TWI427209B - 一種具有良好吸收輻射熱能力的建築構件及一種冷卻整個房屋環境的良好方法 - Google Patents

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Description

一種具有良好吸收輻射熱能力的建築構件及一種冷卻整個房屋環境 的良好方法
本發明係有關一種具有良好吸收輻射熱能力的建築構件及一種藉改進整個房屋環境之自然通風(natural ventilation)以冷卻整個房屋環境的良好方法。
在熱帶國家，例如新加坡和馬來西亞，在避免依賴電力能源消耗的情況下，利用建築技術，特別是達成持久的環境，以改進建築物相對於當地氣候狀況(條件)的熱運作(thermal performance)以造成屋內舒適的室溫是有必要的。對開發中國家而言，由於工業快速發展，致能源也預期會加速消耗，因此也已成為一個十分緊急的課題。
又以本案之創作背景而論，一建築物之熱量(熱能)的進入及排出是透過房頂、牆、窗戶和地板，因此內部牆、門和各個房間(空間)的安排(佈置)會影響一房屋內部熱的分配。而這些建築構件，即房頂、牆、窗戶及地板，集體通稱為建築外封體(building envelope)；而建築外封(envelope)之設計是包含建築形式與材料形成一完整系統之一體式設計，藉以達成最佳之舒適度和能量節省。應該注意的是良好的建築外封體(building envelope)之設計可對氣候和建築地點(場所)等狀況(條件)作出回應，藉以可優質化或最佳化其熱運作(thermal performance)，而且能夠降低操作費用，改進舒適度和生活模式及將環境損害減至最少。
一個可供人類居住之舒適的室內環境其周遭(環境)溫度應該是在21℃至24℃之範圍中的一個溫度為最適宜，雖然周遭(環境)溫度在20℃至26℃也可接受的。而空氣的溼度應該是在40%至60%之範圍中為最適宜。研究顯示新鮮空氣比率更適宜應該是每人每秒10升(L/S)或者是對於機械式通風系統10m2(平方公尺)為最適宜。房屋內最佳的空氣運動(流動)應該是0.1m/s至0.1m/s(針對一個自然地通風的環境)及0.1m/s至0.2m/s(針對一個空氣調節的環境)為最適宜。而房屋內空氣的運動(流動)也至關重要因空氣的運動(流動)可防止空氣停滯。又空氣品質，其以陰離子和正離子的比例作為量測，也是一個舒適室內環境的另一個重要的評斷因素。
室內環境空氣污染物(air pollutants)也應該保持至最少量以使人體舒適，此乃因為暴露在室內空氣污染物中對人體健康會造成明顯的危險。暴露在室內空氣污染物與一範圍之人體健康問題，例如頭痛、疲勞、咳嗽、流感症狀、眩暈以及眼睛、鼻子、咽喉和皮膚的過敏發炎，已有連帶的關係。新鮮空氣交換或流通是好的室內空氣品質之基石，並且空氣對人們的日常生活而言一個重要的元素，因為普通人每日消耗近1公斤的食物，2公斤的水和20公斤的空氣。
研究巳顯示在馬來西亞的舒適室內環境溫度應該處於25.5℃至28℃的範圍。空氣的溼度應該處於40%至60%的範圍為最適宜而最佳空氣運動(流動)應該是0.3m/s至 0.5m/s為最適宜(針對一個自然地通風的環境)。雖然，應該注意的是對一個可感覺之舒適的變動是隨不同年齡層，不同種族，不同文化和不同的國家而變化。
為了達到一舒適的室內氣候，應該注意的是有建築架構和機械的方法；前者方法稱作"被動設計(passive design)"，其係聚焦於當地氣侯狀況(條件)以利用自然能源例如陽光、溫度起伏、自然風和地面溫度的一個建築架構設計技術；而後者方法是依賴加熱及/或冷卻系統及空氣調節機。在熱帶國家中，當對冷卻系統或空氣調節器的倚賴性增加時，相對增加對將來全球環境問題的煩惱，並且能源可能逐漸耗盡，使被動設計(passive design)之發展的重要性成為必要，尤其是在被動冷卻(passive cooling)技術中。當與冷卻室內環境的機械方法比較，被動設計的其他優點是溫室氣體排放物減少和電費帳單減少，導致使用非可再生自然資源的減少利用。
