台灣地區建築物室內自然通風模式之建立研究

台灣地區建築物室內自然通風模式

之建立研究

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 99 年 12 月

台灣地區建築物室內自然通風模式

之建立研究

研 究 主 持 人：陳

瑞 鈴

共 同 主 持 人：朱

佳 仁

研

究

員：劉文欽 黎益肇

研

究

助

理：王宇文 陳昭瑋 劉宗強

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 99 年 12 月

目 次

目次 ···I

表次 ···III

圖次 ···V

符號表 ···IX

摘要 ···XI

ABSTRACT ··· XV

第一章 緒論 ···1

第一節 研究緣起與背景 ···1

第二節 研究目的 ···2

第三節 研究方法與過程 ···4

第二章 文獻回顧 ···7

第一節 建築通風 ···7

第二節 通風模式 ···12

第三節 通風研究文獻 ···15

第三章 台灣氣象資料 ···23

第四章 風洞實驗 ···49

第一節 實驗配置與量測方法 ···49

第二節 實驗結果 ···53

第五章 TAIVENT 計算模式···61

第一節 多區塊模式 ···61

第二節 流量係數 ···66

第三節 TAIVENT 模式介紹 ···74

第六章 通風計算案例 ···79

第七章 結論與建議 ···93

第一節 結論 ···93

第二節 建議 ···94

附錄一 期中審查會議紀錄與意見回覆表 ···97

附錄二 期末專家座談會議紀錄與意見回覆表 ···99

附錄三 期末審查會議紀錄與意見回覆表 ···101

參考書目 ···105

表 次

表 2.1 各類建築物單位樓地板面積最小的通風量··· 8

表 2.2 台灣的室內空氣品質建議值 ··· 10

表 3.1 中央氣象局所屬地面氣象站資料表 ··· 24

表 3.2 風速計高度更動之年份與高度表 ··· 27

表 3.3 台灣地區人工觀測氣象站之 48 年平均氣象資料 ···· 28

表 3.4 台灣北部與中部部分城市風向之發生機率 ··· 41

表 3.5 台灣南部與東部部分城市各風向之發生機率 ··· 42

表 3.6 台北市各月份平均氣象資料 ··· 43

表 3.7 台北市春季逐時及日夜平均風速、溫度與相對濕度 · 44

表 3.8 台北市夏季逐時及日夜平均風速、溫度與相對濕度 · 45

表 3.9 台北市秋季逐時及日夜平均風速、溫度與相對濕度 · 46

表 3.10 台北市冬季逐時及日夜平均風速、溫度與相對濕度 47

表 6.1 台灣主要城市之氣象資料統計表 ··· 79

表 6.2 建築物之樓層高度與門窗尺寸··· 81

表 6.3 案例 1 各角度之通風量與換氣率 ··· 83

表 6.4 各案例在風向角 = 0

o

_{狀況下之通風量與換氣率 ···· 85}

表 6.5 案例 4 各開口參數 ··· 89

表 6.6 案例 4 結果 ··· 92

圖 次

圖 1.1 貫流通風與單側通風之示意圖 ··· 3

圖 1.2 研究流程圖 ··· 5

圖 2.1 通風路徑之平面示意圖(a)短路通風; (b)換置通風；(c)活

塞通風 ··· 11

圖 2.2 建構紊流模式的流程圖 ··· 14

圖 3.1 中央氣象局氣象站位置圖 ··· 25

圖 3.2 中央氣象局風向圖 ··· 26

圖 3.3 台北市各月份之平均風速分佈圖 ··· 31

圖 3.4 台北市全年和各季平均的風花圖 ··· 32

圖 3.5 台北市春季逐時平均風速變化圖 ··· 35

圖 3.6 台北市春季逐時平均溫度變化圖 ··· 35

圖 3.7 台北市春季逐時平均相對濕度變化圖 ··· 36

圖 3.8 台北市夏季逐時平均風速變化圖 ··· 36

圖 3.9 台北市夏季逐時平均溫度變化圖 ··· 37

圖 3.10 台北市夏季逐時平均相對濕度變化圖 ··· 37

圖 3.11 台北市秋季逐時平均風速變化圖 ··· 38

圖 3.12 台北市秋季逐時平均溫度變化圖 ··· 38

圖 3.13 台北市秋季逐時平均相對濕度變化圖 ··· 39

圖 3.14 台北市冬季逐時平均風速變化圖 ··· 39

圖 3.15 台北市冬季逐時平均溫度變化圖 ··· 40

圖 3.16 台北市冬季逐時平均相對濕度變化圖 ··· 40

圖 4.1 風洞實驗配置圖 ··· 51

圖 4.2 壓克力模型圖 ··· 51

圖 4.3 風洞實驗配置之示意圖 ··· 52

圖 4.4 壓力掃瞄器 ··· 52

圖 4.5 壓力訊號處理系統 ··· 52

圖 4.6 皮托管 ··· 53

圖 4.7 薄膜式壓力計 ··· 53

圖 4.8 風向角之示意圖(上視圖)··· 53

圖 4.9(a) 風向角 = 0

o

_{，迎風面(第 1 面)平均風壓分佈圖 ··· 55}

圖 4.9(b) 風向角 = 0

o

，背風面(第 3 面)平均風壓分佈圖··· 56

圖 4.9(c) 風向角 = 0

o

，側面(第 2 面)平均風壓分佈圖 ··· 56

圖 4.10(a) 風向角 = 22.5

o

，第 1 面的平均風壓分佈圖··· 57

圖 4.10(b) 風向角 = 22.5

o

，第 2 面的平均風壓分佈圖 ···· 57

圖 4.10(c) 風向角 = 22.5

o

，第 3 面的平均風壓分佈圖··· 58

圖 4.10(d) 風向角 = 22.5

o

，第 4 面的平均風壓分佈圖 ···· 58

圖 4.11(a) 風向角 = 45

o

_{，第 1 面的平均風壓分佈圖 ··· 59}

圖 4.11(b) 風向角 = 45

o

_{，第 2 面的平均風壓分佈圖 ··· 59}

圖 4.12 擋風牆對表面風壓影響之實驗配置圖(側視圖) ··· 60

圖 5.1 建築物有室內隔間風壓通風之示意圖 ··· 62

圖 5.2 有室內隔間之建築物貫流通風之示意圖 ··· 64

圖 5.3 風向角 = 0°，不同開口面積之流量係數與雷諾數關係圖

··· 67

圖 5.4 百葉窗、紗網和斜開窗模型之影像圖 ··· 68

圖 5.5 百葉窗葉片的傾斜角度示意圖 ··· 69

圖 5.6 室內隔間模型裝上門之示意圖與影像圖 ··· 71

圖 5.7 風向角 = 0°，r

1 = 6.25%，百葉窗之流量係數與雷諾數

關係圖 ··· 72

圖 5.8 風向角 = 0°，r

1 = 6.25%，紗窗和斜開窗之流量係數與

雷諾數關係圖 ··· 72

圖 5.9 不同門開闔角度之流量係數與雷諾數關係圖 ··· 73

圖 5.10 通風模式 TAIVENT 的首頁 ··· 75

圖 5.11 建築物座落位置與環境參數的輸入介面 ··· 75

圖 5.12 建築物尺寸參數的輸入介面 ··· 76

圖 5.13 建築物開口參數的輸入介面 ··· 76

圖 5.14 建築物與開口參數的檔案儲存介面 ··· 77

圖 6.1 矩形建築物示意圖 ··· 80

圖 6.2 建築物座向與盛行風向之示意圖 ··· 81

圖 6.3 案例 1 的樓層平面圖(上視圖) ··· 82

圖 6.4 有擋風牆影響之案例 1 之示意圖 ··· 83

圖 6.5 案例 2 的樓層平面圖(上視圖) ··· 84

圖 6.6 案例 3 的樓層平面圖(上視圖) ··· 85

圖 6.7 案例 4 的樓層平面圖(上視圖) ··· 86

圖 6.8 案例 4 計算時各區塊之示意圖 ··· 88

圖 6.9(a) 案例 4 在風向角 = 0

o

時，開口無加裝物之通風量示意

圖 ··· 90

圖 6.9(b) 案例 4 在風向角 = 90

o

時，開口無加裝物之通風量示

意圖 ··· 90

圖 6.9(c) 案例 4 在風向角 = 180

o

時，開口無加裝物之通風量示

意圖 ··· 91

符號表

A (m2_{) ： 開口面積} Ar ： 室外開口面積與室內開口面積比 ACH (hr-1_{) ： 換氣率} Bm (cm) ： 壓克力模型寬度 Cp ： 平均風壓係數 Cd ： 流量係數 Cdr ： 室外開口流量係數與室內開口流量係數比 D (m) ： 建築物整棟寬度 Dm (cm) ： 壓克力模型長度 H (m) ： 建築物整棟高度 Hb (m) ： 壓克力平板高度 Hm (cm) ： 壓克力模型高度 P (Pa) ： 表面壓力 Po (Pa) ： 參考壓力 Pr (Pa) ： 室內壓力 Q (m3_{/s) ： 通風量} Re ： 雷諾數 r ： _鬆弛係數 r1 ： 開口面積與牆面積比 tb (m) ： 壓克力平板厚度 U (m/s) ： 室外風速 Uo (m/s) ： 風洞實驗的風速 Umet (m/s) ： 氣象局風速 U(z) (m/s) ： 於空間高度Z 處之風速 W (m) ： 建築物整棟長度 Wb (m) ： 壓克力平板寬度 Z (m) ： _{建築物高度Z 處} Zmet (m) ： 氣象局風速計高度 x/D ： 開口處無因次長度 y/W ： _{開口處無因次寬度} z/H ： _{開口處無因次高度}  ： _地況指數

