文獻回顧

紹自然通風量的計算方式，讓建築師和一般民眾了解自然通風量的原理，有效利用台 灣氣候條件的優勢，避開其缺點，設計出可利用自然通風之建築物，減少建築物的耗 能。並讓建築物使用者瞭解自然通風的操作方式與時機，住戶可依據室內外的氣候狀 況，自行開關建築物的門窗，善用自然通風使得室內環境達到舒適又節能的狀態。

本計畫依據自然通風量的原理，有效利用台灣氣候條件的優勢，避開其缺點，設 計出可利用自然通風之建築物，減少建築物的耗能。並讓建築物使用者瞭解自然通風 的操作方式與時機，住戶可依據室內外的氣候狀況，計畫執行步驟如圖 1-4 所示。

圖 1-4 研究流程圖

資料來源：本研究團隊繪製整理

第三節 文獻回顧

在無空調時代，自然通風廣為所傳統建築所採用，譬如乾燥氣候的中東地區，

建築物會使用通風塔來加速室外空氣流入室內，降低室內氣溫；濕熱的東南亞地區的 傳統建築則採用干欄式建築，有良好的自然通風及遮陰效果。自1970年代石油危機，

歐美國家鑑於能源的短缺，開始研究自然通風來降低建築物的耗能。但歐美等國多半 位於溫帶和寒帶，他們的研究大多針對如何減少冬季暖氣的耗能。台灣的傳統建築承

通風模式

預測通風量

風場條件 建築設計

計算室內氣溫、舒適度 驗證模式

No

Yes

修正

編寫自然通風設計手冊

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襲廣東、閩南的騎樓式建築，可遮雨及遮陰。而現代的騎樓式店面建築門口大多採用 鐵捲門方便開關，再以一個長廊連通前廳與後方的房間，此類建築不利於採光和自然 通風，實有檢討之必要性。

因為自然通風是藉由風力或室內外的溫度差異驅使空氣流動，其缺點為通風量 不穩定，且未必能達到足夠的通風量，因此自然通風需要深入地研究其降溫效率與適 用性。而研究建築物通風和室內外風場的方法包括有：(1)實場監測；(2)區塊模式；(3) 計算流體動力學模式；(4)風洞實驗；(5)經驗公式。各有其優缺點(Awbi, 2003; Chen, 2009; Etheridge, 2011)，以下分述之：

(1) 實場監測(Field observation)：

實場監測乃是在一棟真實建築物內部、外部裝設量測風速、溫度、溼度的儀器，

在一段時間之內監測其變化，並訪問建築物使用者的感受，以瞭解建築物通風的效 果。這是瞭解建築物通風最直接的方式，且實場量測得之數據資料往往最具說服力。

但缺點是實際的室外風速、風向、溫度與時俱變，而會影響風建築物通風的因素又太 多，不易由監測數據深入瞭解通風現象背後的機制，且某一棟建築物的監測數據無法 應用於其他建築物之設計。除此之外，實場量測所需的人力、經費和時間較多。且建 築物未興建之前，無法進行監測，故較少建築物採用此法研究其自然通風的狀況。國 內的研究如呂博弘等(2006)在實際建築物研究陽台裝設瓦斯熱水器所造成的一氧化碳 累積，結果發現在體積約14 m³的全密閉的陽台空間中，一氧化碳濃度值可在15分鐘 達到1500 ppm，此濃度會造成人員昏迷或死亡的情形。Gao et al. (2009)利用示蹤氣體 (Tracer gas)濃度法量測一棟單側開口的實體建築物的換氣率，並將結果與CFD模擬結 果比較。Tung et al. (2010)利用示蹤劑法研究在機械通風的狀況下，去除廁所內臭味 的最佳進風口、出風口之位置。

(2) 風洞實驗(Wind Tunnel Experiment)：

製作某一棟建築物和周遭相鄰建築物的縮尺模型放置於風洞內，研究該建築物 在不同室外風速、風向下的風場與通風量。其優點為可以控制風速、風向、開口面積 等，採用有系統地探討該建築物的通風現象。且實驗數據較可靠，可以驗證物理模式 或計算流體動力學(CFD)模式之預測結果。但缺點為儀器設備較昂貴，只有大學或研 究機構才有大型的風洞設備可以進行建築物模型實驗。建築業者為節省經費，往往部 會採用此方法。

9 (3) 多區間模式(Zone model)：

多區間模式又稱為網路模式(Network model)，將建築物內部空間依其隔間分為 數個區塊(Zone)，將單一區塊當成一個完全混合(Fully mixed)的控制容積。依據質量 守恆定律，在區塊內空氣質量、物質濃度的變化必定是因為該物質流入(或流出)區塊 或是因為該物質發生反應所造成的。因此計算在一段時間 之內，流入和流出區塊 的物質總量便可得區塊內物質的平均濃度和溫度，譬如CONTAM、COMIS、NatVent、

BREEZE等模式(Feustel, 1999; Dascalaki et al., 1999; Ren and Stewart, 2003)。其優點為 計算簡單，可計算區塊內穩態下的通風量和濃度。但缺點為無法得知各個區塊內風 速、溫度及濃度場的分佈及隨時間的暫態變化。

朱佳仁 等(2011)發展了一個適用於台灣氣候條件的多區間自然通風計算模式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，模式結合了台灣中央氣象局26個氣象觀 測站1961~2008年的氣象資料(平均風速、盛行風向、氣溫、濕度)可計算建築物的風 壓通風量和換氣率。通風模式所需之建築物表面風壓則利用內政部建築研究所的風洞 實驗室及多頻道壓力掃瞄計量測得之，再使用二維的立方弧線法(Cubic Spline)內插求 得 建 築 物 表 面 任 意 一 點 的 壓 力 。 此 外 TAIVENT 模 式 利 用 牛 頓 - 拉 福 森

