創新室內空氣品質監控技術及大數據應用分析之研究

創新室內空氣品質監控技術及大數

據應用分析之研究

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 資 料 蒐 集 分 析 報 告

中華民國 107 年 12 月

創新室內空氣品質監控技術及大數

據應用分析之研究

計 畫 主 持 人:鄭元良 主任秘書 協 同 主 持 人:周伯丞 博士 研 究 員:李佳言 博士 研 究 助 理:詹元慶、郭仲剛

內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 資 料 蒐 集 分 析 報 告

中華民國 107 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）

創 新 室 內 空 氣 品 質 監 控 技 術 及 大 數 據 應 用 分 析 之 研 究 內 政 部 建 築 研 究 所 協 同 研 究 資 料 蒐 集 分 析 報 告 107 年 度

目次

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘 要 ... VII

第一章 緒 論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1 第二節 工作計畫流程 ... 3 第三節 工作項目與時程管理... 5 第四節 研究團隊 ... 6 第五節 國內外室內空氣環境監控技術發展及應用 ... 7

第二章 研究方法 ... 19

第一節 CO2 智慧通風策略 ... 19 第二節甲醛去除策略 ... 20 第三節 大數據應用 ... 22

第三章 研究成果 ... 29

第一節 住宅建築 IAQ 樣態實測結果與分析 ... 29 第二節 非建材因素之室內空氣環境品質改善策略 ... 44 第三節 混合式智慧通風系統對室內空氣品質之改善 ... 51 第四節室內空氣品質大數據分析模型 ... 57

第四章 結論與建議 ... 59

第一節 結論 ... 59

II

附錄一 期初審查意見回覆 ... 63

附錄二 期中審查意見回覆 ... 67

附錄三 期末審查意見回覆 ... 71

表次

表次

表 1-1 預期研究進度表 ‧ ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧5 表 1-2 履行契約能力說明表 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧6 表 1-3 甲醛濃度對人體的影響 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧17 表 3-1 實驗設備說明表 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧45 表 3-2 實驗初始條件及六組研究模組設定‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧46 表 3-3 實驗初始條件及六組研究模組健康係數(HF)計算表 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧57

圖次

圖次

圖 1-1 工作計畫流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧4 圖 1-2 RIVEC 對於整體居家的模擬控制策略 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧9 圖 1-3 公寓住家房間配置圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11 圖 1-4 混合式通風系統設計及其安裝 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧12 圖 1-5 類神經網路控制流程 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧13 圖 1-6 混合式通風系統類神經網路控制架構圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧11 圖 1-7 通風評估效果 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧15 圖 2-1 除醛電漿機之設計 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧20 圖 2-2 模擬與量測之 ACH 與室內外之 PM2.5 濃度比較圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧23 圖 2-3 應用類神經網路的室內空氣品質控制邏輯圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧24 圖 2-4 PLC 監控系統應用於大數據架構圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧25 圖 2-5 PLC 監控系統應用圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧27 圖 3-1 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳(a)室內(b)戶外溫度量測曲線圖‧‧‧‧29 圖 3-2 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳(a)室內(b)戶外相對溼度量測曲線圖‧‧30 圖 3-3 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳(a)室內(b)戶外 CO2 濃度量測曲線圖 ‧32 圖 3-4 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳室內甲醛濃度量測曲線圖 ‧‧‧‧‧‧33 圖 3-5 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓戶外 PM2.5 濃度量測曲線圖 ‧‧‧‧‧‧33 圖 3-6 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室(a)室內(b)戶外溫度量測曲線圖 ‧‧‧35 圖 3-7 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室(a)室內(b)戶外相對溼度量測曲線圖‧‧36 圖 3-8 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室(a)室內(b)戶外 CO2 濃度量測曲線圖 ‧37 圖 3-9 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室室內甲醛濃度量測曲線圖 ‧‧‧‧‧‧38 圖 3-10 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝戶外 PM2.5 濃度量測曲線圖 ‧‧‧‧‧‧38 圖 3-11 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房(a)室內(b)戶外溫度量測曲線圖 ‧‧39 圖 3-12 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房(a)室內(b)戶外相對溼度量測曲線圖 ‧40 圖 3-13 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房(a)室內(b)戶外 CO2 濃度量測曲線圖 ‧41 圖 3-14 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房室內甲醛濃度量測曲線圖 ‧‧‧‧‧‧42 圖 3-15 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房戶外 PM2.5 濃度量測曲線圖 ‧‧‧‧42

VI

圖 3-16 足尺研究室儀器設備配置圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧44 圖 3-17 架設 PMD01 氣體偵測器、電漿機、排氣扇與可程式控制器之系統配置圖 ‧‧47 圖 3-18 Type 1(CO2 A 組)與 Type 2(CO2 B 組) 監控流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧49 圖 3-19 Type 3(HCHO A 組)與 Type 4(HCHO B 組) 監控流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧49 圖 3-20 Type 5(CO2+HCHO A 組)監控流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50 圖 3-21 Type 6(CO2+HCHO B 組)監控流程圖 ‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧50 圖 3-22 Type 0(對照組)、Type 1(CO2 A 組)與 Type 2 (CO2 B 組)之 CO2 濃度變化圖‧52 圖 3-23 Type 3(HCHO A 組) CO2 與 HCHO 濃度變化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧52 圖 3-24 Type 4(HCHO B 組) CO2 與 HCHO 濃度變化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧53 圖 3-25 Type 5(CO2+HCHO A 組) CO2 與 HCHO 濃度變化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55 圖 3-26 Type 6(CO2+HCHO B 組) CO2 與 HCHO 濃度變化圖‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧55

摘要

摘 要

關鍵詞：大數據分析、室內空氣品質、智慧通風 一 、 研 究 緣 起 全球暖化壓力下，台灣地屬環太平洋熱濕氣候帶，近年來雖因綠建材應用日益普及，控制 了來自建材的污染源，致一般場所室內空氣品質有所提升，惟仍有部分建築類型因使用之必需， 造成室內空氣中甲醛與 TVOC 等污染物濃度偏高，單純以引入新鮮空氣稀釋室內污染物濃度之空 調手法勢必增加龐大電費負擔。為維護國人健康生活條件，本計畫結合智慧感知控制技術，並 針對現有空氣清淨控制技術進行檢討，調查非建材污染源造成室內空氣品質不佳之場所，建構 具有節能效益之智慧建築室內健康環境系統。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本計畫將針對密閉空間換氣變化及耗電效能，及其對室內空氣影響之變化，藉由 文獻探討與統整，並利用儀器設備進行實測比對，針對在地氣候所需，進一步深入研 究其模式比較分析及變化。執行內容如下: 1. 蒐集國內外大數據技術應用於室內空氣環境資料分析之文獻及案例，並進行分析比 較與探討。預計蒐集之文獻及案例分類如下: (1) 蒐集病態態建築起因與作症狀等相關文獻。 (2) 蒐集通風模式種類之研究文獻。 (3) 蒐整污染物質之危害，起因與人體病症。 (4) 蒐集建築室內環境相關混和通風所探討之相關因子。 2. 蒐集國內外室內空氣環境監控技術發展現況及應用案例，並探討監控數據之應用模 式，預計蒐集之技術與應用案例重點如下: (1) 探討設備運作理論與所需評估之項目。 (2) 釐清室內污染物來源之實驗模擬污染物重要因素。

VIII (3) 設定通風方式設置與配置模式，並設計相關所需氣候及環境變因。 3. 完成住宅建築類型中至少北中南三例，非建材所致空氣污染源之 IAQ 樣態進行大 數據分析，並提出 IAQ 改善策略建議。 (1) 北中南住宅建築現狀案例空氣品質（CO2 及甲醛）實測。 (2) 建立大數據資料庫。 (3) 歸納分析北中南住宅建築空氣品質現況，並提出適用於台灣北中南各地的應用 混合式通風方式之創新空氣品質監控技術。 (4) 設計足尺實驗室與相關空氣品質監測與除污設備，進行實驗。 4. 完成室內環境健康監控技術調查，研發具有省能效益之混合型空氣清淨技術。 (1) 將實驗結果根據北中南不同區域特性，搭配大數據分別進行模组設定與資料整 合及運算。 (2) 依據不同污染物清污模式與耗電進行分析比對。 (3) 提出適用於台灣各地兼具“健康”“節能”創新室内空氣品質監控技術。 三 、 重 要 發 現 本研究以建築居住空間單元為主體，首先針對住宅建築類型台灣北中南區住宅各 以一例，將其非建材所致空氣污染源之 IAQ 樣態進行大數據分析；然後利用足尺研究 室模擬多人密閉的住宅空間，以電漿技術配合通風扇去除氣態污染物及揮發性物質， 並利用氣體偵測器遠端控制軟體與通風扇連動，探討不同混合式通風模擬下，室內污 染物甲醛及二氧化碳濃度調控與變化，以綜合歸納評估結果，供設計及使用者參考可 達到健康與舒適目的。研究具體結論如下： 1. 建築居住空間之溫溼度與其空間基本設計及空調/除溼設備的開啟息息相關，若能 在建築設計之初考量自然通風設計理念，搭配除濕設備，當可營造一個舒適且節 能的居住空間。 2. CO2 濃度值在臥室以外之空間在一般住宅空間尚屬良好，但夜晚於密閉臥室中每 每有超標之狀況發生，因此臥室的通風設計為住宅空調設計應被更加重視的一 環。

