工研院電子報----隔熱材料分析

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工 研 院 電 子 報
2011年3月11日，日本發生規模9.0強震引發福島電廠的核災事件，引發社會大眾重新考慮其他發電的方法，但無論是何種選項都無疑會造成電費的上漲，在這樣的社會背景之下，節能減碳的落實似乎更顯急迫，台灣位處亞熱帶地區，夏季建築物空調用電消耗相當可觀的能源。根據台電統計顯示，我國住宅及商業用電所消耗電力占總用電的30% ，是非工業生產最重要的耗能，而其中空調系統用電量更占建物總用電量的43%，因此減少空調用電是節能的首要目標。
建築物內部熱能的產生分為外來熱源與室內熱源，根據美國能源部公布的資料顯示：室內熱源僅占27%，由此可知，大部分的熱量皆透過外界進入，而外部熱源又細分為三種，分別是窗戶進入的輻射熱32%，經由透氣通風進入的對流熱16%，以及太陽加熱外牆後，經由屋頂、外牆所傳入的傳導熱24% 。由此不難看出，若能加強建築物外殼的隔熱性，多使用隔熱建材，可大幅降低熱能的進入，最後達成降低空調耗電、節能減碳的目的。

保溫隔熱材料簡介
隔熱建材多半由保溫材料搭配其他面材組合而成，保溫材料一般具有質輕、疏鬆、多孔、熱傳導係數小等特點，熱傳導係數一般低於0.14 W/mK即可稱為保溫材料，且大部分為孔隙型阻隔材料。孔隙型材料利用其中的空氣或惰性氣體的低熱傳導係數（空氣的熱傳導係數為0.0257 W/mK），導致熱量難以傳導而達到保溫效果，常見的材料如泡沫材料、纖維材料。保溫材料依其材料可分為兩大類：
1.        有機類保溫材料：此類材料有發泡聚苯乙烯板(EPS)、擠塑聚苯乙烯板(XPS)、噴塗聚氨酯(PU)等，具有質輕、可加工性好、緻密性高、保溫隔熱效果好等優點。缺點則是不耐老化、變形係數大、熱穩定性差、安全性差、易燃燒、生態環保性差、工程設備成本高、資源難以再重複利用。
2.        無機類保溫材料：此類材料有中空玻璃化微珠、膨脹珍珠岩、閉孔珍珠岩、岩棉等。無機保溫材料的密度一般較高，保溫隔熱效率稍差且較容易吸水，但此類材料具有防火阻燃、變形係數小、抗老化、性能穩定、施工難度小、回收性佳等特點。要判斷保溫材料的性能，可參考的指標主要有熱傳導係數(W/mK)、密度(g/cm3)、最高使用溫度(°C)、抗壓強度(MPa)、抗折強度(MPa)、含水率(%)等，分別說明如下：
•        熱傳導係數：熱傳導係數反應材料的導熱能力，其與材料的溫度、密度、含水率、內部結構息息相關，其值越高，表示傳熱能力越強，其值愈低則愈適合做隔熱材料，常用材料的熱傳導係數列於表一。
表一　常用材料之K值


•        密度：指的是單位體積上的重量，當應用在建築材料中，為了節省成本、提升保溫效果並減少建築物負重，一般會採用密度較低的隔熱材料。有機類隔熱材料如EPS、XPS、PU的密度約在0.02~0.04 g/cm3左右，無機類隔熱材料如玻璃棉、岩棉的密度則約在0.04~0.18 g/cm3 左右。
•        最高使用溫度：保溫材料在長期安全可靠的工作下可承受的極限溫度。一般而言，無機材料的耐熱溫度較高。
•        抗壓強度：指材料受到壓縮力作用而破壞時，每單位橫截面上承受的最大壓力。
•        抗折強度：指材料受到彎曲負荷作用而破壞時，單位面積上所承受的
力偶矩。
•        含水率：是保溫材料吸收水的性質，其值愈高，材料熱傳導係數隨之升高（水的熱傳導係數0.6/mK），嚴重破壞保溫效果。一般而言，有機材料的含水率較低。
目前常用的保溫材料在應用上都存在著不同程度的缺陷：(1)矽酸鈣在含濕氣狀態下，易存在腐蝕性的氧化鈣，並由於長時間內保有水分，不易在低溫環境下使用；(2)玻璃纖維易吸收水分，不適用於低溫環境，也不能在540°C 以上的溫度使用；(3)礦物棉同樣具有吸水性，不宜用於低溫環境，但可用於高溫環境下；(4)聚氨酯泡沫與聚苯乙烯泡沫不宜用於高溫下，且易燃、收縮、產生毒氣；(5)泡沫玻璃則不適用於溫度急劇變化的狀態，所以保溫材料仍有很多研發上的切入點。

各國政策與保溫材料發展方向
目前中國大陸所使用的保溫材料大多以XPS及EPS為主，由於大量生產，價格上已經低於無機材料，市場占有率大於60%，此材料的施工方法是將保溫材料施作於建築物外側，再於表面抹上一層薄抹灰，厚度約2~4毫米，然而由於其長期受風吹雨淋容易脫落裂開，一旦發生火災非常危險，2009年中國大陸中央電視台由於燃放煙火時，火花落於外牆上，引燃保溫材料而導致大火燃燒6小時以上，造成重大的災害。有鑒於火災事故頻傳，中國大陸當局也日益重視隔熱保溫建材的安全問題，並在2006年重新制定《建築材料及製品燃燒性能分級》也就是GB8624-2006，其中將燃燒性能分為A1、A2、B、C…等7個等級，並在2009年由公安部與住建部發布《民用建築外保溫系統及外牆裝飾防火暫行規定》46號文中，要求部分較高樓層的建築材料必須使用A級材料，而XPS與EPS本身僅能達到B級燃燒水平，由此可見這類有機保溫材料在中國大陸市場正逐漸式微。其實不僅中國大陸如此，世界各國的趨勢也相同，美國早已有20多個州禁止使用發泡聚苯乙烯板(EPS)；在英國，凡建築物超過18米以上就不能採用EPS抹薄灰的外牆保溫系統；德國也規定22米以上建築物不許使用該系統。許多保險公司禁止給EPS保溫的建築進行保險。日本政府方面，將耐熱性好、燃燒發煙量低的酚醛泡沫做為公共建築的標準耐燃物，燃燒性能低於酚醛泡沫的都不允許在公共建築上使用。目前在國際市場廣泛採用岩棉和玻璃棉做為保溫材料，然而岩棉的熱傳導係數約0.04~0.06 W/mK，相較於PU保溫材料熱傳導係數約0.03 W/mK以下仍有一定差距。此外，其較易吸水的特性會使保溫效果下降、使用壽命減短。由此可見，目前在各國市場方面，皆欠缺兼具低熱傳導係數(0.03W/mK)與防火等級A 級(GB8624-2006)以上的產品。