建築室內自然通風分析與研究

內政部建築研究所於 2010 年起持續針對建築自然通風進行研究，發展 了 一 個 適用 於 台灣 濕熱 氣 候 的風 壓 通風 計算 模 式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，模式結合了台灣中央氣象局的氣象資料（平均 風速、盛行風向、氣溫、濕度）可計算各種建築物座向、室內隔間、開口 位置、大小及是否有裝紗窗或百葉窗的風壓通風量和換氣率。隔年(2011) 擴展本模式，使其能同步考量風壓通風與浮力通風。接著 2012 年在都會地 區的建築群狀況下，利用風洞實驗風壓實驗結果探討集合式住宅對建築物 自然通風的影響，及建築物在其他建築物的遮蔽下之風壓通風。後續(2014 年)亦針對大型建築物進行自然通風之分析，探討了圓頂室內集會場館與矩 形廠房 2 種典型之大型建築物，針對建築物開口位置與大小對室內自然通 風功效之影響進行研究，並分析因建築物內外部間之壓力與溫度差異對室 內氣流造成影響之程度與機制。以獲得量化之整合結果，並提供相關建築 通風配置規劃與設計之重要參考。2015 年透過實測以探討自然通風於住宅 與複合式通風教室之空調節能抵減效果。在選定之樣本室內與戶外分別進 行長期之溫濕度量測，以獲知室內之溫熱環境變化與判斷空調啟停時間。

在空調節能之效益上則以冷房度時法計算以描述空調啟用時間之空調耗能 量，最後透過與理論上應開之空調時間比對換算空調折減率。此外，針對 各實測案例進行空間測繪以換算於相異開窗與空間配置下之自然通風潛力 (VP)，藉以分析其與實際空調折減效果之關係。

綜觀國內外有關建築室內通風的研究者頗多，典型者如 Chen 等[15]

以實驗與計算流體動力學(CFD)方法分別進行了建築物內強制通風、自然 通風、混合通風和置換式通風方面的研究。Chen 等[15]運用雷諾應力模式 與標準 k-模式模擬室內風場。江哲銘[1]指出當室外風速超過 1.5 m/s，風

力 即 可 促 成 自 然 之 換 氣 。 Dascalaki 等 [17] 利 用 COMIS(conjunction of multizone specialists)模式預測與實場量測比較研究建築物單側通風與貫流 通風的通風量。周[2]針對台灣的氣候環境，以實驗及數值解析對室內風場 進行研究，指出春、秋兩季為台灣適合自然通風之時期。陳念祖[8]進行風 洞試驗量測配合 CFD 數值模擬研究高架地板置換式的自然通風方式對室 內氣流路徑、分佈、換氣效率及舒適度的影響。Ohba 等[18]以貫流通風模 型進行風洞試驗，結果顯示室內風場會受到室外風場的影響。Haghighat 等[19]基於質量與能量守恆，融入射流特徵方程式發展出了一個簡化之數 值模型，以預測自然通風與機械通風於一個房間中的空氣流動模式及熱分 佈。Heiselberg 等[20]經由實驗量測與理論分析，探討不同類型窗戶開口對 房間內的熱舒適性、氣流場特性及開口流量係數的影響。Chang 等[21]應 用大渦模擬(LES)方法，針對不同的窗戶開口配置以探討換氣率及汙染物擴 散情形，結果發現迎風面開口為影響空氣品質的顯著因素。Allocca 等[22]

利用 CFD 模式與解析法檢討使用風壓、浮力或兩者合併下的單側通風與室 內條件組合的室內流況，結果認為在正確性的考量下必須同時進行室外及 室內環境的風場模擬。Jiang 等[23]使用 LES 模擬建築物貫流通風及迎風面、

背風面單側通風之氣流場，並以風洞試驗量測比對驗證，探討由風力驅動 之自然通風機制。Kurabuchi 等[24]經由風洞試驗與 LES 比對研究，提出局 部動力相似理論。邱[4]採用標準 k-模式模擬建築物室內裝設通風管對自 然通風之影響，結果顯示裝設通風管後可顯著提升室內換氣率。Tan 等[26]

