第四章 MEGA House 示範屋節能應用及環境 量測
第二節 規劃檢討 Sensor Network 節能應用之配置設計與 節能環境之設計與應用設備之配置
在此小節共分為兩大部份進行探討，第一部份將進行探討 Sensor Network 配置與設 計，而第二部份將進行探討目前進行節能環境設計與應用設備配置之研究，而在第一部 份將規劃開發 Sensor Network 監測資訊系統，以符合 IEEE 802.15.4 無線電傳輸標準之 無線感測器網路，進行偵測記錄室內環境各量測點之溫度、溼度、照度、光度及其它相 關物理參數。此外，進行學理研析與電腦模擬分析考慮建築材料、日照、溫度調節設備、
空氣流動狀況、以及歷史溫度等因素，擬訂室內溫度控制之策略，以期能以省能的手段 達到溫度調節之目的。
而第二部份則為利用計算流體力學軟體模擬 MEGA House 利用自然通風部份進行 研究，並在系統開啟條件方面進行探討開啟條件。
壹、規劃檢討 Sensor Network 節能應用之配置設計
（一）內容概述
在炎熱的台灣，過大的開窗面積是造成空調耗能的主因。開窗因素在台灣所有耗能 佔了很大的因素，因此適當的開窗設計及開窗方式是建築節能的首要計畫，所以，我們 將量測點放置窗戶處，觀察室內與室外變化，降低窗戶所損失的耗能。
目前進行為量測環境儀器之設置點的擺置位置研究、探討，由於現今主要為提倡節 能，因此必須思考如何減少有能源使用、消耗。盡可能利用環境中可隨意取得之能源，
而監控建築物是最能夠了解建築物與外界環境交互作用的情形。
（二）實施方法
對建築物內部有影響的環境因素有溫度、溼度、太陽輻射等等，這些都是我們需要 監控的參數，透過放置的量測點能夠取得上述參數，進而了解室內是否已達到舒適標準。
設置點擺放位置於室外時，必須思考環境因素對設置點的影響，如太陽輻射是否影 響設置點溫度感測；設置點擺放位置於室內時，必須考慮到是否室內與室外的交換情形 與量測到較為實際之參數，以確保系統開啟條件不會因外在因素而影響量測準確性。
根據以上因素進行量測點放置研究探討，以了解室內是否達到上述三種系統開啟條 件。
（三）階段成果
根據上述量測點會受到外在環境影響的因素進行研究，當量測點放置室外時，必須 考慮太陽輻射強度及系統設置位置，如外遮陽板，因台灣位於北半球，建築物受到日照 是在東側、西側、南側，而北側是完全不受到日照，且外遮陽板設置於東西側，考慮到 日照影響與系統擺置，因而將室外量測點設置於日照較多且外遮陽板設置的東西兩側。
室內環境，因溫度都會相差不大，因此在房間放置量測點時，考慮到沒有打開窗戶 的密閉空間時溫度會是差不多的。但在窗戶附近因受到外在環境影響，如太陽輻射，窗 戶附近溫度會高於室內平均溫度，因此在此放置量測點，觀察室內與室外的溫度的變 化，而調整適當的機制。
當外界環境溫度達到開啟通風條件時，此時就必須開啟空調系統，所以必須知道空 調出風口與室內溫度的變化的情形，進而控制室內溫度變化，使室內達到舒適之條件。
而在 MEGA House 共有五個房間，每個房間預計室內放置四個量測點，分別放置 有窗戶的三個側邊及空調出風口，放置三個量測點觀察從室外空氣流進室內的情形；室 外放置一個量測點；室外與室內量測點，觀察外部的溫度、溼度與室內的變化；空調出 風口與室內量測點，判斷室內與空調出風口的變化，判斷空調出風口的風量或風速。整 棟建築物共為二十二個量測點。
紅色正方圖形量測點為主要溫度與溼度量測點，黑色菱形圖形為室外溫度、溼度與 太陽輻射量測點，綠色三角圖形為次要溫度與次要濕度量測點。若量測儀器為有限時，
綠色三角圖形可以忽略，依然可以達到每樓層量測的需求，如圖 4-6、圖 4-7 以及圖 4-8。