 ： 修正因子(Ar1‧Czr1)  ： 修正因子(Ar2‧Czr2) L (deg.) ： 百葉窗葉片角度 deg. ： 外推窗與開口夾角 deg. ： 建築物座向與正北方的夾角  (Pa) ： 壓力修正值 V ： _{室內空間的體積}  ： _換氣效率 deg. ： 風向角 kg/m3_{) ： 空氣密度} hr ： 室內空氣更新所需的時間尺度 〈〉hr ： 室內平均空氣齡

摘 要

關鍵詞：室內通風、風洞實驗、多區間通風模式、TAIVENT 一、研究緣起 台灣的建築物普遍地使用空調冷氣來改善室內環境，但是使用機械通風的設 備，亦會耗損大量的能源。若能有效地利用自然通風維持室內居住環境，將可達到 建築物節能、減碳之目的。自然通風主要依賴室外自然的風力及室內外的溫差（浮 力）驅使室內外空氣交換、流動。但室外風速和氣溫與時俱變，自然通風不易控制。 因此若想充分利用自然通風創造舒適的室內環境，必須有一個通風模式可以針對建 築物基地的氣象條件（風速、風向、溫濕度），計算各種建築設計（座向、開口位置、 大小及室內隔間）自然通風的通風量與換氣率。 二、研究方法及過程 本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 25 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。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，並將各風向之表面風壓資料成立一個資料庫，供模式使用。TAIVENT 模

式為了方便使用者輸入建築物的相關參數，利用 Visual Basics 程式語言寫了一個

Windows 中文介面程式，通風流量的計算則採用 Fortran 程式撰寫。TAIVENT 模式

的使用者僅需在Windows 介面上輸入建築物的相關參數，便可執行建築物通風量的 計算，最後再將計算得之通風量和換氣率存入指定的檔案內即可。 三、重要發現 1. 本計畫分析整理了中央氣象局在台灣地區的 25 個地面觀測站 48 年氣象資 料，這些資料不僅是可以用於建築業者設計之用，也可以提供其他學術研究作為台 灣氣象資料的參考。從台灣地區的月平均溫度、風速資料來看，台灣的春、秋、冬 三季適合使用風壓通風，一般住家可以避免使用冷氣，僅使用自然通風與風扇即可。

2. 由 TAIVENT 模式計算得之結果可以看出：建築物的座向、開口位置、大小 及室內隔間皆與風壓通風有著密不可分的關係。而裝上紗網與百葉窗的通風量略小 於無加裝物的通風量。若想充分利用風壓通風，可在建築物迎風面、背風面設置可 開關的大型開口（落地窗），且可藉由控制內部開口的面積來調節通風量。對於尚未 興建之建築物，建築師可利用 TAIVENT 模式找出最能配合當地氣候條件的建築設 計，對於已興建之建築物，亦可利用TAIVENT 模式評估建築物可使用風壓通風的季 節與時段。 四、主要建議事項 根據本計畫的研究成果，研究單位在此提出下列建議，以下分別從立即可行的 建議及長期性建議加以列舉。 1. 立即可行之建議： 研究浮力通風對台灣建築物的適用性： 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、行政院公共工程委員會 本研究所發展的TAIVENT 模式屬於初步發展階段，僅考慮風壓通風對建築通風的影 響。其實自然通風包括風壓通風與浮力通風，因此未來的研究計畫可以針對台灣的 氣候特性，探討在不同的建築設計(譬如天窗、煙囪在屋頂的開口)下，浮力通風在台 灣地區常見建築物的適用性，並在TAIVENT 模式中加入浮力通風的計算。後續的研 究可讓TAIVENT 模式更加的完善，成為國內業界設計建築通風的工具，讓自然通風 真正地在台灣落實，減少建築物的耗能。 2. 長期性建議： 研究室內障礙物對建築物通風的影響 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、行政院公共工程委員會

本研究所發展的 TAIVENT 模式目前可以計算建築物各種室內隔間的通風量與換氣 率，但無法計算室內有大型障礙物，如屏風、書架、傢俱、樑柱或辦公室隔間(Partition) 等的通風量。不僅TAIVENT 模式無法考慮室內障礙物，國外所發展的多區塊模式亦 無法計算室內障礙物對於通風量的影響。因此未來可採用阻抗模式(Resistance model)，研究各種常見傢俱對氣流所造成的阻抗，再計算對建築物通風量影響的程 度，讓設計者可以清楚的知道室內阻抗如何影響建築物通風量與換氣率。

Abstract

Keywords: Building ventilation, Wind tunnel experiment, Multizone model, TAIVENT

This study developed a multizone ventilation model TAIVENT to calculate the ventilation rate and air exchange rate for typical residential buildings in Taiwan. The ventilation model is based on the mass conservation and orifice equation for wind-driven ventilation. The 1961~2008 weather data (wind speed, wind direction, air temperature and humidity) from the Central Weather Bureau were analyzed and used for the model. The results revealed that wind-driven ventilation is suitable for Taiwan during the seasons of spring, autumn and winter. Furthermore, the pressure distributions around a rectangular building under various wind directions were measured by wind tunnel experiments. Besides, the TAIVENT model has a user-friendly Windows interface that can key the parameters of the building design, e.g. location and size of external and internal openings, with or without screen, louver, etc. This model can predict the ventilation rate and air exchange rate of each room in the building. By using the TAIVENT model, architects could find out the best building design for wind-driven ventilation, and could effectively decrease utilization of mechanical ventilation. Based on the simulation results of TAIVENT, large openings on the windward and leeward façades can promote wind-driven ventilation and the ventilation rates of multi-room buildings could be regulated by adjusting the internal opening area.

第一章 緒論

第一節 計畫緣起

眾所周知，台灣夏季的濕熱氣候使得建築物大量使用空調冷氣來改善室內環 境，但是使用這些空調設備，亦會耗損大量的能源。若能有效地利用自然通風協助 或維持室內居住環境，將可達到節能減碳之目的(Santamouris and Wouters, 2006)。依

據2000 年國際能源總署(IEA)的報告(Annex 35)中指出，歐洲國家的辦公樓有效利用

自 然 通 風 可 以 降 低 建 築 能 耗 達 50% 以上。英國建築研究機構(British Research Establishment, Conservation Support Unit, BRE CSU)的研究結果表明，採用自然通風

和採用空調的辦公大樓相比，每年節省的冷卻耗能為14 ~ 41 kWh/m2，減少的費用為 1.3 ~ 3.6 美元/m2。 除此之外，自然通風可去除有害的室內污染物，改善室內空氣品質(Indoor Air Quality, IAQ)。室內空氣品質和室內的溫度、濕度、通風、噪音、光線合稱為室內環 境。室內環境的良窳對於建築物使用者有明顯的影響，室內環境不佳的建築物，輕 者造成建築物使用者不舒服的感覺，影響到使用者的居住品質或工作效率；嚴重者 可能發生「病態大樓症候群(Sick Building Syndrome)」，譬如 2003 年 SARS 病毒在香 港淘大花園社區的迅速傳播。 但建築物使用自然通風亦有其限制，自然通風主要依賴室外自然的風場（風力） 及室內外的溫差（浮力）驅使室內外空氣交換、流動。當室外無風，或室外氣溫太 高及太低，或室外空氣污染太嚴重時，自然通風便不適用。且室外風速和氣溫與時 俱變，自然通風不易控制。因此若要定量評估自然通風的適用性，必須對建築物基 地的風場及氣候條件的變化有深入的瞭解。 除此之外，建築物的設計亦會影響自然通風的適用性，譬如建築物的外型、座 向、開口位置、大小及室內隔間皆與自然通風有著密不可分的關係。若想充分利用 自然通風創造舒適的室內環境，必須針對建築物基地的風場及氣候條件，找出有利 於自然通風之建築設計。換言之，必須有一個自然通風模式可計算不同風速、風向、 溫濕度狀況下，各種建築設計（外型、座向、開口位置、大小及室內隔間）自然通

