建築物整合太陽能光電板外牆耐風設計研究

建

築

物

整

合

太

陽

能

光

電

板

外

牆

耐

風

設

計

研

究

內

政

部

建

築

研

究

所

協

同

研

究

報

告

年

度

105

建築物整合太陽能光電板外牆耐風

設計研究

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 105 年 12 月

計畫編號：10515B0007

建築物整合太陽能光電板外牆耐風

設計研究

研 究 主 持 人 ： 鄭元良 協 同 主 持 人 ： 陳若華 研 究 員 ： 聶國昀、范智光、許敬昀、鐘政洋 研 究 助 理 ： 周晉成、王家驊 研 究 期 程 ： 中華民國 105 年 2 月至 105 年 12 月

內政部建築研究所協同研究報告

中華民國 105 年 12 月

I

目次

目次 ... I

表次 ... III

圖次 ... V

摘 要 ... XI

ABSTRACT ... XV

第一章 緒 論 ... 1

第一節 研究緣起與背景 ... 1

一、研究緣起 ... 1

二、研究背景 ... 1

第二節 研究內容與方法 ... 2

第三節 研究流程與進度規劃 ... 5

第二章 文獻回顧 ... 7

第一節 建物整合太陽光電板 ... 7

第二節 太陽光電板之氣動力特性 ... 8

第三節設計風壓係數推估 ... 19

II

第三章 遮陽板形式太陽光電板之氣動力特性實驗 ... 21

第一節 流場規劃 ... 21

第二節 實驗量測與模型規劃 ... 22

第四章 研究成果與檢討 ... 33

第一節 建物整合遮陽板形式太陽光電板風載重評估 ... 33

第二節 雙層牆之外牆風荷載 ... 57

第五章 結論與建議 ... 69

第一節 結論 ... 69

第二節 建議 ... 71

附錄一、評選委員意見及廠商回應一覽表 ... 73

附錄二、期中審查會議委員意見及回應一覽表 ... 77

附錄三、專家座談委員意見及回應一覽表 ... 83

附錄四、期末審查會議委員意見及回應一覽表 ... 87

參考書目 ... 93

III

表次

表 3-1 水平遮陽板形式光電板陣列排列方式 ... 31

表 A-1 評選意見及廠商回應一覽表 ... 73

表 A-2 期中審查會意見及回應一覽表 ... 77

V

圖次

圖 1-1 計畫執行流程 ... 5

圖 2-1 屋頂上太陽光電板陣列氣動力特性研究採用之(a)模型安

裝情形，(b)幾何控制參數，(c)來流之風向角定義。 ... 9

圖 2-2 平屋頂建築物，各排太陽光電板上所受整體平均淨風壓係

數隨風攻角變化，(a)無間距，(b)1 單位間距，(c)2 單位間距，

(d)3 單位間距。 ... 11

圖 2-3 平屋頂建築物，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距離時

整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣退

縮 1 單位寬(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 13

圖 2-4 平屋頂建築物，三排太陽光電板間距 1 單位寬與屋頂前

緣不同距離時整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣退縮

1 單位寬(b)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 14

圖 2-5 不同屋頂坡度，三排太陽光電板與屋頂前緣切齊時整體

淨風壓係數隨風攻角變化，(a)平屋頂，(b)坡度 1:8 屋頂，(c)

