複合式通風應用於臺灣潛力分析之研究

複合式通風應用於臺灣

潛力分析之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 102 年 12 月

（國科會GRB 編號） PG10202-0012

複合式通風應用於臺灣

潛力分析之研究

受 委 託 者：國立聯合大學

研究主持人：黃瑞隆

協同主持人：黃國倉

研 究 助 理 ：施文玫

內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告

中華民國 102 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

I

目 次

目次 ··· I

表次 ··· III

圖次 ··· V

摘要 ··· IX

第一章 緒 論 ··· 1

第一節 研究緣起與背景 ··· 1

第二節 資料與文獻分析 ··· 4

第三節 複合通風在世界各國的應用 ··· 10

第四節 研究方法與進度說明 ··· 20

第五節 小結 ··· 23

第二章 臺灣熱適應舒適模式探討 ··· 25

第一節 熱適應舒適模式 ··· 25

第二節 熱適應模式國際標準 ··· 29

第三節 ASHRAE 55 和 EN 15251 在臺灣適用性34

第四節 小結 ··· 41

第三章 各城市複合通風可行性分析 ··· 43

第一節 複合通風潛力分析原理 ··· 43

第二節 自然通風有效性 ··· 47

第三節 複合通風節能潛力 ··· 52

第四節 小結 ··· 58

第四章 複合通風建築模擬 ··· 59

第一節 使用軟體 ··· 59

II

第二節 建築模型 ··· 63

第三節 使用熱適應標準分析夏季自然通風建築

室內熱舒適狀況 ··· 65

第四節 使用熱適應標準分析複合通風建築空調

能耗 ··· 76

第五節 小結 ··· 83

第五章 複合通風案例現場調查 ··· 85

第一節 現場實測對象與內容 ··· 85

第二節 測量儀器、問卷內容與設備使用紀錄 ··· 87

第三節 實測調查結果 ··· 90

第四節 實測結果討論與建議 ··· 93

第五節 小結 ··· 95

第六章 結論與建議 ··· 97

第一節 結論 ··· 97

第二節 建議 ··· 99

附錄 ··· 101

附錄一 ··· 101

附錄二 ··· 103

附錄三 ··· 107

附錄四 ··· 109

參考書目 ··· 111

III

表次

表 1-1 自然通風、完全空調和複合通風建築的典型特徵 ··· 5

表 1-2 Brager 和 Baker 調查的的 12 棟複合通風建築

特性 ··· 11

表 3-1 不同得熱量下自然通風最小室內外溫差 ··· 44

表 3-2 按 ASHREA 55 80%接受度模型的台中市自然

通風有效性 ··· 47

表 3-3 按 EN 15251 等級 II 模型台中市自然通風有效性 48

表 3-4 各地區的全年通風有效性統計 ··· 49

表 3-5 台中市採用常時空調的冷房度時 ··· 52

表 3-6 按 ASHRAE 55 之複合通風的冷房度時(台中市) ··· 53

表 3-7 按 EN 15251 之複合通風的冷房度時(台中市) ··· 54

表 3-8 各地區的複合通風的節能潛力統計 ··· 55

表 4-1 各種模擬組合下的參數設定 ··· 64

表 4-2 參考建築在三個城市空調季節室內對應各滿意

率範圍狀態點數 ··· 68

表 4-3 參考建築空調季節空調能耗總和 ··· 77

V

圖次

圖 1-1 複合通風的基本概念 ··· 5

圖 1-2 杭州市採用複合通風與全時空調模式的能耗比較 ··· 7

圖 1-3 現場實測顯示複合通風有較好的熱舒適和室內空氣

品質滿意度 ··· 9

圖 1-4 複合通風在美國加州具有代表性的 6 個氣候區的解

析結果 ··· 10

圖 1-5 複合通風建築在促進熱舒適和空氣品質的滿意度調

查結果 ··· 11

圖 1-6 複合通風全尺度實驗研究大樓外觀及其複合通風概

念 ··· 12

圖 1-7 加拿大蒙特婁某研究大樓實驗期間複合通風運轉時

間比例 ··· 13

圖 1-8 杭州市某博物館的外觀及其使用的複合通風概念說

明 ··· 13

圖 1-9 杭州市某博物館使用複合通風對(a)CO

2

(b)相對溼度

(c)空調能耗的改善效益 ··· 14

圖 1-10 典型教室在法國不同氣候區使用複合通風的效果 · 15

圖 1-11 學校建築在哥本哈根、慕尼黑和倫敦氣候，採複合

通風的效益 ··· 16

圖 1-12 住宅建築在柏林、布魯塞爾、以及巴黎採用複合通

風的效益 ··· 17

圖 1-13 複合通風在乾熱氣候區的節能效益 ··· 18

圖 1-14 美國加州大學柏克萊校區關於複合通風的專業網站18

VI

圖 1-15 丹麥奧爾堡大關於複合通風的專業網站 ··· 19

圖 1-16 研究流程 ··· 22

圖 2-1 PMV 與 PPD 的關係圖 ··· 26

圖 2-2 空調環境熱舒適範圍 ··· 27

圖 2-3 人體適應性組成 ··· 27

圖 2-4 熱適應的產生機制 ··· 28

圖 2-5 ASHRAE Standard 55 的熱適應模式及熱舒適

範圍 ··· 30

圖 2-6 EN 15251 的熱適應模式及熱舒適範圍 ··· 30

圖 2-7 組成 RP-884 熱舒適數據庫的建築物地理分佈 ··· 31

圖 2-8 從 RP-884 資料庫得到熱舒適觀察值和預測值

(a)空調建築(b)自然通風建築 ··· 31

圖 2-9 三大都市基於 ASHRAE 55 和 EN 15251 的每日最

佳溫度 ··· 35

圖 2-10 實測數據符合熱舒適標準案例數目 ··· 38

圖 2-11 現場實測室內熱狀況、接受度與舒適標準 ··· 38

圖 2-12 暖和組的交叉比較 ··· 39

圖 2-13 涼爽組的交叉比較 ··· 40

圖 3-1 基於熱適應模式探討利用複合通風節能潛力

示意圖 ··· 45

圖 3-2 按照 ASHRAE 55 和 EN 15251 模型的自然通風有效

性比較 ··· 49

VII

圖 3-3 複合通風主要的節能潛力 ··· 54

圖 3-4 複合通風模式節能潛力與自然通風有效率的關係 · 55

圖 4-1 EnergyPlus 的模擬複合通風建築的結果與實

測值比較 ··· 59

圖 4-2 EnergyPlus

實體和範例結果的螢幕顯示 ··· 60

圖 4-3 EnergyPlus 整體程序的結構 ··· 61

圖 4-4 EnergyPlus 整體模擬管理 ··· 62

圖 4-5 單元教室示意圖 ··· 63

圖 4-6 按熱適應舒適標準分類的四種自然通風室內狀態 · 65

圖 4-7 台北室內自然室溫在熱適應舒適標準上的分佈 ··· 67

圖 4-8 台中室內自然室溫在熱適應舒適標準上的分佈 ··· 67

圖 4-9 高雄室內自然室溫在熱適應舒適標準上的分佈 ··· 67

圖 4-10 三個城市滿足 80%舒適區範圍的情形 ··· 69

圖 4-11 各月的不舒適嚴重度 ··· 69

圖 4-12 不同走廊朝向下的自然室溫過熱時數和過熱

嚴重度 ··· 71

圖 4-13 非走廊側窗戶不同遮陽深度比自然室溫過熱

時數和過熱嚴重度 ··· 72

圖 4-14 不同玻璃種類下的自然室溫過熱時數和過熱

嚴重度 ··· 73

圖 4-15 不同窗戶組合的自然室溫過熱時數和過熱嚴重度 · 74

圖 4-16 AWSG 與自然室溫過熱時數和過熱嚴重度關係 ···· 75

VIII

圖 4-17 參考建築採複合式通風模式的各月空調能耗 ··· 76

圖 4-18 不同走廊朝向下的複合通風模式空調能耗 ··· 78

圖 4-19 不同遮陽深度比的複合通風模式空調能耗 ··· 79

圖 4-20 不同玻璃的複合通風模式空調能耗 ··· 80

圖 4-21 不同窗戶組合的複合通風模式空調能耗 ··· 81

圖 4-22 AWSG 對複合通風模式空調能耗的影響 ··· 82

圖 5-1 實驗場所的冷氣指示燈 ··· 85

圖 5-2 現場使用的量測儀器 ··· 87

圖 5-3 問卷調查使用的三種熱感知量尺 ··· 88

圖 5-4 環控設備使用的紀錄 ··· 89

圖 5-5 實驗期間自然通風可行性的統計 ··· 90

圖 5-6 室內熱狀況的分佈 ··· 91

圖 5-7 熱感覺投票分佈 ··· 91

圖 5-8 熱接受投票的分佈 ··· 92

圖 5-9 冷氣實際與基於 ASHRAE Standard 55 的理論

使用時數百分比 ··· 93

圖 5-10 現場調查熱喜好與室內操作溫度 ··· 94

圖 5-11 現場調查熱可接受與室內操作溫度 ··· 94

IX

摘 要

