PDF《科别：生活与应用科学》

科别:生活与应用科学 组别:高中组 作品名称:空气对流多功能应用 关键词:散热、对流、烟囱效应 编号:040806 学校名称: 国立凤山高级中学 作者姓名: 黄颢中 指导老师: 杨右铭

1 壹、研究动机 1.

电视新闻常见垃圾抗争问题,使我联想到房屋建筑,为防止太阳热 能进入,必须采用隔热材料所引发之环保及防火问题,虽然与因一 般日常生活产生之垃圾所引发之垃圾抗争无直接关系,但我想只要 此隔热材料产生之垃圾日益增多,迟早会发生处理困难与抗争问 题,让我心想如果可以不使用隔热材料而可以隔热不是很好吗? 2. 当我看到中华民国大气层保护协会之会讯在讨论 CO2 与CFC 之排 放问题时,向我父亲询问隔热材料之材质与来源,才知道隔热材料 大部份为塑化材料,为达到有良好的隔热效果,就必须发泡,发泡 剂都为 CFC 类产品,该类产品会破坏臭气层,塑化材料之来源为轻 油列解,以前常见高雄市楠梓区后劲地区居民抗争,就是为了反对 五轻之兴建,以前我不知道为什麽抗争,现在我知道了,原来轻油 列解是一种高污染、高耗能源的工业,所以才受到反对兴建,且电 力能源若取自火力发电,又是一种 CO2 的排放及空气污染的重要来 源之一,所以电厂的兴建同样遭当地居民所反对,也因此更坚定我 研究不使用隔热材料的决心. 3. 有一次到同学家,他家楼顶有增建,用的是铁皮搭建,虽然使用隔 热材料,但仍甚闷热,那时我灵机一动,若能使热气排出不就凉爽

2 了吗?又看到电视新闻报导,又九二一灾区临时铁皮教室热的问 题,更让我感同身受,由此引导出我研究的方向―空气对流. 4. 九二一震灾,震出了我的灵感,当初我非常纳闷,这麽坚固的大 楼―板桥博士的家、台北松山东星大楼为什麽会倒,思索多日, 由各媒体报导,得知是建筑结构与偷工减料的问题,但为什麽倒的 全部都是混凝土结构的大楼,而非钢骨结构的大楼,后来经请教建 筑界与资料收集,才知道钢骨结构之抗震能力较强的关系,但钢骨 结构使用的墙壁都是吊挂式,有一次参观发明展,有一发明人设计 一轻质水泥,说如此可减少结构费用,又一发明人设计一种吊挂壁 板,材质使用的是隔热材料,不符合环保,政府又一直在宣导环保 观念,我灵机一动,思索著要如何设计一个既轻又符合环保之壁板, 当时我正在研究散热屋顶之设计,当时对空气对流研究到有一相当 成果,於是将散热屋顶设计移用到璧板,发现效果不佳,引起我继 续深入研究改进的兴趣,经多次之实验,才发现两者之理论是互通 的,但结构是不同的,后来也提出专利申请,在很短的时间便被核 准发明专利,经延期半年公告,於今年二月十一日已在专利公报上 公告了 (见专利公报) ,这是我生平第一项专利,而且又是发明专利, 所以我非常高兴.

3 5.在台北市停车场火灾,由电视报导见火之大,消防车灌水无效,真 是可怕,让我想起有一次登山郊游时,见一农夫在山坡地燃烧杂草 堆时的景象,起初农夫要点燃杂草不很容易,但当点燃不一会儿功 夫,火之旺,所引起风之大,情况类似,那时我只是想是空气对流 的一种现象,新闻报导是什麽烟囱效应,我不懂,当东科大楼火灾 时,由三楼延烧到十六楼,大家又再说烟囱效应问题,於是我又回 想到

三、四年前,父亲带我到台南贝汝参观商展,有一家厂商在展 示焚化炉,当在开始点火,火并没有那麽容易就点燃,可是当点燃 后,火开始燃烧,起初火不很大,但不久火就愈烧愈大,在那时候 站在炉门前,就会感觉有一股强大的风被吸入炉内,而火焰则很大 的往烟囱窜升,这时我才意识到什麽是烟囱效应,且此时我对空气 对流之研究已有相当之成果,因此我就知道烟囱效应为空气对流的 一种表现,电视新闻又报导屏东县有一间土地公庙,信徒烧金纸给 他时,金纸会一张一张自动跑到金炉内燃烧,信徒都说土地公会自 己算钱,非常相信土地公有灵,事实上也是烟囱效应所产生空气对 流的结果,於是引发我对烟囱效应问题研究之兴趣. 贰、研究目的 金属在一般大众均认为作建筑材料最容易吸热及导热,最不符

4 合节约能源之材料,当你从日常生活上所见确是如此,也难怪能委 会认为最不符合节约能源之材料,当你再详细观察研究,你会发现 金属有其特性,虽最容易吸热及导热,但也最不会蓄热,最容易释 放热能快速冷却之材料,所以在日常生活中只要你仔细观察,就有 很多产品利用此特性来达到该产品的功能,例如:冷气机之前后热 交换网、汽车的水箱、机车排气管之防烫钢板、电脑及事务机器之 散热片……等等,但却没有人想到要利用金属之该等特性来作为绿 色建筑材料. 我们仔细观察目前建筑物的趋势,厂房、仓库都以金属(烤漆 钢板)做为建筑物之覆盖材料,由於其吸热、导热之特性,以致室 内或厂内温度甚高,闷热难耐,因此就增设抽风机,甚至屋顶洒水, 增耗电力能源,增加污水处理,不然就添加隔热材料,因为隔热效 果较好之隔热材料,均为发泡材料,防火效果甚差,或为棉絮状材 料施工使用不便,因此为提高防火要求,或为方便施工及使用,均 改采双层钢板中间灌发泡隔热材料或填装棉絮状隔热材料,此等隔 热材料均属高耗能源、高污染之工业产品,废弃时更增加垃圾量及 增加处理之困难,其结果又产生另一型态的污染,至於都市则趋向 高楼大厦建筑,高楼大厦为防震均以钢骨结构建造,外墙则以双层