坡度 1:4 屋頂，(d)坡度 1:2 屋頂。 ... 15

圖 2-6 平屋頂含女兒牆時，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距

離時整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前

VI

緣退縮 1 單位寬，(c)與前緣退縮 2 單位寬。 ... 17

圖 3-1 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖

面 ... 21

圖 3-3 模型風攻角定義 ... 22

圖 3-3 氣動力模型 (a)水平遮陽板 (b)垂直遮陽板 ... 23

圖 3-4 具有傾角的形式水平遮陽板氣動力模型(a) 向下 30 度傾

角 (b) 向下 15 度傾角 ... 24

圖 3-5 具有外伸形式水平遮陽板氣動力模型(a)外伸 5mm (b)外

伸 10mm ... 25

圖 3-6 具有不同間距形式雙層外氣動力模型(a)間距 10mm (b)間

距 50mm ... 27

圖 3-7 電子式壓力掃描模組 ... 27

圖 3-8 壓力訊號處理系統 ... 28

圖 3-9 各風壓孔淨風壓平均值配合貢獻面積加權計算各項整體

風荷載係數 ... 30

圖 3-10 整體風壓係數定義 ... 30

圖 4-1 各片水平遮陽形式太陽光電板的板面平均淨風壓係數分

布，上下間距比(S/A)為 1.5，風攻角(a)0 度 (b)45 度 (c)90 度。

VII

(不含風壓孔的光電板忽略未繪出) ... 34

圖 4-2 各片水平遮陽形式太陽光電板的整體平均淨風壓係數，排

列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 35

圖 4-3 各片水平遮陽形式太陽光電板的整體擾動性淨風壓係

數，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 36

圖 4-4 風攻角 0 度時，最邊緣水平遮陽形式太陽光電板的淨風壓

係數機率密度函數分布情形，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5

(b)1.5 ... 37

圖 4-5 屋頂高度處水平遮陽形式太陽光電板的尖峰淨風壓係數

隨風攻角變化，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.538

圖 4-6 各片垂直遮陽形式太陽光電板的板面平均淨風壓係數分

布，上下間距比(S/A)為 1.5，風攻角(a)0 度 (b)45 度 (c)90 度

(d)180 度。(不含風壓孔的光電板忽略未繪出) ... 40

圖 4-7 垂直排列太陽光電板各片整體平均淨風壓係數隨風攻角變

化，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 41

圖 4-8 垂直排列太陽光電板各片整體擾動性淨風壓係數隨風攻角

變化，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 42

圖 4-9 最側邊邊緣太陽光電板的淨風壓係數機率密度函數分布

情形，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5，風攻角 0 度 (b)1.5，

VIII

風攻角 45 度 ... 43

圖 4-10 最側邊邊緣處垂直遮陽形式太陽光電板的尖峰淨風壓係

數分布，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 44

圖 4-11 向下傾角 30 度太陽光電板的各片整體平均淨風壓係數分

布，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 (d)2.0 ... 47

圖 4-12 向下傾角 30 度太陽光電板的各片版面平均淨風壓係數分

布，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 (d)2.0 ... 47

圖 4-13 向下傾角 15 度太陽光電板的各片的整體平均淨風壓係

數，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 48

圖 4-14 屋頂高度，向下傾角 30 度太陽光電板的整體擾動性風壓

係數，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 (d)2.0 .. 50

圖 4-15 屋頂高度，向下傾角 15 度水平太陽光電板的擾動性風壓

係數分布，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 50

圖 4-16 屋頂高度，向下傾角 30 度太陽光電板的尖峰淨風壓係數

分布，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 (d)2.0 .. 52

圖 4-17 屋頂高度，向下傾角 15 度水平太陽光電板的尖峰淨風壓

係數分布，排列的左右間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5 ... 53

圖 4-18 具備不同外推間距之水平遮陽板整體平均淨風壓係數隨

風攻角之變化，(a)無向下傾角，外伸四分之一版深 (b)無向

IX

下傾角，外伸二分之一版深 (c)向下傾角 30 度，外伸四分之

一版深。 ... 55

圖 4-19 具備不同外堆間距之水平遮陽板整體擾動性淨風壓係數

隨風攻角之變化，(a)無向下傾角，外伸四分之一版深 (b)無

向下傾角，外伸二分之一版深 (c)向下傾角 30 度，外伸四分

之一版深。 ... 56

圖 4-20 具備側邊開口之開孔率 2.4%雙層牆外牆，與建築物不同

間隙下之版面平均淨風壓係數分布，間隙比

S / HB

_=(a)3.3%

(b)6.7% (c)10% (d)16.7% ... 60

圖 4-21 具備側邊開口之開孔率 2.4%雙層牆外牆，與建築物不同

間 隙 下 之 版 面 擾 動 性 淨 風 壓 係 數 分 布 ， 間 隙 比

S / HB

₌

(a)3.3% (b)6.7% (c)10% (d)16.7% ... 61

圖 4-22 具備頂邊開口之開孔率 2.4%雙層牆外牆，與建築物不同

間隙下之版面平均淨風壓係數分布，間隙比

S / HB

_{= (a)3.3%}

(b)6.7% (c)10% (d)16.7% ... 62

圖 4-23 具備頂邊開口之開孔率 2.4%雙層牆外牆，與建築物不同

間 隙 下 之 版 面 擾 動 性 淨 風 壓 係 數 分 布 ， 間 隙 比

S / HB

₌

(a)3.3% (b)6.7% (c)10% (d)16.7% ... 63

圖 4-24 具備頂部及側面均開口之開孔率 2.4%雙層牆外牆，與建

築物不同間隙下之版面平均淨風壓係數分布，間隙比

S / HB

X

= (a)3.3% (b)6.7% (c)10% (d)16.7% ... 64

圖 4-25 具備頂部及側面均開口之開孔率 2.4%雙層牆外牆，與建

築物不同間隙下之版面擾動性淨風壓係數分布，間隙比

S / HB

= (a)3.3% (b)6.7% (c)10% (d)16.7% ... 65

圖 4-26 具備頂邊開口及間隙比 6.7%之雙層牆外牆，與建築物不

同開孔率之版面平均淨風壓係數分布，開孔率(a)0.6% (b)1%

(c)2.4% ... 66

圖 4-27 具備頂邊開口及間隙比 6.7%之雙層牆外牆，與建築物不

同開孔率之版面擾動性淨風壓係數分布，開孔率(a)0.6%

(b)1% (c)2.4% ... 67

XI

摘 要

關鍵詞：風荷載、建物整合太陽光電板、風洞實驗 一 、 研 究 緣 起 外牆 附屬構 件 如建物 整 合太陽 光 電板 (Building-integrated photovoltaics, BIPV)外牆之耐風性能為發展建物整合太陽光電系統的重要基礎資料，同時研 究成果亦可回饋於遮陽板、廣告招牌…等耐風性能檢討，本研究以剛性模型的 氣動力實驗建立建築物受風載重資料，並利用統計分析推估設計合理的風壓係 數，可供建物整合太陽光電板等支撐結構系統的設計風載重作為參考。由實驗 載重資料及合理的設計風壓係數，有助於提升類似構造物耐風性能設計參考， 並協助本所風雨風洞實驗室建立結構物風載重實驗量測與資料分析等技術能 量。 二 、 研 究 方 法 及 過 程 本研究利用風洞實驗更深入的探討 BIPV 外牆所受到的風荷載狀況，包括 內外表面風壓及其氣動力特性的討論，考慮不同安裝方式或內外風壓的差異成 為風荷載的來源，因此間距、安裝位置、風向等多項因素均有影響，量測對象 主要為風壓分布狀況，以進一步分析，採用風洞進行縮尺模型氣動力實驗，可 有效掌握建築物含此構造物的整體受風情形，有助於釐清各因素對於氣動力特 性的影響，進而尋找最不利的荷載條件。 三 、 重 要 發 現 太陽光電科技產業為政府所大力鼓勵的重要發展路線，對於太陽光電系統 的設置以及管理各級政府訂下鼓勵的政策。建物整合太陽光電系統的安裝不論 在國內或國外皆為重要的發展趨勢，而台灣地區受颱風影響，受風作用甚為強 烈，因此受風作用後，引發的荷載有必要加以評估。本計畫由氣動力實驗與分 析等方向來探討風場對建物整合太陽光電板的風載重。 1. 水平與垂直遮陽板形式之建物整合太陽光電板氣動力實驗成果可知在

XII 多排且緊密的排列下，除緊靠建築物邊緣的遮陽板可能受到甚大的風荷 載，其餘屬於中間部位的遮陽板其所受的淨風壓多在零值附近，因此以 對結構安全加以考量，應加強的是最邊緣板的支撐結構系統。 2. 以遮陽板形式之建物整合光電板所受整體淨風壓的歷時資料分析可 知，其擾動風力作用的機率密度函數形式呈現接近常態分布，有助於簡 化尖峰風壓的推估。 3. 水平與垂直遮陽板形式之建物整合太陽光電板排列間距，在本研究中顯 示並未明顯的影響各片板的風荷載，主要仍是以簷口高度處之遮陽板所 受風荷載最大，其餘位於建築物立面中低高度之遮陽板淨風壓多在零值 附近，亦無明顯變化。 4. 以垂直布設之遮陽板在受到與與牆面正交或小攻角的來流作用下，最邊 緣的遮陽板受到較大的風荷載，其尖峰風壓亦相對較高。 5. 以水平布設之遮陽板形式光電板如採用具有向下傾角的安裝方式，本研 究之實驗結果顯示，可使板所受之淨風壓相對於無向下傾角的水平遮陽 板所受淨風壓略為下降，研究中採用的向下傾角包括 15 度及 30 度，兩 者的淨風壓係數分布狀況並無太大差異。就位於簷口高度處的遮陽板其 尖峰風壓係數的分布情形而言，具備向下傾角的水平遮陽板在小攻角的 來流作用下其尖峰風壓係數略低於無傾角的情況，且當遮陽板位於背風 區時，其尖風風，壓係數變化區間最小。 6. 水平布設之遮陽板形式光電板採取外推方式安裝條件下，本研究以氣動 力模型進行實驗量測，結果顯示，將遮陽板外推促使板與建築物垂直牆 面間形成間隙，氣流將可通過此間隙流通，使外推型式的遮陽板不論是 無傾角或有傾角的條件，其板整體淨風壓係數均略低於無外推的情形， 但由於增加了板身後方的氣流流動現象，版面之擾動性風壓係數有小幅 度的上升。 7. 國外有 BIPV 與雙層帷幕牆結合之案例，本研究本研究製作具有均勻開

XIII 口分部之雙層牆氣動力模型進行實驗量測，實驗模型可改變雙層牆間的 間隔距離，而在間隔的頂部及側邊亦具有開口，可選擇性開啟，以測試 在不同間隔距離及開口方式下的外牆風荷載。以來流風攻角零度作用 下，在側邊開口之條件，間隙比大於 10%時，具有孔隙之立面外牆其淨 風壓係數上升且除邊緣地帶外均為正值。而對於頂部開口的情況，其正 風壓的值略低於側邊開口的狀況。在小間隙比的情形下，外牆牆面頂緣 的負風壓分布甚為明顯，隨間隙比的增加負風壓區域逐漸消失。 四 、 主 要 建 議 事 項 【建議一】 彙整建築物附屬設施風載重，建立設計參考數據：立即可行建議 主辦機關： 中華民國風工程學會 協辦機關： 內政部建築研究所 建築物之附屬設施樣式甚多，許多型式之附屬設施其受風作用產生的風荷 載在規範中亦多無規定。 本所對於建築物附屬設施相關的風載重探討，已有多期計畫之成果，有必 要組織研究團隊針對建築物附屬設施受風作用產生之風荷載進行整理，補充不 足之數據，累積觀察資料。建立設計參考數據，有助於減輕建築物負數設施之 受風損害。 【建議二】 建立特殊造型屋頂之風荷載數據庫，以利建築設計之用：長期性建議 主辦機關： 中華民國風工程學會 協辦機關： 內政部建築研究所 過去在建築物受風作用研究中採用的建築物造型為矩形構型，實際建築物

XIV 屋頂造型各異，其他如曲面屋頂、多邊形屋頂等條件下，其風荷載研究之個案 成果尚不足以解答此一問題。 建議將曲面屋頂、多邊形屋頂及其包含的高寬比、深寬比、安裝區位、風 向等影響條件綜合考量，結合氣動力實驗，建立更多造型屋頂合適的風荷載預 估模式或數據資料庫，以利建築設計之用。 【建議三】 建立國內風災勘查機制：長期性建議 主辦機關： 中華民國風工程學會 協辦機關： 內政部建築研究所、內政部營建署、各地方政府 國內每年均有颱風造成不同程度的災情，建築物耐風性能的各項設計在實 際承受颱風等極端氣候作用後是否達到預期的性能，甚或颱風造成的建築物破 壞模式等，均需要有系統的蒐集資料。 由於風災後復建常使得第一手的破壞情形未能留下紀錄，且以民間或學術 單位進行風災勘查亦缺乏合適的位階，有必要由公部門建立風災勘查機制，在 颱風肆虐過後，最短的時間內進行調查與記錄，對於耐風設計規範修正或建築 耐風設計均可提供最佳的佐證資料。

XV

ABSTRACT

Keywords: wind loadings, BIPV, wind tunnel tests.

I.Background

The wind resistance capacity of building-integrated photovoltaics, BIPV, is an important basis for the development of solar energy industry in Taiwan. In the meanwhile, the research results also can do some contribution to the design of sunny shelter plate, advertisement signboard. In this study the aerodynamic experiments are conducted to explore the wind loadings on the BIPV elements. With the experiment data, the suitable design wind pressures coefficients can be derived. However these data can be used as reference in the design of support structures of solar panels on the buildings. So the wind resistance capacity will be an important consideration in the design stage. In this project the aerodynamic tests of solar panels models are conducted and the optimization design comments for the industries usage in solar energy system.

