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現代主義多功能帷幕玻璃之建構

2019-07-23

阮弼群 教授

明志科技大學


享譽國際的華裔建築大師貝聿銘(Ieoh Ming Pei)在今年5月16日辭世,享壽102歲。大師的經典作品包括法國羅浮宮金字塔、香港中國銀行大廈、台灣東海大學的路思義教堂等。設計理念以引用光線來作為主要設計,因大量使用帷幕玻璃與運用幾何圖形來創作,使建築自然融合舒適的光影空間,故也被稱為現代主義設計大師。另外,台灣亦有兩座焚化爐也出自於大師之手,分別為新竹市南寮焚化爐與新北市八里焚化爐,兩者均以帷幕玻璃為外觀(如圖一),顛覆人們對於垃圾又髒又臭先入為主的觀念。除了大師的作品之外,台灣愈來愈多大型現代博物館採用大樓常見的帷幕玻璃,譬如宜蘭蘭陽博物館、苗栗臺灣客家文化館、及新北鶯歌陶瓷博物館等;除了具備視覺感官效果之外,在節能減碳與再生能源意識高漲的當今年代,世界各國及各大公司已開始思考從建築物外牆著手,進行自潔、節能、及創能等多功能為目的之開發與選擇。

   

圖一、新竹市南寮焚化爐與新北市八里焚化爐
(圖片來源:http://www.hccrip.com.tw 新竹市垃圾資源回收廠) 

 

自潔的概念最早由日本學者藤嶋昭在攻讀博士學位期間,與導師本多健在1972年共同發表於自然期刊,世稱「本多-藤嶋效應」。即二氧化鈦電極表面的水分子,利用太陽中的紫外光照射下發生光分解的現象。氫氣與電洞反應產生活性氧可進一步氧化分解植物的葉子,甚至蟑螂與氣態的二氧化碳等。另外,這種自潔材料也是很好的抗反射材料,可阻擋紫外光進入造成健康的危害。目前在日本各大車站與建築物均可看見其蹤影。甚至高鐵列車外殼上,均塗裝此種靠著太陽光而能讓其發揮功用的自潔材料。圖二為日本名古屋大學內,建築物經塗裝自潔材料後,維持一塵不染及不須特別清理。在自潔材料廣為應用之後,因二氧化鈦或有導電性的金屬氧化物具有寬能隙能帶結構,故有著良好的透光特性;因此人們開始思考節能及創能等多功能的組合。

圖二、日本名古屋大學的建築帷幕與太陽能腳踏車充電站

 

在調控太陽光頻譜的概念中,目前能夠應用在控制太陽光穿透的技術有:電致變色技術、氣致變色技術、光致變色技術、熱致變色技術、及液晶技術等。其中電致變色技術可謂是市場明星;如可應用在節能智慧窗、汽車天窗、防眩光後視鏡、電子紙、及電子標籤等;亦即由使用者需求以電壓調控所需的變色情境來控制光照環境,選擇性吸收或反射太陽的熱輻射來控制室內熱的傳遞,減少以耗能為主的空調。希望在能辦公大樓和住宅中,夏天能保持涼爽及冬天能保持溫暖,以解決現代科技社會不斷惡化的缺電與汙染問題,為節能建築材料提供一個選擇方向。然而,因為電致變色玻璃的結構由五層薄膜夾於兩片玻璃基材之間,結構較為複雜且成本極高。在大面積電致變色玻璃上,難以實現著、褪色的均一性,且變色、恢復所需要的電流隨尺寸愈高而愈大,造成大電流很難均勻地分佈在整個玻璃上。市場中很少超過30公分長與寬的電致變色玻璃尺寸。

另外,熱致變色技術也是探討最多的一個重要技術,其設計理念如圖三,即當冬天來到,太陽光頻譜有一定的玻璃穿透率,尤其是紅外光之穿透率隨波長的增加而增加,故有多餘熱量保持於室內。反之,當夏天來到時,環境溫度驟升,太陽光可在可見光區。

圖三、熱致變色節能玻璃應用

 

依舊有一定的穿透率,但是紅外光之穿透率會隨波長的增加而減少,意味著紅外光被熱致變色玻璃反射而無法進入室內,使得熱量不易積存。故室內溫度保持低溫,不需要費電的冷氣來降溫,達到空調節能的效果。由於此種熱致變色節能玻璃構造簡單且不需要電力施加,故在研究上蔚為主流。因其製程小於3層結構,故可應用於低成本大面積的節能窗。目前仍有較高的製程溫度與熱預算問題亟待解決,但後續前景非常看好。

另在創能部分,帷幕玻璃以薄膜太陽電池為主。因無機太陽電池為一成熟穩定的產品,面板尺寸可達到1~2公尺長,故非常適合帷幕玻璃創能的實際應用。此技術透光表現,可藉由薄膜雷射切割來達成所需的室內亮度。圖四為新能光電公司完成的太陽電池帷幕玻璃之外觀。且因薄膜太陽電池本身能吸收更寬廣的太陽光頻譜,故在微弱的光線下仍能發電,使其更具節能減碳之優勢。

   

圖四、薄膜太陽電池帷幕玻璃 (新能光電提供)

 

綜合上述,在環保意識抬頭的今日,光線配合的簡約現代主義風格設計已蔚為風潮。在高度汙染破壞環境中,如何以生活、健康、及舒適為出發點,來適應地球氣候變遷與減緩溫室效應。利用自潔、節能、及創能等多功能創新化的能源設計理念,訴求永續建築為目的,返本為真,與地球生態和諧共處,已成為當今全球議題與我們日後共同努力的方向。