摘要

3. 鄰近工業區之夜間無人使用之客廳或書房會偵測到夜晚甲醛濃度因為不明原因有 升高的情況，初步判斷是受戶外飄入之汙染物造成，未來應深入同步探討戶外有 機物汙染源對於夜間住宅室內空氣品質之影響。

4. 與 Type 1(CO2 A 組-弱通風模式))相比，Type 2 (CO2 B 組-強通風模式)將 CO2 濃度控制在較嚴苛的條件下，並於實驗時間中頻繁啟動 6 次排風機制引入外氣， 確實有效控制室內 CO2 濃度，避免空氣品質超出法定標準(1000ppm)。

5. Type 3(HCHO A 組-弱電漿模式)與 Type 4(HCHO B 組-強電漿模式)研究模組為模 擬室內無人員之情況，故二氧化碳濃度趨勢變化不大，均維持於 450~560ppm 間， 可以得知電漿除醛過程中產生的 CO2 並不會影響室內整體 CO2 濃度，實驗亦證實 啟動電漿機(Plasma)可以有效清淨室內甲醛濃度。Type 4(HCHO B 組-強電漿模式) 將室內甲醛清除濃度設定較為嚴格(0.06ppm 時關閉電漿機)，較可控制室內甲醛 濃度於四小時實驗中不易超標。

6. 相較於 Type 5(CO2+HCHO A 組-弱電漿通風模式) (HCHO 監測濃度低於 0.07ppm 關 閉電漿機)，Type 6(CO2+HCHO B 組-強電漿通風模式)條件設定較為嚴格(HCHO 監 測濃度低於 0.06ppm 關閉電漿機)，於四小時實驗中 Type 6(CO2+HCHO B 組-強電 漿通風模式)更可有效控制室內總體空氣品質。 7. 本計畫使用積分概念，提出可應用於未來室內空氣品質大數據分析用之健康係數 (Health Factor)模型，可有利於後人深入探討之用。 8. 本計畫運用電腦連動設備(PLC 控制電腦)可以自動控制相關設備，並記錄室內空 氣品質的變化。本研究有效尋找出室內空氣品質最佳化的模組為 Type 6(強電漿 通風模式)：HCHO 監測系統每 25 分鐘監測一次，當 HCHO 監測濃度高於 0.08ppm 啟動電漿機，HCHO 監測濃度低於 0.06ppm 關閉電漿機，並即時監測 CO2 濃度，當 CO2 濃度高於 1000ppm 啟動通風扇、低於 800ppm 則關閉通風扇，本研究將此研究 模組提供予醫療機構作為控制室內空氣品質監控的建議標準。 四 、 主 要 建 議 事 項 根據研究發現，本研究針對行政檢查業務協同民間辦理處理的法制化，提出下列

X 具體建議。以下分別從立即可行建議及中長期建議加以列舉。 建議一 (擴大量測範圍):立即可行建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:內政部營建署 擴大量測與分析台灣各區不同住宅類型與使用行為形成的室內空氣品質(新增 TVOC 與 PM2.5)狀況，其量測其應拉長為至少 7-30 天並同時於量測空間窗外安置相同 偵測器進行比對，以多項、長期、多例的實測資料與環保署數據共同納入大數據分析 最終建立資料庫，可供各地建築設計者使用，以期建立智慧化的調控功能。 建議二 (對通風系統空調耗能方面進行評估):立即可行之建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:經濟部能源局 未來計畫可納入強制通風系統造成空調能耗方面的評估，以求在”節能”與”健康” 二者之中取得平衡點。 建議三 (制訂定對新舊建築物裝置監測設備與未來維修之注意要項或設置原則):中長期建議 主辦機關:內政部建築研究所 協辦機關:內政部營建署 未來計畫可納入盤查國內外室內空氣品質監測技術與儀器，並了解其營運管理策 略與成本效益分析，尤其在零組件與耗材壽命之考量及組裝技術與監測位置與頻度之 選定。並提出就智慧技術發展，考量訂定對新舊建築物裝置監測設備與未來維修之注 意要項或設置原則。 建議四 (因應少子化與老年社會趨勢，連結相關課題):中長期建議 主辦機關:內政部建築研究所

摘要

協辦機關:內政部營建署

因應少子化與老年社會的趨勢，上述實測計畫可優先考慮連結少子化、高齡的相 關課題。

XII

ABSTRACT

Keywords: Big Data, Indoor Air Quality, Smart Ventilation

Under the pressure of global warming, Taiwan is located at the hot and wet climate region of the Pacific Rim. Recently, though green architecture materials have been widely utilized and the pollution source has been controlled from the architecture materials, the residence is not regulated by the announced 1st ten and 2nd sixteen public spaces of the indoor air laws. In spite the eight indicators of the smart building evaluation include energy-saving management, health & comfort and smart innovation and the management of indoor air quality is thereby enhanced, there happens high formaldehyde concentrations in some buildings for special use. The fee of electrical power must be increased as the introduction of fresh outdoor air to help improve the indoor air quality. We develop the novel monitor system of indoor air quality incorporating smart sensors and controllers for the pursuit of sustainability and the national health living conditions. In the study, the current control technologies of air cleaning were also reviewed and the poor indoor air quality caused by the pollution source not including building materials was investigated. Finally, a big data system is constructed to analyze the documents of indoor health environment with energy-saving effects.

The plan will focus on the changes in air-conditioning changes and power consumption in confined spaces, and the changes in the impact on indoor air. Through literature review and integration, and using instruments and equipment for actual measurement comparison, further in-depth needs for local climate needs. Study its model comparison analysis and changes. The implementation content is as follows:

1. Collect literatures and cases of domestic and foreign big data technology applied to

indoor air environment data analysis, and analyze and compare them. The literature and cases that are expected to be collected are classified as follows:

摘要

(2) Collect research literature on the types of ventilation modes.

(3) Search for the hazards, causes and human diseases of pollutants.

(4) Collect relevant factors discussed in the mixed ventilation of the indoor environment of the building.

2. Collect current situation and application cases of indoor and outdoor air environment monitoring technology at home and abroad, and explore the application mode of monitoring data. It is expected that the collected technologies and application cases will focus on the following:

(1) Explore the theory of equipment operation and the items to be evaluated.

(2) Clarify the important factors of experimental simulated pollutants in the source of indoor pollutants.

(3) Set the ventilation mode setting and configuration mode, and design the relevant climate and environmental causes.

3. Completion of at least three cases of residential buildings, including IAQ patterns of air pollution sources caused by non-building materials, and proposed 1AQ improvement strategy.

(1) The air quality (CO2 and formaldehyde) of the current situation of residential buildings in North Central South is measured.

(2) Establish a big data database.

(3) Inductively analyze the current status of air quality in residential buildings in North Central South, and propose innovative air quality monitoring technology for hybrid ventilation methods applicable in all parts of North, Central and South Taiwan.

(4) Design a full-scale laboratory and related air quality monitoring and decontamination equipment to conduct experiments.

4. Complete indoor environmental health monitoring technology survey and develop hybrid air purification technology with energy saving benefits.

XIV

(1) According to the characteristics of different regions in North, Central and South, the

experimental results are combined with big data for module setting and data integration and calculation.

(2) Analyze the comparison according to different pollutant cleaning modes and power consumption.

(3) Propose an innovative indoor air quality monitoring technology that is applicable to both “healthy” and “energy-saving” in Taiwan.

