建築物自然通風量計算評估手冊之研擬

自然

通風

量計算

評估

手冊

之研擬

期末

報告

內

政部

建築

研究所

協同

研究

報告

109

_年度

建築物自然通風量計算評估手冊

之研擬

（期末報告）

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 109 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）

10915B0011

建築物自然通風量計算評估手冊

之研擬

（期末報告）

研究主持人 ： 王榮進 協同主持人 ： 朱佳仁 研究員 ： 郭建源、張淇喻、林元智、林禹安 研究助理 ： 楊凱傑、江彥葶 研究期程 ： 中華民國 109 年 3 月至 109 年 12 月 研究經費 ： 新臺幣捌拾參萬壹仟參佰元

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 109 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）

目次

目次 ... V

圖次 ... IX

表次 ... XIII

摘要 ... XV

第一章 緒論 ... 1

第一節 前言 ... 1

第二節

研究動機 ... 5

第三節

文獻回顧 ... 7

第四節

計畫內容和方法 ... 16

第二章 通風模式 ... 19

第一節

大氣邊界層流 ... 19

第二節

台灣六都的風場 ... 20

第三節

單區間通風模式 ... 26

第四節

不同風向之貫流通風 ... 31

第五節

多區塊貫流通風模式 ... 34

第六節

多區塊多開口模式 ... 36

第七節

通風量計算步驟 ... 38

第三章 自然通風潛勢 ... 45

第一節

建築物的熱平衡 ... 45

第二節

自然通風之節能效率 ... 50

第三節

自然通風節能效率 ... 55

第四章 自然通風計算示範案例 ... 58

第一節

室內無隔間貫流通風 ... 58

第二節

不同風向之風壓通風示範例 ... 64

第三節

單側雙開口之示範例 ... 68

第四節

三側三開口風壓通風示範例 ... 69

第五節

廠房之貫流通風示範例 ... 73

第六節

住宅之風壓通風示範例 ... 75

第七節

浮力通風示範案例 ... 82

第八節

辦公空間之風壓通風示範例 ... 85

第九節

中小學教室之風壓通風示範例 ... 88

第十節

宿舍風壓通風示範例 ... 89

第五章 結論與建議 ... 93

第一節

結論 ... 93

第二節

建議 ... 95

附錄一 期初審查意見表 ... 97

附錄二 第一次專家座談會審查意見表 ... 101

附錄三 期中審查意見表 ... 107

附錄四 第二次專家座談會審查意見表 ... 113

附錄五 期末審查意見表 ... 117

附錄六 自然通風量計算評估手冊(初稿) ... 121

參考文獻 ... 216

圖次

圖 1- 1 自然通風和機械通風之示意圖 ... 3

圖 1-2 各類建築物耗能設備平均用電量之比例 ... 4

圖 1-3 建築物自然通風量之應用 ... 6

圖 1-4 研究流程圖 ... 7

圖 2-1 不同地況之平均風速剖面 ... 19

圖 2-2 台北市全年的風花圖(2000-2008) ... 22

圖 2-3 新北市全年的風花圖(2000 - 2008) ... 22

圖 2-4 桃園市全年的風花圖(2018) ... 23

圖 2-5 台中市全年的風花圖(2000-2008) ... 23

圖 2-6 台南市全年的風花圖(2000-2008) ... 24

圖 2-7 高雄市全年的風花圖(2000-2008) ... 24

圖 2-8 台北各區全年的風花圖(2000-2008)... 25

圖 2-9 台北氣象站各季的風花圖(2000-2008)... 25

圖 2-10 單區間雙開口貫流通風之示意圖 ... 28

圖 2-11 單區間雙開口貫流通風之示意圖 ... 29

圖 2-12 單區間多開口建築物之示意圖 ... 30

圖 2-13 不同風向角之風壓通風量 ... 31

圖 2-14 有室內隔間之建築物貫流通風之示意圖 ... 32

圖 2-15

雙側雙開口及單側單開口的剪力通風量 ... 33

圖 2-16

有室內隔間雙開口建築物通風之示意圖 ... 33

圖 2-17

室內隔間對雙開口建築物通風量之影響 ... 34

圖 2-18

有室內隔間之建築物貫流通風之示意圖 ... 35

圖 2-19

建築物有室內隔間風壓通風之示意圖... 38

圖 2-20

建築物外推式陽台對落地窗風壓通風影響之示意圖 .. 40

圖 2-21

建築物外推式陽台中心平面上的風速向量圖 ... 40

圖 2-22

相鄰建築物影響下風建築物風壓通風之示意圖 ... 41

圖 2-23

相鄰建築物遮蔽效應之折減係數 ... 42

圖 2-24

建築物自然通風計算之流程圖 ... 44

圖 3-

1 案例 1 和案例 2 的室內降溫效果比較圖 ... 47

圖 3-2

案例 2 和案例 3 的室內降溫效果比較圖 ... 47

圖 3-3 臨窗通風面積與對流通風面積之示意圖 ... 52

圖 3-4

對流通風路徑的轉角角度之和必須小於 90 之示意圖 .. 53

圖 3-5

建築物常見之內部隔間平面圖 ... 54

圖 4-1 對側開口貫流通風之示意圖 ... 59

圖 4-2

外推窗與牆面夾角之示意圖 ... 61

圖 4-3

建築物縱深對貫流通風之影響 ... 62

圖 4-4

貫流通風量隨建築物縱深之變化圖... 63

圖 4-

5 不同風向下建築物風壓通風之示意圖 ... 65

圖 4-6

建築物的開口與風向的夾角之示意圖... 66

圖 4-7

風向平行於建築物開口之風壓通風... 67

圖 4-8 單側雙開口建築物之風壓通風 ... 69

圖 4-9 三側三開口建築物(

A

)室內隔間及開口位置之示意圖；(

B

)

CFD 模擬之室內外風速向量圖 ... 71

圖 4-10

三側三開口建築物之風壓通風量 ... 72

圖 4-11

單區間多開口廠房風壓通風之示意圖... 73

圖 4-12 住宅室內隔間之示意圖 ... 76

圖 4-13 住宅案例 9-1 之風壓通風量和風速向量圖 ... 77

圖 4-14 住宅之風壓通風(

A

)案例 9-1;

(

B

)案例 9-2;

(

C

)案例 9-3;

