TW201425701A - 混凝土建構物之煙囪散熱結構 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種混凝土建構物之煙囪散熱結構，其係於一混凝土建構物中設有至少一主要沿鉛直線方向設置之散熱通道，且該散熱通道於混凝土建構物表面形成一第一開口及一第二開口，該第一開口之設置高度係高於該第二開口；其中，該第一開口之截面積係大於第二開口，使該散熱通道由第一開口往第二開口方向形成截面積漸縮者。藉此，當外部空氣溫度下降而使混凝土建構物溫度較高時，外部空氣可自動由第一開口往第二開口方向發生沉降流動，俾利外部低溫空氣於混凝土建構物內部之散熱通道產生散熱氣流，以達到自動降低混凝土建構物溫度、減少室內降溫耗能之目的。

Description

混凝土建構物之煙囪散熱結構

本發明係與一種用於混凝土建構物，如混凝土外牆、牆體、橋樑等建構物之自動散熱結構有關。

氣候變遷、永續與節能是近年來很重要的議題，在全球的政府、產業與學術界皆受到極大的重視。本研究著重在節能的議題上，特別是針對建築物外牆混凝土材質容易蓄積大量熱源的問題改善上。根據空調冷房負荷計算研究，太陽輻射經外殼壁體及窗戶進入的熱量，佔建築物冷房負荷約30%以上(ChouD C, Chiou J J. A Study on the Insulation Performance of a Double Skin RoofInduced by Natural Ventilation. Journal of Architecture, 2007, 59:79-92.)，Lin(2007)認為建築節能比其他產業的節能對策更形重要，其原因是因為建築使用壽命遠比其他工業產品長(Lin,H.T. Energy Efficiency Design of Building Envelopes and Strategies for ReducingCO₂Emission; Ministry of the Interior: Taipei, Taiwan, 2007.)。台灣位於熱帶、亞熱帶氣候交會處，夏季日射量特別強烈，不良的熱能儲存是一個關鍵問題。然而，鋼筋混凝土(ReinforcedConcrete, RC)結構型式的建築物，其儲存熱能的時間超過了正常的晝夜週期(日出到日落)，在夜間大氣輻射冷卻時仍來不及化解混凝土建構物所吸收的熱能。因此，空調系統需要消耗大量的能量，才能維持室內的舒適條件，導致大量的能源成本支出。目前台灣建築物中，有77.6﹪的結構形式為鋼筋混凝土構造，因此如能將混凝土外牆降溫的速度加快，將有助於降低空調能源的耗用需求，間接達到建築物省能的效益。再者，一般暴露於大氣環境中之混凝土建構物如擋土牆、橋樑等，若長期處在不良的熱能儲存狀態下，與大氣環境溫差過大易有加速混凝土劣化減損使用壽命之問題。

現行應用煙囪理論於建築物空間散熱之研究，多著墨於建築物加裝煙囪設施，藉以提升建築室內浮力通風效率達到室內降溫之動作，Wang(2009)透過軟體模擬以有限體積法，評估建築物於加裝Solar Chimney與TrombeWall後，對於一棟三層樓自然通風設計建築通風效率的影響，結果顯示室內通風的能量來源主要由牆壁對於太陽輻射吸收的熱能，熱能傳導至室內居住空間，導致產生浮力效應帶動室內空氣流通，而且不同太陽入射角度也會對室內溫度有所影響(WangJ Y. A Study on Applying Solar Chimney and Trombe Wall to a Building of NaturalVentilation. Mater Thesis. Taipei: National Taiwan University of Science andTechnology 2009)，Miyazaki,T(2006)則同樣採用軟體模擬方式，以日本東京地區的辦公空間為藍圖，以ComputationalFluid Dynamics (CFD)軟體評估太陽能煙囪的建築熱性能分析與空調負載狀況，結果同樣顯示煙囪可以有效降低空調系統負荷，達到改善室內環境通風效益(MiyazakiT, Akisawa A, Kashiwagi T. The effects of solar chimneys on thermal loadmitigation of office buildings under the Japanese climate. Renewable Energy,2006, 31(7): 987-1010)，Bassiouny,Ramadan et al., (2009)的研究更進一步發現，在透過太陽能煙囪改善室內通風的過程中，發現煙囪的開口與寬度會影響其通風效果，顯見煙囪的尺寸(截面積比率、高度)與空氣之溫度與流速相關(BassiounyR, Korah N S A. Effect of solar chimney inclination angle on space flow patternand ventilation rate. Energy and Buildings, 2009, 41(2): 190-196.)。由前述研究可看出，應用煙囪理論確實可有效降低室內空間熱負荷並增加空氣流動率，因此本研究就嘗試將微型煙囪崁入仿混凝土外牆模型方式，希望以讓混凝土外牆內通過微型煙囪來達到空氣循環，以氣冷之方式達成降溫之效果。

