(科技部 GRB 編號) PG10401-0532
建築物節能外牆之應用研究
受 委 託 者 ：財團法人成大研究發展基金會
研 究 主 持 人 ：陳嘉懿
協 同 主 持 人 ：鄭泰昇
研
究
員 ：潘晨安、馬瑜嬪
研 究 助 理 ：黃紹筑、陳思吟
內 政 部建 築研 究 所委 託研 究 報告
中華民國 104 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 I
目次
目次 ... I
表次 ... IV
圖次 ... VII
摘要 ... XIII
ABSTRACT ... XVII
第一章 緒論 ... 1
第一節 研究緣起與背景 ... 1
第二節 研究內容與工作項目 ... 4
第三節 預期成果 ... 7
第二章 文獻回顧 ... 9
第一節 節能外牆之相關用語定義 ... 9
第二節 我國外牆節能相關法規及標章 ... 16
第三節 國際外牆節能推動內容 ... 22
第四節 外牆節能設計準則 ... 26
第三章 案例分析 ... 31
第一節 複合通風型外牆設計案例 ... 31
II
第二節 全空調型外牆設計案例 ... 44
第三節 主動式創新節能外牆設計案例 ... 56
第四節 小結 ... 66
第四章 專家訪談與座談 ... 71
第一節 第一階段專家訪談 ... 71
第二節 第一次專家座談會議 ... 72
第三節 第二階段專家訪談 ... 77
第四節 第二次專家座談會議 ... 79
第五節 專家意見彙整 ... 82
第五章 整合式節能外牆之應用實證 ... 85
第一節 整合式節能外牆設計流程 ... 85
第二節 外牆節能技術指南之研擬 ... 86
第三節 應用指南模擬案例之實證流程 ... 93
第四節 整合式節能外牆設計模型開發 ... 100
第六章 結論與建議 ... 109
第一節 計畫執行成果 ... 109
第二節 結論 ... 112
第三節 建議 ... 114
目次 III
附錄一之一 期初執行單位審查意見回覆表 ... 115
附錄一之二 期中審查意見回覆表 ... 117
附錄一之三 期末審查意見回覆表 ... 119
附錄二 工作會議記錄 ... 121
附錄三 我國外殼節能法規相關條文 ... 133
附錄四 專家訪談會議紀錄 ... 149
附錄五 外牆節能技術指南草案 ( 20151215) ... 181
參考書目 ... 189
IV
表次
表 2-1 建築物強化外殼部位熱性能節約能源設計技術規範之定
義 ... 10
表 2-2 建築外殼耗能量(EnvLoad)規範相關術語 ... 11
表 2-3 國際能源署之外牆用語... 13
表 2-4 國內相關節能法規整理... 16
表 2-5 EEWH-BC 日常節能指標之得分配比 ... 18
表 2-6 EEWH-BC 日常節能指標之計算公式 ... 18
表 2-7 EEWH-BC 建築外殼秏能指標、基準與得分權重係數 ... 18
表 2-8 EEWH-RS 日常節能指標之得分配比... 19
表 2-9 EEWH-RS 日常節能指標之計算公式... 19
表 2-10 2011 版智慧建築標章節能管理指標評估項目 ... 21
表 2-11 主被動設計策略分析 ... 23
表 2-12 國際常見之立面外牆系統計算之節能標準 ... 24
表 2-13 外殼節能簡易查核表 ... 26
表 3-1 複合通風型外牆設計案例 ... 31
表 3-2 全空調型外牆設計案例... 44
表 3-3 複合通風型案例設計特點歸納表 ... 66
表 3-4 全空調型案例設計特點歸納表 ... 67
表次 V
表 3-5 主動式創新類型案例設計特點歸納表 ... 68
表 3-6 節能外牆設計重點整理... 69
表 4-1 第一階段專家訪談摘要表 ... 71
表 4-2 第一次專家座談會議程... 72
表 4-3 第一次專家座談會意見摘要表 ... 73
表 4-4 第二階段專家訪談摘要表 ... 77
表 5-1 外牆節能技術指南之架構 ... 88
表 5-2 外牆節能技術指南篇幅安排示意表 ... 88
表 5-3 立面節能策略與設計重點 ... 89
表 5-4 2014 年台北氣候溫度 ... 89
表 5-5 複合通風型與全空調型建築室內使用空調與照明之需求
標準 ... 89
表 5-6 各種建築類型之平均熱傳率、開窗率、遮陽係數參考基
準 ... 90
表 5-7 各種建築類型之外牆節能相關法規參考基準 ... 91
表 5-8 適用計算公式 ... 91
表 5-9 案例模擬操作 Envload 查表之相關數據 ... 96
表 5-10 南向立面 Envload 關鍵計算值比較-1 ... 96
表 5-11 南向立面 Envload 關鍵計算值比較-2 ... 98
VI
表 5-12 立面型式開發單元設計整理 ... 103
表 5-13 (A)翻展式立面 ... 104
表 5-14 (B1) 直立式可動遮陽板 ... 104
表 5-15 (B2) 水平開合式可動遮陽板 ... 104
表 5-16 (B3)(B4) 水平式可動遮陽板 ... 104
表 5-17 (C) 漸變開口模組 ... 104
表 5-18 動態立面的機構變動方案模擬 ... 106
表 6-1 服務建議書之進度規劃... 111
圖次 VII
圖次
圖 1-1 外牆的節能角色 ... 4
圖 1-2 本計畫之執行流程與進度 ... 6
圖 2-1 整合式節能外牆組成之示意圖 ... 9
圖 2-2 EEWH 日常節能指標中之主要評估項目 ... 10
圖 2-3 IEA 的先進整合式外牆分類階層圖 ... 15
圖 2-4 綠建築標章創新設計升級評估申請案例 ... 20
圖 2-5 IEA ECBCS 出版之整合式節能外牆相關技術文件及探討
內容 ... 22