(

D

)案例 9-4 ... 79

圖 4-15

透天式建築浮力通風之示意圖 ... 84

圖 4-16

辦公空間平面圖 ... 85

圖 4-17

辦公空間各區的通風量(

A

)風向由北向南；(

B

)風向由西

向東 ... 87

圖 4-18 中小學教室風壓通風之示意圖 ... 89

圖 4-19

宿舍風壓通風之示意圖(

A

)風向正對開口；(

B

)風向平行

於開口 ... 90

圖 4-20

(

A

)自然通風量 Q 與 VP 之關係；(

B

)換氣率 ACH 與 VP 之

關係 ... 91

XIII

表次

表

1-1

各種建築空間單位樓地板面積最小通風量 ... 2

表 2-1

不同地況的邊界層高度與指數 ... 20

表 2-2

台灣六都的平均風速與盛行風向 ... 21

表 2-3

紗網窗、百葉窗、外推窗之流量係數 ... 26

表 2-4

紗網窗、百葉窗、外推窗之折減係數 ... 39

表 3-

1 自然通風降溫案例之參數 ... 46

表 4-1 不同樓層之貫流通風量 ... 60

表 4-2

不同開口裝置之貫流通風量 ... 60

表 4-3

不同長度建築物的貫流通風量 ... 63

表 4-4

不同風向角之雙側雙開口通風量 ... 65

表 4-5

風向平行於建築物開口之通風量 ... 66

表 4-6

不同風向下單側雙開口室內無隔間之通風量 ... 67

表 4-7 單側雙開口室內有隔間不同風向之風壓通風量 ... 68

表 4-8

案例 6 的風壓通風量 ... 72

表 4-9

廠房之風壓通風量 ... 74

表 4-10

案例 9-1 各房間的通風量(貫流通風) ... 79

表 4-11

案例 9-2 各房間的通風量(風切通風) ... 80

表 4-12

案例 9-3 各房間的通風量(單側通風) ... 80

XIV

表 4-13

案例 9-4 各房間的通風量(折減效應) ... 81

表 4-14

案例 10 的重要參數及通風量 ... 83

表 4-15 辦公室案例各區間的通風量 ... 86

XV

摘要

關鍵詞：建築物通風、自然通風、通風量模式、建築節能、設計手冊 一、研究緣起 建築物的通風目的在於提供居住者所需的新鮮空氣、降低室內溫度與污染物濃 度，達到舒適的室內環境。台灣夏季濕熱的氣候狀況，使得許多建築物不分日夜地使 用冷氣空調來維持建築物室內環境的舒適性，而耗損大量的電力，使得夏季的用電需 求決定全台灣發電設施的裝置容量。若能有效地利用自然通風協助或維持室內空氣品 質和居住環境，將可達到建築節能之目的。本此外，希望能透過此自然通風手冊，讓 建築物使用者瞭解自然通風的原理與操作方式，自行開關建築物的門窗，有效地利用 自然通風，達到建築節能的目的。 二、研究方法及過程 計畫整理建築物自然通風的相關研究和計算模式，發展一個適用於台灣氣候條 件和建築特性的自然通風計算模式，並藉由不同的建築案例有系統地說明室外風速、 風向、開口面積、位置及阻礙通風之因素對建築物自然通風的影響，編寫一本自然通 風設計計算手冊。祈期國內建築師能可使用此模式來計算一般建築物的自然通風量， 並設計出可以利用台灣氣候條件，舒適又節能的建築物。 三、重要發現 研究成果並發現綠建築評估手冊中的建築物自然通風潛力VP只計算建築物的開 窗面積，並未考慮室外風速、風向、室內隔間對自然通風量的影響，因此計算得之VP 值無法真實反映建築物的自然通風狀況。 四、主要建議事項 建議一： 利用公家機關的建築用電資料研究建築物的自然通風潛力及節能效果：立即可行建議 主辦機關：社團法人中華民國風工程學會、內政部建築研究所 協辦機關：交通部中央氣象局、北投公立圖書館 收集新店區內政部建築研究所、北投公立圖書館一整年的建築平面圖、用電量、 室內外氣溫、冷氣使用時間及使用自然通風的時段等資料等，利用綠建築評估手冊 (2019)所建議之公式計算各棟建築物的自然通風潛力 VP 與空調節能效果 Vac，和實

XVI 際觀測值比較，以了解 VP 與 Vac 值的正確性。再使用建築能源模擬模式 EnergyPlus、 eQuest 等軟體研究採用自然通風的運作模式和節能效果。探討如何落實自然通風於 國內的辦公大樓與各級學校，並將其成果提供建築師、冷凍空調技師、政府機關、各 級學校、商辦大樓之參考。 建議二： 修訂建築物自然通風潛力之評估方式：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：中華民國全國建築師公會、社團法人中華民國風工程學會 內政部建築研所 2019 年出版的「綠建築評估手冊 基本型」的附錄三「建築物 採光通風效益與空調節能率評估原則」與內政部營建署於民國 108 年 12 月頒佈之「建 築物節約能源設計技術規範」的附錄三「建築物自然通風空調節能評估」有建築物自 然通風潛力 VP 及空調節能效益 Vac 之計算式，但沒有計算自然通風量之方法。且計 算自然通風潛力 VP 之公式需要單側窗與對流窗之面積，但單側窗與對流窗的定義不 夠清楚，易產生爭議。建議未來修訂「綠建築評估手冊」與「建築物節約能源設計技 術規範」時，可加上建築物自然通風量之計算方法。

XVII

基本名詞定義

開口：建築物外牆及內部可以讓空氣自由流動的開孔或縫隙，譬如門、窗和抽風機 的通風口等，本手冊僅計算開口斷面積大於 0.1 m2_的開口。 開口面積：實際氣流可以通過的斷面面積。譬如橫拉窗的開口面積需要扣除玻璃遮 蔽之面積，因此橫拉窗的最大開口面積為窗戶總面積的50%。 開口率：建築物外牆上總開口面積與外牆面積之比率。完全密閉之建築物，開口率 為 0；無牆的涼亭的開口率為 1.0。 對流開口：建築物外牆及內牆上的門及窗，氣流可由一個開口自由地流經另一個開 口而流出該區塊。同一戶住宅內部的各房間的門或窗可視為對流開口，譬如廚房連 通到居室及陽台之門窗為對流開口。經常關閉之門扉與自動門不屬於對流開口，如 由私人空間(如住宅內部)到公共空間(如樓梯間)之間的門便不屬於對流開口。 單側開口：建築物內部的區塊只有一個對內的開口或只有一個在外牆上的開口，空 氣在該開口有進有出，可將一段時間之後的平均換氣率做為其通風量。 室外風速：在建築物外部不受其他建築物干擾之風速，靠近地表之風速會隨高度而 變，故計算風壓通風時必須換算開口高度處之室外風速，常用單位為[m/s]。 外牆風壓：室外風速施予建築物外牆上的時間平均風壓力，與風速、風向、建築物 外形有密切的關係，與建築物構造(磚造、混凝土、木構造)無關。公制常用單位為[N/m2 ] 或[kgf/m2 ]。 室內氣壓：當建築物外牆有開口且建築物外部受到風力作用時，會造成室內空氣壓 力偏離室外的大氣壓力。當室外風速為零時，室內氣壓等於室外的大氣壓力(亦即相 對壓力為零)。 流量係數：計算氣流通過開口通風量之無因次係數，其值介於 0 ~ 1.0，與開口是否 有裝設紗窗、百葉窗、外推窗有關，與風速、風向、開口面積無關。 風壓係數：外牆風壓除以空氣密度和室外風速平方得之無因次風壓，可由風洞之建 築模型實驗量測得。一般而言，建築物迎風面外牆的風壓係數為正值(高於大氣壓力)； 背風面外牆為負值(低於大氣壓力)。譬如，矩形建築物迎風面的風壓係數介於 0.5~0.9； 背風面外牆風壓係數介於-0.60 ~ -0.10，隨建築物高度、寬度而變。 有效開口面積 A*_{：貫流通風發生時，由迎風面、背風面開口面積、流量係數合起來} 計算得之有實質效益的通風面積。

XVIII 盛行風向：又稱為「常時風向」，在建築基地發生機率最大的風向，以正北為零。 風向角：又稱為「風攻角」，室外風向與建築物迎風面外牆上開口之間的角度。當風 向垂直於外牆開口時，風向為零；當風向平行於開口時，風向為 90。 風壓通風：又稱為「風力通風」，利用自然風力作用在建築上所造成的風壓差異，推 動氣流流動而產生室內外空氣之交換。 風切通風：當室外風向平行於開口，在開口處的風切紊流造成的室內外空氣交換。 貫流通風：當建築物迎風面和背風面(或側面)皆有通風開口，兩開口的壓力差異推動 空氣由迎風面的開口流入，由背風面的開口流出所形成之通風。 單側通風：建築物僅在同一側的牆面上有開口，室內外的壓力差異或風切紊流所造成 的通風。 浮力通風：當一棟建築物內部有垂向的溫度差異，且在外牆高處和低處皆有開口，則 室內的熱空氣會由高處的開口流出，而室外的冷空氣會由低處開口流入補充，利用空 氣的熱浮力地將熱空氣排出，並促使室內外的空氣上下對流。 通風量Q：單位時間之內流經單一開口的空氣體積流量，常用單位為每秒立方公尺 [m3/s]。 總通風量ΣQ：建築物之內某個區塊(房間)之內，經由不同開口，所有流入此區塊的 空氣流量(不計流出)。譬如一個房間有四個開口，兩個開口在迎風面，一個在側面， 另一個在背風面，則總通風量為流經迎風面兩個開口風量之總和。 小時換氣率(ACH)：一小時之內，室內空氣被置換的次數。其計算公式為流經該區 塊的總通風量除以該區塊內部的體積，單位為每小時[1/hr]。 平均換氣率：一棟建築物之內，各區塊之內小時換氣率之算數平均值。 滲隙風：由門縫、窗戶縫隙流入或流出建築物的通風量，在一般的大氣狀況下，流經 門縫、窗縫的通風量遠小於門窗全開之通風量，本手冊不計算其通風效果。 機械通風：又稱為「強制通風」，利用風扇、抽風機或送風機促使空氣交換和流動， 譬如冷氣。一般家庭廚房的抽油煙機及廁所的抽風機，屬於局部機械通風，對建築 物整體的自然通風影響很小，本研究忽略不計。

1

第一章 緒論

第一節 前言

建築通風主要的目的是提供建築物使用者所需的新鮮空氣、調節室內氣溫與排除 室內空氣中的汙染物或濕氣，達到健康和舒適的室內環境。台灣夏季濕熱的氣候狀況， 使得許多建築物不分日夜地使用冷氣空調，僅為維持室內氣溫在一個舒適的狀態，但 需要耗費大量的電力。台灣的春、秋、冬三季的氣候狀況，則適用自然通風，打開建 築物外牆上的門窗，即可達到建築物所需的換氣需求。表 1 為台灣內政部營建署 108 年頒訂之「建築技術規則建築設備編」第二節機械通風系統所訂定之各種用途建築空 間設置機械通風設備的最小通風量規定。以一般住宅的起居室、臥室、私人辦公室為 例，單位樓地板面積最小通風 8.0 m3 /hr，藉由自然界的風力驅動，很容易就達到此通 風量。亦即一般住宅的起居室、臥房，除了氣候炎熱需要使用冷氣降溫，平時使用自 然通風便有足夠的換氣率，不需要使用機械通風。其他用途之建築空間則視其用途、 樓地板面積大小、是否有對外開口、開口面積等因素而定。因為使用的目的不同，有 不同的通風需求。因此建築師必須依據建築物的使用特性、當地的氣候、風速、風向 條件，來設計建築物的自然通風量和機械通風量，讓住戶依氣候狀況選擇使用。 許多國家皆針對不同的建築物用途訂定通風量的標準，譬如美國環保署(US EPA) 室內空氣品質規範(Building Air Quality, 1998)建議若不使用機械通風的狀況下，住宅 之最低的小時換氣率(Air change per hour, ACH)須維持在 0.35 hr-1_{以上。小時換氣率} (ACH)的定義為：

