相變材料與建築節能 (Phase-Change Material and Structural Energy Saving)

相變材料與建築節能(Phase-Change Material and Structural Energy Saving)
國立臺灣大學土木工程學研究所鄭凱翔

由於科技與工業發展日新月異，大量商品的生產、人類生活品質提高、物質需求增加，導致資源與能源快速消耗，使得各種資源日益枯竭。尤其建築物為世界上最大能源消耗者之一，其消耗的能源佔全世界總消耗能源的 $$25\%$$ 到 $$33\%$$。而一般建築的日常耗能，空調佔很大比例，以夏季的耗電量而言，空調用電比例約佔 $$40\%$$～$$50\%$$。

為了降低建築耗能，建築材料的選擇亦是關鍵。「相變材料」即是一種藉由潛熱的吸收、釋放來延緩溫度上升、下降的物質。相變材料與建築物外殼結合，當日間陽光照射使建築物溫度升高時，相變材料會吸收熱量進而從固態熔解成液態，延緩熱量進入室內的速度。如此溫度上升緩慢，降低空調的負荷，便能達到節約能源的效果。

相變過程即是物質由一個相態轉變成另一個相態，在自然界一般有三種狀態，固態、液態、氣態。熱能透過物質的「顯熱」和「潛熱」儲存；「顯熱」指物質透過比熱影響溫度變化所吸收、釋放的熱；「比熱」是指任何物體溫度上升一度所需的熱量，或下降一度所放出的熱量。「潛熱」則是在固定溫度下所吸收、釋放的熱。潛熱階段之所以會使溫度固定但熱量持續吸收、釋放的原因在於相態變化時，物質需要吸收或釋放能量來打斷或形成分子鍵結。圖1 為水溫度變化，其中 $$ab$$ 段為顯熱、$$bc$$ 段為潛熱。

圖1 水溫度變化

相變過程又可分為固-液相變、液-氣相變及固-氣相變三類。三種相變狀況下，固-氣相變雖然潛熱大，但能夠在特定溫度範圍下吸收或釋放更多能量，但是相態變化前後體積變化過大以及氣體產生之不易保存，應用價值大大降低。使得固-液相變潛熱雖為三類狀況中最小，但此過程卻常被拿來應用。

相變材料藉由潛熱來吸收、釋放熱能，具有儲能及控溫的能力，任何需要控溫效果之產品皆能利用相變材料達到目的，使得應用範圍廣闊。在服飾應用上，添加相變材料的衣服，會降低受環境或體溫變化的影響，使人體感受較為舒適；醫學上，血液的保存需要維持在較低的溫度，因此可利用相變材料包覆在容器周圍，當環境溫度上升時能吸收熱量，保持溫度的固定；而在建築領域的應用上，相變材料與建築外殼的結合，讓白天溫度過高時，相變材料利用潛熱吸收熱量使高溫降低，並於夜晚時再釋放熱能，如此可降低室外溫度和熱流波動對建築物室內溫度的影響，將室內溫度控制在舒適的範圍內。

相變材料與我們生活息息相關，也許留心觀察能發現許多相變材料的痕跡隱藏在我們舒適的生活當中喔！

參考文獻：

1. 李明豪(2013)，相變混凝土之物理性質與應用於建築資訊模擬效應分析，台灣大學，台北市
2. 羅宜筠(2013)，複合相變材料牆板系統設計之數值模擬分析，台灣大學，台北市
3. 林奕錕(2012)，相變材料砂漿與RPC之熱學性質研究與數值模擬分析，台灣大學，台北市
4. 陳景渟(2012)，相變材料用於混凝土中之力學及熱學行為，台灣大學，台北市
5. 陳柏寰(2013)，複合相變混凝土牆板熱學性質與數值模擬研究，台灣大學，台北市
6. 郭昭儀(2011)，相變材料性能及應用於節能建材之研究，台灣大學，台北市
7. 互動百科，相變蓄能材料(http://www.baike.com/wiki/%E7%9B%B8%E5%8F%98%E8%93%84%E8%83%BD%E6%9D%90%E6%96%99)
8. 能源資訊網，應用相變材料(Phase Change Materials)於儲熱技術上( 7%89%E7%94%A8%E7%9B%B8%E8%AE%8A%E6%9D%90%E6%96%99(Phase%20Change%20Materials)%E6%96%BC%E5%84%B2%E7%86%B1%E6%8A%80%E8%A1%93%E4%B8%8A.pdf )