圖 2-6 IEA ECBCS 所建議之整合式立面開發流程 ... 23
圖 2-7 建築立面與建築全系統之關聯 ... 26
圖 2-8 由岩棉隔熱材和陶粒輕隔間幕牆板所構成的外牆 ... 29
圖 2-9 外牆外保溫系統構造組成 ... 30
圖 3-1 Ellipse 360 住宅大樓 ... 32
圖 3-2 陽台與內牆關係平面圖說 ... 32
圖 3-3 帷幕牆節能概念剖面圖說 ... 32
圖 3-4 萬華段集合住宅遮陽形式分析模擬 ... 33
圖 3-5 餘山住宅大樓 ... 34
圖 3-6 標準層平面圖 ... 34
VIII
圖 3-7 外牆綠化現況照片 ... 34
圖 3-8 新北市土城國民運動中心 ... 35
圖 3-9 縱向剖面圖 ... 35
圖 3-10 國立台灣科技大學台灣建築科技中心 ... 36
圖 3-11 材料斷面構成 ... 36
圖 3-12 外牆剖面圖 ... 36
圖 3-13 南台科技大學能源工程館 ... 37
圖 3-14 廊道側格柵之透視效果 ... 37
圖 3-15 外牆剖面圖 ... 37
圖 3-16 嘉義產業創新研發中心 ... 38
圖 3-17 全區平面圖 ... 38
圖 3-18 外牆剖面圖 ... 38
圖 3-19 嘉義縣溪口鄉文化生活館 ... 39
圖 3-20 材料斷面構成 ... 39
圖 3-21 外牆剖面圖 ... 39
圖 3-22 Eroor 住宅開發案及熱性能模擬 ... 40
圖 3-23 兼顧遮陽、吸熱、視野及美觀效果之 Terracotta 陶管
百葉 ... 41
圖次 IX
圖 3-25 SHADERADE 參數化遮陽設計手法 ... 43
圖 3-26 AQUA TOWER 標準層平面圖 ... 43
圖 3-27 具感知功能之智慧型建築外層 ... 45
圖 3-28 中台灣創新園區鳥瞰圖 ... 46
圖 3-29 中台灣創新園區造型遮陽細部 ... 46
圖 3-30 台南縣政府立面更新... 47
圖 3-31 宜蘭地政大樓整體造型 ... 48
圖 3-32 牆體材料與構造隔熱設計 ... 48
圖 3-33 台北華南銀行總部大樓 ... 49
圖 3-34 西側空中花園剖面詳圖 ... 49
圖 3-35 結構框架與帷幕細部剖面圖 ... 49
圖 3-36 台積電中科十五廠 ... 50
圖 3-37 外牆植生網 ... 50
圖 3-38 外牆綠化現況照片 ... 50
圖 3-39 EGWW Federal Building 透視圖與遮陽形式模擬 ... 51
圖 3-40 EGWW Federal Building 外遮陽單元設計與實驗 ... 52
圖 3-41 建築整體透視圖 ... 53
圖 3-42 可開啟窗單元構件 ... 53
X
圖 3-44 GSW Headquarters 整體透視 ... 54
圖 3-45 GSW Headquarters 立面造型效果 ... 54
圖 3-46 GSW Headquarters 細部構造圖 ... 54
圖 3-47 GSW Headquarters 通風示意圖 ... 54
圖 3-48 北歐五國大使館立面與細部 ... 55
圖 3-49 阿布達比投資公司總部設計說明 ... 57
圖 3-50 Helio Trace 可動立面之設計說明 ... 59
圖 3-51 巴塞隆納自來水公司總部大樓 Torre Agbar 設計說明 .. 61
圖 3-52 ZVK Building 可調式立面之設計說明 ... 63
圖 3-53 德國 Expo-Tower 動態太陽能立面 Wesertal 之設計說明 65
圖 3-54 外牆系統之分類架構... 70
圖 4-1 第一次專家座談會活動照片 1 ... 76
圖 4-2 第一次專家座談會活動照片 2 ... 76
圖 4-3 第二次專家座談會活動照片 1 ... 81
圖 4-4 第二次專家座談會活動照片 2 ... 81
圖 4-5 第二次專家座談會活動照片 4 ... 81
圖 4-6 專家訪談結論：外牆節能發展需求 ... 83
圖 5-1 整合式節能外牆之設計流程 ... 85
圖 5-2 外牆節能設計指南之架構內容 ... 86
圖次 XI
圖 5-3 外牆節能技術指南之排版設計 ... 87
圖 5-4 節能外牆技術指南應用流程 ... 93
圖 5-5 舊台南縣政府關鍵立面更新模型圖 ... 95
圖 5-6 初步概念採光分析示意圖(Light Analysis) ... 95
圖 5-7 BC-WR01 開口率參數化設計模型之參數設定示意圖 ... 97
圖 5-8 開口率資訊擷取示意圖... 97
圖 5-9 既有方案與五種方案之 Envload 比較圖表 ... 99
圖 5-10 既有方案和五種方案之 EEV 與 Baseline 比較圖表 ... 99
圖 5-11 框架模型照片 ... 100
圖 5-12 框架體的細部構造 3D 圖與模型照片 ... 101
圖 5-13 框架體材料與界面構造 3D 圖... 101
圖 5-14 可抽換立面端的界面構造 3D 圖與模型照片 ... 102
圖 5-15 可抽換立面的組裝置換方法示意圖 ... 102
圖 5-16 光感測器配置圖 ... 102
圖 5-17 溫度感測器配置圖 ... 102
圖 5-18 組合方案 1 透視與頂視圖 ... 105
圖 5-19 組合方案 2 透視與頂視圖 ... 105
圖 5-20 組合方案 3 透視與頂視圖 ... 105
圖 5-21 立面測試平台流程規劃圖 ... 107
XII
摘要 XIII
摘要