II. Research methods and processes

In this study the aerodynamic tests of BIPV models in wind tunnel are adopted to collect the necessary data for design parameter predicting. Lots of design facts, include the spacing, location and wind azimuth angle will be exam in the analysis processes. Also the information about wind loadings on the solar panel will be retrieved from the results of wind tunnel tests, this will be helpful to set up the design comments when the wind loadings should be considered.

III. Preliminary Conclusions

According to the results of this project, a series of aerodynamic tests have been adopted, the aerodynamic characteristics of BIPV solar panel of buildings in the array type arrangements are found. The following conclusions are made.

1. The arrangement of solar panel array on building walls, no matter they are in horizontal or vertical arrangement, the wind loadings on the edge one will always

XVI

be suffered the largest wind loadings. So the support system to the edge panel should be enhanced.

2. The distribution type of the probability density function of the timehistory of wind loadings on the panels is close to the normal type. So the peak factor prediction method suggested by Mayne and Cook can be adopted suitable.

3. For the variation range of the panel spacing used in this study, the net wind pressures seem do not be changed by variant spacing. The

4. For the wind loadings on the vertical arranged solar panel array, the wind loadings will be its highest values as the wind is acing normal to the array of in small angle of attack. The characteristics of peak wind loading distribution also showed the similar type.

5. For the horizontal solar panel with downward inclined angle, the wind loadings are decreased in every case. In this study the 15 degrees and 30 degrees were adopted in the models design. However, the results of aerodynamic test showed that these two inclined angle do not show too much differences on their aerodynamic characteristics.

6. For the cases of panel had been set up in the type of outward shift. The aerodynamic characteristics seem to be decreased. But the gap between the panel and building will make the air flow can go through this gap easily, and we can find out that the fluctuating wind pressures are increased when compared to the no gap cases.

7. In the case of double skin facades, some BIPV design will be adopted on the outside walls of buildings. In this study series of double skin facades models were made to explored the characteristic of gap to the wind loadings. In the results showed, that for the gap ratio are lower than 10%, the wind pressures on the porous wall be similar.

IV. Recommendations

For immediate strategies:

XVII

buildings. And a suitable rearrangement or wind design guide should be recommended.

For long-term strategies:

1. Creating the prediction model or data-base to estimate the suitable buildings wind loadings. In this study on the typical rectangular type roof is adopted. For the other type like the dome of curve roofs, the solar panel wind loadings will be an interested topic. This will give valuable information to the architectures in the design stage.

2. The wind disaster investigation mechanism should be created in the official construction management system. Taiwan has long to be attacked by lots of typhoon every year. The wind resistance capacity design in our building design code should be exam after the extreme weather acting. The first hand data about the wind disaster can play an important role, so a suitable official organization to do this investigation is very necessary.

1

第一章 緒 論

第一節 研究緣起與背景

一 、 研 究 緣 起 大型建築物基於節能、保護構造物、商業廣告等不同的因素，外牆常需加 裝 附 屬 構 件 ， 種 類 亦 相 當 多 包 括 建 物 整 合 太 陽 光 電 板 (Building-integrated photovoltaics, BIPV)外牆、遮陽板、雨庇、棚架、廣告招牌…等。同時近年來政 府大力鼓勵新能源開發，太陽光電系統更是大量的運用，建築整合太陽能 （BIPV）是使用太陽能光伏材料取代傳統建築材的一種應用方式，使建築物本 身成為一個大的能量來源，而減少額外增加支座加方式加裝太陽能版，在設計 階段即納入考量，增加可運用範圍並減少突兀的設計，主要是在外圍護結構的 表面安裝太陽能光電板提供電力，同時作為建築結構的功能部分，普遍應用在 如大樓帷幕牆或外牆、停車場的遮陽棚、大樓天井、建築垂直立面，以取代窗 戶玻璃、帷幕玻璃；亦可應用於採光天窗系統、屋頂系統、遮陽板或斜頂式屋 頂建築之屋瓦、大型建築物屋頂等場所，同時兼具美感與節能環保實用性。 二 、 研 究 背 景 建物整合太陽光電板既成為建築物的外殼一部份，須滿足與建築物的融 合，包括外觀顏色、氣候阻隔、耐風性能、材料耐久性、施工安全與成本等因 素。建物整合太陽光電板透過建築設計工法將太陽光電模組與建築物整合，因 此具備「替代建材」之功能，依其安裝方式可兼具發電、隔熱、遮陽、採光等， 增加建築節能效益(楊 2014)。從建築物的應用層面觀察，建物整合太陽光電板 可分為屋頂、帷幕牆、窗戶以及其他等四大項。其中以屋頂和帷幕牆因單一面 積較大，適於整體規劃、安裝、效益較明顯，佔比相對較高。由於安裝的考量， 屋頂是目前建物整合太陽光電板最常見的形式。帷幕牆必須具備透光度和隔 熱，BIPV 模組之矽晶模組以玻璃取代背板爭取透光度，薄膜模組透光率客製 化一般在 10~50%，BIPV 牆幕取代傳統玻璃牆幕預期將有日益增多的趨勢。其

2 他應用則有護欄、安裝於停車場的遮陽棚或是屋簷遮陽板等。(楊 2014) 本 研 究 探 討 外 牆 附 屬 構 件 如 建 物 整 合 太 陽 光 電 板 (Building-integrated photovoltaics, BIPV)外牆之耐風性能，研究成果亦可回饋於遮陽板、廣告招牌… 等耐風性能檢討，本研究以剛性模型的氣動力實驗建立建築物受風載重資料，並 利用統計分析推估設計合理的風壓係數，對於建物整合太陽光電板等支撐結構系 統的設計風載重作成建議。由實驗載重資料及合理的設計風壓係數，有助於提升 類似構造物耐風性能設計參考，並協助本所風雨風洞實驗室建立結構物風載重實 驗量測與資料分析等技術能量。 臺灣地區颱風頻仍，如何決定此類建築物外牆及附屬構件受風作用的荷載 常困擾著設計者。不同安裝條件下與建築物牆面垂直的附屬構件應有合理的風 荷載，而與建築物牆面平貼的附屬構件除表面風壓外尚有合適的內壓值設定需 考量，因其造型變化與安裝條件差異過大，規範未對此類構造物風荷載給出明 確規定，尚待釐清。

第二節 研究內容與方法

本研究利用風洞實驗更深入的探討 BIPV 外牆所受到的風荷載狀況，包括 內外表面風壓及其氣動力特性的討論，需考慮不同安裝方式或內外風壓的差異 成為風荷載的來源，因此孔隙、安裝於建築的位置、風向等多項因素均有影響， 量測對象主要為風壓分布狀況，以近一步分析，因此須以風洞進行氣動力模型 實驗，採用縮尺模型可有效掌握建築物含此構造物的整體受風情形，有助於釐 清孔隙、安裝於建築的位置、風向等因素對於氣動力特性的影響，進而尋找最 不利的荷載條件。 本計畫將利用地況 C 條件進行 BIPV 外牆風載重實驗，探討其氣動力特性 與耐風性能，規劃研究內容與方法如下： 1. 文獻資料蒐集：本研究與建物整合太陽光電板設置相關的建築物外牆及附屬

3 構件設計風載重文獻、安裝方式、設計建議進行蒐集與彙整，整理較具代表 性及尚未有明確設計規範可供依循的案例，進行必要的氣動力實驗量測，以 了解其風荷載特性。 2. 流場模擬： 本研究以本所風洞實驗室現有大氣邊界層流場，初步選取地況 C 的流場條件，作為來流條件。