一個如此存在的被動冷卻(passive cooling)技術是依靠在家庭住宅中複數“供應空氣(supply air)”窗戶與複數被動堆排氣孔(stack vents)的結合；一“供應空氣”窗戶具有在窗戶的外部框架和內部框架上具有一排氣孔(vent)(也叫作被動堆排氣孔passive stack vent)。由於在被動堆排氣孔內因機械式空氣吸力而引起的壓力落差(pressure drop)，以從廚房和洗澡間(其內安裝有“供應空氣”窗戶)抽取空氣；“供應空氣”窗戶可以是雙層或三層上釉(double or triple-glazed)但依靠一穩定的氣流經過窗戶，其可以很有效地獲取從房間逃出的熱能並及送到被動堆排氣孔(passive stack vents)在內部框架的頂部的空間，如預暖的通風(pre-warmed ventilation)。在已大量除去傳導熱損失 之下，另一個主要熱損失機構是從內面到外面經過窗戶窗玻璃的輻射，並且其可藉由在朝向進入空氣流動的內部窗玻璃的表面上設置一極低輻射(low-Emittance，low-E)之被覆層(一超薄透明的金屬薄層以增進熱絕緣)而反向進行。概述之，藉由被動堆排氣孔(passive stack vents)之熱消散及藉由窗玻璃上低輻射(low-Emittance，low-E)被覆層之輻射吸收，使內部室溫降低。
利用被動冷卻(passive cooling)技術的通風系統可減少家庭的加熱需要、礦物燃料和主要的能量消耗，及因而產生之二氧化碳排放物。由已作過的測驗証明一“供應空氣(supply air)”窗戶合併恰好2個窗玻璃和一個低輻射(low-E)被覆層能夠達到0.8W/m2k的值(U-value)，其與2.0W/m2k比較當其以相同的設計利用於非通風的、傳統的模式，也就是未設被動堆排氣孔(passive stack vents)。
本發明主要目的乃在於提供一種具有良好吸收輻射熱能力的建築構件，其係一磚塊構件，包含一延伸穿過之室腔，該室腔具有一橫斷面區域(cross sectional area)，該橫斷面區域具有一第一部分在其一端及一第二部分在其另一端，其中該第一部分小於第二部分，且其中該第一部分與第二部分是相連成一體的(integral)。
本發明再一目的乃在於提供一種冷卻整個房屋環境的良好方法，該房屋具有一牆壁，該方法包含以至少一個磚塊構件來構築該牆壁，其中該磚塊構件之第一部分係面對一輻射來源。
本發明的其他目的和優點，依從以下配合圖式之描述而可使本發明更加明確詳實，其中為舉例說明，乃揭示一較佳實施例。
為使本發明更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列圖示，將本發明之結構及其技術特徵詳述如後：下列描述所揭示之實施例和例子應該看作本發明之範例，而非用來界定本發明設備(裝置)和方法的局限性。
參考圖1所示，其係本發明之磚塊構件一實施例之透視圖，本發明之一磚塊構件如圖1所示之磚塊1，包含一延伸穿過之室腔2，其中，在其他實施例中該室腔2可為一個以上。
該磚塊1具有一實體上矩形之橫斷面(cross sectional)的外形及一具有橫斷面區域(cross sectional area)之室腔2，該橫斷面區域具有一第一部分(first portion)在其一端及一第二部分(second portion)在其另一端，其中該第一部分小於第二部分；又該第一部分及第二部分是相連成一體的(integral)如圖1所示；然而可以看到該第一部分及第二部分是明顯不同的，但相互之間形成緊密相連關係；如圖1所示，室腔2具有一實體上三角形外形2a在其一端及一實體上矩形之橫斷面(cross sectional)的外形2b在其另一端，而該二個橫斷面外形2a、2b各具有一專有的深度如圖1所示；又磚塊1及室腔2之斷面的外形不限制為如圖1所示的外形。