This study takes the residential living space unit as the main body. Firstly, for the residential building type, the North Central and Southern District of Taiwan, each case is taken as an example. The IAQ pattern of the air pollution source caused by non-building materials is analyzed by big data. Then, the full-scale research room is used to simulate the multi-person. Closed residential space, using plasma technology with a fan to remove gaseous pollutants and volatile substances, and using the gas detector remote control software to communicate with the ventilation fan to explore the indoor pollutants formaldehyde and carbon dioxide under different mixed ventilation simulations. Concentration control and changes to comprehensively summarize the results of the assessment for design and user reference for health and comfort. The specific findings of the study are as follows:

1. The temperature and humidity of the building living space is closely related to the basic design of the space and the opening of the air conditioning/dehumidification equipment. If the natural ventilation design concept can be considered at the beginning of the building design, the dehumidification equipment can be combined to create a comfortable and energy-saving living space.

2. The CO2 concentration value is good in the general residential space in the space outside the bedroom, but the nighttime in the closed bedroom often exceeds the standard condition,

so the ventilation design of the bedroom should be a more important part of the residential air conditioning design.

摘要

detect the increase of formaldehyde concentration at night due to unknown reasons. The initial judgment is caused by the pollutants floating in the outdoor. In the future, the

outdoor organic pollution source should be discussed in depth. The effect of indoor air quality at night.

4. Compared with Type 1 (CO2 Group A - weak ventilation mode), Type 2 (CO2 Group B - Strong Ventilation Mode) controls the CO2 concentration under more severe conditions and starts 6 times frequently during the experimental time. The introduction of external air by the exhaust mechanism ensures effective control of indoor CO2 concentration and avoids air quality exceeding the legal standard (1000 ppm).

5. Type 3 (HCHO Group A - Weak Plasma Mode) and Type 4 (HCHO Group B - Strong Plasma Mode) The research module is for the simulation room without personnel, so the trend of carbon dioxide concentration is not much changed, and it is maintained at 450~560ppm. In the meantime, it can be known that the CO2 generated during the plasma removal of the aldehyde does not affect the overall CO2 concentration in the room. The experiment also confirmed that the start of the plasma can effectively clean the indoor formaldehyde concentration. Type 4 (HCHO Group B - Strong Plasma Mode) set the indoor formaldehyde removal concentration to a stricter (closed plasma machine at 0.06ppm), and the formaldehyde concentration in the control room is not easy to exceed the standard in the four-hour experiment.

6. Compared with Type 5 (CO2+HCHO Group A - weak plasma ventilation mode) (HCHO monitoring concentration is lower than 0.07ppm to turn off the plasma machine), Type 6 (CO2+HCHO B group - strong plasma ventilation mode) conditions are set Strict (HCHO monitoring concentration below 0.06ppm to turn off the plasma machine), Type 6 (CO2+HCHO B-strong plasma ventilation mode) can effectively control the overall indoor

air quality in the four-hour experiment.

7. This project uses the concept of integration to propose a Health Factor model that can be applied to future indoor air quality big data analysis, which can be useful for future

XVI

generations to explore.

8. This project uses computer linkage equipment (PLC control computer) to automatically control related equipment and record changes in indoor air quality. This study effectively

finds out that the indoor air quality optimization module is Type 6 (strong plasma ventilation mode): HCHO monitoring system is monitored every 25 minutes, when the HCHO monitoring concentration is higher than 0.08ppm, the plasma machine is started, and the HCHO monitoring concentration is low. The plasma machine was turned off at 0.06ppm, and the CO2 concentration was monitored immediately. When the CO2 concentration was higher than 1000ppm, the ventilation fan was started, and the ventilation fan was turned off when the temperature was lower than 800ppm. This research module was provided to the medical institution as the control of indoor air quality control. Recommended standard.

第一章 緒論

第一章 緒 論

第 一 節 研 究 緣 起 與 背 景

由於工商業發達及社會結構的改變，現代人處於室內環境的時間與日俱增，曾有 統計報告指出，一般人平均一生中有 58-78%的時間待在室內，而在一天當中更常有 90% 的時間是在室內環境度過，故室內空氣的品質與個人健康息息相關。依 ASHRAE（美國 冷凍空調協會）研究指出，當人員長時間處於氣密或通風換氣不良環境下，容易導致 病態大樓症候群發生，進而影響工作與學習，甚至危害人體健康。雖然隨著綠建材的 推廣與國民意識的加強，室內建材造成室內空氣品質不佳狀況近年來已有逐步改善。 但隨著住宅建築中室內人員生活習慣的不同，造成非建材所致空氣污染源也會有所不 同，因此創新室內空氣品質監控技術的提出，將是下一階段追求居家生活環境品質提 升的一大重點 。 據中華民國主計處統計 105 年平均就業人口為 11,267 人 ，而在中華民國統計資 訊網《薪資與生產力統計年報》中也顯示，台灣 105 年受雇員工每月工時平均為 169.5 小時 ，說明了一般國人在室內工作時間遠高於在戶外時間，而凸顯其工作效率與環境 重要性，為因應調節台灣濕熱環境以達舒適效果，普遍室內皆以機械式通風維持適當 溫濕度，空調運轉可改變溫溼度，卻無法改善人體排至空間後二氧化碳濃度與智慧化 調控原室內空間中的空氣汙染物。 室內汙染成因有多項要素，為達成省能效益，市面建築多以高氣密、高隔熱為主， 雖然應用了許多綠建材，但是卻未將後續事人員的生活型態與因應對策加入考量，隨 著許多高科技產品使用帶來的多項影響，及都市人口密集、安全問題等多種因素驅使 下，依賴空調設備情形日益居多，進而衍生出許多的非建材室內空氣污染，汙染物中 尤其以二氧化碳及甲醛對於人體身心健康與工作效率影響最大。 近年來，部分住家、公司及公共空間逐漸正視此問題，但多面臨後續能源費用限 制與本身是否合乎經濟效益問題，因而停擺或終止。如何在有限時間下評估耗能與其 他各項包含氣候、室內氣體排放之關係，是未來是否能開發出具智慧化精神的創新室

2 內空氣品質監控技術，並將此系統普及於建築領域使用重要因素之一。 隨著綠建材應用日益普及，控制了來自建材的污染源，於對應室內空氣品法之第 一批的十類公告場所以及第二批的十六類公告場所中，尚無居住住宅類之場所，雖然 在智慧建築評估的八項指標之中已納入節能管理、健康舒適以及智慧創新等相關指 標，對於室內空氣品質管理已有所提升，惟仍有部分建築使用類型因使用之必需，造 成室內空氣中甲醛 TVOC 等類污染物濃度偏高，單純以引入新鮮空氣稀釋室內污染濃度 之空調手法勢必增加龐大電費負擔。有鑒於此，為追求地球永續之普世價值並同時維 護國人健康生活條件，本計畫結合智慧感知控制技術，針對現有空氣清淨控制技術進 行檢討，調查非建材污染源造成室內空氣品質不佳之場所與現況，開放具有省能效益 之室內健康環境資料供大數據應用。

第一章 緒論

第 二 節 工 作 計 畫 流 程

本計畫將針對密閉空間換氣變化及耗電效能，及其對室內空氣影響之變化，藉由 文獻探討與統整，並利用儀器設備進行實測比對，針對在地氣候所需，進一步深入研 究其模式比較分析及變化。執行內容如下: 1. 蒐集國內外大數據技術應用於室內空氣環境資料分析之文獻及案例，並進行分析比 較與探討。預計蒐集之文獻及案例分類如下: (1) 蒐集病態態建築起因與作症狀等相關文獻。 (2) 蒐集通風模式種類之研究文獻。 (3) 蒐整污染物質之危害，起因與人體病症。 (4) 蒐集建築室內環境相關混和通風所探討之相關因子。 2. 蒐集國內外室內空氣環境監控技術發展現況及應用案例，並探討監控數據之應用模 式，預計蒐集之技術與應用案例重點如下: (1) 探討設備運作理論與所需評估之項目。 (2) 釐清室內污染物來源之實驗模擬污染物重要因素。 (3) 設定通風方式設置與配置模式，並設計相關所需氣候及環境變因。 3. 完成住宅建築類型中至少北中南三例，非建材所致空氣污染源之 IAQ 樣態進行大 數據分析，並提出 1AQ 改善策略建議。 (1) 北中南住宅建築現狀案例空氣品質（CO2 及甲醛）實測。 (2) 建立大數據資料庫。 (3) 歸納分析北中南住宅建築空氣品質現況，並提出適用於台灣北中南各地的應用 混合式通風方式之創新空氣品質監控技術。 (4) 設計足尺實驗室與相關空氣品質監測與除污設備，進行實驗。 4. 完成室內環境健康監控技術調查，研發具有省能效益之混合型空氣清淨技術。 (1) 將實驗結果根據北中南不同區域特性，搭配大數據分別進行模组設定與資料整 合及運算。 (2) 依據不同污染物清污模式與耗電進行分析比對。 (3) 提出適用於台灣各地兼具“健康”“節能”創新室内空氣品質監控技術。