風的換氣率。

通風計算模式可定量評估各種建築物自然通風的適用時段，甚至可利用智慧型 控制系統，依據室外風場、氣溫的狀況，自動控制建築物開口的大小及開闔，在自 然通風與機械通風系統之間切換，達到充分利用自然通風，減少建築耗能的目的。

國 外 已 有 許 多 個 計 算 建 築 物 通 風 的 計 算 模 式 ， 譬 如 計 算 流 體 動 力 學 (Computational Fluid Dynamics, CFD)模式和多區塊模式(Multizone model)。多區塊模

式皆是依據質量守恆原理計算各個房間之間的通風量，譬如 COMIS、CONTAM、 MMPN、POMA 模式。但這些模式有些是適用於機械通風，有些模式未考量室內隔 間、開口是否有紗網、百葉窗對室內氣流的影響。且這些模式皆未考量台灣的建築 特性及氣候狀況，使得國內建築師大多無法有效利用台灣氣候條件的優勢，避開其 缺點，設計出自然通風的節能建築。

第二節 研究目的

自然通風可分為風壓通風與浮力通風(Etheridge and Sandberg; 1996)，風壓通風 (Wind-driven ventilation)依靠自然風力作用在建築上所造成的風壓差異，造成空氣流 動與室內外的空氣交換；浮力通風(Buoyancy-driven ventilation)則藉由溫度差異所造 成的浮力，促使空氣上下對流。浮力通風適用於室內垂向的溫度差異大，且上下開 口高度距離大的建築物，譬如有中庭(Atria)挑高的建築物，便可利用浮力通風將熱空 氣由上方的開口排出(Linden, 1999)。 風壓通風適用室外風場恆定、進風口與出風口皆在同一樓層的建築物，譬如住 宅、教室、小型辦公樓等建築，氣流由建築物的迎風面開口灌入，於背風面開口流 出，如圖 1.1 所示，此種流況又稱為貫流通風(Cross ventilation)或穿堂風(Through flow)，其通風效果最佳。江哲銘 (1997)指出當室外風速超過 1.5 m/s 時，風力即可促 成 自 然 之 換 氣 。 若 僅 迎 風 面 有 開 口 或 僅 背 風 面 有 開 口 的 單 側 通 風(Single-sided ventilation)，亦可造成風壓通風，但通風效果較差(Awbi, 2003)。

圖1.1 貫流通風和單側通風之示意圖 資料來源：本研究整理 風壓通風受許多因素的影響，譬如室外的風速、風向、建築物的外型、門窗開 口的面積大小、位置、形式、室內隔間、傢俱擺設、周遭建物的配置等因素。因此 針對一棟尚未興建的建築物，定量評估其室內自然通風量較為困難。自然通風的優 點為節省能源，適用於住宅、小型的室內空間。但缺點為通風量受室外風場的影響， 較難控制通風量，且不適用於大型的公共空間。 因為台灣夏季室外氣溫高，單一樓層建築物不易藉由浮力通風達到散熱通風之 效果。反之，通風良好的住宅、教室、辦公樓等建築，風壓通風可以有散熱的效果。 本計畫因為研究時程只有一年，故僅針對風壓通風進行研究，未來則可將通風模式 擴充至包括浮力通風的計算。 本研究發展了一個適用於台灣地區的風壓通風之計算模式 TAIVENT (Taiwan

Natural Ventilation Model)，模式可藉由中文的 Windows 介面輸入建築物座向、開口 位置、大小及室內隔間等參數、基地的風場、氣象資料(風速、風向、氣溫、濕度)， 或利用中央氣象局各地的氣象資料，計算建築物風壓通風的通風量與換氣率，進而 評估一般建築物可使用風壓通風的時段。對於尚未興建之建築物，亦可利用此模式 找出有利風壓通風之建築設計。具體而言，本研究的目的包括下列四項： 一、分析1961 ~ 2008年間中央氣象局全台25個地面氣象站的氣象資料(風速、風向、 氣溫、濕度等)，進而計算各地各月份的溫濕度、平均風速與盛行風向。以統計 各地最常發生的盛行風向、平均溫濕度與平均風速。並將分析的結果建立成一 個資料庫，可查詢台灣各地風場資料之用。 二、 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

個風壓資料庫以供計算建築物風壓通風之用。這部份的研究使用內政部建築研 究所的風洞實驗室來進行，利用多頻道壓力掃瞄計量測壓克力縮尺模型的表面 風壓值，風向共分為16種風向，每種風向量測各個表面的風壓分佈。實驗結果 整理後已建立第二個資料庫，供通風模式計算建築物之通風量。 三、 發展一個風壓通風的計算模式TAIVENT，用於計算建築物在各種座向、開口位 置、面積大小、室內隔間的狀況下，建築物的通風量與換氣率。國內的建築師 可利用TAIVENT模式計算各種建築設計之通風量與換氣率，以設計出最能配合 當地氣候條件的建築設計(座向、門窗開口之位置、面積大小、室內隔間)，提 升國內建築節能的技術。 四、 TAIVENT模式發展完成後，可結合台灣中央氣象局各地的風場、氣象資料庫， 或輸入基地的風場（風速、風向）及氣象（氣溫、濕度）資料，並針對台灣常 見住宅式建築物及室內隔間方式，定量評估風壓通風的適用性及特性，以期找 出有利於風壓通風的建築設計。 對於已完工之建築物，亦可利用TAIVENT模式計算建築物在不同季節，適合使 用自然通風的時段(白天、夜晚)或時數，以減少建築物對機械通風的依賴，有效達到 建築物節能、減碳之目的，並創造舒適的室內環境。

第三節 研究方法與過程

本計畫依據通風理論與流體質量守恆原理，建構一個適用於台灣地區的自然通 風模式TAIVENT，可計算多區間建築物(Multi-zone)的通風量與換氣率。模式利用台 灣中央氣象局各地氣象站的氣象資料，或自行輸入建築基地的盛行風向、平均風速、 溫濕度等氣象資料，配合風洞實驗量測得之建築物表面風壓，便可計算多區間建築 的風壓通風之通風量或換氣率，計畫執行步驟如圖1.2 所示。

圖 1.2 研究流程圖 資料來源：本研究整理 本計畫已完成之氣象資料統計分析，建立台灣各地的盛行風向、平均風速、溫 度與濕度等氣象資料之資料庫，可供建築業者及各界研究、查詢之用。第二部份的 風洞實驗已在2010 年 7 月到建築研究所的風洞實驗室量測矩形建築物在不同風向角 下的表面風壓分佈，並將表面風壓係數建立成一個資料庫。第三部份TAIVENT 模式 建構部分也已完成多區間建築物的通風量計算。第四部分則利用TAIVENT 模式計算 台灣常見之住宅式建築物及室內隔間方式的風壓通風量與換氣率，評估風壓通風的 適用性及特性。 本研究報告共包括七章，主要章節內容為：第一章為緒論，說明研究的背景、 研究目的、研究方法與過程及各章的內容；第二章介紹建築通風的理論及相關的國 內外通風研究文獻，包括室內換氣率與通風量的計算、各種通風計算模式的應用； 第三章說明台灣地區氣象資料分析之結果，與氣象資料庫的建立；第四章描述風洞 實驗使用的儀器、方法與實驗結果；第五章主要敘述TAIVENT 通風模式、計算流程 模式假設 控制方程式 TAIVENT 模式 模式預測 風場條件 建築設計 計算換氣率 驗證模式 No Yes 修正 收集氣象資料 資料分析 風洞實驗 實驗結果分析

及使用介面；第六章列舉幾個通風計算案例，並利用計算結果說明風壓通風之特性； 第七章為結論與建議事項。附錄為期中簡報審查意見與回覆。

第二章 文獻回顧

第一節 建築通風

建築物通風之目的在於提供室內新鮮的空氣，移除或稀釋室內污染物，使得室 內 具 有 建 築 物 使 用 者 可 接 受 的 空 氣 品 質 。 建 築 物 可 藉 由 機 械 通 風(Mechanical ventilation)或自然通風(Natural ventilation)的方式來達到建築物換氣的需求，但機械通 風耗費能源，自然通風不穩定，各有其利弊。必須經由相關的研究瞭解這兩種通風 方式的適用條件與狀況，方能找出最佳的建築通風設計。