提出了一結合 CFD 與多重區塊的模式以預測大型建築的中庭自然通風。

Mochida 等[27]由實場量測證實於夏季時可透過控制窗戶開口以改善室內 的熱舒適性。蘇[7]利用電腦模擬解析的方法，並透過與理論公式預測值的 比較，對影響中庭浮力自然通風換氣量及中性面位置遷移的各個因素進行 研究和分析。Seifert 等[28]以 CFD 分析改變風向角、氣流路徑及開口大小 對 貫 流 通 風 換 氣 率 的 影 響 。 Evola 等 [29] 以 k-模 式 與 重 整 化 群

(Renormalization Group, RNG)模式探討建築風壓通風。Karava[30]等經由風 洞模型試驗，針對兩相鄰牆壁窗戶開口產生之貫流通風探討建築物內部壓 力及流量係數，並證實了氣流流速會因不同的流量係數而變化。陳[8]針對 單室居室之單側及相對側開口探究加裝導風板對自然通風效益之影響。Hu 等[31]以 LES 檢討來流為紊流的建築貫流通風效應，並針對來風在垂直與 平行於建築開口的兩個情況，探討其對建築周遭及開口處之氣流場及開口 換氣率的影響。Gao 等[32]以示蹤氣體實地量測，探討傳染性呼吸系統疾 病在室內環境中的空氣傳播。陳[5]以風洞模型試驗研究風壓通風的影響參 數，包括風速、風向角、室外風場和通風開口的大小、形狀對通風量和流 量係數的影響，並利用理論分析建立了一個風壓平衡模式。Chu 等[40]使 用風洞縮尺模型試驗，針對兩相對面上各有一開口及兩相鄰面上各有一開 口之貫流通風配置，探討紊流對貫流通風的通風量及流量係數之影響。後 續朱等[6]繼運用理論分析及風洞試驗探討風壓通風的影響參數。Tung 等 [39]使用追蹤氣體進行實驗量測，探討在空間中固定位置汙染源情況下三 種不同通風方案對污染氣體流擴散之情形，並分析其換氣率及通風性能優 劣。Chu 等[34]以風洞試驗探討室內隔間建築的貫流通風，指出通風量會 隨室內開口的面積增大而增大，而當迎風面與背風面開口面積相同時達到 最大通風量。

在室內自然通風評估方法部分，陳瑞玲等[9]發展適用於台灣氣候之風 壓通風計算模式 TAIVENT，並將簡易模型之各風向之表面風壓資料建立 成資料庫供模式使用。另利用風洞實驗及 CFD 模擬，探討 3 種型態之集合 式住宅對於建築物自然通風之影響，以及建築物在遮蔽狀況下對通風之影 響[11]。林憲德等[13]為快速評估綠建築室內通風以獲得節能效益，定義自 然通風潛力 VP(Ventilation Potential)，採用室內配置之幾何參數來進行估算。

黃瑞隆等[14]透過實測以探討自然通風於住宅與複合式通風教室之空調節 能抵減效果，透過與理論上應開之空調時間比對換算空調折減率，針對各

實測案例進行空間測繪以換算於相異開窗與空間配置下之自然通風潛力。

總合來說，室內自然通風評估方法由繁至簡可分為 3 大類：

(1) 建構建築室內及室外計算域進行模擬，其結果較為精確。但由於計算 量大以及網格建置之前置作業繁複，不利於實現通風資料庫建置工 作。

(2) 考量附近建築以及來風特性後獲得建築表面風壓資訊(透過風洞實驗 會 CFD)，做為室內空間通風模擬之邊界條件，模擬工具採 CFD 或簡 易之通風模式如 TAIVENT[9]。而 CFD 可以建構較符合實際的室內 空間配置，並在目前計算機可負荷之運算量下，獲得完整且可信之室 內風場資訊，對於建置完整通風資料庫並做為後續決策之參考具有其 優勢。

(3) 採用自然通風潛力進行自然通風評估，透過開窗位置、戶外風速及室 內幾何配置狀況，初步推估通風效益。優點是快速，對於綠建築指標 評估有其必要性，但無法獲得合理之風速及風場分布狀況。