不同台灣氣候態樣之自然通風設計技術架構建立－以都會區高樓建築為例

同

台

灣

氣

候

態

樣

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然

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風

設

計

技

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架

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建

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築

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同

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（

₁₀₁

年

度

）

不同台灣氣候態樣之自然通風設

計技術架構建立－以都會區高樓

建築為例

(內 政部 建築研 究 所 )協同研 究 報告

中華民國一百零一年十二月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

不同台灣氣候態樣之自然通風設計技術

架構建立－以都會區高樓建築為例

計畫主持人：廖慧燕 組長

協同主持人：周伯丞 副教授

研 究 員：郭怡君

研究助理：孟德威、蔡承璋

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 101 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

表次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧∥

圖次‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧Ⅲ

摘要‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧Ⅴ

第一章 緒論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1

第一節 研究緣起與背景‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧1

第二節 研究內容‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧2

第三節 預期成果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3

第二章 文獻回顧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5

第一節 國際 BIM 應用分析與我國自然通風法令‧‧‧‧‧5

第二節 自然通風的物理機制‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧16

第三節 自然通風設計技術‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧21

第四節 國際綠建築應用空氣模擬系統之現況‧‧‧‧‧‧25

第三章 研究方法‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29

第一節 台灣地區氣候環境特徵‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧29

第二節 台灣高層建築物及風力設計規範‧‧‧‧‧‧‧‧36

第三節 都會區高樓建築之參數設定需求分析‧‧‧‧‧‧41

第四章 案例模擬結果分析‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45

第一節 案例背景與模擬條件‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45

第二節 WindPerfectDX 案例模擬結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧53

第三節 Phoenics 案例模擬結果‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55

II

第五章 結論與建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65

第一節 結論‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧65

第二節 建議‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧74

附錄一 中央氣象測站測點資料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧75

附錄二 期中審查會議記錄與回應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧105

附錄三 期末審查會議記錄與回應‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧109

附錄四 學者專家座談第一次諮詢會議記錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧113

附錄五 學者專家座談第二次諮詢會議記錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧115

附錄六 學者專家座談第三次諮詢會議記錄‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧117

III

表次

表 2-1 ASHRAE STANDARD 62 不同用途空間所需換氣量‧‧‧‧11

表 2-2 「采暖通風與空氣調節設計規範」各場所機械通風量‧14

表 3-1 北半球亞洲地區亞熱帶的氣候特點‧‧‧‧‧‧‧‧‧29

表 3-2 中央氣象局 1981~2010 年統計平均溫度‧‧‧‧‧‧‧35

表 3-3 中央氣象局 1981~2010 年統計平均風速‧‧‧‧‧‧‧35

表 3-4 中央氣象局 1981~2010 年統計平均濕度‧‧‧‧‧‧‧35

表 3-5 計算域的基本假設‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧41

表 3-6 各變數的鬆弛係數‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧43

表 4-1 本研究實驗模擬案例背景資料‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46

表 4-2 基地氣象分析基礎資料表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧47

表 4-3 基地氣象分析基礎資料表‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51

表 5-1 建築物耐風設計之不同地況對風速影響‧‧‧‧‧‧53

V

圖次

圖 2-1 BIM 應用對建築工程之影響‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5

圖 2-2 PHOENICS 數值解析運算流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6

圖 2-3 WindPerfectDX 數值解析運算流程‧‧‧‧‧‧‧‧‧7

圖 2-4 第三層皮膚－建築軀殼開口部示意圖‧‧‧‧‧‧‧15

圖 2-5 建築室內外空氣流動關係之示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧16

圖 2-6 風力換氣量之符號說明及其與風速之關係‧‧‧‧‧17

圖 2-7 重力換氣量之符號說明及其與風速之關係‧‧‧‧‧18

圖 2-8 風力與重力同時作用下之換氣量與風速的關係‧‧‧19

圖 2-9 國際間綠建築分佈概況‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24

圖 2-10 CFD Modeling for a LEED Platinum School‧‧‧‧25

圖 2-11 PHOENICS for SB environment‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25

圖 2-12 CFD for Oshima area‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧26

圖 2-13 綠色魔法學校 CFD 灶窯通風模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧26

圖 3-1 全球亞熱帶氣候區以及台灣地理區位示意圖‧‧‧29

圖 3-2 受太平洋高壓影響盛行西南風‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧30

圖 3-3 受西伯利亞的大陸冷高壓影響，盛行東北季風‧‧‧30

圖 3-4 中央氣象局氣後監測站分部‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧31

圖 3-5 逐月雨量氣候平均值之變化(1971~2000)‧‧‧‧‧‧31

圖 3-6 逐月氣候氣候平均值之變化(1971~2000)‧‧‧‧‧‧32

圖 3-7 台灣地區建築氣候分區‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧33

圖 3-8 台灣地區外部環境可採用自然通風之月份分析‧‧‧34

圖 4-1 本研究案例位置‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45

VI

圖 4-2 基地周遭建築與高度‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46

圖 4-3 案例基地位置圖及左營空氣品質監測站相對位置‧‧47

圖 4-4 建物方案模擬設定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

圖 4-5 網格分割(Z 斷面)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧48

圖 4-6 網格分割(X 斷面)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49

圖 4-7 網格分割(Y 斷面)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49

圖 4-8 邊界層理論示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51

圖 4-9 案例邊界層風速圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧51

圖 4-10 基地右邊大樓尚未完成之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 4-11 基地右邊大樓已完成之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 4-12 低樓層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 4-13 低樓層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 4-14 中樓層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53

圖 4-15 中樓層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧3

圖 4-16 高樓層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54

圖 4-17 高樓層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54

圖 4-18 迎風面建物表面風速值分布‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54

圖 4-19 迎風面建物表面風速值分布‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧54

圖 4-20 基地右邊大樓尚未完成立面風速風向圖‧‧‧‧‧‧54

圖 4-21 基地右邊大樓尚未完成立面風速風向圖‧‧‧‧‧‧54

圖 4-22 CFD-基地右邊大樓尚未完成之流場‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖 4-23 CFD-基地右邊大樓已未完成之流場‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖 4-24 CFD-低樓層之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

VII

圖 4-25 CFD-低樓層之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖 4-26 CFD-中樓層之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖 4-27 CFD-中樓層之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧56

圖 4-28 CFD-高樓層之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

圖 4-29 CFD-高樓層之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

圖 4-30 CFD-中庭之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

圖 4-31 CFD-中庭之流場‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

圖 4-32 CFD 模擬圖-地面層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧58

圖 4-33 CFD 模擬圖-地面層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧58

圖 4-34 CFD 模擬圖-立面層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧58

圖 4-35 CFD 模擬圖-立面層之流場模擬‧‧‧‧‧‧‧‧‧58

圖 5-1 自然通風模擬設定參數 SOP 操作程序‧‧‧‧‧‧‧67

圖 5-2 自然通風計算與參數設定之資料分享平台‧‧‧‧‧68

圖 5-3 建築物尾流與止流點示意圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69

圖 5-4 建築物遮蔽效應與縮流‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧69

圖 5-5 建築配置應使弱風區域範圍縮小‧‧‧‧‧‧‧‧‧69

圖 5-6 迎風面渦旋‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70

圖 5-7 角隅強風‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70

圖 5-8 貫堂風‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧70

圖 5-9 東京都 NEC 中透空設計有效防止大樓風‧‧‧‧‧71

圖 5-10 下降氣流‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧71

圖 5-11 縮流‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧71

圖 5-12 風道‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧71

V

摘 要

關鍵詞：台灣氣候態樣、都會區高樓建築、自然通風設計 一 、 研 究 緣 起 雖隨著全球能資源耗竭，以及國人生活品質要求之提升，能夠有效導入新鮮外氣 之自然通風設計手法，益發受到建築規劃與設計者引用。由於外氣流動瞬息萬變，因 此國內已有愈來愈多的專業者運用數值模擬工具來輔助設計決策評估。然而現今泛用 型模擬工具在計算原理與數值設定上，存有諸多差異性，勢必影響輸出數據可靠度， 因此實有需要整合國內相關領域學者專家之操作經驗，建構相互驗證機制。並進一步 針對台灣外部氣流環境特性，建構可應用於建築與都市設計之資料庫與設定參數資料 集成，提供國內相關建築設計應用參考。 二 、 研 究 內 容 高層集合住宅成了新的建築取向，但由於大量的高層集合住宅大樓密集地聚集在 同一個區域，使得風向路徑受到阻隔，流竄的氣流變成渦旋狀的亂流，尤其是季節風 甚至是颱風，都因風向路徑的變異，造成中庭景觀遭到破壞，進而影響住宅起居的種 種不便。為了能對此現象加以分析及探討，本研究選定台灣北中南至少各一棟之高層 集合住宅，試以 Phoenics 計算流體力學（CFD）流場模擬，建構都會場域空間、建築 物量體、立面開口不等之模型，從而找出該大樓風向路徑變異之成因，並找出對策來 加以改善，讓高層集合住宅更適合居住。本研究提出之研究內容如下: 1.收集分析國內外自然通風設計技術相關學術著述，建立自然通風技術架構。