建築物換氣的頻率可由換氣率(Air exchange rate)來定義：

V Q

I (2-1)

式中V為室內空間的體積，Q 為流入室內的空氣流量，因次為[L3/T]。換氣率的因次

為[1/T]，若換氣率的單位採用[1/hour]，換氣率可稱為小時換氣率(Air change per hour, ACH)。換氣率代表單位時間內換置相當室內體積空氣量之次數。換氣率愈大，表示 室內空氣更新的頻率愈高，空氣愈容易流通。

許多國家皆針對建築物換氣率訂定標準，美國環保署室內空氣品質規範(US EPA, Building Air Quality, 1998)建議在不裝設機械通風設備的狀況下，住宅之最低換 氣 率 須 維 持 在 0.35 ACH 。 加 拿 大 建 築 規 範 (Canadian Standards Association, CAN/CSA-F326, 1995)關於住宅通風系統的部分建議住宅的客廳、餐廳通風量必須達 到5 liter/sec，主臥室的通風量 10 liter/sec，平均換氣率必須維持 0.3 ACH 以上。日 本工業標準(JIS, 2003)建議：住宅換氣率必須達到 0.5 ACH，非住宅換氣率必須達到 0.3 ACH。

表2.1 為台灣建築技術規則建築設備編(2009)第 102 條訂定各類建築物單位樓地

表2.1 各類建築物單位樓地板面積最小的通風量 建築物 _(m通風量 3_/hr/m2₎ 臥室、起居室、私人辦公室等容納人數不多者 8 辦公室、會客室 10 工友室、警衛室、收發室、詢問室 12 會議室、候車室、候診室等容納人數較多者 15 展覽陳列室、理髮美容院 12 百貨商場、舞蹈、棋室、球戲等康樂活動室、 灰塵較少之工作室、印刷工場、打包工場 15 吸煙室、學校及其他指定人數使用之餐廳 20 營業用餐廳、酒吧、咖啡館 25 戲院、電影院、演藝場、集會堂之觀眾席 75 營 業 用 60 廚房 非 營 業 用 35 住宅內浴室或廁所 20 公共浴室或廁所，可能散發有害氣體之工廠 30 汽車庫 25 資料來源：本研究整理 除此之外，人體對於風速的感受因人而異，一般人當風速大於0.5 m/s 時可受到 氣流的運動；風速在1.0 m/s 以下時，可將人體的熱量帶走，在濕熱的環境中，多數 人感到涼爽、愉快的感覺。但在寒冷的冬季，則風速可能會有不舒服的感受；當室 內風速超過2.0 m/s，桌面上紙張會被吹散、亂飛，會影響辦公室類型的工作。因此 必須限制室內風速在一個合理範圍。 室內氣溫對建築物使用者的熱舒適(Thermal comfort)與否亦有極大的影響。但因 為不同季節會有不同的衣著量，歐盟2007 年訂定之室內環境標準(EN 15251)建議：

夏季室內氣溫應介於 23~26oC，冬季室內氣溫介於 20~24oC。台灣環保署(2005)建議 室內氣溫應介於15~28oC 之間，見表 2.2。台灣位於北回歸線上，地處亞熱帶及熱帶 之間，夏天不僅氣溫高、濕度亦高。 MacFarlane (1958)就觀察到緯度 30 度以內的地區，當相對濕度高時，人體所能 忍受的高溫就較低，他建議相對濕度低於 60 %時，人體可接受氣溫(乾球溫度計)介 於24~30oC 之間。當相對濕度超過 60 %時，相對濕度每增加 10 %，人體可接受氣溫 就要降低0.8oC。換言之，相對濕度 90 %時，人體可接受氣溫介於 21.6~27.6oC 之間。 MacFarlane (1958)也發現室內的微風可增加人體所能忍受的溫度範圍，他建議風速低 於1.0 m/s 時，風速每增加 0.15 m/s，人體可接受氣溫可增加 0.55oC。換言之，室內 的風速0.9 m/s 時，人體可接受氣溫介於 27.3~33.3oC 之間。Evans (1979)建議當相對 濕度介於 50~70 %時，白天的熱舒適氣溫範圍介於 23~29oC 之間，晚上的熱舒適氣 溫範圍介於17~23oC。 換氣率的倒數則可視為室內空氣更新所需的時間尺度(Time scale)： Q V   (2-2) 此時間尺度可作為評估室內空氣更新快慢的指標(Roulet, 2008)，時間尺度愈大，空 氣滯留於室內的時間愈長，室內通風愈差，污染物愈容易累積於室內而使得空氣品 質惡化。

Etheridge and Sandberg (1996)定義換氣效率(Air exchange efficiency)為空氣更新 的時間尺度與兩倍室內平均空氣齡〈〉之比值： τ η 2 τ   (2-3) 式中〈〉為室內平均空氣齡(Mean age-of-air)，定義為室內所有點的局部空氣齡(Local age-of-air)之平均值。局部空氣齡的定義為新鮮空氣由入口處流動至空間中任一點所 需之平均時間。空氣齡之長短會隨所處之位置不同而有所變化，可用示蹤劑(Tracer gas)加以量測。

表 2.2 台灣的室內空氣品質建議值 (環保署, 2005) 污染物濃度 第一類場所 第二類場所 平均時間 二氧化碳(CO2) 600 ppm 1000 ppm 8 hr 一氧化碳(CO) _{2.0 ppm 9.0 ppm 8 hr} 臭氧(O3) 0.03 ppm 0.05 ppm 8 hr 甲醛(HCHO) 0.1 ppm 0.1 ppm 1 hr 揮發性有機物(VOC) 3.0 ppm 3.0 ppm 1 hr 懸浮微粒(PM10) 60 g/m3 150 g/m3 24 hr 懸浮微粒(PM2.5) 100 g/m3 100 g/m3 24 hr 細菌 500 菌落數/m3 1000 菌落數/m3 最高值 真菌 1000 菌落數/m3 1000 菌落數/m3 最高值 溫度 _{15 ~ 28} o_{C 15 ~ 28} o_{C 1 hr} 第一類場所：對室內空氣品質有特殊要求的場所，包括學校、兒童遊樂場所、醫療 院所等。 第二類場所：一般公共場所，包括辦公大樓、營業、展覽場所、地下街、車站及大 眾運輸工具等。 資料來源：環保署 換氣效率與室內氣流型態有關，若 < 50%，則為短路通風(Short-circuiting ventilation)，此種流況進入室內的空氣，未完全混合室內空氣，就直接由最近之開口 流出，如圖2.1(a)所示。此種流況未能完全換置原本滯留在室內的空氣，部分空氣停 留在室內的時間短於平均空氣齡，但其他空氣滯留在於室內的時間長於平均空氣 齡。換言之，換氣效率不佳；若50%，室內氣流為完全混合狀態(well-mixed)，排 氣口濃度等於室內濃度；若 50% <  100%，室內氣流為置換式(Displacement ventilation)氣流型態，如圖 2.1(b)所示；若 = 100%，室內氣流稱為活塞通風(Piston ventilation)，如圖 2.1(c)所示，進入室內的空氣完全換置原本在室內的空氣，通風效 率最佳。

圖 2.1 通風路徑之平面示意圖(a)短路通風；(b)換置通風；(c)活塞通風 資料來源：本研究整理

(c)

(a)

第二節 通風模式

建築物的換氣率及通風效果可藉由數值模式來計算，而計算室內風場及其傳輸 現象的通風模式可分為：全域模式及多區塊模式，以下分述之： 1. 全域模式(Field model)： 將 室 內 空 間 格 網 化 ， 依 據 連 續 方 程 式(Continuity eqn.) 、 那 維 爾 – 史 托 克 (Navier-Stokes eqns.)方程式和擴散方程式，配合上適當的邊界和初始條件，採用數值 方法計算各個格網點上的風速和濃度，此法又稱為計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)。其優點為可以計算出流場的細部變化，但缺點為模式複雜， 且計算量大(Awbi, 2003)。全域模式的計算結果會受到模式的設定（譬如模式參數、 格網大小、邊界和初始條件等因素）的影響，因此計算結果必須與相同流況之實驗 數據比對以驗證其正確性(Chen, 2009)，如圖 2.2 所示。