3. 流場量測將利用本所的熱膜探針(Hot film probe)配合移動機構加以量測，觀 測記錄流場的剖面資料。 4. 模型阻塞比：模型的尺寸需考慮安裝後，風洞實驗斷面的阻塞比控制於 8% 以下，以避免局部加速現象，影響成果的準確性。 5. 氣動力實驗規劃： (1) 流場規劃：本研究使用本所位於臺南市歸仁區之內政部建築研究所風雨 風洞實驗室，進行建築物氣動力模型實驗研究。 (2) 模型設計：選取較具代表性的形式作為典型建物，製作模型，進行氣動 力實驗研究。主要量測對象之氣動力模型為薄平板型態，由文獻顯示， BIPV 外牆種類可分為包括牆面外伸板及平貼板兩大類。外伸板安裝於 建築物模型表面有水平排列及垂直排列兩種；平貼板為建築物雙層帷幕 牆形式，以單元片組成，具備可調整機構，可變化安裝位置與間隔，模 擬不同的單元板間隙與雙牆間隔條件。依動力相似律(Simulation law) 將試驗模型與試驗風況適當搭配。氣動力模型將安裝於大型建築物表 面，需使光電板模型氣動力特性由建築物表面渦流主導，以符合實況。 (3) 計畫進行中使用風洞試驗室相關試驗與量測儀器包括定溫流速儀(含熱 膜探針流速計與相關設備)、流速率定儀、微壓壓力轉換器、微壓量測 儀、A/D 轉換系統、電子式壓力掃描系統等。 (4) 模型氣動力實驗量測：利用本所實驗室現有的電子式壓力掃描器量測模 型同步的風壓資料，以及風洞試驗段中的旋轉臺變化風攻角。

4 (5) 由實驗量測所得之建築物表面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾 動值、尖峰因子(peak factor)等，以完整掌握表面風壓分佈情形。 (6) 利用氣動力模型表面風壓，採有效貢獻面積加權積分方式，計算板面單 元瞬時載重，可供結構分析之用。 6. 資料分析： (1) 由實驗量測所得之表面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動值、 空間相關性、機率密度函數型態等。 (2) 氣動力模型風壓係數在不同的內外牆間距、板面上孔隙率及位置等條件 下的比較。 (3) 以淨風壓觀念計算建築物外牆附屬構件版面的風荷載。 (4) 利用量測所得資料進行尖峰風壓檢討。 7. 耐風性能評估：依據幾何尺寸條件及受風荷載特性，檢討不同安裝條件對於 受風荷載的影響，使本研發技術成果得以推廣應用，提供實務界參考使用。 8. 提昇 BIPV 系統耐風性能的設計策略：本研究由結構受風荷載檢討其耐風性 能，嘗試做安裝位置的調整，並重新進行受風作用下不同布局受風力的分析 計算工作，可作為改進設計的參考。

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第三節 研究流程與進度規劃

本計畫依據計畫目標與實驗設備規劃執行之流程如圖 1-1 所示，進度規劃 如表 1-2 所示。 建物整合太陽光 電系統蒐集與分 類整理 實驗儀器整備 與校驗 建物整合太陽_{光電設施安裝} 資料蒐集 文獻蒐集與資料 比較 大氣邊界層流場剖 面驗證 模型設計與製作 氣動力實驗量測 實驗資料分析 與整理 太陽光電設施設計 風壓推估 設計風壓建議值 撰寫報告 計畫完成 專家諮詢 太陽光電設施氣動 力特性分析 風壓管線校正 專家諮詢

圖 1-1 計畫執行流程

資料來源：本研究繪製

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第二章 文獻回顧

第一節 建物整合太陽光電板

從 1990 年起美、日、歐洲各先進國家，積極發展太陽光能發電系統，以 替代部份石化、核能能源。各國皆將『發展太陽光發電系統』列為該國重要政 策，並編列研發經費，推動各項研發補助獎勵措施，積極鼓勵其國民參與設置 太陽光發電系統(蔡 2009)。建物整合太陽能光電（BIPV）以太陽能光電材料取 代建築物的建材，使建築物本身可以進行太陽能發電。依其與建築物整合方式 或構件形式，建物整合太陽能光電系統常見有數種型態： 1. 屋頂包覆：用太陽能材料作成可彎曲的半軟性薄板，裝置於屋頂 2. 屋頂外加：模組化的太陽能板，拼接式外裝於屋頂，是最常見方法。太陽能 瓦是另一種模組形式但是比較小類似於瓦片，安裝美觀可以整合進建物， 使用彈性也大。 3. 外牆鑲嵌或設計進外牆:，配合建築設計還能兼作擋雨板和裝飾、遮陽。 4. 玻璃窗：半透明的模組可以取代窗戶天窗或玻璃帷幕，兼具遮陽。 目前國內已實施「再生能源發展條例」，自該條例通過後，政府開始採用電 能躉購制度，以逐年攤提的方式取代一次性的設備補助來獎勵再生能源設置。 而經濟部能源局早在 95 年度即訂定「太陽光電發電系統設置補助作業要點」， 鼓勵包括國民、法人或各機關設置太陽光電發電系統，並研擬補助辦法。各地 方政府仍制定各年度有限額的補助計畫，以本年度(105 年)為例，台北市、高雄 市、金門縣、新北市、桃園市、台南市政府等各單位為鼓勵廣泛設置太陽光電 發電系統，打造低碳城市之優質居住型態，並帶動太陽光電發展與系統設置技 術，均訂有補助計畫。太陽光電發電系統指利用太陽能電池模板轉換太陽光為 電能，並可應用太陽光電之設備；其設置容量計算單位為峰瓩（kWp），為裝設 之太陽電池模板於標準狀況（模板溫度攝氏 25 度、AM1.5、1000W/m2 太陽日

8 照強度）下最大發電量。每峰瓩補助新臺幣 20,000~16,000 元，視設置總容量 而定。補助範圍為申請人（設置者）在設置太陽光電發電系統時之設備支出， 且申請補助之太陽光電發電系統以新品為限。

第二節 太陽光電板之氣動力特性

由於屋頂面上安裝太陽光電板為目前最常見的方式，因此文獻中針對不同 屋頂形式及安裝配置方式產生的氣動力特性，有較深入的研究。在屋頂面陣列 式太陽能板之氣動力特性方面，包括陣列式太陽能板數量為單排或多排，每排 由多片太陽能板連續排列。如 Chung 等人(2008, 2011)研究單片太陽能熱水器 集熱板氣動力特性，發現在版面上端產生迴流區以及兩側形成角渦流並產生三 維交互作用。就光電板本身材料強度而言，Huang(2014)指出以直接壓力荷載產 生變形量觀點考慮光電板之受風力，在 17 級風速下仍屬安全。但太陽光電系統 的結構安全尚須考慮結構支撐、風力擾動等影響，前述研究成果中可見，在不 同的安裝位置，受到建築物周邊渦流影響，其風荷載甚為複雜，有需要推估其 極端荷載，以利結構安全。 建築物所受風壓的分布情形，陳(2007)研究指出低層建築物受風作用主要 受到拱門型渦漩的主導，因此同類型的建築物，可能有部分幾何尺寸上的變化， 但其所受到的風力作用結構並未有明顯改變，此一特性有助於建立或預測一系 列同造型建築物的受風作用行為。同時由於拱門型渦漩主導低層建築物外表面 的風壓分佈，因此影響低層建築物屋頂面表面風壓分佈的重要尺度為平均屋簷 高度。我國建築耐風設計規範依建築物高度分類型時，將建築物平均屋簷高度 18 公尺以下之建築物歸類為低層建築物，此部分與 ASCE 7-10 對於低層建築物 的定義接近，並將建築物屋頂面建議的設計風壓分區為 zone 1~3，主要依建築 物平均屋簷高度作為分區尺寸依據。 陳(2015)關於架設於屋頂上太陽光電板陣列的氣動力特性，進行一系列之 氣動力模型實驗，模型設置如圖 2-1 所示。實驗所得之光電板風荷載風壓作用 時序列資料，並作為支撐結構系統內力分析計算之外力資料，採用市面上常見 的支撐結構系統利用 Midas 軟體進行分析計算，再嘗試利用改變桿件布局方

9 式，檢討有助於減緩或分散過於集中的桿件內力之支撐桿件布局方式，有助於 實務上太陽光電板支撐結構系統的設計。 (a) (b) (c) 0 deg. 90 deg. wind Soalr panel 270 deg.