關鍵詞：複合通風、AWSG、建築節能、熱舒適 一、研究緣起 複合式通風是一種以消耗最少能源獲得最大熱舒適性的建築通風與空調模 式。對於那些單靠自然通風並不足以維持室內熱舒適的氣候區而言，複合式通風 無疑是一種相當可行的方式。複合式通風建築必須充分利用被動式的設計手法， 以熱適應舒適模式為核心，結合自然通風潛力和戶外氣候條件，來滿足居住者對 室內環境品質的需求。研究顯示在濕熱的亞熱帶氣候區使用複合式通風能節省相 當多的空調耗能。 二、研究方法及過程 研究方法及過程分為四部分：(一) 藉助本土熱舒適現場實測資料庫，檢討美 國 ASHRAE 55 和歐盟 EN 15251 熱適應舒適標準在臺灣的適用性；(二) 以熱適 應舒適標準作為基準，分析在不同地區的氣候條件下，定量化評估學校類建築的 自然通風有效性以及複合式通風模式的節能潛力。(三)以 EnergyPlus 程式針對適 合使用複合式通風的學校建築進行電腦模擬，檢討建築節能指標 AWSG 與各種節 能設計對複合式通風應用潛力的影響和靈敏度分析。(四) 透過在複合通風教室進 行現場實測，以了解學生對冷氣的使用行為與對複合通風的接受度。 三、重要發現 本研究以學校類建築為對象解析，有以下幾點重要發現： 1. 完成彙整世界各地的複合式通風的應用現況，發現複合通風在不同的氣候下 都有顯著的節約能源及其促進居住者滿意度的效果。複合通風已被列為各國 重要的節能設計策略。 2. 完成適合臺灣的熱適應舒適模式探討，建議國內若要採用熱適應模式做為自 然通風或複合通風的標準，可以參考歐盟的 EN 15251。 3. 完成各城市複合通風可行性分析：研究發現，各月的通風有效性隨著月均溫

X 及室內熱得量的上升，自然通風有效性也跟著下降。在主要空調季夏季的五 到十月的六個月中，在室內熱得量只有 10 W/m2_{時，通風有效性還維持在} 18-53%，但在熱得量為 60 W/m2時，通風有效性只剩 2-11%。研究也發現學 校教室使用複合通風的節能潛力相當高。若與空調溫度固定維持在 28℃的情 況相比，複合通風的所減少的冷房度時，至少超過 60%，最高達 90%左右。 4. 完成 AWSG 對複合式通風教室的靈敏度分析，依據複合通風的能耗模擬結果 顯示，研究發現 AWSG 影響程度依序為玻璃、建築方位、教室兩側窗戶的組 合、外遮陽深度。而教室中自然室溫的全年過熱時數或嚴重度，以及複合通 風的全年空調能耗都與 AWSG 呈顯著的線性關係，顯示現行的學校類外殼節 能指標 AWSG 具有導引自然通風或者複合通風類學校建築的外殼設計的功 能。但研究也發現有相同 AWSG 的案例，其空調能耗有明顯差異存在，在台 北可達 17%、台中達 23%、高雄達 20%。 5. 提出適合臺灣氣候的複合式通風學校類建築外殼性能規範(AWSG)建議。本 研究對 AWSG 的計算公式做部分修正，以使其更能導引複合通風教室的外殼 熱性能設計。修改的方向包括：(1)以總外殼面積取代窗戶面積做為 AWSG 計算公式的分母；(2)將玻璃的透射率列為變數之一，不要強制令其等於 1.0； 以及(3)將走廊側的開窗面積納入 AWSG 的計算，而不要將其排除。 6. 完成複合通風實際案例的現場調查：發現在學校當局以外氣溫度作為複合通 風教室的冷氣管理基準，教室實際的冷氣使用時數按熱適應標準管理冷氣之 理論時數的二倍。同時發現教室部分時段的溫度有偏低的現象，但同學不見 得會主動調高室內溫度或關掉冷氣，形成一種浪費。故可建立按照熱適應模 式調高室內溫度，以同時達到兼顧熱舒適與節能的效果。 四、主要建議事項 根據研究發現，本研究提出下列具體建議： 建議一 建議在綠建築評估系統中的日常節能指標的空調節能評估EAC的節能優

XI 惠係數增訂複合通風的優惠得分β4：立即可行之建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：財團法人臺灣建築中心 目前綠建築設計技術規範中已有建築外殼節能設計的自然通風優惠計算， 本研究結果也發現臺灣各城市的複合通風節能潛力很高。因此，本研究建議 結合這兩項成果，在綠建築評估手冊中日常節能指標的空調節能EAC評估增 加複合通風優惠係數β4。亦即在綠建築評估手冊中的表2.4-10空調節能技術 簡易評估表中，增訂如下的說明： 若要取得複合通風優惠係數β4，申請的建築物須滿足以下兩點條件： 1. 為學校類建築或者辦公類建築。其中辦公類建築須先滿足綠建築設計技術規 範中有關自然通風設計優惠計算的相關規定，即：外周區比γ≧0.5(即較細 長的平面)以及每一居室之可通風開窗率φ≧0.05(具備較充足通風面積)之 建築物。 2. 空調系統具有可依外氣溫度或者熱適應舒適模式進行空調的啟停控制，以及 調整合適的室內溫度之功能，以達兼顧空調節能與人員舒適的目的。前項空 調控制方式若僅為依據外氣溫度做啟停控制，則β4=0.1；若依據熱適應舒適 模式進行啟停與室內溫度設定控制，則β4=0.2。 建議二 在全球暖化和都市熱島效應作用下，越來越多的學校建築採用複合通風 模式設計，建議修改學校類的AWSG計算公式，以增強其導引學校類外殼設計 的功能：中、長期性建議 主辦機關：內政部營建署 協辦機關：中華民國建築師公會 建議對2012綠建築設計技術規範第A3-6~8頁中8.2AWSG指標計算法的公 式(8)AWSG的計算公式做部分修正，以使其更能導引複合通風教室的外殼熱 性能設計。修改的方向包括：(1)以總外殼面積取代窗戶面積做為AWSG計算 公式的分母；(2)將玻璃的透射率列為變數之一，不要強制令其等於1.0；以及

XII (3)將走廊側的開窗面積納入AWSG的計算，而不要將其排除。調整後，適合 複合學校類建築的計算公式如下： 其中IH 為太陽輻射時, _i η_i為玻璃透射率(根據實際玻璃的η_i值，不再令為 1), K 為外遮陽修正係數, _i fv 為窗戶型式的通風修正係數, _i A 為窗戶面積，_i en A 為外殼面積。

∑

∑

× × × × = i en i i i i i i A A fv K IH AWSG η

XIII

ABSTRACT

Keywords: hybrid ventilation, AWSG, building energy saving, thermal comfort Hybrid ventilation (HV) is a combination of natural ventilation and mechanical cooling that consumes the least energy in order to maintain indoor thermal comfort. HV is by no doubt a viable method for climate zones that merely natural ventilation are insufficient to maintain indoor thermal comfort. Buildings that incorporate HV should fully take advantage of passive building design by both considering natural ventilation potential and outdoor climate to maintain satisfying indoor environment base on the perspective of adaptive thermal model. The research reveals that vast amount of cooling energy could be saved by adopting HV.

The research includes the following four sections. (1) Feasibility study on the application of ASHRAE 55 and EN 15251 standards by means of comparing with the observed data obtained from onsite local thermal comfort survey. (2) Quantitative evaluation of the natural ventilation effectiveness and the HV energy saving potential of school buildings base on applying adaptive thermal model on evaluating regions with different climate conditions. (3) Analysis on the influence and the sensitivity of AWSG and various energy efficient design strategies against the utilizing potential of HV by means of building simulation on schools that are feasible of utilizing HV via EnergyPlus program. (4) Study on students’ acceptability of HV and their usage behavior of air-conditioning system by means of onsite measurement in a HV classroom.

The research focused on the HV usage of school buildings and have reached the following findings:

1. By literature reviewing the HV application cases worldwide, it is found that notable energy saving as well as improved tenant satisfactory could be observed by using HV under various climate regions. HV technique has been considered

XIV

as crucial energy efficiency design strategies worldwide.

