大華科技大學
機電工程研究所
碩士論文
停置汽車車內空氣品質的研究
Research of air quality in
parked car-cabin
研 究 生：鍾 皎 平
指導教授：杜 鳳 棋 博 士
停置汽車車內空氣品質的研究
Research of air quality in parked car-cabin
研 究 生：鍾皎平 Student：Chiao-Ping Chung
指導教授：杜鳳棋 博士 Advisor：Dr. Feng-Chyi Duh
大華科技大學
工程與設計學院 機電工程系(所) 碩士論文
A Thesis
Submitted to Department of Mechatronic Engineering, College of Engineering and Design,
Ta Hwa University of Science and Technology in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master in
摘 要
本論文所考慮有關影響車內空氣品質的 4 個控制因子：循環方 式、風扇段數、空調方式及車內人數等，其中控制因子 A「循環方式」 具有內循環與外循環等 2 個變動水準。控制因子 B「風扇段數」具有 關閉風扇、一、二、三及四段運轉等 5 個變動水準。控制因子 C「空 調方式」具有無冷氣及有冷氣等 2 個變動水準。控制因子 D「車內人 數」具有 1 人及 2 人在車內的 2 個變動水準。為探討環境中的可控制 因子（循環方式、風扇段數、空調方式及車內人數）影響，本論文針對酷熱指數增量(HI-Ta)與二氧化碳(CO2)濃度，運用田口方法(Taguchi
method) 中 的 直 交 表 (Orthogonal array) 予 以 分 析 。 在 全 因 子 實 驗 (Full-factorial experiments)中，因為實驗考慮到所有可能的排列組合， 故可從實驗組中挑出最佳的變動水準組合。 根據田口方法的因子反應表顯示，若要達成車廂內擁有較佳的空 氣品質（越小越佳），控制因子應該分別設定：A2、B4、C1、D1。 此結果意味要獲得較佳的空氣品質，循環方式宜採用「外循環」、風 扇段數應使用「高運轉段數」、空調方式最好是「開啟冷氣」及車內 人數儘可能「少人數」。 關鍵詞：循環方式、風扇段數、空調方式、車內人數、田口方法。
ABSTRACT
This study investigated four factors influencing vehicle indoor air quality (IAQ): method of circulation, fan speed, method of air conditioning, and number of passengers in the vehicle. Factor A (method of circulation) included two variables: internal and external circulation. Factor B (fan speed) included five variables: off and speeds 1-4. Factor C (method of air conditioning) included two variables: on and off. Factor D (number of passengers) included two variables: one and two persons. The increases in the air temperature heat index (HI-Ta) and carbon dioxide
(CO2) concentration were examined to determine the influence of these
four factors using the Taguchi method orthogonal array. In full-factorial experiments, because experiments consider all possible permutations and combinations, the optimal combination can be selected from the test group.
The Taguchi method factor response table indicated that the optimal vehicle IAQ is obtained when the control factors are set at A2, B4, C1, and D1. These results imply that optimal vehicle IAQ requires external air circulation, a high fan speed, operating air conditioning, and a minimal number of passengers.
Keywords: air quality; air circulation; fan speed; air conditioning; vehicle passengers; Taguchi method
誌 謝
本研究能完稿付梓，除感謝本校機電工程研究所之所有老師諄諄 教導，亦感謝林啟昌學長先前奠定的基礎，對於論文之完成受益匪 淺，永誌不忘。 感謝母校的長官與同事，由於大家的支持與包容，讓我在學業與 工作皆能兼顧，終究還是獲得碩士學位。 最後，我要藉此向我的家人表達崇高謝忱之意，沒有他們的鼓舞 與支持就不會有今天的成果，感恩與感謝盡在不言中。 鍾皎平 謹誌目 錄
頁數 摘要 III ABSTRACT IV 致謝 V 目錄 VI 圖表目錄 VIII 第一章 研究動機 01 第 1.1 節 背景 01 第 1.2 節 目的 05 第二章 研究方法 08 第 2.1 節 實驗方法 08 第 2.2 節 控制因素選擇 11 第 2.3 節 田口方法的運用 18 第三章 實驗設計 22 第四章 結果與討論 25 第 4.1 節 實驗設計法 25 第 4.2 節 循環方式的影響 31第 4.4 節 空調方式的影響 39 第 4.5 節 車內人數的影響 41 第五章 結論 43 第 5.1 節 結果歸納 43 第 5.2 節 總結 47 參考文獻 50 附錄 54
圖表目錄
頁數 圖 2.1 汽車的「外循環」與「內循環」 12 圖 2.2 汽車空運風扇控制電路 13 圖 2.3 空調風扇電阻照片 14 圖 2.4 汽車的冷氣系統 16 圖 4.1 循環方式對於車廂內二氧化碳（CO2）濃度的影響 32 圖 4.2 循環方式對於車廂內酷熱指數（HI）的影響 33 圖 4.3 空調系統的出風口風速值 34 圖 4.4 空調系統的出風口風速與風扇段數之關係 35 圖 4.5 風扇段數對於車廂內二氧化碳（CO2）濃度的影響 37 圖 4.6 風扇段數對於車廂內酷熱指數（HI）的影響 38 圖 4.7 空調（冷氣）對於車廂內二氧化碳（CO2）濃度的影響 40 圖 4.8 空調（冷氣）對於車廂內酷熱指數（HI）的影響 40 圖 4.9 車內人數對於車廂內二氧化碳（CO2）濃度的影響 42 圖 4.10 車內人數對於車廂內酷熱指數（HI）的影響 42表 2.1 Factor A 「循環方式」的 2 個變動水準 11 表 2.2 Factor B 「風扇段數」的 5 個變動水準 13 表 2.3 Factor C 「空調方式」的 2 個變動水準 16 表 2.4 Factor D 「車內人數」的 2 個變動水準 17 表 3.1 車內空氣品質控制因子水準表 23 表 3.2 實驗條件 24 表 4.1 CO2 實驗量測平均值與酷熱指數（HI）計算值 25 表 4.2 二氧化碳（CO2）濃度反應表 27 表 4.3 酷熱指數（HI）反應表 29 表 4.4 環境溫度（Ta）與環境濕度（φ）反應表 30 表 4.5 Factor B 「風扇段數」的影響 36
第 1 章 研究動機
第
1.1節 背景
根據 Janicka 等學者的研究指稱，人們平均有 87%的時間處於封閉的建築 物中（Janicka, Reksa, & Sobianowska-Turek, 2010）。另由 Gearhart 與 Posselt 引用美國肺臟協會(American lung association, ALA)的報告，指出美國人每天有 90%的時間處於室內，其中廣義的室內包括車內的密閉空間（Gearhart & Posselt, 2006）。美國國家環境保護局(Environmental protection agency, EPA) 曾調查發現，室內空氣污染是危害公眾健康的環境風險之一，而 EPA 估計室 內的空氣污染程度高於室外達到 2~5 倍之多（Gearhart & Posselt, 2006）。室 內環境中存在的污染物包括揮發性有機化合物(Volatile organic compound,
VOC)、二氧化碳(Carbon dioxide, CO2)、甲醛(Formaldehyde, CH2O)、懸浮微粒