Q

ACH =

V

(1-1) 式中 為室內空間的體積，Q為流入室內的空氣流量，因次為[L3 /T]。換氣率ACH的 單位為[1/hour]。換氣率代表單位時間內換置相當室內體積空氣量之次數。換氣率愈 大，表示室內空氣更新的頻率愈高，空氣愈容易流通，汙染物愈不易在室內蓄積。加 拿大建築規範(Canadian Standards Association, CAN/CSA-F326, 1995)關於住宅通風系 統的部分建議住宅的客廳、餐廳通風量必須達到5 liter/sec，主臥室的通風量10 liter/sec，小時換氣率ACH必須維持0.3 hr-1以上。日本工業標準(JIS, 2003)建議：住宅 換氣率必須達到0.5 hr-1_{，非住宅換氣率必須達到0.3}

hr-1。

2 表 1-1 各種建築空間單位樓地板面積最小通風量 房間用途 通風量 (m3/hr/m2) 起居室、臥室、私人辦公室 8 大型辦公室、會客室 10 工友室、警衛室、收發室、詢問室 12 會議廳、候車室、候診室等容納人數較多者 15 展覽陳列室、理髮美容院 12 百貨商場、舞蹈、棋室、球戲等康樂活動室、灰塵較 少之工作室、印刷工場、打包工場 15 吸煙室、學校 20 營業用餐廳、咖啡廳、酒吧 25 戲院、電影院、演藝場、集會堂之觀眾席 75 營業用廚房 60 非營業用廚房 35 衣帽間、更衣室、盥洗室、樓地板面積大於15 m2 發電或配電室 10 茶水間 15 住宅內的浴室、廁所 20 公共浴室、廁所及可能散發有害氣體之工廠 30 汽車庫 25 資料來源：內政部營建署建築技術規則建築設備編

建築物可採用自然通風(Natural ventilation)與機械通風(Mechanical ventilation)的 方式來達到其換氣的需求。自然通風是藉由自然界風力(如圖1-1所示)或室內外的溫度 差異驅使空氣流動，可節約能源，但未必能達到足夠或可降低室內氣溫的通風量。機 械通風又稱為強制通風，是利用風扇、抽風機或送風機促使空氣交換和流動，可控制 通風量，但耗費能源。台灣的許多建築物在夏季，大多使用冷氣空調來維持室內環境

3 的 舒 適 性 ， 但 亦 會 耗 費 大 量 的 電 力 。 因 此 若 能 有 效 地 利 用 自 然 通 風 (Natural ventilation)，減少冷氣空調的使用，將可達到節能減碳之目的。 圖 1- 1 自然通風和機械通風之示意圖 資料來源：本研究團隊繪製 台灣一直是能源短缺的國家，依據103年全國能源會議之報告，台灣目前有98% 的能源需仰賴進口，而其中各類建築物每年所消耗之能源，約佔全國能源比例23%。 根據台灣電力公司的資料顯示：台灣夏季用電約為冬季用電的1.4倍，主要就是因為 夏季大量使用冷氣空調的緣故。而台電公司發電設備中約有30%的裝置容量是為應付 夏季冷氣空調的用電需求。若建築耗能可以藉由自然通風而大幅地下降，將可對都市 氣候、社會經濟、國家資源、氣候的變遷、環境的永續發展有深遠的影響。 然而早期興建之建築物當時並無節能法規，故普遍存在耗能及不符生態環境之問題。 黃國倉(2006)的研究指出：國內一般辦公大樓空調耗電佔建築能耗比率約為 45%，長 自然通風 機械通風

4 期累積所耗費的能源十分可觀。圖 1-2 為辦公大樓與百貨公司建築耗能設備平均用電 量之比例，空調耗電佔建築能耗比率超過 50%。英國建築研究機構(British Research Establishment, BRE)的研究結果顯示：採用自然通風和採用空調的辦公大樓相比，每 年節省的冷卻耗能為 14 ~ 41 kWh/m2_{。以一棟 10 層樓辦公大樓為例，若每個層樓地} 板面積 1000 m2_{，若每天開空調的時間 8.0 hr，一年便可減少用電 2.8~8.2 億度電。因} 此建築師應該先計算該建築物的自然通風，當換氣率不足或室內氣溫可能不舒適時， 才採用機械通風。 圖 1-2 各類建築物耗能設備平均用電量之比例 資料來源：非生產性質行業能源查核年報(2019) 自然通風可依照其驅動力分為風壓通風和浮力通風兩種方式。以下分述之： 空調系統 51% 其他設備 21% 照明與插座 17% 電梯設備 7% 通風換氣 4% 空調系統 49% 其他設備 19% 照明與插座 20% 電梯設備 6% 通風換氣 6%

5 (1)風壓通風：利用自然風力作用在建築上所造成的風壓差異，推動氣流流動而產生室 內外空氣之交換。當建築物迎風面和背風面皆有通風開口(門窗)，則迎風面的開口 為進風口，而背風面的開口為出風口，形成貫流通風(Cross ventilation)，其通風效 果最佳。若僅迎風面有開口或僅背風面有開口的單側通風(One-side ventilation)，亦 可造成自然通風，但通風效果較差(Chu et al., 2011)。當室外風速超過 1.5 m/s 時， 風力即可促成自然之換氣(江哲銘, 1997)。 (2)熱浮力通風：當一棟建築物高處、低處皆有對外的開口，且室內外有溫度差異，則 室內的熱空氣會由高處的開口流出，而室外的冷空氣會由低處開口流入補充，利用 熱浮力自然地將熱空氣排出室內，並促使室內外的空氣交換。 自然通風乃是利用自然界的風力和溫度差異驅使建築物內外空氣的流動和交 換，若可達到足夠的換氣量和室內環境的舒適性，便不需使用耗費能源的通風機械。 但自然通風受到許多因素的影響，譬如建築物外的風速、風向、室內外溫度的差異， 建築物的幾何外型、門窗開口的面積大小、位置和室內隔間等因素的影響。因此建築 師在評估建築物的自然通風狀況，需要考量的因素較多。國內的建築物理環境之類的 書籍大多以定性地描述自然通風的優點(林憲德 1996; 陳海曙 2011)，並沒有完整地 介紹自然通風量的計算方法。本手冊希望能推廣自然通風，讓國內建築師用簡易的方 法來計算台灣常見建築物的自然通風量，亦可讓建築物使用者瞭解自然通風的原理與 操作方式，自行開關建築物的門窗，有效地利用自然通風，達到建築節能的目的。

第二節 研究動機

台灣建築物理環境的書籍以及大專院校建築系所在教建築物通風時，大多以定性 描述的方式解釋自然通風的重要性，並未說明自然通風量的計算方式。因此，台灣的 建築師在擬定建築物通風計畫時，大多不會針對該建築物計算其自然通風量，遑論使 用計算流體動力學(CFD)數值模式或風洞實驗研究建築物自然通風的最佳策略。針對 大型的公共建築物，建築師大多依賴冷凍空調師計算機械通風量，但採用機械通風往 往會過度設計，而耗費大量電力。

6 圖 1-3 建築物自然通風量之應用 資料來源：本研究團隊繪製整理 內政部建築研所2015年版的「綠建築評估手冊 - 基本型」的附錄三「建築物採 光通風效益與通風空調節能評估規範」有說明自然通風對建築物空調節能效益之計算 公式，其內容依據李怡萱 (2014)所建議之自然通風潛力VP的經驗式，但並未提出建 築物自然通風量之計算方式。內政部營建署於民國108年12月頒佈之「建築物節約能 源設計技術規範」的附錄三「建築物自然通風空調節能評估」以及2019年版的「綠建 築評估手冊 - 基本型」修改自然通風潛力VP的計算公式，亦未說明建築物的自然通 風量的計算方法，本手冊將補足此缺憾。 圖 1-3 顯示建築物自然通風量之應用，若可針對某一棟建築物，依據當地的平均 風速、盛行風向、建築物座向與開口面積預測最可能發生的自然通風量，再利用此自 然通風量預估建築物換氣率、室內溫度及汙染物濃度之預測。若自然通風已達最大的 通風量，室內氣溫依然過高，達到不舒適的狀況，則住戶會開啟冷氣空調，可由使用 冷氣的時間估算所耗的電力。若藉由自然通風，室內氣溫可維持在舒適的狀況，便可 計算所節約的空調電力。若不知自然通風量，估算之節能效率便失之準確。 本研究擬利用風壓通風與浮力通風的理論與流體質量守恆原理，建構一個計算多 區間建築物(Multi-zone)的自然通風與換氣率的物理模式，利用 CFD 模式來驗證物理 模式之預測值。然後便可以輸入建築物的外型、開口設計參數、當地的盛行風向、平 均風速、溫濕度等氣象資料，便可計算多區間建築的自然通風量或換氣率。並整理自 然通風的相關理論，編寫一本的建築物自然通風設計手冊，藉由實際建築物案例來介