2. The feasibility study of adaptive thermal comfort model for Taiwan is completed. It is recommended that EN 15251 could be applied as adaptive thermal comfort model standard for the assessment of natural or hybrid ventilation cases.

3. Feasibility study of the application of HV in various cities has been completed. It is found that the effectiveness of natural ventilation would decease with the increase on monthly average temperature and the indoor heat gain. In summer months, the effectiveness of natural ventilation would remain at 18-53% when the indoor heat gain intensity is 10 W/m², but it would drop to 2-11% when the indoor heat gain intensity is 60 W/m². The research also revealed that there is high potential in energy saving while HV is adopted in classrooms. The cooling degree hours by adopting HV is 60% to 90% less in comparison with the case while cooling set point is fixed at 28℃.

4. Sensitivity analysis of AWSG against HV classroom is completed. From HV building simulation results, it is found that the degree of influence of various design parameters on AWSG are the property of glass pane, the building orientation, the combination of classroom’s window on either side, the depth of exterior shade, accordingly. Besides, both the frequency and the severity of indoor overheating hours as well as the cooling energy in HV mode all have significant relation with AWSG linearly. It indicates that the AWSG index, which is currently use as evaluating school buildings envelope, is capable of guiding natural ventilation as well as HV design. However, the study also showed that there are apparent discrepancies existed in their annual cooling energy for some cases with equivalent AWSG. The difference could be 17%, 23%, and 20% in Taipei, Taichung, and Kaohsiung, respectively.

5. Suggestions were proposed on the modification of AWSG index while it is applied in evaluating HV mode school buildings. To improve the guidance effect on building envelope performance design for HV mode classrooms, some

XV

amendment were proposed and made to the AWSG evaluating equation as follows. (1) It is recommended that the total window area is substituted by the total envelope area in the denominator of the equation. (2) The solar heat gain coefficient of glass panes should be included. (3) Fenestration areas alongside the corridor should be accounted in AWSG computation rather than omit it. 6. On site investigation of actual HV classroom cases were completed. It is

observed that the cooling hours were doubled when the air-conditioning usage administration for HV classrooms is based on outdoor temperature control in comparison with those administrated according to adaptive thermal comfort standard. Meanwhile, we also found that low indoor temperature will be occurred in some periods with ignorance of turning off cooling system. It is considered a sort of energy waste. Therefore, to both ensure on thermal comfort and energy saving, it is recommended that cooling temperature set point should be varied with the temperature suggested by the upper limit of adaptive thermal comfort model.

Accordingly to the findings from the research, concrete suggestions are proposed as follows.

For immediate strategies:

Suggestion 1: Bonus credit (β4) for HV buildings is suggested to be included in the HVAC energy conservation evaluation index (EAC) of the Green Building Evaluation System.

For mid-term and long-term strategies:

Suggestion 2: Under the effect of global climate change and urban heat island, HV design for school buildings is getting more prevailing. Therefore, in order to improve the effectiveness of the guidance on building envelope design, amendment on AWSG index for school is suggested.

1

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

壹、

研究緣起

目前,國內現行建築節能法規對學校教室類的外殼節能規範採用窗戶平均太陽 熱取得 AWSG 為評估指標。 (1-1) 其中IH 為太陽輻射時, _i η_i為玻璃透射率(學校類 fv =1.0, _i K 為外遮陽修正係數, _i i fv 為窗戶型式的通風修正係數, A 為窗戶面積)。從公式(1-1)不難發現，AWSG 的_i 重點在抑制從窗戶傳入室內的太陽輻射熱。當建築物的 AWSG 的數值越小，則表示 該建築物愈節能。 雖然大學教室和部分的中小學已在教室裝設冷氣，但是對於多數的學校教室仍 然以自然通風為主。對於自然通風的教室而言，當地的盛行風向是一個必須要考量 的因素。但是在公式(1-1)中完全沒有將建築所在地的風向和風速納入考慮。臺灣地 區在五到十月的這段期間的盛行風向為西風、西南風或者南風。理論上，若希望房 間有較好的自然通風，窗戶應該朝向這三種方向。但很不幸，這三種開口方向的窗 戶會因為太陽輻射強，而成為不鼓勵的開窗方位。 另外，學校教室的開窗面積的大小也有討論的空間。實務上，建築物的開窗面 積越小越不利自然通風。即使室外氣候適合自然通風，也有可能因為開窗面積不足， 無法引入足夠的自然通風量，導致必須開冷氣才能維持室內的熱舒適。然而，細探 AWSG 的計算公式可以發現，公式(1-1)中的分母是教室的總開窗面積，而不是總外 殼面積(包括外牆和窗戶的總面積)。這樣的計算方式，可能無法對促進教室的自然 通風設計產生正面的推動力。舉例來說，有二間教室，它們除了開窗面積大小不同 外，其他的參數(方位，外遮陽係數和通風修正係數)都相同。按照 AWSG 的計算公 式，這二間教室一定會有相同的 AWSG。若以自然通風的觀點來看，有大開窗面積

∑

∑

× × × × = i i i i i i i i A A fv K IH AWSG η

2 的教室是較有利自然通風的，有小開窗面積的教室有是較不利的。也就是說 AWSG 無法規範教室應該有足夠的開窗面積，以保證教室有足夠的自然通風潛力。一般而 言，只有全時間開空調的建築物，可以不用考慮窗戶的自然通風帶來的散熱效果(因 為開空調時窗戶是關閉的)。 研究顯示在像臺灣一樣的濕熱氣候區單單依靠自然通風是不足以讓全年的室 內熱狀況維持在可接受的熱舒適範圍內[1]。隨著生活品質的改善，臺灣多數居民已 習慣在夏天利用空調設備來維持室內的熱舒適，以及基於有好的室內環境品質才能 有好的學習表現的觀念下，要求學校教室安裝空調設備的現象越來越普遍。在電價 愈來愈高的今日，學校教室裝設冷氣所衍生的大額電費問題常讓學校當局頭痛不 已。 近年來，複合通風在世界各地普遍被認為是一種經濟有效的模式[2,3,4]，不僅 節約能源，而且能改善室內空氣品質與熱舒適，已被越來越多的場所接受。複合通 風模式是一種充分利用建築被動式(passive method)設計的創新手法[5,6]。複合通風 模式的主要概念是當外氣條件合適時，經由打開窗戶的自然通風方式，來維持室內 空氣品質與熱舒適；但當遇到外氣太熱或者太冷時，仍然需要啟動空調系統做為輔 助，以確保居住者的熱舒適。 但對於複合式通風建築而言，它必須同時考慮外氣溫度、太陽輻射、風向和風 速、開窗面積、遮陽設施的耦合作用。如前面所論述的，現行的 AWSG 著重限制通 過窗戶傳入室內的太陽輻射熱，未考慮通過窗戶的自然通風可以帶走的室內熱量促 進室內舒適，減少使用空調的好處。換言之，現行指標用來規範自然通風或者複合 通風建築物，確實有討論的空間，也是值得研究的。

貳、

研究計畫之重要性

國際能源署的研究計畫 Annex 35 Hybrid Vent project 的總結報告[7]中指出, 歐 洲國家的辦公大樓利用複合式通風可以降低建築能耗達 50%以上。調查發現複合通 風建築有較高的滿意度，尤其是在室內空氣品質和熱舒適方面特別優異。正因為複 合式通風是一種可以兼顧節能與熱舒適、符合建築永續發展的好策略，因此在全球

3 掀起一股研究的熱潮。然而, 目前國內對複合式通風的研究稍嫌不足，尚且不能提 供各地區複合式通風建築設計基礎數據和資料, 這有可能使得建築物在設計環節與 使用環節相違背，因而確定國內各城市或地區的複合式通風的應用潛力，以及檢討 現行學校類的節能指標 AWSG 是否扮演推手的角色甚為重要。

參、

研究預期成果效益

本研究計畫擬以 EnergyPlus 程式針對適合使用複合式通風的學校建築進行電腦 模擬，檢討建築節能指標 AWSG 與各種節能設計對複合式通風應用潛力的影響和靈 敏度分析。以氣候適應觀點解析氣象局的長期氣候資料，定量化評估各地區複合式 通風的有效性與節能潛力，以完成臺灣各地區複合式通風建築節能氣候的劃分，與 歸納適宜的節能設計策略。其目的包括： 1. 適合臺灣的熱舒適模式探討 2. 臺灣各氣候區的複合式通風潛力 3. 各種建築節能設計的對複合式通風應用潛力的靈敏度分析 4. 複合式通風對教室室內空氣品質以及熱環境舒適度的改善 5. 學校類建築外殼性能規範(AWSG)對複合式通風應用潛力影響