(Suspend particulate)、臭氧(Ozone)、燃燒氣體、菸害、微生物…等。
汽車是比較具有特殊環境的室內空間，在歐美工業國家的許多民眾，每 天超過 1 小時是在車上渡過（Müller, Klingelhöfer, Uibel, & Groneberg, 2011）， 美國人每天平均則有 101 分鐘在車內渡過，時間僅次於待在住家及辦公處所 （Dong, Block, & Mandel, 2004; Schlink, Thiem, Kohajda, Richter, & Strebel,
2010）。由於環繞汽車車廂通常有 360 度的車窗，因此每平方吋佔有面積的
使陽光曝曬情況更為嚴重；車廂內的空氣最高可能達到 89 oC，而在儀表板的
溫度甚至於會高達 120 o
C（National Renewable Energy Laboratory, 2001）。 在車內，有毒化合物濃度易隨內部溫度與陽光曝曬時間而變；在夏天，
車內溫度高達 70 o
C，揮發性有機化合物(Volatile organic compounds, VOCs)的 濃度有可能增加 40%（Geiss, Tirendi, Barrero, & Kotzia, 2009）。相同的研究
結果也同樣發現在停置的轎車，當車內溫度在 26.7 o C 的溫熱狀態，TVOCs 值約為 400~800 μg/m3；當車內溫度提高到 62.8 o C 時，TVOCs 值將至少提高 5 倍；研究同時發現，在行車期間開啟通風的狀態下，車內 TVOCs 濃度比停 車的溫熱狀態低約 4~8 倍，TVOCs 值約為 50~160 μg/m3；其中，數值較低是
在駕駛座窗戶半開情況下取樣所得（Fedoruk & Kerger, 2003）。
新車的車內通常會有異味，異味主要源自於甲醛、苯…等將近 162 種 被確認的揮發性有機化合物，這些 VOCs 就是導致俗稱”新車味”的元凶 （Yoshida & Matsunga, 2006）。車內 VOCs 主要源自於密封墊、地毯、皮 革品、橡膠件、泡棉墊、黏著劑之溶劑…等元件 （Janicka, Reksa, & Sobianowska -Turek, 2010），由 VOCs 產生的新車味會隨汽車出廠年份逐 漸消退，但卻會隨車內溫度明顯增加。根據研究結果顯示，汽車在出廠前 三年的夏季，總揮發性有機化合物(Total volatile organic compounds, TVOCs)
濃度都會超過 300 μg/m3的室內標準建議值（Maroni, Seifert, & Lindvall,
1995）。有鑑於此，日本汽車工業協會(Japanese automobile manufacturers association, JAMA)曾配合政府的要求，將車廂視為居住空間的一種類型，
因而主動提出降低 13 種 VOCs 的濃度（Associated Press, 1995）。為了有 效降低車內有毒化合物的濃度，最為簡便的方法就是增加車內空氣流動速 度，根據研究報告指出，空氣流動速度從 0.1 m/s 增加至 0.7 m/s，車內 TVOC 濃度將從 1780 μg/m3減少到 1201 μg/m3 （You, Ge, Hu, Ning, Zhao, & Zhang,
2007）。
Gearhart 與 Posselt 二 位 學 者 曾 針 對 車 內 多 溴 二 苯 醚 (Polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)與鄰苯二甲酸酯(Phthalic acid esters, PAEs)等二種毒物 做探討（Gearhart & Posselt, 2006），其中 PBDEs 廣泛的應用於各種民生用品 及建築材料作為防火耐燃劑(Brominated flame retardants, BFRs)，用以延緩或 抑制火災的發生；PAEs 具有良好的油溶性，可添加於印刷油墨中做為分散劑 (Dispersant)，降低色料碳粒之聚集，達到印刷製品顏色分佈均勻之目的，結 果發現上述二種毒物普遍存在於車內，對於駕駛與乘員的健康將會造成莫大 的危害。Zhang 等多位學者，對 802 輛停放在通風良好地下停車場之新車進行 監測（Zhang, Li, Luo, Liu, Liu, & Bai, 2008），結果顯示有 82%新車內的甲苯 (Toluene)濃度超過中國國家室內空氣品質標準的規定。
除了以上所敘述的毒害氣體之外，車廂內 CO2的危害也是不可忽略的一
項要素。通常成人在呼吸時，吸入空氣中含有 0.04%的 CO2，呼出氣體中卻含
ppm，可接受的範圍在 500 ppm 左右，到了 800 ppm 就會感覺空氣污濁和不舒 服，若到 1,000 ppm 則感覺困倦、嗜睡，達到 2,500 ppm 以上就會對健康不利； 若達到 3,000 ppm 以上，則容易發生頭暈、頭痛、想吐症狀。空氣品質的淨化 目標，通常可參酌 ASHRAE 對於通風標準的設定：室內每人需要的外氣量大
約是 15~20 CFM，並建議 CO2濃度值不應超過 1,000 ppm（Satish et al., 2012;
WHO, 2000）。在 Gladyszewska-Fiedoruk 的研究中發現（Gladyszewska-Fiedoruk,
2011），若有 4 人在車內，駕駛員開啟的空氣循環，車子行駛 25 分鐘後，車
內的 CO2濃度將達到 3,018 ppm；若改為 2 人在車內，45 分鐘後的 CO2濃度
達到 4,844 ppm；若只有駕駛 1 人在車內，則 60 分鐘後的 CO2濃度達到 3,576
ppm。
根據國外所做的研究顯示，超過 90%以上的交通事故都起緣於駕駛員之 疏失，超過 50%以上的交通事故皆肇因駕駛員注意力減低（Čornak & Braun, 2010）。不論年齡、性別、駕車經驗…等條件，任何駕駛員均有可能面臨交 通事故的危害，但提高注意力卻是降低交通事故的重要因素。在車內的操控 環境，直接影響到駕駛員的注意力，也間接攸關到駕車的安全性。人們所在 均質層(Homosphere)的環境狀況稱為微氣候(Microclimate)，車內的環境狀況即 屬於一種微氣候；車內微氣候的重要元素包括：空氣溫度、空氣濕度、空氣 流速…等，其中又以空氣溫度及空氣濕度為最主要影響空氣品質(Air quality) 的關鍵元素。
第
1.2節 目的
雖然有許多研究提出方法（黃嘉宏、郭廷威，2007；杜鳳棋、林紹梅， 2013 ） ，用以改善車內的空氣 品質，但直接使 用 汽車空氣 調 節 系 統 (Air conditioning system, A/C system)卻是最簡便的方法。汽車空氣調節系統簡稱 汽車空調系統，主要目的是在任何氣候和行駛條件下，能為乘員提供舒適的 車內環境。然而啟動空調系統將會增加汽車能源的消耗，因此配合天氣狀況， 調整車內溫度與風量，特別是在夏天時溫度切勿設定過低，以減少引擎壓縮 機的負載。
直接使用汽車空調系統(Air conditioning system, A/C system)是用以改善 車內的空氣品質最簡便的方法，主要目的是在任何氣候和行駛條件下，能為 乘員提供舒適的車內環境；汽車空調是對車廂內之溫度、氣流速度與清潔度 進行調節，為乘坐者提供舒適之環境。由於汽車空調之動力來自汽車發動機， 而發動機轉數在 600~5,000 rpm 間變化，變化幅度較大，因此壓縮機之製冷量 受到行駛狀態之影響。通常，當環境溫度 25 o C 時，小客車在行駛所使用車內 冷氣空調，約會增加 16%的油料消耗；當環境溫度 35 o C 時，使用車內冷氣空 調約會增加 23%的油料消耗。若不開啟車內冷氣空調，改用開窗方式來改善 車內空氣品質，高速行駛時，若僅將駕駛座窗戶全開，則車子的空氣阻力將 會增加 2.5%；車上窗戶若全部打開，空氣阻力將增加 10%（行政院環保署， 2005）。
在中國大陸，有不少權威檢測數據揭露出車內空氣污染的嚴重性，如深 圳消委會曾參考《室內空氣品質標準》對車內空氣的檢測試驗結果顯示，83.3% 的送檢車輛車內空氣品質不合格。中國科學院所屬中科理化環境分析研究中 心的檢測結果顯示，車內空氣中所含的 VOC 比室內平均超標 30%。上海市環 境保護産業協會的檢測數據顯示，近七成車輛車內空氣品質不達標（張偉 雄 ，2012）。為了兼顧節能與改善車內空氣品質，其實採用車內空調系統的 「外氣循環」與風扇通風，將是兩全其美的好方法。此外，符懋敬（2005a; 2005b）應用先進的檢測技術著重對廣州市空調公共汽車內 CO2濃度、菌落總 數、可吸入顆粒物、CO、甲醛、等效雜訊、溫度及相對濕度的壓力強度等共 9 個項目進行檢測，對車內乘客進行主觀健康問卷調查，運用數理統計理論對 所採集的試驗資料建立數學模型。從劉麗紅等人（2007）的研究更可直接比 較有無採用空調的公共汽車內空氣品質的良窳；結果發現空調車內的可吸入 顆粒物、CO、等效噪音均在正常值範圍內，普通公共汽車內的噪音會達超標 情況，普通公共汽車內的可吸入顆粒物、CO、等效噪音均會高於空調公共汽 車，可吸入顆粒物與乘車人數呈正比關係。具實驗分析獲知，空調公共汽車 內的空氣品質在量吸入顆粒物、CO、等效噪音等項目均優於普通公共汽車。 人們對冷暖的感覺不僅決定於溫度的高低，也受到濕度和風速的影響； 溫度相同而濕度和風速不同也會產生不同的溫感。很多開車族在開車時，通 常不會在意或沒有注意到空氣對流模式，或經常關閉車外空氣對流，以便防 止車外廢氣或髒空氣污染車內空氣；如此的駕車模式是否能充分的保障車內