而關於混凝土外牆設置微型煙囪降溫之專利，如中華民國專利發明第096775號、第I347391號及第M324087號，其所設置之煙囪或通道大多為直管狀，在本案後續之研究中，發現直管狀之散熱效果有限，因此有待進一步之改良。再者，除第M324087號專利之煙囪體積較小外，其餘煙囪體積佔牆體體積之大部份，對於混凝土外牆之強度及承重能力較有疑慮。

本案提出一種混凝土建構物之煙囪散熱結構的方案，該方案具有可自動散熱降低混凝土建構物溫度、減少室內降溫耗能之優點，以及防止混凝土建構物不良熱能儲存，延長混凝土建構物使用壽命。

本發明提供一種混凝土建構物之煙囪散熱結構，其係於一混凝土建構物中設有至少一散熱通道，該散熱通道軸心係主要沿鉛直線方向設置，且該散熱通道於混凝土建構物表面形成一第一開口及一第二開口，該第一開口之設置高度係高於該第二開口；其中，該第一開口之截面積係大於第二開口，使該散熱通道由第一開口往第二開口方向形成截面積漸縮者。

本發明之主要目的在於：當外部空氣溫度下降而使混凝土建構物溫度較高時，藉由散熱通道之特殊結構設計，外部空氣可自動由第一開口往第二開口方向發生沉降流動，外部低溫空氣可自截面積較大之第一開口進入，經由散熱通道往下流動至位於下方之第二開口，流出散熱通道並自混凝土建構物內部帶走熱量，俾利外部低溫空氣於混凝土建構物內部之散熱通道產生散熱氣流。以達到自動降低混凝土建構物溫度、減少室內降溫耗能之目的，以及防止混凝土建構物不良熱能儲存，延長混凝土建構物使用壽命。

本發明之次要目的在於：該第一開口及第二開口係可進一步地分別設於混凝土外牆之外側面，而該第一開口及第二開口與散熱通道間係分別以一彎折段連通，以便於混凝土建構物有較佳之配置空間。再者，在外部空氣有流動之狀況下，第一開口及第二開口之截面積差異可導致散熱通道產生壓力差，以進一步加強散熱氣流以增進散熱效果。

本發明之另一次要目的在於：該散熱通道更可設有一流速控制裝置，該流速控制裝置係可為風扇或溫度控制件至少其中之一者。藉此，不論是以風扇主動增加散熱通道內之流動速度，或是以溫度控制件增加冷空氣之沉降速度，皆可有效提昇氣流散熱。

為便於說明本發明於上述發明內容一欄中所表示的中心思想，茲以具體實施例表達。實施例中各種不同物件係按適於說明之比例、尺寸、變形量或位移量而描繪，而非按實際元件的比例予以繪製，合先敘明。且以下的說明中，類似的元件是以相同的編號來表示。

請參考圖1~圖3所示，本發明一種混凝土建構物之煙囪散熱結構，包含：

一混凝土建構物10，其係為一以混凝土或混凝土結合鋼筋構成之物件，如建築物、房屋、橋樑、外牆、擋土牆等，以一混凝土外牆為例，該混凝土建構物10係包含一上端11、一下端12、一內側面13及一外側面14，該內側面13為鄰接室內之牆面，外側面14係鄰接室外之牆面。其中，該混凝土建構物10係可為場鑄成型或預鑄成型者。

至少一散熱通道20，其係設於該混凝土建構物10之內部，該散熱通道20軸心係主要沿鉛直線方向設置，且該散熱通道20於混凝土建構物10表面形成一第一開口21及一第二開口22，該第一開口21之設置高度係高於該第二開口22，例如，該第一開口21及第二開口22係分別設於混凝土外牆之上端11及下端12處；其中，該第一開口21之截面積係大於第二開口22，使該散熱通道20由第一開口21往第二開口22方向形成截面積漸縮者。且該第一開口21及第二開口22之截面積比率為2:1~3:1。

