辦公建築自然開窗通風性能之探討

壹 、 通 風 對 辦 公 建 築 節 能 之 重 要 性

通 風 設 計 是 建 築 節 能 的 第 一 步 ， 尤 其 對 於 規 模 較 小 的 住 宿 類 建 築 以 及 辦 公 建 築 ， 通 風 設 計 是 很 有 潛 力 的 節 能 手 法 。 通 風 設 計 必 須 依 賴 充 足 的 風 力 條 件 來 實 現 ， 但 由 於 風 力 是 不 穩 定 的 地 方 氣 候 因 素 ， 因 此 必 須 因 地 方 風 力 統 計 特 徵 而 設 計 。 熱 濕 氣 候 全 年 適 於 風 力 通 風 的 時 間 比 例 約 為 12~45％，假 如 能 善 用 此 通 風 條 件，其 居 住 環 境 大 部 分 可 依 賴 通 風 設 計 來 達 成 舒 適 之 要 求 。

對 於 絕 大 部 分 的 建 築 物 之 通 風 計 畫 來 說 ， 設 計 一 個 通 風 良 好 的 建 築 平 面 是 最 重 要 的 。 基 本 上 縱 深 過 大 的 建 築 平 面 是 不 利 於 通 風 的 ， 我

們 從 建 築 平 面 的 形 狀 即 可 大 略 判 斷 其 通 風 之 潛 力 。 一 般 而 言 ， 單 邊 開 窗 之 空 間 縱 深 超 過 6 米、雙 邊 開 窗 之 空 間 縱 深 超 過 12 米 即 不 利 於 自 然 風 力 通 風。通 常 12 米 通 風 極 限 的 住 宅 深 度，還 可 以 在 中 間 勉 強 配 置 一 間 機 械 通 風 的 浴 廁 後 成 為 14 米。14 米 深 度 通 常 就 是 良 好 通 風 建 築 的 極 限 ， 超 出 14 米 深 的 建 築 物 必 須 長 期 依 賴 空 調 換 氣 設 備 方 可 維 持 其 機 能 ， 非 常 不 適 於 自 然 通 風 之 建 築 設 計 。

空 調 設 備 未 發 明 前 ， 過 去 的 建 築 師 們 ， 會 小 心 翼 翼 地 利 用 凹 凸 平 面 與 中 庭，把 辦 公 大 樓 的 深 度 控 制 在 14 公 尺 以 下，以 利 自 然 通 風 採 光。

即 使 在 建 築 空 調 發 展 之 初 ， 大 部 分 的 空 調 型 辦 公 建 築 的 寬 度 還 是 維 持 在 14 公 尺 以 下 ， 以 保 有 自 然 通 風 採 光 的 潛 力 。 例 如 1928 年 美 國 最 高 的 全 空 調 大 樓 ， 德 州 San Antonio 的 21 層 Milam 辦 公 大 樓 ， 就 採 用 當 時 最 流 行 的 C 形 平 面 來 設 計 ， 幾 乎 每 間 辦 公 空 間 均 保 有 良 好 的 開 窗 視 野 （ 圖 3.2） 。

圖 3. 2右圖為可通風間歇空調的平面與不可通風的全空調平面

隨 著 空 調 技 術 的 提 升 與 建 築 空 間 大 型 化 、 集 中 化 的 要 求 ， 許 多 業 主 開 始 放 棄 通 風 採 光 的 優 點 ， 並 建 造 與 自 然 隔 絕 的 大 方 盒 子 辦 公 建 築 ， 如 此 走 火 入 魔 的 人 工 化 建 築 ， 已 嚴 重 損 害 到 建 築 應 有 的 本 質 。 最 近 一 些 辦 公 建 築 多 被 設 計 成 集 中 形 的 玻 璃 方 盒 子 ， 不 但 造 成 空 調 能 源 浪 費，更 增 加 居 住 環 境 的 風 險。2003 年 亞 洲 的 SARS 風 暴，特 別 喜 歡 襲 擊 大 型 密 閉 空 調 建 築 ， 才 讓 人 體 會 到 自 然 通 風 的 建 築 設 計 ， 才 是 舒 適

與 健 康 的 保 障 。

事 實 上，「 深 度 低 於 14 米 」的 原 則 不 只 適 用 於 住 宅 類 建 築，也 適 用 於 大 部 分 辦 公 建 築 。 聞 名 全 世 界 的 綠 色 建 築 ING 大 樓 的 節 能 設 計 ， 就 是 徹 底 以 自 然 通 風 採 光 設 計 的 名 作 。 它 一 改 現 在 流 行 的 格 局 方 正 大 辦 公 平 面 設 計 ， 把 平 面 做 成 綿 延 一 公 里 長 的 不 規 則 細 長 型 建 築 。 此 棟 所 有 辦 公 區 的 進 深 均 維 持 在 7 米 以 內 ， 以 利 自 然 採 光 通 風 ， 其 僅 僅 20