圖 2-1 屋頂上太陽光電板陣列氣動力特性研究採用之(a)模型安

裝情形，(b)幾何控制參數，(c)來流之風向角定義。

資料來源：本研究整理陳(2015)資料 陳(2015)關於架設於屋頂上太陽光電板陣列的氣動力特性研究計畫，探討 的重點包括太陽光電板陣列前後排列間距對光電板所受風荷載的影響、太陽光

10 電板陣列安裝位置距離於頂面邊緣線距離的影響、安裝於不同坡度的屋頂面上 光電板所受風荷載的差異以及在平屋頂上如有女兒牆設施對於光電板所受風荷 載的影響等主題，其成果分述如下： 在太陽光電板陣列前後排列間距對光電板所受風荷載的影響方面，太陽光 電板在前後排的緊密排列常有助於減緩風荷載，本研究將氣動力模型採用三排 的太陽光電板依序排列方式，以平屋頂建築模型，分別進行在不同條件下的氣 動力實驗，由實驗量測結果計算光電板上所受整體平均淨風壓係數與擾動性淨 風壓係數隨風攻角的變化分別如圖 2-2 所示，間距的變化是以光電板高為單 位，本研究氣動力模型板高為 2cm，因此以 2cm 為單位做排與排之間距離的調 整。 圖 2-2(a)為 3 排無間距緊密排列，直接取用前次實驗成果，圖 2-2(b)為排間 距 1 單位排列，可見基本上第一排光電板的平均淨風壓係數變化改變不多，第 二、三排光電板則係數值正負變化幅度增加，此變化趨勢隨間距的增加而加劇， 如圖 2-2(d)所示，在小風攻角時，三排光電的平均淨風壓係數變化均相似，仍 以第一排光電板的負風壓係數最低，隨風攻角的增加各自變化略有不同，而風 攻角大於 180 度後，第三排光電板的風壓係數負值更低，負風壓作用較為強烈。 3 排光電板的擾動性淨風壓係數變化，類似的變化是，間距的增加第二、 三排光電板係數值變化趨勢隨間距的增加近似第一排的變化情形。第一排光電 板的擾動性淨風壓係數在風攻角 45 度附近達到最大，特別是間距的增加，使得 在此風攻角作用下的第一排光電板擾動性淨風壓係數達到最高，與前段文中對 於單排光電板擾動性淨風壓係數變化趨勢及量級一致。第二、三排光電板係數 值變化趨勢隨間距的增加，在風攻角 45 度的附近，亦見出現最大擾動值的情形。 (a)

11 (b) (c) (d)

圖 2-2 平屋頂建築物，各排太陽光電板上所受整體平均淨風壓係

數隨風攻角變化，(a)無間距，(b)1 單位間距，(c)2 單位間距，(d)3 單

位間距。

資料來源：本研究整理 在太陽光電板陣列安裝位置距離於頂面邊緣線距離的影響方面，由前述實 驗結果可知位於平屋頂上的太陽光電板陣列所受風荷載，主要為第一排受到的 風荷載最大，特別是負風壓的存在，使得太陽光電板存在被風力作用掀起的潛 在危機，對於風荷載安全的判斷，亦以負風壓作用強烈的條件作為標準。前文 實驗中安排的太陽光電板陣列均由風攻角零度時屋頂上游邊緣次第展開佈設， 因此在小攻角作用時，屋頂前緣有強烈的分離剪力流形成，第一排受到最強烈

12 的負風壓作用，本研究將太陽光電板陣列模型以來流零攻角時方向為準，向下 游區域做小幅度的挪移，以太陽光電板模型寬(2cm)為單位比較挪移後所受風荷 載的變化。 平屋頂建築物，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距離時光電板整體淨風壓 係數隨風攻角變化如圖 2-3 所示，在緊貼前緣的情況下，第一排光電板於風攻 角零度時有最強的負風壓作用，而相同條件時第二、三排光電板則所受風壓作 用趨於零，顯示後排受到前排遮蔽而偏安全。圖 2-3(a)顯示風攻角 210~250 度 之間第一排光電板亦有甚強的負風壓作用，此時第一排光電板主要受到斜交來 流對屋頂角隅產生的渦流影響，受到負風壓作用。圖 2-3(b)及(c)顯示太陽光電 板陣列向下游區挪移後的風荷載情形，明顯的可以看到，風攻角零度時第一排 太陽光電板所受到強烈負風壓作用的情形幾乎消失，挪移的距離分別為一倍與 二倍單位寬，在本模型尺寸，此挪移的單位寬度亦為建築物牆面高度的十分之 一，由文獻(何 2007)可知，低層建築物屋頂面所受到的風壓分布由於拱門形渦 漩的影響，主導風壓分布的重要因子為建築物高度。因此可知在屋頂面上，屬 於建築物高度十分之一的周邊區域，受到分離剪力流或角隅渦漩影響，安裝於 此區域的太陽光電板將受到強烈負風壓作用，有掀翻的潛在危機，對光電板結 構安全最為不利。調整光電板陣列排與排之間的間距，增加為一倍的光電板寬 度，整體太陽光電板陣列則仍向零攻角時的下游區挪移的距離分別為一倍與二 倍單位寬(光電板寬度)，氣動力實驗結果如圖 2-4 所示。由圖 2-4 可見不論挪移 一倍或二倍單位寬，第一排太陽光電板所受的負風壓作用均有明顯減輕。由於 增加光電板排與排之間距，使得各排間的遮蔽效應下降，因此圖中的第二、三 排光電板所受到的風壓作用，不論是正風壓或負風壓作用均呈現微幅的增大， 特別是第三排風荷載上升的情形略為明顯，顯示遮蔽效應在大於一倍的光電板 寬度之後即迅速下降，相同的變化趨勢與圖 4-1 中亦可觀察到。

13 (a) (b) (c)

圖 2-3 平屋頂建築物，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距離時

整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣退縮 1 單

位寬(c)與前緣退縮 2 單位寬。

資料來源：本研究整理

14 (a) (b)

圖 2-4 平屋頂建築物，三排太陽光電板間距 1 單位寬與屋頂前

緣不同距離時整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣退縮 1 單位寬

(b)與前緣退縮 2 單位寬。

資料來源：本研究整理 在安裝於不同坡度的屋頂面上光電板所受風荷載的差異方面，由前述可知 不同屋頂坡度的建築物其上架設的太陽光電板陣列所受風荷載有很大的差異， 整理本研究不同屋頂坡度模型太陽光電板氣動力實驗結果，取用與屋頂邊緣切 齊的情形為例，整理其整體平均淨風壓係數如圖 2-5 所示。由於與屋頂邊緣切 齊的布置方式屬於對光電板所受風荷載不利的條件，圖 2-5 可明顯呈現出屋頂 坡度的影響，圖中可見在小攻角的情形下，隨屋頂坡度的增加，負風壓作用更 為強烈，顯示屋頂坡度越位陡峭時，架設其上的太陽光電板陣列所受負風壓作 用將更為嚴重。

15 (a) (b) (c) (d)

圖 2-5 不同屋頂坡度，三排太陽光電板與屋頂前緣切齊時整體

淨風壓係數隨風攻角變化，(a)平屋頂，(b)坡度 1:8 屋頂，(c)坡度 1:4

屋頂，(d)坡度 1:2 屋頂。

資料來源：本研究整理 風攻角增加到 180 度附近時，來流來自建築物背面，在平屋頂及屋頂坡度

16 1:8 兩者則使得太陽光電板受到負風壓的作用，但對於屋頂坡度 1:4 及 1:2 兩者 則未出現負風壓的狀況。顯示屋頂坡度大的建築物，其屋脊較為高聳，對於背 風面下游區域的附屬構造物形成遮蔽的效果，特別是光電板高度通常是以 30 度左右的仰角架設，與招牌廣告物等直立甚至會高出屋脊高度狀況不同，較高 聳的屋脊可發揮遮蔽的效果，顯然屋頂坡度越高其對背風區設施風荷載的遮蔽 效果越明顯。 比較第一排光電板在受迎風作用時強烈的負壓荷載，其幅度遠超過背風時 的遮蔽影響幅度，因此整體而言，在較為陡峭的屋頂架設太陽光電板陣列，對 於光電板支架結構系統仍屬不利。 在平屋頂上如有女兒牆設施對於光電板所受風荷載的影響方面，太陽光電 板所受風荷載受到遮蔽現象的影響甚鉅，如板之上游區有其他光電板遮蔽，將 使太陽光電板其風荷載大幅減輕，本研究同時探討平屋頂上安裝女兒牆對太陽 光電板陣列的影響，將平屋頂模型之屋頂區域周邊裝設與光電板仰起高度相同 的女兒牆，整個屋頂區外圍均裝設女兒牆，屋頂上三排密集排列的光電板分別 以不同退縮條件進行實驗，量測得不同風攻角及退縮條件下的三排密集排列光 電板風荷載如圖 2-6 所示。 由圖中可見女兒牆的存在使得光電板所受風荷載大幅減輕，將光電板陣列 進行退縮時，光電板的風荷載僅微幅上升。本研究採用的退縮距離達女兒牆高 度的四倍時，光電板的風荷載仍受到女兒牆的遮蔽保護而無強烈風荷載。比較 前文中無女兒牆的條件下，接近屋頂邊緣區域，光電板受到強烈的負風壓作用， 因此不建議在屋頂邊緣約為建築物高度十分之一的帶狀區域中架設太陽光電 板，以避免光電板掀翻的危險。但如增加女兒牆設施，光電板所受風荷載將大 幅減輕，因此在屋頂架設太陽光電陣列時，如有可能設置女兒牆，將有助於大 幅減少光電板的風損。