《實驗規劃》

壹、混凝土建構物溫度量測與降溫方式：本研究所採用之混凝土溫度量測技術，是利用已掌握的無線感測器STIM技術(申請第099115655號)於牆體內部埋設一溫度感測器及射頻發射電路，藉以評估智慧混凝土外牆(Smart RC Skin)的設計可行性，並驗證純混凝土試體(對照組)、混凝土試體內崁入煙囪(實驗組)、混凝土試體內崁入直管(實驗組)等不同狀態下，對建築物外殼降溫的效益落差，能於使用過程中即時記錄內部溫度之變化，藉以找出外殼散熱之最佳煙囪尺寸，提供將來於智慧建築建材的另一種選擇。

貳、仿混凝土外牆試體：整個仿混凝土外牆試體實驗的規劃，區分為對照組與實驗組，RC試體90尺寸皆為30cm×50cm×15cm，對照組為純RC仿外牆版，實驗組則有煙囪管與直管兩種型式，無線感測器91擺放於仿外牆版試體內部正中央之位置，參見圖4、圖5及圖6所示。此外，為隔絕外部熱環境干擾試體內部溫度量測的正確性，因此在實驗試體箱內部的四個側邊及底部各鋪設厚度1.5cm之白色保麗龍板，以避免外部溫度影響試體內無線感測器91所量測之數值此外在屋頂實驗區架設一大氣 無線感測器感測點，同步量測大氣(on air)溫度。

參、實驗一(正立煙囪Type1)：規劃製作五組仿外牆結構之混凝土版模型，對照組(No.1)無置入煙囪管為實心混凝土牆板，而實驗組(No.2〜No.5)則於仿外牆板內置入不影響混凝土與鋼筋的煙囪管或直管，無論是直管或是煙囪管，皆是先以混凝土澆置前埋管(塑型用)，混凝土澆置後拔除方式處理，讓試體內直接雕塑出直管與煙囪管狀，讓管內空氣能直接與混凝土面層做熱交換。實驗組(No.2〜No.5)有4個試體，No.2試體的煙囪管的尺寸為上直徑1.15cm、下直徑3.45cm，煙囪管的上下開口比例為1:3；No.3試體的直管的尺寸為直徑2.4cm(如圖4所示)；No.4試體的煙囪管的尺寸為上直徑1.57cm、下直徑3.14cm，煙囪管的上下開口比例為1:2(如圖5所示)，No.5試體的煙囪管的尺寸為上直徑0.86cm、下直徑2.58cm，煙囪管的上下開口比例為1:3。No.5的煙囪管體積刻意設計小於No.2〜No.4中煙囪管與直管的體積，藉以了解空氣熱交換體積對於試體降溫效果之影響。無論是對照組或實驗組都是面向西面，主要原因是西面日照時間最長，鋼筋混凝土吸熱時間也是最久。在實驗場所的部分，為達到RC板塊鋪設隔熱材之實驗試體能平均受到太陽之日射，及避免人為破壞與周遭環境之影響，因此實驗所需場地需較為空曠，而本研究之實驗場地選在位處於北半球的台灣的台中市的逢甲大學土木水利館之屋頂(經緯度為120.646889E / 24.180974 N)。

實驗一結果：依據台灣中央氣象局之台中測站氣候資料顯示，除2011/07/05為陰天和2012/07/06為雨天外，其餘5日皆為晴天。記錄發現混凝土試體內部溫度達到最高點的時間通常會持續15~30分鐘左右，並不是像大氣溫度那樣快速由高點短時間隨即反轉。以2011/07/07這一天的量測資料為例，參見表１，戶外大氣日均溫為33.1℃(06:00〜18:00 pm)，無線感測器91所量測到的最高溫時間範圍在17:15~17:30 pm之間，5組實驗中最高溫為No.1與No.5 試體的42.2℃，其次為No.3與No.4試體的42℃，No.2試體則為41.5℃，No.2與大氣溫度相差值最小(9.5℃)，是效果最好的一組，這5組實驗中在達到最高溫度時，同一時間與大氣溫度的差值在9.5℃~10.4℃之間，No.1~No.5在最高溫的到達時間點(A點溫度)不會一樣，所以其相對應的大氣溫度(B點溫度)的到達時間點也不一樣，此為No.1~No.5試體的Ｂ點溫度不一致的原因。　　【表1】