關鍵詞：智慧綠建築、建築外牆設計、能耗分析 ㄧ、研究緣起 隨著氣候變遷，建築物永續設計的需求日益增加，都市建築朝向高層化發展； 外牆所占建築外殼表面積比例與日俱增，較屋頂所占面積為大；若外牆熱性能未 加以妥善考慮，相對的，外牆總傳透熱量亦會較屋頂總傳透熱量為大。根據熱傳 導理論公式: Qw=UwAwΔtew=UwAw(tew-ti)，降低構造體、外牆熱傳透率 U 值、 降低外牆表面相當溫度 tew 均是基本常用之節能對策手法。此外，雙層外牆立面 亦成為近年來受到關注的設計主題，在熱性能方面，夏季時具有減少外牆收受直 接日射熱，降低外牆表面相當溫度之隔熱功能，並具有溫差浮力通風散熱之效果， 同時其構造可以提供作立面植生綠美化運用以降低建築外牆得熱，有助於建築節 能；此外就都市景觀而言，雙層牆立面設計可增加開口、採光、綠化、遮陽等構 件之組合彈性，帶來立面設計的豐富與多樣性，同時使構件設計朝向參數化、系 統化與模組化。然而上列被動式節能手法，選擇性相當多元。如何運用已成熟的 設計樣式，形成設計資料庫，兼顧外牆隔熱材料導入，及其相關細部構件發展， 在設計前期階段，即導入建築節能設計決策最佳化分析，需要建立整體化的評估 架構，再針對個案特性進行外牆節能策略之探討與模擬。 現階段，基於地球生態永續平衡的需求，以及全球所倡導的綠色新政與零能 (正能)建築願景，建築物外殼設計除了透過被動手法產生節能效益之外，亦應積 極尋求創能、蓄能之機會，因此環境感應式立面外層、太陽光電 BIPV、風力發 電導入外牆設計等案例應運而生。上述類型均有待進行更深入的應用研究並取得 技術顧問的協助，以太陽光發電在建築上應用為例，由於臺灣地區夏季水平面收 受日射量較垂直立面為大；因此光電板安裝於遮陽裝置之發電效益，較安裝於垂 直外牆立面時為佳，並能提供開口部之遮陽功能；此外，為能更切合季節、基地 微氣候、太陽角度等因時因地制宜之狀態變化加以調適，並呼應臺灣在外遮陽創 新單元開發方面的需求，環境感應式立面的開發趨勢亦有助於降低建築外殼日射 得熱，兼具發電與遮陽功能。就建築外牆而言，如何整合複式帷幕、感應式立面、 隔熱通風散熱之調控利用、太陽光發電遮陽、風力發電等主動式設計手法，成為 新一代邁向智慧綠建築重要之創新設計選項。 基於上述需求，本計畫擬結合被動與主動節能之面向進行外牆節能策略之應 用研究。XIV 二、研究方法及內容 本計畫將先透過 Top-down 角度，歸納整理可運用之主被動設計手法，再以 示範案例進行外牆節能設計整合應用方式之模擬與評估。研究內容如下： 1. 針對建築外殼，匯整及分析有關遮陽、隔熱、通風散熱之相關文獻。 2. 分析建築外殼遮陽、隔熱、通風理論及太陽光發電推估理論。 3. 收集分析國內外有關建築外殼節能與能資源利用之創新設計概念及案例 資料。 4. 感應式智慧立面元件應用之開發：探討外遮陽模組導入智慧化(感測、運 算、控制等)自主調適機制後，對立面設計所帶來的影響。 5. 分析太陽光發電遮陽裝置與複式帷幕外牆結合構造方式之設計與較佳化 模式分析，探討其相關應用技術事項。 6. 運用電腦模擬軟體評估太陽光發電遮陽裝置與複式帷幕外牆結合之節能 效益，包括:發電性能、遮陽性能、隔熱與通風散熱性能。 建立太陽光發電遮陽與複式帷幕外牆整合構造實驗案例單元模型，並進行效 能綜合評估與量測方法之研究，研擬發電、隔熱、遮陽系統之整合節能效益實測 方法。 三、重要發現 1. 節能設計應用工具的整合：根據我國綠建築 EEWH 評估系統， 「建築日常 節能」考量的面向主要包含「外殼節能」、「空調節能」、「照明節能」三大部 分。而「外殼節能」又可包含「外牆節能」、「屋頂節能」兩大部分。本研究 之範疇僅先聚焦於「外牆節能」，依座談會專家建議，應延伸到屋頂節能， 未來並進一步就此體系架構，整合整體節能評估之需求，發展配合 BIM 模 型之 GREEN BIM 模擬評估工具。因應未來的設計工具將逐步由 2D 圖說進 入 3D 與 BIM 模型整合，節能計算中，許多牽涉空間與材料面積量測、數 量估算、角度檢討等工作，均可透過程式化工具加以處理，以加快設計檢核 流程。 2. 實測驗證相關技術、認證平台、獎勵機制的研擬： 根據文獻研究及訪談結 論，太陽光電遮陽與複式帷幕外牆等創新整合式外牆之模擬相當複雜，目前 尚未有具公信力之軟體或實測方法，建議建研所未來可以整合外牆相關業者， 研擬外牆單元之足尺雛型檢驗平台或節能效果用後實測認證獎勵機制。累積 本地相關數據整合於節能技術指南中，供業界作為設計之參考，俾便於作為 與國內外其他評估認證系統接軌之依據，以方便一般設計及營造單位，能大 量採用節能設計，助於整體低碳建築環境品質之提昇。
摘要 XV 3. 節能外牆建材投資報酬率(ROI)之計算基準：根據專家訪談結論，整合式節 能外牆之造價及 ROI 評估，節能效果佳又造價不高之設計並非不可能。但 隨著太陽能及玻璃等建材之價格逐年降低、發電效率或隔熱性能等技術逐漸 提昇，台電電價及躉購電價之波動等因素，節能建材或系統之相關計算基準 亦逐年變動，建議政府相關單位或民間產業公會能有提供相關之調查數據作 為之參考，提供設計者或發包採購單位作為設計決策之參考。 4. 節能外牆設計與使用流程： 本研究初步歸納出設計階段外牆節能建議之設 計流程(如圖 5-1)，若能經過實務單位透過設計實例操作，進行過程中相關 模擬方法之驗證，同時延伸到使用階段，使用管理單位對於節能外牆使用之 維護流程追蹤，未來形成標準作業程序，導入建築物整體設計使用之生命週 期，應能在綠建築法規與標章查核、驗證工作上，能更有系統地執行並取得 相關績效之數據。 5. 法令規範之調整：未來應持續透過國內外綠建築規範的比較分析，配合全球 趨勢逐步調高節能基準，檢討我國外牆節能基準之未來發展藍圖及創新材料 與工法對於節能之影響。法令上應定義整合式外牆(主動式遮陽、雙層牆… 等)在應用上之相關評估規範。 四、主要建議事項 根據上節研究成果發現，本研究提出下列具體建議： 建議一 基於綠建築法令執行角度，賡續辦理節能外殼(含屋頂)單元設計之應用研究： 立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：臺灣建築學會 延伸本研究之成果，持續透過案例研究與法規適應性檢討，進行外殼單元創 新材料或特色設計之細部模組化模擬，進而透過參數化分析方法，萃取細部數據， 針對本地常用之外殼構材單元，進行熱性能比較分析，並將節能具體手法，整理 成為技術指南或參考手冊，以提供各界觀摩引用，使節能外殼設計概念得以推廣。 建議二 發展對應本地綠建築法令之 BIM 節能設計應用工具：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：財團法人台灣建築中心 隨著中央地方營建主管單位與營建產業各界對於 BIM 工具的關注，結合節 能分析檢討的 GREEN BIM 工具發展，已成為全球各地所重視的議題，然而現有