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)模式將室內、外空間格網 化，依據連續方程式、那維爾–史托克(Navier-Stokes eqn.)方程式和擴散方程式 (Diffusion eqn.)，採用數值方法計算流場控制方程式的數值解，配合上適當的邊界和 初始條件，求得計算域之內各個格網點上的風速、壓力、溫度和濃度，此法又稱為全 域模式(Field model)。其優點為可以計算出流場的細部變化，但缺點為計算量大，模 式參數眾多。若計算模式的設定參數、網格、收斂標準不正確，可能會得到似是而非 的計算結果，因此必須與相同流況之實驗數據比對以驗證其正確性(Awbi; 2003; Chen, 2009)。

(5) 經驗公式：

∆t

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Dascalaki et al. (1999)比較實場監測與多區間模式COMIS預測之單側通風與貫流 通風的通風量，此研究提出了在室內隔間的門窗所使用的流量係數為0.65，當室外風

Ohba et al. (2001)利用裂膜(Split film)探針量測前後皆有開口之通風模型中的室

11 式POMA (Pressurized zOnal Model with Air-diffuser)。此研究以模擬天花板通風口的射 流路徑與其室內的風場跟溫度分佈為案例，用以證實POMA模式的可信度。而POMA

Allocca et al. (2003)利用k-ε紊流數值模式探討風壓和浮力合併作用下單側通風 的流況，並提出一個半解析模式分析數值模式的結果。其研究成果顯示依據數值模式 之結果計算換氣率(ACH)和半解析解相差約為10%，但數值模式對於邊界條件如何設 定非常敏感，且計算區域僅限於室內環境會造成極大的誤差，必須同時模擬室外與室 內的風場。

Tan and Glicksman (2005)探討大型通風建築的自然通風，其中包括了浮力通風與 風壓通風，然後利用CFD模式與多區間模式MMPN進行自然通風的預測比較。該研究 探討建築物中庭的設計，所模擬的建築物為實體尺寸的大尺度比例。若將中庭分割成 數塊區塊則會對MMPN的計算結果造成影響，而其計算結果比無分割之中庭的散熱效 果還好，且至少要將中庭分割成兩塊區域。

Evola and Popov (2006)利用標準k-ε紊流模式和重整化群(Renormalization Group, RNG) k-ε模式研究風壓通風的問題，流況包括貫流通風和單側通風。兩模式計算結果 與風洞實驗之數據比較後發現：標準k-ε紊流模式的計算結果誤差較大，重整化群 (RNG) k-ε模式的結果則較接近實測之通風量。

蘇裕民 (2006)利用計算流體動力學(CFD)數值模式探討小型建築中庭的浮力通

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風問題，研究成果發現室外無風時，中庭開口面積、開口高差的增加會增大換氣率。

在室外風速小於1.5~2.0 m/s時，會形成風壓與浮力換氣路徑相反的現象，削弱室內浮 力通風的效果；當室外風速達到2.0 m/s時，風壓通風會大於浮力通風，中庭內的通風 設垂直導風板模式，在外部風速（0.5~2.0 m/s）條件下，當風向平行於建築物開口時，

裝設垂直導風板之平均換氣次數約可較無導風板者增加，其中以導風板角度45°較

13 尺模型實驗研究太陽能煙囪(Solar chimney)對熱浮力通風之影響。研究結果發現在夏 季及春秋兩季的狀態下，太陽能煙囪的通風量皆遠大於法定換氣量，符合基本換氣需

14 響。

Chu et al. (2010)採用理論分析及風洞模型實驗的方式探討室內隔間對貫流通風 的影響，研究參數包括室內隔間的方式、室內開口的大小、位置與厚度對通風量的影 響，通風量和開口的流量係數利用噴嘴流量計來量測。實驗結果發現室內開口的流量 係數為開口大小的函數，但與雷諾數、內外牆厚度、室外開口大小與位置無關。研究 也發現了當迎風面與背風面開口面積相同時，通風量會最大，且此通風量會隨室內開 口的變大而變大。

Chu et al. (2011)使用風洞模型實驗與示蹤劑(Tracer gas)濃度衰減法研究風向對無 室內隔間之建築物，單側開口及雙側開口的換氣率之影響。實驗結果發現當風向平行 於開口時，開口處的風剪力會驅使室內外空氣交換，室外風速愈大，風剪力愈強，換 氣率愈大。在此風向下，雙側開口的換氣率為單側開口換氣率的五倍。且依據實驗結 果歸納出：不同風向下，單側開口及雙側開口建築物換氣率的預測方式。

朱 佳 仁 等 (2011) 發 展 一 個 通 風 模 式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，可用以計算多區間(Multi-zone)建築物之通風量。模式利用中央氣象局1961 ~ 2008年間中央氣象局全台26個地面氣象站的氣象資料(平均風速、盛行風向、氣溫、

濕度等)，建立成一個氣象資料庫，並利用風洞實驗量測矩形建築物在各風向角之下 的表面風壓，將量測值建立成一個資料庫以供計算建築物風壓通風之用。模式可輸入 建築物外型、座向、開口位置、大小及室內隔間等參數便可計算多區間建築物風壓通

濕度等)，建立成一個氣象資料庫，並利用風洞實驗量測矩形建築物在各風向角之下 的表面風壓，將量測值建立成一個資料庫以供計算建築物風壓通風之用。模式可輸入 建築物外型、座向、開口位置、大小及室內隔間等參數便可計算多區間建築物風壓通