7 紹自然通風量的計算方式，讓建築師和一般民眾了解自然通風量的原理，有效利用台 灣氣候條件的優勢，避開其缺點，設計出可利用自然通風之建築物，減少建築物的耗 能。並讓建築物使用者瞭解自然通風的操作方式與時機，住戶可依據室內外的氣候狀 況，自行開關建築物的門窗，善用自然通風使得室內環境達到舒適又節能的狀態。 本計畫依據自然通風量的原理，有效利用台灣氣候條件的優勢，避開其缺點，設 計出可利用自然通風之建築物，減少建築物的耗能。並讓建築物使用者瞭解自然通風 的操作方式與時機，住戶可依據室內外的氣候狀況，計畫執行步驟如圖 1-4 所示。 圖 1-4 研究流程圖 資料來源：本研究團隊繪製整理

第三節 文獻回顧

在無空調時代，自然通風廣為所傳統建築所採用，譬如乾燥氣候的中東地區， 建築物會使用通風塔來加速室外空氣流入室內，降低室內氣溫；濕熱的東南亞地區的 傳統建築則採用干欄式建築，有良好的自然通風及遮陰效果。自1970年代石油危機， 歐美國家鑑於能源的短缺，開始研究自然通風來降低建築物的耗能。但歐美等國多半 位於溫帶和寒帶，他們的研究大多針對如何減少冬季暖氣的耗能。台灣的傳統建築承 通風模式 預測通風量 風場條件 建築設計 計算室內氣溫、舒適度 驗證模式 No Yes 修正 編寫自然通風設計手冊

8 襲廣東、閩南的騎樓式建築，可遮雨及遮陰。而現代的騎樓式店面建築門口大多採用 鐵捲門方便開關，再以一個長廊連通前廳與後方的房間，此類建築不利於採光和自然 通風，實有檢討之必要性。 因為自然通風是藉由風力或室內外的溫度差異驅使空氣流動，其缺點為通風量 不穩定，且未必能達到足夠的通風量，因此自然通風需要深入地研究其降溫效率與適 用性。而研究建築物通風和室內外風場的方法包括有：(1)實場監測；(2)區塊模式；(3) 計算流體動力學模式；(4)風洞實驗；(5)經驗公式。各有其優缺點(Awbi, 2003; Chen, 2009; Etheridge, 2011)，以下分述之： (1) 實場監測(Field observation)： 實場監測乃是在一棟真實建築物內部、外部裝設量測風速、溫度、溼度的儀器， 在一段時間之內監測其變化，並訪問建築物使用者的感受，以瞭解建築物通風的效 果。這是瞭解建築物通風最直接的方式，且實場量測得之數據資料往往最具說服力。 但缺點是實際的室外風速、風向、溫度與時俱變，而會影響風建築物通風的因素又太 多，不易由監測數據深入瞭解通風現象背後的機制，且某一棟建築物的監測數據無法 應用於其他建築物之設計。除此之外，實場量測所需的人力、經費和時間較多。且建 築物未興建之前，無法進行監測，故較少建築物採用此法研究其自然通風的狀況。國 內的研究如呂博弘等(2006)在實際建築物研究陽台裝設瓦斯熱水器所造成的一氧化碳 累積，結果發現在體積約14 m3_{的全密閉的陽台空間中，一氧化碳濃度值可在15分鐘} 達到1500 ppm，此濃度會造成人員昏迷或死亡的情形。Gao et al. (2009)利用示蹤氣體 (Tracer gas)濃度法量測一棟單側開口的實體建築物的換氣率，並將結果與CFD模擬結 果比較。Tung et al. (2010)利用示蹤劑法研究在機械通風的狀況下，去除廁所內臭味 的最佳進風口、出風口之位置。

(2) 風洞實驗(Wind Tunnel Experiment)：

製作某一棟建築物和周遭相鄰建築物的縮尺模型放置於風洞內，研究該建築物 在不同室外風速、風向下的風場與通風量。其優點為可以控制風速、風向、開口面積 等，採用有系統地探討該建築物的通風現象。且實驗數據較可靠，可以驗證物理模式 或計算流體動力學(CFD)模式之預測結果。但缺點為儀器設備較昂貴，只有大學或研 究機構才有大型的風洞設備可以進行建築物模型實驗。建築業者為節省經費，往往部 會採用此方法。

9 (3) 多區間模式(Zone model)： 多區間模式又稱為網路模式(Network model)，將建築物內部空間依其隔間分為 數個區塊(Zone)，將單一區塊當成一個完全混合(Fully mixed)的控制容積。依據質量 守恆定律，在區塊內空氣質量、物質濃度的變化必定是因為該物質流入(或流出)區塊 或是因為該物質發生反應所造成的。因此計算在一段時間 之內，流入和流出區塊 的物質總量便可得區塊內物質的平均濃度和溫度，譬如CONTAM、COMIS、NatVent、 BREEZE等模式(Feustel, 1999; Dascalaki et al., 1999; Ren and Stewart, 2003)。其優點為 計算簡單，可計算區塊內穩態下的通風量和濃度。但缺點為無法得知各個區塊內風 速、溫度及濃度場的分佈及隨時間的暫態變化。

朱佳仁 等(2011)發展了一個適用於台灣氣候條件的多區間自然通風計算模式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，模式結合了台灣中央氣象局26個氣象觀 測站1961~2008年的氣象資料(平均風速、盛行風向、氣溫、濕度)可計算建築物的風 壓通風量和換氣率。通風模式所需之建築物表面風壓則利用內政部建築研究所的風洞 實驗室及多頻道壓力掃瞄計量測得之，再使用二維的立方弧線法(Cubic Spline)內插求 得 建 築 物 表 面 任 意 一 點 的 壓 力 。 此 外 TAIVENT 模 式 利 用 牛 頓 - 拉 福 森 (Newton-Raphson)法求取各個房間的室內壓力及各開口的通風量，研究結果顯示若建 築物表面的風壓係數為已知，可以利用TAIVENT模式計算多區間(Multi-zone)建築物 的風壓通風量。但此模式的缺點是當室外風壓差異很小時，通風量亦小，模式迭代過 程不易收斂求得通風量。本研究便是簡化多區間通風模式，並結合經驗模式來計算室 外風壓差異很小之自然通風量。 (4) 計算流體動力學模式：

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)模式將室內、外空間格網 化，依據連續方程式、那維爾–史托克(Navier-Stokes eqn.)方程式和擴散方程式 (Diffusion eqn.)，採用數值方法計算流場控制方程式的數值解，配合上適當的邊界和 初始條件，求得計算域之內各個格網點上的風速、壓力、溫度和濃度，此法又稱為全 域模式(Field model)。其優點為可以計算出流場的細部變化，但缺點為計算量大，模 式參數眾多。若計算模式的設定參數、網格、收斂標準不正確，可能會得到似是而非 的計算結果，因此必須與相同流況之實驗數據比對以驗證其正確性(Awbi; 2003; Chen, 2009)。 (5) 經驗公式： t ∆

10 由現地監測或實驗室之實驗數據歸納、迴歸分析而得之經驗公式。優點是簡單好 用，缺點是學理依據不足，僅適用於與原實驗建築相同之建築物，未必適用於計算不 同建築物或不同風向、風速狀況下的結果，正確性較低。譬如李怡萱 (2014)使用CFD 模式計算住宅式建築物七種不同室內隔間的風壓通風，分析其通風路徑和面積，區分 臨窗通風面積和對流通風面積，提出計算自然通風潛力VP的經驗計算式，但此VP的 經驗式並未適用於不同風向或其他類型建築物，如辦公室、教室、宿舍等建築物的自 然通風狀況。 近20年來，國內外有許多研究論文採用以上方法探討建築物的自然通風，大多針 對某一特定特殊的通風問題、或流場機制進行深入的研究，做學術上的探討。這些論 文皆未全面性的介紹自然通風，以下回顧國內外建築物通風的研究文獻：

