風速實場量測最佳化建築物自然通風效率即時資訊平台開發研究

風 速 實 場 量 測 最 佳 化 建 築 物 自 然 通 風 效 率 即 時 資 訊 平 台 開 發 研 究 內 政 部 建 築 研 究 所 委 託 研 究 報 告 年 度 108

風速實場量測最佳化建築物自然通

風效率即時資訊平台開發研究

內 政 部建 築研 究 所 委 託研 究 報告

中華民國 108 年 12 月

PG10801-0757

風速實場量測最佳化建築物自然通

風效率即時資訊平台開發研究

受 委 託 者 ： 社團法人中華民國風工程學會

計 畫 主 持 人 ： 蔡明修

協 同 主 持 人 ： 黎益肇

研

究

員 ： 陳善婷

研 究 助 理 ： 王家驊

研 究 期 程 ： 中華民國 108 年 1 月至 108 年 12 月

研 究 經 費 ： 128 萬 5 千元整

內 政 部建 築研 究 所 委 託研 究 報告

中華民國 108 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

圖次 ... III

表次 ... VII

摘 要 ... VIII

ABSTRACT ... XV

第一章 緒 論 ... 1

第一節

研究動機 ... 1

第二節

研究目的 ... 4

第三節

研究內容與方法... 5

第二章 文獻回顧 ... 13

第一節

建築室內自然通風分析與研究 ... 13

第二節

BIM 在自然通風之應用相關議題 ... 16

第三節

室內 PMV 熱舒適性指標 ... 21

第三章 建物室內通風最佳化決策模式 ... 25

第一節

以體感溫度為基礎之室內通風決策模式 ... 25

第二節

以 PMV 為基礎之室內通風決策模式 ... 34

第三節

小結 ... 39

第四章 實場資訊量測系統 ... 41

第一節

實場資訊量測系統設計 ... 41

第二節

實場資訊量測系統實作 ... 46

第五章 建物自然通風數值模型資料庫 ... 62

第一節

建置流程與方法... 62

第二節

研究案例概述 ... 63

第三節

風洞試驗 ... 65

第四節

CFD 模擬 ... 69

第五節

建物自然通風數值模型資料庫設計與實

作 ... 75

第六節

建物自然通風數值模型資料庫建制 ... 101

第六章 建物自然通風決策系統 ... 106

第一節

系統分析 ... 106

第二節

系統設計 ... 110

第三節

系統實作 ... 115

第七章 結論與建議 ... 125

第一節

結論 ... 125

第二節

建議 ... 126

附錄一 採購評選會議意見回應 ... 129

附錄二 第一次專家座談會意見與回應 ... 133

附錄三 期中審查會議意見與回應 ... 137

附錄四 第二次專家座談會意見與回應 ... 143

附錄五 期末審查會議意見與回應 ... 147

參考文獻 ... 151

圖 次

圖 1-1 視覺化多維度資訊整合架構(VMDIIF)圖 ... 7

圖 1-2 混合式資料庫架構圖 ... 8

圖 1-3 視覺化多維度資訊應用程式三層式架構圖 ... 9

圖 1-4 計畫執行流程圖 ... 11

圖 2-1 BIM 在建築物永續性分析的七大主要功能 ... 18

圖 3-1 以體感溫度為基礎之室內通風情境分析圖 ... 26

圖 3-2 最佳化自然通風配置評估機制 ... 27

圖 3-3 室內最低體感溫度及最大換氣率推估方法示意圖 ... 28

圖 3-4 室內即時體感溫度(Tr)及當前換氣率(Er)推估方法示意圖

... 30

圖 3-5 室內即時體感溫度(Tr)及當前換氣率(Er)推估方法示意圖

... 32

圖 3-6 室內最佳室內通風速率(Ūm)及其對應開窗配置推估方法示

意圖 ... 33

圖 3-7 以 PMV 熱感舒適度指標之室內自然通風決策流程 ... 36

圖 3-8 室內最佳室內通風速率(Ūm)及其對應開窗配置推估方法示

意圖 ... 37

圖 3-9 室內風速矩陣(MSiV)示意圖(以前 500 點為例) ... 38

圖 3-10 室內 PMV 矩陣(MSiPMV)示意圖(以前 500 點為例) ... 38

圖 4-1 實場資訊量測系統架構圖 ... 41

圖 4-2 實時外部風場資訊量測裝置架構 ... 43

圖 4-3 實時室內通風環境量測裝置架構 ... 44

圖 4-4 WindSonic 超聲波風速傳感器架設位置 ... 48

圖 4-5 電源供應裝置 ... 48

圖 4-6 信號轉換裝置 ... 49

圖 4.7 DHT-22 溫濕度傳感器與粉塵傳感器模組 ... 51

圖 4-8 LinkIt ONE 開發板與藍牙 wifi 天線 ... 53

圖 4-9 LinkIt ONE 開發板室外執行程式 ... 54

圖 4-10 室外實時資訊管理程式 ... 54

圖 4-11 自製窗戶與雌黃開關、DHT-22 溫濕度傳感器 ... 56

圖 4-13 室內實時資訊管理程式 ... 58

圖 4-14 建物實場環境資料庫之實時外部風場資料表 ... 59

圖 4-15 建物實場環境資料庫之實時室內環境資料表 ... 59

圖 5-1 示範建築 3D 圖... 63

圖 5-2 示範建築之 4 樓配置圖 ... 64

圖 5-3 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 ... 66

圖 5-4 動態皮托管 ... 67

圖 5-5 多頻道電子式壓力掃瞄器 ... 68

圖 5-6 示範建築 4F 室內網格配置 ... 73

圖 5-7 風洞試驗配置 ... 75

圖 5-8 風洞實驗室之平均風速與紊流強度剖面 ... 76

圖 5-9 超音波風速計與來風風向關係圖 ... 78

圖 5-10 來風風向與風速比關係圖 ... 78

圖 5-11 實場風速風向至比對資料庫資料流程 ... 79

圖 5-12 全開(AO)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I... 82

圖 5-13 全開(AO)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II ... 83

圖 5-14 關南側窗(CS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I ... 84

圖 5-15 關南側窗(CS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II .... 85

圖 4-16 關東側窗(CE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I ... 86

圖 4-17 關東側窗(CE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II ... 87

圖 4-18 關北側窗(CN)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I ... 88

圖 4-19 關北側窗(CN)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II ... 89

圖 4-20 開東側窗(OE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I ... 90

圖 4-21 開東側窗(OE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II ... 91

圖 4-22 開南側窗(OS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I ... 92

圖 4-23 開南側窗(OS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II .... 93

圖 4-24 開北側窗(ON)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I .... 94

圖 4-25 開北側窗(ON)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II ... 95

圖 5-26 不同風向下之換氣率 ... 96

圖 5-27 不同風向下之無因次平均風速 ... 96

圖 5-28 無因次風速之累積機率分布(AO)... 97

圖 5-29 無因次風速之累積機率分布(CE) ... 97

圖 5-30 無因次風速之累積機率分布(CN) ... 98

圖 5-31 無因次風速之累積機率分布(CS) ... 98

圖 5-32 無因次風速之累積機率分布(OE) ... 99

圖 5-33 無因次風速之累積機率分布(ON) ... 99

圖 5-34 無因次風速之累積機率分布(OS) ... 100

圖 5-35 建物自然通風數值模型資料庫架構圖 ... 101

圖 5-36 Revit 模型資料匯入 BIM 3D 模型資料庫流程圖 ... 103

圖 5-37 建物自然通風數值模型資料庫實體關聯圖 ... 103