4

圖 1-1 工作計畫流程圖 (資料來源:本研究整理)

第一章 緒論

第 三 節 工 作 項 目 與 時 程 管 理

表 1-1 預期研究進度表 工作項目 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 備註 完成國內外大數據技術應用 於室內空氣環境資料分析之 文獻及案例 完成國內外室內空氣環境監 控技術發展現況及應用案例 蒐集，並探討監控數據之應用 模式 完成住宅建築類型中至少北 中南三例，非建材所致空氣污 染源之 IAQ 樣態進行大數據 分析，並提出 IAQ 改善策略建 議 完成室內環境健康監控技術 調查，研發具有省能效益之混 合型空氣清淨技術 預 定 進 度 ( 累 積 數 ) 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 說明: １.工作項目請視計畫性質及需要自行訂定，預定研究進度以粗線表示其起訖日期。 ２.預定研究進度百分比一欄，係為配合追蹤考核作業所設計。請以每一小格粗組線為一分， 統計求得本案之總分，再將各月份工作項目之累積得分(與之前各月加總)除以總分，即為各月 份之預定進度。 ３.科技計畫請註明查核點，作為每一季所預定完成工作項目之查核依據。 (資料來源:本研究整理)

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第 四 節 研 究 團 隊

表 1-2 履行契約能力說明表 參與本案職稱 專或兼 姓名 學歷 專長領域 在本案擔任之工作 計畫主持人(本所派 兼) 兼 鄭元良 博士 建築環境控 制、綠建築 規劃及督導研究內容、 管控進度。 研究員 (業務承辦人員) (本所派兼) 兼 林招焯 博士 建築環境控 制、建築音響 協助規劃及參與研究內 容、管控進度等事宜。 研究員 (業務承辦人員) (本所派兼) 兼 呂文弘 博士 建築環境控 制、綠建築 協助規劃及參與研究內 容。 研究員 (業務承辦人員) (本所派兼) 兼 林霧霆 碩士 建築環境控 制、綠建材 協助規劃及參與研究內 容。 協同主持人 兼 周伯丞 建築學博士 建築環境控 制、綠建築 統籌協同研究事務並擔 任本案協同主持人，撰 寫資料蒐集分析報告。 研究員 兼 李佳言 博士 建築環境智慧 控制、物聯 網、大數據分 析 協助本案進行及協助撰 寫資料蒐集分析報告。 (協助本案之資料蒐集 及辦理相關分派工作) 研究助理 兼 郭仲剛 碩士(肄業) 環境感測、機 電整合、大數 據分析 協助本案資料蒐集及辦 理相關分派工作。 研究助理 兼 詹元慶 碩士(肄業) 室內空氣檢 測、數值解析 協助本案資料蒐集及辦 理相關分派工作。 (資料來源:本研究整理)

第一章 緒論

第 五 節 國 內 外 室 內 空 氣 環 境 監 控 技 術 發 展 及 應 用

室內空氣品質是建築評估中一個值得關注的領域，而其改善的手段住要是通風技 術。由於人們有 60% - 90% 的生活時間是在室內環境 (家庭、辦公室、學校等) ，因 此室內空氣品質是影響個人健康與公共衛生的主要因素[1]。Logue 等人 [2] 估計， 在人均殘疾壽命 (μDALY) 的統計中，受室內空氣品質因子影響極大(不包括二手煙等 來源)，其影響程度介於交通事故意外(4,000 μDALY/p/year)和心臟病死因 (11,000 μDALY/p/year)之間。世界衛生組織統計在 2012 年因室內空氣品質不良的致死人數在 歐洲及美洲分別是 99,000 及 81,000 人[3]。 因此，建築通風系統與技術的改良與進步是極為重要的改善策略。近幾年來，諸 多"智慧通風" 策略的提出與驗證已對於室內空氣品質的改善有了明顯的幫助[4]。在 考量以通風技術進行室內空氣品質改善時，首先應認知通風不應被視為萬能藥，要達 到良好的室內空氣品質，必須從源頭控制和氣體還原為出發點開始思考 [5]，從歐美 居家中的露天壁爐到密封的現代壁爐燃燒裝置的歷史演進是源頭降低需求的一個很好 的例證 [6]。推動低排放的建築材料和傢俱的發展的公共政策也是年來很好的一個例 子，尤其低 VOC 排放的健康綠建材的推廣，足證減少污染源是降低室內污染物的一大 關鍵。 “智慧通風”的關鍵技術概念是採用控制手法，除了可以在指標汙染物超標時進 行通風，也能在顧及通風能耗和空調成本達到平衡點，達到同時兼顧”健康”與”節 能”兩大建築指標。 (一)需求控制通風 (DCV, Demand-controlled Ventilation) DCV 概念是智慧通風策略中的一個具體作法。DCV 系統一般採用現場空氣品質做 為控制便因，如過量 CO2 或濕度來控制通風系統。這些策略在過去 30 年的技術文獻 報告中已提出甚多。DCV 的定義有許多種方式，Mansson 等人[7]指出 DCV 表示因應室 內污染物負荷，以連續且自動調變的通風率降低室內汙染物。Limb [8] 定義 DCV 即 為其通風氣流速率是由選定的污染物濃度來決定，此室內汙染物的濃度是分別由位於 不同房間或區域內的空氣品質感測器進行測量。當污染物濃度水準高於預設濃度時，

8 配合感測器將啟動通風系統。當住戶離開房間時， 污染物濃度降低，通風量也隨之減 少。 目前在文獻和市場上有幾種類型的 DCV，皆取決於建築物的需求模式、感測器網 路形式和控制演算法的不同類型。例如在比利時[9]，DCV 系統根據被不同的空氣品質 因子區分為如 CO2、相對濕度、空間人數、空間類型、區域/中央控制模式、感應器位 置 (分佈式與集中式)、氣流方向 (排氣、進氣、平衡)。以下根據不同的氣流方向分 別進行介紹[10]： 1. 平衡式 DCV 系統－平衡式 DCV 系統控制模式可以集中或分區且分散在每個 房間內，無論是使用一個進氣風扇在每個乾燥室或由緩衝控制氣流分布在每個 空間，最重要的一點是通風系統必須能夠持續平衡的進排氣。 2. 唯一排氣 DCV 系統－唯一 DCV 系統控制有集中與分散兩式。在居家環境中， 進氣口的分佈可以設計在區域中央或採多排氣的分區通風。在非氣密的的房子 裡，此策略效果會因滲透氣抵減空氣進氣口的氣流。此系統可以透過測量 CO2 等不良氣體在居室空間中進行集中調節，對應地調整中央空調設備，對空間中 的進氣口進行調整。

(二)住宅整合式通風-能量控制器 (RIVEC, Residential Integrated Ventilation-energy Controller ) 隨著住宅整合式通風-能量控制器 (RIVEC) 的發展，風扇的耗能逐漸被重視與評 估，為了減少控制風扇的消耗能量 [11]，此智慧通風系統使用等效的通風原理 [12]， 考量多種因素：包括室外條件、峰值負荷，人員數以及其他空調系統的操作進行通風 氣流的調節。RIVEC 的其中一個範例即是一個整合式居家通風系統[13](圖 1-2)，從 其控制模式可知 RIVEC 可隨著其他風扇的操作方式控制強制風扇運轉與停止。相對於 連續通風系統，RIVEC 能在連續計算汙染物劑量與暴露量進行通風的控制。此系統能 夠: 1. 當環境衝擊較小時使用計時器或溫度感應器連結通風，考量到高溫差與低溫差 造成的氣流，因而大幅減少了空調負荷的峰值需求[14]，也增加了感測器網路

第一章 緒論 網格計算的可靠性並有效地降低耗能成本。 2. 進行對於如廚房和廁所排氣扇等其他空氣引導裝置的操作。 3. 減少無人員時間的通風。 4. 當通風量減少時可多次換氣。 5. 考量自然滲透對於整體通風策略的影響。 6. 解決高度尖峰負荷需求的現象。 7. 改變通風時間可減少高濃度的戶外污染物。 圖 1-2 RIVEC 對於整體居家的模擬控制策略[13]

(資料來源: M.H. Sherman, I.S. Walker, Meeting residential ventilation standards through dynamic control of ventilation systems, Energy Build 43, 1904–1912, 2011.)