4

第二節 資料與文獻分析

壹、

什麼是複合通風？

複合通風(hybrid ventilation)或稱混合模式(mixed mode)一詞來自國際能源署的 研究計畫 Annex 35 HybVent project[8]。Annex 35 HybVent project 是國際上第一個 專門針對複合通風建築獨特的需求進行研究的重要計畫。Annex 35 HybVent project 對不同地點(從歐洲中部、日本到澳大利亞)的 12 幢建築物進行研究。Annex 35 對複 合通風的定義如下： 複合通風系統可以描述為結合自然通風和空調系統的特性，並在一天的不同時 間或一年中的不同季節交替使用自然通風和空調模式，以提供一個可接受的室內空 氣品質和熱舒適的室內環境的系統。其中的自然通風是指透過手動或者自動方式操 作窗戶，以引進足夠的、涼爽的外氣，使空間達到讓居住者覺得滿意的熱舒適狀態。 圖 1-1 顯示了複合通風的基本概念[9]。一個設計良好的複合通風建築是指在一 年或是一天中盡可能的使用自然通風，只有在必要時，才開啟空調設備來解決室內 環境不舒適的問題，以彌補自然通風的不足之處。使用複合通風的最大目標就是希 望能最大限度的提高室內環境的舒適性，並同時最大限度的降低空調能耗使用及營 運費用。除了像溼度非常高、噪音或污染超過標準的地區，或許不適合使用複合通 風模式外，在範圍廣泛的各種氣候地區利用複合通風都是可行且值得推薦與考慮使 用的。透過詳細的盤算過渡季節的天數與審慎的操作窗戶，即使在稍微極端的氣候 區使用複合通風模式亦能創造經濟上的淨收益。 一棟建築物到底是要採用完全空調、複合通風或者是自然通風的設計，取決於 建築的形狀、外殼設計、照明採光、室內舒適度、通風及能源的使用。在實務上， 不論是採用完全空調、複合通風或者是自然通風三種模式中的任何一種設計，一個 成功的設計，它一定要能在室內熱舒適和能耗使用取得優化平衡。當然，這種優化 設計受到當地的氣候條件、設計案的需求、預算編列和其他一些因素的影響。表 1-1 總結了自然通風、完全空調和複合通風建築的一些典型特徵[10]。

5

圖 1-1 複合通風的基本概念

(資料來源: Wouters, 1999[9])

表 1-1 自然通風、 完全空調和複合通風建築的典型特徵

自然通風 完全空調 複合通風 建 築 形 狀 窄的樓層平面以允許交 叉通風和較高的天花板 是典型的設計。 寬大的樓層平面和較低 的天花板往往是設計首 選。 通常建議樓板平面的 深度不超過15cm，以 充分利用自然通風。 外 殼 設 計 利用建築熱質量抑制晝 夜溫差波動。利用外遮 陽控制太陽輻射熱得。 建築外殼設計傾向輕構 造與氣密設計。通常用 色板或光譜選擇性玻璃 來代替外遮陽設計。 利用建築熱質量抑制 晝夜溫差波動，以及 利用外遮陽控制太陽 輻射熱得都是必須 的。 窗 戶 與 照 明 窗戶相對較小，而且是 可開關的。藉由晝光利 用以減少燈具產生的內 部發生熱。 窗戶是氣密的，往往是 深色。高窗牆比是典型 的設計。採用螢光燈具 是典型的照明設計。 窗戶是可開關的，甚 至加上自動或者手動 控制。窗戶的控制方 式比較複雜。 系 統 控 制 室內條件取決於人員行 為。人員必須面對和預 測戶外條件，並確定建 築物需要的通風。 HVAC控制可能是複雜 的。一般是使用反饋控 制的自動化系統。操作 者在HVAC系統的維護 居於關鍵角色。 可能是一個結合人員 和自動控制的合成系 統。反饋和前饋策略 應該被應用。

6 自然通風 完全空調 複合通風 人 員 熱 舒 適 人員的熱舒適性主要是 取決於外部氣候條件。 可能會發生明顯的季節 性或每天變化。 暖通空調(HVAC)系統 可保持均勻的熱狀況。 人員的熱舒適和HVAC 系統性能緊緊相扣。 人員有HVAC系統的 控制權，來決定是要 空調或者通風。若自 然通風無法達到熱舒 適，HVAC可提供救濟 （或反之亦然）。 外 氣 與 IAQ 在溫和及暖和的氣候 時，外氣換氣量很大。 不會有IAQ的問題。 外氣量通常維持在最小 值。若HVAC系統不能 正常運轉，則可能產生 IAQ問題。 一般而言，外氣換氣 量高於空調建築物。 而且當HVAC系統失 效，自然通風可立即 作為救濟措施。 空 調 能 耗 消耗相當少的能源。 取決於系統的設計和操 作，HVAC能耗會有所 不同。若很少或根本沒 有校正，系統會長時間 在低效率下運轉。 HVAC能耗應該小於 空調建築物。若不仔 細協調自然通風和空 調系統，可能浪費能 源。

(資料來源: BRAGER, 2007 [10])

貳、

複合通風的好處

如果建築物能夠結合氣候對應策略(climate-responsive strategies)進行妥當的設 計，自然通風或複合通風建築物將是最成功的。這些設計策略包括應特別注意遮陽 和採光以減少冷卻負荷，以及結合熱質量與夜間冷卻的策略讓白天僅靠自然通風就 能達到熱舒適。一個設計良好和正確操作的複合通風建築，可以在一整年中的多數 時間裡，減少或消除空調系統的使用，進而降低能源使用、溫室氣體排放和營運成 本。複合通風模式的建築物也提供與人員相關的好處的潛力，包括提高熱舒適，促 進健康和增加生產力。

參、

節約能源

一棟精心設計的複合通風建築，最常見的目標就是當氣候條件溫和，僅藉由自 然通風就足夠保持室內熱舒適時，可減少或消除暖通空調系統能耗。當外面的天氣 是適當的，可開啟的窗戶基本上是扮演類似外氣冷房技術的角色，從而減少機械供

7 冷的使用。國際能源署(IEA) 2000 年的總結報告中指出, 歐洲國家的辦公大樓利用 複合式通風可以降低建築能耗達 50%以上[7]。在這份報告揭露之後，各國紛紛開始 研究複合通風建築的節能效益。 複合通風建築的節能成效的評估可以通過程式模擬或物理監測。當與傳統的空 調建築物相比，一些基於簡化模型的初步模擬結果，說明了複合通風模式降低能耗 的潛力[11,12]。最近，使用 EnergyPlus 的模擬證明，各種形式的複合通風模式的節 約能源效果從 13％（在邁阿密的中型辦公樓 VAV 系統）到 29％（在亞特蘭大的小 型辦公室 CAV 系統）到 79％（在洛杉磯的類似建築）。美國可再生能源國家實驗 室(National Renewable Energy Laboratory)在高性能建築研究計畫(High Performance Buildings Research program)執行了複合通風建築物節能效果的物理量測[13]。該計 畫主要聚焦於對高性能商業建築(包括自然通風和複合通風的建築) 的能源消耗進 行廣泛調查。淨節能效果從 22％至 77％不等[14]。這些節省的來源包括採暖、供冷 和風機的節能，並可以簡單地歸因於採用複合通風的結果[15]。

圖 1-2 杭州市採用複合通風與全時空調模式的能耗比較

8 Utzinger[16]探討在三座高性能建築結合複合通風的節能效果，得到令人滿意的 結果。Ji 等[17]以中國杭州為研究的地點，針對建築物進行一年四季的熱性能評估， 採用動態熱仿真（DTS）每小時的標準與當地的天氣數據，研究結果顯示複合通風 在亞熱帶區也是可行的節能策略。圖 1-2 顯示在熱溼氣候的杭州市，採用複合通風 模式與全時空調模式各月分的能耗比較。Foldbjerg 等人[18] 在三個不同的氣候(布 魯塞爾、 柏林及巴黎)條件下調查複合通風系統的節能性能。研究指出複合通風系 統的能源需求小於所有的機械供冷系統。複合通風模式在一年中節省 45%-48%的 空調能耗。李百戰等人[19]在中國夏熱冬冷長江流域地區進行調查，印證複合式通 風系統是一個有助於經濟效益和能源效率的建築氣候被動式設計策略。

肆、

熱舒適、健康和生產力

複合通風模式的建築除了使用自然通風代替機械供冷的能源效益外，還有為居 住者提供更高程度的對局部熱和通風條件的控制權的潛力。如此一來可提高居住者 滿意度。熱適應舒適理論(Adaptive comfort theory)表明：更大程度的提高個人控制權，