從Type 1實驗成果來看，實驗組(No.2~No.5)相對於對照組(No.1)在最高溫時的溫差值，以No.2試體的0.7℃最具降溫效果，其次為No.3與No.5的0.2℃，但若以下午時段的整體降溫平均值而言，則No.2〜No.5的效果皆不理想。

肆、實驗二(倒立煙囪Type2)：對照組(No.1)無置入煙囪管為實心混凝土牆板，實驗組(No.2〜No.5)有4個試體與實驗一為上下反向設置，No.2試體的煙囪管的尺寸為上直徑3.45cm、下直徑 1.15cm，煙囪管的上下開口比例為3:1；No.3試體的直管的尺寸為直徑2.4cm(如圖4所示)；No.4試體的煙囪管的尺寸為上直徑3.14cm、下直徑1.57cm，煙囪管的上下開口比例為2:1(如圖6所示)，No.5試體的煙囪管的尺寸為上直徑2.58cm、下直徑0.86cm，煙囪管的上下開口比例為3:1。No.5的煙囪管體積刻意設計小於No.2〜No.4中煙囪管與直管的體積，藉以了解空氣熱交換體積對於試體降溫效果之影響。其餘實驗場所等條件與實驗一相同。

實驗二結果：依據台灣中央氣象局之台中測站氣候資料顯示，2012/08/07、2012/08/09、2012/08/10、2012/08/11為雨天，其餘3天皆為晴天。Type 2的實驗數據顯示，試體達到最高溫的時間比Type 1提早了約一小時，也就是混凝土的升溫歷時減少了一小時，且最高溫持續時間(10min〜20min)明顯比Type1觀測值(15min〜30min)還要短，此5組實驗中在達到最高溫度時，同一時間與大氣溫度的差值在6.1℃~8.3℃之間。Type2的5組實驗中，最高溫值為對照組No.1試體的41.6℃，其次為No.5、No.3與No.2試體，No.4試體則為40℃。No.4與對照組No.1的溫差達到1.6℃，且下午時段(12:00-18:00 pm)平均降溫值為1.1℃，是效果最好的一組，參見表2。整體而言，Type 2的實驗已初步獲得證實，倒立煙囪效應在建築物的混凝土外牆內，能透過大氣溫度來加速混凝土內部氣冷的方式，協助混凝土有效降溫。【表2】

伍、結論：建築物外牆通常中午以後混凝土的溫度就開始超越了大氣溫度，而晴天時溫度的最高點通常是在下午5點左右，並且混凝土不像大氣溫度變化般的迅速，它會慢慢吸熱且慢慢放熱，因此如何延緩RC外牆的吸熱總量，以及加速混凝土外牆的放熱速度，就是本研究以煙囪效應嘗試處理的問題。表3為正立煙囪實驗(Type 1)與倒立煙囪實驗(Type2)的比對分析，Type 1為2012/07/07的數值，Type 2為2012/08/12的數值。從結果中發現，Type 1的∆Tmean是幾乎沒有差異的，甚至有負值的情況出現，而Type 2的∆Tmean差異就比較明顯，例如No.4試體∆Tmean可達1.1℃，最高溫時與對照組之∆Tmax可達1.6℃，再者，No.4試體的最高溫時間也比Type 1提早了約1小時，此舉說明了Type 2確實能有效地延緩混凝土外牆的吸熱總量，以及加速混凝土外牆的放熱速度。【表3】

經由正立煙囪實驗(Type 1)與倒立煙囪實驗(Type 2)實驗可以得知，將煙囪管置入外牆中的實驗，倒立煙囪是比正立煙囪有效的，其原因可能為正立煙囪中的熱氣上升速度因為沒有推力而緩慢，導致氣流也緩慢的流動，甚至還可能因為上端外部冷空氣較重且會往下壓，導致熱氣無法往上走，帶不走混凝土的熱，因此Type 1實驗才會效果不彰。而Type 2實驗能夠有較優異的效果，其原因在於倒立的煙囪管內熱氣上升的力量小於管外冷空氣的下推力量，當外面大氣的冷空氣量多於混凝土內部的熱空氣時，外部冷空氣會將Type 2內煙囪管的熱空氣壓下去，由於煙囪管下口徑較小而形成一股加速流動的氣體，也就是逆煙囪效應，而這股氣流也能夠將混凝土散發出的熱量加速帶走。