﹪ 之 開 窗 面 積 就 可 提 供 500Lux 以 上 的 照 明 條 件。它 同 時 在 開 窗 上 設 置 自 動 控 制 的 銀 色 反 射 百 葉 ， 將 自 然 光 反 射 至 天 花 ， 並 導 入 室 內 後 方 ， 使 室 內 有 均 勻 的 晝 光 照 度 ， 以 便 在 晝 光 充 足 時 自 動 關 燈 來 節 約 照 明 用 電 。

ING 大 樓 的 通 風 採 光 設 計，免 除 了 龐 大 的 空 調 設 備，成 為 世 界 上 頂 尖 的 超 節 能 建 築 ， 其 耗 電 密 度 只 有 111kWh/（ m².yr） ， 僅 為 荷 蘭 公 共 建 築 平 均 耗 電 量 500kWh/（ m².yr） 的 22.2％ ， 亦 低 於 亞 熱 帶 氣 候 台 灣 辦 公 大 樓 之 平 均 耗 電 量 151 kWh/（ m².yr） ， 可 見 其 節 能 之 功 效 。 通 常 歐 洲 的 大 型 辦 公 建 築 在 冬 天 必 須 有 暖 氣 設 備 外 ， 在 夏 天 也 需 設 置 中 央 空 調 系 統 以 應 付 日 益 升 高 的 室 內 發 熱 量 ， 唯 有 ING 大 樓 以 全 面 通 風 採 光 方 式 來 取 消 空 調 設 備 。 它 不 但 是 一 座 獨 步 全 球 的 超 節 能 大 樓 ， 更 是 一 座 徹 底 人 性 化 、 自 然 化 的 綠 色 建 築 。

事 實 上 在 泛 亞 熱 帶 與 溫 暖 氣 候 的 辦 公 建 築 ， 更 應 該 以 細 長 平 面 的 自 然 通 風 採 光 設 計 來 降 低 空 調 的 依 賴 度 ， 其 秘 訣 還 是 在 於 「 深 度 低 於 14 米 」的 平 面 設 計。「 深 度 低 於 14 米 」的 辦 公 大 樓，在 亞 熱 帶 氣 候 到 溫 暖 氣 候 有 三 個 月 至 半 年 時 間 可 以 停 止 空 調 運 轉 ， 全 年 可 節 約 四 成 以 上 空 調 用 電 或 兩 成 以 上 的 總 用 電 量 。 例 如 圖 3.3 所 示 之 台 灣 政 府 辦 公 建 築 用 電 統 計 中 發 現 ， 以 細 長 平 面 與 個 別 空 調 系 統 設 計 之 辦 公 建 築 的 平 均 總 用 電 量 ， 僅 為 中 央 空 調 辦 公 建 築 的 八 成 而 已 （ 空 調 用 電 量 可 能 僅 為 六 成 ） ， 這 就 是 在 秋 冬 停 止 空 調 所 達 成 的 節 能 效 果 。 然 而 ， 目 前 的 辦 公 建 築 平 面 設 計 日 漸 巨 型 化 ， 而 陷 入 全 年 依 賴 機 械 空 調 的 深 淵 ， 顯 然 是 對 地 球 環 保 的 一 大 傷 害 。

耗電密度(kWh/(m²‧yr)) 17 1 13 6

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 中央空調型政府辦公大樓(33)

個別空調型政府辦公大樓(24)

圖 3. 3中央空調型政府辦公建築與半自然通風型政府辦公建 築總耗電量相差二成以上

貳 、 開 窗 通 風 性 能 對 ENVLOAD 基 準 優 惠 修 正 之 研 究

我國採用建築外殼耗能量 ENVLOAD 指標，作為對於辦 公 建 築 外殼節能 設計的依據，目前已收到良好成效。然而，目 前 的 ENVLOAD 指 標 計 算 是 以 全 年 空 調 為 前 提 的 基 準 ， 對 於 許 多 小 型 辦 公 建 築 在 冬 季 與 春 秋 季 不 空 調 而 開 窗 通 風 的 間 歇 空 調 方 式 並 無 考 慮 ， 亦 即 對 於 部 分 通 風 減 少 空 調 之 評 估 不 足 ， 因 此 必 須 研 擬 開 窗 通 風 性 能 對 ENVLOAD 基 準 優 惠 修 正 之 必 要 。

