠建築邁進。其中,建築物中又以玻璃的應用居多,因為玻璃在建築中扮演照明與視覺景觀的角色,夏季戶外的能量會經由窗戶直接進入室內,室內熱量75%來自窗戶,造成室內溫度上升;冬季則由室內流失熱量至戶外,從窗戶損失的熱量可佔室內熱量總損耗的33%。玻璃的節能效果主要根源於玻璃的隔熱及遮陽能力,台灣地區室內外溫度差並非很大,而日射熱能卻是十分驚人,因此,在台灣的玻璃節能對策,首重玻璃的遮蔽隔熱性能,歸納相關技術如下:

技術1:高透光太陽能窗發電模組

經由高透光太陽能窗發電模組的擴散與導光,可將20%至50%的太陽光傳導至窗框的太陽能電池上,提供直流發電。(工研院/提供)
「高透光太陽能窗發電模組」利用奈米材料,將窗戶設計成為能進行太陽能發電的機制。在窗面的結構上,主要是以兩片玻璃間夾隔奈米材質的擴散基板,經過膠合固定後,當太陽光照射穿越時,透過中間的擴散基板導光,即會將光線向四周側面的窗框進行反射;另一方面,在四面窗框內則設置有太陽能晶片模組,因此當太陽光線經反射進入時,就能進行發電。

工研院南分院奈米粉體與薄膜科技中心光能轉換材料研發部黃贛麟表示,擴散基板是使用TiO2與SnO2複合奈米粒子,添加在塑膠PC基板中射出或壓出,除了可大面積生產外,由於玻璃與塑膠的折射率不同,可增加全反射的機率,使太陽光線更往四邊窗框進行反射,也就能提高太陽能晶片吸收陽光的機率與發電的效率。

目前經由「高透光太陽能窗發電模組」的擴散與導光,可將20%至50%的太陽光傳導至窗框的太陽能電池上,提供直流發電(例如3C產品),可避免直流電轉交流電的電能損失。此外,發電效率也依霧度的不同而有差別,霧度愈高代表透光率愈低,發電的效率也會更好,但相對地在視覺上的阻隔就愈大;因此可視實際使用的場所及需求,來選擇適當的霧度。

工研院南分院奈米粉體與薄膜科技研究員陳瑞堂表示,一平方公尺的太陽能窗,可同時供二支以上手機充電;如果是二十層玻璃帷幕大樓,可產生十三萬五千瓦電力,同時供應三千三百七十五台桌上型電腦使用。

技術2:晝光導光板

模型屋的上層裝有晝光導光板,因此光線分佈均勻;下層則為一般窗戶,光線只能照亮窗邊不遠處,其他區域幽暗不明。(攝影/蔡鴻謀)
工研院機械所的晝光導光板(Sunlight Guiding Panel),是將太陽光引進、均勻照明室內,增加日光照明,可節省電力耗能,也是節能利器之一。

晝光的照射方式大致分為直射光與漫射光,如何將這些光導入,並且均勻照亮室內,就必須使用導光板,而其功能就是儘可能的將各仰角的晝光折射至天花板。導光板如何導引陽光進室內,代替燈光照明,主要靠的就是改變陽光行進方向,機械所先進製造核心技術組副組長周大鑫說,「我們利用微結構將陽光折射與全反射至天花板,讓陽光可以均勻照亮室內,取代白天的燈具照明,而且可以減少眩光的不舒適感,營造舒適的視覺環境。」使用晝光導光板,能增加30%至40%的日光照明,省下可觀的電費。

導光板的材料是研發關鍵之一,工程師楊文賢說,導光板的材質是採用類玻璃,具有高硬度、高耐候,以及耐UV(紫外線)的功能。由於波段313 nanometer的紫外光,不論是對玻璃或高分子材料都具有強大的破壞力,會造成劣化與黃化,所以希望在材料上有所創新突破。

因此,為了符合導光板放置在戶外、對耐候條件的嚴格要求,不斷開發出有機、無機複合的材料。相較於台灣,國外在綠建築的發展的時間較為悠久,已研發出耐候的材料,但是價格相對高昂,楊文賢說,國外的塗料100克要價新台幣5萬元,大概可塗敷2平方公尺的範圍,經過500小時的耐候測試,推斷該產品的有效使用壽命為2.5至5年。

 
 

技術3:Smart window(可調光液晶玻璃)

以奈米化學製成的Smart window,可以用微調開關來選擇想要的透明度,減少室內光的熱能,產生隔熱效果,即使玻璃屋也不再燠熱。(攝影/蔡鴻謀)
目前窗戶技術多半以不可調控光線的玻璃基板為主,其易碎與安全問題是設計上的考量重點,因此對於具安全性的膠合玻璃窗戶需求逐漸增加。工研院材化所應化組有機化學研究室研究員金志龍表示,「智慧窗」的玻璃是利用液晶來調節光線,原理是在兩片玻璃中間塗佈奈米的液晶材料,在窗戶的邊界加透明導電膜,在通電狀態下,液晶分子的排列可讓光通過,此時玻璃是呈現透明,屋內的人清楚看到屋外的情形;但在不導電的狀態下,則液晶分子呈現不規則的排列,光線無法通過,玻璃呈現出的是不透明,可以確保屋內的隱私,如果使用可以做電壓微調的旋鈕,此時的玻璃便可以從透明到不透明間,呈現多段不同的變化。利用溫控器調整玻璃之透明及霧狀,當戶外溫度過高,使調光薄膜呈現霧狀,減少室內光的熱能,以達到環保節能的需求。

