數值模型建立

數值模型的建立與之後模擬結果的準確性有相當重要的關係，而數值模型的建立，

在此包括二個部分，首先是建立實驗屋模型，接著則是將模型各種不同建材由室外的最 外層至實驗屋內部層賦予其適當的參數。以下便分別就這二個部分進行介紹：

EnergyPlus 原以 Fortran 作為程式編寫語言，直到最新的 EnergyPlus8.2 版本之後改 為C++程式語言，並結合了模塊架構的形式，使得軟體結構易於維護及更新，而且在內 部的代碼在完全公開分享的情況下，任何使用者都可以根據研究上的需要，擴展新的模 擬計算功能。雖然 EnergyPlus 本身是相當卓越的建築耗能分析軟體，但 EnergyPlus 研 發團隊在過去一直將主要的精力，投入於開發這個模擬工具的核心計算程序及代碼上，

以至於目前輸入與輸出都是以 ASCII 文件格式，缺乏靈活與容易使用的三維模型建立 介面，是EnergyPlus 軟體的一大缺點。

雖然在2015 年的改版過後加入了簡單輸入的文件編輯器(IDFEditor)，但它僅是將 所有的輸入項目及輸出變量簡單羅列在一起，而在後續的版本也加入了 EP-Draw 作為 圖形繪製附件，但相對於專業的圖形建模工具，其功能還是太過於簡單，對於使用者的 學習與操作上帶來很大的困難(文25)。

隨著EnergyPlus 在建築耗能分析領域方面的應用愈加廣泛，許多的商用建築輔助設 計軟體，紛紛推出了與EnergyPlus 檔案格式轉換功能的輸出端口。同時因為 EnergyPlus 的研發團隊，目前將軟體開發工作聚焦於計算程序及代碼的完善，也鼓勵個人及民間公 司以EnergyPlus 作為核心模擬程序進行軟體的二次開發，逐漸在美國能源部的網站上，

研發團隊針對數個擁有，良好的數值模型三維幾何建模功能，並具備與EnergyPlus 軟體 檔案格式轉出及模擬計算結果數據轉入功能的軟體，做出了推薦。而其中 Euclid 軟體 可以是功能較為完備的一個附掛軟體，在本研究即選擇Euclid 軟體作為建模工具。

一、 Euclid 軟體簡介

Euclid 是由美國 Big Ladder Software LLC 公司所開發，而最初是來自於美國國家再 生能源實驗室，由最初的開發軟體Legacy OpenStudio 所擴展出來的。而再由美國加州 能源委員會提供資源來更新及擴展，並支持 Euclid 對其他能源的模型軟體，開發更具 有相容應用的模型格式。Euclid 是一個擴展 SketchUp 的軟體，以擅長採用幾何圖形輸 入創建與修改三維建模的軟體，舉凡建材熱傳導數據輸入、計算時間步長控制、室內人 員活動及設備使用時間表與發熱量調整、空調系統的建置、輸出之變量的選擇等，而許 多細部參數設定，都可以藉由即時的圖形回饋的功能，來導引使用者逐步完成一系列，

進行數值模擬計算前的基本工作。

另外當需要進行例如室內溫度變化趨勢、冷熱負荷量或空調系統耗電量，等不同項 目的模擬計算時，Euclid 軟體將自動轉出 ASCII 文件格式回傳到 EnergyPlus 軟體中進行 運算，最後將計算的結果再次回傳到 Euclid 軟體內，使用者可選擇圖形或文字檔案格 式來分析計算結果，整體使用過程相當直觀且簡便。

圖5-3 Euclid 軟體使用介面圖 圖 5-4 Euclid 軟體模擬溫度變化趨勢圖  (資料來源：文26) (資料來源：文 26)   

二、 實驗屋模型建立

由於EnergyPlus 本身所提供的建模介面較為複雜，因此進行建模時較難以快速且正 確的建立出所需要的模型。因此本研究在建模時，除了利用Sketch Up 2017 本身的建模 繪圖工具之外，也需要利用附掛軟體 Euclid(文 26)來輔助建模。前一節敘述中提到，

對於熱環境的模擬來說，為了減少模擬計算所花費的時間，使計算結果能在時間與精確 度之間取得平衡，因此建模時可以將實驗屋模型精簡化，只需建立空間及各空間開口部 與玻璃位置，即可獲得理想的模擬結果。

在下圖(5-5)及(5-6)為利用本研究實例全尺寸所建立之 3D 實驗屋模型，模型建立 是透過 SketchUp 軟體本身建模工具並搭配 Euclid 軟體完成。圖(5-5)便是在附掛軟體 Euclid 介面下所顯示的實驗屋模型。從圖中可以發現，實驗屋模型已被適當的簡化，整 個模型只包含屋頂、牆體、實驗屋空間開口部位置及室外水平與垂直遮陽板等部分。而 圖(5-6)中模型是以 OpenGL 顯示，因此模型被賦予其預設的材質顏色，可明顯看出牆 體、屋頂、開口部及水平與垂直遮陽板的所在位置。

圖5-5 使用 OpenGL 彩現前數值模型 圖 5-6 開啟 OpenGL 彩現後數值模型 (資料來源：本研究繪製) (資料來源：本研究繪製)