在 泛 亞 熱 帶 與 溫 暖 氣 候 的 辦 公 建 築 在 涼 爽 季 節 ， 採 用 通 風 停 止 空 調 之 條 件 ， 在 於 細 長 平 面 的 自 然 通 風 設 計 ， 其 秘 訣 在 於 深 度 淺 的 平 面 設 計 。 深 度 淺 的 辦 公 大 樓 ， 在 亞 熱 帶 氣 候 到 溫 暖 氣 候 有 三 個 月 至 半 年 時 間 可 以 停 止 空 調 運 轉 ， 全 年 可 節 約 四 成 以 上 空 調 用 電 或 兩 成 以 上 的 總 用 電 量 。 例 如 前 圖 所 示 之 台 灣 政 府 辦 公 建 築 用 電 統 計 中 發 現 ， 以 細 長 平 面 與 個 別 空 調 系 統 設 計 之 辦 公 建 築 的 平 均 總 用 電 量 ， 僅 為 中 央 空 調 辦 公 建 築 的 八 成 而 已 （ 空 調 用 電 量 可 能 僅 為 六 成 ） ， 這 就 是 在 秋 冬 停 止 空 調 所 達 成 的 節 能 效 果 。

因 此 本 研 究 提 出 以 自 然 開 窗 減 少 空 調 建 築 耗 能 之 研 究 ， 實 驗 將 透 過 TMY2 氣 候 資 料 與 大 型 空 調 空 調 負 荷 模 擬 程 式 輔 助 DOE-2，決定空調 主 機 可 停 機 之 氣 候 條 件 ， 並 過 濾 出 各 地 氣 候 區 空 調 主 機 之 啟 停 季 節 ，

如 圖 3.4 所 示 ， 台 北 市 自 1 月 1 號 至 12 月 31 號 全 年 逐 時 氣 溫 之 折 線 圖 ， 可 知 氣 候 乃 一 不 穩 定 的 變 動 條 件 ， 但 透 過 氣 溫 資 料 的 篩 選 可 在 氣 溫 較 低 的 秋 冬 兩 季 選 擇 空 調 主 機 連 續 停 機 之 時 機 ， 然 後 以 DOE-2 進 行 動 態 解 析 模 擬 時 在 空 調 停 機 之 季 節 將 空 調 主 機 與 風 扇 關 閉 ， 並 以 空 調 主 機 關 機 前 後 的 建 築 外 周 區 顯 熱 負 荷 做 比 較 ， 便 可 得 知 關 閉 空 調 主 機 後 的 耗 能 量 比 例 ； 然 而 DOE-2 是 以 電 腦 計 算 與 精 密 分 析 之 動 態 解 析 軟 體 ， 建 築 ENVLOAD 外 殼 顯 熱 評 估 法 乃 簡 化 後 可 快 速 計 算 外 周 區 顯 熱 負 荷 之 公 式 ， 相 較 之 下 兩 者 皆 可 計 算 外 殼 顯 熱 負 荷 ， 但 後 者 是 前 者 修 正 後 較 簡 易 的 計 算 方 式 ， 所 以 用 DOE-2 模 擬 空 調 主 機 停 機 的 省 能 比 例 可 以 套 用 到 建 築 ENVLOAD 公 式，做 為 辦 公 建 築 自 然 通 風 優 惠 係 數 之 因 子。

圖 3. 4台北市全年氣溫變動圖

不 過 辦 公 建 築 自 然 開 窗 通 風 之 條 件 仍 有 一 些 限 制 ， 首 先 是 一 般 中 央 空 調 型 建 築 物 之 內 外 周 區 比 例 ， 因 為 過 去 使 用 中 央 空 調 之 建 築 設 計 是 以 機 械 手 段 控 制 室 內 環 境 的 角 度 思 考 ， 而 沒 有 考 量 到 自 然 通 風 換 氣 之 平 面 設 計 ， 倘 若 建 築 量 體 設 計 成 龐 然 大 物 時 內 部 便 不 符 合 單 面 開 窗 六 米 進 深 可 自 然 通 風 換 氣 以 雙 面 開 窗 時 12 米 進 深 可 自 然 通 風 的 限 制 ， 且 理 論 上 外 周 區 比 例 較 大 之 建 築 物 在 空 調 主 機 停 機 時 可 採 取 自 然 通 風 換 氣 的 區 域 較 大，省 能 效 果 越 顯 著；再 者 如 何 引 進 足 夠 之 新 鮮 外 氣 量 ， 以 平 衡 日 照 幅 射 熱 、 人 員 、 照 明 與 室 內 之 機 具 熱 能 ， 並 維 持 室 內 環 境 在 舒 適 之 範 圍 則 需 要 謹 慎 評 估 建 築 開 口 率 與 導 風 設 計 ， 若 建 築 物 之 開