在圖2所示另一個實施例中，該磚塊1包含一延伸穿 過之室腔2；該磚塊1具有一實體上矩形之橫斷面(cross sectional)的外形1a；如圖2所示，室腔2具有一實體上三角形之橫斷面的外形2c在室腔2之一端或第一部分及一實體上矩形之橫斷面(cross sectional)的外形2d在室腔2之另一端或第二部分。
在圖3所示又一個實施例中，該磚塊1可具有一實體上三角形之橫斷面(cross sectional)的外形1b且由其三角形之外形1b之一頂點延伸一個六角形之橫斷面的外形1c；該磚塊1包含一個延伸穿過之室腔2；如圖3所示，該室腔2可具有一實體上三角形之橫斷面的外形2e在室腔2之兩端，也就是在室腔2之第一及第二部分。
在如圖4所示一個實施例中，在使用時，該磚塊1(類似於圖1所示之磚塊)所佈設的位置係使其室腔2之三角形外形2a的其中一頂點面對輻射來源10例如太陽；該等磚塊1可以邊對邊排列如圖4所示之安排3a；在安排3b中，一緩衝用磚塊(buffer brick)4可以佈置在該等磚塊1(類似於圖3所示之磚塊)之間；如圖4所示，該緩衝用磚塊4可以具有一實體上三角形橫斷面(cross sectional)的外形4a但未設有延伸穿過之室腔2；可以理解的是複數磚塊的安排並不是限制於如上述所示的安排3a和3b，只要該安排中磚塊的排列能使其第一部分是直接向輻射來源，而且第二部分是直接遠離輻射來源。
如圖4所示，複數的安排3a、3b可以一個堆在另一個上以形成房屋的牆壁(如圖6所示)；由此推論之，該等磚塊1之該等室腔2形成一垂直的空氣柱6c如圖6所示；應該注意的是由於該磚塊1之三角形的外形2a、2e的頂點面對輻射來源10例如太陽，該三角形的外形2a、2e使表面面積對體積的比例(surface area to volume ratio)減 到最少。進一步，透過將表面面積對單元關係減到最少使其高傳導性外封構件(envelope elements)的相對面積也減少；由此推論之，透過該等磚塊的熱傳輸速度(比率)也減少。熱傳導方程式為k=Q．t/A．△T，其中，熱傳導係數(k)定義為在穩定條件下經過單位面積的熱流動時間比率(the time rate of heat flow through unit area)，每單位溫度坡度(傾斜度)向各個垂直於表面積之方向，Q=瓦特，t=厚度，A=面積及△T=(Ta-Td)是需要作為導熱的溫度坡度。
當房屋牆壁的內側和外側之間有一溫度差時，熱能將流過牆壁以使牆壁的兩側達到熱平衡；當牆壁的內、外兩側保持在兩個不同及一定(不變)的溫度時，透過牆壁的熱流動速度(比率)將保持一定，此這也被稱為穩定狀態條件，其將於圖6中再作更多說明。
參考圖5所示一實施例，在使用時，該磚塊1(類似於圖2所示之磚塊)被佈置的位置係使其室腔2之三角形形狀2c的其中一頂點面對輻射來源10例如太陽；該等磚塊1可以邊對邊排列如圖4所示之安排3c；在安排3d中，一未設有穿過之室腔2的緩衝用磚塊(buffer brick)4可以佈置在該等磚塊1(類似於圖3所示之磚塊)之間；如圖5所示，該緩衝用磚塊4可以具有一實體上三角形橫斷面(cross sectional)的外形4a。
如圖5所示，複數的安排3c、3d可以一個堆在另一個上以形成房屋的牆壁(如圖6所示)；由此推論之，該等磚塊1之該等室腔2形成一垂直的空氣柱6c如圖6所示；應該注意的是由於該磚塊1之三角形的外形2c、2d的頂點面對輻射來源10例如太陽，該三角形的外形2c、2d使表面面積對體積的比例(surface area to volume ratio)減 到最少。當房屋牆壁的內側和外側之間有一溫度差時，熱能將流過牆壁以使牆壁的二側達到熱平衡；當牆壁的內、外二側保持在兩個不同及一定(不變)的溫度時，透過牆的熱流動速度(比率)將保持一定，此這也被稱為穩定狀態條件，其將於圖6中再作更多說明。