10 (三)混合式通風(Hybrid Ventilation) 「混合式通風」是最常用來描述既非完全自然通風；也非完全機械通風的通風系 統設計。設計者務實地採用了綜合考量的最佳化設計方式，並非簡單且單一的控制策 略，但卻是為了滿足空間的通風需要，同時儘量減少成本、維修和能源消耗的最佳解 決方案。例如：為了形成可以呼吸的建築，使用高效率離心風機在小空間中可實現混 合通風理念。此設計使用了開窗來輔助並擴大自然通風的影響，因而形成了一種適用 於單邊開窗房間的低耗能通風策略。 雖然現代建築中幾乎沒有純粹採去自然通風方式的空調，從簡陋的廚房或浴廁抽風 機，到大型空調箱，所有建築物都有配備了某種形式的機械通風設備；相對地，設計 良好的建築物通常都會帶有某種形式的自然通風，使用開度可調之窗戶以低供氣高排 氣方式，或將自然和機械通風工作區域直接劃分開來，都是在設計階段可以進行的「混 合通風」模式。 在居住者舒適度方面的考量，混合式通風策略可用在自然通風佔大部分時間的建 築中，在尖峰制冷負荷時段再輔以機械通風，可以協助導出大量內部熱增益和並減少 因為外部溫度造成的能耗波動，比純自然通風策略提高居住者舒適度甚多。可以在平 日的正常條件下，將能源消耗降到最低，同時確保在整體空間都具足夠的通風能力。

第一章 緒論 Kim 等人[15]提出了一種適用於公寓住家(圖 1-3)包含自然進氣與機械排風的混 合式通風系統，使用 CFD 對於三種不同的氣流速度分別進行了分析: 30、60 和 120 m3/h。為了增加居住者的舒適度，此研究針對了氣流速度、溫度和 CO2 濃度分佈方面 進行了探討。從其研究成果可知，通風氣流量不只會影響居住者的舒適度以外，也是 節能的重要考量因子之一。在居住空間中，0.7 的最低換氣率(ACH)是一個不錯的選 擇，60 m3/h 的通風量可以讓居住者熱舒適度達到最佳。但若整個公寓的通風量為 180 m3/h 或起居室-廚房區域的流速為 120 m3/h 會造成極大的能耗損失。 圖 1-3 公寓住家房間配置圖[15]

(資料來源: Moo-Hyun Kim, Ji-Hyeon Hwang, “Performance prediction of a hybrid ventilation system in an apartment house,” Energy & Buildings, 41, 579-586, 2009.)

12 Lim 等人[16]針對複合式住宅提出了一種混合式通風裝置的設計(圖 1-4)，可將此 裝置嵌入窗戶上，同時針對不同的控制手法進行了節能率的評估：分別依據戶外溫度 的變化(在戶外溫度介於 16.5oC-25.5oC 直接以自然通風風勢引入外氣)、熱焓值的變 化(考量外氣溫度與熱交換量進行控制)與室內 CO2 濃度的變化(CO2 濃度超過 1000ppm 時才開啟強制通風)來進行機械通風的運轉。從其模擬評估結果可以看出上述三種控制 手法分別的節能率達到 19.2%、35.3%與 41.3%。由此可知，考量不良氣體濃度因子進 行的通風控制策略設計將是同時達到節能要求的一大手法。 圖 1-4 混合式通風系統設計及其安裝[16]

(資料來源:Young-hoon Lim, Hi-won Yun, Doosam Song, “Indoor Environment Control and Energy Saving Performance of a Hybrid Ventilation System for a Multi-residential Building,” 6th International Building Physics Conference, IBPC 2015.)

第一章 緒論

圖 1-5 類神經網路控制流程[18]

( 資 料 來 源 :G. Brager, S. Borgeson, Y. Lee, Summary report: control strategies for mixed-mode buildings, https://escholarship.org/uc/item/8kp8352h, 2007.)

14 2018 年，Chen 等人[17]提出了應用類神經網路模型[18](圖 1-5)進行控制的一種 混合式通風系統，為了要提高系統的可靠度，許多可能影響模擬結果但普遍存在於現 世生活的相關變因(室內溫度、戶外溫度、相對溼度、季節因素、使用性質與氣流速度 等因子)都進行了量化，以方便納入系統演算(圖 1-6)。相信隨著控制理論與方式的日 新月異未來，未來將會有更有效率且可應用於混合式通風的控制手法問世。 圖 1-6 混合式通風系統類神經網路控制架構圖[17]

(資料來源: Jianli Chena, Godfried Augenbroe, Xinyi Song, “Lighted-weighted model predictive control for hybrid ventilation operationbased on clusters of neural network models,” Automation in Construction, 89, 250-265, 2018.)

(四)汙染因素與改善

1. 室內汙染與通風效益

室內污染與通風效益是影響污染物濃度高低因素的主因，以污染物質量平衡模型 (Mass Balance Model)與通風理論可瞭解影響污染物濃度因子之間相互關聯，本研究 計畫將以「健康性」為切入點，「污染物濃度」與「換氣效能」為主要評估指標(如 1-7 圖所示)。

第一章 緒論 圖 1-7 通風評估效果 (資料來源: 江哲銘、陳念祖、蘇慧貞、鄭懋雄、李彥頤、邵文政、周伯丞，「辦公空 間通風效果與汙染物濃度之研究」中華民國建築學會第十三屆建築研究成果發表會論 文集，2001) 在因應科技進步的腳步下，日趨複雜的建築環境，空調形式及裝潢材料使用皆容 易產生污染物逸散，雖然室內化學物質可經由時間從建材逸散置空氣，並逐漸衰減， 但其仍會造成健康不適，為降低化學物質，可在使用各材料前，挑選低逸散或低化合 物含量標示及認證產品；規劃適當的換氣方式進行適當開窗，在不影響室內環境及冷 暖房條件下，增加換氣量可有效降低化學物質室內污染濃度。 在因應科技進步的腳步下，日趨複雜的建築環境，空調形式及裝潢材料使用皆容 易產生污染物逸散，雖然室內化學物質可經由時間從建材逸散置空氣，並逐漸衰減， 但其仍會造成健康不適，為降低化學物質，可在使用各材料前，挑選低逸散或低化合 物含量標示及認證產品；規劃適當的換氣方式進行適當開窗，在不影響室內環境及冷 暖房條件下，增加換氣量可有效降低化學物質室內污染濃度。 2. 室內污染物質分析 前人研究中發現[江等人,2001]，甲醛(Formaldehyde, HCHO)，及揮發性有機污染 物(Volatile Organic Compounds, VOCs)，對建築室內品質影響較大，甲醛（HCHO）

與總揮發性有機污染物（TVOC）兩者在室內裝修領域有著密切關連。

當有人員活動於室內的上班時段，污染濃度會隨時間累積不斷上升，於假日較少 人員情況下關閉空調，空調便無法稀釋污染物濃度。室內裝修與通風換氣效果皆會影

16 響室內空氣品質，如何降低污染物質成為日後在設計上所需的重點之一，藉由變更通 風換氣量及換氣路徑，將可改善室內環境，進而維持室內人員健康與效能。 3. 病態建築分析與省思 美國國家職業安全衛生機構 NIOSH 指出，53%呼吸道疾病問題來自於室內空氣通風 不當，現代人一天生活在室內空間超過八成以上時間，密閉環境換氣不良以及因裝修 造成的品質惡化已成為一大隱憂，進而對人體產生直接性的影響與傷害，位於美國柏 克萊勞倫斯實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory）創辦人 Arthur Roenfeld 博士 研究顯示，室內品質的改善，將可有效提升工作效率與人員健康 ，是現在與未來極為 重要的課題。

氣通風不當，現代人一天生活在室內空間超過八成以上時間，密閉環境換氣不良 以及因裝修造成的品質惡化已成為一大隱憂，進而對人體產生直接性的影響與傷害， 位於美國柏克萊勞倫斯實驗室（Lawrence Berkeley Laboratory）創辦人 Arthur Roenfeld 博士研究顯示，室內品質的改善，將可有效提升工作效率與人員健康 ，是 現在與未來極為重要的課題。

(1)何謂病態建築?