17 (a) (b) (c)

圖 2-6 平屋頂含女兒牆時，三排太陽光電板與屋頂前緣不同距

離時整體淨風壓係數隨風攻角變化，(a)與前緣切齊，(b)與前緣退縮 1

單位寬，(c)與前緣退縮 2 單位寬。

資料來源：本研究整理 陳(2015)同時研究關於架設於屋頂上太陽光電板陣列的支撐架結構系統改 善前後之數值分析成果，發現目前一般業界所採用之支撐架結構系統，桿件幾 何佈置過於簡單（靜不定度過低），無法充分導引、疏通過於集中之力流。此種 結構型式容易產生桿件內力過大與應力集中之不良影響。經本研究改善方案分

18 析所得結果可知，透過桿件接合採用焊接方式及支撐光電板的斜梁多增加斜撐 桿件，將載重直接導引至支承端後，可有效降低桿件內力，減少局部桿件應力 負荷。 建物整合太陽光電板如安裝如為緊密平貼在屋頂面，可引用規範中不同屋 頂面表面披覆物的設計風壓，如為水平或垂直外掛於牆面、延伸於建築立面之 外的平板等情形，隨建築物造型變化，則不易由規範中找到適合數據直接加以 引用。BIPV 係以建築設計手法將具有建材功能之太陽光電板與建築物結合， 使系統元件不單只有發電功能，也是建築外殼的一部分，更可進而替代既有建 材，降低初置之相關成本，若結合遮陽處理、採光照明等設計手法，亦可增加 建築節能之效益(陳彥均 2011)。 太陽光電板結合遮陽板的設計，對於國內建築物設計應用面甚大，遮陽板 或雨庇如採用輕量化建材設計則其風荷載應加以注意。Ioannis(2009)針對低層 建築物的雨庇風荷載利用風洞實驗加以量測，檢討包括簷口高度之雨庇或建築 物半高之雨庇等多種條件進行實驗，量測結果並與規範建議值相比較，結果顯 示以淨風壓觀點檢視風壓係數，雨庇的尖峰風壓係數分布在不同風攻角作用 下，正負值均存在，因此兩種情形均須加以考慮，特別是簷口高度之雨庇其所 受風荷載明顯高於其他配置方式，甚至有高於規範建議值的情形，其餘安裝於 建築物半高度處的雨庇構造物，則風荷載均較小。Jose(2015)運用風洞實驗探討 一般民居建築立面上雨庇構造物風荷載，包含全建築物寬度配置或半邊建築物 立面上配置；結果顯示安裝於屋頂高度的雨庇其風荷載遠高於安裝於建築物一 般高度位置的構件。同時以淨風壓觀點，負的尖峰風壓出現亦較嚴重，顯示安 裝於屋頂高度的雨庇其所承受的渦流作用十分強烈，其餘高度則雨庇上下面風 壓差異較低，因此尖峰風荷載亦較低。 近年基於節能需求，帷幕牆設計有採用雙層帷幕牆設計，利用雙牆間隙通 風以降低建築物熱負荷，並兼顧採光。此類案例，亦存在外層殼加裝太陽光電 板成為 BIPV 一種形式的可能型。雙層帷幕牆外殼兩層牆面間具有部分間隙以 利氣流進出(樓 2008)，因此外層殼形成受到內外壓共同作用的風荷載，外殼背

19 面所受內壓的變化與開口間隙及位置影響，應有合適建議以利設計。

第三節設計風壓係數推估

本研究將推估合適的設計風壓係數，在利用極值分析理論推估氣動力參數 方面，文獻中有許多學者針對氣動力參數的評估發表了以各種角度切入的評估 方式，而每種方式均各有優缺點。 一般來說，探討極值氣動力參數可歸類於兩大方法論－

(1)由觀察值決定(observed peak methods)

(2)由高斯過程的極值分布透過轉換法映射至非高斯極值分布(translation methods)。 第一種方法論下包含了許多學者提出的建議：Stathopoulos(1979)採用採樣 時段內單一觀察的極大值；Holmes 等人(1989)則採用數個觀察極大值的平均 值；Cook 和 Mayne(1980)則以甘保曲線擬合數個觀察極大值並設定一特定的百 分比，其對應之值方為設計極值氣動力參數。而最後者則多為其他學者所引用， 並常稱為甘保法(Gumbel Method)。 第二方法論則基於蒐集資料不易且通常為短時間特性，因而發展出由假定 為高斯性質的累積機率分布，經由轉換法映射至非高斯性質的累積機率分布。

Kareem 和 Zhao(1994)利用 moment-based Hermite 多項式定義由高斯過程轉換為 非高斯過程的方法。其後 Kareem 和 Kwon(2011)採用 Winterstein 和 Kashef(2000) 所提出更為完整的 Hermite 多項式轉換式，進一步修改為更準確且更大適用範 圍的轉換方法。Sadek 和 Simiu(2002)分別利用 Gamma 函數及高斯分布模擬時 間序列的長尾效應及短尾效應。Huang 等人(2013)則建議以核心函數平滑化的 技巧，發展出以機率分布模式描述高斯過程映射至非高斯過程的關係。Peng 等 人(2014)後續則以 Kareem 和 Kwon(2011)所提出的轉換法為依據進行修改，提 出更佳準確模擬的方法。

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轉換法則僅需要少數的資料量即可獲得與甘保法相同的準確性；而對於強度非 高斯序列則較無法保證其模擬之準確性。

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第三章 遮陽板形式太陽光電板之氣動力特性實驗

第一節 流場規劃

本研究氣動力實驗部分於內政部建築研究所台南歸仁風雨風洞實驗室進行 建築物氣動力模型實驗研究，風洞設施為一封閉式的循環風洞，具有兩種測試 斷面(第一測試區 4 m × 2.6 m、第二測試區 6 m × 2.6 m)，本研究利用內政部建 築研究所台南風洞實驗室進行實驗，採用第一試驗段進行，試驗段長 26.5 m， 風洞可提供最大風速為 25 m/s。氣動力模型置於試驗段旋轉台的中央，可用數 控旋轉台旋轉模型，表現不同風向角的效果。 風洞中邊界層流場之模擬方式為在試驗段上游區域擺設錐形渦流產生器

( spire )以及地表粗糙元素( roughness element )，以產生近似鄉村地形之大氣邊 界層來流。本研究以 C 地況流場為來流條件，配合邊界層元件所產生平均流速 剖面指數律分佈之 α 值為 0.16，而在距地 10 cm 處之紊流強度( turbulence intensity )約為 12%，流場之平均風速剖面及紊流強度如圖 3-1 所示。邊界層特 徵之除以平均風速剖面指數律公式之指數加以辨識，邊界層厚度的縮尺 1:200 亦為設計模型及地形所需的技和縮尺條件。 (a) 0 40 80 120 160 200 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 U(z)/Ur z (c m ) formula measured (b) 0 40 80 120 160 200 0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% T.I. (%) z (c m )

圖 3-1 流場特性之垂直分佈，(a)平均風速剖面，(b)紊流強度剖面

資料來源：本研究整理

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第二節 實驗量測與模型規劃

本計畫研究重點為建物整合之太陽光電板風載重，利用模型安裝於風洞測 試段探討不同風向角因起的表面風壓變化。採用剛性(rigid)構造物模型設計， 變化不同幾何形狀的模型與風向角，氣動力實驗研究成果並與文獻資料相驗證。 氣動力實驗設置與內容規劃包括： 1. 建物整合太陽光電板模型系列實驗：本研究主要探討以遮陽板型式整合 太陽光電板的設計型式，依文獻資料，就建築物外掛之遮陽板而言，主 要可分為垂直式與水平式兩大類，遮陽板有不同間距變化的狀況。而水 平式遮陽板在整合光電板設置亦常有水平俯仰角的變化，本研究採用不 同排列方式的遮陽板式建物整合太陽光電板進行氣動力實驗，以掌握其 風荷載狀況。 2. 流場規劃：氣動力實驗所用之流場採用本所台南歸仁風雨風洞實驗室現 有之鄉村地況大氣邊界層流場，以模擬之邊界層厚度及規範中地況 C 之 邊界層厚度比例為實驗之幾何縮尺，取用 1/200。 3. 實驗控制參數：氣動力實驗研究主要探討不同風向角及遮陽板排列方式 對板面風壓影響，因此實驗參數控制以風向角、排列方向、光電板俯仰 角等為主。風向角的定義如圖 3-2 所示。 資料來源：本研究繪製