XVI 外來工具無法直接滿足本地綠建築法規檢討與智慧綠建築標章之需求，因此因應 本地法令與評估系統，發展適合的對應工具已成為現階段重要的工作。 建議三 發展外牆構造單元節能效能實測驗證平台與獎勵機制：中長期建議 主辦機關：經濟部能源局 協辦機關：中華民國全國建築師公會、工業技術研究院綠能與環境研究所 本研究中發現，太陽光電遮陽與複式帷幕外牆等創新整合式外牆之模擬相當 複雜，目前尚未有具公信力之軟體或實測方法，建議整合外牆相關構材業者，籌 組外牆單元之足尺雛型檢驗平台提供實測驗證服務，並由主管機關就節能實測認 證結果研擬獎勵機制。藉此累積本地相關數據供業界作為設計參考，且透過明確 認證數據與國內外評估認證系統接軌，有利國內產品、技術之輸出。
ABSTRACT
XVII
ABSTRACT
Keywords: Smart-Green Building, Building Facade Design, Energy Performance
I、Introduction
The impacts of climate change evoke the needs for building sustainable design and in the meanwhile, the increase of high-rise buildings in Taiwan’s cities also greatly increase the proportion of façade areas in total building envelops. Therefore, the heat performances of façades (or building walls) become more important than of roofs. Based on the heat transfer theory and equation, ie. Qw = UwAwΔtew = UwAw(tew-ti), building envelop design strategies of lower building mass, lower U value and lower surface temperature (tew) are normally the basic approaches in green building design. Advanced building skins, including double skin façade, (DSF) have also become a popular design issue. Concerning the energy performance of DSF as exterior walls, it prevents direct solar heat in the summer and enhances the performance of wall in insulation, surface temperature control, stack ventilation, etc. Also, it provides available structures for possibly integrating with vegetation-bearing green walls for better energy effect. For various climate conditions, DSF provides various combinations of façade elements for opening, daylighting, planting, sun-shading, etc. and improves the aesthetic effect for urban landscape. Those elements also allow chances for building industry in developing versatile façade components in parametric, systematic and modularized design methods. The above categories reveal many passive green design options. However, how to achieve the optimized strategy in early design phase requires further studies in: mature façade design patterns, component libraries covering with related materials, and detail design. In this project, we propose to develop a holistic design and evaluation framework for energy efficient façade as a basis for demonstrating façade design and simulation.