VI 2.透過國內從事建築流體計算之學者專家座談諮詢，著手建立自然通風計算與參 數設定之資料分享平台，提供作為我國研擬相關法令或技術規範之參考。 3.收集、分析與歸納我國外部氣流環境態樣，建構建築與都市設計所可用的資料 庫與設定參數資料集成。 4.以台灣都會區高樓建築空間型態為進行數值模擬解析各部位空間、室內隔間、 開口型式與垂直動線之自然通風策略，並佐以現場測定比對設定參數之信度與 效度。 三 、 研 究 內 容 1.完成國內外自然通風相關文獻回顧，並建構建築通風設計之技術架構。 2.建立國內建築通風流體計算之專家資料庫，以及自然通風計算與參數設定之資 料分享平台。 3.建立我國都市地區尺度之外部氣流環境態樣與設定參數資料庫。 4.建立台灣都會區高樓類型建築之自然通風設計技術。 5.提出我國研擬相關技術性法令或自然通風設計規範(草案)建議。

VII

ABSTRACT

Keywords: Taiwan climate characteristics, High-rise building of metropolitan area, Natural

ventilation design.

High-rise residential collection became the new building orientation, but because a large number

of high-rise condominium buildings are densely gathered in the same area, the wind path by the

barrier airflow flows into the vortex-like turbulence, especially in the monsoon and even the

typhoon. Due to the variation of wind direction path, resulting in the atrium landscape destruction,

thereby affecting all the inconveniences of residential living. In order to be able to analyze this

phenomenon and to explore, this study selected the northern, central and southern Taiwan at least

each one of the high-rise condominium, and computational fluid dynamics (CFD) simulation of

flow field try to Phoenics to construct the domain space of all venues, building massing, facade

openings ranging from models, in order to identify the causes of variation of the wind path of the

building, and to identify strategies to be improved, so that high-level collection of housing more

suitable for living. The research was proposed in this study are as follows:

(1) Collect and analyze domestic and foreign natural ventilation design technology, and academic

writings, the establishment of the technical architecture of natural ventilation.

(2) Through the discussion session of the scholars and experts, the establishment of natural

ventilation calculations and parameter setting data sharing platform.

(3) Analysis of the climatic and environmental characteristics, and construction of architectural

and urban design.

(4) Numerical simulation analysis of high-rise building space, interior partitions, open type of natural ventilation strategy

1

第一章 緒 論

第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景

台灣人口密度相當高，都會區大廈林立，即所謂的都市叢林，但很多人都沒想過， 都市叢林阻礙了空氣的流通，長期住在高樓大廈的人身體健康已受到不同程度的影 響，如常感到鼻塞、喉 嚨乾燥、鼻炎、頭痛、愛睏…等症狀，此即所謂的高樓大廈症。 極易滯留或 進入高樓大廈的建築物內，導致室內污染加劇，其次是大廈中裝了空調， 成為密閉式的建築，更影響了自然通風外，加上室內裝潢建材使用不當，如石棉產品、 塑膠 產品及化纖地毯…等，容易被人體吸入導致各種疾病發生。 在講求環境品質避免病態屋症候群的今天，並追求永續發展的時代時命下，經由 運用 CFD（Computational Fluid dynamics）紊流模型加以電腦解析，達到生態永續 建築目標。1974 年 Nelson 為第一位將 CFD 模型使用於建築物氣流流場與熱傳現象之 預測，一直到 1989 年村上周三先生從建築外部風環境運用 CFD 數值解析運算大樓風開 始，加上近幾十年來電腦計算功能大幅提升，更加確立其可靠性及分析建築物週邊及 內部的流場模態、風壓分布的應用。（周伯丞，2000）。 高層集合住宅成了新的建築取向，但由於大量的高層集合住宅大樓密集地聚集在 同一個區域，使得風向路徑受到阻隔，流竄的氣流變成渦旋狀的亂流，尤其是季節風 甚至是颱風，都因風向路徑的變異，造成中庭景觀遭到破壞，進而影響住宅起居的種 種不便。為了能對此現象加以分析及探討，本研究選定台灣北中南至少各一棟之高層 集合住宅，試以 Phoenics 計算流體力學（CFD）流場模擬，建構都會場域空間、建築 物量體、立面開口不等之模型，從而找出該大樓風向路徑變異之成因，並找出對策來 加以改善，讓高層集合住宅更適合居住。

2

第二節 研究內容

近代國家建立後與行政機能迭經變更，從早先的治安、國防及租稅作用，到晚近 的各種經濟管制、環境及社會安全管制作用，乃至福利作用。以此作為邊界條件與初 始條件設定的標準模擬數據。當然本研究主要針對都市成長中大樓中庭風場受周邊建 築群量體影響之研究，選定北、中、南各一棟高層集合住宅建築作為探討及操作對象。 對週遭大樓群及選定之大樓中庭場域進行實地儀器量測，並將測得數據加以數位化設 定，作為探討週邊外部環境及人為量體對中庭景觀及設施等人居因素的衝擊程度來呈 現出風場解構的分布狀況，從而獲取解決之策略。 1.研究範圍界定 本研究是以社區與建築之自然通風設計為對象，社區則以基地的尺度依 3 維尺度 增加 5~10 倍作外環境模擬；室內環境部分，以建築物的尺度依 3 維尺度增加 1.5~2 倍作室內外環境模擬。 設定街區使用寬網格間距 5~20 公尺，焦點建築則使用較細網格間距 1~2 公尺。 2.研究流程 從 GOOGLE MAP 衛星空拍圖判讀研究對象主體四周地形，及基地建物群整體狀況， 擬出流程步驟。 2.資料模擬解析 從都市計畫圖將選定之研究對象透過 SKETCHUP 呈現出周遭各棟大樓高度及量體 形狀，來建構出基地模型。並進一步到現場作實地風速量測。就不同高度及基地四周 所測得之資料，經由 CFD 模擬解析。 3.模擬前後對應 研究之主體週邊大樓建築完成時間不一，因此有不同的模擬比較。以了解大樓群 地理位置，風場之流動受著地理環境及季節變化的影響。本研究以 CFD 做設定模擬， 評估前後數值，就大樓中庭受周邊建築群影響狀況，提出綜合性評估指標，以便作為 客觀性之建議及改善。

3

第三節 預期成果

１.對建築發展短中長期方面預期貢獻。 A. 文獻資料蒐集與整理（短期-1） (1).蒐集國內、外有關臥室風水術之研究資料，釐清研究之課題。 (2).蒐集分析國內、外有關室內通風之研究，以找出合理的通風效率評估之基準 評定依據。 (3).針對數值模擬與實驗儀器及邊界條件限制等，參考國內、外有關的研究使用 方式，以作為研究計畫擬定時之基礎與系統建立參考之依據。 B. CFD 數值模擬解析於可視化模擬之應用（短期-2） CFD 數值模擬可運用在建築設計替選方案之評估上。將室內空間與時間中，呈現 不穩定性 (unsteady)、不規則性 (irregular)、消散性 (dissipative)以及擴散性 (diffusive)之紊流 (turbulent)特徵的三維流場，運算表現在顯示終端器上。本研究 亦採用 CFD 技術，以 k-ε紊流模型作為高樓流場計算基礎。 (1).利用 CFD 數值解析軟體，預測大樓、周遭之氣流、溫度以及濃度分布，並模 擬不同模式與尺寸變因之通風效率。 (2).確認預測工具的可行性以及應用限制，找出合適解析流場之 Model 應用。 (3).進一步瞭解室內氣流場與溫度場之細微變化狀況，並提供將氣流場與溫度場 可視化之應用。 C.大樓不同氣候分布特性檢測（中期） (1).根據實驗設計進行大樓流場測試。綜合多個量測點後得以推算出大樓整體流 場特性。 (2).綜合實驗數據與 CFD 電腦數值解析比對結果，並撰寫具體結論。