室內通風最常使用的數值模式為k紊流模式，此模式乃Launder & Spalding

(1974)首先提出，他們建議紊流流場中，紊流黏滯係數為紊流動能 k 及動能消散率 的函數：   _T c_ k2 (2-4) 其中c 為模式常數，亦即紊流動能愈大或動能消散率愈小，則紊流黏滯係數愈大。 除了時間平均之連續方程式和那維爾–史托克方程式，k模式還包含紊流動能及 動能消散率的控制方程式： 0 x U i i _   (2-5) i 2 T i i _U x P 1 Dt U D _{ }      (2-6)                                   j i i j j i T i T i x U x U x U x k c x Dt Dk (2-7) k c x U x U x U k c x c x Dt D 2 2 j i i j j i T 1 i T i                                       (2-8) 下標i, j = 1, 2, 3 為空間指標，模式常數 c = 0.09，c = 1.3，c1 = 1.44，c2 = 1.92，c

= 1.0 皆是經由模式計算結果與實驗數據比對而得。三維流場中此模式有 7 個控制方 程式，利用數值方法可求得7 個未知數(3 個流速U_i，壓力P，k，，_T)。   k 模式雖可用於計算非均質性紊流，但不適用於非等向性紊流。譬如十分靠 近邊壁處，垂直於邊壁之紊流速度受到抑制而變小，水平向的紊流速度則不受影響， 屬於非等向性紊流。故在計算邊界層流時，邊壁處需使用邊牆函數(Wall function)。   k 模式的缺點為：此模式假設動能消散率與大尺度渦流有關，而與最小渦流無 關，但這假設與紊流能量消散的理論並不相符。 除了k模式之外，計算紊流流場的數值模式還包括大渦模式(Large Eddy

Simulation, LES)、雷諾剪應力模式(Reynolds Average Navier-Stokes, RANS)、紊流黏 滯係數模式(Eddy viscosity model)等，這些紊流模式都較k模式更複雜，計算時間

更長，需要更多的計算資源（電腦容量、記憶空間）。但因為數值模擬所需經費較實

驗低，因此廣泛應用於各種風場問題。此種應用計算流體動力學於風工程的方式又 稱 為 計 算 風 工 程(Computational Wind Engineering) 或 數 值 風 洞 (Numerical Wind Tunnel)，關於紊流模式的細節可參見朱佳仁 (2006)。

此外，使用紊流模式計算室內風場必須注意：室內風場的雷諾數 Re 約為

1000~10,000，是介於層流(Laminar flow)和弱紊流流場(Weak turbulent flow)之間，計 算此類的流場必須採用很細的計算格網(Computational mesh)，方能得到正確的計算 結果。且建築物開口處往往有紗窗、百葉窗等，計算模式若不能模擬其阻滯氣流的 效應，則計算結果將無法應用於實際的室內風場。

圖 2.2 紊流模式的流程圖 資料來源：本研究整理 2. 多區間模式(Multizone model)： 將室內空間依照其房間的隔間分為數個區塊(Zone)，將單一區塊當成一個完全 混合(Fully mixed)的控制容積。流經門窗等開口的通風量可利用孔口方程式(Orifice equation)來計算： d 2 P Q C A     (2-9) 式中A 為開口面積，P = P1 - Pi為室外和室內壓力的差值，為空氣密度，Cd為流量 係數(Discharge coefficient)。此式是依據流體力學的伯努利方程式(Bernoulli equation) 推導而得，但流量係數Cd與開口的幾何形狀、風速、風向有關(Chu et al., 2009)。 模式假設 控制方程式 數值方法 計算結果 初始條件 邊界條件 預測流況 驗證模式 流場可視化 No Yes 修正

依據質量不滅定律定理，區塊之內某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。同樣地，依據能量守恆定理，區塊 之內溫度變化必定是因為有熱量流入或流出或是因為有熱源所造成的。因此計算在

一段時間t之內，流入和流出區塊的物質總量和熱量總量便可得區塊內物質濃度和

溫度的變化。此種模式又稱為網路模式(Network model)，譬如 CONTAM、COMIS、 MMPN、POMA 模式(Feustel, 1999; Dascalaki et al., 1999; Ren and Stewart, 2003; Haghighat et al., 2001)。其優點為計算簡單，但缺點為無法得知各個區塊之內的風場 和濃度、溫度的分佈。

第三節 通風研究文獻

以下針對近年來國內外利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,

CFD)、多區間模式(Multizone model)、風洞實驗與實場監測等方式研究建築物通風的 重要文獻做一個回顧： 1. 計算流體力學(CFD)： 周伯丞 (2000)針對台灣地區的氣候環境，運用紊流模式配合全尺寸之環境實驗 室的實測數據，針對室內風場及換氣量方面進行驗證比對。其研究結果顯示：標準   k 紊流模式與低雷諾數k模式均可用來模擬強制對流之室內流場，然而就計算 時間的考量，則以標準k模式所需要的計算時間較短。而台灣地區的春、秋季適 合自然通風，可利用門窗之間的風壓差異，形成貫流通風，維持室內舒適性。且風 壓通風之效果隨著室外風速增大而漸增。在冬季過冷時期，在夜間睡眠時段宜緊閉 門窗以保溫，不利自然通風。 陳念祖 (2000)採用 CFD 數值模式研究高架地板置換式自然通風方式對室內換 氣效率之影響，並模擬穩態與暫態的室內氣流場和濃度場的模擬，配合小型風洞實 驗檢驗所使用之高架孔隙式地板之特性，以及建築物外圍風場之模擬檢驗不同風速 下受風面與背風面壓差關係，作為數值計算邊界條件之設定。研究結果顯示孔隙地 板之面積比例會影響換氣次數的多寡，一般情況孔隙地板佔樓地板面積4~6%最有效

率。傳統高氣窗方式之空氣交換效率僅達 36%，與置換式通風最佳之空氣交換效率 46%相差近 10%，足以證明高架地板置換式通風方式之換氣效率優於傳統混合式之 通風模式。 Allocca et al. (2003)利用k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。

Chang et al. (2003)利用大渦流模式(Large Eddy Simulation, LES)模擬室外空氣污 染物流入建築物內的問題，模擬十二種開口配置的形式，研究其室內、外空氣交換 率和室外汙染物在室內擴散的速率。迎風面設置開口為改善室內空氣品質的一個重 要關鍵。而在側風面與背風面增設開口能有效地維持適當的空氣交換率，可幫助降 低室內汙染物的濃度。

Evola and Popov (2006)利用k紊流模式和重整化群(Renormalization Group, RNG)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：k紊流模式的計算結果誤差較大，重整化群模式的 結果則較接近實測之通風量。 Chang (2006)和張瑋如 (2006)利用k紊流數值模式探討室外植栽風擋對於兩 層樓建築物貫流通風的影響，研究結果發現靠近建築物設置植栽對二樓不但沒有遮 蔽效應，反而在植栽的孔隙率較大時會產生比原本更強勁的風速，故圍籬應避免太 靠近建築物。植栽的孔隙率過低時，則會產生逆向通風的現象，造成循環氣流或停 滯氣流、通風不佳的效果。 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 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。 在室外有風且室外風速小於 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，中庭內的通風路徑則由風壓通風主導。

秦子傑 (2006)利用風洞實驗和k紊流模式研究垂直通風管的實際效能，其方 式先利用風洞實驗驗證、比對數值模式之結果。待比對完成後，再將風洞試驗段重 建於數值模式中，探討其他變因對通風管流況的影響。本研究證實垂直通風管是一 種有效的自然通風設備，此種通風方式適合應用於室內通風量不足的空間中，經實 驗証實通風管外形、室內發熱量、與開口內外壓力差皆會影響通風管的換氣效果。 並建議採用非穩態方式方能精確地模擬實際氣流狀況。 何明錦和鍾基強(2007)針對不同空調風口配置對室內空間氣流環境之影響進行 探討，利用CFD 進行室內空間氣流與濃度分佈的模擬分析，配合全尺寸實驗進行空 間的氣體汙染物分佈實測，比較兩者的差異性。此研究發現要維持或改善建築物室 內之空氣品質，除本身之空氣調節與通風設備扮演重要角色之外，也受到外氣通風 量大小的影響，而空調通風口之相對配置所形成之氣流路徑對室內空氣品質影響更 為顯著，因此進行建築物之空調通風系統設計或配置，除了所需求之通風量外風口 設置之位置，還須考慮適當之風口設計位置。 陳念祖 等(2007)以單側及側向開口模式為探討對象，針對開口裝設水平及垂直 導風板對自然通風效益之影響。研究方法運用計算流體力學(CFD)數值模擬方式進 行，配合全尺模型實驗檢證數值模式之可信度，研究結果顯示：(1)單側開口裝設水 平導風板模式時，9 cm 以上水平導風板有助於提升單側通風時之換氣率，並隨導風 板深度而遞增，尤其當外部風速小的時候較為明顯，若綜合考量各評估項目，導風 板深度以 18~48 cm 為較佳的選擇。(2)側向開口裝設垂直導風板模式，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 260%，其中以導風板角度 45°較佳。當風向與建築立面成 45°時，導風板角度 0°~22.5°有利於室內流場均勻。綜合評估後，依照不同風向提出 最佳化的垂直導風板角度調變模式。 劉姵君 (2007)利用k模式、零方程式(Zero equation)、層流數值模式和縮尺模 型實驗研究中庭建築之通風性能，結果顯示在室外無風狀態下，室外溫度對室內溫 度場影響甚鉅。欲藉由室內產生之熱量(內部負荷)驅動的浮力通風，其降溫效果並不 顯著，必須輔以其他自然通風(風壓通風)或機械設備來達成室內降溫之目的。而開口