讓居住者微調其熱環境，以滿足他們自己的個人喜好，同時也可以導致一個更寬鬆 的可接受的室內溫度範圍[20]。分析 CBE 對 302 幢大樓調查的數據庫[21]顯示，13 幢自然通風或複合通風建築中，其中 10 幢的熱滿意度排名在前四分之一，其中 2 幢甚至排名在前三分之一，其調查結果如圖 1-3 所示。Mumovic 等[22]透過在英國 三所中學進行一系列的現場實測調查，探討了採用複合通風模式的教室其室內空氣 品質和熱舒適程度。研究顯示這些教室不論是空氣品質或者熱舒適都符合相關的標 準。Deuble 和 de Dear[23]藉由一項在辦公室的長期實測調查了解複合通風模式對居 住者熱舒適要求的影響，以及探討了比較了 ASHRAE Standard 55 和 EN 15251 的適 用性。Borgeson 和 Brager[24]利用能耗模擬軟體 EnergyPlus 以及不同的熱舒適標準， 量化評估一座複合通風大樓的室內環境過熱程度，並探討建築物外殼性能和過熱度 之間的關係。

複合通風模式已經被證明也可以減少與室內空氣品質相關的問題。Seppänen 和

9 洲六個國家和美國)裡 24,000 名受訪者的分析結果發現：相對於自然通風建築，空 調建築出現病態樓宇綜合症的症狀發病率高出 30-200％。卡耐基梅隆大學的”高性 能建築指南“報告（2004 年）表明在八個研究案例中，自然通風和複合通風模式在 生產力上顯現優勢。例如，它陳述以自然通風或複合通風模式取代輔助的機械通風 與調節設備，達到節約 0.8-1.3 %醫療成本和 3-18%的生產力收益，平均投資報酬率 至少為 120%。Charvat 等[26]的文章透過電腦軟體 TRNSYS 模擬在溫帶氣候的歐洲 各國複合式通風系統的性能對室內空氣品質的影響的影響。Cron 和 Inard [27]以一 間典型的複合通風教室為分析對象，比較不同氣候下各種控制策略估在能耗、室內 空氣品質、室內溫度和二氧化碳濃度的性能。

圖 1-3 現場實測顯示複合通風有較好的熱舒適和室內空氣品質滿意度

(資料來源：Baizhan Li 等，2011[19])

10

第三節 複合通風在世界各國的應用

Borgeson 和 Brager[28]分析了在複合通風美國加州的可行性。圖 1-4 顯示在美 國加州 16 個氣候區中具有代表性的 6 個氣候區的解析結果。Borgeson 和 Brager 分 別以 PMV-PPD 模式和 ASHRAE 55 的適應模式為熱舒適標準，分析比較了在這六 個氣候區使用自然通風(NV)、複合通風(MM)和變風量空調系統(VAV)的能耗和室內 熱舒適程度。對照圖 1-4 加州各氣候區的氣候狀況，可以看到複合通風在氣候較暖 和的氣候區如 CZ12、CZ13 和 CZ15 有很好的節能效果(圖 1-4(b))。在圖 1-4(a)的室 內熱舒適分析結果顯示複合通風同時可以解決在這幾個較暖和的氣候區使用自然 通風造成的室內熱不舒適問題。

圖 1-4 複合通風在美國加州具有代表性的 6 個氣候區的解析結果

(資料來源：Borgeson 和 Brager，2011)

Brager 和 Baker[29]透過問卷調查方式對座落於美國和加拿大的 12 棟複合通風 建築(建築特性詳表 1-2)裡的使用者進行室內環境品質滿意度的調查。Brager 和 Baker 將在這 12 棟的調查結果與美國 CBE(Center for the Built Environment,

University of California, Berkeley)資料庫裡的在 370 棟空調建築物的調查結果相比較， 發現 12 棟複合通風建築裡的使用者在熱舒適(圖 1-5(a)) 以及室內空氣品質(圖

11 1-5(b))方面的滿意度評價都落在前 50%，甚至擠身前茅，顯示複合通風建築可大幅 提升室內環境品質的滿意度。

表 1-2 Brager 和 Baker 調查的的 12 棟複合通風建築特性

Building number Location Mixed-mode

type Building type

Number of occupants

floor

area(m2) Year 1 Richmond,British Columbia Changeover Office 350 11148 2000 2 Ebensburg,Pennsylvania Changeover Office 95 3344 2000 3 SanMateo,California Changeover Laboratory 25 2647 2003 4 Annapolis,Maryland Changeover Education 92 3633 2001 5 Stanford,California Concurrent Education &

Laboratory 35 1114 2004 6 Chicago, Illinois Concurrent Office 27 2634 2002 7 Menlo Park,California Natural

ventilation Office 110 4459 2002 8 Santa Barbara,California Changeover Education 120 7896 2002 9 Olympia,Washington Natural

ventilation Education 230 14851 2003 10 Leominster,Massachusetts Changeover Education 18 1334 2004 11 Cupertino,California Concurrent Education 8 2043 2005 12 Seaside,California Natural ventilation Education 35 1972 2006

(資料來源：Brager和Baker

，2009

)

(a)熱環境 (b)空氣品質

圖 1-5 複合通風建築在促進熱舒適和空氣品質的滿意度調查結果

(資料來源：Brager 和 Baker，2009)

12 Karava 等[30] 以一棟座落在加拿大蒙特婁的研究大樓為對象，進行複合通風 的全尺度實驗。圖 1-6 說明了該棟建築的外觀，以及使用的複合通風概念。持續兩 年的全尺度實驗結果如圖 1-7 所示。2007 年的複合通風的平均運轉時間比例為 35%， 其中運轉時間比例最高的六、八月和九月三個月的比例分別達到 49%, 52%, 和 45%。 2008 年複合通風運轉比率為 26%，以六月、七月和八月的運轉比例最高，其數值分 別是 28%, 45%和 32%。作者推估該棟大樓使用複合通風，大約可以節省 30%的冷 氣空調所需消耗的能源。

圖 1-6 複合通風全尺度實驗研究大樓外觀及其複合通風概念

(資料來源：Karava 等，2012)

Ji 等[31]分析位於熱濕氣候的杭州市內博物館建築，採用複合通風的效果。圖 1-8 是該博物館外觀以及使用的複合通風概念說明。當與採用冷、暖氣系統相比， 該棟博物館採用複合通風達到的節省冷暖氣能耗的效果如圖 1-9(c)所示。在冷氣部 分可以節省達 35%的能耗。作者根據研究結果，進一步說明複合通風是適合亞熱帶 氣候的一種可行性運轉策略，其節能效果約在 30-35%。而且除了節能效果之外， 複合通風也能促進室內環境品質，特別是在中間季節(圖 1-10(a)(b))。

13

圖1-7 加拿大蒙特婁某研究大樓實驗期間複合通風運轉時間比例

(資料來源：Karava 等，2012)

圖 1-8 杭州市某博物館的外觀及其使用的複合通風概念說明

14

c

圖 1-9 杭州市某博物館使用複合通風對(a)CO

2

(b)相對溼度(c)空調能耗

的改善效益

15 Cron 等[32]分析了典型教室在法國不同氣候區使用複合通風的效果。Cron 等 對複合通風效能的評估項目包括能耗分析、室內溫度和二氧化碳濃度，其結果如圖 1-10。作者以冷房度時來表示能耗的差異，分析的結果顯示在法國所有氣候區使用 複合通風，都有比較低的冷房度時，這意謂複合通風在全法國是有節能潛力的。在 室內熱舒適方面，複合通風教室的平均溫度比機械通風教室的溫度高不到 0.4°C。 在空氣品質方面，在法國所有氣候區採用複合通風的教室，其二氧化碳超過 1000ppm 的小時數也較採用機械通風模式少。

圖 1-10 典型教室在法國不同氣候區使用複合通風的效果

(資料來源：Florence Cron 等)

Steiger [33] 等以學校教室為研究對象，分析了在丹麥的哥本哈根、德國的慕尼 黑、和英國倫敦的氣候下，學校建築採用複合通風模式對室內空氣品質(二氧化碳濃 度)、熱舒適(室內操作溫度)、以及能源使用的效益，分析結果如圖 1-11。Steiger [33] 等的研究結果顯示，不論是採用自然通風、機械通風或者複合通風的教室，它們的

16 室內空氣品質以及熱舒適程度並沒有太大的差異，但是在能源使用方面，當使用複 合通風時可節省大約 50%的能源使用。

圖 1-11 學校建築在哥本哈根、慕尼黑和倫敦氣候，採複合通風的效益

(資料來源：Simone Steiger 等)