圖6說明透過利用該等磚塊1構築房屋5的牆壁6以冷卻一個典型之整個房屋環境的一個方法。如圖6所示，本實施例中房屋5包含一面牆壁6；牆壁6可以進一步包含內支柱6a和一外支柱6b，其各可利用任何之安排3a、3b、3c、3d形成；該內支柱6a和一外支柱6b分開排置，其間並且有一空氣柱6c；如之前圖5及圖6所示，當複數之安排3a、3b互相堆置以形成牆壁時，安排中該等磚塊1之該等室腔2可形成一垂直的空氣柱6c。
一孔口7可以引用設在一位置8a，其係位於一頂段處並穿透過內支柱6a和外支柱6b，及另一個孔口7可以引用設在一位置8b，其係位於底段處並穿透過內支柱6a和外支柱6b；又可提供一孔口7設在內支柱6a上一較高位置8c，及另一個孔口7可以引用設在內支柱6a上一較低位置8d。
空氣柱6c可以由位於位置8c、8d處之孔口7抽出在房屋5a內的較涼(冷)的空氣，以達到一個比該等磚塊外側溫度較低之一定(不變)的溫度；如此，該空氣柱6c可充當一個空氣遮簾以從房屋5a內供給經常(不變)更冷的空氣藉以保持穩定狀態條件。
當在該安排中且當輻射來源存在時，由於熱能輻射穿過牆壁6，房屋5a內靠近牆壁6的空氣溫度會增高，雖然由於之前所解釋的磚塊1，熱能會有一減少量；一般通知空氣的運動是由於在不同的溫度下空氣壓力及密度的差別 所致；因此，房屋5a內靠近空氣柱6c變得更不密(密度變小)致使該空氣上升並由位於位置8a之孔口7逃出；更冷的大量空氣則藉由位於被遮蔽且不面對輻射來源的位置8e的孔口7進入房屋；該冷空氣從而驅動向上升的較暖空氣；換言之，藉由熱力(thermal force)或熱浮力(thermal buoyancy)作用，較暖空氣被趕向上並由位於位置8a之孔口7向外排出房屋5；如此的現象也是眾所皆知的煙囪效應或堆孔(stack)的影響；如此，煙囪(chimney)效應或堆孔(stack)的影響可促成房屋5內之空氣通風，也就是從房屋的一端到另一端；如此之通風是眾所皆知的橫切通風或自然的通風。
可以瞭解到利用其他實施例中該等磚塊1可能存在其他類型之房屋牆壁結構，例如，完全以該等磚塊1來構築房屋的牆壁(圖未顯示)。
在實施例中，該等磚塊及孔口可以定向(oriented)以對冷卻的微風作最大暴露；可減少氣流路徑上的阻礙以增進自然通風；可以提供風扇以改進通風及在欠微風時之空氣流動；可以提供地面地區佈置以充分增進白天活動和睡覺的舒適度；可以提供適當的窗戶和玻璃以使不需要的熱能吸收減到最少及充分發揮通風效果；適當絕緣效果也可以有一足夠的水準；也可以提供有效的遮蔽；也可利用淡色的房頂和牆壁以反射更多的太陽輻射並因此減少熱能吸收。
在其他實施例中，可以設計沒有障礙的橫斷面通風路徑；在所有房間的天花板層處可以利用交織之通道(spinnaways)、遮蔽的開口通風窗(clerestorey)或脊狀排氣孔(ridge vents)以提供熱空氣通風；房屋周遭的戶外地區可以藉播種植物來遮蔽並且架構也可以被遮 蔽以降低地面溫度；絕緣辦法，例如先進的絕緣系統和反射的空氣空間，可以用來在白天減少熱能吸收至最少及在夜裡充分發揮熱能之流失；也可使用具有最大開口範圍的窗戶(百葉窗或對開窗)但最好避免固定式玻璃面板；天花板式風扇可以涵蓋在內以在靜止期間引起空氣運動；具有精明開關的“房屋整個式”風扇可用來在沒有微風吹拂時的夜間將外面較冷空氣吸進房屋內；種植設計可用來穿越冷卻的微風並過濾強風。
本發明者發現上述已提供一種可冷卻整個房屋環境的改進方法及能夠減少室內空氣污染；尤其是，具有良好吸收輻射能力的該等磚塊是作為構築房屋或者建築物之架構的部分；該等磚塊吸收從太陽來的輻射並且使房屋內部整個環境以新鮮和較涼的空氣保持通風；因為該等磚塊是形成房屋或建築物之架構的部分，房屋或建築物在任何時刻考中與新鮮和較涼的空氣保持通風，而不必支付任何能源費用；與現存的被動冷卻技術比較，需要的保養是微不足道(可忽視的)；進一步，更少礦物燃料被消耗並且因此有更少污染。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅是說明性的，而非限制性的；本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發明的保護範圍內。