空氣不會遭受外界污染，這是本研究的主要重點。汽車車廂是一個空間狹小、 通風不良的典型微氣候實例，由於在車內的 VOCs 種類高達 162 種，若針對 特定的化合物單獨測量之成本高昂（黃嘉宏、郭廷威，2007），因此本研究 以測量 VOC 的總量為主。
第 2 章 研究方法
第 2.1 節 實驗方法
車內和室內的空氣污染有相當大的差異，但是室內空氣標準至少可以作 為一個參照，所以從污染物種類和限量來講，不是太大的問題，但是測試條 件就複雜得多.。舉例而言，在烈日下曝曬與在陰涼地下車庫停放的汽車，測 試的結果肯定大不一樣，因為高溫會導致更多的污染物釋放。所以，要想測 試，首先要有統一的測試條件。而這樣的條件必須非常細化，除了測試溫度 因素之外，測試時發動機是啟動還是不啟動？把測試儀器放進車內以後，關 閉車窗門多少時間開始檢測？這些條件都會影響到實驗檢測的結果。 目前，國內尚未針對車內空氣品質檢測建立標準規範，故本論文研究將 藉由行政院環保署所釐訂的「室內空氣品質建議值」（行政院環保署，2005） 來做參考。從實際效果來看，由於車廂內面積要遠小於居住室內面積，因此 一些環境可控制因素（譬如：循環方式、風扇段數、空調方式及車內人數… 等）的影響就必須要考慮在內，否則就有可能產生很大的誤差。 人體通過排出汗液來達到降溫的目的，在過程中汗液的水分得以蒸發並 從人體帶走熱量；當相對濕度(Relative humidity)φ 較高時，水分的蒸發率就會 降低。這意味著從身體中帶走熱量的過程變得緩慢，相對處於乾燥空氣中的 情況，人體內就保留了更多的熱量。基於在已知溫度和濕度時，主觀描述定 義的計量方法得出的指數，可將一組溫度和相對濕度的組合，換算成乾燥空氣中相對更高的溫度值，此值通常稱為酷熱指數(Heat index)HI，又稱為 Humiture 或 Humidex。酷熱指數是一種結合空氣溫度和相對濕度來確定體感 溫度的當量溫度(Equivalent temperature)（Masterton & Richardson, 1979），意
即真正感受到的熱度。若使用攝氏度(o C)和相對濕度(%)計算時，酷熱指數(HI) 的公式是：
P 10
9 5 T HI v (2.1) 其中 T 為空氣溫度，單位採用o C；Pv為蒸氣壓(Vapor pressure)，計算公式是： 100 10 122 . 6 P 237 T T 5 . 7 v (2.2) 式中 φ 為相對濕度，單位使用%；熱指數是基於在遮蔽處，而不是暴露在陽 光下的計量。透過酷熱指數(HI)的呈現方式，通常可判別外在環境中，溫度和 濕的綜合影響如下所列【附錄】： 1. 當 HI≧30：可能會導致疲勞而出現不舒服；2. HI≧40：可能引起中暑(Heat stroke)、熱痙攣(Heat cramp)和熱衰竭(Heat exhaustion)，因此會出現極度不舒服；
3. HI≧45：可能引起中暑、熱痙攣和熱衰竭的危險情況； 4. 當 HI≧54：可能導致重度中暑。
要注意的是，酷熱指數(HI)只可作為參考，這是因為不同的人對熱的適應
程度不同。例如有些人在 31 o
C 和相對濕度 70%的情況下就會感到很不舒服， 有些人則不以為然；而且，風速、勞動強度、在高溫環境下的暴露時間、體 質強弱、水份供給和健康狀況也會影響人對高溫的反應。
第 2.2 節 控制因數選擇
本 論文 實驗 所考慮 有關 影響 車內空 氣品 質的 4 個控 制因 子 (Control factor)：循環方式、風扇段數、空調方式及車內人數等，其中「循環方式」因 數 A 有 2 個變動水準(Level)，參見圖 2.1，符號 1 代表內循環(Internal circulation)，符號 2 代表外循環(External circulation)。內循環是指鼓風機(Blower) 吹出的風只在車內部進行循環，有點類似於關著門吹電風扇；由於沒有外部 空氣參與，因此內循環具有省油、製冷(Refrigeration)快的優點，不過也正是 這個原因，車內得不到新鮮空氣。與內循環相較，汽車空調外循環最大的特 點是能保持車內空氣的新鮮度（特指車外空氣較好的地方），因為外循環是 鼓風機從車外部吸入空氣吹入車內。同樣因為這個特性，外循環的製冷效果 就不明顯。 汽車的空氣循環方式區分成「外循環」與「內循環」二種，如圖 2.1 所 示。外循環是利用鼓風機將車外的空氣抽送到車廂內，也就是說車外與車內 的氣道是流通的，風扇送出的氣流來自車外，即使不開鼓風機，車輛行駛中 仍然有氣流吸入到車內，補充車內的新鮮空氣。 表 2.1 Factor A「循環方式」的 2 個變動水準 Level 循環方式 符號 內循環
圖 2.1 汽車的「外循環」與「內循環」 有關「風扇段數」因子 B 具有 5 個變動水準（參見表 2.2），分別為 0、 1、2、3 及 4 等 5 種，其中 0 表示 OFF（關閉風扇），Level 1、2、3 及 4 分 別代表一、二、三及四段運轉。所有的空調都是用風扇來調節車內空氣，待 調節到設定的溫度後，風扇會暫時不轉動，待到溫度不符合設定範圍，風扇 又會啟動運轉，風扇具備的是加速調節的作用。 傳統的空調風扇是由控制直流馬達轉動來帶動風扇葉片，如果汽車空調 是手動調整，設有多段變速來改變風扇速度（參閱圖 2.2），則這類手動控制 是藉由風扇開關配合風扇電阻（參閱圖 2.3）來控制風扇馬達。當風扇需要較 高速運轉時，風扇轉速開關應切換到高速段（→4）的位置，則電瓶電壓並沒 有經過任何風扇電阻分壓(Resistive subdivision)，直接落在直流風扇馬達上， 所以這時風扇是全速運轉(Full speed)，消耗的功率便是風扇馬達額定的消耗功 率(Consumed power)。當需要最低速運轉時，風扇轉速開關切到低速段（→1） 位置，則電瓶電壓需經過風扇電阻內的 4 個串連電阻的分壓，所以落在直流
馬達上的壓降低很多，風扇便維持最低速運轉，此時消耗的功率包涵風扇馬 達低速運轉的耗電及風扇電阻的消耗功率。 表 2.2 Factor B「風扇段數」的 5 個變動水準 Level 風扇段數 符號 0 OFF OFF–1–2–3–4 1 1 2 2 3 3 4 4 圖 2.2 汽車空調風扇控制電路
圖 2.3 空調風扇電阻照片 「空調方式」因子 C 具有 2 個變動水準（參見表 2.3），符號 1 代表無 冷氣，符號 2 代表有冷氣。隨著生活水準的提高，汽車的空調系統已是標準 配備而非選用配備；汽車空調是汽車上安裝的一套車內環境控制系統，擁有 該項配備，才能確保與提升車內的空氣品質與舒適感，夏天乘坐汽車不會汗 流浹背而有礙健康；在冬季或陰雨天氣，車內空氣溫度較車外高，車內的水 蒸汽遇溫度較低的玻璃後凝結形成霧氣；霧氣的生成是一種自然現象，且車 內空間越小、乘坐人數越多，這種情況也會越嚴重。通常，在空氣濕度一定 的情況下，車窗溫度低於露點溫度(Dew point temperature)時；也就是在固定氣 壓之下，空氣中所含氣態水達到飽和(Saturation)而凝結成液態水所需要降至的 溫度，所以就會在車窗表面形成結露，這也就是我們經常看到的起霧現象。
現代空調系統由製冷單元、供暖單元(Heating)、通風(Ventilation)和空氣 淨化(Air purification)單元及控制單元組成，汽車空調一般主要由 冷凝器 (Condenser) 、 蒸 發 器 (Evaporator) 、 膨 脹 閥 (Expansion valve) 、 貯 液 乾 燥 器
(Receiver drier)、壓縮機(Compressor)、管道(Hoses)、風扇(Fan)、電磁離合器 (Electromagnetic clutch)、真空電磁閥 (Vacuum solenoid)、怠速制動器 (Idle actuator)和控制系統等組成。在汽車的冷氣空調系統中，主要包括如圖 2.4 所 示的重要機件，功能簡述如後： 1. 冷凝器：冷凝器是裝置在冷卻水箱的前面，由壓縮機壓送出來的高壓、高 溫氣態冷媒(Refrigerant)，流經冷凝器的鰭管(Fin tubes)，被外界流過的冷 空氣帶走冷媒的熱量，使氣態的冷媒液化成高壓、中溫液態冷媒。 2. 蒸發器：冷氣系統中的鼓風機，把空氣吸入吹送至蒸發器，蒸發器管路內 之冷媒吸收空氣的熱量，由液體變成氣體狀態，因此空氣的熱量被吸收 後，進入車內的空氣便是冷氣。 3. 膨脹閥：膨脹閥的功用是藉蒸發器熱負荷(Heat load)的大小控制系統中冷 媒的流量，使冷媒得到最佳的蒸發效果，膨脹閥是利用感溫器(Temperature sensor)來控制進入蒸發器的冷媒量。且高壓、中溫液態冷媒經膨脹關的孔 口(Orifice)後膨脹成低壓、低溫液態冷媒。
4. 貯液乾燥器：又稱為儲液筒(Liquid tank 或 Receiver)的功用是貯存冷媒， 流過系統中的冷媒量是隨著冷氣機的運作情形隨時在變化，當冷氣機的熱 負荷降低時，儲液筒貯存過量的冷媒，而當在冷氣效果需要增加時，放出 貯存的冷媒，如此來維持系統中最適當的冷媒量。儲液筒內之乾燥劑可吸 收冷媒中之水分，儲液筒且可使液態冷媒與氣態冷媒完全分離。