Currently, under the needs of ecological sustainability, and the global thoughts of Green New Policies, zero-energy (or plus-energy) buildings, smart-green building design should not only conducted by passive approach for energy-saving, but also by active strategies in seeking more opportunities in energy production and energy storage. Therefore, many innovative technologies are integrated into the façade design, e.g., Responsive Façade (RF), kinetic façade, BIPV, wind turbine, etc. Each of the above technologies has to be studied independently and supported by professional consultants. For example, installing PV panels on the horizontal surface of sunshades is possibly a better design strategy than on the vertical façade surface, because summers in Taiwan,
XVIII
insolation on the horizontal surfaces are much greater than on the vertical ones. For subtly adaptive to the context of locational and temporal situation, e.g. building site, season, microclimate, sun-angle, etc., Responsive Façade (RF) is also an innovative direction for buildings in Taiwan. RF integrates the functions of heat prevention, power generation and sun shading. For total solutions of building façade design, DSF, RF, PV shading, wind turbine, heat insulation and emission, and adaptive ventilation control are all new alternatives for smart-green buildings.
Based on the above concerns, this project focusd on the application of hybrid (i.e. passive and active together) green design strategies for achieving energy efficient building facades.
II. Research Topics
From the top-down approach, this project will firstly review passive and active façade design methods. And then from the bottom-up approach, this project will demonstrate the integrated design outcomes and corresponded energy performance evaluations of facade projects. The research contents include:
− Literature review: for building envelope design factors, including sun shading, heat reduction, and ventilated heat emission, etc.
− Theory background analysis: for building envelope related theories, including sun shading, heat reduction, ventilated heat emission, and photovoltaic power generation estimation, etc.
− Innovative design patterns and case studies: domestic and foreign examples of energy-efficient building envelope design and energy/resource recycle and reuse.
− Developing applications of RF components: by introducing self-adaptable intelligence (sense, processing, and control) into sun-shading components and evaluating the effects to building facades.
− Integrated façade detail study and optimization analysis in combining PV sunshade device and DSF, including related technical issues for building applications.
− Computational performance simulations: energy efficiency in integrating PV sunshade device into DSF, including performance of PV power generation, sun shading, heat reduction, ventilated heat emission.
ABSTRACT
XIX
− Test model for integrating PV sunshade device and DSF: total performance evaluation and assessment method survey, including PV power generation, sun shading, heat reduction, ventilated heat emission.