如果有多餘的量測儀器的話，可新增量測點，如圖 4-9。圖 4-9 為在南側觀看 MEGA House 側面圖。放置每層樓的樓梯間及太陽能煙囪處，可以觀察到在太陽能煙囪與每樓 層房間熱空氣交換的情形。
能源在我們的生活中已經是不可或缺；把人們在此建築物所使用了多少能源，如使 用了多少度電、多少的天然瓦斯，再加入 MEGA House 的節能機制，這樣就能了解在 這建築物當月份使用能源的情形。
圖 4-6 MEGA House 1F 量測點設置 (資料來源：本研究整理)
圖 4-7 MEGA House 2F 量測點設置 (資料來源：本研究整理)
圖 4-8 MEGA House 3F 量測點設置 (資料來源：本研究整理)
圖 4-9 可新增量測點設置(南面側視圖) (資料來源：本研究整理)
而在地中管內量測方面，圖 4-10 為地中管量測點分布圖，量測點 ○1、○4分別位於地 中管入風口及出風口，量測點○2放置於距離地中管入口 10 公尺處，量測點○3放置於距離 地中管入口 40 公尺處，這四點量測點能夠量測到溫度與溼度，而入風口與出風口增加 量測風速的 Sensor。而地中管量測點為四個。
圖 4-10 地中管內量測點 (資料來源：本研究整理)
（四）小結
現階段預計量測點由於考慮外部環境因素，如：溫度、溼度、太陽輻射。將 sensor 設置於窗戶邊，觀察室內環境與室外環境的時序變化量測得溫度溼度、太陽輻射之參考 資料，並依據第一節結論與表 4-28 及表 4-29 之系統開啟條件，在不同的情況下開啟所 需的系統，使室內達到舒適的環境。而主要量測點擺放置位置為窗戶邊量測室內與室外 環境的熱交換情形與外部環境變化情形，而主要量測點(紅色、黑色符號)共為 12 個；
因為主要量測點會因時間的不同會造成量測點所量測參數與現實環境產生誤差，而次要 量測點則為輔助主要量測點量測室內溫度與溼度，使量測參數更貼近現實環境，次要量 測點(綠色符號)共為 10 個；可新增量測為觀察樓梯間變化情形可新增量測點(藍色符號) 共為 4 個，而量測點主要量測資料為系統開啟機制之條件，當 sensor 數量不如預期或有 額外 sensor 可資使用時，即可依照上述所探討的量 測點重要性進行量測點。而地中管 量測點則是觀察空氣在地中管內是否能有效達到所需的效果。
貳、節能環境之設計與應用設備之配置
（一）數值模擬
在 MEGAHOUSE 內的自然通風是利用太陽煙囪來創造室內的通風，而自然通風可 分為風力驅動通風與浮力通風，風力驅動通風是利用建築的外型，在建築的向風面形成 正壓力，在建築的背風面形成負壓力，因正壓力與負壓力之間的壓差而形成通風，而浮 力通風是利用空氣間的溫差，造成密度差異，暖空氣往上浮，讓冷空氣進入室內而形成 通風，而太陽煙囪則是利用浮力通風來製造室內的通風，而在此研究中必須有一個正確 的設計能夠使太陽煙囪發揮其功用(Bansal, Mathur & Bhdari, 1993)，探討正確的設計 時，必須去尋找有關於太陽煙囪設計的參數。在此能夠在文獻(Afonso & Oliveira, 1999) 中得知在煙囪厚度、寬度、高度與外部絕緣為探討參數時皆會對太陽煙囪的效率有所影 響，但此篇研究並未探討有關於煙囪長度，但煙囪長度相對的會提供較多的太陽輻射進 入氣道內，因而將長度納入研究參數內。而在文獻(Khedari, Boonsri & Hirunlabh, 2000)( Ding, Hasemi & Yamada, 2005)中對於煙囪開口位置及開口大小皆有探討，因此能 夠得知開口位置與煙囪與室內開口大小皆會對通風的效率及流場產生相當的影響，因而 在針對煙囪開口方面也列為所需研究的參數之ㄧ。