皮帶盤(Crankshaft pulley)來驅動，吸入蒸發器的氣態冷媒，經由壓縮機壓 送至冷凝器，同時低壓氣態冷媒經由壓縮後亦因此變成高壓、高溫的氣態 冷媒。 表 2.3 Factor C「空調方式」的 2 個變動水準 Level 空調方式 符號 1 無冷氣 2 有冷氣 圖 2.4 汽車的冷氣系統
有關「車內人數」因子 D 具有 2 個變動水準（參見表 2.4），符號 1 代 表 1 人在車內，乘坐於駕駛座；符號 2 表示有 2 人在車內，分別乘坐於駕駛 座與後座左側。本論文透過 1 人與 2 人在車內的比較，試圖找出因數 D 的變 動差異，故不再重複對 3~5 人在車內進行量測與分析。由於轎車車內空間狹 小、空氣流速緩慢並且缺少新鮮空氣，乘車人呼出的氣體滯留在車內，當空 氣中 CO2濃度達到 0.5%時，人就會出現頭痛、頭暈等不適感；CO2的濃度與 時間會與車內人數成正比，再加上人體的壞死細胞（頭皮屑）滯留在車內， 更容易造成污染。 表 2.4 Factor D「車內人數」的 2 個變動水準 Level 車內人數 符號 1 1 2 2
第 2.3 節 田口方法的運用
田口方法(Taguchi method)是一種低成本、高效益的質量工程方法，它強 調產品質量的提高，不是通過檢驗而是通過設計。田口方法是日本田口玄一 (Genichi Taguchi)博士創立的。日本和歐美等發達國家和地區，儘管擁有先進 的設備和優質原材料，仍然嚴把質量關，應用田口方法創造出了許多世界知 名品牌。隨著市場競爭的日趨激烈，企業只有牢牢把握市場需求，用較短的 時間開發出低成本、高質量的產品，才能在競爭中立於不敗之地。在眾多的 產品開發方法中，田口方法不失為提高產品質量，促進技術創新，增強企業 競爭力的理想方法。田口方法又稱田口式品質工程(Taguchi quality engineering)是由田口玄一 創始的工程方法，以統計學的方式來進行實驗及生產過程管控（Rosa, Robin, Silva, Baldan, & Peres, 2009），達到產品品質改善及成本降低的雙重目的。專 業統計學家認同品質工程的目標及帶來的進步．特別是品質工程對於變異 (Variance) 的 研 究 ， 但 認 為 品 質 工 程 中 一 些 建 議 的 作 法 不 具 有 效 性 統 計 (Efficiency statistics)。田口方法是目前為了達到穩健設計中最著名的方法 學，因而也被稱為田口式穩健設計方法(Taguchi methods of robust design)（李 輝煌，2011）。
田口方法的基本思想是把產品的穩健性設計到產品和製造過程中，通過 控制源頭質量來抵禦大量的下游生產或顧客使用中的雜訊或不可控因素的干 擾，這些因素包括環境濕度、材料老化、製造誤差、零件間的波動…等等。
田口方法不僅提倡充分利用廉價的元件來設計和製造出高品質的產品，而且 使用先進的試驗技術來降低設計試驗費用，這也正是田口方法對傳統思想的 革命性改變．為企業增加效益指出了一個新方向。由此可見，田口方法是一 種聚焦於最小化過程變異或使產品、過程對環境變異最不敏感的實驗設計方 法，是一種能設計出環境多變條件下能夠穩健和優化操作的高效方法。 本論文採用田口方法中的直交表(Orthogonal array)予以分析。在全因子 實驗(Full-factorial experiments)中，因為實驗考慮到所有可能的排列組合，故 可從實驗組中挑出最佳的變動水準組合。相對於全因子實驗而言，田口方法 直交表係透過有系統、有效率的變動控制因子方式，利用因子反應分析 (Factor response analysis)獲得足夠的資料，能用較少的實驗次數實現最佳的 降溫水準組合。由於田口方法直交表並非全因子實驗，故所有水準組合並不 見得會出現在表中，此意味著最佳的控制因數變動水準組合不一定會在直交 表的實驗組中。
標準差(Standard deviation)σ可當作不確定性的一種測量，在機率統計中
最常使用作為統計分布程度(Statistical dispersion)上的測量。標準差定義為變
異數(Variance)的算術平方根(Arithmetic square root)，反映實驗數據組內個體
（x1、x2、…、xn）間的離散程度，數學式定義為：
(
)
∑ － － = n 2 i x x 1 σ (2.1)式中x代表實驗數據組內n個個體的平均值(Average)，即 n x x n 1 i i ∑ = = (2.2) 簡單來說，標準差是一組實驗數據值自平均值分散開程度的一種測量觀 念。一個較大的標準差，代表大部分的實驗數據和其平均值之間差異較大； 一個較小的標準差，則代表這些實驗數據較接近平均值。 在田口方法中，信號雜訊比(Signal-to-noise ratio)S/N常用來作為品質的劑 量單位，其計算公式如下： 2 2 x σ log 10 N / S =－ × (2.3) S/N 代表量測值（亦即品質特性）的變異程度。因為 S/N 定義為標準差(σ)除 以平均值(x)後、平方、取對數，然後再乘以-10。通常信號雜訊比(S/N)值越大 表示標準差(σ)越小，亦即變異越小，也就象徵著品質越佳。 若我們要探討各個控制因子的水準變動對 S/N 值的影響時，則 S/N 值的平 均變動量，亦即所謂控制因子的因子效應(Factor effect)將是一個重要的計算 值；當控制因子有 N 個水準，則會具有 N-1 個因子效應。假設控制因子 A 由 第 1 水準變動到第 2 水準，S/N 值的平均變動量可用E1A→2表示，數學定義如 下所列：
A1 → － =η η E1A 2 A2 (2.4) 式中η 稱為控制因子 A 在水準 1 的 S/N 反應值(Response)，A1 η 稱為控制因子A2 A 在水準 2 的 S/N 反應值；E1A→2為控制因子 A 由第 1 水準變動到第 2 水準， 對於 S/N 值的平均變動量。其中，控制因子 A 在水準 1 的 S/N 反應值可利用 數學式表示如下： A n 1 i i 1 A n ) N / S ( (2.5) 各控制因子在各水準的 S/N 反應值亦可比照(2.5)式求得。
第 3 章 實驗設計
本研究係採用 TOYOTA Corolla 排汽量 1792 cc、1994 年份美規、行駛里 程數 366,000 公里的 5 人座轎車為實驗取樣之標的；車輛經定期保養仍維持良 好的操作情況。車齡與車內 VOC 濃度具有一定程度的影響（Fedoruk & Kerger,
2003），通常車齡在 6 個月以內界定為”新車”，車齡達到 4 年就界定為”舊車”；
新車與舊車車內的 VOC 濃度值會有較大的差異。
在取樣所採用的儀器為多通道空氣品質監測器(Multi-channel air quality
monitor)，具有彈性與功能性的多重氣體監測器，其內建採樣單元(Sampling
unit)可提供固定的流量(Flow rate)，可維持偵測濃度的準確性，符合室內空氣
品質(Indoor air quality, IAQ)偵測的各式需求，為使用者提供全方位的監測能
力。空氣品質監測器最多可同時偵測 CO、CH2O、TVOC 等三種行政院環保
署規範的氣體，並可同時測量溫度與濕度值。空氣品質監測器隨插即用，並 即時顯示所有偵測數值，具通用序列匯流排(Universal serial bus, USB)傳輸介 面，可搭配 Datalog 電腦軟體進行電腦連線。由於考慮空氣品質監測器的電 源供應時間與記憶體容量的限制，取樣率(Sampling rate)設定為每秒鐘擷取 1 次數值，意即取樣率為 1 赫茲(Herz, Hz)；暖機時間(Warm-up time)為 2 分鐘。 另外，實驗使用數位式風速計(Digital anemometer)測量汽車空調出風口的空氣 速度(Air velocity)，儀器精確度為±2%。
在本論文研究中，所有實驗例均在車輛靜止狀態下進行各項的數據量 測。當乘坐人員打開車門就定位之後，並立即關閉車門；取樣儀器係放置在 副駕駛座位上，風速計則是固定在汽車空調出風口。本論文所有的實驗測量 均密集在 3 月中旬至 5 月上旬完成，每天進行一組實驗測量；根據 4 種主要 實驗的控制因子，特別將實驗數據組編碼方式說明如表 3.1 所列。車外的環 境溫度(Surrounding temperature)與環境濕度(Surrounding humidity)等實驗條件 屬於無法控制的干擾因子(Noise factor)，其量測值分別如表 3.2 所列，其中 環境濕度係指相對濕度(Relative humidity)。 表 3.1 車內空氣品質控制因子水準表 Factor A B C D 循環方式 風扇段數 空調(冷氣) 車內人數 Level 1 內 0 無段 0 無 1 一人 2 外 1 一段 1 有 2 二人 - - 2 二段 - - - - - - 3 三段 - - - - - - 4 四段 - - - -