可調光液晶玻璃為多層結構,由內向外分別為PDLC液晶層、導電透明薄膜(PET/ITO)、膠合材料(PVB膜)、玻璃,加上電極(銅片)、導線及封裝膠,即構成可調光液晶薄膜。從液晶薄膜製成液晶玻璃需經過玻璃膠合過程,膠合的關鍵技術在於膠合時壓力與溫度及時間的掌控,不佳的膠合條件會造成液晶玻璃內有氣泡出現,嚴重者甚至會有玻璃與薄膜剝離的現象。

金志龍強調,此技術耗電量低,以1m×3m大面積玻璃而言,只需40瓦電力,具有節能效果;此技術也是不同於有機材料,屬於無毒的水性材料,符合現代綠建材上的環保概念。

技術4:軟性電致變色製程/軟性節能膜技術

電致變色材料只需要±3.5v電壓驅動,就能在藍色與透明之間進行切換,有效阻擋80%至95%的紅外線與熱幅射。(攝影/蔡鴻謀)
相較於普通的玻璃,可以透過電控進行深淺變色的玻璃,能視環境與使用者的需求,加以調控光線照明的強度;除了可當成窗簾或玻璃牆,以及特別的遮蔽用途與視覺效果外,更可增加空間的運用變化及彈性,甚至能夠具備調溫節能的功能。

但以目前市面上的電控變色玻璃,在技術上主要是將特殊的液晶材質加入玻璃或是薄膜基材上,並透過電壓來達到控制調色的目的。然而,這種方式不僅成本相當高昂,所使用的液晶材料也必須經過改質處理,否則只能阻擋一般的可見光,對於真正產生熱源的長波長與紅外光區段,也就無法產生遮蔭降溫的效用。

工研院南分院所開發的「軟性電致變色製程」與「軟性節能膜技術」,是以ITO/PET為透明導電基材,並於基材上鍍上材料成本較便宜的電致變色材料(Electrochromic Material),更可以透過Roll to Roll的捲軸方式大量生產,比起以液晶為材質的電控變色技術,成本要來得低上許多;而且以目前60cm×30cm的面積規格,驅動電壓只需要±3.5v,就能在藍色與透明之間進行切換,並有效阻擋80%至95%的紅外線與熱幅射,也就是只有5%至20%的紅外線熱源可以穿透,經實驗測量確實可達到降低3℃的節能效果。

更進一步的利用電致變色材料優越的顏色顯示特性,再結合光子晶體獨特的調色機制,成功開發出國際間第一個單一電致變色元件中,同時具有紅、綠、藍三原色的顯示技術,此為全彩顯示的基礎機制,並已達到72%的NTSC色域範圍;更開發具有奈米結構的電極層,經以膠態電解質進行封裝與透過電壓使元件進行顏色切換,可達200ms的切換速度,所以團隊已成功的突破電致變色兩大技術瓶頸:全彩與快速切換技術。

技術5:REDDEX

REDDEX具備可撓曲性,可做為塗料、膜或是板子,讓物品在被火吞噬時有效地被保護。(工研院/提供)
一般而言,建築物都會使用防火材料,傳統防火材料大致有三種,工研院材料與化工研究所應用化學研究組組長陳哲陽解釋,第一種是使用鹵素或溴化物,由於不容易燃燒,因此裝潢等建材經常使用,不過大火來襲時會產生酸氣,不但讓民眾安全受到威脅,還會阻礙救火;第二種是使用無機材料,例如石膏或是矽酸鈣板,雖然不會燃燒,但是質地堅硬不易改變形狀;第三種是蛭石,多運用於鋼骨材料,特性是遇火就會膨脹,膨脹後就可以隔絕火源,價格雖便宜,缺點是必須噴霧在鋼骨結構上,而且要達到效果必須混水泥噴個5至10公分,因此在潔淨度和精密度要求上略顯不足,要運用在高科技產業建築上頗為困難。由於以上幾項防火材料均未臻完善,工研院材化所早在十多年前即開始進行防火材料的研發,但仍多偏向傳統的邏輯,即如何讓材料碰到火源時,火焰不會延展。「我們嘗試奈米黏土,也試驗一些對人體沒有危害的材料等,目的是希望材料碰到火的時候燒不起來,」陳哲陽說。

REDDEX在初研發成功時,被稱之為K60,K的意義就是攝氏1,000度,60就是能在60分鐘內耐燃,不會產生毒氣,並具備可撓曲性。以現在應用廣泛的防火材料無機矽酸鈣板來說,曝露在1,200度的高溫時,約莫100秒就會上升到600度,但是建築的鋼構在500度左右就會熔毀;但以REDDEX來說,同樣的溫度燃燒,可以使溫度維持在300度,隔熱效果大幅提升。此外,一般的材料遇火會膨脹,觸碰即碎,火勢很快就會延燒;而REDDEX的附著性強,可做為塗料、膜或是板子,讓物品在被火吞噬時有效地被保護。「REDDEX的好處是不軟化,不會產生有毒氣體,可說是符合很多環保材料的規定,甚至包括波音和空中巴士要求的規格,」陳哲陽強調,最重要的是,REDDEX可以較長的時間隔絕火勢,當火災發生時,能讓深陷火場的人們多一點時間,那怕只有五分鐘都足以逃命。

資料來源: http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_MAIN_ID=77&f_SUB_ID=4319&f_ART_ID=246617

 

 

 

( 在地生活大台北 )
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引用
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