(一) 劃分室內熱分析計算區域

在完成數值模型建模後，本研究尚須進一步針對實驗屋室內熱分析區進行劃分，在 模擬幾何的建模上，是依據實際實例建模的，在EnergyPlus 模擬計算幾何模型時，並不 需要將建築模型的每一個空間都逐一建立，而是可將很多的空間組合併予以簡化。在 EnergyPlusy 熱分析區域(Thermal Zone)計算建築的耗能，計算時是假設熱分析區域內的 空氣狀態都是相同的，而只需要分別建立每個建築空間，為單獨的熱分析區域或是每個 功能相同的建築空間，為同一個熱分析區域。熱分析區域可以由一個或多個對室內環境 要求相同的空間所組成，這些空間可透過同一個開關裝置的空調設備，來達到開啟與關 閉。相反的EnergyPlus 在模擬熱分析區域上，也可以將建築空間劃分不同區域，而這些 不同熱分析區域內的空氣溫度分布模式及狀態，也是要均勻一致的，且溫度及濕度參數 是相同的。

EnergyPlus 劃分熱分析區域是熱學上的分區，而不是空間上的分區，主要是將建築 室內熱狀態相同或接近相同的空間劃分為同一個熱分析區域；而熱分析區域內的空間可 以是不相連通的。在一般實際建築空調系統上，一個空調區域空間，僅能採用同一套空 調系統，在EnergyPlus 中一套供空調系統，可以供給多個熱分析區域，也能設置一個區 域配置多套空調系統。另一方面EnergyPlus 劃分熱分析區域的原則上，是在能確保計算 準確的前提下，盡量減少熱分析區域與其空間熱表面數量；當EnergyPlus 計算性能較強 大時，對於計算的時間影響不大，但過多的熱分析區域會增加建模及計算的時間。

圖5-7 實驗組數值模型熱分析區域圖 圖 5-8 對照組數值模型熱分析區域圖

另外在劃分熱分析區域時值得一提的是，在每一個區域必須被繪製成封閉的多面體 時，當出現空缺牆體、地板、天花板或接合不完的整部分時，若空缺部位與室外空間連 接，這個空間將被系統自動視為「非熱分析區域」處理。EnergyPlus 在進行模擬計算時，

將視同於外遮陽或其它建築物外部構件，將於計算過程中影響其它區域表面陰影的分布 與輻射量的得熱計算，但本身並不會被納入室內溫度與冷熱負荷計算程序中，且無法輸 出模擬計算數據的結果，所以是否能精確進行熱分析區域的劃分，將影響到後續模擬結 果之準確性。

(二) 指定空調區域與系統類型

EnergyPlus 軟體對建築物空調耗能量的計算方法，是依據室內外熱源與建築物數值 模型本身的相關設定參數，於計算出室內各熱分析區域的瞬時熱得量及空氣溫度後求出 冷熱負荷量；並同步將每一個計算時間步長下，的冷熱負荷量傳到空調系統模塊，計算 出空調系統為達到暖房升溫或冷房降溫的設計室內溫度；整體系統包含熱泵、送回風機 組、壓縮機、冷凝器等部位的總耗電量。所以進行全年冷暖氣使用耗電量的預測前，必 須先指定哪些是熱分析區域是屬於空調空間，並且要建置空調系統、安排運行時間以及 調整冷房或暖房的室內設計溫度。在本次模擬中，將二個實驗屋之實驗組及對照組已拆 解為二個熱分析區域，而在空調系統建置方面，為簡化計算過程，遂利用了軟體本身內 建如圖(5-9)所示之簡易型空調系統，不再另行創建。

此外，在本研究中對於空調操作中冷氣使用耗能量進行探討，暖氣使用則不納入模 擬計算之探討範圍內，在冷氣運行時間表及實驗屋冷房設計室內溫度部分，則定為全日 24 小時運行，實驗屋冷房設計室內溫度為 22℃。

圖5-9 EnergyPlus 軟體內建空調系統節點圖 圖 5-10 空調系統及運行時間模塊圖

三、 相關建材參數設定與氣象資料導入 (一)相關建材參數設定

Euclid 軟體建模時，將一個基本空間區域分為外牆、分間牆、地板與天花板等四個 組合元素，而開口部分也同樣有四種不同類型元素可供選擇，依序為門、窗、洞及通風 口。在本次模擬中，我們必須對實驗屋的內外牆、地板、天花板、玻璃與隔熱膜等部位 建材進行熱傳計算時，設定所需要的參數。其中包含了材料類型及層次、厚度、比熱容、

熱傳導係數、對太陽輻射吸收或透過率等，並把各參數值填入於模型中各建材欄位內。

由於部分建材本身相關熱傳導計算參數很難確實得知，且因隔熱膜等光學參數又因 製造生產的廠牌不同，參數也不盡相同，而必須以複合材的方式來做計算；故除了必須 透過文獻查表獲得這些參數值以外，亦需透過Opint6.0 相關軟體本身的材質數據資料庫 協尋賦予隔熱膜參數，如圖(5-11)所示，以下表(5-1)及(5-2)分別說明本次模擬中所使 用的外牆、屋頂、地板、天花板各部剖圖與相關參數，及單層玻璃、隔熱膜等建材剖面 參數表（5-3）。

圖5-11 OPINT6.0 各種複合光學建材參數蒐集軟體資料庫

(資料來源：本研究整理)

表5-1 實驗屋各部建材剖面圖說表

表5-3 實驗屋單層玻璃與隔熱膜光學參數設定表

表5-3 實驗屋單層玻璃與隔熱膜光學參數設定表