4 ２.對於經濟建設或社會發展方面預期效益。 (1)完成國內外自然通風相關文獻回顧，並建構建築通風設計之技術架構。 (2)建立國內建築通風流體計算之專家資料庫，以及自然通風計算與參數設定之資 料分享平台。 (3)建立我國都市地區尺度之外部氣流環境態樣與設定參數資料庫。 (4)建立台灣都會區高樓類型建築之自然通風設計技術。 (5)提出我國研擬相關技術性法令或自然通風設計規範(草案)建議。 ３.推廣應用計畫(如人才培育)。 透過本計畫的執行，可針對高層大樓，整合目前建築與室內設計實務所面對的「民 間信仰設計法則」與「科學理論設計法則」兩套原本獨自發展的設計程序，提供具有 科學基礎的解釋。計畫操作過程亦可培育新一代的碩、博士生熟練科學評估工具，以 及培養具開創性思維的本土研究人才。

5

第二章 文獻回顧

第 一 節 國 際 BIM 應 用 分 析 與 我 國 自 然 通 風 法 令

壹、國際 BIM 應用分析

建築資訊模型（Building Information Modeling，簡稱 BIM）一詞由 Autodesk 所創的。它是來形容那些以三維圖形為主、物件導向、建築學有關的電腦輔助設計。 當初這個概念是由 Jerry Laiserin 把 Autodesk、奔特力系統軟體公司、Graphisoft 所提供的技術向公眾推廣。它是建築過程的數位展示方式來協助數位資訊交流及合 作。建築資訊模型是指建築物在設計和建造過程中，創建和使用的"可計算數位資訊" 而這些數位資訊能夠被程式系統自動管理，使得經過這些數位資訊所計算出來的各種 文件，自動地具有彼此吻合、一致的特性。

6 美國建築師學會進一步定義建築資訊模型為一種「結合工程專案資訊資料庫的模 型技術」。它反映了該項技術依靠資料庫技術為基礎。電腦系統能用碰撞檢測的功能， 用圖形表達的方式知會查詢的人員關於各類的構件在空間中彼此碰撞或干涉情形的詳 細資訊。由於電腦和軟體具有更強大的建築資訊處理能力，相比目前的設計和施工建 造的流程，這樣的方法在一些已知的應用中，已經給工程專案帶來正面的影響和助益。 對工程的各個參與方來說，減少錯誤對降低成本都有很重要的影響。而因此減少建造 所需要的時間，同時也有助於降低工程的成本。

貳、自然通風模擬系統分析

一、CFD 數值模擬電腦軟體使用流程(PHOENICS)

分析軟體(PHOENICS)之操作簡單來說可分為：前處理「VR Editor」、計算「Run Solver」和後處理「VR Viewer」三個部份，使用者利用圖形化之操作介面於虛擬的立 體空間裡進行編及，其內建語言 PIL(PHOENICS Input Language)會建立一個 Q1 檔來 描述各種熱流現象，在經 Fortran 77 語言編輯後傳送給「Run Solver」進行數值計算，； 最後由「VR Viewer」可以看到可視化後結果，另外也可用「Photon」將運算結果以向 量或等位線圖的方式描繪出速度、溫度壓力或流積圖；其整個運作流程架構如圖 2-2。 圖 2-2 PHOENICS 數值解析運算流程 模擬 model 建立 空間及元件 邊界條建設定 建立格點系統 CFD (PHOENICS) 計算軟體 進行氣流場、溫度 場與濃度場之描繪 可視化呈現 邊界條建找尋最佳精 度與效率之格點系統 設定疊代次數後 進行計算至收斂 調整數值範圍至 最佳視覺效果 前處理 「VR Editor」 計算部分 「Run Solver」 後處理部分 「VR Viewer」

7

本 應 用 方 法 是 雷 諾 平 均 數 值 模 擬 (RANS) 法 解 析 ， 其 計 算 方 式 是 依 據 Navier-Stokes 方程組(NS Equation)衍生之簡算式，運用 k-ε限定運算方式進行連續 方程(Continuity Equation)、運動方程簡算式(Momentum Equation) 與能量守恆 (Energy Equation)方程組之近似運算方程組。 二、WindPerfectDX 數值模擬都市風環境軟體使用流程 WindPerfectDX 是日本知名軟體開發大廠 E-Sim 環境模擬株式會社主導開發的計 算流體力學(CFD)解析軟體，可以直接讀取 3D 模型進行模擬，改善 CFD 前處理重新製 作模型的不便，明確地簡化解析過程，提供規劃及設計階段的風環境檢驗，廣泛使用 在日本業界。如圖 2-3。 圖 2-3 WindPerfectDX 數值解析運算流程 項目 內容 離散化 有限體積法（FVM） 座標系 直交網格系統（500 萬網格） 計算高速化 多階段巢式陽解法 計算對象 速度、溫度、濃度、濕度等

紊流解法 DNS（Direct Numerical Simulation）直接數值模擬 數據 3 維圖像化 DirectX 9 其它延伸功能 GIS（地理資訊系統）屬性資料讀取 模組機能（植栽、水體、綠化、空調設備等） 自動日射計算 熱傳導解析 移流擴散計算 匯入 CAD 檔案 建立幾何模型 建立風環境條件 建立初始條件 執行風環境解析 後處理視覺化 結果檔數據輸出 流程一: 前處理 流程二: 解析計算 流程三: 後處理

8 項目 內容 風環境指數律設定 非定常條件解析 結露解析 輻射、放射計算 熱舒適指標（PMV・SET*）計算 通風效率指標（SVE3~SVE6）計算 排程計算、計算中途控制 多元且強大的可視化介面 粒子軌跡追蹤 動畫輸出 結果資料 Excel 輸出

叁、我國自然通風相關法令

一、建築技術規則-設計施工編(第四十三條) （通風）居室應設置能與戶外空氣直接流通之窗戶或開口，或有效之自然通風設 備或機械通風設備，並應依下列規定： (一) 一般居室及浴廁之窗戶或開口之有效通風面積，不得小於該室樓地板面 積百分之五，但設置符合規定之自然或機械通風設備者不在此限。 (二)廚房之有效通風開口面積，不得小於該室樓地板面積十分之一，且不得小 於○‧八平方公尺，但設置符合規定之機械通風設備者不在此限。… 二、建築技術規則- 建築設備編 (第一百零一條) （通風系統）機械通風應依實際情況，採用下列系統： (一)機械送風及機械排風。 (二)機械送風及自然排風。 (三)自然送風及機械排風。 三、建築技術規則- 建築設備編 (第一百零二條)

9 建築物供各種用途使用之空間，設置機械通風設備時，通風量不得小於下表規定： 房間用途 樓地板面積每平方公尺所需通 風量(立方公尺／小時) 臥室、起居室、私人辦公室等容納人數不多者。 8 8 辦公室、會客室 10 10 工友室、警衛室、收發室、詢問室。 12 12 會議室、候車室、候診室等容納人數較多者。 15 15 展覽陳列室、理髮美容院。 12 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 15 吸煙室、學校及其他指定人數使用之餐廳。 20 20 營業用餐廳、酒吧、咖啡館。 25 25 戲院、電影院、演藝場、集會堂之觀眾席。 75 75 廚 房 營 業 用 60 60 非 營 業 用 35 35 配 膳 衣帽間、更衣室、盥洗室、樓地板面積大於１ ５平方公尺之發電或配電室 － 10 茶水間 － 15 住宅內浴室或廁所、照相暗室、電影放映機室 － 20 公共浴室或廁所，可能散發毒氣或可燃氣體之 作業工場 － 30 蓄電池間 － 35 三、台灣綠建築評估 (室內環境指標-通風換氣環境) 參考「綠建築解說與評估手冊-新建建築」（2009，內政部建築研究所）之通 風換氣評估指標與基準，針對“自然通風型”主要包括有住宅類、學校類、無中 央空調類之辦公類等具備自然潛力的建築進行評估。在此所謂可自然通風型建 築，不光只是開窗，除了開窗面積能符合建築技術規則的規定外，必須是在真正 利用自然通風時，能達到有效的換氣效果，故令須考量通風路徑及室內深度，所 未通風路徑，一般來說，可簡單分成單側開窗、相鄰側開窗、相對側開窗及多開 窗方式，前兩者較難使新鮮外氣進入室內遠端而排除遠端的汙染物：後兩者可以 使氣流以近似活塞流的方式將室內髒空氣推擠出去，而有較佳的空氣置換效率； 其他如配合機械輔助或熱浮力動力之通風方式，也都能形成良好的通風路徑。居