在文獻(Daia, Sumathyb, Wanga & Lib, 2003)的研究中在房屋內利用冷卻系統來加速 室外空氣的流入，並且搭配太陽煙囪增加其效率，但在此研究也探討了室內外溫度的差 距也會影響其氣流的方向，因此在環境溫度方面，也會納入研究參數內。最後在文獻 (Bassiouny & Nader, 2007)所探討的不同的煙囪高度及寬度的研究，而在此研究與文獻 (Lee & Strand, 2006)相符合，但高度研究方面(Lee & Strand, 2006)(Bassiouny & Nader, 2007)與文獻( Ding, Hasemi & Yamada, 2005)有些許的差距，必須再深入探討。
並在目前使用計算流體力學軟體(CFD)初步計算 MEGA House 模型，建築尺寸如 表 4-25，並假設環境基本條件如下：
（A）環境溫度為 20℃，
（B）太陽輻射為 1200W/m2，
（C）太陽入射角度設為清晨八點(北緯度為 22.5) ，
（D）工作流體為空氣(20℃、RH50%)，
（E）輻射溫度為 20℃，
（F）重力方向為-Y 方向，
（G）大氣壓為 1 大氣壓。
而內部設定為：
（A）求解模式為紊流，K-Epsilon model，
（B）收斂殘值以 CFD 軟體內部設定參數計算，並將值加以縮小以求準確。
利用太陽煙囪促進室內通風，計算南邊與北邊室內溫度與室內換氣次數，CFD 軟 體建立模型如圖 4-11、圖 4-12 所示，而整棟建築溫度分布圖如圖 4-13，室內溫度結果 如圖 4-14 所示，而在模擬過程時，先在於房間內部放置量測點，待求解完成後以便將 量測點溫度加總並平均以求得室內平均溫度，由計算結果得知在太陽輻射為 1200 W/m2 的情況下，並經由自然通風的幫助，室內溫度與環境溫度差距不大，都處在舒適溫度中，
而換氣次數由於台灣建築法規所規定換氣量(內政部營建署, 網頁)如表 4-26，室內換氣 量需達到 8 m3/hr‧m2，而在最後的結果能夠透過 ACH 計算公式得到室內換氣次數，也 能夠得到相對於建築法規所需的換氣量，ACH 換氣次數公式如下:
ACH= (Q*3600)/V ACH: 1/hr (次/小時) Q: 體積流量(m3/s) V: 室內體積(m3)
而計算結果如表 4-27 所示，室內換氣次數曲線圖如圖 4-15，而由圖得知換氣次數 會隨樓層增加而遞減，但在最高樓層的換氣次數也有在五次左右，對照建築法規所規定 的室內所需換氣次數與換氣量已經足夠，顯示由太陽煙囪的驅動的自然通風能夠有效的 使室內處於舒適溫度及足夠換氣次數。
表 4-25 MEGA House 房間尺寸表
房間名稱 寬(m) 深(m) 高(m) 總體積
南-1F 5.7 7.4 3 126.54
南-2F 5.7 7.4 3 126.54
南-3F 5.7 7.4 2.4 101.23
太陽煙囪 2.6 7.4 12 506.16
北-1F 5.7 7.4 3 126.54
北-2F 5.7 7.4 3 126.54
北-3F 5.7 7.4 2.4 101.23
(資料來源：本研究整理)
圖 4-11 CFD 軟體繪製 MEGA House 模型 (資料來源：本研究整理)
圖 4-12 CFD 軟體繪製 MEGA House 模型透視圖 (資料來源：本研究整理)
圖 4-13 MEGA House 建築於太陽輻射 1200W/m2溫度分布圖 (資料來源：本研究整理)
圖 4-14 MEGA House 室內溫度曲線圖
圖 4-14 MEGA House 室內溫度曲線圖