表 3.2 實驗條件 No Exp Factor 環境溫度 (oC) 環境濕度 (%) A B C D 1 1001 1 0 0 1 25.9 61 2 1002 1 0 0 2 25.7 77 3 1101 1 1 0 1 27.3 77 4 1111 1 1 1 1 27.0 70 5 1112 1 1 1 2 26.3 72 6 1201 1 2 0 1 22.9 74 7 1211 1 2 1 1 24.5 79 8 1212 1 2 1 2 27.3 70 9 1301 1 3 0 1 24.8 75 10 1312 1 3 1 2 27.5 69 11 1401 1 4 0 1 23.1 84 12 1412 1 4 1 2 26.8 57 13 2001 2 0 0 1 21.1 73 14 2002 2 0 0 2 25.8 78 15 2101 2 1 0 1 27.3 61 16 2102 2 1 0 2 24.3 58 17 2112 2 1 1 2 24.1 81 18 2201 2 2 0 1 21.7 79 19 2202 2 2 0 2 23.1 51 20 2212 2 2 1 2 25.3 67 21 2301 2 3 0 1 26.9 77 22 2302 2 3 0 2 28.1 75 23 2312 2 3 1 2 23 51 24 2401 2 4 0 1 27.5 71 25 2402 2 4 0 2 23.4 59 26 2412 2 4 1 2 25.5 88 Ave 25.2 70.5 S/N 2.0 9.8
第 4 章 結果與討論
第 4.1 節 實驗設計法
經由實驗量測所獲得的 26 組數據，透過方程式(2.1)與(2.2)的計算可獲得 每組實驗例的酷熱指數(HI)，如表 4.1 所列。由於每組實驗例的環境溫度(Ta) 與環境濕度(φ)基準並不相同，為探討環境中的可控制因子（循環方式、風扇 段數、空調方式及車內人數）影響，故本論文採用酷熱指數增量(HI-Ta)值來 檢視控制因子的影響性；在表 4.1 中，我們同時將影響車廂內乘客較為嚴重 的二氧化碳(CO2)濃度，有系統地去變動控制因子作資料分析。 以下是針對表 4.1 進行資料分析，目的在於獲得一組因子組合，使得信 號雜訊比(S/N)值最大化，而二氧化碳(CO2)濃度能最小化(Minimization)、酷 熱指數增量(HI-Ta)值能最大化(Maximization)。基本上，我們將循環方式、風 扇段數、空調方式及車內人數等 4 個控制因數予以分類，有些用來將(S/N)值 最大化，有些則用來調整 CO2濃度與 HI-Ta值。 表 4.1 CO2實驗量測平均值與酷熱指數 HI 計算值 No Factor CO2 (ppm) HI (oC) HI-Ta (oC) A B C D 1 1 0 0 1 2130 29.6 3.7 2 1 0 0 2 2048 31.7 6.05 1 1 1 2 1665 31.9 5.6 6 1 2 0 1 711 26.9 4.0 7 1 2 1 1 799 30.1 5.6 8 1 2 1 2 968 33.2 5.9 9 1 3 0 1 617 30.0 5.2 10 1 3 1 2 922 33.3 5.8 11 1 4 0 1 533 28.5 5.4 12 1 4 1 2 857 30.3 3.5 13 2 0 0 1 2857 24.1 3.0 14 2 0 0 2 4205 32.0 6.2 15 2 1 0 1 545 31.7 4.4 16 2 1 0 2 765 26.8 2.5 17 2 1 1 2 663 29.7 5.6 18 2 2 0 1 524 25.7 4.0 19 2 2 0 2 636 24.2 1.1 20 2 2 1 2 654 29.6 4.3 21 2 3 0 1 508 33.7 6.8 22 2 3 0 2 550 35.3 7.2 23 2 3 1 2 500 24.1 1.1 24 2 4 0 1 432 33.7 6.2 25 2 4 0 2 482 25.7 2.3 26 2 4 1 2 462 33.0 7.5 Ave 1043 30.07 4.83 S/N 882 3.39 1.78
針對表 4.1中，為求實驗數據CO2的因子反應表(Response table)，因此我
們必須先計算各因子在各水準的平均CO2濃度值，藉由(2.5)式計算出在各控制 因子在各水準的CO2濃度反應值(Response)，舉例： 1112 12 857 979 2048 2130 1 A
985 14 462 545 4205 2857 2 A 依此類推，將可計算出在各控制因子在各水準的CO2濃度、酷熱指數(HI) 及酷熱指數增量的反應值，彙整可得如下Table 4.2之二氧化碳(CO2)濃度反應
表(Response table)及表 4.3之酷熱指數(HI)反應表。
表 4.2 二氧化碳(CO2)濃度反應表 Level A B C D 循環方式 風扇段數 空調(冷氣) 車內人數 0 2810 1158 1 1112 992 860 979 2 985 715 1098 3 619 4 553 Effect 2 1 A E → = –127 E0B1= –818 EC01= –298 EB12= 119 2 1 B E = –277 3 2 B E = –96 4 3 B E = –66 為決定一組對於改善車廂內二氧化碳(CO2)濃度最佳的空調操作模式，我 們可從Table 4.2中，表列各控制因子在各水準的二氧化碳(CO2)濃度反應值。
從表列結果觀察到，A行(A column)的E1A→2為控制因子A由第1水準變動到第2
成車廂內擁有較佳的空氣品質（越小越佳），則控制因子A~D應該分別設定： A2 B4 C1 D1 (4.1) 依照表 3.1 的實驗數據組編碼方式，(4.1)式的編碼應為「2411」。然而對照 表 4.1 可發現，本組參數組合並未出現在表列的 26 組實驗例中；以田口方法 直交表進行實驗，最佳的因子組合通常不會出現在實驗例中。然而，在適當 的假設下，透過 Table 4.2 的因子反應表，仍有可能預測(4.1)式這組最佳的 CO2 濃度反應值。 為了預測最佳因子組合的 CO2濃度反應值，本論文採用具有關鍵性的假 設：若各因子效應為獨立 (Independence)，亦即各因子間並沒有交互作用 (Interaction)，據此因子效應等同是具有疊加性(Additivity)。首先，採用車廂 內的 CO2濃度的總平均值為基準（x=1043 ppm），在沒有交互作用的狀況下： ) x x ( ) x x ( ) x x ( ) x x ( x x A2 B4 C1 D1 1043(9851043)(5531043)(8601043)(9791043) 248ppm 其中xA2代表A控制因子在水準的CO2濃度反應值，此數值可從表 4.2查得，其 他xB4、xC1及xD1依此類推。經由以上推估可得，在最佳因子組合的狀況下， CO2濃度反應值為248 ppm；要確認此值的正確性，唯一的方法是要去做確認 實驗(Confirmation experiments)，若實驗測量值與預測值相符，則可確認實驗
模式(Empirical model)是為合理：因子效應是可疊加，因子間的交互作用是可 忽略。 接著以同樣的方法，我們將從表 4.3尋求對於改善車廂內酷熱指數(HI)最 佳的空調操作模式。首先，我們檢視表 4.3表列各控制因子在各水準的酷熱指 數(HI)反應值，其中發現HI反應值並不像表 4.2的CO2濃度反應值具有規律 性，究其原因是CO2濃度是具有因子效應獨立性，但酷熱指數(HI)卻是受到環 境溫度(Ta)與環境濕度(φ)二個干擾因子(Noise factor)的影響，尤其是環境濕度 的變異相當大（參見表 3.2及表 4.4），其中實驗數據組編碼1412、2102、2202、 2312及2402等5組的環境濕度(φ)值不到60%，然而編碼1401、2112及2412等3 組的φ值卻超過80%。因此，在環境溫度(Ta)與環境濕度(φ)無法取得同一標準 的情況下，對於改善車廂內酷熱指數(HI)最佳的空調操作模式，是難以從田口 方法直交表中獲得。
表 4.3 酷熱指數(HI)反應表 Level A B C D 循環方式 風扇段數 空調(冷氣) 車內人數 0 29.36 29.62 1 31.04 30.57 30.78 30.08 2 29.24 28.28 30.06 3 31.27 4 30.24 Effect 2 1 A E → = –1.80 EB01= 1.21 EC01= 1.16 E1B2= –0.02 2 1 B E = –2.29 3 2 B E = 2.99 4 3 B E = –1.03 表 4.4 環境溫度(Ta)與環境濕度(φ)反應表 Level A B C D Ta (oC) φ (%) Ta (oC) φ (%) Ta (oC) φ (%) Ta (oC) φ (%) 0 24.6 72.3 24.9 70.6 1 25.8 72.1 26.1 69.8 25.7 70.4 25.0 73.4 2 24.8 69.2 24.1 70.0 25.4 68.1 3 26.1 69.4 4 25.3 71.8 Range 1.0 2.9 2.0 2.9 0.8 0.2 0.4 5.3
第 4.2 節