Dascalaki et al. (1999)比較實場監測與多區間模式COMIS預測之單側通風與貫流 通風的通風量，此研究提出了在室內隔間的門窗所使用的流量係數為0.65，當室外風 場為均勻流時，室內風壓會隨風速上升而遞增，且通風量維持定值，對於單側通風而 言，在低風速的情況下COMIS模式預測結果會比在高風速的情況下好，此外，當室內 隔間開口很大的時候，COMIS模式預測與實場監測的結果非常相似。 周伯丞 (2000)針對台灣地區的氣候環境，運用計算流體動力學(CFD)的紊流模 式，配合全尺寸建築的實測數據，研究室內風場及換氣量。其研究結果顯示：台灣地 區的春、秋季適合自然通風，可利用門窗之間的風壓差異，形成貫流通風，維持室內 舒適性。而風壓通風之效果隨著室外風速增大而漸增。在冬季過冷時期，在夜間睡眠 時段宜緊閉門窗以保溫，不利自然通風。且標準k -ε紊流模式與低雷諾數k - ε模式均 可用來模擬強制對流之室內流場，然而就計算時間的考量，則以標準k -ε模式所需要 的計算時間較短。 陳念祖 (2000)採用CFD數值模式研究高架地板置換式自然通風方式對室內換氣 效率之影響，並模擬穩態與暫態的室內氣流場和濃度場的模擬，配合小型風洞實驗檢 驗所使用之高架孔隙式地板之特性，以及建築物外圍風場之模擬檢驗不同風速下受風 面與背風面壓差關係，作為數值計算邊界條件之設定。研究結果顯示孔隙地板之面積 比例會影響換氣次數的多寡，一般情況孔隙地板佔樓地板面積4~6%最有效率。傳統 高氣窗方式之空氣交換效率僅達36%，與置換式通風最佳之空氣交換效率46%相差近 10%，足以證明高架地板置換式通風方式之換氣效率優於傳統混合式之通風模式。 Ohba et al. (2001)利用裂膜(Split film)探針量測前後皆有開口之通風模型中的室

11 內流場。研究顯示氣流在進入模型之中，因受到模型外迎風面前的渦流影響而向下流 動，並在模型內形成逆時針方向的循環渦流，由背風面開口離開模型的氣流會因為外 部流場的逆流而向上流動。而外部來流入射角範圍在40°~60°之間，流場在開口處的 動壓會因為其分離流加速的影響隨著入射角角度增加而增加，導致通風流量也隨之增 加。在迎風面開口的長寬比為1:2的情況下，風向角在0°~ 80°之間，則流量係數幾乎 不變。 Haghighat et al. (2001)提出了一個可以簡易計算房間中風場與溫度分佈的數值模 式POMA (Pressurized zOnal Model with Air-diffuser)。此研究以模擬天花板通風口的射 流路徑與其室內的風場跟溫度分佈為案例，用以證實POMA模式的可信度。而POMA 模式也可以提供一些關於熱能方面對於室內環境品質影響的資訊，也可以應用於室內 格局與隔間高度的設計、空氣擴散等的研究。 陳若華 等(2001)研究建築群配置方式對自然通風之影響，並利用風洞實驗量測 建築模型在不同排列下的表面風壓，並分析台灣地區北中南東六大都會區之平均氣象 年資料，經由逐時的計算結果，評估各地區自然通風的潛勢，對於有利於配置方式作 成建議。 Allocca et al. (2003)利用k-ε紊流數值模式探討風壓和浮力合併作用下單側通風 的流況，並提出一個半解析模式分析數值模式的結果。其研究成果顯示依據數值模式 之結果計算換氣率(ACH)和半解析解相差約為10%，但數值模式對於邊界條件如何設 定非常敏感，且計算區域僅限於室內環境會造成極大的誤差，必須同時模擬室外與室 內的風場。

Tan and Glicksman (2005)探討大型通風建築的自然通風，其中包括了浮力通風與 風壓通風，然後利用CFD模式與多區間模式MMPN進行自然通風的預測比較。該研究 探討建築物中庭的設計，所模擬的建築物為實體尺寸的大尺度比例。若將中庭分割成 數塊區塊則會對MMPN的計算結果造成影響，而其計算結果比無分割之中庭的散熱效 果還好，且至少要將中庭分割成兩塊區域。

Evola and Popov (2006)利用標準k-ε紊流模式和重整化群(Renormalization Group, RNG) k-ε模式研究風壓通風的問題，流況包括貫流通風和單側通風。兩模式計算結果 與風洞實驗之數據比較後發現：標準k-ε紊流模式的計算結果誤差較大，重整化群 (RNG) k-ε模式的結果則較接近實測之通風量。

12 風問題，研究成果發現室外無風時，中庭開口面積、開口高差的增加會增大換氣率。 在室外風速小於1.5~2.0 m/s時，會形成風壓與浮力換氣路徑相反的現象，削弱室內浮 力通風的效果；當室外風速達到2.0 m/s時，風壓通風會大於浮力通風，中庭內的通風 路徑則由風壓通風主導。 何明錦和鍾基強(2007)針對不同空調風口配置對室內空間氣流環境之影響進行 探討，利用CFD進行室內空間氣流與濃度分佈的模擬分析，配合全尺寸實驗進行空間 的氣體汙染物分佈實測，比較兩者的差異性。此研究發現要維持或改善建築物室內之 空氣品質，除本身之空氣調節與通風設備扮演重要角色之外，也受到外氣通風量大小 的影響，而空調通風口之相對配置所形成之氣流路徑對室內空氣品質影響更為顯著， 因此進行建築物之空調通風系統設計或配置，除了所需求之通風量外風口設置之位 置，還須考慮適當之風口設計位置。 陳念祖 等(2007)以單側及側向開口模式為探討對象，針對開口裝設水平及垂直 導風板對自然通風效益之影響。研究方法運用計算流體力學(CFD)數值模擬方式進 行，配合全尺模型實驗檢證數值模式之可信度，研究結果顯示：(1)單側開口裝設水平 導風板時，有助於提升單側通風時之換氣率，並隨導風板深度而遞增。(2)側向開口裝 設垂直導風板模式，在外部風速（0.5~2.0 m/s）條件下，當風向平行於建築物開口時， 裝設垂直導風板之平均換氣次數約可較無導風板者增加，其中以導風板角度45°較 佳。當風向與建築立面成45°時，導風板角度0°~22.5°有利於室內流場均勻。綜合評 估後，依照不同風向提出最佳化的垂直導風板角度。 劉姵君 (2007)利用標準k-ε模式、零方程式(Zero equation)、層流數值模式和縮尺 模型實驗研究中庭建築之通風性能，結果顯示在室外無風狀態下，室外溫度對室內溫 度場影響甚鉅。欲藉由室內產生之熱量(內部負荷)驅動的浮力通風，其降溫效果並不 顯著，必須輔以其他自然通風(風壓通風)或機械設備來達成室內降溫之目的。而開口 位置所形成之換氣路徑愈直接則降溫效果愈佳，開口數量愈多亦能改善室內熱環境， 但影響之程度有限；當室外溫度超過30℃時，天窗設置之影響不顯著。 王家瑩(2007)使用標準k-ε紊流模式研究自然通風對台灣秋季與夏季之室內熱環 境的影響，並提出建築物通風設計的基本原則和方法。模擬結果發顯示：相較於平屋 頂無天窗及挑高平屋頂剖面，挑高斜屋頂的剖面形狀有助於風壓通風帶動室內氣流及 降低室內平均溫度，有顯著的效果。 楊武泰 等(2008)運用CFD數值模擬研究水平導風板形式搭配排風扇之辦公室空

13 間內的氣流場、溫度及污染物濃度場之分佈情況，並探討混合式通風應用於深度較長 之辦公空間內部的通風環境，以瞭解適合自然通風之時段及採用混合通風系統調控模 式之效益。 Chu et al. (2009)依據連續方程式和孔口流量公式推導得一個貫流通風模式，可由 室外風壓係數和開口的流量係數求得室內風壓係數和通風量，此模式並經由風洞實驗 予以驗證，此模式不需要使用複雜的計算流體動力學(CFD)模式便可預測各種狀況下 建築物的風壓通風量。並利用風洞實驗研究室外紊流風場對無隔間建築物貫流通風之 影響，探討不同的風向、風速、外部開口形狀對於貫流通風的影響。風洞實驗結果發 現：在高雷諾數的狀況下，開口的流量係數不會隨室外風速、風向、開口形狀而變， 可視為定值。但低雷諾數的狀況下，流量係數會隨雷諾數而變。由實驗數據迴歸分析， 可建立各種狀況、雷諾數之流量係數的計算公式。 朱佳仁 等(2009)藉由風洞實驗研究窗戶開口的加裝物（百葉窗、紗窗或不透風式 外推窗）對貫流通風之影響，實驗結果發現：在相同的室內外壓差之下，百葉窗、紗 窗及外推窗等加裝物皆會增加空氣流通的阻力，導致通風量及流量係數會小於無加裝 物之開口。且百葉窗的傾斜角愈大，阻力愈大，通風量愈小。 吳玉婷 (2010)以成功大學的綠色魔法學校為案例，利用計算流體力學(CFD)及縮 尺模型實驗研究太陽能煙囪(Solar chimney)對熱浮力通風之影響。研究結果發現在夏 季及春秋兩季的狀態下，太陽能煙囪的通風量皆遠大於法定換氣量，符合基本換氣需 求；但對人體熱舒適而言，太陽能煙囪在春秋季適用性較夏季高，當春秋季室外氣溫 26 oC時，其室內溫度介於26~27.2 oC，室內可產生自然通風風速0.1~0.2 m/s，約可等 效降溫0.5~1.1o C，符合春秋季自然調節空間90%群眾可接受之溫度23.5~28.5 oC，而夏 季外氣溫30 o C時，室內溫度則只符合80%群眾之可接受溫度。該研究亦發現戶外風速 有助於增加太陽能煙囪之通風效益，在相同之室內發散熱設定下，戶外有風比無風狀 態的通風量增加約13~22%，換氣次數約增加2.9~3.8次/小時，其中以春秋季下午增加 最多，夏季上午增加最少。