Foldbjerg 等[18]分析了住宅建築在德國柏林、比利時的布魯塞爾、以及法國巴 黎氣候下，採用複合通風的效益。作者模擬時採用了自動控制的複合通風模式。圖

17 1-12(a)顯示兩種控制方式，住宅建築在自然通風模式運轉的時間比例。從圖中可以 看到在這三個城市，採用複合通風的住宅全年約有 50%的時間是不需要消耗能源來 維持室內的熱舒適水準。圖 1-12(b)顯示採用複合通風模式的住宅其能源使用量遠低 於採用機械通風模式的住宅。採用手動控制的複合通風模式的節能效果在 0 – 2.4 kWh/m2, 而採用智慧型自動控制的節能效果在 4.0 – 4.9 kWh/m2. 作者也強調 4 kWh/m2 的節能效果相當於節省全德國建築總能耗量的 11%。

(a) (b)

圖 1-12 住宅建築在柏林、布魯塞爾、以及巴黎採用複合通風的效益

(資料來源：Peter Foldbjerg 等，2011)

Ezzeldin 等[34]評估了在乾熱氣候區使用複合通風的可行性。Ezzeldin 等分析 的對象為辦公建築，並選擇了有不同乾熱氣候特性的澳洲的艾莉絲泉(Alice Springs)， 沙烏地阿拉伯的麥地那(Madinah)、巴林(Bahrain)、以及埃及的艾利需(El Arish)作為 代表城市。作者共模擬了複合通風模式與六種被動式設計組合情境下的節能效果(參 閱圖 1-13)。研究結果顯示針對不同的氣候特性，搭配合適的被動式設計，在乾熱 氣候區採用複合通風模式能創造 20%-75%的節能效果。

18

圖 1-13 複合通風在乾熱氣候區的節能效益

(資料來源：Sherif Ezzeldin 等，2009)

美國加州大學柏克萊校區的建成環境中心(Center for the Built Environment (CBE) | University of California, Berkeley)所建立的網站，蒐集來自世界各地 150 棟採 用複合通風建築的案例調查結果。圖 1-14 是其網頁的首頁[35]。聯合國能源總署的 Annex 35: Control Strategies for Hybrid Ventilation in New and Retrofitted Office Buildings (HYBVENT)的成果與後續研究計畫內容可以參考丹麥奧爾堡大學室內環 境工程系(Indoor Environmental Engineering, Aalborg University, Denmark)所建立的 網站。圖 1-15 是其網頁的首頁[36]

圖1-14 美國加州大學柏克萊校區關於複合通風的專業網站

19

圖 1-15 丹麥奧爾堡大關於複合通風的專業網站

20

第四節 研究方法與進度說明

複合通風是一種充分利用建築被動式設計的手法，以消耗最少能源獲得最大熱 舒適性的自然通風與空調混合使用模式。複合式通風系統是以熱適應舒適標準為基 礎，認為如果不需使用任何措施或者設備，室內環境的熱狀況就能讓 80%以上的人 感到滿意，能量消耗為零，是最節能的。當室內熱狀態不能夠使 80%以上的人滿意 時，可以採用的適應措施，如開窗戶、風扇或冷氣加強通風。這些空間中主要以開 啟窗戶或吊扇為主，空調等設備為輔。在複合通風的空間中，改變空間的熱狀況的 首要方法是居住者藉由打開或者關閉窗戶來實現，所以窗戶必須是很容易接近和控 制的。 建築物所在地的氣候條件是否適合推廣複合式通風，端看其自然通風潛力。自 然通風潛力是指依靠自然通風就能夠確保可接受室內空氣品質和室內熱舒適的潛 力。自然通風潛力的分析是以熱適應舒適模式為基礎。對自然通風潛力的評定須綜 合考慮各種影響因素，包括建築物所在地的氣象參數(室外溫度、太陽輻射、風向和 風速)、周邊地貌、建築外殼熱性能、建築內、外熱源、室內熱舒適及空氣品質要求 等。換句話說，本計畫想要了解複合通風在臺灣的應用潛力，必須先從了解適合臺 灣居民的熱適應舒適標準開始，才能做到檢討建築節能指標 AWSG 與各種節能設計 對複合式通風應用潛力的影響和靈敏度分析。 本計畫的研究架構共分為五個階段：適合臺灣的熱舒適模式探討、臺灣各氣候 區的複合式通風潛力、各種建築節能設計的對複合式通風應用潛力的靈敏度分析、 複合式通風對教室室內空氣品質以及熱環境舒適度的改善以及學校類建築外殼性 能規範(AWSG)對複合式通風應用潛力影響。依照研究架構，如圖 1-16 所示將研究 流程分成六個部分。各部份的工作內容說明如下: 第一部分為緒論。首先說明研究的動機，以顯示複合式通風的重要性與適用性， 進而提出研究目的及文獻回顧，確立研究範圍與方向，依照研究方法進行資料彙整 與數據模擬，建立研究流程得以明確執行研究方法與步驟。依據熱舒適標準的相關 理論之基礎，參閱國內外的相關文獻、文章與期刊，作為發展研究模式以及相關的

21 因子歸納分析的依據。並確立研究對象及調查項目，透過歷年氣象資料以及熱舒適 標準的探討，進行複合式通風的潛力分析與靈敏度的分析。 第二部分為臺灣熱舒適模式的探討。針對臺灣的氣候條件分別就 ASHRAE Standard 55 和 EN 15251 兩種熱舒適模式的標準，分析兩種舒適標準在臺灣地區應 用的差異。 第三部分為針對臺灣，分別針對北、中、南、東部地區進行複合通風建築應用 於臺灣潛力分析。 第四部份為複合式通風模擬計算的部分，從彙整的資料中，本計畫透過 EnergyPlus 程式進行電腦模擬。 第五部分為靈敏度分析，本研究計畫擬以 EnergyPlus 程式針對適合使用複合式 通風的學校建築進行電腦模擬，檢討建築節能指標 AWSG 與各種節能設計對複合式 通風應用潛力的影響和靈敏度分析。 第六部分為結論與建議，統整複合式通風相關之探討，呈現經由研究發現的論 述，及研究中的重要成果，藉以提供複合式通風建築應用於臺灣潛力分析和現況案 例的分析之參考，以及後續的研究發展。

22

圖 1-16 研究流程

(資料來源：本研究繪製)

複合式通風概述

及國內外文獻回顧

適合台灣的熱適應

舒適模式探討

台灣各氣候區

複合式通風潛力

複合式通風模擬計算

自然通風溫度、風量 需空調時段與耗能

靈敏度分析

冷不舒適時間係數 熱不舒適時間係數 節能潛力

實際案例評估與改善

彙整各地

氣象資料

參數確定

基準建築物 各種建築物參數

23

第五節 小結

本章介紹了複合通風的定義、常用的運轉模式，以及複合通風、自然通風和空 調建築在建築設計、室內熱環境、室內空氣品質以及能源使用等方面的差異。並整 理了複合通風在美國、加拿大、歐洲地區、熱溼氣候區、乾燥氣候區等世界各國的 應用情形，以及其對促進居住者的滿意度和節能的效果。這些分佈在世界各國研究 證明複合通風在不同的氣候下都有顯著的節能效果。目前在丹麥和美國都有推廣複 合通風以及介紹複合通風建築案例的專業網站。

25

第二章 臺灣熱適應舒適模式探討

第一節 熱適應舒適模式

熱舒適是居住者對熱環境表示滿意的一種心理(意識)狀態。熱適應舒適標準以 人對環境的滿意程度做為評估熱環境的標準，而不是以達到某種穩定的室內狀態為 目標。室內熱環境評價方式不僅主導居住者能否有舒適的熱感覺，而且也將決定大 樓的冷氣和暖氣設備所消耗的能量。自從 Fanger 的熱平衡模型 [37]在 1970 年代出 現，並在 1984 年被 ISO 7730 [38]採用變成一個國際模型以後，評估室內環境的熱 可接受程度便開始採用 PMV(predicted mean votes)和 PPD(predicted percentage of dissatisfied)指標。 PMV 公式考慮了四個環境參數（乾球溫度、相對溼度、平均輻射溫度、空氣 流動）與兩個人體參數（衣著量、活動量）的影響，來預測受訪者對熱環境的感覺 程度。PMV 計算公式如下： PMV＝（0.303e-0.036M＋0.028）×{（M－W）－3.05×10-3 × [5733-6.99 ×（M－W）－Pa]－0.42[（M－W）－58.15] ＋1.7×10-5M（5867－Pa）-0.0014M ×（34－Ta）－3.96×10-8fcl ×[（tcl＋273）4－（Tmrt＋273）4]＋fclhc（tcl±Ta）} （2-3） 其中： tcl＝35.7－0.028 ×（M－W）－Icl×{3.96×10-8fcl ×[（tcl＋273）4－（Tmrt＋273）4]＋fclhc（tcl－Ta）} （2-4） hc＝2.38 ×（tcl－Ta）0.25 or hc＝12.1 Va 0.5 （2-5） fcl＝1.00＋1.29Icl for Icl＜0≦0.78m2kW-1 or fcl＝1.05＋0.645Icl for Icl＞0.78m2kW-1 （2-6） 式中： Ta＝空氣溫度（℃）；Tmrt ＝平均輻射溫度（℃）； Va＝相對風速（m/s）； Pa＝水蒸氣壓（Pa）；Icl＝衣服隔熱性能（clo）；M＝新陳代謝率（met）。