10

室若是單側開窗或相鄰側開窗，室內淨深不能太長；相對側開窗及多開窗方式也 有一定的淨深限制。

肆、國外自然通風相關法令

一、美國「International Building Code」

（通風）居室應設置能與戶外空氣直接流通之窗戶或開口，或有效之自然通 風設備或機械通風設備，並應依下列規定：

美國建築法規原本因地區而有不同規定（包括美東地區採用美國 ICBO 所制訂 UBC、美西地區採用 BOCA 所制訂 NBC、美國南部地區採用美國 SBCCI 所制訂 SSBC）， 造成許多建築從業人員在業務執行上的困擾。對此，ICBO、BOCA 與 SBCCI 三所機 構於 1994 年共同成立 ICC（Inetrnational Code Council）並於 2000 年將 UBC、 NBC 與 SSBC 整合成單一法規「International Building Code」，當中有關通風換 氣相的規定彙編於該法規第 12 章第 3 節，內容大致如下： 1.通則 2.閣樓 得以通風換氣方式（重力換氣、風力換氣、遮雨設備等）與利用閣樓空間進行貫 流通風（Cross Ventilation）。 3.地面層高架空間 得以貫流通風（Cross Ventilation）設計方式進行通風。 4.自然通風 以樓地板面積之 4%來作為樓梯間以外空間之最小有效通風面積。 5.其他通風及換氣設施

其他必須採用機械通風的空間必須依照 IMC（International Mechanical Code） 相關規定設計。

11

美國冷凍空調協會頒佈的 ASHRAE STANDARD 62 自 1989 迄今經歷多次修正，對於 建築物通風換氣皆有詳細的規範，在 2004 年的版本中調整通風換氣技術、換氣量 需求等內容，並針對不同類型的空間訂定不同的最低換氣量。

（一）自然通風

「ASHRAE STANDARD 62-2004」 Section 5.1.1 訂定有效開口面積應大於 4%的淨 樓地板面積以確保建築物自然通風的性能，對於自然通風器具並沒有強制規定其 尺寸與位置，僅要設計時應符合流體力學及熱傳學相關學理，以創造有效的自然 通風路徑。

（二）機械通風

「ASHRAE STANDARD 62-2004」 Section 6.2.2.1 規定不同用途空間所需換氣量， 為用以稀釋人體產生之污染所需的換氣量(RpPz)，加上用以稀釋建材逸散之污染 所需的換氣量(RaAz)，如式 2-1 所示。 Vbz = RpPz + RaAz………式 2-1 Vbz：總換氣量 Rp：用以稀釋每單位人口產生之污染所需的換氣量(cfm / person) Pz：預計使用人數(person) Ra：用以稀釋每單位面積逸散之污染所需的換氣量(cfm / ft2) Az：樓地板面積(ft2) 其中 Rp 與 Ra 可查表 2-1 查出。 表 2-1 ASHRAE STANDARD 62 對不同用途空間所需換氣量之規範 規範場所 用以稀釋每單位人口產生 之污染所需的換氣量(Rp) 用以稀釋每單位面積逸散 之污染所需的換氣量(Ra) 辦公室 5 cfm / person 0.06 cfm / ft2 接待室 5 cfm / person 0.06 cfm / ft2 資訊室 5 cfm / person 0.06 cfm / ft2 主入口大廳 5 cfm / person 0.06 cfm / ft2

12

由歐洲標準化委員會（European Committee for Standardization, CEN）研 擬的「歐洲通風標準草案」（Draft, European Prestandard prENV 1752）— CEN/TC 156/WG6 Ventilation for Buildings: Design Criteria for the Indoor 規範 多種用途空間之溫度、風速、噪音允許值等，且依室內物理環境性能等級分為 A

（最高標準）、B（次高標準）、C（最低標準）三等級。而有關機械通風量的規定

與 ASHRAE 類似，所需的外氣量考慮用以稀釋人體與建材污染，如表 2-2 所示。

(一）自然通風

新加坡國家發展部（Ministry of National Development）依循「建築控制法案」 （the Building ControlAct）制訂「建築管制規則」（the Building Control Regulation, BCR），當中有關建築通風性能的規定如下： 1.目標 避免室內人員因室內缺乏新鮮空氣的引進而造成身體上的不舒適 2.性能 （1）為建築物內所有的人員提供足夠通風換氣 建築 型態 活動 (met) 人員密度 (人/㎡) 等級 溫度 (℃) 最大平均風速 (m/s) 音壓 (dB(A)) 通風量-人體 （l/s/㎡） 通風量-建材 （l/s/㎡） 抽煙外增 通風量 （l/s/㎡） 夏天 冬天 夏天 冬天 低污染 非低污染 辦公室 1.2 0.1 A 24.5±1.0 22.5±1.0 0.18 0.15 30 1.0 1.0 2.0 — B 24.5±1.5 22.5±2.0 0.22 0.18 35 0.7 0.7 1.4 — C 24.5±2.5 22.5±3.0 0.25 0.21 40 0.4 0.4 0.8 — 辦公室 1.2 0.07 A 24.5±1.0 22.5±1.0 0.18 0.15 35 0.7 1.0 2.0 0.7 B 24.5±1.5 22.5±2.0 0.22 0.18 40 0.5 0.7 1.4 0.5 C 24.5±2.5 22.5±3.0 0.25 0.21 45 0.3 0.4 0.8 0.3 會議室 1.2 0.5 A 24.5±1.0 22.5±1.0 0.18 0.15 30 5.0 1.0 2.0 5.0 B 24.5±1.5 22.5±2.0 0.22 0.18 35 3.5 0.7 1.4 3.6 C 24.5±2.5 22.5±3.0 0.25 0.21 40 2.0 0.4 0.8 2.0 觀眾席 1.2 1.5 A 24.5±1.0 22.5±1.0 0.18 0.15 30 15 1.0 2.0 — B 24.5±1.5 22.5±2.0 0.22 0.18 33 10.5 0.7 1.4 — C 24.5±2.5 22.5±3.0 0.25 0.21 35 6.0 0.4 0.8 — 咖啡廳 1.2 0.7 A 24.5±1.0 22.5±1.0 0.18 0.15 35 7.0 1.0 2.0 — B 24.5±2.0 22.5±2.5 0.22 0.18 45 4.9 0.7 1.4 5.0 C 24.5±2.5 22.5±3.5 0.25 0.21 50 2.8 0.4 0.8 2.8

13

（2）應提供集合住宅符合上述目標的自然通風換氣 （二）機械通風

有關建築物機械通風量的規定則根據「Singapore Standard Code of Practice for Mechanical Ventilation and Air-conditioning in Building」（SS CP 13：1980）， 要求空調系統的新鮮外氣引入量不得低於 1.2 m3/ hr‧m2 或 13.0 m3/ hr‧person。 四、日本「建築基準法」 日本之室內空氣品質管理制度，主要分為四個政府部門管理，包括「國土交 通省建設廳」、「厚生勞働省」、「經濟產業省」及「文部科學省」等單位，其中「國 土交通省建設廳」主管建築通風換氣性能，相關法令條文明訂於日本建築建築基 準法、日本建築基準法施行令等法規。 （一）自然通風 日本建築基準法第 28 條規定一般居室窗戶或開口之有效通風面積，不得小於 該居室樓地板面積 1/20。另外，日本建築基準法施行令第 20 條之 2 規定自然換 氣設備（排風管）有效斷面積之計算如式 2-2 所示。 Ａv＝Ａf／(250√ｈ）………式 2-2 Ａv：排風管有效斷面積(㎡) Ａf：居室樓地板面積 (㎡) ｈ：排風管進風口中心至頂部出口中心之高度(m) （二）機械通風 日本建築基準法施行令第 20 條之 2 規定機械換氣設備換氣量之計算如式 2-3 所 示。 Ｖ＝20Ａf／Ｎ………式 2-3 Ｖ：機械換氣設備換氣量 (m3/hour) Ａf：居室樓地板面積 (㎡) Ｎ：實際一人所佔面積（超過 10 ㎡以 10 ㎡計算）(m)

14 由式 2-2 可看出日本建築基準法施行令規定之機械換氣量會隨著室內人員密 度增加（Ｎ值減少）而增加；反之，機械換氣量會隨著室內人員減少而減少，但 仍可維持最小機械換氣量 2CMH。本規定雖然有考量室內人員對室內空氣品質的影 響，但並未考量其他污染物的衝擊，因此計算出的機械換氣量在室內人員稀少但 污染量大的空間（廚房、吸煙室等）則有不足之虞。所幸日本針對室內空氣品質 有訂定相關規範，可確保室內空氣品質維持在良好的標準。 通風換氣不良的室內環境會使室內空氣污染物不易逸散，引起人體呼吸道的 疾病，嚴重危害居室人員的健康安全。目前世界主要國家有關建築物通風換氣的 規定大致上從自然通風與機械通風兩方面進行管制，旨在適量引進室外新鮮空氣 以稀釋或排除室內空氣污染物，達到維持良好室內空氣品質的目的。