圖 6-1 建物自然通風決策系統使用案例圖 ... 106

圖 6-2 PMV 衣著量參數圖 ... 107

圖 6-3 PMV 人體代謝率參數圖 ... 108

圖 6-4 建物自然通風決策系統架構圖 ... 110

圖 6-5 建物自然通風資料庫架構圖 ... 111

圖 6-6 建物自然通風決策系統主介面 ... 117

圖 6-7 建物自然通風決策系統 PMV 參數設定介面之下拉選單（UI）

... 118

圖 6-8 建物自然通風決策系統 PMV 參數設定介面之下拉選單（UI）

... 119

圖 6-9 建物自然通風決策系 PMV-1 開窗決策介面（UI） ... 120

圖 6-10 建物自然通風決策系 PMV-2 開窗決策介面（UI） ... 121

圖 6-11 建物自然通風決策系統建築樓層和風場資訊介面（UI）

... 122

圖 6-12 建物自然通風決策系統體感溫度開窗決策介面（UI） . 122

圖 6-13 建物自然通風決策系統「體感溫度決策模式」最佳開窗模

式顯示畫面 ... 123

表 次

表 2-1 12 個主要基於 BIM 之綠建築相關分析軟體及其功能與使用

對象 ... 20

表 2-2 針對不同程度的認同人體熱感係數和生理壓力的 PMV 分

類 ... 22

表 2-3 PMV 與各生物氣象人體熱感指數之對應 ... 24

表 4-1 實場資訊量測系統之開發環境 ... 46

表 4-2 WindSonic 超聲波風速傳感器規格表 ... 47

表 4-3 DHT-22 溫度模組規格表 ... 49

表 4-4 Grove Dust Sensor PM2.5 粉塵傳感器傳感器規格表 ... 50

表 4-5 LinkIt ONE 開發板規格表... 52

表 4-6 實時外部風場資訊量測裝置 ... 55

表 4-7 實時內部風場資訊量測裝置 ... 57

表 5-1 示範建築 4 樓開窗資訊 ... 64

表 5-2 模擬參數設定 ... 74

表 5-3 4 樓開窗部於各風向角之風壓係數 I ... 80

表 5-4 4 樓開窗部於各風向角之風壓係數 II ... 80

表 6-1 建物自然通風決策系統之開發環境 ... 115

表 6-2 系統 PHP 程式語言功用說明 ... 116

摘 要

關鍵詞：實場量測、自然通風、計算流體力學、風洞實驗、建築資訊 模型、物聯網、PMV 熱感舒適度指標、體感溫度 一、研究緣起 面對全球暖化的威脅，減碳已成為世界共同倡議之方向。台灣在此潮 流下，也積極朝建構永續宜居環境，提升智慧綠色科技應用之方向努力， 希望在減低建築物能量消耗的同時，也能兼顧宜居空間的基本需求。而室 內通風不僅影響空間的溫度，也關係建物使用者的健康。如何有效導入外 部風場，利用自然通風機制減少建物空調能源之消耗或提供健康之居住環 境是目前使用維護上之重要議題。而建築物內氣流環境與空氣品質之好壞 常取決於室內之通風效果。台灣地處亞熱帶氣候區，全年有近半年的時間 可以藉由自然通風的方式進行室內外空氣交換，以達到調節室內空氣溫度 與品質之目的。 而營建工程隨著新技術及新工法之發展，工程內容之質量與多樣性劇 增 ， 建 物 資 訊 越 趨 複 雜 。 營 建 業 者 與 學 者 不 斷 使 用 新 的 資 訊 科 技 (Information Technology)，以提供生命週期各階段團隊更精確及實用之建物 資訊，朝向建物生命週期資訊整合及智慧管理之目標邁進。而建築資訊模 型(Building Information Modeling, BIM)的技術至今已推廣多年，各先進國 家都將其列為目前優先發展之工程技術，持續推動並落實 BIM 技術之基礎。 從生命週期來看，BIM 技術確實已逐漸推廣於工程規劃及設計階段，顧問 公司或建築師採用 BIM 相關設計軟體進行規劃設計之案例也不斷增加。此 發展可歸功於 BIM 具有優異的可視化圖形，並具有大量的尺寸、數量、材 質、碰撞檢測等資訊與功能，對於設計單位能夠有效提升其內部檢討及溝 通之效率。然而脫離設計建模(modeling)階段，因資訊整合不易，復以過去 資訊管理系統開發不擅長如何將 BIM 之 3D 空間視覺介面帶入各階段之應

用中，是故 BIM 技術在營建施工乃至建物使用維護階段仍無法廣泛應用， 有待產官學三方持續努力。 在上述背景下，行政院刻正推動之「數位國家‧創新經濟發展方案 (106~114 年) 」、「前瞻基礎建設計畫」之「數位建設‐營造智慧國土」與 內政部「建構永續宜居環境」等重要相關政策。為此，本計畫以落實風工 程技術及建築資訊模型(BIM)之創新多元整合應用與跨領域人才之培養為 目標，結合 CFD 模擬、風洞實驗、物聯網(IoT)、建築資訊模型等技術， 以建築內自然通風效率最佳化為導向，實現智慧化建築通風即時監控系統 與機制，創造節能之居住環境，提升人民綠生活之居住品質，以達成「節 能再生的低碳家園」、「潔淨健康的生活環境」與「國土建設永續發展」 的整體政策目標。 綜言之，為了提供即時的室內自然通風決策資訊給住戶，必需有效整 合即時外部風場及內部風場資訊。如何根據外部風場的狀態，即時求得最 佳的建築開窗模式已產生最合適的室內通風效果一直是個難題。在建築物 設計分析階段，可透過 CFD 分析模擬各種室外風場下，不同建物開窗方式 所產生的室內通風結果。然此方法需大量的計算，無法提供建築物使用維 護階段之即時決策使用。為此，本研究希望藉由建築物資訊模型之應用， 一方面利用建築物資訊模型進行室內外風場實驗與模擬，求得室內自然通 風的最佳化資訊；一方面以建築資訊模型作為資訊整合載體，將最佳化資 訊結果整合於建築資訊模型資料庫中，進而透過資訊系統之開發，建立一 個可以即時量測室外風場及室內環境參數，並據以查詢最佳通風策略之室 內自然通風決策系統。 二、研究方法及過程 為建立最佳化通風分析，研究擬選定一有自然通風需求之目標建築進 行分析。本建築位於台灣南部，為樓高 8 層且附近為空曠區域，室內空間 寬敞無複雜隔間，適合於夏季進行自然通風。為求得此案例的自然通風最

佳化開窗模式，本研究將先後以風洞實驗及 CFD 數值模擬方式建立「建物 自然通風數值模型」。也就是於風洞實驗中獲取建物開窗部位之建築表面 風壓，再將對應之風壓係數導入 CFD 室內通風模型中進行不同開窗配置之 通風分析，藉以求得該建物在不同外部風場環境下所對應不同開窗配置之 室內自然通風資訊。 為了使「建物自然通風數值模型」能落實在建物營運維護階段，本次 透過建物 BIM 空間模型與通風數值模型的資料串連，開發「BIM 建築物 室內通風管理系統」。考量系統開發及使用成本之因素，本研究採用 Unity3D 作為 BIM 模型之加值應用開發工具，並利用自行發展之「視覺化 多維度資訊整合架構」進行系統整合機制。 上述所使用之相關方法概述如下（詳細內容請詳報告章節）： 1. 風洞試驗 於風洞中設置目標建築之縮尺模型，量測在不同水平風向角下模型各 開窗位置之風壓數據，其結果係作為建築壓力模擬驗證比對之依據，以及 室內模擬區域開窗部之壓力邊界條件。 風洞試驗內容包括： (1) 來流風況：C 地況，0 ~ 337.5，每 22.5轉風向角一次，共 16 個水 平風向角。 (2) 目標建築模型 1 座，包含半徑 100 公尺範圍內建築。 (3) 針對目標建築物模型開口區域進行風壓量測，獲得表面風壓(時均值 與均方根值)之空間分佈結果。 2. CFD 模擬 針對目標建築其中 1 個代表樓層之室內空間進行模擬， (1) 來流風況：根據風洞實驗量測之風壓結果，將 16 個水平風向角之風

壓數據輸入分析。 (2) 針對目標樓層模擬數個可控制開關之窗戶情形，改變不同開窗條件 (扣除完全不開以及僅開 1 扇窗的無法產生貫流通風狀況)求得各種 條件下的室內空氣流場數值。 3. Unity 3D Unity3D 遊戲引擎為現今廣被使用的遊戲引擎之一，主要可支持多平 台系統之開發，例如 Windows、macOS、Linux 作業系統之線上與單機遊 戲以及 Android、iOS 行動裝置應用程式(Application, APP)等。在開發上主 要以物件導向的程式設計邏輯為基礎，並搭配 C#、JavaScript 程式語言， 讓使用者以較為不受限的方式依照個人的需求進行程式的互動設計與開發。 在開發的過程中，Unity 3D 遊戲引擎提供使用者一個 3D 可視化的場景進 行開發，並結合 2D 使用者介面(User Interface, UI)的開發環境，讓使用者 方便進行 3D 介面為基礎之遊戲開發，其中 Unity 也提供了多種 3D 模型格 式的支持，其中包括 *.3ds、*.dxf、*.dae、*.obj、*.fbx 等，使得在本研究 得已整合不同之 BIM 模型檔案，讓系統的製作上更為多元。除此之外 Unity3D 遊戲引擎還具有大量的第三方插件支援，協助使用者功能需求上 的開發更為便捷。有鑒於此，本研究將利用 Unity3D 遊戲引擎高度的跨平 台性、互動性、客制化、開發自由度及 3D 畫面呈現的能力為基礎，作為 系統主要之開發環境，藉此開發出一個有利於 BIM 3D 模型加值應用及營 建資訊整合的視覺化建物自然通風管理系統。 4. 視覺化多維度資訊整合架構 為有效拓展 BIM 於營建產業全生命週期之應用，根據既有 BIM 3D 模 型與營建資訊管理系統整合之需求，本研究將利用自行設計之「視覺化多 維 度 資 訊 整 合 架 構 (Visualized Multi-dimensional Information Integration Framework, VMDIIF)」，以 Unity3D 遊戲引擎及網頁為主要開發環境，並