「病態建築」 (Sick Building) 是 1983 年由世界衛生組織(World Health Organization,WHO) 提出，最初研究人員以「病態建築症候群」 (Sick Building Syndrome) 作為因其建築空間而發生不適而產生之病狀，而依此所顯現出病症可分為 黏膜及皮膚刺激、神經毒性症狀、非特定異性病徵以及嗅覺與味覺不適，因而造成眼、 口、皮膚出現乾、癢、痛；頭部不適與記憶力無法集中以致昏睡；支氣管不適情形。 根據估計約有 30%經裝修後建築有病態建築問題存在，而內部人員約有 10-30%有以 上症狀，在室內無充分換氣、室內外化學污染物質與生物性污染均有可能為引發原因。 (2)改善現況可行性 此病症大多在離開該空間後即可逐漸緩解，而建築設計、室內污染源、心理及工 作因素等原因均有可能造成狀態產生。 4. 室內裝修建材有機物—甲醛逸散

第一章 緒論 (1)建築 常用建材中，大多經過化學加工處理，雖因日漸受到重視，但裝修時若未使用低 游離甲醛合板，將導致部分有機化合物 (VOC) 在裝修後的數年仍會逸散於空氣中，加 上建築密閉性及空調設備使用率提高，當人員進入室內，便會直接與間接進入人體， 導致不適甚至慢性疾病、致癌風險產生，本次研究以甲醛作為介紹與探討。 甲醛 (Formaldehyde, HCHO) 為普遍存在於室內的無形無色氣體，出現於木料板 材之合成樹脂接著劑與塗料，更是發泡絕熱材之一，對人體五官及皮膚均有刺激及過 敏起疹現象。 (2)其他汙染源 甲醛在許多工業製品上被大量使用，在常用民生用品：盥洗用之清潔液、化妝品、 殺蟲與防腐及除臭劑、紙張等用途 [Cooper, 1952; Hines, et al.,1993]，也很常用 於紡織用品與皮料加工。

在美國毒性物質致癌分類及國際癌樓研究署 (International Agency for

Research on Cancer, IARC) 更將甲醛歸類於可能致癌之人類致癌物(如表 1-3 所示)。 表 1-3 甲醛濃度對人體的影響 濃度 (ppm) 影響 0.1-0.3 最低觸發性刺激 0.8 空氣中出現臭味情形 1-2 人體微量刺激感 2-3 眼鼻喉出現局部刺激 4-5 刺激眼膜，以致流淚 10-12 具撕裂性燒灼感與咳嗽，無法長時間停留在此空間 50-100 在短時間即可造成嚴重傷害

美國環保署整合毒理資料庫(Integrated Risk Information System, IRIS) (資料來源:美國環保署整合毒理資料庫(Integrated Risk Information System, IRIS))

第二章 研究方法

第二章 研究方法

第 一 節 CO2 智 慧 通 風 策 略

從歷史上看, 濕度和 CO2 最常被用來作為室內空氣品質的指標因子，因此 DCV 系統的控 制變因中，相對溼度是被優先考慮的因子之一 [5]。而 CO2 雖然在許多法規與研究中的危險濃 度是暴露在 10,000 ppm30 分鐘，才會對於健康成人造成呼吸性酸中毒與過量的身體負荷 [19]。國內室內空品質管理法對於 CO2 的標準值是訂在 1,000 ppm。Jreijiry 等人 [20] 開發 出結合自然通風與強制通風的 DCV 系統，以一年四季的氣候變遷針對實驗空間中的兩套分別以 CO2 濃度與人員數進行通風控制的 DCV 系統進行模擬分析與比較。從其研究中可以看出室內人 員數對於 CO2 濃度與空調能耗皆有極大的影響與衝擊。

Nelson 和 Drivsholm [21] 提出了一個可以應用在 ACU 單元上的簡單 DCV 控制模式，可 藉著調整風扇速度在高低兩個不同轉速之間達到控制的效果。高風速設定為 100% 的氣流量 (216 m3/h);而低風速設定為高風速的 40%。從其研究中可以觀察到，在高風速運轉時排風扇 氣流與外氣中的 CO2 濃度差約有 200 ppm 的差異。 Laverge 等人 [3] 在比利時住宅中提出了四種 DCV 控制策: 1) 以排氣 70%相對濕度為 通風"開閉"的控制點、2) 以偵測人員進入超過 20 分鐘為控制點、3)如果是內 CO2 濃度低於 1,000 ppm 時，引入外氣減少室內濃度 10%及 4) 結合上述三種控制變因的綜合控制法。從其 研究成果可以看出結合不同控制變因進行控制時的節能率可以從單一變因的 25%提升到三種 變因綜合考量時的 60%。因此在控制策略的擬定時，環境因子的偵測評估與綜合考量是能否 達到節能的重要因素。

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第 二 節 甲 醛 去 除 策 略

傳統在非建材逸散之甲醛去除方式主要藉由通風換氣方法，但是在考量建物特性 與節能要求時，藉由大氣電漿來去除甲醛已在近幾年逐漸被應用在室內環境當中。 在 Liang 等人[22]與 Shimizu 等人[23]的研究中發現在含有水蒸氣的氮氣中使 用電漿可以利用反應動力學機制將空氣中有害物質進行分解，這種分解過程是從電子 衝擊水蒸氣造成分解出 OH 與 H 基團開始導入，詳細分解過程的化學反應機制如下所述： 電漿中解離出的電子撞擊水分子形成質子與氫氧自由基(式 1)，氫氧自由基亦會由 被激發的氧原子 O(1_{D)及分解的水分子彼此間產生的化學反應形成(式 2)，除此之外,被激} 發之 N2原子亦可能與分解的水蒸氣產生化學反應(式 3)，室內空氣中的甲醛分解將會衍 生出臭氧(O3)成為另一種活性物質，而臭氧的形成主要是經由如下之空氣中氧氣自由基反 應產生出來(式 4~式 9)，其中 N2(A3Σu+)、N2(B3Πg)、N2(a’1Σu-)皆為由電子激化(Electronic Excitation)產生之氮原子，M．則為某一不穩定分子。上述這些電漿產生的反應物分子將 會與甲醛進行反應，引導出一連串的化學反應(式 10~式 25)，而上述反應中產生的 CO 可 經由更進一步氧化反應形成 CO2。 e- + H2O → e- + H + OH, (式 1) O(1D) + H2O → 2OH, (式 2) N2* + H2O → OH + H + N2, (式 3) e- + O2 → e- + O(3P) + O(3P, 1D), (式 4) N2(A3Σu+) + O2 → N2 + O2 , (式 5) N2(A3Σu+) + O2 → N2 + O + O, (式 6) N2(B3Πg) + O2 → N2 + O + O, (式 7) N2(a’1Σu-) + O2 → N2 + O + O, (式 8) O(3P) + O2 + M → O3 + M, (式 9) HCHO + O → HCO + OH, (式 10) HCHO + OH → HCO + H2O, (式 11)

第二章 研究方法 HCHO + OH → H + HCOOH, (式 12) HCHO + H → HCO + H2, (式 13) HCOOH + OH → H2O + CO2 + H, (式 14) HCO + H2 → H + HCHO, (式 15) HCO + O2 → HO2 + CO, (式 16) HCO + H → H2 + CO, (式 17) HCO + O → CO2 + H, (式 18) HCO + O → CO + OH, (式 19) HCO + OH → H2O + CO, (式 20) HCO + HO2 → OH + CO2 + H, (式 21) HCO + H2O2 → CH2O + HO2 , (式 22) HCO + H2O→ CH2O + OH, (式 23) HCO + HCO → CH2O + CO, (式 24)

HCO + O3 → H + O2 + CO2 (式 25)

因此本計畫採用上述電漿(圖 2-1)分解甲醛的原理，設計出使用電漿機分解 甲醛的方法，並搭配 CO2 的機械通風系統，結合成為一種新式的空氣清淨系統，並應 用在居室空間的實驗上，以觀察其清淨空氣的效果。

圖 2-1 除醛電漿機之設計[24]

(資料來源: Lo, T. H., Tsay, Y. S., Chiang, C. L., & Lee, C. Y., “Experimental evaluation of indoor

formaldehyde decomposition performance of atmospheric plasma reactor utilizing sensor network,”International Journal of Distributed Sensor Networks, 11(6), 761439, 2015.)