位置所形成之換氣路徑愈直接則降溫效果愈佳，開口數量愈多亦能改善室內熱環

境，但影響之程度有限；當室外溫度超過30oC時，天窗設置之影響不顯著。

2. 多區間模式(Multizone model)：

Dascalaki et al. (1999)比較利用COMIS模式與實場監測來預測建築物單側通風

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Cd為0.65，

當室外風場為均勻流時，室內風壓會隨風速上升而遞增，且通風量維持定值，對於 單側通風而言，在低風速的情況下COMIS模式預測結果會比在高風速的情況下好， 此外，當室內隔間開口很大的時候，COMIS模式預測與實場監測的結果非常相似。 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與MMPN(Multi-zone model program)進行自然通風的預測比

較。研究所模擬的建築物為實體尺寸的大尺度比例，而研究中所使用的流量係數Cd

在小型開口為0.95，在大型開口或窗戶則為0.7。研究中主要探討關於中庭的設計， 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。

Haghighat et al. (2001)提出了一個可以簡易計算房間中風場與溫度分佈的數值 模式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模式也可以提供一些關於熱能方面對於室內環境品質影響的資訊，也可以應 用於室內格局與隔間高度的設計、空氣擴散等的研究。 3. 風洞實驗： 風洞實驗室內之儀器設備，因為控制性佳，可重複性高，且量測之數據可供數 值驗證之用。因此可以在實驗室內，針對特定的風場現象，就其中重要的參數進行 一系列的實驗，來研究這些參數如何影響風場及其內在的機制，做學術上的探討。 譬如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 內流場。研究顯示氣流在進入模型之中，因受到模型外迎風面前的渦流影響而向下 流動，並在模型內形成逆時針方向的循環渦流，由背風面開口離開模型的氣流會因 為外部流場的逆流而向上流動。而外部來流入射角範圍在40°~60°之間，流場在開口

處的動壓會因為其分離流加速的影響隨著入射角角度增加而增加，導致通風流量也 隨之增加。在迎風面開口的長寬比為1:2的情況下，風向角在0°~80°之間，則流量係 數Cz = 0.7幾乎不變。 陳若華 等(2001)研究建築群配置方式對自然通風之影響，並利用風洞實驗量測 建築模型在不同排列下的表面風壓，並分析台灣地區北中南東六大都會區之平均氣 象年資料，經由逐時的計算結果，評估各地區自然通風的潛勢，對於有利於配置方 式作成建議。

Kurabuchi et al. (2004)提出一個局部動力相似(Local dynamic similarity)理論，認 為開口的流量係數與風向角、開口位置、開口附近是否有建築物的情形皆無關，僅 與無因次壓力P 有關： _R* t W R * R P P P P   (2-10) 式中P_R為室內壓力，P 為風壓，_W P 為正切於開口處的動壓力。此相似理論並經由風_t

洞實驗和大渦流模式(Large Eddy Simulation, LES)的驗證。亦即在任何風向角度和開

口位置，皆可由無因次壓力P 準確的預測出流量係數。 _R*

Chiu and Etheridge (2007)探討外部風場對銳緣開口(Sharp-edged opening)和長開 口(Long opening)之流量係數的影響。作者利用計算流體動力學(CFD)及風洞實驗分析 不同流場對開口流量係數的影響。其研究結果顯示：前人的研究之流量係數Cz都是 在穩態風場的狀態下所訂定的，並不適用於各種流況下的通風量計算。利用在穩態 的氣流狀態下求出的Cz於非穩態風場中的自然通風系統容易有錯誤。 Chu et al. (2009)利用理論分析和風洞實驗研究室外紊流風場對無隔間建築物貫 流通風之影響，探討不同的風向、風速、外部開口形狀對於貫流通風的影響。風洞 實驗結果發現：在高雷諾數的狀況下，開口的流量係數Cz不會隨室外風速、風向、 開口形狀而變，可視為定值。但低雷諾數的狀況下，流量係數Cz不隨室外風速而變， 但會隨雷諾數、風向而變。由實驗數據迴歸分析，可建立各種狀況、雷諾數之流量 係數的計算公式。本研究並利用流體力學原理推導得一個風壓平衡模式，可由室外 風壓係數和開口的流量係數求得室內風壓係數和通風量，此模式並經由風洞實驗予 以驗證。換言之，此模式不需要使用複雜的計算流體動力學(CFD)模式便可預測各種

狀況下建築物的通風量。 朱佳仁 等 (2009)藉由風洞實驗研究窗戶開口的加裝物（百葉窗、紗窗或不透風 式外推窗）對貫流通風之影響，實驗結果發現：在相同的室內外壓差之下，百葉窗、 紗窗及外推窗等加裝物皆會增加空氣流通的阻力，導致通風流量及流量係數會小於 無加裝物之開口。且百葉窗的傾斜角愈大，阻力愈大，流量係數愈小。 Chu et al. (2010)採用理論分析及風洞模型實驗的方式來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流量計來量測。實驗結果發現室內開口的流 量係數為開口面積的函數，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。本研究並依據連續方程式和孔口流量公式建立一個預測模 式來計算隔間建築物的風壓通風之通風量，風洞實驗的結果驗證了此預測模式，此 模式可供建築設計者未來在評估、規劃建築物自然通風之用。

Chu and Wang (2010)提出一個阻抗模式計算有室內隔間風壓通風之通風量，並 利用理論分析推導出室內開口的流量係數和阻抗係數的關係，而阻抗係數需由風洞 實驗決定。實驗結果發現室內隔間之阻抗係數與室內開口面積成反比，開口面積愈 小，阻抗係數愈大，通風量愈小。研究結果亦發現開口未全開的門會增加氣流流經 開口的阻抗，換言之，通風量會變小。此阻抗模式也可計算室內有大型傢俱對風壓 通風之影響。

Chu and Chen (2010)利用風洞模型實驗和示蹤氣體(Tracer gas)濃度法量測在不 同風速、風向下，無室內隔間建築物，單側開口及雙側開口的換氣率。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。依據實驗結果可歸納出一個無因次換氣率的預測方式，未來可用計算各種流況 的換氣率。 4. 實場監測： 實場調查為瞭解實際風場最直接的方式，且實場量測來獲得實驗資料是最具說

服力。江哲銘 等(2001) 監測台灣地區六棟辦公建築換氣率的結果顯示，上班時間其 平均之換氣率為1.44 ACH，較一般住宅的換氣率高。Gao et al. (2009)利用示蹤氣體 法量測一棟單側開口的實體建築物的換氣率，結果並與CFD 模擬結果比較。Tung et al. (2009)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。但實場量測所需的人力、經費和時間較多。且實際風場與時俱變， 而會影響風建築物通風的因素太多、太複雜，往往不易由監測結果深入瞭解通風現 象背後的機制。 綜觀以上的研究，可以發現大多的研究皆針對某一個特殊的流況探討其通風量 或換氣率，建築設計者若不熟悉這些研究成果，很難應用這些成果來計算建築物各 種狀況下的通風量或換氣率。本研究整理前人研究的通風量公式，發展一個通風計 算模式TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，可用以計算多區間建築物 (Multi-room)，模式可輸入基地的風場、氣象資料(風速、風向、氣溫、濕度)，或利 用中央氣象局各地的氣象資料，配合建築物外型、座向、開口位置、大小及室內隔 間計算建築物風壓通風的換氣量，進而評估一般建築物可使用風壓通風的時段。對 於尚未興建之建築物，亦可利用此模式計算有利風壓通風之建築設計。 本研究採用1961 ~ 2008年間中央氣象局全台26個地面氣象站的氣象資料(風 速、風向、氣溫、濕度等)，進而計算各地各月份的溫濕度、平均風速與盛行風向。 並將分析的結果建立成一個資料庫，可查詢台灣各地風場資料之用。之後再利用風 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。這部份的計劃預備使用內政部建築研究所的風洞實驗 室來進行，利用多頻道壓力掃瞄計量測壓克力縮尺模型的表面風壓值，風向共分為 16個風向，每個風向量測各表面的風壓分佈。並將實驗結果整理後建立第二個資料 庫，方便通風模式計算建築物之通風量。 TAIVENT通風模式將可提供國內建築設計者在規劃建築物自然通風之參考，進 而有效的協助建築師在設計建築物時達到節能、減碳的目的，並期望能改善台灣本 土建築室內空氣品質與通風環境。