五、韓國「Indoor Air Quality Management Act」與「Building Act」 韓國現行室內空氣品質管理之目的事業主管機關，可分為環境部（Ministry of Environment）、保健福祉部（Ministry of Health＆Welfare）、教育與人力資 源發展部（Ministry of Education ＆ Human Resources Development）、建設交 通部（Ministry of Construction＆Transportation）與勞工部（Ministry of Labor）五個目的事業主管機關。

其中環境部依據「Indoor Air Quality Management Act」，規定公共場所應

裝置符合環境部標準之空氣清靜裝置；建設交通部依據「Building Act」，規範集 合住宅與公共場所的通風設施性能與建築材料使用。 六、中國「採暖通風與空氣調節設計規範」 於 2003 年 11 月頒佈，2004 年 4 月實施的「採暖通風與空氣調節設計規範」 共分為九個章節與九個附錄，主要內容有︰總則、術語、室內外計算參數、采暖、 通風、空氣調節、空氣調節冷熱源、監測與控制、消聲與隔震等。而有關建築物 通風性能的規定，該規範第 2.3.8 條要求各類場所之機械通風量應根據人員吸煙 與室內裝修所產生的污染物濃度訂定之（表 2-3）。其他相關規定包括第 5.1.12 條規定應單獨設置排風系統的時機、第 5.3.4 條規定機械送風系統進風口的位 置、第 5.3.14 條規定建築物全面排風系統吸風口的布置等。

15 表 2-3 「采暖通風與空氣調節設計規範」各類場所機械通風量相關規定 房間名稱 每人最小新風量 （m3 /h‧人） 吸煙情況 影劇院、博物院、體育館、商店 8 無 辦公室、圖書館、會議室，餐廳 37 無 醫院的門診部和普通病房、旅館客房 30 少量

七、澳洲「Building Code of Australia」與「AS 1668.2-1991」

1993 年以前，「澳洲建築法規」（Building Code of Australia, BCA）是由 澳洲建築規則協調會（AUBRCC）所制訂發佈；1993 年以後，澳洲聯邦政府聯合各 州和地區政府籌設澳洲建築法規委員會（Australia Building Codes Board,

ABCB），取代澳洲建築規則協調會的角色，草擬性能導向的建築法規。當中對於建

築通風性能規範，在自然通風方面，規定居室開口部位的總面積不得小於居室總 面積的 5%，且開口應朝向適當大小的空地或天空、開放的外廊、有頂無牆的車棚 等空間；在機械通風方面，為維持室內二氧化碳的濃度低於 1000ppm，機械通風 設備的換氣量依照「The use of mechanical ventilation and air-conditioning in buildings, Part 2 Mechanical ventilation for acceptable indoor-air quality」（AS 1668.2-1991）規定，不得小於 7.5 L/ sec‧person。

16

第 二 節 自 然 通 風 的 物 理 機 制

現代建築愈來愈依賴機械設備來調節室內空氣環境，然而，機械空調設備雖然利 用了電能驅動熱交換系統，達到調節室內溫濕環境，以確保室內人員熱舒適（Thermal Comfort），但自 1973 年世界能源危機以降，為求節約能源，增加了建築物氣密性，並 減少建築物的通風換氣量，致使室內空氣品質惡化（Fanger, 1988），產生病態大樓症

候群（Sick Building Syndrome, SBS）。綜觀上述「環境」、「能源」以及「健康」三 項議題，減少對機械通風系統的依賴，積極利用自然驅動力，諸如風力（Wind-driven forces）與重力（Stack-driven forces），形成自然通風（Natural Ventilation）， 以達到室內空氣與外氣交換的效果，乃一迷人的課題。本研究探討不同變因對建築開 口部自然通風效果之影響，提供作為建築設計者直觀的建議參考，期能給予未來建築 設計加入更為完整以及定量的「自然通風」的思考面向。如圖 2-4。 圖 2-4 第三層皮膚－建築軀殼開口部示意圖 建築室內空氣與室外空氣經由開口部所形成的流動，包含了自由對流（free convection）與強制對流（forced convection）。自由對流的驅動力來自於重力 （gravitational force），亦即室內外空氣之溫度差（熱浮力效應 Stack effect or

buoyancy effect）；而強制對流的驅動力則來自於壓力與剪應力，亦即外部風壓與機

械風機 。Mistriotis 的研究指出：當外部風速 VE > 2 m/s，風力對於自然通風的影 響遠大於熱浮力，可忽略熱浮力之影響；當 2 m/s > VE > 0.5 m/s，風力之影響仍較

17 熱浮力為大，但不可忽略熱浮力之影響；當 VE < 0.5 m/s，熱浮力之影響就相當顯要 。 以台灣各地平均風速 1.2～6.0 m/s 而言，宜應考慮綜合考量風力與熱浮力對自然通風 效果之影響。圖 2-5 為建築室內外空氣流動關係之示意圖。 圖 2-5 建築室內外空氣流動關係之示意圖

壹、 風力換氣（wind-induced ventilation）

在僅考慮風力為自然通風驅動力時，室內外壓差（ΔP）受到外氣風速（UE）、風 向（ψE）以及建築量體幾何形狀之影響。對於已知的建築環境與風向條件下，ΔP 與 UE2具有比例關係。更精確而言，室內外平均壓差（ΔP）與動壓（dynamic pressure, ρU2 /2）的比值，一般常以風壓係數差（ΔCP）來表示，其關係如式(1)所示。 2

2

_{E E} P

P

U

C









(1) 將式(1)帶入式(2)中，可得式(3)之關係：



P





A

C

Q



_D





2



(m3/s) (2) P E w D w

C

A

U

C

Q











(m3/s) (3) 依據 BS 5925-1980 所採用的建築自然通風設計與準則法規中，對於風力換氣量 （Qw）之計算亦以式(3)為基礎，並取剖面方向之二維流場並忽略室內隔間之條件，如

18 圖 2-6 所示。式中，ΔCP表示迎風面風壓係數（CPf）與背風面風壓係數（CPb）之差， 如式(4)所示；開口面積A 則以實際通風面積（Aw）代之，Aw 與各開口部之關係則如 式(5)所示。 Pb Pf P

C

C

C







(4)



 



2 4 3 2 2 1 2

1

1

1

A

A

A

A

A

_w









(5) 圖 2-6 風力換氣量之符號說明及其與風速之關係

貳、 重力換氣（temperature-induced ventilation）

在僅考慮重力（熱浮力）為自然通風驅動力時，就算是超高層建築物，其溫度與 重力加速度的變化仍相當小，因此由於熱浮力所引起在垂直方向的壓力變化，可以式 (6)表示。式中之下標 0 表示在地平面之條件。

gz

P

P



₀





₀ (6) 在高度 z 開口處，由於密度差（溫度差）所產生之壓差（ΔP），則接近於式(7) 之關係。



_{E I}



I E

P

gz

P

P















_{0 0} (7) 將式(8)代入式(2)中，即可導出重力換氣量（Qb）之關係。以圖 2-7 之剖面方向 二維流場並忽略室內隔間之情形（假設 TI > TE），則重力換氣量（Qb）可以密度表示， A1 UE A2 A4 A3 CPf CPb UE Q 0 Δ CP2 Δ CP1 Δ CP1 >Δ CP2 Qw

19 如式(10)所示；抑或以溫度表示，如式(11)所示。式中，密度（ρ）之單位為 kg/m3 ； 溫度（T）採絕對溫度單位（°K）；重力加速度（g = 9.8 m/sec2 ）；實際通風面積（Ab） 與各開口部之關係則如式(10)所示。 E b D b

C

A

gh

Q













(m3/s) (8) I b D b

C

A

Tgh

T

Q









(m3/s) (0)



 



2 4 2 2 3 1 2

1

1

1

A

A

A

A

A

_b









(10) 圖 2-7 重力換氣量之符號說明及其與風速之關係

參、 綜合通風效果與應用限制

建築物在正常狀態下，會同時受到風力與重力（溫度差）之影響，因此開口部的 氣流流向，受到迎風面與背風面以及高度位置之室內外壓差的影響。圖 2-8 說明了建 築空間同時受到風力換氣與重力換氣影響的相互關係，當迎風面開口高度（z1）低於 背風面開口高度（z2）時，風力換氣量（Qw）與重力換氣量（Qb）具有疊加效果。整體 通風量（Qt）之計算如式 11 所示；當 z1高於 z2時，Qw與 Qb具有抵銷效果，Qt之計算則 如式 12 所示。 2 2 b w t