循環方式的影響 汽車的內循環是關閉了車內外的氣流通道，不開鼓風機就沒有氣流循 環，開啟鼓風機時吸入的氣流也僅來自車內，形成車廂內部的氣流循環。內 循環主要是及時有效地阻止外部的灰塵和有害氣體進入車內，例如行使中通 過煙霧、揚塵、異味區域或車輛密集緊湊行駛時，阻擋前車排出的有害尾氣。 汽車的空調系統中有一閥門，可以開啟、引入車外空氣進入車廂內，或 者關閉、讓車廂內的空氣不與外界的空氣混合。閥門與進氣口之間，會有一 個海綿襯墊，用以確保閥門關閉時，可以完全阻絕外界空氣不致滲透進入車 室內，但是海綿襯墊容易因高溫逐漸硬化碎裂，特別是經常開關閥門，由於 不斷處於壓縮、膨鬆的狀態，會加速其彈性老化；屆時，即便將閥門設定在 室內循環狀態，車外的空氣仍有可能滲入車廂內。 因為內循環是空氣在車內封閉空間內的循環，車廂內的含氧量會不斷下 降，而且如果汽缸中的汽油燃燒不完全，引擎未燃燒盡的一氧化碳也可能漏 進車廂內，因此車廂內的空氣質量會越來越差，甚至對人體產生危害。通常 汽車配備有恆溫空調(Constant temperature air conditioning)的冷氣，則車廂内部 的冷空氣比較不會流失到車外，因此內循環方式會比較省油。如果汽車是配 備類比式的冷氣，壓縮機和風量大小都一樣，則內循環與外循環的油耗就相 差不多。用所謂的「一次一因子實驗法」(One factor at a time)來檢視 Factor A「循環方 式」的影響性，分析方式採用環境溫度(Ta)與環境濕度(φ)二個干擾因子影響性 最小的二個實驗例「1002」與「2002」作為比較。 經由圖 4.1 可看出，在沒有啟動風扇的狀況下，不管「內循環」或是「外 循環」，對於車廂內二氧化碳(CO2)濃度並不會有顯著的差異。從圖中二條曲 線的分布甚至於出現「內循環」狀態下，車廂內 CO2濃度反而高於「外循環」 的空調模式；其中「內循環」狀態下，車廂內 CO2濃度增加率為 124.7 ppm/min， 「外循環」狀態下，CO2濃度增加率則為 100.3 ppm/min；實驗例「1002」與 「2002」的 CO2濃度值會有差異，主要是與成員的體能狀態有關連性。 圖 4.1 循環方式對於車廂內二氧化碳(CO2)濃度的影響 接著，我們將探討循環方式對於車廂內酷熱指數(HI)的影響，如圖 4.2 所 示，實驗例「1002」代表「內循環」狀態，實驗例「2002」則是代表「外循
環」狀態。根據二條曲線趨勢與分布可看出，無論循環方式為「內循環」或 「外循環」，實驗例「1002」與「2002」所產生的酷熱指數(HI)仍會呈現緩慢 增加的趨勢；其中「內循環」狀態下，車廂內 HI 增加率為 0.23 o C /min，「外 循環」狀態下，HI 增加率則為 0.22 o C/min，二實驗例的 HI 增加率差異性並 不大（4.3%）。此外，實驗例「1002」與「2002」所意味的循環方式，對於 車廂內酷熱指數(HI)造成的差異極為微小，最大差異僅為 2.82%。由此可見， 在沒有開啟空調風扇的情況下，循環方式採用「內循環」或「外循環」對車 內空氣品質的改善並無差異。 圖 4.2 循環方式對於車廂內酷熱指數(HI)的影響
第 4.3 節
風扇段數的影響性 在本論文中的Factor B「風扇段數」具有5個變動水準分別為0、1、2、3 及4等5種，其中0表示OFF（關閉風扇），Level 1、2、3及4分別代表一、二、 三及四段運轉。經由實驗測量的結果詳如表 4.5所列，其中一、二、三及四段 運轉時的平均出風口速度分別為2.63、3.97、5.15及6.83 m/s，其結果如圖4.3 所示。 圖4.3 空調系統的出風口風速值 透過測量到數據分布的程度，例如在做重複性測量時，測量數據集合的 標準差代表這些測量的精確度。當要決定測量值是否符合預測值，測量值的 標準差佔有決定性重要角色：如果測量平均值與預測值相差太遠，同時與標 準差數值做比較，則認為測量值與預測值互相矛盾。因為如果測量值都落在 一定數值範圍之外，可以合理推論預測值是否正確。再從圖中的數據分布可看出，當風扇段數越高（→4），出風口速度的變化越大；若風扇段數越低（→ 1），則出風口速度的變化就越小。如圖中1~4段運轉出風口速度的標準差分 別為0.17、0.22、0.29及0.33 m/s。
為尋找空調系統的出風口風速與風扇段數之關係，本論文將出風口風速
V(m/s)以縱座標描述，風扇段數N以橫座標表示，結果如圖4.4所示。從圖中的
數據分布，藉由直線擬合數據組(Line fitting for data sets)的結果顯示，所得到 的趨勢線(Trend line)可用數學式表示如下： 48 . 0 N 62 . 1 V (4.1) 式中V表示出風口風速(m/s)；N表示風扇段數，也就是代表Factor B的水準。 圖4.4 空調系統的出風口風速與風扇段數之關係
表 4.5 Factor B「風扇段數」的影響性 No Exp 風速(m/s) 風扇段數 平均風速(m/s) 1 1001 0 0 0 2 1002 0 13 2001 0 14 2002 0 3 1101 2.841 1 2.63 4 1111 2.710 5 1112 2.631 15 2101 2.640 16 2102 2.606 17 2112 2.334 6 1201 4.343 2 3.97 7 1211 3.990 8 1212 4.002 18 2201 3.840 19 2202 3.953 20 2212 3.678 9 1301 5.644 3 5.15 10 1312 5.126 21 2301 5.090 22 2302 4.975 23 2312 4.909 11 1401 7.261 4 6.83 12 1412 6.947 24 2401 6.830 25 2402 6.861 26 2412 6.239 在本論文中的Factor B「風扇段數」具有5個變動水準分別為0、1、2、3
及4等5種，分析方式採用環境溫度(Ta)與環境濕度(φ)二個干擾因子影響性最小 的二個實驗例「1201」與「1301」作為比較。從圖4.5可看出，啟動風扇對於 降低車廂內CO2 濃度確實有相當大的助益，根據量測數據結果發現實驗例 「1201」與「1301」分別在5分鐘與3分鐘時，CO2 濃度即已呈現近似水平趨 勢（車廂內CO2 濃度維持固定值），亦即透過風扇驅動可將單獨一人在車廂 內所製造出的CO2 排除。由二個實驗例「1201」與「1301」亦可獲知，風扇 段數對於改善車廂內CO2 濃度也有明顯的效益，根據數據顯示，只要從風扇 從二段調升至三段運轉，車廂內CO2 濃度可從749 ppm降低至627 ppm，降幅 高達16.3%。 圖 4.5 風扇段數對於車廂內二氧化碳(CO2)濃度的影響 繼續探討風扇段數對於車廂內酷熱指數(HI)的影響，如圖 4.6 所示，圖中
根據二條曲線趨勢與分布可看出，無論風扇段數為二段或三段，實驗例「1201」 與「1301」所產生的酷熱指數(HI)均呈現緩慢增加的趨勢，車廂內 HI 增加率 均為 0.20 o C /min。由此可見，實驗例「1201」與「1301」所意味的風扇段數， 對於車廂內酷熱指數(HI)形成的差異性亦相當微小。 圖 4.6 風扇段數對於車廂內酷熱指數(HI)的影響
第 4.4 節
空調方式的影響性 在本論文中的Factor C「空調（冷氣）」具有2個變動水準分別為0與1， 其中Level 0表示無空調，Level 1則表示有空調。我們仍採用所謂的「一次一 因子實驗法」來檢視Factor C「空調（冷氣）」的影響性，分析方式同樣採用 環境溫度(Ta)與環境濕度(φ)二個干擾因子影響性最小的二個實驗例「1201」與 「1211」作為比較。 經由圖4.7可看出，在有無啟動空調（冷氣）的狀況下，對於車廂內二氧 化碳(CO2)濃度也同樣不會有顯著的差異。從圖中二條曲線的分布甚至於出現 「有空調（冷氣）」狀態下，車廂內CO2 濃度反而高於「無空調（冷氣）」 的模式，顯示啟動空調（冷氣）的狀況，車廂內CO2 濃度反而更不容易排出。 再從圖4.7顯示，「無空調（冷氣）」的狀態，車廂內CO2濃度增加率為100.3 ppm/min，「有空調（冷氣）」的狀態，CO2濃度增加率卻高達124.7 ppm/min。 隨之再探討有無啟動空調（冷氣）對於車廂內酷熱指數(HI)的影響，如圖 4.8 所示，圖中實驗例「1201」代表無啟動空調（冷氣）狀態，實驗例「1211」 則是代表有啟動空調（冷氣）狀態。根據二條曲線趨勢與分布明顯可看出， 在無啟動空調（冷氣）狀態下，實驗例「1201」所產生的酷熱指數(HI)均呈現 緩慢增加的趨勢，車廂內 HI 增加率為 0.20 o C /min。然而，在有啟動空調（冷 氣）狀態下，實驗例「1211」所產生的酷熱指數(HI)卻呈現先前所未出現過的1%之內。由此可見，欲使車廂內的酷熱指數(HI)降低，唯一具有關鍵性影響 的控制因子為 Factor C「空調（冷氣）」。
圖 4.7 空調（冷氣）對於車廂內二氧化碳(CO2)濃度的影響
第 4.5 節
車內人數的影響性 在本論文中的Factor D「車內人數」具有2個變動水準分別為1與2，其中 Level 1表示一人在車內，Level 2則表示有二人在車內。我們同樣採用所謂的 「一次一因子實驗法」來檢視Factor D「車內人數」的影響性，分析方式採用 Ta與φ二個干擾因子影響性最小的「1111」與「1112」二個實驗例作為比較。 經由圖4.9可看出，在車內人數不同的狀況下，對於車廂內二氧化碳(CO2) 濃度就會有顯著的差異。從圖中二條曲線的分布呈現車內開始有人的情況 下，車廂內的CO2 濃度會逐漸的升高，在車廂內人數越多所產生的CO2 濃度 就會越高，然而不論是一人或二人在車內，CO2 濃度在增加一段時間後會漸 趨於緩和的固定值。再從圖4.9顯示，實驗例「1111」的一人狀態，車廂內CO2 濃度在t=17.4分鐘（17分24秒）之後的增加率會降低至3%之內，CO2濃度值為 1,171 ppm；實驗例「1112」的二人狀態，車廂內CO2濃度在t=16分鐘之後的增 加率會降低至3%之內，CO2濃度值為3,652 ppm。 最後將探討車內人數對於車廂內酷熱指數(HI)的影響，如圖 4.10 所示， 圖中二個實驗例「1111」與「1112」分別表示車廂內有一人及二人。從圖中 的二條曲線趨勢與分布顯示，由於 Factor C「空調（冷氣）」而使二實驗例所 形成的酷熱指數(HI)均呈現遞減的趨勢，其中實驗例「1111」與「1112」分別 在時間 t=7.67 分鐘（7 分 40 秒）與 t=8.33 分鐘（8 分 20 秒）時，酷熱指數(HI)圖 4.9 車內人數對於車廂內二氧化碳(CO2)濃度的影響