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第 三 節 大 數 據 應 用

大數據(Big Data)是一套系統化、標準化及科學化的複雜概念，包含商業與管理 的專業，須具備電腦儲存的位元組概念，以及網路應用、系統管理等專業知識，並可 以下列公式代表「大數據」=事務處理(transaction)+互動(interaction) +觀測 (observation) [25]，清楚闡釋「大數據」意涵。一般認知的「大數據」具備了 5V 與 1C 六大特性： (1) 巨量性(Volume)：大數據特色在於「龐大」，無論政府機構或民間企業使用的即時 性感測器資料多元且巨大，極容易達到兆位元組(TeraBytes)甚至拍位元組 (PetaBytes)等級。當前全世界每年產生的數據量已達 2 Zettabyte(ZB)< Gigabyte (GB 單位的一兆倍>。人們每天約製造 2.5 MB 資料，過去兩年建立的資 料估占現今世界總量的 90%。由於資料龐大複雜，難以使用傳統方式整理，因此 必須透過新的硬體與演算系統加以管理分析方能解讀。 (2) 即時性(Velocity)：大數據通常具有時效性，一旦串流到運算伺服器就須立即使 用，即時發揮其價值。由於資料產生的速度不斷躍升，越來越多的資料會透過網 路或感測器及時紀錄、傳遞與儲存，必須應用高效率及自動化運算系統(如串流 運算)才能進行分析。為了創造更高利潤，相關業者無不致力於縮短蒐集與分析 處理時間。 (3) 多樣性(Variety)：大數據資料範圍不僅包括結構化資料「結構化」、還包含了非 結構化資料，如文字、音訊、視訊、點擊串流與日誌檔等。而數據可以依其組合 性質分為「結構化」、「半結構化」、「準結構化」和「非結構化」等四類型。 (4) 變異性(Variability)：由「誰」來主導分析資料是一大關鍵「結構化」、不同目 的與背景的人在相同時間對於相同資料進行的分析，常會出現南轅北轍的分析結 果，嚴重影響分析的正確性。 (5) 不確定性(Veracity)：由於資料在蒐集、儲存與分析過程中常會因為人為錯誤或 欺騙，或因演算系統的失準等原因，造成了大數據分析「不準確」的特性，因而 出現不一致(inconsistencies)、不完整(incompleteness)、不明確(ambiguity)

第二章 研究方法

與延宕、造假(deception)、型態相近(model approximations)等瑕疵。

(6) 複雜度(Complexity)：資料管理是一個複雜的過程，特別是大量數據來自不同來 源時，相關數據資料必須經過截取(grasp)、連結(connected)、分類

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「大數據」在建築上常用來構成建築資訊模型(Building Information Modeling, BIM)，可使用電腦應用程式直接計算或分析建築或建築工程資訊模型。除了建築模型 以外，還包括建築物件的所有資訊，如建築的平面、立面、剖面、詳圖、三維立體圖、 材料明細表、光線模擬…等，還涵蓋了幾何學、空間關係、地理資訊系統、各種建築 元件性質與數量。可展示包含興建與營運過程的整個建築週期；並可將建築與機電、 結構等系統同時或個別呈現出來，可以做為設計、建造、建築物業主與經營者溝通的 橋樑，並提供處理工程專業所需的即時資訊。 近年來，Cheng 等人[26]擴展上述大數據的應用從建築生命週期到了室內空氣品 質的評估，對於位於中國天津的公寓室內與戶外的 PM2.5 濃度進行了大數據分析，從 其研究結果可以看出雖然兩者之間的關係隨著建築外型與氣候條件有所不同，但還是 具有極大的關聯性(圖 2-2)。此研究成功地呈現「大數據」除了建築工程以外還能應 用在室內空氣品質預測的可行性。 (a) (b) 圖 2-2 模擬與量測之 ACH 與室內外之 PM2.5 濃度比較圖(a)主臥、(b)次臥[26]

(資料來源: Xionglei Cheng, Hao Zhang, Wuxuan Pan, Sumei Liu, Mingrui Zhang, ZhengweiLong, Tengfei Zhang, and Qingyan Chen, “Field study of infiltration rate and its influence on indoor air quality in an apartment,” 10th International Symposium on Heating,

第二章 研究方法

Ventilation and Air Conditioning, ISHVAC2017, Jinan, China, 19-22 October 2017.)

Cociorva 等人[27]在透過大數據分析後，提出了一種廣泛使用電子鼻氣體偵測器偵 測室內空氣品質進行對於 HVAC 系統的模糊控制(圖 2-3)。此控制模式同時提升了能源的使 用效率並改善了空氣品質，並因為控制模式的提升，預期未來可與人工智慧(AI)結合，落 實到「智慧建築」的概念之上。

圖 2-3 應用類神經網路的室內空氣品質控制邏輯圖[27]

(資料來源:Sorin Cociorva, Andreea Iftene, “Indoor air quality evaluation in intelligent building,” Sustainable Solutions for Energy and Environment, EENVIRO 2016, , Bucharest, Romania, 26-28 October 2016.)

26 綜合上述大數據的應用，本計畫將應用外氣(環保署空氣品質監測數據)及內氣(北 中南三案例)來建立大數據資料庫，並以電腦連動設備(PLC 控制電腦)建立監控模組， 對室內空氣品質進行監控，藉此維持室內空氣品質。如圖 2-4、2-5 所示。 圖 2-4 PLC 監控系統室內配置圖 (資料來源:本研究整理) 通風扇 PLC 控制系統 感應器 除甲醛電漿機

第二章 研究方法 當室內二氧化碳濃度過高，通風扇開啟，引進外氣。 當室內甲醛濃度過高，開啟電漿機，降低甲醛濃度。 當感應器監測到外物汙染時，同時啟動風扇排氣及電漿機，來維持室內空氣品質。 圖 2-5 PLC 監控系統應用圖 (資料來源:本研究整理)

第三章 研究成果

第三章 研究成果

第 一 節 住 宅 建 築 IAQ 樣 態 實 測 結 果 與 分 析

本計畫已完成住宅建築類型台灣北中南區各一例(對應環保署測站分別為士林站/西屯站/ 仁武站)，非建材所致空氣污染源之 IAQ 樣態進行大數據分析： (一)北部大樓客廳量測案例 本計畫為調查分析住宅建築類型中之非建材所致空氣污染源之 IAQ 樣態並建立資料庫，在 北區住宅中選定位於台北北投區大樓客廳進行連續 48 小時之溫度/濕度/CO2/甲醛實測(圖 3-1 〜圖 3-4)，並同時比對同時間之環保署數據，進行大數據分析。另因環保署數據無戶外甲醛數 據，本計畫另整理廣被關心的 PM2.5 數據進行討論(圖 3-5)。 (a) (b) 圖 3-1 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳(a)室內(b)戶外溫度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理)

30 從圖 3-1(a)與(b)的比較分析可以看出，因為時序已進入夏季，位於北部市郊大 樓室內溫度在無開啟空調環境下大多處於 28o C 以上之較不舒適區間；雖然從兩張圖上 可以看出室內溫度的上升下降受戶外溫度影響甚大，只是因為大樓的自然通風設計較 為不佳，在室內外造成了約 3-5o C 的溫差現象，導致該大樓客廳若要達到較舒適的溫 度範圍，適當使用空調系統是必要的。 (a) (b) 圖 3-2 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳(a)室內(b)戶外相對溼度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-2 (a)與(b)的比較分析可以看出，戶外相對溼度因為受陰雨綿綿天氣的影 響，大部分時間維持在 80%RH 以上，甚至接近 100%RH；但是從室內相對濕度量測結果 看來，此大樓客廳因為除濕機開啟的影響，相對濕度值大多維持在 70%RH 以下；從兩 張圖上可以看出室內溼度的升降亦受戶外溼度影響極大，但若加上室內的除濕設備，

第三章 研究成果

32 (a) (b) 圖 3-3 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳(a)室內(b)戶外 CO2 濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-3 (a)與(b)的比較分析可以看出，室內受戶外 CO2 濃度值影響的程度極 低，反而會受客廳駐留人數的影響較大；從圖 3-3(a)5/19 17:00〜19:00 間的 CO2 濃 度值升高到接近 900 ppm 的不良等級，雖然隔天(5/20)同一時段的 CO2 濃度只有略為 升高，可以看出客廳在傍晚家人聚集時常會出現 CO2 上升的情況，若是沒有適當的自 然(或機械)通風手段，若聚會人數略多時，CO2 濃度極易高過建議值(1000 ppm)，甚 至會減低室內人員的注意力與專注度。