由以上實驗可得知，本發明之第一開口21之截面積係大於第二開口22，使該散熱通道20由第一開口21往第二開口22方向形成截面積漸縮者。在實際實驗中，可較直管型式或上窄下寬之煙囪管型式具有相當明顯的進步效果。藉此，本案散熱通道20之構造確實可在混凝土建構物內部產生散熱氣流。以達到自動降低混凝土建構物溫度、減少室內降溫耗能之目的，以及降低混凝土建構物與大氣溫差幅度，有效防止混凝土建構物因不良熱能儲存而使混凝土劣化之問題，以達到延長混凝土建構物使用壽命之效果。

再者，如圖7所示，其係為本發明之另一實施例，其中，散熱通道30之第一開口31除設置高度係高於第二開口32外，且該第一開口31及第二開口32與散熱通道30間係分別以一彎折段33連通，俾使第一開口31及第二開口32兩者係分別設於混凝土外牆之外側面14。以便於混凝土建構物10有較佳之配置空間。再者，在外部空氣有流動之狀況下，第一開口31及第二開口32之截面積差異可導致散熱通道30產生壓力差，以進一步加強散熱氣流以增進散熱效果。

更進一步地，該散熱通道30更設有一流速控制裝置40，該流速控制裝置40係可為風扇或溫度控制件至少其中之一者。其中，該溫度控制件係為一設於近第一開口31處之致冷晶片。藉此，不論是以風扇主動增加散熱通道30內之流動速度，或是以溫度控制件增加冷空氣之沉降速度，皆可有效提昇氣流散熱。

由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明確實與習用之技術截然不同，具有相當之新穎性。且本發明具有習用技術所無法預期的功效，實已符合專利核准之積極要件，爰依法提出專利申請。

雖本發明是以一較佳實施例作說明，但精於此技藝者能在不脫離本發明精神與範疇下作各種不同形式的改變。以上所舉實施例僅用以說明本發明而已，非用以限制本發明之範圍。舉凡不違本發明精神所從事的種種修改或變化，俱屬本發明意欲保護之範疇。

10．．．混凝土建構物

11．．．上端

12．．．下端

13．．．內側面

14．．．外側面

20．．．散熱通道

21．．．第一開口

22．．．第二開口

30．．．散熱通道

31．．．第一開口

32．．．第二開口

33．．．彎折段

40．．．流速控制裝置

90．．．試體

91．．．無線感測器

[圖1]係本發明之立體外觀示意圖。[圖2]係圖1之2-2剖面線暨箭頭方向剖面示意圖。 [圖3]係圖1之3-3剖面線暨箭頭方向剖面示意圖。 [圖4]係本發明對造組之剖面示意圖。[圖5]係本發明正立煙囪實驗體之剖面示意圖。[圖6]係本發明倒立煙囪實驗體之剖面示意圖。[圖7] 係本發明第二實施例之剖面示意圖。

10．．．混凝土建構物

11．．．上端

12．．．下端

13．．．內側面

14．．．外側面

20．．．散熱通道

21．．．第一開口

22．．．第二開口

Claims (10)

1. 一種混凝土建構物之煙囪散熱結構，其係於一混凝土建構物中設有至少一散熱通道，該散熱通道軸心係主要沿鉛直線方向設置，且該散熱通道於混凝土建構物表面形成一第一開口及一第二開口，該第一開口之設置高度係高於該第二開口；其中，該第一開口之截面積係大於第二開口，使該散熱通道由第一開口往第二開口方向形成截面積漸縮者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該第一開口及第二開口之截面積比率為2:1~3:1。
3. 如申請專利範圍第2項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該第一開口及第二開口之較佳截面積比率為2:1。
4. 如申請專利範圍第1項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該混凝土建構物係為一混凝土外牆。
5. 如申請專利範圍第4項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該第一開口及第二開口係分別設於混凝土外牆之上下端。
6. 如申請專利範圍第4項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該第一開口及第二開口係分別設於混凝土外牆之外側面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該第一開口及第二開口與散熱通道間係分別以一彎折段連通。
8. 如申請專利範圍第1項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該散熱通道設有一流速控制裝置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，該流速控制裝置係可為風扇或溫度控制件至少其中之一者。
10. 如申請專利範圍第9項所述之混凝土建構物之煙囪散熱結構，其中，溫度控制件係為一設於近第一開口處之致冷晶片。