第三章 台灣氣象資料

中央氣象局在台灣地區共設有25 個人工觀測地面氣象測站，有長時間完整的逐 時風速、風向、溫度與相對濕度資料紀錄。雖然這些氣象測站不能涵蓋全台灣各地 的氣象變化，但其量測儀器有定期維修、校正，資料可信度較佳。氣象測站名稱、 站號海拔、風速計距當地地面高度、設立時間等資料如表3.1 所示，圖 3.1 為中央氣 象局所屬氣象測站位置分佈圖，表3.2 為風速計高度更動之年份與高度表。 本計畫分析中央氣象局各測站1961 年至 2008 年共 48 年的風速、風向、溫度與 相對濕度資料。但因各氣象測站設立的年份不一，或者氣象站變遷位置、風速計高 度改變等因素，而使得風速資料沒有一致性。因此使用風速資料時，必須加以換算。 因不同高度的風速資料可利用指數律(Power law)換算： α met met U(z) Z ( ) U  Z (3-1) 式中Umet為氣象局的風速，Zmet為氣象局的風速計之高度，為測站所在位置之地況 指數，可參見表 3.1。此式可將氣象局的風速換算成該地區建築物高度 Z 處之風速 U(z)。 風向為風在水平方向的角度，中央氣象局將風向分為16 個方位，以北方為 0o， 順時針方向將風向分為每22.5o間隔一個方位：北(N)、北北東(NNE)、東北(NE)、東 北東(ENE)、東(E)、東南東(ESE)、東南(SE)、南南東(SSE)、南(S)、南南西(SSW)、 西南(SW)、西南西(WSW)、西(W)、西北西(WNW)、西北(NW)、北北西(NNW)，如 圖3.2 所示。來自於北方，稱為北風。當風速小於 0.3 m/s 時，風標不動的狀況稱為 靜風(Calm)。 經統計分析可求得各測站風向、風速的發生機率與平均風速、溫度與相對濕度， 其結果於表3.3 所示。計算各地氣象參數所使用之資料量的多寡會影響到計算結果， 當氣象資料的樣本數太少時，所得的統計參數可能不具代表性，依據本研究之結果， 建議風速資料至少須有20 年之逐時的風速、風向記錄。

表3.1 中央氣象局所屬地面氣象站資料表(1999) 測 站 站 號 創立年份 風速計 高度(m) 海拔高 度 (m) 東 經 北 緯 α δ (m) 彭佳嶼 466950 1909 12.50 101.7 122 o _{04’17” 25} o _{37’46” 0.110 233} 鞍部 466910 1937 7.31 837.6 121 o _{31’13” 25} o _{11’11” 0.110 233} 竹子湖 466930 1937 11.03 607.1 121 o_{32’11” 25} o _{09’54” 0.250 400} 淡水 466900 1942 12.20 19.0 121 o _{26’24” 25} o _{09’56” 0.150 300} 基隆 466940 1946 34.60 26.7 121 o _{43’56” 25} o _{08’05” 0.250 400} 台北 466920 1896 34.90 5.3 121o_{30’ 21” 25} o _{02’21” 0.250 400} 新竹 467570 1938 15.60 26.9 120 o _{58’11” 24} o _{48’08” 0.194 350} 宜蘭 467080 1935 26.00 7.2 121 o _{44’53” 24} o _{45’56” 0.150 300} 台中 467490 1896 17.20 84.0 120 o _{40’33” 24} o _{08’51” 0.250 400} 梧棲 467770 1976 33.20 7.2 120 o _{30’54” 24} o _{15’31” 0.130 267} 花蓮 466990 1910 12.00 16.1 121 o _{36’18” 23} o _{58’37” 0.173 321} 日月潭 467650 1941 8.00 1014.8 120 o _{53’60” 23} o _{52’59” 0.150 300} 澎湖 467350 1896 14.60 10.7 119 o _{33’19” 23} o _{34’02” 0.150 300} 阿里山 467530 1933 15.10 2413.4 120 o _{48’18” 23} o _{30’37” 0.110 233} 嘉義 467480 1968 14.50 26.9 120 o _{25’28” 23} o _{29’52” 0.167 313} 玉山 467550 1943 9.20 3844.8 120 o _{57’06” 23} o _{29’22” 0.150 300} 東吉島 467300 1962 9.10 43.0 119 o _{39’35” 23} o _{15’32” 0.125 260} 成功 467610 1940 12.80 33.5 121 o _{21’55” 23} o _{05’57” 0.144 245} 台南 467410 1897 37.60 8.1 120 o _{11’49” 22} o _{59’43” 0.218 378} 台東 467660 1901 11.40 9.0 121 o _{08’48” 22} o _{45’15” 0.150 300} 高雄 467440 1931 14.00 2.3 120 o _{18’29” 22} o _{34’04” 0.150 300} 大武 467540 1940 12.70 8.1 120 o _{53’45” 22} o _{21’28” 0.244 407} 蘭嶼 467620 1941 12.50 324.0 121 o _{33’02” 22} o _{02’19” 0.110 233} 恆春 467590 1896 14.30 21.9 120 o _{44’17” 22} o _{00’20” 0.194 350} 蘇澳 467060 1981 34.00 24.9 121 o _{51’52” 24} o _{36’06” 0.150 300} 資料來源：本研究整理

圖 3.1 中央氣象局氣象站位置圖 資料來源：本研究整理 鞍部 彭佳嶼 花蓮 蘇澳 宜蘭 成功 台東 大武 恆春 高雄 台南 東吉島 澎湖 新竹 梧棲 台中 日月潭 蘭嶼 基隆 台北 淡水 竹子湖 玉山 阿里山 嘉義

圖 3.2 中央氣象局風向圖 資料來源：本研究整理 北 東 西 南 西南 東南 西北 東北 西南西 _東南東 西北西 東北東 北北東 南南西 北北西 南南東

表 3.2 風速計高度更動之年份與高度表 單位：公尺 1961~1975 1976~1999

基隆

11.0 34.6 1970~1982 1983~1987 1988~1999

竹子湖

9.0 10.5 11.0 1961~1986 1987~1999

台北

23.7 34.9 1961~1987 1988~1998 1999

宜蘭

9.4 14.8 26.0 1961~1990 1991~1999

新竹

13.2 15.6 1961~1962 1963~1987 1988 1989 1990~1999

台中

12.5 16.6 16.85 17.4 17.2 1961~1984 1985~1999

梧棲

10.5 33.2 1961~1988 1989~1999

台南

16.3 36.5 1961~1975 1976~1999

高雄

12.8 14.0 資料來源：本研究整理

表 3.3 台灣地區人工觀測氣象站之 48 年平均氣象資料 測站 站號 平均風速 (m/s) 平均溫度 (oC) 平均相對 濕度(%) 盛行風向 彭佳嶼 466950 7.68 21.90 82 東風 鞍部 466910 3.49 16.84 90 南風 竹子湖 466930 2.21 18.63 87 東北風 淡水 466900 2.41 22.20 80 東北風 基隆 466940 3.44 22.55 79 東北風 台北 466920 3.15 22.71 78 東風 新竹 467570 2.68 22.37 79 東北風 宜蘭 467080 1.78 22.43 83 靜風 台中 467490 1.64 23.08 77 北風 梧棲 467770 5.03 22.99 77 北風 花蓮 466990 2.54 23.24 79 西南西風 日月潭 467650 1.15 19.19 83 靜風 澎湖 467350 4.63 23.42 82 北北東風 阿里山 467530 1.45 10.98 87 西風 嘉義 467480 2.30 23.03 81 北風 玉山 467550 5.65 4.08 75 西風 東吉島 467300 8.07 23.62 82 北北東風 成功 467610 3.47 23.71 79 北北東風 台南 467410 3.17 24.14 78 北風 台東 467660 2.64 24.31 75 北北西風 高雄 467440 2.42 24.77 77 北風 大武 467540 2.76 24.84 75 北北東風 蘭嶼 467620 8.38 22.66 89 北北東風 恆春 467590 3.59 25.15 76 東北風 蘇澳 467060 2.71 22.64 80 西風 資料來源：本研究整理