結合虛擬實境(Virtual Reality, VR)之技術，提供一個以 BIM 3D 模型為基礎 之圖形化操作介面，其中包含了三個主要之項目：「混合式資料庫(Hybrid Database) 」、「系統維護管理模組」及「視覺化多維度資訊應用程式」， 作為往後整合開發之參考。 三、重要發現 (1) 室內自然通風決策模式 在以室外風場及預先分析所得之室內 CFD 風場資訊為判斷依據為前 題下，本研究以「體感溫度」及「PMV 熱感舒適度指標」等二種舒適度指 標作為最適室內通風之決策因子，分別擬定以「目標體感溫度」及「最大 舒適空間率」之決策模式作為「建築物室內通風決策系統」開發之用。然 此系統並不限於此二種決策模式。只要可依據室外風場及室內 CFD 場資訊 為基礎之決策方式皆可用以修正或新增至系統中，提供更完善之室內自然 通風決策建議。 (2) 實場資訊量測系統 本研究透過「實時外部風場資訊量測裝置」、「實時室內通風環境量 測裝置」、「外部風場實時網頁」與「建物實場環境資料庫」之建立，已 經達成以「實場資訊量測系統」自動收集室內外通風環境資訊，並將資訊 整理上傳至資料庫，為後續最佳化通風決策提供依據之目標。此外，「實 場資訊量測系統」因採開放式架構進行開發，故後續仍可依照可能之室內 通風環境決策之需求，在現有的實時量測裝置的基礎上擴充傳感器數量與 類型以保證此系統未來之延續性。 (3) 建物自然通風模型數值資料庫 以風洞實驗得到建物表面風壓作為 CFD 室內自然通風模擬之邊界條 件，並利用 CFD 模擬分析求得建築物室內風場分布資料、平均風速及換氣 率等數據。透過整合上述 CFD 模擬數據與建築物 BIM 模型資料，完成「建

物自然通風模型數值資料庫」之設計、建置及資料儲存，以作為「BIM 建 築物室內通風決策系統」的核心資料庫。 (4) BIM 建築物室內通風決策系統 完成「BIM 建築物室內通風決策系統」之開發。透過遊戲引擎平台之 開發環境，成功整合上述「實場資訊量測系統」、「建物自然通風模型數 值資料庫」及建築物 BIM 3D 模型，建置一個以建築模型為操作介面，可 自由切換各樓層模型，並呈現各樓層室內外風場及環境即時資訊，更可依 據室外風場狀況分別以體感溫度及 PMV 熱感指標提供最佳通風決策之系 統。透過此系統之實作，也實現了將 CFD 等預先分析數據(pre-analysis data) 進行儲存，進而帶入後續建物使用維護階段進行應用之方法論。 四、主要建議事項 建議一 本案研究成果提供相關學會團體建置資訊平台於實體公共建築展示空間： 立即可行建議 主辦單位：社團法人中華民國風工程學會 協辦單位：財團法人台灣建築中心 建議選擇具備基礎智慧建築設施設備之案場，利用本研究所建置之軟 硬體系統針對該案場現有之可行設備進行整合，並發展合適展演教材與教 具，透過展演方式使民眾經由系統操作，了解外部風場與室內自然通風關 聯，進而推廣節能、智慧建築、物聯網應用等知識與概念，展現本所研究 成果。 建議二 建議辦理風工程相關實場監測即時量測技術研究：中長期建議 主辦單位：社團法人中華民國風工程學會 基於本案研究成果建立之物聯網技術，可進一步擴增應用於風工程相

關之實場監測技術。例如建立戶外風環境即時資訊系統，可應用於社區、 校園或大型戶外公共空間，提供即時區域微氣候資訊，實時判斷戶外微氣 候之良窳，提供民眾戶外休憩活動之可靠指標，創造智能之宜居環境，進 一步提升人民綠生活之居住品質。同時，戶外風場資料在經過長時間蒐集 後，可與氣象站資料整合進行整合分析，透過大數據或人工智慧技術處理， 可補強設計風速資料來源。本技術亦可應用於建築結構監測，搭配 GPS、 加速度計、壓力量測等設備，即時監控並蒐集建築之風壓、振動等資訊， 作為建築抗風之風洞實驗驗證或理論模式發展依據。

ABSTRACT

Keywords：field measurement, natural ventilation, CFD, wind tunnel experiment, BIM, IoTs, PMV, apparent temperature

I. Background

In the face of the threat of global warming, carbon reduction has become the world's collective initiatives. Under this trend, Taiwan is also actively striving to build a sustainable and livable environment and enhance the application of smart green technology. It is hoped that while reducing the energy consumption of buildings, it can also take into account the basic needs of livable space. Indoor ventilation affects not only the temperature of the space but also the health of the building user. How to effectively introduce external wind farms, use natural ventilation mechanism to reduce the consumption of building air conditioning energy, or provide a healthy living environment is an essential issue in current maintenance. The airflow environment and air quality in the building often depend on the ventilation effect in the indoor space. Taiwan is located in a subtropical climate zone; accordingly, it has been able to exchange indoor and outdoor air through natural ventilation to achieve the purpose of regulating indoor air temperature and quality almost for six months in one year.

With the development of new technologies and new construction methods, the quality and diversity of engineering technologies have expanded dramatically, and the building information has become more complicated. The construction industry and researchers continue to use information technology to provide more accurate and practical building information for all phases of the b life cycle, and to move toward the goal of building life cycle information

integration and smart management. The technology of Building Information Modeling (BIM) has been promoted for many years, and all advanced countries have served it as the priority engineering technology. From the perspective of the life cycle, BIM technology has gradually been well applied in the engineering planning and design stage. However, because the cross-stage information integration is severe, the BIM technology cannot be widely applied in the construction and maintenance phases of the building.

To provide immediate indoor natural ventilation decision information to residents, it is necessary to effectively integrate the external wind field and internal wind field information. How to get the best indoor ventilation mode based on the state of the external wind farm has been the most suitable indoor ventilation effect. In the stage of building design analysis, CFD analysis can be used to simulate the indoor ventilation results by different building windows conditions in various outdoor wind fields. However, this method requires massive calculations and cannot provide immediate decision-making for the maintenance phase of the building. To this end, this study hopes to use the building information model to conduct indoor and outdoor wind field experiments and simulations on the one hand, and to obtain the optimal information of indoor natural ventilation. On the other hand, the building information model is used as the information container for integrating the optimized information results. Then through the development of the information system, an indoor natural ventilation decision-making system that can measure the outdoor wind field, indoor environmental parameters, and query the optimal ventilation strategy can be established.

II. Research methods and processes

select a target building with natural ventilation requirements for analysis. Located in the southern part of Taiwan, the building is an 8-story building with open space nearby. The interior is spacious and has no complicated compartments. It is suitable for natural ventilation in the summer. In order to obtain the natural ventilation and window opening mode of this case, this study will establish the “Numerical Model of Natural Ventilation of Building” by wind tunnel experiment and CFD numerical simulation. That is, obtaining the wind pressure of the building surface by the wind tunnel experiment, and then introduce the corresponding wind pressure coefficient into the CFD indoor ventilation model to conduct ventilation analysis of different window opening configurations. Accordingly, the indoor natural ventilation information corresponding to different window openings in different external wind field can be provided.

In order to implement the "Numerical Ventilation Numerical Model" in the building operation and maintenance phase, the "BIM Building Indoor Ventilation Management System" was developed through the connecting BIM space information with the numerical ventilation model. Considering the factors of system development and usage cost, we used Unity3D as a value-added application development tool for the BIM model and applied the self-developed "visualized multi-dimensional information integration architecture" to implement the system integration mechanism.