5 金属板内填隔热材料之墙板吊挂,该双层金属板之结构为内外金属 板中间再挟添隔热材料来隔绝金属板之导热特性,板与板间之接缝 则以矽利康作为填缝剂,矽利康等填缝剂日久老化易渗水,刮除重 填时又是一种污染,既耗工,又耗费,又危险,高楼建筑是未来建 筑之趋势,以目前高楼之建筑量,仅就隔热材料生产所耗能源即相 当可观,若就将来拆除所产生之废弃物,其量之浩大难以估计,处 理所耗费用及所产生之污染,将更为惊人而无法计算,况且蒙特娄 公约、京都议订书要求减少二氧化碳之排放量,隔热材料之生产产 生大量二氧化碳是国际公约所不许,况且隔热材料生产过程中发泡 剂之使用,由於会破坏臭氧层,更为国际公约所禁止,平常社会大 众均以方便,便宜有效为原则,但是否有效,则见仁见智,当垃圾 大量产生无法处理时,建焚化炉焚化,又会产生戴奥辛,及排放大 量二氧化碳,污染空气破坏大自然环境,结果常遭当地居民的强烈 抗争,此等情况一再重演,且越来越严重的趋势是无可避免的,也 因此,我们为何不去观察思考,从根本上减少垃圾量、减少二氧化 碳排放量、减少能源消耗等问题源头著手;

要减少垃圾量、减少二 氧化碳排放量、减少能源消耗非常简单,只要不使用会产生垃圾、 二氧化碳及消耗能源的产品即可,但这些都是改善生活环境品质所

6 必须之产品,要不使用就必须有替代产品,当然最容易被人想到的 就是使用木材作为建材,但大量树林的砍伐,又会破坏水土保持, 破坏自然,更何况树林生长缓慢,不够使用,因此要解决此等问题 就很困难了,经长期观察各项日常生活产品,研究分析并收集各种 相关资料,最后我才恍然大悟,发现金属作为建材时最讨厌而难以 解决的容易吸热、导热、快速释放热能的特性,竟然是我们可用来 解决问题的最佳的特性,我们何不利用其特性-快速释放热能,来达 成隔热、散热的目的. 若要利用金属释热快的特性来达到隔热散热的效果,就要进一 步去了解空气的特性,空气具有吸热膨胀上升、扩散、对流、扰流、 非热导体等特性,由金属特性与空气特性相配合来达成隔热散热的 效果,我们可做一简单之实验,将两片金属板均钻有数孔,然后做 一木箱,木箱之一面使用该二片金属板,且将该二片金属板隔离让 其产生约二公分之间隙,其相对的另一面开口,将该木箱开口朝下, 则有孔的金属板必然在上面,金属板上方适当距离装一灯泡作为加 热用,在箱子里面金属板中央黏一温度感应棒,然后打开灯泡加热, 过一段时间温度表上的温度不再跳动后,将温度纪录起来,再用一 块与金属板一样大小之玻璃放在上面使与金属板密合,若不密合则

7 於玻璃与金属板贴合之四周的缝用胶布黏贴,再看温度有何变化, 此时温度会缓慢跳升,再做另一个相同的箱子,而该另做的箱子之 两片金属板均不钻孔,其他结构均相同,再比较两箱子的温度变化 (两箱子之加热温度要相同) ,结果金属板没有钻孔的箱子与有钻孔 且上面放有玻璃时的箱子的温度比较,则以金属板没有钻孔的箱子 温度较高,但二者比较接近,可是该二者与金属板有钻孔上面没有 玻璃的箱子的温度比较,均高出很多,为何会这样?理由很简单, 当热能照射在上层金属板时,上层金属板会吸热,当上层金属板要 将热传到下层金属板时,必须先将热传给空气,空气吸热膨胀上升, 往上寻找出路,当上层金属板有孔时,吸热后的热空气遇到孔,热 空气还来不及扩散、扰流就立刻由孔洞散发至大气中,产生对流作 用,由於空气具有热绝缘的特性,因此热能就不会往下传到下层金 属板,又当热空气由孔洞散发时,必造成双层金属板间形 成半真空 状态,所以又将箱子内之热空气吸出,冷空气由开口进入,也因此 箱内的温度就不会升高,当孔洞用玻璃遮住不能流通时,吸热后的 热空气就不能由孔洞散发到大气中,於是开始产生扩散、扰流,使 二金属板间之所有空气达到热均衡,於是与下层金属板接触的空气 就会把热传给下层金属板,下层金属板又将热传入箱内,若下层金

8 属板有孔的,热空气会直接扩散到箱内,所以箱内温度就会升高, 由此实验可以得到几个启示:1.金属吸热快,释放热能也快.2.空 气遇热膨胀上升的速度快,由热气球上升的情况就可看出.3.空气 吸热膨胀后若无上升管道,很快就会往下及四周产生扩散、扰流现 象.4.上升距离越短,产生扩散、扰流的情况越少.由上述之启示 后便开始研发有此隔热、散热功能之产品,以便把理论转为生活上 之实际产品,如此,对国家社会人类才会有实质的贡献. 经过几年的研究,终於发现在应用上须分两个层面,一幢建筑 有屋顶,有墙壁,在应用结构上完全不同,屋顶依实验的方式,便 可达到隔热散热的效果,只要能设计使不漏水就能作为屋顶之建 材,所以就先设........