除了 PMV 指標外，Fanger 教授還提出了預測不滿意度百分比（Predicted Percentage of Dissatisfied，PPD），PPD 定義如下：

26 )] 2179 . 0 03353 . 0 ( exp[ 95 100 PMV4 PMV2 PPD= − − + （2-7） PMV 與 PPD 的變化曲線如圖 2-1 所示。在 PMV=0 處，PPD=5％。表示即使室 內環境為最佳熱舒適狀態，由於人們的生理上差別，還有 5％的人感到不滿意。ISO 7730[38]對熱舒適的定義，當 PMV 介於-0.5 至 0.5 之間時，即 PPD＜10％。 ASHRAE Standard 55 所推薦的讓 80％的人可以接受的溫度範圍，其中 10％不滿意 度百分比是根據 PMV 介於-0.5 至 0.5 之間時所對應的 PPD，而另外的 10％則是由 周圍環境不均勻空氣所引起的人體不舒適滿意度。ASHRAE Standard 55[9]在 2004 年最新訂定的空調環境熱舒適溫度範圍如圖 2-2 所示。溼度上限是使用等溼度比線 （0.012kg/kg）作為界線，並且取消溼度下限的規定。操作溫度上、下限（Tmax、 Tmin）則需依照實際的衣著量（Icl）以下列公式計算：

(

)

(

)

[

I cloT clo clo I T clo

]

clo

T_max = _cl−0.5 _max,1.0 + 1.0 − _{cl max},0.5 /0.5 （2-8）

(

)

(

)

[

I cloT clo clo I T clo

]

clo

T_min = _cl −0.5 _min,1.0 + 1.0 − _{cl min},0.5 /0.5 （2-9）

圖 2-1 PMV 與 PPD 的關係圖

27

圖 2-2 空調環境熱舒適範圍

(資料來源：ASHRAE Standard 55)

另一個著名的熱舒適模式是熱適應模型。熱適應模型有別於熱平衡模型，它不 是在精確控制的實驗室完成的，而是從人們日常生活中的現場實測發展而來的[39]。 現場實測的好處在於與平常的生活和工作條件有更直接的關聯性[40]。所謂熱適應 性是指人們在適應他們所處環境狀況之變化的自然傾向的現象，如圖 2-3 所示。生 理的、行為的與心理上的三種調節並不是孤立存在、單獨作用的，人體對熱環境的 主觀評估正是三者相互作用的結果[41]，如圖 2-4 所示。

圖 2-3 人體適應性組成

(資料來源:本研究繪製)

100% 80% 60% 40% 20% 0.000 0.005 0.010 0.015 10 15 20 25 30 35 室內操作溫度(℃) 溼度比 (kg/kg) 冬 天 舒 適 區 夏 天 舒 適 區

人體適應性

行為調節

生理調節

心理調節

28 首先，居住者對環境進行了主觀評價，可能是感到舒適，也可能感到不舒適，但藉 由對環境進行技術調節及個人的行為調節，居住者會感到滿意。但另一方面，居住 者對於熱環境的期望值很容易受到過去所經歷的熱環境及當地的氣候條件、社會背 景等的影響。該種期望使得居住者進而對當前的熱環境感到更加的滿意，進而達到 身心愉悅。與空調環境中不考慮人體熱期望相比，自然通風環境中熱期望是影響熱 舒適的重要因素。

圖 2-4 熱適應的產生機制

(資料來源:本研究繪製)

迄今已經有許多熱適應舒適模型。其中最著名的兩個是美國的 ASHRAE Standard 55 [42] 以及歐盟 EN 15251[43]裡的熱適應模型。研究[44]已表明在大樓應 用熱適應舒適標準，當與基於傳統的熱舒適理論將空調溫度設定在固定溫度的情況 相比，能創造出大約減少 30%冷負荷的巨大節能潛力。熱適應舒適模式使許多新的 節能策略變得可行，也讓建築物可以更容易的滿足可持續發展的要求。在全球氣候 暖化普遍受世人高度重視的背景下，導入熱適應的概念的熱適應舒適模式，更加能 突顯其契合時宜的特點。

29

第二節 熱適應模式國際標準

熱適應舒適模式的特點是認為最佳的熱舒適溫是隨室外氣候變動的，也就是說， 最佳舒適溫度是室外氣候的函數。美國 ASHRAE Standard 55 以及歐洲 EN 15251 裡的熱適應舒適模式(分別如圖 2-5 與 2-6 所示)是目前國際上最為著名的二個。兩 者都是源自對由若干熱舒適實測調查組成的資料庫的米塔分析(meta-analysis)的結 果 [45,46]。 在介紹這二個標準的由來之前，先特別強調，不論是 ASHRAE Standard 55(圖 2-3)或 EN 15251(圖 2-4)都是以操作溫度，而不是一般的空氣溫度，做為定義熱舒 適範圍的指標。操作溫度的定義是：

Top=A*Tair+(1-A)*Tr A= hc/(hc + hr)

其中 Tair是室內空氣溫度；Tr 是周壁平均輻射溫度(the mean radiant temperature)； hc 和 hr 分別是人體表面的對流和 T 輻射的熱交換係數。如表 2-1 所示，A 是室內風 速的函數。所以，操作溫度本質上是綜合考慮了室內環境參數的溫度、周壁平均溫 度和風速對人體熱舒適的影響，而非單純的溫度而已。在一般計算時，會採較簡易 的計算方式，直接令操作溫度等於室內溫度和周壁平均輻射溫度的平均值，即 Top=(Tair+Tr)/2 在 1980 年代的中期， ASHRAE 開始贊助一系列在辦公建築物裡的熱舒適現 場實測調查。這些受調查的辦公建築分布在四個不同氣候區裡。ASHRAE RP-462 [47]是該系列實測調查計畫中的第一個。因為實測調查需要耗時費工，ASHRAE 依 據 RP-462 的調查流程與方法建立了一套標準程序，以整合世界各地各自獨立進行 的熱舒適實測調查。構成 ASHRAE Standard 55 熱適應舒適模式發展基礎的 ASHRAE RP-884 就是在這種背景之下於 1995 年開始的。ASHRAE RP-884 資料庫 [48]蒐集來自在世界各地執行現場實測所獲得的原始數據。圖 2-7 顯示組成 RP-884 熱舒適數據庫的 160 座辦公樓建築物的地理分佈。從圖中可以看到這些建築物分散 在四大洲、並且涵蓋主要氣候區。RP-884 數據庫是由大約 21,000 組原始數據所組

30 成的。資料內容包括熱舒適問卷調查的結果、服裝和新陳代謝估計值，室內、外氣 候測量結果，和計算得到的各種熱指數。

圖 2-5 ASHRAE Standard 55 的熱適應模式及熱舒適範圍

(資料來源：ASHRAE Standard 55 和 EN 15251)

圖 2-6 EN 15251 的熱適應模式及熱舒適範圍

(資料來源：EN 15251)

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圖 2-7 組成 RP-884 熱舒適數據庫的建築物地理分佈

(資料來源：ASHRAE RP-884)

圖 2-8 從 RP-884 資料庫得到熱舒適觀察值和預測值(a)空調建築(b)自

然通風建築

(資料來源：ASHRAE RP-884)

32 RP-884 數據庫的資料有來自空調建築和自然通風建築的調查結果。圖 2-8 顯示 在這二類建築所得到的居住者認為的室內熱舒適溫度和外氣月平均溫度的散佈圖。 RP-884 的調查結果明確顯示兩項重要結果：(1)自然通風建築物的居住者，其認為 的熱舒適溫度隨室外月平均溫度變動的情形相當明顯(圖 2-8b)；但對於空調建築物 居住者而言，此一現象較不明顯(圖 2-8a)。(2)在空調建築物裡，以 PMV 模式預測 的熱舒適溫度和居住者認為的舒適溫度相當一致(圖 2-8a)，但是在自然通風建築的 預測結果產生相當大的誤差(圖 2-8b)。有鑑於 RP-884 的調查結果，顯示自然通風 建築物的居住者對熱舒適溫度的要求明顯不同於空調建築物的居住者。而且 PMV 模式也不適用於自然通風建築物。所以 ASHRAE Standard 55 在 2004 年以後的版本， 將空調建築物和自然通風建築物的熱舒適標準分開。空調建築物的熱舒適標準依舊 採用 PMV 模式，自然通風建築物的熱舒適標準則採用熱適應模式。