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

14 響。 Chu et al. (2010)採用理論分析及風洞模型實驗的方式探討室內隔間對貫流通風 的影響，研究參數包括室內隔間的方式、室內開口的大小、位置與厚度對通風量的影 響，通風量和開口的流量係數利用噴嘴流量計來量測。實驗結果發現室內開口的流量 係數為開口大小的函數，但與雷諾數、內外牆厚度、室外開口大小與位置無關。研究 也發現了當迎風面與背風面開口面積相同時，通風量會最大，且此通風量會隨室內開 口的變大而變大。

Chu et al. (2011)使用風洞模型實驗與示蹤劑(Tracer gas)濃度衰減法研究風向對無 室內隔間之建築物，單側開口及雙側開口的換氣率之影響。實驗結果發現當風向平行 於開口時，開口處的風剪力會驅使室內外空氣交換，室外風速愈大，風剪力愈強，換 氣率愈大。在此風向下，雙側開口的換氣率為單側開口換氣率的五倍。且依據實驗結 果歸納出：不同風向下，單側開口及雙側開口建築物換氣率的預測方式。

朱 佳 仁 等 (2011) 發 展 一 個 通 風 模 式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，可用以計算多區間(Multi-zone)建築物之通風量。模式利用中央氣象局1961 ~ 2008年間中央氣象局全台26個地面氣象站的氣象資料(平均風速、盛行風向、氣溫、 濕度等)，建立成一個氣象資料庫，並利用風洞實驗量測矩形建築物在各風向角之下 的表面風壓，將量測值建立成一個資料庫以供計算建築物風壓通風之用。模式可輸入 建築物外型、座向、開口位置、大小及室內隔間等參數便可計算多區間建築物風壓通 風的通風量和換氣率。 許皓香 (2013)利用CFD數值模式研究熱浮力通風於高層辦公大樓之應用，其研 究結果發現：辦公室所洩漏的冷氣會間接地降低的公共空間的溫度，沿著中庭的扶手 可防止冷氣流入中庭，若降低冷氣洩漏位置，搭配天花板高度可驅使建築物進行置換 式通風，提升室內舒適度。 黃瑞隆 (2013)根據ASHRAE-55及歐盟EN-15251熱適應標準計算出學校教室採 用複合通風模式的冷房度時的能耗差異，發現自然通風主要的節能潛力發生在5~10 月的夏季。雖然台灣夏季，自然通風有效性較低，但是採用自然通風節能效果可達 50%。冬季時，雖然自然通風有效性較高，但因氣溫不高，空調需求低，故無法展現 出其節能特性。研究中彙整出不同地區的室內熱量的全年冷房度日計算結果，若使用 自然通風與空調溫度維持在28o C的情況相比，複合通風所減少的冷房度日超過60%。

15

Chu and Chiang (2013)採用三維大渦流(Large Eddy Simulation, LES)模式研究建 築物內部傢俱、障礙物對建築物風壓通風之影響，研究成果發現室內家具會阻礙氣流 的流動，障礙物斷面積愈大，風壓通風量會愈小，通風量的變化可用Chu and Wang (2010)的阻抗模式加以預測。Chu and Chiang (2014)再採用相同的模式研究建築物長度 對無室內隔間建築物風壓通風之影響，研究成果發現縱深長的建築物，通風量小於縱 深短的建築物。造成此現象的原因有兩個：(1)縱深短的建築物，迎風、背風面之間的 壓差較大，導致通風量較大；(2)縱深長的建築物，室內阻力使得通風量較小。當建築 物長度L大於建築物室內高度L/H > 5倍時，室內阻抗便不可忽略，而當開口處於對角 線的位置時，相較於開口處於建築物中央，會產生額外的室內阻抗，使通風效果變差， 通風量的變化亦可用Chu and Wang (2010)的阻抗模式加以預測。

李怡萱 (2014)使用標準k-ε模式計算七種不同室內隔間的風壓通風，室外風速設 定為3.0 m/s，其研究成果顯示：相對或相鄰兩側設置開口的平面設計，較能夠達到對 流效果，形成自然通風的條件，而同側開口的對流效應較不明顯。但其模式只計算室 內風速和通風路徑，並未計算建築物開口處的通風量，且其預測結果並未與實驗結果 比對、驗證，其研究成果的正確性需要進一步確認。 曾淑翎 (2015)以k - ε模式研究強制排風設備對單棟四層樓透天型民宅的通風換 氣率之貢獻程度，模擬在不同開口配置與來流條件下，建築物座向、開口部設計、外 環境風場、氣候因素的影響權重。研究顯示主導建築物通風量的因子仍以座向與常年 風向為主，當建築物外部開口搭配常年風向，確實可使建築物獲得規範要求的換氣率 甚或更高，但在受到鄰棟遮蔽或座向不佳的設計，安裝於梯間頂層的強制排風扇，可 有效的改善原先不佳的換氣率，對於建築群中自然通風不佳區域的建築物，合理配置 的強制排風扇可提升建築物使用者熱舒適性，同時其能源消耗遠低於常用的空調設 備。 Chu et al. (2015)利用風洞實驗與濃度衰減法研究同一面牆上有兩個開口之建築 物的風壓通風，實驗結果發現當有兩個開口之建築物的換氣率高於只有一個開口的建 築物的換氣率；當風向角介於22.5o ~67.5o (開口在迎風面)，兩開口類似貫流通風，換 氣率大，而有室內隔間之建築物的換氣率又低於無室內隔間之建築物；當風向角介於 90o~180o (開口在側面及背風面)，換氣率小；且當風向平行於開口(開口在側面)時， 開口分別在兩側牆的換氣率與開口在同一側牆的換氣率十分相近，亦即開口位置部會

16 影響剪力通風的換氣率。依據實驗結果推導出：單側雙開口建築物之換氣率的預測公 式。 黃瑞隆 (2015)透過實測方式以探討自然通風對於住宅與複合式教室抵減空調之 節能效果。在選定之建築物長期監測室內外的溫濕度，以估算室內熱舒適環境之變化 與空調開啟時間，再以冷房度法計算空調耗能量與節能效益，最後透過與理論上應開 空調之時間比對換算折減率。此外，針對各實測案例換算空間配置與開窗下的自然通 風潛力VP，來分析其與實際空調折減效果之關係。研究結果發現：綠建築評估手冊 所建議之住宅類自然通風潛力VP與實際空調抵減效果Vac之關係並不明顯。 Chu and Wu (2017)結合自然通風模式和一個質量傳輸模式來計算有隔間建築物 中一氧化碳的濃度變化，並以風洞模型實驗濃度衰減法驗證模式所預測之濃度變化。 驗證後之傳輸模式便用來評估在自然通風對情況下，通風量、初始濃度和房間的體積 大小等參數對建築物之內一氧化碳的濃度和消散時間的影響。 綜觀以上的研究可知，前人研究大多採用CFD數值模式或風洞模型實驗針對建築 物某個特殊的通風狀況進行深入的研究，做學理上的探討，其研究結果較難應用於預 測其他狀況之通風量。且CFD模式需要設定許多流場參數，建築師大多不會正確地使 用。國內建築界缺少一本針對建築物自然通風有完整性介紹的書籍，亦無設計手冊可 供建築師參考，來計算一般建築物的自然通風量，本計畫將彌補此缺憾。

第四節 計畫內容和方法

台灣夏季濕熱的氣候狀況，使得許多建築物24小時地使用冷氣空調來維持建築 物室內環境的舒適性。但是不分日夜地使用這些空調設備，亦會耗損大量的電力。若 能有效地利用自然通風協助或維持室內空氣品質和居住環境，將可達到建築節能之目 的。因此建築師需要一個正確且容易使用的通風模式來計算自然通風狀況下的換氣 率。 本計畫整理風壓通風與浮力通風的相關理論與計算公式，結合流體質量守恆原 理、多區間通風模式和經驗模式，建構一個計算多區間建築物的自然通風量與換氣率 的模式，藉由風洞實驗之數據及CFD模式來驗證通風模式之預測結果，並利用不同的 建築物案例來說明各種狀況下自然通風量及換氣率的計算方式，案例包括貫流通風、 單側通風、風切通風、住宅、辦公室、教室、廠房、旅館等建築。有系統地說明室外 風速、風向、開口面積、位置及阻礙通風之因素對建築物自然通風的影響，且將通風