III. Conclusions
Based on ABRI’s FY2015 main policy axis of “Innovative low-carbon green building environmental design technology and science development”, the project has achieved conclusions on:
1. Overview and analysis of building envelope design factors, including sun shading, heat reduction, and ventilated heat emission, etc.
2. Integrated design guidelines for innovative façade design patterns and case studies, including design strategies for power generation.
3. Optimized detail design patterns and technical instructions for RF-PV-DSF integrated design based on the conclusion of empirical study from panel discussions and expert interviews.
4. Computer simulation for energy performance and components’ interactive mechanism of the RF-PV-DSF integrated model, in order to establish a design and evaluation process for energy-efficient building envelopes.
Based on the above results, this project concluded with a real project demonstration for The City Hall Building of Tainan County. According to the research conclusions, the following directions are suggested for future development:
1. The Integration of Energy Modeling Design Tools;
2. Site Assessment Technology, Validation Platform and Incentive Mechanism for Façade Energy Performance;
3. Standards for the Estimation Analysis of ROI (Return of Investment) for Energy-Saving Façade Materials;
4. Design and Operation Process for Energy Saving Façade; 5. The Adjustment for Building Regulations.
XX
IV. Major Suggestions
This project comes to the immediate and long-term strategies. For immediate strategies:
1. Based on the local green building regulations, the research efforts for energy-saving envelope applications should be extended to the applications of roofing.
For long-term strategies:
1. Complying with the local green building regulations, BIM-based energy-saving design tools are suggested to be developed. 2. Site Assessment Technology, Validation Platform and Incentive
Mechanism for improving the energy performance of façade construction modules are suggested to be developed.
第一章 緒論 1 1
第一章 緒論
第一節 研究緣起與背景
本計畫根據內政部建築研究所 104-107 年度『創新低碳綠建築環境科技計畫』 計畫架構下之『建築節能減碳科技』分項加以執行。有鑑於國際能源署（IEA, International Energy Agency）近年來對於建築物外 牆節能設計議題之重視，於 2004-2011 年透過建築與社區節能（ECBCS，Energy Conservation in Buildings and Community Systems）執行委員會，集結全球各區域 28 參與國專家透過節約能源、替代能源和能源研究、開發和示範（RD＆D）的 發展提高能源安全。所提出之附件 43(ANNEX 43)、附件 44 (ANNEX 44)等報告 書，可作為世界各國探討外牆節能設計之參考。
其中「附件 43：測試與建築能耗模擬工具的驗證」，主要探討雙層牆立面 (Double Skin Façade, DSF)之分類及特性；而附件 44 則是從節能角度，針對「環 境感應式建築元件」 ( Responsive Building Elements, RBE) 加以探討，期透過先 進的運算與控制設備，使建築節能、創能、蓄能各方面設計選擇更精進與多樣化， 並帶動資通訊與材料技術的大量運用。RBE 可分為立面系統、基礎、蓄熱體、屋 頂系統等四大領域分類。立面系統涵蓋通風、雙層牆、可調適性立面、動態絕熱 等議題。 然而，本團隊於先期研究中在探討智慧綠建築如何「系統化」與「模組化」 (Modularization)的過程中發現：
一、台灣在外牆創新單元開發方面的需求：
建築物外殼，尤其是立面與外遮陽整體設計，是最容易展示智慧綠模組的面 向，可與建築外觀細部設計有極大的結合潛力，並且易於重複再現於不同的建築 物，形成智慧綠建材的創新產品單元。台灣地處亞熱帶溼熱氣候，在夏季時節為 了改善建築物室內環境的舒適度，必須大量使用空調設備及通風機械進行冷房空 調，因此建築物之外牆隔熱性能、外遮陽之太陽直射熱遮蔽性非常重要。然而國 內目前多使用既有的水平、垂直、格柵等遮陽設計方式進行熱性能概算檢討，對 於創新立面設計模組之效能評估仍較缺乏。若要模擬由創新材料或新的構築工法 所組成的節能外牆立面模組，不論在單元的 3D 幾何模型及相關參數的定義上，2 都需要就模組的設計手法、材料、配置方式進行測試，以定義其資訊模型，並植 入其適合應用的涵構範圍加以模擬，包含對於基地微氣候、建築物座向、立面構 造方式等條件的考量。