Q

Q

Q





when

z

₁



z

₂ (m3/s) (11) A1 A2 A4 A3 TE TI Δ T Q 0 Qb h h

20 2 2 b w t

Q

Q

Q





when

z

₁



z

₂ (m3/s) (12) 圖 2-8 風力與重力同時作用下之換氣量與風速的關係 在目前的自然通風設計規範與標準方面，包括 ASHRAE Handbook Ch.22 與 BS 5925 等，一般仍採用上述靜穩狀態下的簡算式，作為設計階段的自然通風量估算。然而， 此類方程省略了室內隔間與家具之影響，並以二維開口剖面的幾何特徵作為整體通風 量計算依據，此與建築物的實際狀態不儘相符。在 AIVC 針對實際房屋之通風量所進行 的研究中 ，實驗與計算結果比對顯示兩者誤差可達 25 %。再者，上述簡算式並不適 用於複室結構（multizone structures），是以運用網路阻抗法（network resistance method）分配各室之風壓力，然而，Feustel 針對既有 50 網路法氣流模型之調查，指 出網路法之結果仍僅適用於靜穩狀態，仍缺乏現場實驗比對。 UE A1 A2 ρ E UE Q 0 z1 > z2 ρ I Qt z2 z1 z1 < z2

21

第 三 節 自 然 通 風 設 計 技 術

自然通風可定義為經由通風口（ventilation surface），如門、窗等，由於室內

外壓力梯度所產生的室內外空氣交換（Sandia National Laboratory, 1982）。是故， 自然通風的主要功能在於藉由移除或稀釋室內污染物以提供可接受的空氣品質，以及 提供熱交換機制（CIBSE, 1997），此外，由於自然通風可減少能源消耗（Sherman and

Levin, 1996），因此在建築設計發展的最初階段，就應須考量自然通風。以往的研究 中，採用了多種不同的研究方法，進行自然通風的探討，茲分述如下：

壹、 實驗方法

建築物自然通風方面的研究，必須要有建築物內部及周邊的氣流資訊，包括流場 結構以及風壓分布。為了取得來自建築物周邊以及地形的氣流資訊，可透過既有建築 現場實測，或由風洞或水洞之縮尺模型實驗而得。現場實測為最早被採用的方法（Yocom

et al., 1971），透過室內外的濃度比（I/O ratio）作為通風率的描述。然而，現場

測試並不普遍供作設計階段之參考，因為難以對實際建築的溫熱與氣流場邊界條件作 控制，並且所得結果僅足以代表測定時期的狀況，故需要較多的時間以及費用方能得 到有意義的資訊。

貳、 風洞之縮尺實驗

由風洞或水洞之縮尺模型所得之實驗數據，在氣流場以及風壓項可測得與足尺模 型比例關係正確的數值（Weil et al.,1981; Petersen, 1987 and Dagliesh, 1975）， 然而，因應縮尺所需的高速風洞實驗室通常省略了重力通風之熱浮力效應以及濃度分

布（Linden, 1999）。其數據僅可供作初步設計的參考，以及作為既有建築性能評估的

「經濟」方法，而風洞實驗室的造價卻相當昂貴。

最普遍的方式則是使用足尺的環境實驗室來模擬一室內空間，藉由隔離實驗空間

22

速、溫濕度以及濃度分布數據，特別是可取得熱浮力效應的自然通風效果（Chiang and Chou et al., 1998）。此外，透過示蹤氣體（tracer gas）量測技術，建築通風效能 可由空氣齡（age-of-air）以及換氣率（air-exchange rate）加以描述（Sandberg et al., 1985; Etheridge et al.,1985; Yoshino et al.,1996）。

參、 數值解析方法

如同實驗研究的發展進程，通風率的計算同樣最早被探討，根據柏克萊 Lawrence Berkeley Laboratory 的調查：在 1966 至 1989 年間所發展的 50 組自然通風解析模型， 可計算穩態狀況下多室結構的通風率（Feustel and Dieris, 1992）。Mathews（1994） 則利用各室間的壓力阻抗（resistance）來推估多室空間的氣流網路；Awbi（1994） 則同時將風力以及重力效應納入通風率的計算中，提高對於煙囪通風效果的預測。另 一方面，計算流體動力學（CFD, Computational Fluid Dynamics）數值解析亦被發展

應用於預測建築物氣流場與熱傳導現象（Nelson, 1974），隨著近十年計算機運算效能

的提升，CFD 數值解析廣泛被運用於判定建築物內部以及周遭流場的替選方式。CFD 計算方式通常可分類成三種（Murakami, 1998）：直接數值解析（DNS, Direct Numerical Simulation）、大渦模擬（LES, Large Eddy Simulation）以及雷諾平均數值模擬（RANS, Reynolds Averaged Navier-Stokes）。

DNS 法是直接求解高可信度的 Navier-Stokes 方程式，並非近似解來模擬紊流。 然而，為了呈現出所有的渦流—最大大到邊界尺寸；最小小到消散運動，其所需格點 解析度必須精細到克氏尺度（Kolmogorov micro-scale），以雷諾數為 106 的三維平板 邊界層流場為例，約需 5×107 的格點數（林，1993），若對一實際建築物條件（雷諾數 約 106）加以計算，所需格點數將達 1013 ，再者，計算時間間隔必須小到得以解析最快 速的變動量，如此遠遠超過現今超級電腦的運算容量（5123 ）。因此，DNS 法目前尚無 法被使用作為實際條件下之自然通風研究。 大渦模擬（LES）則是在 1970 年初由 Deardorff 所開發作為氣象應用方面。其假 設紊流運動可以分為大渦以及小渦運動，分別加以計算：對於受到動量傳輸影響的大

23

渦運動，其解析由一組三維暫態的過濾方程式所控制；而受到黏滯力影響的小渦運動， 其計算則使用紊流傳遞之近似解，且各小渦各自由流場幾何邊界加以模擬（Chen,

1995）。因此，LES 法可準確計算出大渦運動的紊流傳遞，並可提供流場的頻率波譜以

及暫態流場。然而，LES 法在大型快速的工作站平台仍需較多的計算時間，直到今日， 國際上將 LES 法應用在室內流場解析的案例仍很少（Davidson and Nielsen, 1996; Zhang and Chen, 1999）。

RANS 法則是使用紊流傳輸模型（turbulence transport model）求解整體平均數 之 Navier-Stokes 方程式。RANS 法依其對渦流黏滯係數（eddy viscosity）之計算方 式，可分為紊流黏滯性（Turbulent viscosity）模型以及雷諾應力（Reynolds-stress） 模型，其其中 Standard k-ε模型（Launder and Spalding, 1974）最為廣泛被使用 的 Turbulent viscosity 數值模型。在對於不同 k-ε模型分別就不同通風行為的探

討，適切的紊流模型是目前工程上可行的工具（Chen, 1995）。值得注意的是，使用

RANS 法探討自然通風課題須考量精確度的問題，尤其在碰撞區域的氣流分布與紊流能 量，模擬結果與風洞實驗數據出現顯著差異（Murakami, 1993; Launder and Kato, 1993）。

肆、 自然通風的 CFD 數值模型

1974 年 Nelson 為第一位將 CFD 模型使用於建築物氣流流場與熱傳現象之預測 ， 其後有 Schwenkem 於 1975 年研究關於房間中水平對流進出狀態，Nielson 於 1976 年 利用 CFD 數值解析與熱傳原理研究空調房中氣流分佈狀態 ，Restivo 於 1979 年研究 空調房中之紊流模式預測氣流狀態等 ，此一時期的研究者多專注於各紊流模型之近似 推導。直到 1989 年村上周三先生從建築外部風環境運用 CFD 數值解析運算大樓風之研 究開始，建築室內外氣流場與熱傳現象 ，1992 年 Chen 分別就強制對流（Forced Convection）、自然對流（Natural Convection）、混和對流（Mixed Convection）與 置換式對流（Displacement Convection）方面，運用 CFD 預測室內狀態之可靠性分析 ， 藉由實驗與 CFD 數值解析方式進行分析，其結果確立 CFD 數值解析於建築室內流場與 熱傳現象預測之可信度。

24 隨著近十年計算機效能的大幅提昇，應用 CFD 計算流體動力學技術之數值模擬，可 運用在建築設計替選方案之評估上。將建築空間與時間中，呈現不穩定性(unsteady)、 不規則性(irregular)、消散性(dissipative)以及擴散性(diffusive)之紊流 （turbulent）特徵的三維流場，運算表現在顯示終端器上。可確保有效的建築通風， 在建築設計中正確反應配置、室內隔間以及開口位置尺寸之安排，以掌握有效的氣流 資訊，包括建築物周邊以及內部的流場模態以及風壓分布。