圖 3-3 模型風攻角定義

4. 氣動力模型製作 氣動力模型包括建築物與遮陽板兩部分，建築物模型以 5mm 厚之 壓克力板黏合，模型尺寸為寬 30cm、高 30cm、深 20cm，建築物模型

23 表面未設風壓孔。 遮陽板模型以 1mm 薄金屬板製作，模型尺寸為 30 cm x2cm，版之 兩面相對應位置均佈設壓力孔，搭配壓力管線系統，量測風壓變化。有 安裝壓力孔的光電板模型有六組，各組間安插無風壓孔但相同尺寸的光 電板模型，板的間距不同，共有三種間距。水平及垂直遮陽板形式 BIPV 氣動力實驗模型如圖 3-3 所示。 (a) (b)

圖 3-3 氣動力模型 (a)水平遮陽板 (b)垂直遮陽板

資料來源：本研究拍攝

24 考慮如需增加陽光照射一般水平遮陽板會安裝為具有傾角的形 式，本研究遮陽板亦設計具備向下 15 度及 30 度傾角的水平遮陽板，進 行探討，氣動力設計與前述水平式遮陽板之氣動力模型一致，具備 6 組 有風壓孔的氣動力模型，其餘間格為單純相同傾角之平板，表現不同間 距的影響，模型如圖 3-4 所示。 (a) (b)

圖 3-4 具有傾角的形式水平遮陽板氣動力模型(a) 向下 30 度傾角 (b)

向下 15 度傾角

資料來源：本研究拍攝

25 一般水平遮陽板未必與建築物立面緊密結合，為了解與建築物之間 的間隙對於風荷載的影響，本研究遮陽板亦設計具備外推 5mm 及 10mm(對應外推比為遮陽板深度的 25%與 50%)的水平遮陽板模型進行 探討，氣動力設計與前述水平式遮陽板之氣動力模型一致，具備 6 組有 風壓孔的氣動力模型，其餘間格為單純相同傾角之平板，表現不同間距 的影響，模型如圖 3-5 所示。 (a) (b)

圖 3-5 具有外伸形式水平遮陽板氣動力模型(a)外伸 5mm (b)外伸

10mm

資料來源：本研究拍攝

26 建築物本體模型立面上採開放開口式設計，各不同型態水平遮陽板形式遮 陽板模型可鋪排鎖定在立面上，為表現間距比的變化，採用不同間距的無風壓 孔光電板模型穿插於氣動力模型間，產生變化不同的水平遮陽板形式太陽光電 板間距排列效果，本研究在間距變化方面包括 1cm、2cm 及 3cm 等，有風壓孔 的水平遮陽板形式太陽光電板模型數量均為 6 排。各板氣動力模型之上下版面 各均布風壓孔 20 個，因此一片水平遮陽板形式光電板氣動力模型表面即布設有 40 個風壓孔。 另一方面，由國外案例 BIPV 亦有採雙層牆設計的可能性，因此外牆面與 內牆面之間距、外牆面開孔的孔隙率等對於牆面風載的影響，本研究亦進行討 論。本研究同時製作具備可調整不同間距及不同表面開口率的雙層牆建築物模 型，共製作四種不同間距的外牆模型與建築物本體結合進行實驗，建築物尺寸 與前述模型量體相同，具備可調整間距及不同開孔率的外層牆，牆面內外均分 布風壓孔以量測其風荷載，模型如圖 3-6 所示。 (a)

27 (b)

圖 3-6 具有不同間距形式雙層外氣動力模型(a)間距 10mm (b)間距

50mm

資料來源：本研究拍攝 模型表面之風壓孔透過細管線製作之壓力傳感管線系統(tubing system)與量測儀器相接，管線材質為 PVC 因此具備良好的可撓性，不 致影響風壓信號傳送，模型實驗控制風壓孔數量在 256 個以下，利用本 所實驗室現有的電子式壓力掃描器量測模型屋頂上下面同步的風壓資 料。氣動力模型實驗量測時，透過旋轉工作平台，表現不同風向角對模 型風壓變化之效果。

圖 3-7 電子式壓力掃描模組

資料來源：本研究拍攝

28

圖 3-8 壓力訊號處理系統

資料來源：本研究拍攝 壓力量測管線系統為實驗前經具白噪音(white noise)特性之擾動壓 力信號進行率定，驗證無扭曲頻率可達 35Hz 以上。管線系統連接至電 子式壓力掃瞄模組上的壓力輸入埠，電子式壓力掃瞄器以 64 個量測孔 為一模組，壓力量測模組安置於模型內部，模型規劃以鄰近 64 個孔位 規劃為同一壓力模組，分別接入電子式壓力掃瞄器。表面風壓量測使用 之壓力掃描器(ZOC33/64 PX 如圖 3-4)，該系統每個單一模組有 64 個壓 力輸入管( pneumatic inputs )，對應 64 個壓電式壓力感應器，每一壓力 感應器皆可單獨校正。輸入管藉由內徑 1mm PVC 管連接至模型量測點 以量測壓力。各模組接連接至壓力訊號處理系統(RAD BASE 3200 如圖 3-5)，此系統可支援類比數位之轉換，最高可支援 8 個模組，其解析度 達 16bits，最大採樣頻率為 500Hz，傳輸介面為 USB，具備網路控制及 傳輸功能。本研究之採樣頻率為 256Hz，每次實驗採樣 120 秒，擷取之 資料轉換完成之後藉由此系統傳至個人電腦供儲存及分析之用。 5. 表面風壓係數： 由實驗量測所得之板面風壓資料首先將計算其表面風壓均值、擾動 值等，以完整掌握表面風壓分佈情形。氣動力係數定義如下所示： 平均風壓係數 ₂ 2 1 _U P C_P   (1)

29 擾動性風壓係數 ₂ 2 1 2 U P C_P     (2) 其中 P 為風壓時序列資料，p為平均壓力， 2 p 為擾動性風壓的 均方根值，ρ 為空氣密度，U 為平均風速。 6. 淨風壓(Net Pressures)係數： 考慮遮陽板受風作用來自板的兩面風壓差，因此實驗成果分析將迎 風面的風壓與背風面的風壓，所得時間序列資料中作相減的運算，由於 模型設計時即已考慮到淨風壓計算的需求，版面布的風壓孔位置在兩面 均相同，因此可計算得各風壓孔位的淨風壓係數。 淨風壓係數 C_Pn(t)C_Pup(t)C_Plower(t) (3) 其中 CPup為零攻角時迎風面風壓係數，CPlower為零攻角時背風面風 壓係數，採時序列資料作及時相減運算，後續可計算淨風壓係數之平均 值與擾動值。淨風壓係數表達的是板所受到的風荷載，以指向版面向為 壓力的正，因此如果迎風面與背風面均同受相同的正壓力，則其整體淨 風壓將為零，如果迎風面受到指向離版面的壓力，亦即為負壓力，而此 同時背風面如受到指向版面的正風壓，兩者聯合作用以(3)式計算之，則 得甚低的負值，對於遮陽板而言，代表掀翻板面的作用力，不利於結構 安全。 為比較不同來流條件下的遮陽板風荷載，將採用面積分計算方式， 將板面上各風壓孔之瞬時淨風壓係數以其代表的貢獻面積為權重加權 計算遮陽板整體所受淨風壓係數。 total i n P Pnet C A A C i )/ (  



(4) 其中 Ai為各風壓孔的貢獻面積，Atotal為該片光電板的總面積。

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圖 3-9 各風壓孔淨風壓平均值配合貢獻面積加權計算各項整體風荷

載係數

資料來源：本研究繪製

圖 3-10 整體風壓係數定義

資料來源：本研究繪製 7. 氣動力模型實驗方案 氣動力實驗以探討各種不同水平遮陽板形式光電板排列方式產生 的風荷載為主，因此研究的前階段規劃實驗如表 3-1 所示。

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表 3-1 水平遮陽板形式光電板陣列排列方式

編號 配置說明 示意圖 備註 1 水平遮陽板 形式太陽光 電板 間距比： 0.5, 1, 1.5 2 垂直遮陽板 形式太陽光 電板 間距比： 0.5, 1, 1.5