17 計算模式寫入Excel軟體，建築設計者可以輸入建築物的開口面積、當地的平均風速、 盛行風向等氣象資料，便可計算建築物的自然通風量或換氣率。當建築物的自然通風 可使得室內環境達到熱舒適的狀況，便不需要使用冷氣空調。本計畫並比較不同建築 案例之自然通風量和綠建築評估手冊計算之自然通風潛力VP值。 本研究之成果將出版一本建築物自然通風設計手冊，藉由案例來介紹自然通風 量的計算方式，讓國內建築師和一般民眾了解自然通風量的設計概念，祈望建築師能 有效利用台灣氣候條件的優勢，避開其缺點，設計出真正節能的建築物。並讓建築物 使用者瞭解自然通風的操作方式與時機，住戶可依據其需求與室內外的氣候狀況，自 行控制建築物的門窗的開闔，來調節自然通風量，使得室內環境達到舒適，並降低建 築物的耗能。 本研究報告共包括五章，主要章節內容為：第一章為緒論，說明研究的背景、 研究目的及各章的內容；第二章介紹建築物通風的研究方法及相關的國內外研究文 獻，包括室內換氣率與通風量的計算、各種通風計算模式的應用；第三章說明建築物 自然通風的理論；第四章介紹建築物自然通風潛勢的評估方法；第五章藉由不同的建 築物自然通風的計算案例，說明自然通風量之計算方式；第六章為結論與建議事項。

19

第二章 通風模式

建築物的自然通風受到通風驅動力(室外風速、風向)、開口面積、位置、室內 隔間形式等因素的影響，無法以單一公式計算。本章先介紹室外風場，再依據室內隔 間形式，將建築物通風計算模式區分為單區間模式、多區間模式，以下分述之：

第一節 大氣邊界層流

地表空氣的流動會受到地表邊界的影響，水平向風速的垂向剖面成不均勻分佈， 稱為大氣邊界層(Atmospheric Boundary Layer)。大氣邊界層的厚度約為200公尺~1000 公尺之間，其中空氣的流動受到地表的摩擦阻力、溫度差異和地球自轉的影響，較為 複雜。大氣邊界層之上的對流層，受地表影響較小，地球自轉的影響較大，水平流速 成均勻分佈，稱為自由流(Free stream)。因為大部份的建築物、人類活動皆在大氣邊 界層之中，故建築師必須了解大氣邊界層中的風場。 圖 2-1 不同地況之平均風速剖面 資料來源：本研究繪製 一般而言，地表風場可依據地表溫度變可分為：穩定、不穩定及中性大氣狀況。 大氣穩定度對地表的物染物擴散、和熱島效應的影響較大，對於高風速下，結構物所 受的風力負載影響較小，故研究結構物與風場之間的交互作用時往往忽略穩定度的影 響，僅以中性大氣邊界層模擬之。換言之，平均風速的垂向分佈可以較簡單的對數或 指數剖面表示：

400

600

200

0 m

市區 郊區 海岸

20 (a) 對數剖面(Logarithmic profile)：

o d * z z z ln 1 u ) z ( U − κ = (2-1)

(b) 指數剖面(Power law profile)：

α       δ = z U ) z ( U o (2-2)

其中Uo為邊界層外之風速，又稱為梯度風速(Gradient velocity)，δ 為梯度高度(Gradient height)，α為指數。梯度高度與指數視地表的地況而定，表2-1列舉四種不同的地況的 粗糙程度之分類： (a)地況A：大城市之市中心或該地區水平距離至少800公尺或主建築物高度10倍(兩者 取較大值)的範圍內大部分(50%以上)的建築物高度皆大於20公尺的地區。 (a) 地況B：市郊、小市鎮或該地區水平距離至少500公尺或主建築物高度10倍的範圍 (兩者取較大值)的範圍內大部分(50%以上)的建築物高度介於10~20公尺的地區。 (b) 地況C：地勢平坦開闊之草原，或地面零星散佈的地物高度皆小於10公尺的地區， 或海岸地區由水面方向吹過來的強風（風速大於10 m/s）。 (d)地況D：平坦無障礙物之海岸地區或湖岸地區，風由水面方向吹過來，距海岸線500 公尺或主建築物高度10倍的範圍(兩者取較大值)，方適用此種地況。 表 2-1 不同地況的邊界層高度與指數 地況分類 地況特性 指數α值 δ (m) I (%) 地況 A 大城市之市中心區 0.32 500 25 ~ 50 地況 B 郊區、小市鎮 0.25 400 20 ~ 30 地況 C 開闊之平原 0.15 300 15 ~ 20 地況 D 地勢平坦之海岸地區 0.11 215 10 ~ 15 資料來源：本研究團隊整理之數據

第二節 台灣六都的風場

中央氣象局在台灣地區與離島共設有32個人工觀測地面氣象測站，有長時間完 整的逐時風速、風向、溫度與相對濕度資料紀錄。雖然這些氣象測站不能涵蓋全台 灣各地的氣象變化，但其量測儀器有定期維修、校正，資料可信度較佳。除此之外，

21 無人之自動氣象站約有400多個測站。氣象測站名稱、站號海拔、風速計距離當地地 面高度、設立時間等資料可在網路上查得。因此建築師可以向中央氣象局取得最靠近 建築基地之氣象測站的風速、風向觀測資料進行統計分析，計算該地區年平均風速與 盛行風向(又稱為常時風向，在建築基地發生機率最大的風向)。再利用指數律將氣象 站的年平均風速轉換成建築物開口高度處的風速： met met U(z) z U z α   =     (2-3) 式中 Hmet為氣象測站的風速計離地面之高度，z 為建築物開口位置離地面之高度，α 為測站所在位置之地況指數，其值可參考建築耐風設計規範與解說。 風向為風在水平方向的角度，一般可將風向分為16個方位，以正北方為0o，順 時針方向將風向分為每22.5o_{間隔一個方位：北(N)、北北東(NNE)、東北(NE)、東北} 東(ENE)、東(E)、東南東(ESE)、東南(SE)、南南東(SSE)、南(S)、南南西(SSW)、西 南(SW)、西南西(WSW)、西(W)、西北西(WNW)、西北(NW)、北北西(NNW)。當風 速小於0.3 m/s時，風標不動的狀況稱為靜風(Calm)。計算各地風速、風向所使用之資 料量的多寡會影響到計算結果，當氣象資料的樣本數太少時，所得的統計參數可能 不具代表性，風速資料至少需要有3年以上資料，來計算當地的平均風速和各風向的 發生機率。圖2-2~2-7為台灣六都的風花圖，表2-2為其平均風速與盛行風向。 表 2-2 台灣六都的平均風速與盛行風向 地區 平均風速(m/s) 盛行風向 發生機率 台北市 3.15 東風、東北及東北東 52 % 新北市 2.02 東北東、南南西、及東北 61 % 桃園市 3.78 東北風、東北東及北北東風 48 % 台中市 1.61 北風、北北東及北北西 37 % 台南市 3.09 北風、北北東及北北西 51 % 高雄市 2.26 北風、西北、西北西、北北西 42 % 資料來源：本研究團隊整理之數據

22

圖 2-2 台北市全年的風花圖(2000-2008) 資料來源：本研究團隊繪製

圖 2-3 新北市全年的風花圖(2000 - 2008) 資料來源：本研究團隊繪製

23

圖 2-4 桃園市全年的風花圖(2018) 資料來源：本研究團隊繪製

圖 2-5 台中市全年的風花圖(2000-2008) 資料來源：本研究團隊繪製

24

圖 2-6 台南市全年的風花圖(2000-2008) 資料來源：本研究團隊繪製

圖 2-7 高雄市全年的風花圖(2000-2008) 資料來源：本研究團隊繪製

25 圖 2-8 台北各區全年的風花圖(2000-2008) 資料來源：本研究團隊繪製 春季(3、4、5 月) 夏季(6、7、8 月) 秋季(9、10、11 月) 冬季(12、1、2 月) 圖 2-9 台北氣象站各季的風花圖(2000-2008) 資料來源：本研究團隊繪製

26

第三節 單區間通風模式

此節所描述的風壓通風模式，針對建築物室內無隔間之單區間(Single zone)的風 壓通風，可依據流體力學的伯努利原理(Etheridge and Sandberg, 1996; Linden, 1999)， 用孔口方程式(Orifice equation)計算流經過建築物對外門窗開口的通風量： d 2 P Q=C ⋅ ⋅A ∆ ρ (2-4) 式中A為開口面積，∆ =P P_e−P_i 為室外和室內壓力Pi的差值的絕對值，ρ為空氣密度， Cd為流量係數(Discharge coefficient)。流量係數Cd與開口是否裝有紗窗、百葉窗、外 推窗有關。表2-3為實驗量測值(Chu et al., 2009)，紗窗的流量係數最大，外推窗的流 量係數最小。但(2-5)式中室內壓力Pi是未知數，故無法直接計算風壓通風量。 表 2-3 紗網窗、百葉窗、外推窗之流量係數 百葉窗 Cd = 0.50 紗窗 Cd = 0.60 外推窗 Cd = 0.20 資料來源：本研究團隊整理 當門窗關上但仍有隙滲時，室外的空氣仍可能因為壓差而由門窗的縫隙滲入， 此現象稱為風滲(Air infiltration)或隙縫風，流況大多屬於層流。若開口為長條狀的矩 形開口(Crack)，通風量可以平面普修力流(Plane Poiseuille flow)的方式計算：