第 5 章 結論
第 5.1 節 結果歸納
本論文實驗所考慮有關影響車內空氣品質的 4 個控制因子：循環方式、 風扇段數、空調方式及車內人數等，其中控制因子 A「循環方式」具有內循 環與外循環等 2 個變動水準。控制因子 B「風扇段數」具有關閉風扇、一、 二、三及四段運轉等 5 個變動水準。控制因子 C「空調方式」具有無冷氣及 有冷氣等 2 個變動水準。控制因子 D「車內人數」具有 1 人及 2 人在車內的 2 個變動水準。 根據田口方法的因子反應表顯示，若要達成車廂內擁有較佳的空氣品質 （越小越佳），控制因子應該分別設定：A2、B4、C1、D1。其中，循環方式、 風扇段數、空調方式及車內人數等 4 個控制因子的影響性簡扼歸納如下： 1. 循環方式 在沒有啟動風扇的狀況下，不管「內循環」或是「外循環」，對於車廂內 二氧化碳(CO2)濃度並不會有顯著的差異。測量數據分布結果甚至於出現 「內循環」狀態下，車廂內 CO2濃度反而高於「外循環」的空調模式；其 中「內循環」狀態下，車廂內 CO2濃度增加率為 124.7 ppm/min，「外循 環」狀態下，CO2濃度增加率則為 100.3 ppm/min；實驗例「1002」與「2002」再從分析結果得知，無論循環方式為「內循環」或「外循環」所產生的酷 熱指數(HI)仍會呈現緩慢增加的趨勢；其中「內循環」狀態下，車廂內 HI 增加率為 0.23 oC /min，「外循環」狀態下，HI 增加率則為 0.22 oC/min， 二實驗例的 HI 增加率差異性並不大（4.3%）。此外，「內循環」或「外 循環」對於車廂內酷熱指數(HI)造成的差異極為微小，最大差異僅為 2.82%。由此可見，在沒有開啟空調風扇的情況下，循環方式採用「內循 環」或「外循環」對車內空氣品質的改善並無差異。 2. 風扇段數 藉由直線擬合數據組的結果顯示，風扇段數所得到的趨勢線可用數學式表 示如下： 48 . 0 N 62 . 1 V 式中 V 表示出風口風速(m/s)；N 表示風扇段數，也就是代表風扇段數的水 準。 啟動風扇對於降低車廂內 CO2 濃度確實有相當大的助益，根據量測數據 結果發現，啟動風扇後車廂內 CO2 濃度很快的會呈現近似水平趨勢，亦 即透過風扇驅動可將單獨一人在車廂內所製造出的 CO2 排除。風扇段數 對於改善車廂內 CO2 濃度也有明顯的效益，根據數據顯示，只要從風扇 從二段調升至三段運轉，車廂內 CO2 濃度可從 749 ppm 降低至 627 ppm， 降幅高達 16.3%。
根據實驗數據的分布趨勢可看出，無論風扇段數為何，實驗例所產生的酷 熱指數(HI)均呈現緩慢增加的趨勢，例如二段與三段的實驗利，車廂內 HI 增加率均為 0.20 oC /min。由此可見，風扇段數對於車廂內酷熱指數(HI) 形成的差異性亦相當微小。 3. 空調方式 從實驗例的曲線分布出現「有空調（冷氣）」狀態下，車廂內 CO2 濃度 反而高於「無空調（冷氣）」的模式，顯示啟動空調（冷氣）的狀況，車 廂內 CO2 濃度反而更不容易排出。從實驗例的數據顯示，「無空調（冷 氣）」的狀態，車廂內 CO2濃度增加率為 100.3 ppm/min，「有空調（冷 氣）」的狀態，CO2濃度增加率卻高達 124.7 ppm/min。 在無啟動空調（冷氣）狀態下，產生的酷熱指數(HI)均呈現緩慢增加的趨 勢，車廂內 HI 增加率為 0.20 o C /min。然而，在有啟動空調（冷氣）狀態 下，產生的酷熱指數(HI)卻呈現先前所未出現過的遞減趨勢；數據顯現從 一開始就 HI 驟減，及至時間 t=4.6 分鐘（4 分 36 秒）HI 的降幅減低至 2% 之內，時間 t=11.6 分鐘（11 分 34 秒）HI 的降幅減低至 1%之內。由此可 見，欲使車廂內的酷熱指數(HI)降低，唯一具有關鍵性影響的控制因子為 Factor C「空調（冷氣）」。 4. 車內人數 車內開始有人的情況下，車廂內的 CO 濃度會逐漸的升高，在車廂內人
濃度在增加一段時間後會漸趨於緩和的固定值。一人在車廂內的實驗例， CO2濃度在 t=17.4 分鐘（17 分 24 秒）之後的增加率會降低至 3%之內， CO2濃度值為 1,171 ppm。二人在車廂內的實驗例，CO2濃度在 t=16 分鐘 之後的增加率會降低至 3%之內，CO2濃度值為 3,652 ppm。 由於 Factor C「空調（冷氣）」而使實驗例所形成的酷熱指數(HI)均呈現 遞減的趨勢，其中一人與二人在車內實驗例，分別在時間 t=7.67 分鐘（7 分 40 秒）與 t=8.33 分鐘（8 分 20 秒）時，酷熱指數(HI)的降幅會減低至 1%之內；一人與二人在車內實驗例，HI 值分別達到 28.8 oC 與 30.8 oC。
第 5.2 節 總結
汽車空氣調節系統(Air Conditioning System, A/C system)簡稱汽車空調系 統，主要目的是在任何氣候和行駛條件下，能為乘員提供舒適的車內環境。 然而啟動空調系統將會增加汽車能源的消耗，因此配合天氣狀況，調整車內 溫度與風量，特別是在夏天時溫度切勿設定過低，以減少引擎壓縮機的負載。 通常，當環境溫度 25℃時，小客車在行駛所使用車內冷氣空調，約會增加 16% 的油料消耗；當環境溫度 35℃時，使用車內冷氣空調約會增加 23%的油料消 耗。若不開啟車內冷氣空調，改用開窗方式來改善車內空氣品質，高速行駛 時，若僅將駕駛座窗戶全開，則車子的空氣阻力將會增加 2.5%；車上窗戶若 全部打開，空氣阻力將增加 10%。為了兼顧節能與改善車內空氣品質，其實 採用車內空調系統的「外循環」與風扇通風，將是兩全其美的好方法。 或許有人會建議，直接把空調系統的「內循環」改成「外循環」，讓車 子引進外界的空氣混進車內，不也很省事？但是汽車維修人員指出，儘量少 去切換循環閥門(Circulating valve)比較好。空調系統中有一道閥門，可以開 啟、引入車外空氣進入車室內，關閉後便可阻擋外界空氣進入車內，用以阻 絕車外灰塵及其它污染物質；而閥門與進氣口之間，有一個海綿襯墊(Foam cushion)，用來確保閥門關閉時，可以完全阻絕外界空氣。但此襯墊容易因為 高溫而逐漸硬化，然後碎裂掉落，特別是經常開關閥門，不斷處於壓縮、膨
雖然有許多研究提出方法（黃嘉宏、郭廷威，2007；杜鳳棋、朱楚豪、 姜智揚，2014），用以改善車內的空氣品質，但直接使用汽車空調系統卻是 最簡便的方法。人們對冷暖的感覺不僅決定於溫度的高低，也受到濕度和風 速的影響；溫度相同而濕度和風速不同也會產生不同的溫感。很多開車族在 開車時，通常不會在意或沒有注意到空氣對流模式，或經常關閉車外空氣對 流，以便防止車外廢氣或髒空氣污染車內空氣；如此的駕車模式是否能充分 的保障車內空氣不會遭受外界污染，這是本研究的主要重點。汽車車廂是一 個空間狹小、通風不良的典型微氣候實例，由於在車內的 VOCs 種類高達 162 種，若針對特定的化合物單獨測量之成本高昂，因此本研究將聚焦於在靜態
停車模式(Static Parked Mode, SPM)下，在車內二氧化碳(CO2)、一氧化碳
(CO)、甲醛(CH2O)及揮發性有機化合物(VOC)等成份濃度的變化狀態，藉以 提出較為健康行駛的駕車模式。 汽車空調的使用是一門學問，正確使用空調不僅能夠以最快速度製冷或 制熱同時還可以起到節能作用，最好的做法是內循環和外循環交替使用。其 他重要的操控方式包括以下幾項重點： 1. 人在進入汽車後的短時間內，就應該打開車窗或開啟外循環通風設施，引 進新鮮空氣，不能在封閉車窗、車門狀況下，長時間行車，更不能在封閉 的車內睡眠或長時間休息。 2. 購買新車後，應當像新裝修住房那樣，儘可能地保持車內外空氣的交換， 以便儘早讓車內的有害氣體揮發釋放乾淨。
3. 在開啟空調和暖風時，使用車內外空氣交流模式，儘量避免長時間使用車 內自循環模式。 4. 在遇到堵車嚴重的地段，應當把空調、暖風開關暫時調到車內自循環模式， 開窗行駛的車輛應暫時關閉車窗。車主要養成這樣的習慣，根據車外空氣 狀況，及時調整車內空調循環系統。 5. 新車的前 6 個月內一定要加強通風，定期清洗車內空調，儘量保持車內空 氣新鮮，特別注意不要用香水或空氣清新劑掩蓋車內的異常氣味。
參考文獻
1. Associated Press (1995). That new-car smell might be toxic: Japanese auto manufacturers taking measures to tone down the fumes, Online Available: http://www.msnbc.msn.com/id/9503413/&&CE=3032071.