III. Conclusions

1. Indoor natural ventilation decision modes: under the premise of the outdoor wind field and the pre-analyzed indoor CFD wind field information, this study applied "apparent temperature" and "PMV" as the optimal factors for the indoor ventilation decision making. These two decision-making factors are

respectively used to develop the "somatosensory target temperature decision mode " and "maximum comfort-space rate decision mode " in the building indoor ventilation decision system. However, this system is not limited to these two decision modes. As long as the decision-making methods based on the outdoor wind farm and indoor CFD field information can be used to modify or add to the system, provide better indoor natural ventilation decision-making advice.

2. Real-time environment measuring system: through the establishment of "Real-time external wind field measuring device," "Real-time indoor ventilation environment measuring device," "External wind field real-time webpage," and "Building environmental database," the study has achieved real-time environment measuring system. The system automatically collects and stores information on the indoor and outdoor ventilation environment. Also, the real-time environment measuring system has been developed based on an open architecture. Therefore, the various sensors can be integrated into the system following the potential requirements of the different indoor ventilation decision-making necessary in the future.

3. Natural ventilation model database: the surface pressure of the building by wind tunnel experiment is taken as the boundary condition of the CFD analysis for natural ventilation simulation. The wind field distribution, average wind speed, and air exchange rate of the indoor space of the target building are obtained by CFD simulation analysis. Through the integration of the above CFD simulation data and BIM model data, the design, implementation, and data storage of the natural ventilation model database was completed as the core of the Building Indoor Ventilation Decision System.

4. BIM building indoor ventilation decision system: through the successful integration of the above-mentioned "real-time environment measuring system", "natural ventilation model database," and building BIM 3D model by the game engine platform, the development of "BIM Building Indoor Ventilation Management System" was completed. The system uses the BIM model as the operation interface, and can freely switch to each floor in the BIM model, and present the indoor and outdoor wind field and environment real-time information of each floor, and can provide optimal ventilation decision according to the indoor temperature field and the PMV thermal index. In addition, through the implementation of this system, the method of storing pre-analysis data such as CFD and carrying it into the subsequent construction and maintenance phase is also realized.

IV. Recommendations

For immediate strategies:

1. Applying the system to the public exhibition space: chose the proper exhibition place with necessary intelligent building facilities, equipment, softwares, and hardware system; use the developed system in this study to integrate the existing feasible equipment of the case. In turn, the development of suitable exhibition materials will enable the public to understand the relationship between external wind farms and indoor natural ventilation through the operation of the system and achieve the goal of promoting energy-saving, intelligent buildings, and Internet of Things applications.

For mid-term strategies:

2. The research of outdoor pedestrian wind environment real-time information system: based on the Internet of Things technology established in this study,

the advanced application of outdoor building microclimate can be developed. The establishment of an outdoor pedestrian wind environment real-time information system can be applied to communities, campuses, or large outdoor public spaces, providing instant regional microclimate information, real-time judgment of outdoor microclimates, and providing reliable indicators of outdoor recreation activities. Realizing this real-time information system, we can make it possible to create a smart and livable environment to further enhance the living quality of the people's green life.

3. Integration and development of indoor air quality intelligent management system: Based on the research results and experience and the relevant regulations of indoor air quality management, we can apply suitable indoor air quality measuring sensors and indoor mechanical ventilation/air conditioning solutions in the market to implement an indoor ventilation control system considering both of the natural and mechanical ventilation. Further, through this system, real-time data collection and analysis of indoor air quality and wind field can be carried out, and artificial intelligence algorithms such as deep learning can be combined to establish a ventilation decision mode suitable for different indoor spaces.

第 一 章 緒 論

第一節 研究動機

在全球暖化的威脅下，雖然政府大力推廣減碳行動，但也因氣溫逐步 提升，建物使用者依賴空調之機械通風程度與日俱增。然而根據一項收集 了來自 500 多個引入自然通風的建築和 40,000 個來自空調建築訪談的大型 調查[33]，能引入自然通風模式建築中的乘客總體滿意度明顯優於空調建 築，特別是與熱舒適性和空氣質量。建築物中較高的通風率可以有效地減 少病態建築綜合症的發生[33]，同時提高居住者的生產力[48]。與單純空調 建築相比，具有引入自然通風之建築具有更高的通風率，有可能提高居住 者的健康和生產率，同時降低空調的能耗。隨著近年來業主對綠色環保的 認識提高，引入自然通風之概念在歐洲，美國和世界其他地區越來越受歡 迎。為此，如何提供既有空調建築使用者一個合適之自然通風控管機制， 應是目前提升居住品質之重要方向，亦是目前必要的智能建築運營策略。 根據國內外之研究，現代人每天約有九成的時間處於室內，而室內環 境品質的良好與否，深深地影響了人們的日常生活甚至長期的健康問題。 行政院於 94 年通過「室內空氣品質管理推動方案」，並於 97 年通過「室 內空氣品質管理法」，顯見於一般或公共建築物的室內環境管理中，尤其 是在室內空氣品質的改善部分上已成為頗受重視的議題，而影響建築物內 氣流環境與空氣品質的最重要因素則為室內通風。 室內通風可分為自然通風及機械通風兩種方式，自然通風是以自然的 方式達到室內外空氣交換目的之過程，為一環保節能的方法，但易受到自 然環境因素影響。機械通風又稱為強制通風，為利用通風機械所產生之動 力促使室內外的空氣交換流動，其優點為容易控制，但常會耗費大量能源。 台灣地處亞熱帶氣候區，四面環海，風向主要受季節、海陸風或地形

風的影響，全年有近半年的時間可以藉由自然通風調節室內空氣之溫度與 品質。基於節能性的考量，於建築設計之初應考量如何適當利用自然通風， 才能避免能源的過度耗費。而就室內空氣流動之機制而言，自然通風可概 分為風壓通風及浮力通風。其中，前者源於自然風力之作用，在建築內部 與外部形成了風壓差異，因而造成空氣流動並促成通風之效果；後者係因 室內空氣溫度之空間變化，因浮力效應導致空氣對流而產生之通風效應。 然如何協助建物根據實際風場最有效率地引入自然通風，則因整合的 困難而仍有相當的努力空間。一般而言，為了引導外部環境風場進入建物， 達到自然通風之效果，除必須掌握環境風場之實際狀況外，亦須有符合該 建物室內空間配置之風場模型及良善之空間系統整合介面，方能在適合的 時機主動提供整體通風口之開關決策與空間資訊給建物管理人員，達到引 入自然通風之目標。 其中，為建立符合建物室內空間配置之風場模型，除了風洞實驗以外， 計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD) 由於能夠模擬通過複 雜幾何形狀和周圍的流體流動，業已成為被廣泛應用之分析技術。但儘管 電腦計算硬體不斷有重大進展，進行 CFD 模擬所需的專業知識和資源成本 極高，成本隨著問題的規模和複雜性而呈指數上升，因此目前仍僅在設計 階段透過 CFD 之輔助完成設計，鮮少將分析成果導入建物使用維護階段。

再者，為掌握實際外部風場之狀況，必須自動化取得風速計等感測器 之數據進行比對。受益於物聯網(internet of thing, IoT)技術之逐漸成熟，透 過無線訊號將感測器數據上傳至雲端之相關軟硬體取得門檻大幅下降，然 如何根據需求，妥善整合所收集到之風場數據資料則成為物聯網技術應用 之關鍵。為此，有效整合建物外部實際風場資訊及室內通風風場模型，並 提供友善之空間資訊介面，將是發展建築物自然通風系統之重要因素。而 建築資訊模型(building information model, BIM)的加值應用，則為此提供可