本研究主要以 CFD 之 RANS 法之紊流模型（turbulence models），應用既有套裝軟 體，作為建築室內流場之預測工具。本節主要就紊流模型的數值基礎、基本假設與操 作設定；以及本研究探討空間的幾何邊界條件，作一探討，建立一合理的數值解析程 序與條件設定，以作為建築通風設計之應用。

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第 四 節 國 際 綠 建 築 應 用 空 氣 模 擬 系 統 之 現 況

氣候變遷造成之人類生存環境條件惡化，因應永續發展之各項措施與規範也於近 幾年蓬勃滋長。眾多綠建築之設計中依賴之自然環境條件來達到對於使用者舒適度之 需求：無論是在能源與水資源系統、永續性交通設施等均需重構對於環境實踐與使用 者資訊交流責任。國際間有關永續或綠建築設計的高性能建的築物觀點，逐漸於國際 建築市場上被接納。對可透過各種評估工具以輔助設計者、使用者及決策者作最佳化 之規劃設計。探討永續或綠建築物評估工具之研究很多，從 1999 年 Crawley 和 Aho、 2001 年 Todd, J.A.，到 2002 年 Yokoo 與 Murakami(村上周三教授)在 SBTool 2012 永 續建築國際會議之發表論文等，其主要評估工具包括：英國建築研究機構推行

BREEAM 、國際會議 GBTool、美國綠建築協會 LEED 、日本 CASBEE 、國際標準組織 ISO/TS 21931-1 及台灣綠建築評估 EEWH。

圖 2-9 國際間綠建築分佈概況

自然通風可定義為經由通風口（ventilation surface），如門、窗等，由於室內

外壓力梯度所產生的室內外空氣交換（Sandia National Laboratory, 1982）。是故， 自然通風的主要功能在於藉由移除或稀釋室內污染物以提供可接受的空氣品質，以及 提供熱交換機制（CIBSE, 1997），此外，由於自然通風可減少能源消耗（Sherman and

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以往的研究中，採用了多種不同的研究方法，進行自然通風的探討，茲分述如下 參考 IEA (International Energy Agency)的 Annex 31 公告之”DIRECTORY OF TOOLS ” 和 美 國 國 家 研 究 室 彙 整 之 研 究 報 告 ” Sustainable Building Rating Systems Summary ”整理出目前國際間使用率較高之三種評估分別為：英國 BREEAM、美國 LEED、日本 CASBEE。本研究以 BIM 之自然通風為探討角度，分析國際三種評估工具之 案例驗證使用模擬軟體，以了解國際 BIM 通風通風模擬與檢證方法如下：

一、LEED (Leadership in Energy & Environmental Design)

美國綠建築委員會(USGBC)運用 CFD 氣流模擬系統分析美國 California 已取得 LEED 白金級認證案例-布蘭森高中的校園建築物(New student commons building & Fine arts center)，檢視是否符合 LEED 之室內空氣品質(IAQ)等評估項目或確定開口 部位置。案例 CFD 模擬驗證符合 ASHRAE55 和 62.1 標準，此結果不僅使布蘭森高中取 得 LEED 白金級認證，亦顯示出 CFD 在規劃設計階段扮演著重要角色。如圖 2-10。

圖 2-10 CFD Modeling for a LEED Platinum School.

二、BREEAM (BRE`s Environmental Assessment Method)

BREEAM-NL(Dutch version of Building Research Establishment&apos;s Environmental Assessment)在室內環境評估一項，強調“室內環境品質(IEQ)”。荷 蘭案例-Gezondheidsaspecten van gebouwen 試算 BREEAM 評估系統，並運用 PHOENICS 模擬空氣環境，藉以尋找建築物最佳開口部及提出空調耗能解決方式。如圖 2-11。

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圖 2-11 PHOENICS for sustainability in the built environment.

三、CASBEE（Comprehensive Assessment System for Building Environment Efficiency）

日本 CASBEE-NC,EN,UD 等多個評估版本採用 WindPerfectDX 或 PHOENICS 模擬軟 體檢證室內或戶外空氣環境樣態，檢視各案例自然通風、機械通風等技術應用之最佳 方案。如圖 2-12。

圖 2-12 CFD for Oshima area.

四、EEWH（台灣綠建築九大指標） 台灣綠建築示範教育基地－綠色 魔法學校的「灶窯通風」設計，即建築 草圖階段採 CFD 模擬與通風實驗做科學 性驗證，如圖 2-13，使之崇華廳室內空 間的風速維持在每秒 0.1~0.6 公尺的舒 適範圍，有如微風拂面的感覺。 圖 2-13 綠色魔法學校 CFD 灶窯通風模擬

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第三章 研究方法

第 一 節 台 灣 地 區 氣 候 環 境 特 徵

壹、亞熱帶地區的氣候特徵

「亞熱帶氣候」泛指介於環繞赤道（Equator）與溫寒帶兩者之間的氣候。於南、 北半球各有一亞熱帶氣候地區，粗略劃分包含了中國東南部、美國南部、南美洲中部、 非洲北部與南端、以及澳大利亞東部。 北半球亞洲地區的亞熱帶是介於北緯 15°～27°之間的地區，包含台灣、中國大陸 的福建、廣東、廣西、雲南、湖南以及江西等地，圖 3-1 為亞熱帶氣候區以及台灣地 理區位之示意圖。每處地區的實際氣候亦受到地理、山勢、海洋以及自然現象的影響 而有所變化。在氣候學理上按乾濕程度、季候風之影響，細分為三個子區域 ，各子區 域的氣候特點如表 3-1 所示。其地理區位分別為中國滇北、貴州、淮水上游流域以及 長江中下游流域的北亞熱帶；中國滇中、川鄂湘黔、四川盆地、長江上游河谷以及江 南地區的中亞熱帶；以及台灣、中國滇南、桂西、閩南與珠江區的南亞熱帶。其中， 台灣地區屬於「夏熱冬暖」的建築氣候區，建築物一般要充分滿足夏季的防熱、通風 與防雨，冬季則可不考慮防寒與保溫。 圖 3-1 全球亞熱帶氣候區以及台灣地理區位示意圖

30 表 3-1 北半球亞洲地區亞熱帶的氣候特點 氣候帶 ＞10℃之天數 (天) ＞10℃之集溫 (℃) 1 月份平均氣溫 (℃) 7 月份平均氣溫 (℃) 北亞熱帶 218～239 4500～5100 0～4 28～30 中亞熱帶 239～285 5100～6400 4～10 28～30 南亞熱帶 285～365 6400～8000 10～15 28～30

貳、台灣地區建築外部空氣環境現況

一、台灣氣候特徵概述 由於臺灣位於東亞沿岸，大陸及海洋的氣候型態都會影響到我們的氣候，冬季有 來自西伯利亞的大陸冷高壓，以東北季風為主，夏季則有來自太 平洋的海洋性高氣 壓，以西南季風為主。這樣的特殊型態，再加上中央山脈的地形影響，於是造成了臺 灣四季的不同及南北地區氣候的不一樣。 由於擁有特殊的地形及地理位置，因此臺灣 擁有豐富的天氣變化，以下就臺灣的溫度及雨量說明臺灣氣候變化。如圖 3-2 及圖 3-3。 圖 3-2 受太平洋高壓影響盛行西南風 圖 3-3 受西伯利亞的大陸冷高壓影響， 盛行東北季風 二、台灣地區自然氣候現況分析 在自然氣候部份，本研究交通部中央氣象公告之氣候(1971 年~2000 年），包括了 台灣各地 25 處局屬氣象站以及多個自動遙測站（含雨量站）、統計約有 473 處氣象測 候站（含自動遙測站）的地理位置分佈，如圖 3-4，，約有 11 項常用的氣象因子分別 為：累積雨量、平均氣溫、平均風速風向、測站氣壓、日照時數、濕度、陣風、水蒸 發量、雲狀、能見度、天空輻射量。

