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木结构和木建材节约能源之特性

近期受到各种能源价格飙升和能源短缺的影响，为了维持住宅和其它建筑物室内质量条件，故全年成本也随之显著增加。在此同时，人们期望无论天气如何变化，均能在住家、办公室、商店享受到温馨宜人的舒适环境。上述对立的因素，使住宅和办公室能否兼顾节约能源和舒适度的双重要求，这成为建筑师、建商和屋主必须优先考虑的首要议题。各式各样的建材及不同类型的结构在舒适度和节约能源上的表现，也因此受到越来越多的关注。
    如何使用木建材降低能源成本？
木结构具有冬暖夏凉的优点。此优点部分源自于木材独特的物理构造，使其拥有其它结构性建材所不具备的隔热特性。由木材的显微构造显示，木材的构造能够增强其强度，而数百万计的细小空隙还使木材成为出色的隔热体。
  此外，木结构的间柱墙为安装较厚的隔热材料提供了空间，使建筑物在不牺牲宝贵生活空间的同时，还能充分利用具经济成本效益的现代化环境控制技术。
  多年以来，木结构一直以卓越的保温特性著名。然而，木结构在保温特性上所能达到的程度和范围，却一直没有通过对木结构及其它常用结构类型所进行的对比试验。为了获得有关木结构和混凝土结构在节约能源的特性上实际比较之数据，美国林产品协会 (American Forest Products Association) 进行两项研究项目，目的在比较此两种结构系统及其各别的建材对于在空调系统使用上的经济效益和舒适程度。
  美国林产品协会其中的一项研究调查，是针对两种结构在华盛顿特区 (Washington, D.C.) 气候条件下，消耗能源的情况来进行比较。尽管华盛顿特区夏季炎热，但当地住宅消耗的能源大部分是使用在冬季为室内提供暖气的情形下。华盛顿特区的夏季 (6-8月) 通常温暖、潮湿，气温在某些时候可超过摄氏30度，而在冬季大部分的时间则为降雪气候，气温在摄氏零下4度到零上4度之间。美国林产品协会的第二项研究，是选择在气候温暖的亚利桑那州 (Arizona) 南部地区来进行。该州需要使用空调的天数较多，其中首府菲尼克斯市 (Phoenix) 的夏季炎热、干燥，7月份的最高温度可达摄氏41度。此外，亚利桑那州在一年中也不乏寒冷的天气。
  美国林产品协会在上述每一个研究地点，分别使用隔热木结构和隔热混凝土结构，各建造了两幢室内面积相同的建筑。此四幢建筑均根据当地良好的施工技术来建造，而同一地点中的两幢建筑也在为期一年的研究时间内被暴露在相同的气候条件下。为了可在冬夏两季维持室内适宜的温度条件，每幢建筑中还安装了空调系统。美国林产品协会在研究调查中，对每个研究地点上的两幢建筑在供暖及降温时所消耗的能源进行了记录，并在研究时间结束后对相关数据进行分析。
    木结构在冬夏两季表现出更佳节约能源的效果
  研究人员在研究结束时，发现在木结构和混凝土结构的能源利用比较上，木结构能够显著降低建筑物在供暖和降温时所需使用的能源。在历经总共12个月的研究时间内，统计出混凝土建筑的用电量达到4,135千瓦小时，而木结构建筑的用电量则为3,182千瓦小时。
  夏季使用空调时，木结构所消耗的能源远低于混凝土结构。在达到相同室温的条件下，木结构建筑在5-9月期间所消耗的能源较混凝土建筑低30.2%。
  在12-2月需用电以利进行供应暖气的冬季时期，混凝土结构需要比木结构消耗更多的电力才能达到相同的室温条件。在此期间，木结构建筑的用电量较混凝土建筑低23%。
  另外，在晚间要求供暖、日间要求控温以达到舒适室温条件的其它四个月内，混凝土结构的能源利用效率则优于木结构。由于这四个月属于日夜气温适中、但反差较大的换季时期，混凝土结构能在日间储存热能并在夜间缓慢释放热能，因此从中抵消夜间供暖及日间控温的部分需要。相反地，由于木结构具有隔热特性，反而抵挡日间热空气和夜间冷风侵入室内的情形发生。
  下列图1显示了木结构和水泥结构的每月用电量，而图2则说明了木结构比混凝土结构节省的能源量。尽管混凝土结构住宅在季节交替时（3-4月及10-11月）比木结构住宅更节约能源，但木结构建筑在5-9月间的能源消耗量比混凝土结构建筑节省了6.5倍。夏季同期比较显示，木结构建筑比混凝土结构建筑少消耗42%的能源。同样在冬季同期（12-2月）比较后，我们发现木结构建筑在取暖时所消耗的能源比混凝土结构建筑少28%。另外，在为期一年的研究时间内，我们发现木结构在供暖控温中，所使用的能源比混凝土结构低23%。
   图1. 每月用电量比较─木结构和混凝土结构建筑

   图2. 木结构试验建筑每月能源节省量

    木窗在改进舒适性和降低能源成本方面之应用
  美国林产品协会还在上述研究中，对木框窗和铝框窗的节约能源特性进行相关比较。研究使用的窗户分别为双倍强度、单面厚玻璃的双扇铝框推拉窗，以及采用相同玻璃的木框窗。为了对木框窗和铝框窗的节能性进行比较，除了采集木结构建筑和混凝土结构建筑中心位置的温度，以及室内外墙面、天花板和地板的温度。此外，研究人员还在所有木窗框和铝窗框的室内外安置了温度计。
  研究证实，木框窗阻止热量流动的性能优于铝框窗。在使用电力进行供暖的季节，铝框窗室内部分的表面温度较低，这表示铝框窗导致了热量的损失。
  尽管铝框窗和木框窗的室外部分，以及建筑物北侧的铝框窗和木框窗，在表面温度上没有显著差异，但在日间建筑物温度最高的一侧，采用铝框窗的建筑物室内温度平均比采用木框窗的建筑物高出10度。
表一：采用木框窗和铝框窗的建筑物在温度上的差异（摄氏温度）

  混凝土地板是冷热空气侵入室内的另一重要区域。在夏季使用空调时，混凝土地板的温度比应用于木结构建筑中的隔热地板高出摄氏1.1度，而在冬季，混凝土地板的温度又比木地板低摄氏1.1度。这表示混凝土地板设备的热量流动会造成能源损失，且显著降低混凝土建筑节约能源的效果。
  本次研究的结果显示出屋主可透过采用木结构和木建材来降低建筑物的能源成本。据报告显示，相同面积和相同位置的木结构建筑物所需安装的空调和供暖设施均少于混凝土结构建筑。木结构建筑的大多数优点都与木材本身具有的隔热特性有直接的关系。此外，屋主还可以选择运用木框窗等建筑配件，以进一步达到节省能源的目的。