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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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打造綠建築的5個關鍵技術

文/編輯部

大自然反撲的新聞歷歷在目,似乎意味著人類應重視自然環境的保護,節能環保可以從你我開始做起,而重視生態、節能減碳的綠建築議題,也成為現代人與自然共存的重要課題。

綠建築又稱為永續經營建築,與一般建築不同的是,綠建築注重建材的環保、建築的節能與室內的空氣品質等,也考慮對周遭環境的影響,在環保意識的覺醒下,綠建築逐漸成為建築新趨勢,政府也大力推動綠建築認證。

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

「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。

一般在PMMA或PC中加入粒子的擴散板,光徑只能傳導約10cm就會擴散殆盡,窗中央的陽光無法傳到邊框上;「我們的專利特色,是利用導光與光擴散的複合層結構,使陽光能集中傳導到邊框上的太陽電池,」黃贛麟指出,窗上大面積的光能被傳導聚到小面積的框上,因此框上太陽電池受的光照量,約有10至20倍的日照強度,「這樣才能達到維持窗的透光視野,與高發電效能的產出。」另外,也將奈米碳球(註)塗料塗布在太陽窗框上,幫助太陽電池散熱,以進一步提升發電性能。

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。

在未來電器產品耗電量逐漸降低的趨勢下,例如LED的使用,以及像都會區般大樓林立的狀況,就很適合「高透光太陽能窗發電模組」的發展應用,還有隔熱、防曬、防彈、防強風等功能;只需在原有的建築結構上加裝「高透光太陽能窗發電模組」,就可直接以USB插頭接在窗框上充電,或經由太陽能電池充電,提高自行供電的能力、減少電費支出,真正達到節能減碳的目的。

(註)奈米碳球:奈米碳球具有導電(抗靜電)、導熱與輻射冷卻效果,可應用於自然散熱、靜電消散、電磁屏蔽、自由基防護(防蝕)等。例如:將此應用於5W LED檯燈製品,LED溫度由65℃降至55℃,壽命可提升一倍且亮度增加20%。無風扇Heat Sink散熱模組,可運用於LED、PV、工業電腦、伺服器等產品,並達到具節能減碳的效果。

技術2:晝光導光板

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。

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。導光板窗戶系統初期或許可以鎖定金字塔頂端的市場,但一旦量產自然會出現有競爭優勢的價格。未來此技術可將研發領域延伸至百葉窗、窗簾、拼裝玻璃,隨著產品功能的多樣,導光板的研發領域將愈來愈廣。

技術3:Smart window(可調光液晶玻璃)

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。

金志龍指出,此技術可應用的範圍如下:

*室內隔間(會議室):辦公室玻璃隔間運用,會議室玻璃透明時可看到室外,不透明時可做為投影螢幕或白板使用。

*住宅:採光罩玻璃帷幕、客廳、浴室隔間,平時為毛玻璃不透明,隱私效果佳;通電轉透明,可大幅擴充視野及享受陽光的沐浴。

*戶外看板:可做大型廣告看板,白天展示商品,晚上不透明時變成投影螢幕,從背面投影,用電腦訊號控制,這是一般玻璃做不到的,利用這個技術,讓玻璃白天、晚上各有不同面貌。

*醫療機構:嬰兒房、加護病房之探視窗,取代窗簾,清理容易、杜絕灰塵、抗菌防污、降低噪音、隔絕紫外線;雙層夾膜膠合具有安全玻璃的效果,且可隔音抗噪。

*銀行、珠寶店、展覽業等櫃檯防彈玻璃及展櫃玻璃:正常工作狀態下為透明玻璃,遇到搶劫或停止工作時,可瞬間轉變成不透明玻璃,使罪犯失去目標,保障人身及財產安全。

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

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。

在節能減碳的趨勢下,「軟性電致變色製程」與「軟性節能膜技術」最直接的應用就是在建材與汽車產業。工研院南分院雷射應用中心軟電製程設備部鍾儀文指出,利用軟性節能膜可以明顯降低房屋室內的溫度,減少空調的使用,進而達到節能的目的;同樣地在車輛上,也可以和汽車天窗整合,以遮蔽陽光,減少實際的能源消耗,同時還兼具時尚感。

對於較大面積的電致變色需求,研發團隊則開發以小面積拼貼的方式來克服。例如針對大片的落地窗,只要該玻璃具有導電的功能以驅動節能膜變色,就能以塊狀拼貼來完成,實現隔熱節能的效果;這種方式還能同時解決大面積節能膜變色速度較慢,以及內外顏色不均勻的缺點,而且不論是安裝或更換起來也較為方便。如果未來能有效地產品化、導入市場,甚至在居家修繕的材料用品店裡就可買到,讓消費者有更多的DIY選擇。

技術5:REDDEX

每當電視新聞播放令人怵目驚心的火災畫面,總是讓觀眾捏把冷汗,深怕有人受傷;如果有一種防火材料,可以延長逃生時間,將傷害降至最低,將可以讓我們的生命財產安全更有保障。

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。

REDDEX最大的優勢是「軟」和「薄」,此特性可能適用於各種需要防火的材料上,舉凡裝潢、家具、鋼構、發泡材等都需用到防火材料。因此使用的範圍不限於房屋,包含對安全防護要求等級極高的飛機、船艦等,若能大幅採用REDDEX做為防火材料,市場規模將極為驚人。而且在此新一代防火材料問世之後,更可敦促各國政府提升建物及交通載具之防火標準,對民眾生命財產提供更進一步的保障。



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