行之整合環境與技術。 此外，建築行業正面臨著向數位化的轉變過程。各國政府機構和學術 單位正積極透過規範、標準、指導手冊制定等行動，確定其建設部門績效 的策略目標；而這些行動有很大一部分與建築資訊模型(BIM)的流程實施 有關。期望建築行業從資料之收集，分析數據，甚至實現高採樣率（即大 數據）收集的大量數據都能妥善發揮電腦計算之技術及潛力。而這些技術 的 創 新 也 支 持 建 築 過 程 的 創 新 ， 透 過 人 與 機 器 之 間 的 數 據 共 享 (data sharing)，利益關係人間的協同合作(collaboration)，可視化(visualization)， 以及情境模擬等功能，建築生命週期各階段之活動流程正逐漸改變中。因 此，建築行業正面臨產品創新，因為建築概念的創新意義正在出現。這一 新概念反映了建築物向用戶提供的服務正在發生變化的事實[52]。 BIM 已經被證明可以為土木建築工程專案帶來顯著的效益[53]。這些 效益可以歸功於 BIM 的輔助設計優勢外，由於其資料庫關聯提供了 BIM 構建的詳細資訊，因此它還有可能以顯著的方式進行增值與擴展[45]。但 是受限於目前 BIM 建模軟體功能之限制、開放性不足及開發門檻較高等因 素，如何將建築物生命週期個階段資訊整合在同一個 BIM 模型中，並提供 合適的使用者操作介面，仍有待努力。 綜言之，本研究以建立「BIM 建築物室內通風管理系統」為目的，針 對一建築物建立一個考量室外環境風場狀態之室內通風風場數值模型；並 輔以風洞實驗求得該建物與環境風場之參數組合，據以建立該建物之最佳 化室內通風參數。最後再結合風場實測裝置所收集之即時資訊，以建築物 BIM 空間資訊模型為整合載體(container)，開發一個可協助建物使用者進 行室內通風決策之輔助資訊系統。

第二節 研究目的

本研究擬針對建築物室內外通風特性，精進風場模擬技術，並開發物 聯網室外實時風場實場量測及室內空間通風環境量測裝置，藉以根據室外 風場、室內環境參數及建築物使用者之期望，建立建物室內自然通風最佳 化演算模型；進而利用建築資訊模型(building information model)作為建物 通風即時資訊之空間資訊載體(container)，提供室內通風控制之最佳化決策， 達到節省能源、增進風能與舒適環境之效益。為此，本計畫擬定以下目的： 1. 擬定建物自然通風最佳化機制：透過文獻探討及專家座談並整合可 行之技術，根據所實測之室內外風場資訊，以及所實測之即時風場 資訊與空間分佈，以節省能源、增進通風以及建立舒適環境等目標， 發展室內自然通風演算方法。 2. 開發建築物室內外實場量測物聯網系統：以 arduino 開放式軟硬體架 構為基礎，結合既有之風場監測傳感器及建物環境數值偵測傳感器， 開發建物室外風場量測物聯網裝置及室內通風環境量測物聯網裝置， 藉以即時收集實時風場及環境資訊，以作為自然通風最佳化機制之 決策依據。 3. 建築物自然通風資料庫建構：以研究建築案例為參考，透過風洞實 驗進行室外風場實驗，獲取建物各通風口不同風向角下之邊界條件。 進而透過計算流體力學(CFD)的方法進行室內自然通風數值模擬，求 得「建物自然通風數值模型」，並據以建立「建築物自然通風資料庫」 作為通風控制決策之數據基礎。 4. 開發「BIM 建築物室內通風管理系統」：研發以建築物 BIM 模型為 資訊載體(information container)及使用者介面(user intefac)之建築物 室內風場管理系統，使即時室內風場資訊即時顯示於 3D 建物空間模 型中，並提供實時的室內通風最佳化資訊，使建築物維護管理人員

能以直覺之 3D 圖資介面掌握建物之通風資訊與決策。

第三節 研究內容與方法

為建立「建築物自然通風資料庫建構」及最佳化通風分析，研究擬選 定一目標建築進行自然通風分析。本建築位於台灣南部，為樓高 8 層且附 近為空曠區域，室內空間寬敞無複雜隔間，適合於夏季進行自然通風。擬 採用 2 部分進行，分別為風洞實驗以及 CFD 模擬。由於實驗設備以及縮尺 模型考量，直接風洞實驗中進行建築室內外自然通風試驗的難度相當高， 故本研究採用一個變通且有效的方式，即於風洞實驗中獲取開窗部之建築 表面平均風壓，再將對應之風壓係數導入 CFD 室內通風模型中進行不同開 窗配置之通風分析。 在開發「BIM 建築物室內通風管理系統」方面，本研究採用 Unity3D 作為 BIM 模型之加值應用開發工具，並利用自行發展之「視覺化多維度資 訊整合架構」進行系統整合機制。分述如下： 1. 相關文獻與當地氣象資料收集 2. 風洞試驗 於風洞中設置目標建築之縮尺模型，量測在不同水平風向角下模型各 開窗位置之風壓數據，其結果係作為建築壓力模擬驗證比對之依據，以及 室內模擬區域開窗部之壓力邊界條件。 風洞試驗內容包括： (1) 來流風況：C 地況，0 ~ 337.5，每 22.5轉風向角一次，共 16 個水 平風向角。 (2) 目標建築模型 1 座，包含半徑 100 公尺範圍內建築。 (3) 針對目標建築物模型開口區域進行風壓量測，獲得表面風壓(時均值 與均方根值)之空間分佈結果。

3. CFD 模擬 針對目標建築代表性樓層之室內空間進行模擬， (1) 來流風況：根據風洞實驗量測之風壓結果，將 16 個水平風向角之風 壓數據輸入分析。 (2) 模擬代表樓層所有可控制開關之窗戶情形，改變不同開窗條件，扣 除完全不開以及僅開 1 扇窗的無法產生貫流通風狀況，求得各種開 窗情況之室內空氣流動數據。 4. Unity 3D Unity3D 遊戲引擎為現今廣被使用的遊戲引擎之一，主要可支持多平 台系統之開發，例如 Windows、macOS、Linux 作業系統之線上與單機遊 戲以及 Android、iOS 行動裝置應用程式(Application, APP)等。在開發上主 要以物件導向的程式設計邏輯為基礎，並搭配 C#、JavaScript 程式語言， 讓使用者以較為不受限的方式依照個人的需求進行程式的互動設計與開發。 在開發的過程中，Unity 3D 遊戲引擎提供使用者一個 3D 可視化的場景進 行開發，並結合 2D 使用者介面(User Interface, UI)的開發環境，讓使用者 方便進行 3D 介面為基礎之遊戲開發，其中 Unity 也提供了多種 3D 模型格 式的支持，其中包括 *.3ds、*.dxf、*.dae、*.obj、*.fbx 等，使得在本研究 得已整合不同之 BIM 模型檔案，讓系統的製作上更為多元。除此之外 Unity3D 遊戲引擎還具有大量的第三方插件支援，協助使用者功能需求上 的開發更為便捷。有鑒於此，本研究將利用 Unity3D 遊戲引擎高度的跨平 台性、互動性、客制化、開發自由度及 3D 畫面呈現的能力為基礎，作為 系統主要之開發環境，藉此開發出一個有利於 BIM 3D 模型加值應用及營 建資訊整合的視覺化建物自然通風管理系統。 5. 視覺化多維度資訊整合架構 為有效拓展 BIM 於營建產業全生命週期之應用，根據既有 BIM 3D 模 型與營建資訊管理系統整合之需求，本研究將利用自行設計之「視覺化多

維 度 資 訊 整 合 架 構 (Visualized Multi-dimensional Information Integration Framework, VMDIIF)」，以 Unity3D 遊戲引擎及網頁為主要開發環境，並 結合虛擬實境(Virtual Reality, VR)之技術，提供一個以 BIM 3D 模型為基礎 之圖形化操作介面，其中包含了三個主要之項目：「混合式資料庫(Hybrid Database) 」、「系統維護管理模組」及「視覺化多維度資訊應用程式」， 作為往後整合開發之參考(圖 1-1)。分述如下： 圖 1-1 視覺化多維度資訊整合架構(VMDIIF)圖 資料來源：本研究繪製  混合式資料庫 為了使系統之資訊能有效地進行整合，透過建立「混合式資料庫」， 並利用其核心資料庫來作為整合既有 BIM 3D 模型資料庫與營建管理系統 資料庫兩者之間的橋樑，串聯關鍵之資訊，同時可供後續功能擴充開發使 用(圖 1-2)。

圖 1-2 混合式資料庫架構圖 資料來源：本研究繪製 其中「核心資料庫」主要負責「建築物室內外風場資料庫」與「BIM 3D 模型資料庫」之串連。其主要記載了 BIM 3D 模型中各空間與通風口構件 之編碼與建築物室內外風場資料庫中各通風配置之關聯，以及後續「視覺 化多維度資訊系統」功能中所需之資料及相關操作記錄。  系統維護管理模組 為了使開發之「視覺化多維度資訊系統」能更有效地與外部資料進行 整合，透過「系統維護管理模組」以網頁的形式，經由網頁瀏覽器(Web Browser)針對「混合式資料庫」進行資料管理，將該項目作為架構核心， 能以後續應用程式開發之功能需求進行「系統維護管理模組」功能之設計， 進而擴充開發。  視覺化多維度資訊應用程式 以所建立之「混合式資料庫」為基礎，針對不同角度之營建管理需求 及虛擬實境與擴增實境應用程式之使用行為進行功能分析與設計進而擴充 開發，並根據不同之應用程式進行 UI 及核心功能設計。「視覺化多維度