2. Čornak, Š. & Braun, P. (2010). The evaluation of interior car’s air quality and safety of traffic, Science & Military, 1, 36-39.
3. Dong L., Block G., & Mandel S. (2004). Activities contributing to total energy expenditure in the Unites States: Results from the NHAPS study, International Journal of Behavioral Nutrition and Physical Activity, 1:4, doi:10.1186/1479-5868-1-4.
4. Fedoruk M. & Kerger B. D. (2003). Measurement of volatile organic compounds inside automobiles, Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology, 13(1), 31-41.
5. Gearhart J. & Posselt H. (2006). Toxic at any speed: Chemicals in cars and the need for safe alternatives, The Ecology Center, Ann Arbor, Michigan. 6. Geiss O., Tirendi S., Barrero J., & Kotzias D. (2009). Investigation of volatile
organic compounds and phthalates present in the cabin air of used private cars, Environment International, 35(8), 1188-1195.
7. Gladyszewska-Fiedoruk K. (2011). Concentrations of carbon dioxide in a car, Transportation Research Part D: Transport and Environment, 16(2), 166-171. doi: 10.1016 /j.trd.2010.07.003
8. Janicka A. B., Reksa M., & Sobianowska-Turek A. (2010). The impact of car vehicle class on volatile organic compounds (VOC’s) concentration in microatmosphere of car cabin, Journal of KONES Powertrain and Transport, 17(4), 207-212.
9. Maroni M., Seifert B., & Lindvall T. (1995). Indoor air quality–A comprehensive reference book. Air quality monographs, Vol. 3, Netherlands: Elsevier Science Publishers, 819–821.
10. Masterton J. M. & Richardson F. A. (1979). Humidex, a method of quantifying human discomfort due to excessive heat and humidity In: Environment Canada AES (ed), Downsview, Ontario, 4.
11. Müller D., Klingelhöfer D., Uibel S., & Groneberg D. A. (2011). Car indoor air pollution–Analysis of potential sources, Journal of Occupational Medicine and Toxicology, 6:33, doi: 10.1186/1745-6673-6-33.
12. National Renewable Energy Laboratory (2001). Development of a weather correction model for outdoor vehicle testing, Golden, Colorado.
13. Rosa, J. L., Robin, A., Silva, M. B., Baldan, C. A., Peres, M. P. (2009). Electrodeposition of copper on titanium wires: Taguchi experimental design approach. Journal of Materials Processing Technology, 209(3), 1181-1188. 14. Satish U., Mendell M. J., Shekhar K., Hotchi T., Sullivan D., Streufert S., &
Fisk W. J. (2012). Is CO2 an indoor pollutant? Direct effects of low-to-
moderate CO2 concentrations on human decision-making performance,
Environmental Health Perspectives, 120(12), 1671-1677. doi: 10.1289/ehp. 1104789
15. Schlink U., Thiem A., Kohajda T., Richter M., & Strebel K. (2010). Quantile regression of indoor air concentrations of volatile organic compounds (VOC), Science of the Total Environment, 408(18), 3840-3851.
16. Taylor Z. T., Conor C. C., & Lucas R. G. (2001). Eliminating window-area restrictions in the IECC, Pacific Northwest National Laboratory.
18. You K. W., Ge Y. S., Hu B., Ning Z. W., Zhao S. T., & Zhang Y. N. (2007). Measurement of in-vehicle volatile organic compounds under static conditions, Journal of Environmental Sciences, 19(10), 1208-1213.
19. WHO (2000). Air quality guidelines for Europe, 2nd ed. 2000, WHO Regional Office for Europe, Copenhagen, European Series, 91.
20. Zhang G. S., Li T. T, Luo M., Liu J. F., Liu, Z. R., & Bai, Y. H. (2008). Air pollution in the microenvironment of parked new car, Building and Environment, 43(3), 15-319. 21. 行政院環保署（2005）.室內空氣品質建議值。行政院環境保護署全球資 訊網，http://ivy5.epa.gov.tw/epalaw/docfile/044310.pdf。 22. 符懋敬（2005a）.廣州市空調公共汽車空氣質量影響因素的研究。中國 初級衛生保健，19(6)，54-55。 23. 符懋敬（2005b）.空調公共汽車内空氣質量與人體健康的評估研究。中 國初級衛生保健，19(10)，80-81。 24. 杜鳳棋、朱楚豪、姜智揚（2014）.停置汽車內空氣品質改善的研究，福 建資訊技術教育，1，2-7，。 25. 杜鳳棋、林紹梅（2013）.改善停置汽車車廂空氣品質之研究」。健康科 技期刊，1(1)，1-15。 26. 李輝煌（2011）.田口方法: 品質設計的原理與實務。第四版，高立圖書 有限公司，新北市。 27. 黃嘉宏、郭廷威（2007）.密閉客運車廂空氣品質調查與改善研究(上)。 中華水電冷凍空調月刊，1-6。
28. 張偉雄 (2012) .車內空氣污染猛於 PM2.5。廣東/新聞中心/廣佛都市網 （http://big5.citygf.com/news/）。
29. 劉麗紅、郝元濤、楊倬、黎明、符懋敬（2007）.空調公共汽車與普通公 共汽車空氣質量的對比研究。現代預防醫學，34(08)，1436-1437。
附錄
酷熱指數(Heat Index)是一種綜合空氣溫度和相對濕度來確定體感溫度的 指數，意即真正感受到的熱度。人體通過排出汗液來達到降溫的目的，在這 個過程里汗液中的水分得以蒸發並且從人體帶走熱量。但是當相對濕度較高 時，水分的蒸發率就會降低。這意味著從身體中帶走熱量的過程變得緩慢， 相對處於乾燥空氣中的情況，人體內就保留了更多的熱量。基於在已知溫度 和濕度時的主觀描述定義的計量方法，得出的指數可以將一組溫度和濕度的 組合換算成乾燥空氣中的一個相對更高的溫度值。 在室外開放空間中，隨著相對濕度的增加，首先出現陰霾最後形成濃密 的雲層覆蓋，這導致陽光直射地面的總量減少；因此得到一個可能最大溫度 值和可能最大相對濕度值的倒轉關係式。出於這個原因，人們曾經認為在地 球上任何地方能夠得到的最大酷熱指數是接近於 71。然而，在 2003 年的 7 月 8 日，沙烏地阿拉伯的達蘭，露點達到 35 °C，當時實際溫度是 42 °C，已知 的相對濕度是 67%，這個時候的酷熱指數是 80，創下地球上曾被認為能夠得 到的最高酷熱指數。 通常判別外在環境中，溫度(o C)和相對濕度(%)的綜合影響如圖 A.1 所示、 表 A.1 所列。圖 A.1 酷熱指數、溫度(o C)及相對濕度(%)的關係 表 A.1 酷熱指數的影響性 攝氏溫度 注意事項 中暑指數 27–32 °C 警告—太長時間的暴曬和活動可能會導致疲勞 中 32–41 °C 嚴重警告—可能引起中暑，熱痙攣和熱衰竭 高 41–54 °C 危險—極有可能引起中暑，熱痙攣和熱衰竭；可能 導致重度中暑 甚高