第三章 研究成果 圖 3-4 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳室內甲醛濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 圖 3-5 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓戶外 PM2.5 濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 圖 3-4 為 2018/5/19〜2018/5/20 北部大樓客廳室內甲醛濃度量測曲線圖，從圖中 甲醛濃度的變化情形可以清楚看出變動的情況十分劇烈，很明顯可以排除建材的逸散 因素，在日夜間的人員清醒生活時段的甲醛濃度雖可能因為不同的居家生活用品或衣 物逸散出的甲醛而有所變動，但卻在環保署建議健康範圍內(0.08 ppm 以下)。反而是 夜間或凌晨客廳無人時段有接近 0.08 ppm 的情形發生，經研判係受戶外空氣影響，附 近工廠偷排廢氣或燃燒垃圾時釋放出的有害物質中的甲醛被本計畫實驗設備捕捉，進 而得出此與室內因素關聯性較低的量測結果。圖 3-5 為環保署在此兩天的戶外 PM2.5 濃度量測曲線，雖然全部的量測值都低於 35 μg/m3 的環保署建議值，但是在與甲醛

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相同飆高的時段也同時可以發現 PM2.5 濃度同時上升，足證上述半夜不可預期戶外汙 染源出現的事實。

第三章 研究成果 (二)中部透天厝臥室量測案例 中部住宅中選定位於台中南屯之透天厝臥室進行連續 48 小時之溫度/濕度/CO2/ 甲醛實測(圖 3-6〜圖 3-9)，並同時比對同時間之環保署數據，進行大數據分析。另因 環保署數據無戶外甲醛數據，本計畫另整理廣被關心的 PM2.5 數據進行討論(圖 3-10)。 (a) (b) 圖 3-6 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室(a)室內(b)戶外溫度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-6(a)與(b)的比較分析可以看出，因為時序為晚春，位於中部市區透天厝 室內溫度在無開啟空調環境下大多處於 22〜32o C 之溫度區間，雖然在下午無人停留臥 室期間會因外氣溫度的升高，造成室內臥室會有高於 30o C 的高溫出現。但是在晚上 22:00-早上 8:00 的臥室溫度會因戶外溫度的下降，因而處於極為舒適的 25o C 室溫範 圍附近，實際上此時節沒有開啟空調系統控制溫度的必要性。

36 (a) (b) 圖 3-7 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室(a)室內(b)戶外相對溼度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-7 (a)與(b)的比較分析可以看出，戶外相對溼度在凌晨時段會受霧氣影響 會有高於 70%RH 以上的情形；但是從室內相對濕度量測結果之對應關係看來，其與戶 外濕度的關聯性極大，也同樣在夜間凌晨時段會有高於 70%RH 以上的情形，但是其他 時段的相對濕度值多維持在 50-70%RH 的舒適範圍內。可知該建築臥室的通風設計明顯 可以強化室內外溫濕度的一致性。

第三章 研究成果 (a) (b) 圖 3-8 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室(a)室內(b)戶外 CO2 濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-8(b)的環保署數據可知此段時間的戶外 CO2 濃度變動極小，但是圖 3-8(a) 中室內 CO2 濃度值卻因為晚上進入臥室就寢人員呼出氣體的影響，在 1:00-8:00 的睡 覺期間上升到超過 1000 ppm 的不良濃度值，可知睡眠中門窗緊閉且沒有適當的通風設 備輔助，常會造成臥室內出現 CO2 上升的情況，或許許多現代人睡眠品質不良的因素 與此有關，值得後續另案探討。

38 圖 3-9 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室室內甲醛濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 圖 3-10 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝戶外 PM2.5 濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 圖 3-9 為 2018/4/4〜2018/4/5 中部透天厝臥室室內甲醛濃度量測曲線圖，從 圖中甲醛濃度的變化情形可以清楚看出其變動的情況與 CO2 濃度變化類似，都出現在 夜間人員進房後，雖然並未超過 0.08 ppm 的建議值，但可以推測應該是人員抽菸等類 似行為引起。圖 3-1-10 為環保署在此兩天同一區域的戶外 PM2.5 濃度量測曲線，從 中可以看出 PM2.5 量測值都在環保署建議值 35 μg/m3 + 15μg/m3 的區間變動，推測應 該是台中火力發電廠此一固定汙染源的影響。

第三章 研究成果 (三)南部公寓書房量測案例 南部住宅中選定位於高雄鳥松之公寓書房進行連續 48 小時之溫度/濕度/CO2/ 甲醛實測(圖 3-11〜圖 3-14)，並同時比對同時間之環保署數據，進行大數據分析。另 因環保署數據無戶外甲醛數據，本計畫另整理廣被關心的 PM2.5 數據進行討論(圖 3-15)。 (a) (b) 圖 3-11 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房(a)室內(b)戶外溫度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-11(a)與(b)的比較分析可以看出，雖然時節為晚春，位於中部南部郊區的建 築微氣候已接近夏天，公寓書房室內溫度在無開啟空調環境下大多處於 26〜29o_{C 之溫} 度區間，雖然在日間會因為太陽曝曬與外氣溫度的升高，造成室內書房會有接近 29o_C 的高溫出現，其日間的室溫因問空調設備的開啟，可以形成比外氣溫度略降約 2-4o

40 (a) (b) 圖 3-12 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房(a)室內(b)戶外相對溼度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-12 (a)與(b)的比較分析可以看出，戶外相對溼度在夜間與凌晨時段會受霧 氣影響會有高於 70%RH 以上的情形；但是從室內相對濕度量測結果之對應關係看來， 戶外濕度的關聯性並沒有前述兩室內空間那麼大，不管白天或夜間都常維持再高於 70%RH 以上的情形，可知該此書房有極高的除濕需求。

第三章 研究成果 (a) (b) 圖 3-13 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房(a)室內(b)戶外 CO2 濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 從圖 3-13(b)的環保署數據可知此段時間的戶外 CO2 濃度變動極小，但是圖 3-13 (a) 中的室內 CO2 濃度值卻因為晚上人員進入書房的短暫停留而有部分升，但還都遠低於 1000 ppm 的不良濃度值，可知此書房的空間設計雖然除溼功能不佳，但是在通風設計 上稱良好。

42 圖 3-14 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房室內甲醛濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 圖 3-15 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房戶外 PM2.5 濃度量測曲線圖 (資料來源:本研究整理) 圖 3-14 為 2018/4/14〜2018/4/15 南部公寓書房室內甲醛濃度量測曲線圖，從圖中甲醛濃度 的變化情形可以清楚看出其變動的情況竟然會與戶外 PM2.5 濃度(圖 3-15)同時在 4/15 17:00 後 開始急速升高，可推測應該是附近工業區出現了固定汙染源，同時造成了室內甲醛與戶外 PM2.5 的升高。從上述量測結果與環保署環境監測數據進行大數據分析後可以看出，目前台灣的室內 空氣品質若能排除建材因素以外，氣候因素會影響室內溫溼度，室內 CO2 濃度會受空間駐留人 員數與通風設計影響，而室內甲醛濃度在本計畫的監測過程中發現明顯與夜間或凌晨之大氣擴

第三章 研究成果

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第 二 節 非 建 材 因 素 之 室 內 空 氣 環 境 品 質 改 善 策 略

從前述量測資料可知現階段非建材因素之室內空氣品質因子主要為 CO2 及甲醛，故本計畫 將以混合式通風下室內 CO2 及甲醛兩大污染物濃度的排除方式與成效進行研究。為降低人員直 接進入研究空間之干擾風險，及了解系統是否在排除污染物同時達到節省能源目的，本研究設 置可程式控制器(Programmable Logic Controller, PLC)連動系統，以便瞭解整體濃度變化與 耗能狀態。透過置於研究室外之電腦進行系統連線即時檢測，當室內污染物質超標便自動啟動 通風扇及電漿設備，直接導入外部空氣入室內，並於足尺研究室外窗台架設個人氣象站，於研 究進行時以溫溼度檢測儀作為輔助同步監測背景溫度及環境條件，於背景氣候穩定情況下進行 測試。 (一)研究場域設計 本計畫將以足尺研究室(研究室空間長、寬、高分別為 3.6m、3.3m、2.4m)作為研究地點， 研究室由夾板隔間與實牆構成，天花板及地板面為輕鋼架，單面牆整面書櫃，並有整面牆有大 面窗戶(圖 3-16)，實驗設備說明如表 3-1。本計畫將在觀察室外溫度超過 32℃、濕度不控制之 條件下，研究時段為上午 10 點至下午 2 點，藉由控制 CO2 鋼瓶之開啟/關閉，檢測室內 CO2、 甲醛變化，並觀察儀器啟動之效能。實驗初始條件為：於開啟空調未引進外氣的密閉實驗空間 中使用 PMD01 四合一(溫度/濕度/CO2/甲醛)氣體偵測器，研究模組將分成六組研究設定(表 3-2)，藉以探討其不同智慧型混和通風系統之清淨效果。 圖 3-16 足尺研究室儀器設備配置圖 (資料來源:本研究整理)