本研究先以台北、新竹、台中、嘉義、台南、高雄、宜蘭、花蓮、台東、澎湖、 梧棲等14 個都會地區的氣象站為例，將其 1961 年到 2008 年的各風向之發生機率進 行統計，表3.4 顯示了台北、新竹、台中與嘉義各風向發生之機率，表 3.5 顯示了台 南、高雄、宜蘭、花蓮與台東各風向發生之機率。由結果可知，每個地區的盛行風 向都有所不同，且發生機率在10 %以上的風向不只一種，也就是說每個地區常見的 風向至少有兩種，並不是只有單一風向。 本研究以中央氣象局台北氣象站(站號 466920)過去 48 年(1961~2008)逐時風 速、風向資料進行細部分析，台北氣象站位於北緯25o02’，東經 121o30’，海拔高度 5.5 m，風速計距當地地面 33.0 m。中央氣象局所提供的逐時風速資料為各小時的最 後10 分鐘平均風速，風向的劃分則分為十六個方位。經統計分析可求得各風向、風 速的發生頻率。表3.6 為台北市各月份之平均風速、最大風速與最常發生之風向，全 年平均風速為3.15 m/s，最大風速為 16.5 m/s。而七月、八月、九月及十月的最大風 速皆大於12 m/s，應是由颱風所造成的。圖 3.3 為台北市各月份之平均風速分布圖， 各月份之平均風速介於2 ~ 4 m/s。 研究中將一年分成春(三月至五月)、夏(六月至八月)、秋(九月至十一月)、冬(十 二月至次年二月)四季，圖 3.4 為台北市全年及各季之風花圖，台北市夏季最常發生 之風向為東北東風佔9.33%、東風佔 12.80%、南南東風 10.83%、南風佔 10.39%。這 是因為夏季除颱風之外的風速並不強，盛行風向不明顯。其餘各季最常發生之風向 為東風或東北東風。 表3.7 – 3.10 記錄了台北市全年平均之逐時及日夜平均風速、溫度與相對濕度， 本研究定義日間時間範圍為早上八點至晚上八點(8:00 AM ~ 8:00 PM)，而夜間時間為 晚上八點至次日早上八點(8:00 PM ~ 8:00 AM)，圖 3.5 為台北市春季平均風速的逐時 變化圖，春季的平均風速變化都在2 m/s 之上，此外日間風速比夜間風速還大，這是 因為白天氣溫上升造成大氣對流旺盛，因此日間風速大於夜間的風速。 圖3.6 顯示台北市春季平均氣溫的逐時變化，由圖中可以看出氣溫日夜的變化， 而下午一點的溫度為最大值，此外日間平均氣溫為23.15 oC，夜間平均氣溫為 20.57 o_{C，日夜溫差平均值為 2.58} o_{C，如表 3.7 所示。台灣春季平均溫度不到 25} o_C，算是

滿舒適的環境，僅使用自然通風或是風扇即可，無須使用到冷氣。

圖3.7 為台北市春季平均相對濕度(R.H.)逐時的變化，圖中說明了日間的相對濕

度小於夜間的相對濕度，相對濕度最大值發生在凌晨五點及六點的時候，平均值為 86 %，而最小值發生在正午十二點，平均值為 69 %，這是因為相對濕度為空氣中實 際蒸汽壓與飽和蒸汽壓(Saturation vapor pressure)之比值，當白天中午氣溫高時，飽 和蒸汽壓上升，導致相對濕度下降。而夜間溫度下降時，飽和蒸汽壓亦隨之下降， 導致相對濕度上升。 圖 3.8 為台北市夏季平均風速的逐時變化，由圖中可以看出早上八點至晚上八 點之間的風速在2 ~ 4 m/s 之間，而晚上八點至次日早上八點的風速在 2 m/s 以下。 換言之，日間風速比夜間風速還要大。圖3.9 顯示了台北市夏季平均氣溫的變化，由 圖中可以看出氣溫日夜的變化，而中午十二點的溫度為最大值，此外日間平均氣溫 為30.35 oC，夜間平均氣溫為 27.05 oC，日夜溫差平均值為 3.3 oC，如表 3.8 所示。 圖3.10 顯示台北市夏季逐時平均相對濕度(R.H.)的變化，類似春季的濕度變化，日間 的相對濕度小於夜間的相對濕度，相對濕度最大值發生在凌晨五點的時候，平均值 為85 %，而最小值發生在中午十二點，平均值為 64 %，相差了 21 %之多。 圖3.11 為台北市秋季平均風速的逐時變化，由圖中可以看出台灣秋季平均風速 在2 ~ 5 m/s 之間，比春、夏、冬三季的平均風速都還要大。圖 3.12 顯示了台北市秋 季平均氣溫的逐時變化，由圖中可以看出氣溫日夜的變化，而下午一點的溫度為最 大值，日間平均氣溫為25.46 oC，夜間平均氣溫為 23.2 oC，日夜溫差 2.26 oC，如表 3.9 所示。圖 3.13 顯示台北市秋季相對濕度(R.H.)的變化，圖中說明了日間的相對濕 度小於夜間的相對濕度，相對濕度最大值發生在凌晨五點及六點的時候，平均值為 83 %，而最小值發生在正午十二點到下午兩點，平均值為 68 %，相差 15 %。 圖3.14 為台北市冬季平均風速的逐時變化，由圖中可以看出台灣冬季平均風速 在2 ~ 4 m/s 之間。圖 3.15 為台北市冬季平均氣溫的變化圖，由此圖可以看出氣溫日 夜的變化，而下午一點的溫度為最大值，日間平均氣溫為17.7 oC，夜間平均氣溫為 15.8 oC，日夜溫差 1.9 oC，如表 3.10 所示。圖 3.16 顯示台北市冬季相對濕度(R.H.) 的變化，圖中說明了日間的相對濕度小於夜間的相對濕度，相對濕度最大值發生在

凌晨兩點到七點的時候，平均值為84 %，而最小值發生在下午一點，平均值為 70 %。 台北市春、夏、秋、冬四季季逐時及日夜相對濕度列於表3.7-3.10，由表中數據可看 出台北市平均相對濕度皆大於60%。 由本研究分析整理之台北地區的平均氣溫、風速資料來看，若建築物設定室內 氣溫在 26 oC 以下時，不使用冷氣，僅使用自然通風及風扇即可，則台灣春、秋、 冬季皆不需使用冷氣，可節省能源。此外台灣屬於高濕度(RH > 60%)的國家，因此 要如何降低室內空氣的濕度、改善人體舒適度也是另一個可以深入研究的方案。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 1 2 3 4 5 U ( m /s )

月份

圖3.3 台北市各月份之平均風速分佈圖 資料來源：本研究整理

全年

N 10% 20% E S W % 20 10 0 10 20 % C V : >4 m/s : >2 m/s and ≤4 m/s : ≤2 m/s 30%

春季

N 10% 20% 30% E S % 20 10 0 10 20 % C V : >4 m/s : >2 m/s and ≤4 m/s : ≤2 m/s W : Calm : Calm

夏季

N 10% 15% 20% E S W % 15 10 5 0 5 10 15 % C V : >4 m/s : >2 m/s and ≤4 m/s : ≤2 m/s : Calm

秋季

N 10% 20% 30% E S 40% W % 30 20 10 0 10 20 30 % C V : >4 m/s : >2 m/s and ≤4 m/s : ≤2 m/s : Calm

圖 3.4 台北市全年和各季平均的風花圖(1961-2008 年) 資料來源：本研究整理

冬季

N 10% 20% 30% E S 40% W % 30 20 10 0 10 20 30 % C V : >4 m/s : >2 m/s and ≤4 m/s : ≤2 m/s : Calm

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1 2 3 4 U ( m /s ) Time (hr) 圖 3.5 台北市春季平均風速的逐時變化圖 (3 ~ 5 月) 資料來源：本研究整理 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 5 10 15 20 25 30 35 Te m p. ( o C) Time (hr) 圖 3.6 台北市春季平均溫度的逐時變化圖 (3 ~ 5 月) 資料來源：本研究整理

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 20 40 60 80 100 R H (% ) Time (hr) 圖 3.7 台北市春季平均相對濕度的逐時變化圖 (3 ~ 5 月) 資料來源：本研究整理 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1 2 3 4 U ( m /s ) Time (hr) 圖3.8 台北市夏季平均風速的逐時變化圖 (6 ~ 8月) 資料來源：本研究整理

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 5 10 15 20 25 30 35 Te m p. ( o C) Time (hr) 圖3.9 台北市夏季平均溫度的逐時變化圖 (6 ~ 8月) 資料來源：本研究整理 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 20 40 60 80 100 R H (% ) Time (hr) 圖3.10 台北市夏季平均相對濕度的逐時變化圖(6 ~ 8月) 資料來源：本研究整理