資訊應用程式」主要以 BIM 為基礎作為圖形化操作介面，為了實現整合既 有 BIM 3D 模型與營建管理系統，本架構將選擇有利於 3D 介面系統開發、 整合性強、開發自由度高的 Unity3D 遊戲引擎作為「視覺化多維度資訊應 用程式」之開發環境，透過 Unity3D 遊戲引擎之場景(scene)提供 3D 環境 加上 2D UI 的開發方式作為主要介面，使其以較趨近於遊戲之操作方式， 讓使用者在使用者體驗(user experience)上能更為直覺且有效率。因此本架 構之「視覺化多維度資訊應用程式」主要將以三層式架構來實現(圖 1-3)。 圖 1-3 視覺化多維度資訊應用程式三層式架構圖 資料來源：本研究繪製 本計畫之研究步驟分為如後三部分說明(參見圖 1-4)： 1. 建物自然通風數值模型之建立： (1) 當地氣象資料蒐集分析。 (2) 目標建築量體模擬區域格網建置。 (3) 建築表面風壓模擬與驗證。 (4) 建築室內區域格網建置。

(5) 不同風向與開窗情況下之室內通風模擬。 (6) 資料彙整與通風最佳化分析。 2. 風洞實驗： (1) 目標建築縮尺模型與附近地形地貌製作。 (3) 試驗儀器整備。 (4) 16 組風向之風洞試驗量測。 (5) 開窗部風壓係數分析。 3. BIM 建築物室內通風管理系統之開發： (1) 案例建築物 BIM 模型建立 選擇具有自然通風需求與條件之合適案例，利用 BIM 建模軟體建立其 BIM 模型。不僅作為自然通風模型設計及風洞試驗模型製作之依據，更可 作為 BIM 建築物室內通風管理系統之 3D 操作環境。 (2) 建築物自然通風資料庫設計與實作 此資料庫為 BIM 建築物室內通風管理系統之資料核心，將針對通過 測試之自然通風數值模型之參數架構進行設計與實作，用來儲存數值模型 之所有相關參數及分析結果。在完成此資料庫實作後，將進一步以前述「混 合式資料庫」之架構，建立核心資料庫，藉以串連 BIM 模型之空間及通風 相關構件及數值模型分析結果。 (3) 建築物室內外實場量測物聯網系統研究與實作

以風速計為風場量測裝置，結合 arduino wifi 基板及 arduino IDE 平台 開發風場實場數據自動收集裝置，藉以收集建築物環境風速，並自動上傳 至「建築物自然通風資料庫」。

(4) BIM 建築物室內通風管理系統開發實作

利用系統分析與設計(system analysis and design)之方法，針對建築物室 內通風管控及相關設施維護管理功能之需求進行收集與分析，並利用前述 「視覺化多維度資訊整合架構」為基礎，設計「BIM 建築物室內通風管理

系統」之程式架構。並以 Unity3D 為開發環境，彙整案例 BIM 模型及所建 立之混合式資料庫，逐一針對前步驟所設計之功能進行系統開發實作。 (5) BIM 建築物室內通風管理系統測試與修正。 (6) 整體結果評估。 (7) 專家意見整合與報告撰寫。 圖 1-4 計畫執行流程圖 資料來源：本研究繪製 o

第 二 章 文 獻 回 顧

第一節 建築室內自然通風分析與研究

內政部建築研究所於 2010 年起持續針對建築自然通風進行研究，發展 了 一 個 適用 於 台灣 濕熱 氣 候 的風 壓 通風 計算 模 式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，模式結合了台灣中央氣象局的氣象資料（平均 風速、盛行風向、氣溫、濕度）可計算各種建築物座向、室內隔間、開口 位置、大小及是否有裝紗窗或百葉窗的風壓通風量和換氣率。隔年(2011) 擴展本模式，使其能同步考量風壓通風與浮力通風。接著 2012 年在都會地 區的建築群狀況下，利用風洞實驗風壓實驗結果探討集合式住宅對建築物 自然通風的影響，及建築物在其他建築物的遮蔽下之風壓通風。後續(2014 年)亦針對大型建築物進行自然通風之分析，探討了圓頂室內集會場館與矩 形廠房 2 種典型之大型建築物，針對建築物開口位置與大小對室內自然通 風功效之影響進行研究，並分析因建築物內外部間之壓力與溫度差異對室 內氣流造成影響之程度與機制。以獲得量化之整合結果，並提供相關建築 通風配置規劃與設計之重要參考。2015 年透過實測以探討自然通風於住宅 與複合式通風教室之空調節能抵減效果。在選定之樣本室內與戶外分別進 行長期之溫濕度量測，以獲知室內之溫熱環境變化與判斷空調啟停時間。 在空調節能之效益上則以冷房度時法計算以描述空調啟用時間之空調耗能 量，最後透過與理論上應開之空調時間比對換算空調折減率。此外，針對 各實測案例進行空間測繪以換算於相異開窗與空間配置下之自然通風潛力 (VP)，藉以分析其與實際空調折減效果之關係。 綜觀國內外有關建築室內通風的研究者頗多，典型者如 Chen 等[15] 以實驗與計算流體動力學(CFD)方法分別進行了建築物內強制通風、自然 通風、混合通風和置換式通風方面的研究。Chen 等[15]運用雷諾應力模式 與標準 k-模式模擬室內風場。江哲銘[1]指出當室外風速超過 1.5 m/s，風

力 即 可 促 成 自 然 之 換 氣 。 Dascalaki 等 [17] 利 用 COMIS(conjunction of multizone specialists)模式預測與實場量測比較研究建築物單側通風與貫流 通風的通風量。周[2]針對台灣的氣候環境，以實驗及數值解析對室內風場 進行研究，指出春、秋兩季為台灣適合自然通風之時期。陳念祖[8]進行風 洞試驗量測配合 CFD 數值模擬研究高架地板置換式的自然通風方式對室 內氣流路徑、分佈、換氣效率及舒適度的影響。Ohba 等[18]以貫流通風模 型進行風洞試驗，結果顯示室內風場會受到室外風場的影響。Haghighat 等[19]基於質量與能量守恆，融入射流特徵方程式發展出了一個簡化之數 值模型，以預測自然通風與機械通風於一個房間中的空氣流動模式及熱分 佈。Heiselberg 等[20]經由實驗量測與理論分析，探討不同類型窗戶開口對 房間內的熱舒適性、氣流場特性及開口流量係數的影響。Chang 等[21]應 用大渦模擬(LES)方法，針對不同的窗戶開口配置以探討換氣率及汙染物擴 散情形，結果發現迎風面開口為影響空氣品質的顯著因素。Allocca 等[22] 利用 CFD 模式與解析法檢討使用風壓、浮力或兩者合併下的單側通風與室 內條件組合的室內流況，結果認為在正確性的考量下必須同時進行室外及 室內環境的風場模擬。Jiang 等[23]使用 LES 模擬建築物貫流通風及迎風面、 背風面單側通風之氣流場，並以風洞試驗量測比對驗證，探討由風力驅動 之自然通風機制。Kurabuchi 等[24]經由風洞試驗與 LES 比對研究，提出局 部動力相似理論。邱[4]採用標準 k-模式模擬建築物室內裝設通風管對自 然通風之影響，結果顯示裝設通風管後可顯著提升室內換氣率。Tan 等[26] 提出了一結合 CFD 與多重區塊的模式以預測大型建築的中庭自然通風。 Mochida 等[27]由實場量測證實於夏季時可透過控制窗戶開口以改善室內 的熱舒適性。蘇[7]利用電腦模擬解析的方法，並透過與理論公式預測值的 比較，對影響中庭浮力自然通風換氣量及中性面位置遷移的各個因素進行 研究和分析。Seifert 等[28]以 CFD 分析改變風向角、氣流路徑及開口大小 對 貫 流 通 風 換 氣 率 的 影 響 。 Evola 等 [29] 以 k-模 式 與 重 整 化 群