31 圖 3-4 中央氣象局氣後監測站分部 1. 雨量 在冬季時下雨的主要原因是受到東北季風的影響，在東北部的迎風面下雨的機會 最大。春季時主要的天氣系統是鋒面，而夏季時潮濕的西南氣流 常會引起豪大雨。另 一個重要的天氣就是大家所熟悉的颱風，颱風的影響會從夏天持續到秋季，到了秋季 時天氣又會逐漸開始受到東北季風的影響。 圖 3-5 逐月雨量氣候平均值之變化(1971~2000) 2.氣溫 臺灣位於亞熱帶地區，一年四季溫度適宜，其中最冷的月份是一月與二月份，南 部較接近熱帶氣候，日照充足，冬天及夏天的溫度變化比北部來得小， 也就是說北部 地區的最高氣溫與最低氣溫的相差比較大，南部地區一年四季氣溫的變化比較小。例 如以臺北及高雄而言，夏季平均溫度都有 28℃至 29℃，但冬天時臺北平均溫度只有 16℃左右，但高雄卻仍可高達 19℃至 20℃。

32 圖 3-6 逐月溫度氣候平均值之變化(1971~2000) 3.日照時數 以近年(1998 年至 2006 年)中央氣象局之氣象資料，全年累積日照時數以高雄 2270hr 最多，以鞍部 923hr 最少。下計 7、8 月日照時數高於冬季 12、1 月之日照時 數。月平均最高日照時數為彭佳嶼 274hr，最低為鞍部 36hr。 4.氣壓 各地月平均大氣壓力變動趨勢(1998 年至 2006 年)，以 7、8 夏季之大氣壓力最低， 高山區域大氣壓力低於平地，全年平均氣壓以阿里山 763hPa 最低，以台北、宜蘭 1020hPa 的冬季 12、1 月之大氣壓力最高。 5.風速風向 台灣的風主要受到季風控制，各地 12、1 月冬季多為強風季節，月平均風速以台 西 6.8m/s 最高，桃園農改場 6.6m/s 次之；全年年平均風速範圍 0.5m/s~5.0m/s 之內。 月平均風速以 5 月最低為 2.1 m/s；以 12 月最高為 3.0 m/s。其中澎湖全年平均風速 達 4.4 m/s 最高，恆春的 3.5 m/s 次之。各地冬季多為強風季節，其主要風向集中於 北風（17.4%）以及東北風（15.9%），而夏季季風之主要風向隨地形而異，以東風（8.1%）、 西風（7.4%）以及南風（5.9%）之頻率較高。 6.相對溼度 各地月均濕度在 70%以上，全年平均值以阿里山 92.4%濕度最高，，以恆春 67.9% 最低。濕度全年全區偏高，為高濕氣候型態。

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叁、高樓自然通風策略

參考建築物理（江哲銘，2010）台灣採用了「冷房度時」（Cooling Degree Hours） 和「年平均相對濕度」做為分區的指標，兼顧了全年室外寒暑和濕潤感覺之人體熱環 境舒適性因素，並參酌地形和氣候體驗，將台灣地區分成六大建築氣候區。 （１）Ⅰ－Ａ次熱高濕區：包括台灣北部地區之台北、新竹、桃園、宜蘭等。 （２）Ⅱ－Ａ炎熱高濕區：包括台灣西南部之台南、高雄、屏東等。 （３）Ⅱ－Ｂ炎熱次濕區：包括台灣西部之台中、彰化、雲林、嘉義等。 （４）Ⅲ－Ａ高熱高濕區，台灣西南平原即嘉義、台南、高雄、屏東等。。 （５）Ⅲ－Ｂ高熱次濕區，台灣西南部之台南、高雄、屏東等。 （６）Ⅳ－高山區。 圖 3-7 台灣地區建築氣候分區（資料來源：建築物理）

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肆、高樓自然通風策略

本研究報告書提出的台灣自然通風月份建議，乃根據中央氣象局統計資訊及 ASHRAE 55a-95 溫熱舒適範圍，及參考前其研究文獻「建築軀殼開口部自然通風效果 之研究」，進而評估出來的台灣外部氣候條件，已歸納出台灣地區具有通風潛力各地區 適合利用自然通風的分析，如圖 3-8。舒適性欄標示「●」表示該月份舒適；空氣質 欄正值（+）表示該月份優於平均水準，欄中數值表示標準差（σ）之級距。 圖 3-8 台灣地區外部環境可採用自然通風之月份分析

35 本研究依據中央氣象局 1981~2010 年台灣北、中、南、東四大氣候分區之都會區代表性測 象站，公告之溫度、氣壓、風速、濕度的各月平均值，如表 3-2、表 3-3、表 3-4 所示。以溫度 而言，平均溫度最高是高雄，平均溫度最低則出現在台北 1 月及 2 月、台中 1 月；七月及八月 個地區普遍較高溫。以風速而言，高雄及台北年平均風速較大，月平均風速最高出現在台北的 10 月至 12 月，台中的 4~5 月及 8~9 月則出現月平均風速最低。而濕度部份，台溫地區普遍屬 高濕狀態；月平均濕度最高是台北的 2 月，高雄的 6 月及 8 月，月平均濕度最低則出現在台東 12 月。 表 3-2 中央氣象局 1981~2010 年統計平均溫度 (單位：攝氏度) 月份 溫度 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一 月 十二 月 平均 台北 16.1 16.5 18.5 21.9 25.2 27.7 29.6 29.2 27.4 24.5 21.5 17.9 23 台中 16.6 17.3 19.6 23.1 26.0 27.6 28.6 28.3 27.4 25.2 21.9 18.1 23.3 高雄 19.3 20.3 22.6 25.4 27.5 28.5 29.2 28.7 28.1 26.7 24.0 20.6 25.1 台東 19.5 20.0 21.8 24.1 26.2 27.8 28.9 28.7 27.5 25.7 23.3 20.5 24.5 表 3-3 中央氣象局 1981~2010 年統計平均風速 (單位：公尺/秒) 月份 風速 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一 月 十二 月 平均 台北 2.8 2.7 2.6 2.7 2.6 2.2 2.2 2.4 2.9 3.4 3.3 3.0 2.7 台中 1.7 1.6 1.6 1.4 1.4 1.5 1.5 1.4 1.4 1.6 1.6 1.6 1.5 高雄 2.5 2.5 2.4 2.3 2.3 2.4 2.6 2.5 2.3 2.1 2.1 2.3 2.4 台東 1.9 1.9 1.8 1.7 1.6 1.7 1.7 1.7 1.8 2.0 2.1 2.0 1.8 表 3-4 中央氣象局 1981~2010 年統計平均濕度 (單位：百分比) 月份 溼度 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一 月 十二 月 平均 台北 78.5 80.6 79.5 77.8 76.6 77.3 73.0 74.1 75.8 75.3 75.4 75.4 76.6 台中 74.6 76.8 76.6 77.3 77.1 77.9 75.6 77.6 75.8 72.6 72.7 72.3 75.6 高雄 72.7 73.5 73.2 75.1 76.9 80.1 78.7 80.5 78.9 75.5 73.3 71.9 75.9 台東 71.4 73.1 73.7 75.2 76.7 77.7 75.8 76.0 76.5 72.5 70.8 69.3 74.1 註：月平均資料為 30 年平均值。每 10 年更新一次，更新時間為該年 1 月底前，例如：1981-2010 年月平均值資料，更新日期為 2011 年 1 月底前完成更新。

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第 二 節 台 灣 高 層 建 築 物 及 風 力 設 計 規 範

壹、 中央規範－高層建築物

一、建築技術規則 第二百二十七條 本章所稱高層建築物，係指高度在五十公尺或樓層在十六層以上之建 築物。 第二百二十八條 高層建築物之總樓地板面積與留設空地之比，不得大於左列各值： 一、商業區：三十。 二、住宅區及其他使用分區：十五。 第二百二十九條 高層建築物應自建築線及地界線依落物曲線距離退縮建築。但建築物 高度在五十公尺以下部分得免退縮。落物曲線距離為建築物各該部分至基地地面高度 平方根之二分之一。 第二百三十條 高層建築物之地下各層最大樓地板面積計算公式如下：

Ao≦（1＋Q）A／2 ； Ao：地下各層最大樓地板面積； A：建築基地面積 ； Q ： 該基地之最大建蔽率。 高層建築物因施工安全或停車設備等特殊需要，經預審認 定有增加地下各層樓地板面積必要者，得不受前項限制。 第二百三十二條 高層建築物應於基地內設置專用出入口緩衝空間，供人員出入、上下 車輛及裝卸貨物，緩衝空間寬度不得小於六公尺，長度不得小於十二公尺，其設有頂 蓋者，頂蓋淨高度不得小於三公尺。 第二百三十三條 高層建築物在二層以上，十六層或地板面高度在五十公尺以下之各樓 層，應設置緊急進口。但面臨道路或寬度四公尺以上之通路，且各層之外牆每十公尺 設有窗戶或其他開口者，不在此限。