口 率 與 導 風 設 計 不 良 ， 則 辦 公 建 築 開 窗 通 風 節 能 之 美 意 便 打 了 折 扣 ， 於 是 本 研 究 建 議 以 下 列 公 式 ， 除 了 以 DOE-2 模 擬 空 調 停 機 之 耗 能 折 減 因 子 之 外，加 入 了 外 周 區 比 γ 與可開窗面積比 φ，來對 ENVLOAD 採取優 惠 修 正 計 算 如 下 ：

ENVLOAD’＝ENVLOAD × 可停空調優惠係數 β

此 外 周 區 比 γ 與可開窗面積比 φ 所需之數據在原有 ENVLOAD 計算 中 已 具 備 九 成 之 數 據，並 增 加 不 了 3％ 之 計 算 量，但 對 一 些 通 風 性 能 良 好 的 辦 公 建 築 可 以 給 予 正 確 的 優 惠 評 估 。

第 四 節 研 究 方 法 與 工 具

在 進 行 本 研 究 前，本 節 須 先 說 明 研 究 之 流 程 步 驟 以 及 介 紹 使 用 的 研 究 工 具 ， 並 且 說 明 實 驗 模 擬 樣 本 的 設 定 條 件 以 利 日 後 研 究 之 進 行 。

壹 、 研 究 流 程

本 次 實 驗 之 流 程 圖 可 見 圖 3.5 說 明 1. 確 立 實 驗 動 機 目 的

首 先 是 確 立 辦 公 建 築 在 台 灣 之 秋 冬 兩 季 氣 候 較 不 嚴 熱 之 時 ， 可 關 閉 空 調 主 機 系 統 ， 以 開 窗 引 進 外 氣 自 然 通 風 ， 一 樣 可 以 塑 造 舒 適 良 好 之 室 內 環 境 ， 並 且 有 助 於 節 約 能 源 ， 然 而 現 行 中 央 空 調 型 建 築 物 須 通 過 審 查 的 外 殼 節 能 設 計 規 範 ENVLOAD 計 算 公 式 ， 只 針 對 全 年 使 用 空 調 之 建 築 物 評 估 ， 但 以 台 灣 之 氣 候 條 件 來 看 ， 採 取 自 然 通 風 之 手 法 不 但 可 以 達 到 節 省 能 源 、 減 少 空 調 開 支 與 響 應 京 都 議 定 書 減 少 二 氧 化 碳 排 放 等 多 重 目 標 ， 故 提 出 研 擬 修 正 ENVLOAD 係 數 之 構 想

圖 3. 5研究流程圖 2. 實 驗 理 論 與 方 法

外 殼 節 能 設 計 規 範 ENVLOAD 公 式 其 實 可 歸 納 為 空 調 動 態 解 析 模 擬 程 式 推 算 建 築 外 殼 顯 熱 負 荷 之 簡 算 式 ， 既 然 其 估 算 原 理 可 相 通 ， 因 此 回 歸 實 驗 的 原 理 ， 可 採 相 關 之 空 調 動 態 解 析 模 擬 軟 體 ， 把 原 本 空 調 可 停 機 季 節 之 逐 時 外 周 區 顯 熱 負 荷 以 動 態 模 擬 扣 除 ， 其 所 剩 下 空 調 主 機 運 轉 時 消 耗 的 能 量 便 是 外 周 區 顯 熱 負 荷 ， 故 求 得 空 調 主 機 停 機 後 之 外

外 殼 節 能 設 計 規 範 ENVLOAD 公 式 其 實 可 歸 納 為 空 調 動 態 解 析 模 擬 程 式 推 算 建 築 外 殼 顯 熱 負 荷 之 簡 算 式 ， 既 然 其 估 算 原 理 可 相 通 ， 因 此 回 歸 實 驗 的 原 理 ， 可 採 相 關 之 空 調 動 態 解 析 模 擬 軟 體 ， 把 原 本 空 調 可 停 機 季 節 之 逐 時 外 周 區 顯 熱 負 荷 以 動 態 模 擬 扣 除 ， 其 所 剩 下 空 調 主 機 運 轉 時 消 耗 的 能 量 便 是 外 周 區 顯 熱 負 荷 ， 故 求 得 空 調 主 機 停 機 後 之 外