(Renormalization Group, RNG)模式探討建築風壓通風。Karava[30]等經由風 洞模型試驗，針對兩相鄰牆壁窗戶開口產生之貫流通風探討建築物內部壓 力及流量係數，並證實了氣流流速會因不同的流量係數而變化。陳[8]針對 單室居室之單側及相對側開口探究加裝導風板對自然通風效益之影響。Hu 等[31]以 LES 檢討來流為紊流的建築貫流通風效應，並針對來風在垂直與 平行於建築開口的兩個情況，探討其對建築周遭及開口處之氣流場及開口 換氣率的影響。Gao 等[32]以示蹤氣體實地量測，探討傳染性呼吸系統疾 病在室內環境中的空氣傳播。陳[5]以風洞模型試驗研究風壓通風的影響參 數，包括風速、風向角、室外風場和通風開口的大小、形狀對通風量和流 量係數的影響，並利用理論分析建立了一個風壓平衡模式。Chu 等[40]使 用風洞縮尺模型試驗，針對兩相對面上各有一開口及兩相鄰面上各有一開 口之貫流通風配置，探討紊流對貫流通風的通風量及流量係數之影響。後 續朱等[6]繼運用理論分析及風洞試驗探討風壓通風的影響參數。Tung 等 [39]使用追蹤氣體進行實驗量測，探討在空間中固定位置汙染源情況下三 種不同通風方案對污染氣體流擴散之情形，並分析其換氣率及通風性能優 劣。Chu 等[34]以風洞試驗探討室內隔間建築的貫流通風，指出通風量會 隨室內開口的面積增大而增大，而當迎風面與背風面開口面積相同時達到 最大通風量。 在室內自然通風評估方法部分，陳瑞玲等[9]發展適用於台灣氣候之風 壓通風計算模式 TAIVENT，並將簡易模型之各風向之表面風壓資料建立 成資料庫供模式使用。另利用風洞實驗及 CFD 模擬，探討 3 種型態之集合 式住宅對於建築物自然通風之影響，以及建築物在遮蔽狀況下對通風之影 響[11]。林憲德等[13]為快速評估綠建築室內通風以獲得節能效益，定義自 然通風潛力 VP(Ventilation Potential)，採用室內配置之幾何參數來進行估算。 黃瑞隆等[14]透過實測以探討自然通風於住宅與複合式通風教室之空調節 能抵減效果，透過與理論上應開之空調時間比對換算空調折減率，針對各

實測案例進行空間測繪以換算於相異開窗與空間配置下之自然通風潛力。 總合來說，室內自然通風評估方法由繁至簡可分為 3 大類： (1) 建構建築室內及室外計算域進行模擬，其結果較為精確。但由於計算 量大以及網格建置之前置作業繁複，不利於實現通風資料庫建置工 作。 (2) 考量附近建築以及來風特性後獲得建築表面風壓資訊(透過風洞實驗 會 CFD)，做為室內空間通風模擬之邊界條件，模擬工具採 CFD 或簡 易之通風模式如 TAIVENT[9]。而 CFD 可以建構較符合實際的室內 空間配置，並在目前計算機可負荷之運算量下，獲得完整且可信之室 內風場資訊，對於建置完整通風資料庫並做為後續決策之參考具有其 優勢。 (3) 採用自然通風潛力進行自然通風評估，透過開窗位置、戶外風速及室 內幾何配置狀況，初步推估通風效益。優點是快速，對於綠建築指標 評估有其必要性，但無法獲得合理之風速及風場分布狀況。

第二節 BIM 在自然通風之應用相關議題

BIM 在 2003 年起由學者 Jerry Laiserin 及產業界之推廣至今，已成為 世界各國營建產業主要之發展方向。英國積極聚焦於 BIM 實施標準、編碼 規 範 及 導 入 機 制 之 制 定 ； 美 國 則 以 實 現 擬 建 築 環 境 (virtual building environment, VBE)及虛擬設計與施工(virtual design and construction, VDC) 為目標，積極透過 BIM 之技術建立一協同設計環境，將個專業設計團隊成 員及早帶入 BIM 環境中，提升設計能量。中國大陸則將 BIM 定為國家關 鍵科研主軸，自 2011 年起積極結合產業及學界之力量，發展適合自身之 BIM 設計及應用軟硬體。除此之外，日本、南韓、香港、新加坡、馬來西

亞、澳洲、紐西蘭等國家也都相繼投入 BIM 之發展行列，期待將營造產業 帶入下一個 3D 世代之中。在各國快速發展的過程中，隨著應用案例與成 果的逐漸累積，學術界也開始深入檢討 BIM 的發展問題與未來方向，其一 便是對 BIM 於建物使用維護階段以及該階段對綠建築的支持應用不彰之 批判。 針對 BIM 在建築工程生命週期各階段之應用方面，許多國際研究指出 目前 BIM 對施工(construction)及營運維護(operation-maintanence)階段的應 用支持能力十分有限[42]。圖 2-1 為針對 BIM 在建物永續性能分析上所能 提供的七大分析功能，自然通風(natural ventilation)為其中的一個重要項目。 然文獻也指出 BIM 在綠建築或自然通風之應用主要用以協助建築師及工 程師進行有關建築永續發展重要決策之分析[38, 29]，而此發展嚴重偏向於 建築設計階段[42]。此外，目前的研究已經認識到基於 BIM 的分析預測方 法在實現建築物永續性方面的缺點。例如，大多數綠色建築證書，如 LEED， 都是基於預測而非實際績效[41]。 然而，在對 LEED 建築物能源性能的調 查中顯示 28-35％的 LEED 建築物每層建築面積比“傳統建築物”使用的 能量更多[35]，這對 LEED 證書的有效性和合法性提出了挑戰。因此，最 近的趨勢是要求追蹤所有 LEED 專案之實際能源績效以確定其能效標準 [43]探究此趨勢的背後原因，儘管設計階段分析預測模型確實可能產生偏 差，然而缺乏可行的機制將設計階段產生的靜態分析及預測模式，帶入建 築物使用維護階段進行動態管理，也是造成上述問題之關鍵。

圖 2-1 BIM 在建築物永續性分析的七大主要功能 資料來源：摘錄自[42] 再加上目前綠建築的於此同時，目前雖然 BIM 主要被認為是綠色建築 設計階段的重要工具，但其在建築，設施和運營管理階段的潛在價值已日 益得到認可[50]。BIM 可以促進數據交換和整合，提供可視化的建築性能 分析，並在綠色建築的生命週期中加強各利益相關方的溝通和協作。其次， 越來越多的 BIM 供應商也開始認識到 BIM 對 FM 的好處，因此逐漸將其 重點從設計階段轉移到運營和維護階段[41]。在這種趨勢下，目前需要更 多的研究來開發支持 BIM 的綠色設施管理。 目前 BIM 在臺灣仍屬逐步推廣階段，如何將 BIM 導入建築設計及工 程設計流程仍有技術及規範上之瓶頸。內政部建築研究所為國內公部門最 為積極投入 BIM 相關研究的政府機關，並推動一系列建築資訊整合分享與 應用研發推廣計畫，以提升國內建築環境品質及營建產業能量與競爭力， 主要主軸包含「普及推廣應用」、「延伸深化應用階段」、「開發本土應 用」、「整合研究力量及成果」等四大主軸，進行相關推廣與研究工作。 其「BIM 導入台灣綠建築設計案例實作研究(2014)」研究計畫中，從 BIM 綠建築設計專案需求、BIM 綠建築建模需求、BIM 綠建築設計作業流程、 BIM 綠建築實際案例實作、及 BIM 綠建築設計檢核等五個層級示範 BIM