ASHRAE Standard 55 中，熱適應模式的熱舒適最佳溫度(tcomf)是戶外月平均溫 度(Tom)的函數，如公式(2-10)。同時 tcomf±2.5℃的範圍對應於 90%熱可接受度的舒 適範圍，tcomf±3.5℃則對應 80%熱可接受度。

(2-10) 歐盟的熱適應舒適標準是 CEN 15252：Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings- addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics。正如其標題所揭示的，該標準的目的是 在提供計算建築物能源表現時，所需符合之可接受的室內環境基準。圖 2-6 顯示 CEN 15252 依據熱適應模式建立之適用於自由運轉(free running, 意思是在夏季無 機械通風或供冷)建築物，在歐洲氣候條件下的可接受熱舒適範圍。圖 2-6 中所揭露 的熱舒適範圍的上、下限是建立在歐洲 SCATs(Smart Controls and Thermal Comfort) 計畫的調查結果上。歐盟 SCATs 計畫的目的期望藉由”自適應算法”(adaptive algorithm)來確定如何根據室外溫度來確定室內溫度，以減少空調系統的能源使用。 SCATs 計畫歐洲的法國、希臘、葡萄牙，瑞典和英國的 26 座辦公樓實行廣泛的物 理環境測量和主觀問卷調查。物理測量包括空氣溫度和黑球溫度，相對濕度和風速。 8 . 17 31 . 0 t_comf = ×T_om +

33 每月進行一次包括物理測量和問卷調查的現場實測。整個調查計畫為期大約一年的。 在全部的 4,655 組數據中，其中有 1,449 組數據是在自然通風的大樓蒐集到的。EN 15251 的最佳舒適溫度與室外氣候的關係式，如公式(2-12)，就是源自從這些自由 運轉大樓蒐集到的資料。 (2-11) (2-12) 比較公式(2-11)和(2-12)可以看到，EN 15251 用前七天的室外溫度流動平均來 取代 ASHRAE Standard 55 使用的月平均溫度，以改善 ASHRAE Standard 55 被認為 對戶外溫度變化的反應太遲鈍的質疑[52]。在 EN 15251 的三種等級的舒適範圍分 別是 tcomf±2, ±3 和±4°C。 8 . 18 33 . 0 t_comf = ×T_rm7 + 8 . 3 ) 2 . 0 3 . 0 4 . 0 5 . 0 6 . 0 8 . 0 ( t 1 2 3 4 5 6 7 7 − − − − − − − + × + × + × + × + × + × = t t t t t t t rm

34

第三節 ASHRAE Standard 55 和 EN 15251 在臺灣的適用性

目前臺灣的國家標準中，雖然也有對應於 ISO 77730 的熱舒適標準。但是，該 標準的主要是採用 PMV 模式，所以基本上是以空調建築物為主要的施行對象。換 句話說，臺灣目前並未有自然通風建築的熱舒適標準。複合通風建築的節能潛力分 析的核心是熱適應模式。一項長期實測調查也說明了 ASHRAE Standard 55 和 EN 15251 在複合通風建築的適用性。 圖 2-9 顯示利用二種模式計算得到的台北市、台中市和高雄市的 2011 年每日 最佳溫度比較。若與 ASHRAE Standard 55 的預測數據相比，EN 15251 模式預測的 熱舒適溫度明顯較高。以台中為例，EN 15251 模式預測的熱舒適溫度平均值較 ASHRAE Standard 55 的預測值高出 1.5°C。而且，若與現在政府所鼓勵將室內溫度 設定在 26℃相比。根據 ASHRAE Standard 55 熱適應模式得到的舒適溫度在六到九 月都比 26℃高。而根據 EN 15251 得到比 26℃高的舒適溫度期間則從四月到 11 月。 前面的論述顯示在臺灣氣候條件下 ASHRAE Standard 55 和 EN 15251 的差異不 算小，故有必要先檢討這二個標準在國內的適用性。本研究的檢驗方法是透過計畫 主持人黃瑞隆博士過去幾年在臺灣實測調查的結果與 ASHRAE Standard 55 和 EN 15251 進行比較，以了解其在臺灣的適用性。分析用的資料庫是由在 2003-2004 年 [49], 2005-2006 年[50],和 2011 年[51]執行的三個熱舒適實測調查組成。這些實測調 查都是在學校(包括大學、國高中或者小學)的自然通風或者混合通風教室裡進行的。 總共進行 197 個班-次實驗，獲得 6,932 組包括物理環境測量和主觀評價的數據。其 中 3,754 組數據是從自然通風教室得到，其餘的 3,178 組數據是來自複合通風教室。 資料的數量比歐洲 European SCATs project 的 4,655 組略多。現場實測的實驗過程 概述如下：為瞭解學生每個月份的熱舒適變化情形，規劃學校班級以每個月份進行 一次熱舒適實驗為原則。每次的實驗程式是經校方的同意後才正式開始。在進行教 室環境的現場實測與問卷調查之前，必須先將影響人體熱舒適性的四個參數：溫度、 濕度、平均輻射溫度以及風速的感測器與資料記錄器組成四套室內氣候分析儀。在 學生上課前十分鐘將準備好的四套室內氣候分析儀，其中三套平均放置教室內，另

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(a)台北

(b)台中

(c)高雄

圖 2-9 三大都市基於 ASHRAE 55 和 EN 15251 的每日最佳溫度

(資料來源:本研究繪製)

10 15 20 25 30 35 1/1 1/29 2/26 3/26 4/23 5/21 6/18 7/16 8/13 9/10 10/8 11/5 12/3 12/31 tem p era tu re, C 日均溫 EN 15251 ASHRAE 10 15 20 25 30 35 1/1 1/29 2/26 3/26 4/23 5/21 6/18 7/16 8/13 9/10 10/8 11/5 12/3 12/31 tem p eratu re , C 日均溫 EN 15251 ASHRAE 10 15 20 25 30 35 1/1 1/29 2/26 3/26 4/23 5/21 6/18 7/16 8/13 9/10 10/8 11/5 12/3 12/31 te m p era ture, C 日均溫 EN 15251 ASHRAE

36 1 套則置於教室外，測點的高度選擇離地面高度 1.0m。採樣時間由早上 8 點至下午 4 點作連續性的測量與記錄。資料記錄器會每十分鐘登錄一筆所有物理性環境參數， 其參數值為每十分鐘內每秒資料的平均值。 為瞭解學生每天最高溫與最低溫的熱舒適變化，問卷的填寫時間約為室溫最低 時的早上第一節以及最高時的下午第一節兩次時段為原則。問卷調查之前，會有工 作人員簡單介紹其實驗目的，並且受訪者回答問卷時，有研究人員在旁解說或回答 其提出的相關問題，但不會誘導受訪者。為避免前一節課的活動影響其主觀感覺的 評估，學生是于下課前十分鐘開始填寫問卷。 問卷內容主要包括個人基本資料的填寫、對目前環境熱舒適度的評估、對其他 物理性因素的評估、對環境各種特性的滿意度調查、衣著量的調查與活動量的調查 等。本研究的問卷設計是根據學生在教室中的熱舒適狀態，參考 ASHRAE Standard 55 的問卷內容修改而成三個主要提問部分。 第一部分為個人基本資料，包括受訪者填寫的日期、時間、學校、班級、性別 與目前穿衣類型。由於學生必須穿著學校規定的制服上課，故問卷中只有額外調查 其他的衣服類型，如衣服種類與外套種類的勾選選項。 第二部分是熱環境舒適度的評估，本研究採用了熱感覺、熱喜好與熱接受度三 種常見的評估方式進行環境評估。其中熱感覺是採傳統七個等級的熱感覺量尺，分 別是冷（-3）、涼（-2）、微涼（-1）、中性（0）、微暖（1）、暖（2）、熱（3）。 熱喜好是問對現在的熱環境為希望調涼爽、不調或調暖和。而熱接受度則是問，是 否能接受現在的溫度。 第三部份則是詢問學生對於其他物理性因素影響教室熱環境舒適度的感覺評 估，包括濕度、風速與照度。濕度感覺是採七個等級的感覺尺度，分別是很濕、濕、 微濕、剛好、微乾、乾以及很乾。風速感覺是採七個等級的感覺尺度，分別是很弱、 弱、微弱、剛好、微強、強以及很強。照度感覺也是採七個等級的感覺尺度，分別 是很暗、暗、微暗、剛好、微亮、亮以及很亮。