二、缺乏雙層外牆立面模組的應用檢討：
雙層外牆立面亦成為近年來受到關注的設計主題，在熱性能方面，夏季時具 有減少外牆收受直接日射熱，降低外牆表面相當溫度之隔熱功能，並具有溫差浮 力通風散熱之效果，同時其構造可以提供作立面植生綠美化運用以降低建築外牆 得熱，有助於建築節能；就都市景觀而言，雙層牆立面設計可增加開口、採光、 綠化、遮陽等構件之組合彈性，帶來立面設計的豐富與多樣性，同時使構件設計 朝向參數化、系統化與模組化。然而上列被動式節能手法，選擇性相當多元。如 何運用已成熟的設計樣式，形成設計資料庫，兼顧外牆隔熱材料導入，及其相關 細部構件發展，在設計前期階段，即導入建築節能設計決策最佳化分析，需要建 立整體化的評估架構，再針對個案特性進行外牆節能策略之探討與模擬。三、全球在主動式立面模組的開發趨勢：
現階段，基於地球生態永續平衡的需求，以及全球所倡導的綠色新政與零能 (正能)建築願景，建築物外殼設計除了透過被動手法產生節能效益之外，亦應積 極尋求創能、蓄能之機會，因此環境感應式立面外層、太陽光電 BIPV、風力發 電導入外牆設計等案例應運而生。國外許多大學研究單位，如：美國哈佛大學及 麻省理工學院媒體實驗室、英國雷汀大學智慧建築實驗室等，從 2005 年開始， 即開始對於創新智慧材料及環境感應式立面展開許多研究。 近年來，由於材料科學的進展，製造工具、方法與流程的多樣化，加上電子 設備的微型化，使我們所建造的環境及其中的各樣構件也產生了極大的變化 (Coelho and Maes, 2008)，無法再用傳統的建材組構方式來加以描述與運用。材料 所展現的微機電特性將感測與致動裝置無縫地整合到環境之中，擴增了運算裝置 所涵括的領域，也重塑了人們互動及溝通的方式。上述類型均有待進行更深入的 應用研究並取得技術顧問的協助，以太陽光發電在建築上應用為例，由於臺灣地 區夏季水平面收受日射量較垂直立面為大；因此光電板安裝於遮陽裝置之發電效 益，較安裝於垂直外牆立面時為佳，並能提供開口部之遮陽功能；此外，為能更 切合季節、基地微氣候、太陽角度等因時因地制宜之狀態變化加以調適，並呼應 臺灣在外遮陽創新單元開發方面的需求，環境感應式立面的開發趨勢亦有助於降 低建築外殼日射得熱，兼具發電與遮陽功能。就建築外牆而言，如何整合複式帷 幕、感應式立面、隔熱通風散熱之調控利用、太陽光發電遮陽、風力發電等主動 式設計手法，成為新一代邁向智慧綠建築重要之創新設計選項。第一章 緒論
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基於以上研究背景與現況發現，本研究將聚焦於整合式節能外牆立面元件開 發，以合乎當前的研究趨勢並我國居住環境需求，因此本計畫擬結合被動與主動 節能之面向進行外牆節能策略之應用研究。
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第二節 研究內容與工作項目
為配合行政院推動「智慧綠建築推動方案」，並強化重點領域之跨領域研發 創新，以「智慧」連結「健康、節能、環境及永續」，延伸智慧建築與綠建築環 境科技整合。本研究以探討建築物外牆之節能設計為主題，如圖 1-1，說明了『人 -建築外牆-外界氣候環境』之關連，外界氣候取決於建築物座落地點位置、內部 需求則取決於建築物用途所對應之舒適環境，而建築外殼，尤其是外牆作為室內 外能源交換的中介角色，並對於建築物能源消耗扮演著關鍵性的影響，主要影響 層面包含：冷房、暖房、照明及相關建築設備等。本研究期藉由整合式之設計策 略與輔助工具，提供設計者擬定初期之外牆設計方案，可同時兼顧外觀造型、節 能表現及其相關影響因子，提供相關設計指南及建議手法，進而推廣外牆節能設 計在建築實務上之運用。 圖 1-1 外牆的節能角色 (IEA，2008) 因應建築物節能外牆之研究課題，擬定本計畫之工作項目如下：一、文獻回顧
將針對建築外殼，匯整及分析有關遮陽、隔熱、通風散熱之相關文獻，並針 對下列領域，進行更完整的文獻探討 – (A) 整合式外牆之相關定義及理論、(B) 台灣地區外牆節能相關法規、(C) 台灣地區外牆節能標準、(D) 外牆節能設計準 則；第一章 緒論 5
二、案例調查分析
收集分析國內外有關建築外殼節能之創新設計概念及案例，並聚焦於以下幾 項分析重點- (A) 建築物基本資料、 (B) 節能設計手法、(C) 外牆單元構件之設 計特色與應用方式。三、專家學者訪談與座談
先進行個別訪談，歸納節能外牆設計施作之各面向議題，再邀請各方面專家 於計畫執行前期及後期，舉行兩次專家座談會，邀請單位包含委託單位、產業界 (外牆廠商、建築師事務所、營造公司)、學術界、公法人機構代表…等。期藉由 專家經驗及意見提供本計畫案方向之修正。四、節能設計指南
依辦公、住宅等建築物用途歸納整理適用於台灣地區之節能外牆類型及技術， 提供設計者作為外牆方案選用之依據。五、整合式立面元件開發設計模擬實驗
模擬外遮陽等整合式立面模組導入智慧化自主調適機制後，對立面設計所帶 來的影響。假設幾處建築物基地及量體型式，進行整合式立面單元之導入與設計 模擬，並評估其效能與美學觀感。運用電腦模擬軟體評估太陽光發電遮陽裝置與 複式帷幕外牆結合之節能效益，包括:發電性能、遮陽性能、隔熱與通風散熱性 能。如：Revit Archiecture 相容之效能模擬軟體 (如：Ecotect、Energy Plus、Green Building Studio 等) 建構整合式立面單元模組能耗模擬平台，並透過參數化測試 進行模組之基礎資料評估。分析複式帷幕外牆結合構造方式之設計與較佳化模式 分析，探討其相關應用技術事項。六、雛型實作實驗
期能形成一省能之立面單元構築模組。雛型設計將考量如何展現發電、隔熱、 遮陽、採光等功能模式對應於環境狀態變化的調適。七、結論歸納與檢討
整合上列研究結果，進行建築物節能外牆技術應用、設計方法與流程之歸納， 形成本計畫結論。6 基於應用研究屬性需求，應於先期快速進行既有成果之文獻分析、結論摘要 作為應用研究之基礎。並由既有基礎上，探索目前國際趨勢，由目前國內技術水 平、設備材料技術工法等之可及性與可負擔性，評估切入所適合之外牆節能應用 技術，並透過專家經驗與模擬，進行整合性設計與評估。本計畫之執行流程與進 度如圖 1-2。 圖 1-2 本計畫之執行流程與進度 (本研究繪製)
第一章 緒論 7
第三節 預期成果
以內政部建築研究所 104 年度『創新低碳綠建築環境設計技術與科技研發』 為主軸，透過第二節中所列之工作項目，期達成之預期成果如下：一、節能外牆設計指南
匯整及分析有關整合式節能外牆元件之設計方法、遮陽、隔熱、通風散熱及 發電效益之相關文獻結論。擬提涵蓋環境感應式立面、太陽光發電遮陽裝置與複 式帷幕等整合性外牆節能手法之較佳化構造設計模式與相關應用技術事項。二、節能外牆案例資料庫