1‧‧‧磚塊
1a、1b、1c‧‧‧外形
2‧‧‧室腔
2a、2b、2c、2d、2e‧‧‧外形
3a、3b、3c、3d‧‧‧安排
4‧‧‧緩衝用磚塊(buffer brick)
4a‧‧‧外形
5、5a‧‧‧房屋
6‧‧‧牆壁
6a‧‧‧內支柱
6b‧‧‧外支柱
6c‧‧‧空氣柱
7‧‧‧孔口
8a、8b、8c、8d、8e‧‧‧位置
10‧‧‧輻射來源
圖1：係本發明一實施例之磚塊構件透視圖。
圖2、3：分別係本發明另一實施例之磚塊構件透視圖。
圖4：係本發明之磚塊構件的安排一實施例圖。
圖5：係本發明之磚塊構件的安排另一實施例圖。
圖6：係本發明這十字形的視力圖，為典型的房屋牆的磚元素構造
1‧‧‧磚塊
2‧‧‧室腔
2a、2b、2e‧‧‧外形
3a、3b‧‧‧安排
4‧‧‧緩衝用磚塊(buffer brick)
4a‧‧‧外形
10‧‧‧輻射來源

Claims (9)

  1. 一種具有良好吸收輻射熱能力的建築構件，其係一磚塊構件(brick element)，供設置在一建築物之一牆壁中，包含一延伸穿過之室腔，該室腔具有一橫斷面區域，該橫斷面區域具有一第一部分在其一端及一第二部分在其另一端；其中該第一部分具有一實體上三角形之橫斷面形狀，該三角形之橫斷面形狀之一頂點係佈置為朝向建築物之牆壁的外側，其中該第一部分小於第二部分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之建築構件，其中該第二部分具有一實體上矩形之橫斷面形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之建築構件，其中該第二部分具有一實體上三角形之橫斷面形狀。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之建築構件，其中該磚塊構件係由高密度材料製成。
  5. 如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之建築構件，其中該磚塊構件具有一實體上矩形之橫斷面形狀。
  6. 一種具有良好吸收輻射熱能力的建築構件，其係一磚塊構件，供設置在一建築物之一牆壁中，包含一延伸穿過之室腔，該室腔具有一橫斷面區域，該橫斷面區域具有一第一部分在其一端及一第二部分在其另一端；其中該第一部分及該第二部分具有一實體上三角形之橫斷面形狀，該三角形之橫斷面形狀之一頂點係佈置為朝向建築物之牆壁的外側；其中該磚塊構件具有一實體上三角形之橫斷面形狀其具有一由該磚塊構件之三角形之橫斷面形狀之一頂點延伸之實體上六角形之橫斷面形狀。
  7. 一種冷卻房屋內部環境的方法，該房屋具有一牆壁，該方法包含以複數個如申請專利範圍第1項所述之建築構 件來構築該牆壁。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該牆壁包含一內支柱及一外支柱其為間隔分開的且具有一由複數個磚塊構件之該室腔形成之空氣柱，該外支柱為面向該牆壁的外側。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中在該內支柱和外支柱之上方一位置處可引用設有一第一孔口，在該內支柱和外支柱之下方一位置處可引用設有一第二孔口，在該內支柱上一較高位置可引用設有一第三孔口，及在該內支柱上一較低位置可引用設有一第四孔口。
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