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第四章 研究成果與檢討

本研究探討建物整合太陽光電板所受風荷載之情形，整理現有使用情形及 可能之發展趨勢，採取遮陽板及雙層牆兩種形式進行探討。

第一節 建物整合遮陽板形式太陽光電板風載重評估

遮陽板依其裝設型式主要可包含水平及垂直兩種配置條件，而板本身可能 具備傾角或與建築物本體間具有間隙等情形，本研究透過氣動力實驗以了解其 風荷載。對於風荷載採用板所受的整體淨風壓係數為代表，分別探討其平均值、 擾動值與尖峰風壓的變化，據以觀察包括排列間距、風攻角、排列位置等因素 的影響。 一、水平遮陽板形式之太陽光電板風壓分布 水平遮陽板的安裝形式，首先採用無傾角水平板並與建築物密接無間隙的 形式，進行模型之氣動力實驗。實務上常見的遮陽板形式建物整合太陽光電板 為配合太陽角度，常會設置一定的俯角，以增加日照機會。於後續實驗即安排 製作具備向下傾角的遮陽板形式建物整合太陽光電板，並比較其間的差異性。 無傾角的水平遮陽板形式之太陽光電板氣動力模型上下板面之風壓孔所得 的風壓資料以孔位所分配格網面積加權計算其瞬時的整體板面淨風壓係數。在 不同風攻角作用下，各片板面平均淨風壓係數分布，如圖 4-1 所示，風壓分佈 以位於簷口高度的遮陽板有較明顯的變化，其餘各片風壓係數多在零值附近， 而最高處遮陽板(第一片)其版面淨風壓分布隨風攻角的改變有明顯不同，風攻 角 0 度時，版面有最大的負風壓作用；風攻角 45 度時，則以上游側有較大的負 風壓作用；風攻角 90 度時，各片遮陽板的淨風壓分布則非常類似。 各片遮陽板整體板面平均淨風壓係數分布如圖 4-2 所示，由圖中可見不同 的上下排間距，未有明顯的差異，均以第一片板的淨風壓係數隨來流風攻角的 變化最為明顯，其餘各片均在零值附近。隨來流風攻角的變化，第一片板的淨 風壓係數在風攻角大於 90 度之後，亦與其餘各片相似均在零值附近。淨風壓係

34 數來自上下板面的風壓相減，因此淨風壓係數呈現零值附近代表上下板面的風 壓相差無幾，除頂層最邊緣的光電板外，其餘各片均有上下相鄰的光電板，來 流進入遮陽板區域後，受牆面阻擋影響形成迴流區，而上下板面流況均相似， 因此淨風壓係數接近零。擾動性整體淨風壓係數的分布狀況如圖 4-3 所示，除 頂層最邊緣的遮陽板(第一片)外，其餘各片擾動性整體淨風壓係數均不高，而 第一片遮陽板在來流風攻角為零度時擾動值最高，隨風攻角的增加逐步下降， 風攻角大於 90 度之後，則與其餘各片表現狀況接近。 (a) x 0 5 10 15 20 25 30 y 0.51 1.5 z 5 10 15 20 25 30 Cp mean 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6

mean net Cp on panels 090-h SCAN001 (b) x 0 5 10 15 20 25 30 y 0.51 1.5 z 5 10 15 20 25 30 Cp mean 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6

mean net Cp on panels 090-h SCAN004 (c) x 0 5 10 15 20 25 30 y 0.5 1 1.5 z 5 10 15 20 25 30 Cp mean 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6

mean net Cp on panels 090-h SCAN008 (資料來源：本研究繪製)

圖 4-1 各片水平遮陽形式太陽光電板的板面平均淨風壓係數分布，上

下間距比(S/A)為 1.5，風攻角(a)0 度 (b)45 度 (c)90 度。(不含風壓孔

的光電板忽略未繪出)

35 (a) (b) (c) (資料來源：本研究繪製)

圖 4-2 各片水平遮陽形式太陽光電板的整體平均淨風壓係數，排列的

上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5

36 (a) (b) (c) (資料來源：本研究繪製)

圖 4-3 各片水平遮陽形式太陽光電板的整體擾動性淨風壓係數，排列

的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5

由整體擾動性淨風壓的分布狀況可了解，除頂層邊緣的遮陽板(第一片) 外，其餘各片均受到鄰片板影響而無嚴重的風荷載，第一片則上板面為自由流 風況，下板面則為受限制情況流場。 本研究同時檢查第一片水平遮陽形式光電板形成的風壓歷時資料機率密度

37 函數分布情形，並與常態分布相比較，如圖 4-4 所示。圖中顯示，第一片板的 整體淨風壓機率密度函數十分接近常態分布，因此對於極值的推估可於此項基 礎上進行。 (a) (b) (資料來源：本研究繪製)

圖 4-4 風攻角 0 度時，最邊緣水平遮陽形式太陽光電板的淨風壓係數

機率密度函數分布情形，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.5

如圖 4-4 所示，其整體淨風壓力實資料的機率密度函數接近常態分布，因 此得以 Mayne & Cook(1976)建議的方法，推估第一片板在不同風向角及間距變 化下的尖峰風壓係數，計算結果如圖 4-5 所示。屋頂緣水平遮陽形式光電板的 尖峰風壓係數受板排列間距的影響並不明顯，而尖峰風壓可能有正負不同的變 化，因此針對正負區間均進行計算，圖中顯示在風攻角小於 90 度時，水平遮陽 形式光電板直接面對來流，建築物頂層分離剪力流形成較大的負壓，在風攻角

38 大於 90 度時，板已落入側風區域或背風區域，建築物頂層分離剪力流形成較大 的負壓影響下降，在此條件下，第一片板整體淨風壓係數值並不高，極值分布 較為收斂。 (a) (b) (c) (資料來源：本研究繪製)

圖 4-5 屋頂高度處水平遮陽形式太陽光電板的尖峰淨風壓係數隨風

攻角變化，排列的上下間距比(S/A)為(a)0.5 (b)1.0 (c)1.5

39 二、垂直排列太陽光電板 太陽光電板安裝於垂直遮陽板的形式，本研究採用 90 度垂直於牆面的形 式，板面無轉角。與水平板氣動力實驗相同的，遮陽板氣動力模型兩側板面之 風壓孔所得的風壓資料以孔位所分配格網面積加權計算其瞬時的整體板面淨風 壓係數。不同風攻角作用下，各片板面平均淨風壓係數分布如圖 4-6 所示，風 攻角 0 度時，版面淨風壓分布均勻且接近 0；隨風攻角增加，如圖 4-6(b)則表面 風壓趨向於負風壓形式，風攻角 90 度時，負風壓作用強烈且各片板均有，特別 是上游側板的版面負風壓最強；風攻角 180 度時，因板位於尾流區，負風壓作 用趨緩，各片板均有壓力回升現象。 各片板整體板面平均淨風壓係數分布如圖 4-7 所示，由圖中可見不同的間 距，未有明顯的差異，均以上游側第一片板的淨風壓係數隨來流風攻角的變化 最為明顯，其餘各片均在零值附近。隨來流風攻角的變化，第一片板的淨風壓 係數在風攻角大於 90 度之後，亦與其餘各片相似均在零值附近。淨風壓係數來 自板面左右兩側板面上的風壓相減，因此淨風壓係數呈現零值附近代表左右兩 側板面的風壓相差無幾，除最邊緣的板外，其餘各片均有左右相鄰的板，來流 進入板區域後，受牆面及垂直板干擾與阻擋影響形成迴流區，而板陣列中的各 板左右板面流況均相似，因此淨風壓係數接近零。風攻角 180 度時，因光電板 列均浸沒於尾流區中，負風壓作用趨緩，各片板淨風壓係數略有壓力回升現象。 而風攻角 270 度附近，風向已繞過建物接近 2/3 圈，形成與風攻角 90 度時類似 的情況，而上下游板地位對調，因此第一片板淨風壓係數有甚高的正值。 擾動性整體淨風壓係數的分布狀況如圖 4-8 所示，除最邊緣的板(第一片) 外，其餘各片擾動性整體淨風壓係數均不高，而第一片板在來流風攻角為零度 時擾動值最高，隨風攻角的增加逐步下降，風攻角大於 90 度之後，則與其餘各 片表現狀況接近。 由淨風壓的分布狀況可了解，除最邊緣的水平遮陽形式光電板(第一片) 外，其餘各片均受到鄰片水平遮陽形式光電板影響而無嚴重的風荷載，第一片