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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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綠建築的現代風水學 有了晝光導光板,電燈不用來

文/王秀芳

有了晝光導光板,電燈不用來
有了晝光導光板,電燈不用來

中國古代講風水,對於居所,以天井、中庭等方式增加照明,
但隨著都市化發展,要有通風好、採光佳的建築,
必須加諸更多「人造」方式才能達成。
運用晝光導光板將自然的陽光引導進入室內,
不僅節能省電,又可營造舒適的環境,一舉數得。


看過紀錄片「不願面對的真相」(An Inconvenient Truth),一定會對人類破壞環境的能力感到震驚,更開始深思如何採取行動,保護唯一的地球,而具體的行為就是「節能減碳」。落實在日常生活中,最簡單的是隨手關閉不需要的電源、減少電量的消耗,但是要更有效率的達到最大節能效果,就非得仰賴「科學」的協助。工研院機械所的晝光導光板(Sunlight Guiding Panel),可將太陽光引進、均勻照明室內,增加日光照明,可節省電力耗能,正是節能的利器之一。

引進晝光,節能又省錢

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。」

周大鑫以圖示導光板的設計重點希望能利用微結構將陽光折射與全反射至天花板以取代白天的燈具照明
周大鑫以圖示導光板的設計重點希望能利用微結構將陽光折射與全反射至天花板以取代白天的燈具照明

使用晝光導光板,能增加30%至40%的日光照明,更可節省電力耗能約30%至40%,因為陽光的照射強度與角度深受氣候與地理環境的影響,因此如何將大部分的陽光有效的折射至天花板,便是導光板的設計重點。周大鑫說,目前的導光板中的微結構已是第三版的設計,可將大部分仰角照射進來的陽光,經過導光板處理,所呈現的performance都是相同!大約從20°到80°照射的陽光,有40%至50%的光線都可以往上照射至天花板。先進製造核心技術組工程師楊文賢補充說,「我們研發團隊的微結構設計折射陽光的效率,約較目前國外技術高出10%至20%,目前已經在申請台灣專利。」

由於塗上微結構材料的玻璃,看到的戶外景觀會成疊影,而非正常的影像,周大鑫說,這點是技術無法克服的,因此實際應用時,建議用在氣窗上。楊文賢也指出,若是可以清楚看到戶外景象,表示所有的紫外線都照射進來,導光的效果便無法達成。

創新材料,提早一步研發

除了微結構的設計,導光板的材料也是研發關鍵之一,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,所以在材料的研發上,研發團隊早在計畫正式開跑的前一年即與大學教授合作,希望在材料上有所創新突破。

周大鑫說,「與大學合作開發材料,主要是可以加速計畫的研發腳步,而他們在材料的驗證、材料的密著、材料的本體開發上,也都提供許多實質協助,」開發出有機、無機複合的材料,符合導光板放置在戶外、對耐候條件的嚴格要求。

書光導板能增加30%至40%的日光照明,讓一般家庭年省3000餘元電費,更可營造舒適的視覺環境。
書光導板能增加30%至40%的日光照明,讓一般家庭年省3000餘元電費,更可營造舒適的視覺環境。

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。

機械所研發出的有機、無機複合材料有較佳的耐候品質,而在價格上也有相對的優勢,楊文賢說,塗料是玻璃的1.5至2倍價格。但是這樣的價格並不包含窗戶,若往後大量使用在建築上,價格仍稍嫌昂貴。周大鑫表示,導光板窗戶系統初期或許可以鎖定金字塔上方的市場,但是一旦產品推出,市場上就會有相仿、價格更低的產品出現,競爭優勢難以維持。由於考量到此點,在材料的量產技術方面,早與永光化學合作,而且每月定期開會,以期於材料的成本、效能上,尋求最佳的解決方案。

導光板功能,模型屋說明白

太陽光是變幻莫測,很難用言語或是圖像描述,而楊文賢對光的難以捉摸有更切身的體會,他說,「實驗室中,進行光行進方向的改造,很順利的照著步驟走;但是走出暗房之後,被人質疑:實驗結果是真的嗎?可以應用了嗎?其實,連我自己對實驗數據都不是很有信心。」

而當模型屋出現在眾人眼前時,所有的質疑都被打破了!周大鑫說,這個兩層樓的模型屋一擺在眼前,導光板的效果就不言而喻。

模型屋有上層、下層,像是放大版的芭比娃娃房屋,只是家具、擺飾走的是典雅古典風,但是讓人眼睛為之一亮的,並不是這些小巧可愛的家飾,而是兩個樓層成強烈對比的室內照明光線。上層的光線分佈均勻,室內充滿了和煦的燈光,讓人有滿室溫馨的感覺;下層的室外光線,則只照亮離窗邊不遠的區域,就像陽光射入屋子的情形一般,遠離窗邊的區域,就顯得幽暗。

對研究團隊而言,模型屋不只是道具而已,而是研發成果的體現。周大鑫說,模型屋是在奈米中心要赴東京參加奈米展的前一天,才完全製作完成,本來希望做得更輕巧,可以更輕鬆的提著走,但為了充分展現效果,還是決定採用ABS做為主要材料,所以有10公斤左右的重量。「模型屋的作用不錯,創意中心的同仁一看到它,馬上就找我們合作下一階段的導光膜(新型窗戶系統開發)計畫!」

窗戶系統為概念,領域更廣

導光板的研發團隊成員為4至5人,在2008年開始投入該計畫之前,他們主要是從事顯示器背光模組的研發,而在機械所的研發主軸定調為「節能」之後,為了符合所內的研發政策,轉向以生活應用有密切關聯的導光板的研發設計。周大鑫說,其實兩者的在導光原理、微結構概念可互為研發的參考,完成時也會覺得很有成就感,但最大的不同之處:導光板的成果是肉眼就看得到、親身感受得到,這是做背光模組時無法體會的。

導光板的計畫為期一年,接著的研發主軸以窗戶系統的開發為主;更與創意中心合作,由其負責室內照明設計的部分,將室外與室內照明系統串聯起來,朝綠建築領域邁進。周大鑫說,與創意中心合作的新型窗戶系統開發計畫,將於2009年年底的建材展中亮相,接下來就會往國外跑,參加國際性的展覽。

「導光板的研發,並不是我們首創,但是以窗戶系統為研發基礎,我們的產品是首例!」周大鑫不諱言,目前市面上已有導光膜的產品。因為朝窗戶系統發展,各種功能可以不斷的加在導光板上,例如隔熱,也可將研發領域延伸至百葉窗、窗簾、拼裝玻璃(可掩飾因微結構而使窗戶無法清楚看到戶外景觀的缺點),周大鑫說,隨著產品功能的多樣,導光板的研發領域是愈來愈廣!



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