如何導入台灣綠建築設計；「應用 BIM 輔助建築設施管理之國內案例探討 (2014)」則透過專家及業界訪談，探討 COBie 標準本土化之編碼、軟體工 具及建物屬性等相關議題；「臺灣 Green BIM 綠建築資訊模型應用架構研 究(2015)」分別就 Green BIM 施工營造、綠建築設計、審照自動化、產業 聚落等向度進行可行性應用的探討；「英國在設施管理(FM)應用建築資訊 建模(BIM)的發展趨勢(2016)」收集英國目前對於設施管理(FM)的發展政策 及目前運用 BIM 進行設施管理(FM)的案例進行分析，推估未來發展的趨勢 及推動體系，配合取得資料及我國政府體制，提出未來推動建議；「國內 公有集合住宅應用 BIM 改進維護管理作業之研究(2017)」針對國內公有集 合住宅之設施維護管理功能擬定業主之 BIM 應用需求說明書。 在大量研究中，都顯示 BIM 確可為建築物生命週期各階段帶來巨大效 益。但是，在運營階段使用 BIM 進行設施管理（FM）乃至支持綠建築營 運上仍然十分有限。其主要有三個原因：（1）缺乏對綠色 BIM 運營管理 效益的認識; （2）對運營管理的資料交換缺乏明確的定義; （3）缺乏明 確界定的使用案例(use cases)符合實踐者遵循的行業標準/指南[42]。綜觀此 三原因，似有雞生蛋蛋生雞之困境，因而使得 BIM 在設施維護管理階段的 應用發展更趨保守緩慢。儘管產業界及學術界不斷探討資料交換機制與標 準，各國也持續推出新一代的標準/指南，然若無明確且可參考的應用案例， 建築物相關利益關係人(stockholders)依舊難以評估 BIM 在建物設施維護管 理階段之應用效益，造成 BIM 在維護管理階段之發展障礙。因應此現象， 本研究希望藉由簡易且相對快速的開發工具與機制，針對建物自然通風之 監管需求，實作一可應用的 BIM 自然通風監控管理系統，藉以提供一相對 明確的使用案例給相關使用者做為參考與評估。 BIM 目前在建築物自然通風之相關研究與應用多被歸屬於綠建築 (green building)之範疇中並衍生為 green BIM 之專業領域。表 1 收集歸納 目前 12 大普遍之 BIM-based 綠建築分析軟體。從表中可發現多數主流分

析軟體皆支援自然通風分析。然其中除了 Autodesk 的 Green Building Studio 及 eQuest 支援營運維護管理階段使用之外，其餘則僅能用於設計階 段。因此，如何將分析結果實際落實於建築物的營運維護階段，藉以發揮 設計之功效仍需要有進一步的資訊系統進行整合。 表 2-1 12 個主要基於 BIM 之綠建築相關分析軟體及其功能與使用對象 資料來源：[50]

此外，Kamel 及 Memari [54]將 BIM 在綠建築/能源模擬及管理之主要 貢獻區分(1)自動建模、(2) 促進能源及環境管理系統中的輸出呈現、(3)增 強既有建材屬性的相關資料庫、(4)建築使用狀態相關的建築資訊存儲與管 理。其中建模自動化是 BIM 在建築物模擬中應用的主要好處之一[47,43]， 與傳統的模擬建模過程相比，它可以節省時間，降低成本並減少人為錯誤。 其中包括開發 BEM 工具中的數學模型，使用與幾何，材料屬性，設備和 時間表相關的數據。而 BIM 在綠建築及模擬中的第二個主要應用是促進能 源及環境管理系統中的輸出呈現[41]，特別是在沒有 GUI 的電腦計算工具 中。 例如，Tu 和 Vernatha[49]研究了基於 BIM 的能源管理支持系統 （BIM-EMSS）的概念框架，該系統使用 Revit 開發的 BIM 模型，通過採 用傳感器和 eQuest 進行實時能源模擬。此外，智能電錶可以使用 BIM 模

型中可用的幾何數據來顯示輸出，這使得用戶得以監控建築物中不同區域 的實時(real time)狀態[41]。應用 BIM 的第三個主要方向是建築使用狀態相 關的建築資訊存儲與管理。例如，實時能量監測系統產生關於家庭能量消 耗，溫度和使用狀態的即時資訊。 Alahmad 等人[38]討論了在實時能量監 測系統中採用 BIM 模型的一個例子，並提出實時電力監控（RTPM）系統 及其硬體組件和一個名為實時電氣 BIM 模型（RE-BIM 模型）的軟體系統 組合。此外，將 BIM 整合到建築能源模型中以可以有助於實時監控災難變 化、設施升級和執行能源管理策略[34]。最後，BIM 還可以增強既有建材 屬性的相關資料庫，這些資料庫用於綠建築模擬建模。例如，現有的資料 庫可以提供熱性質(如材料的導熱性)，但是某些項目可能需要進一步的建 築物生命週期評估（LCA）調查方能求得。此時可以將 BIM 用作 CAD 工 具和模擬工具之間的中介程式(middleware)，用以新增 LCA 所需的額外屬 性[36]。而 Porter 等[53]以 ANSYS Workbench 之 CFD 分析環境為基礎，建 立將 BIM 模型導入此 CFD 分析軟體之機制，藉以實現對現實世界環境和 物體模型進行流體動態模擬的挑戰。 根據上述所整理之內容可以發現在資訊整合傳遞的過程中，資訊的可 視化已成為目前技術發展之重點。亦即現今的設施維護管理系統、綠建築 管理及相關模擬程式已漸漸朝向以 3D 視覺化圖形操作介面作為基礎，有 別於以往傳統 2D 文字之系統，讓使用者更直觀地操作及快速查詢到相關 資訊，進而讓相關工作人員能提高工作效率。

第三節 室內 PMV 熱舒適性指標

為使用自然通風之方式提供舒適之生活空間，本研究將採 PMV 熱舒 適度指標作為主要之決策考量依據之一。人類的熱感主要與他或她的身體 整體的熱平衡有關。這種平衡受到身體活動和衣服以及空氣溫度、平均輻

射溫度與空氣流速和空氣濕度等環境參數的影響。 當估計或測量這些因素 時，可以通過計算預測 PMV 指標來預測個人身體的熱感覺。 PMV 是基於人體的熱平衡來預測九點熱感量表上的大群人的投票的 平均值（參見表 2-2）的指數。 當體內的內部熱量產生等於對環境的熱量 損失時，獲得熱平衡。 在溫和的環境中，人體溫度調節系統將自動嘗試改 變皮膚溫度和汗液分泌以維持熱平衡。 表 2-2 針對不同程度的認同人體熱感係數和生理壓力的 PMV 分類 PMV 熱感知 生理壓力等級

-3 極度寒冷 Very cold 極度冷壓力 Extreme cold stress -2.5 寒冷 Cold 強烈冷壓力 Strong cold stress -1.5 涼爽 Cool 適度冷壓力 Moderate cold stress -0.5 微涼 Slightly cool 輕微冷壓力 Slight cold stress 0 舒適 Comfortable 沒有熱壓力 No thermal stress 0.5 微暖 Slightly warm 輕微熱壓力 Slight heat stress 1.5 溫暖 Warm 適度熱壓力 Moderate heat stress 2.5 炎熱 Hot 強烈熱壓力 Strong heat stress 3 極度炎熱 Very hot 極度熱壓力 Extreme heat stress

資料來源：[25] PMV 指標值可透過公式 2-1~2-4 迭代來求解 tcl和 hc[25]，進而針對代 謝率，衣物絕緣，空氣溫度，平均輻射溫度，空氣速度和空氣濕度的不同 組合計算 PMV。 - - - - _{· - - - - - -} (2-1)

(2-2) (2-3) (2-4) 其中，M 為人體代謝率，w 為有效機械功率，lcl為衣著量，fcl為服裝 表面積，ta為氣溫，tr代表平均輻射溫度，var 代表相對風速，Pa代表水蒸 氣壓，hc為對流換熱係數，tcl為衣物表面溫度。其中要注意的是，人體代 謝率 1 met = 58.2 W/m2_{，衣著量 1 clo = 0.155 m}2_℃/W。 在上述公式中，可知 PMV 熱感指標值將受到個體本身參數及環境參 數之交互影響。環境參數部分包括：有效機械功率(w)、氣溫(ta)、平均輻 射溫度(tr)、相對風速(var)、水蒸汽壓(Pa)、對流換熱係數(hc)；個體本身參 數包括：人體代謝率(M)、衣著量(lcl)、服裝表面積(fcl)及衣物表面溫度(tcl) 等。PMV 不僅受人體代謝率、有效機械功率及氣溫之影響(公式 2-1)，其 主要參數：衣物表面溫度(tcl)又同時受到人體代謝率(M)、有效機械功率(w)、 對流換熱係數(hc)及平均輻射溫度(tr)之影響，且與氣溫(ta)具有交互迭代影 響的過程(公式 2-2)。而對流換熱係數(hc)在室內衣物表面溫度(tcl)與氣溫差 異之狀態下，主要受室內相對風速(var)之影響(公式 2-3)。 在以室內自然通風之考量環境下，因不考慮日照及人員動態的因素， 可將有效機械功率(w)設為 0，平均輻射溫度(tr)則可假設與氣溫(ta)相同，相