L P 12 Ad Q 2 ∆ ⋅ µ = (2-6) 式中d為開口的間隙，L為開口在流向上的長度，µ為空氣的動力黏滯係數。綜合以上 二式，通風量可以下式計算：

27

( )

n P kA Q= ∆ _(2-7) 式中k為流量係數，指數n會隨流況、開口大小等因素而定，約為0.6 ~ 0.7 (Awbi, 2003)。 當一棟建築物在迎、背風面各有一個對外開口時，則流經開口的通風量必須滿足質量 守恆理論，流入的風量等於流出的風量： ρ1Q1 = ρ2Q2 (2-8) 下標1、2分別代表迎風面和背風面。在一般大氣壓力狀況下，溫差不大時，空氣密度 可視為定值，ρ1 = ρ2。故： Q1 = Q2 (2-9) 流經開口的通風量可利用孔口方程式(orifice equation)來計算： 1 1 dw w e 2 P Q =C A ∆ ρ (2-10) 2 2 dL L e 2 P Q =C A ∆ ρ (2-11) 其中Aw為迎風面(Windward)外牆開口面積，AL為背風面(Leeward)開口面積，Cd為流 量係數。在建築物內外有溫差，室內屬於完全混合的狀況下，空氣會因為熱浮力由低 處開口流入，高處開口流出。故建築物開口處內外的壓差為： 1 1 i e 1 e T P P P gz T ∆ ∆ = − + ρ (2-12) 2 i 2 e 2 e T P P P gz T ∆ ∆ = − − ρ _(2-13) 其中Pe1、Pe2分別室外有風時風力施予迎風面和背風面外牆的動壓力，Pi為室內的壓 力，z1、z2分別為低處開口、高處開口離地面的高度，∆Τρgz/Te為在高度z處因為室 內外溫差∆Τ所造成的靜壓差異(又稱為熱壓)，g為重力加速度。帶入質量守恆Q1 = Q2 = Q可得：風向垂直於迎風面開口的通風量： 1/2 1 2 2 1 * e e 2 P P 2g T(z z ) Q A T  − ∆ −  = _ + _ ρ   (2-14)

其中A*_{為有效開口面積(Effective opening area)：} * dw dL w L 2 2 2 2 1/2 dw w dL L C C A A A (C A C A ) = + (2-15) 當室外無風的狀況，Pe1 = Pe2 = 0，通風由熱浮力所主導，因室內外溫差所造成的通 風量：

28 1/2 2 1 * e 2g T(z z ) Q A T  ∆ −  = _{ }   (2-16) 當室外風速 U > 2.0 m/s 的狀況，室內外溫差很小(∆T < 5o C)時，風壓通風量大於熱浮 力通風量。風向垂直於迎風面開口的通風量為： 1/2 * p1 p2 Q=A U C_ −C _ (2-17) 式中U為室外風速，Cp1 = (P1 – Po)/0.5ρeU2_{為外牆開口處的風壓係數，P} o為參考壓力， 一般為不受建築物干擾處的大氣壓力。以上通風量計算公式由理論推導而得，適用於 計算不同建築物在不同風速狀況，正確性較經驗公式高。 建築物外牆的風壓係數受建築物外型、位置的影響。矩形建築物迎風面外牆的 風壓係數為正值(高於大氣壓力)，其值介於0.50 ~ 0.90；背風面外牆為負值(低於大氣 壓力)，其值介於-0.10 ~ -0.60。風壓係數可由風洞模型實驗或可靠的計算流體動力學 CFD模式計算之，若沒有實驗數據或CFD模擬結果時，迎背風面壓差可採用∆Cp = Cpw - CpL約等於1.0，因此通風量約等於： *

Q A U

≈

(2-18) 此式說明通風量與室外風速U成線性正比，但通風量並不和開口面積A成線性正比關 係。 圖 2-10 單區間雙開口貫流通風之示意圖 資料來源：本研究團隊繪製

29 圖 2-11 單區間雙開口貫流通風之示意圖 資料來源：本研究團隊繪製 當建築物迎風面、背風面各有許多個開口，其通風量亦須遵守連續方程式： w L

Q

=

Q

∑

∑

_(2-19) 假設外牆的風壓均勻分佈，則風壓係數Cp1，Cp2為定值，利用孔口方程式可得風壓通 風量： 1/2 1 2 * e 2 P P Q A= _ − _ ρ   (2-20)

其中A*_{為多開口之有效開口面積(Effective opening area)：}

(

) (

)

dwi wi dLj Lj * 1/2 2 2 dwi wi dLj Lj C A C A A C A + C A =      

∑

∑

∑

∑

(2-21) 下標i、j分別為迎風面和背風面開口的數目，Aw為迎風面(Windward)開口面積，AL 為背風面(Leeward)開口面積。開口愈多，開口面積愈大，則有效開口面積A*愈大， 通風量Q亦愈大。因此建築物面對當地盛行風向的外牆上宜有一個大型開口(如落地 窗)，且背面風牆或側牆也有對外之開口，可造成貫流通風，通風量大。若建築物使 用者覺得通風量過大，可自行開闔對外門窗來控制通風量。 Q1 Q₂ z₂ z₁ Pi U Pw P_L Te H

30 圖 2-12 單區間多開口建築物之示意圖 資料來源：本計畫研究團隊繪製 平面圖 A_L1 A_w1 L U H B 風 A_w2 A_L2

U

A

_w1

A

w2

A

L2 θ 風 W L

31

第四節 不同風向之貫流通風

式(2-20)為風向垂直於建築物開口(θ = 0ο )的貫流通風量計算方式，依據 Chu et al. (2011)風洞實驗和示蹤劑濃度量測結果顯示：當風向與開口夾一個角度時，風壓通風 量可以用餘弦定律(Cosine law)來下式計算風向不正對開口的通風量： o

Q( ) = Q cos

θ

θ

(2-22) 式中 Qo為風向角θ = 0o時的貫流通風量。如圖 2-11 所示，風向角θ = 0o時，貫流通風 量最大；風向角θ = 0o _{∼ 90}o_{之間，通風量隨著風向角的增加而遞減。這是因為當風向} 角不為零時，只有正對開口的風速分量 Vcosθ才會流入開口，平行於建築物開口的風 速分量 Vsinθ並不會造成貫流通風。當風向與開口的夾角介於-45 o_{或 45}o_{時，通風量為} 貫流通風量 Qo(風向角θ = 0o)的 70%。 0 15 30 45 60 75 90 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2

Wind-driven ventilation

cosine law Chu et al.(2010)

Wind tunnel Exp., U = 2.3 m/s

Wind tunnel Exp.,U = 3.7 m/s

Q /Q o θ (Deg) 圖 2-13 不同風向角之風壓通風量 資料來源：本計畫研究團隊整理繪製 當風向平行於建築物開口(風向角θ = 90o )時，如圖 2-12 所示，開口的風剪力(風 切)所產生的紊流還是會促使室內外的空氣交換，但通風量遠小於風向角θ = 0 的貫流 通風量。建築物雙側皆有開口的無因次通風量(Chu et al., 2011)為： *

Q

Q =

= 0.077

UA

(2-23) 只有單側一個開口的風切通風量(風向角θ = 90o )為：

32 *

Q

Q =

= 0.018

UA

(2-24) 只有一個開口在迎風面，且風向垂直於建築物開口(風向角θ = 0o )的通風量為： *

Q

Q =

= 0.025

UA

(2-25) 如圖2-12所示，以上兩式不會隨室外風速而變，且建築物雙側皆有開口的風切通 風量遠大於單側單開口通風量，這是因為雙開口的壓力變化幅度較大，促使室內外空 氣交換速率較高。單側有雙開口的風切通風量(Chu et al., 2015)為： *

Q

Q =

= 0.053

UA

(2-26) 圖2-15顯示不同風向角狀況下，建築物單側有雙開口通風量的實驗量測結果。由 此圖可看出：雙開口在迎風面(風向角0 < θ < 90)的通風量遠大於開口在背風面(風向角 90 < θ < 180)的通風量。且建築物內無隔間的通風量大於室內有隔間的通風量。 圖 2-14 有室內隔間之建築物貫流通風之示意圖 資料來源：本計畫研究團隊整理繪製 單側單開口 對側各一開口 風 風 U U θ = 90ο U U A A A 平面圖