匯整國內外有關建築外牆節能設計概念及案例資料；形成智慧元件資料圖庫 及內建相關設計參數樣板，便利設計者作為設計發想之整合運用。三、外牆案例模擬及範型建置
透過示範案例、設計指南及案例資料庫，擬提建築節能外牆整合應用對策之 設計操作流程。期藉由涵蓋環境感應式建築外殼、太陽光電遮陽與複式帷幕之整 合設計示範案例，進行節能效益電腦模擬與構件機構雛型模擬，建立可行之節能 外牆單元開發設計與評估流程。第二章 文獻回顧 9 2
第二章 文獻回顧
第一節 節能外牆之相關用語定義
本研究所探討之整合式節能外牆是指於現有國內外牆節能相關規範基礎上， 延伸整合複式帷幕(DSF)、環境感應式立面(RBE) 或太陽光電(PV)等主動節能之 創新型外牆設計。本研究嘗試透過文獻整理歸納整合式外牆組成如下： 「整合式外牆」的組成，牆+ 開口部+ 遮陽+ PV 板 或 牆+ 牆(雙層牆 DSF) 其中， 牆 = 主牆材料 + 面磚或空氣層等(剖面)； 開口部 = 窗框 + 玻璃； 圖 2-1 整合式節能外牆組成之示意圖 (本研究繪製) 為能更清楚釐清報告中所牽涉之節能外牆相關用語，以下將參考文獻定義加 以表列：一、國內節能法規之外牆相關用語定義
「建築節能」與「節能外牆」之差異如圖 2-2 所示，根據我國綠建築 EEWH 評估系統，「建築日常節能」考量的面向主要包含「外殼節能」、「空調節能」、「照10 明節能」三大部分。而「外殼節能」又可包含「外牆節能」、「屋頂節能」兩大部 分。本研究之範疇將聚焦於「外牆節能」之議題加以深入探討。 圖 2-2 EEWH 日常節能指標中之主要評估項目 (資料來源：2015 年版之綠建築評估手冊) 根據國內「建築物強化外殼部位熱性能節約能源設計技術規範」，將建築物 外殼分為建築物外牆與屋頂，本研究限於計畫主題界定，暫排除屋頂部分之探討， 以建築物外牆為主要研究範疇。以下將「建築物強化外殼部位熱性能節約能源設 計技術規範」、「學校類大型空間類及其他類建築物節約能源設計技術規範」等法 規中之相關用語整理如下表。 表 2-1 建築物強化外殼部位熱性能節約能源設計技術規範之定義 (本研究整理自建築物強化外殼部位熱性能節約能源設計技術規範) 用語 定義 建築立面 建築外殼位於地面層以上且為室內空間臨接外氣之部位。但不 包括屋頂版、女兒牆、不與室內空間接鄰之構造物及屋頂突出 物部位。 開窗面部位 在建築立面中容許光線與日射直接穿透的部位，包括玻璃、壓 克力、玻璃磚之開口部位以及支撐其構造的窗框部位，其面積 包括開口部位以及窗框部位。 外牆部位 除了開窗部位、不透光的門扇部位及活動式捲門捲窗部位以 外，其他建築立面面對戶外之所有不透光部位。 熱傳透率 Ui [ W /(㎡ .k ) ] 建築物外殼構造當室內外溫差在 1 k 時，單位建築物外殼面積 在單位時間內之傳透熱量。
外牆平均熱傳透率 Uaw Average Outside Wall U Value，即所有建築立面不透光之外牆部 分之平均熱傳透率
窗平均熱傳透率 Uaf Average Fenestration U Value，即所有建築立面開窗部位熱傳透 率之平均值 熱傳導係數 ki [W/ (m. k )] 在單位時間、單位溫差之條件下， 垂直通過單位面積材質之傳 導熱量。 立面開窗率 WR[無單位] 所有開窗部位總面積對總建築立面面積之比值。 平均立面開窗率 AWR 除屋頂以外，所有建築外殼的平均透光開口比例。(用於學校類 大型空間之節約能源設計規範)
第二章 文獻回顧
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可開啟窗 可開啟且容許自然通風進出之開窗部位。
可開啟窗面積比 OWR Openable Window Ratio，某居室空間中容許自然通風之可開啟 窗部位最大總面積對開窗總面積之比值 透光窗面部位 除了屋頂以外之外殼中，容許光線與日射直接穿透的部位，包 括玻璃、壓克力、玻璃磚之開口 窗遮陽係數 [無單位] 日射量穿透進開窗部位之比例，包括外遮陽以及玻璃材質對日 射量的折減比例。 窗平均遮陽係數 SF Shading Factor，日射量穿透進所有建築立面開窗部位之比例 等價開窗率 Req 係指建築物各方位外殼透光部位，經標準化之日射、遮陽及通 風修正計算後之開窗面積，對建築外殼總面積之比值。 窗面平均日射取得量 AWSG [kWh/(㎡ .a)]
Average Window Solar Gain，除了屋頂部位以外之建築物所有透 光部位開窗表面之平均日射取得量。 窗面平均日射取得量基準值 AWSGs 建築技術規則建築設計施工編第三百十一條及第三百十二條所 定之窗面平均日射取得量基準值。 玻璃可見光反射率基準值 [無單位] 玻璃對於太陽可見光之反射比例標準，為本規則建築設計施工 編第三百零八條之一所定之基準值 0.25。 另參考「 辦公廳類建築物節約能源設計技術規範」，歸納相關用語定義如下表； 表 2-2 建築外殼耗能量(EnvLoad)規範相關術語 (本研究整理自建築外殼耗能量規範) 用語 定義 建築物外殼 建築物直接暴露於外氣，熱能可內外相互傳透之外圍構造，包 括屋頂、中庭之頂棚、天窗、牆壁、門窗、樓板等部位。外殼 面積以牆中心線與樓地板面為起算基點，並以實際包覆室內樓 地板面積之外殼計算認定基準。但不包含戶外牆、屋頂、女兒 牆及陽台女兒牆等不連接室內空間之部位。 外周區 受到外殼熱流進出影響之外圍空間區域，本規範以外牆中心線 起算 5m 深度內之所有室內空間為外周區。 內部區 不受外殼熱流進出影響之內部空間區域，其範圍為除了外周區 以外的室內空間。 建築物外殼耗能量 ENVLOAD [KWh/(㎡.a)] 為維持室內環境之舒適性，建築物單位外周區空調樓地板面積 全年冷房顯熱負荷量。 外殼耗能量基準值 ENVLOADs [KWh/(㎡.a)] 建築技術規則建築設計施工編第三百零九條所定之辦公廳類建 築物外殼耗能量基準值。 冷房顯熱負荷 為維持室內低於某一設定溫度（本規範設定為 26℃），在單位 時間內所需排除 之熱負荷，包括下列四種熱量（水蒸氣潛熱不 予計算）： a.由室內外溫差引起 之建築物外殼傳透之熱量。 b. 由日射穿透建築物外殼傳入之熱量。 c.室內人員、照明器具等 發散之熱量。 2 d.引入新鮮外氣量（每人 20m3 /h）而產生之室 內外顯熱熱量差。 空調 為〝空氣調節〞之簡稱，係調節室內空氣之溫度、濕度、清淨 度及 氣流分佈在一定舒適條件下以 滿足該空間之使用目的。 空調區 係指建築物中通常採用空調之空間，包括居室、門廳、電梯 廳、走 道等。上述空間不論是否採用 空調，均以空調區計 之。 非空調區 係指建築物中通常不採用空調之空間，包 括管道間、機械間、 樓梯 間、電梯坑道、浴室、廁所盥洗室、茶水間、儲藏室、車 庫等。此 部份之樓地板面積不計入空調樓地板面積 Afp。
12 全年室內發散熱量 G[Wh/(㎡.a)] 建築物使用時段內，單位樓地板面積室內人體與照明及設備發 散 熱 量之總值。人體與照明器具散發之熱量標準值，在辦公 廳室內人員 密度為 0.15 人/㎡，人體顯熱發熱為 54W/人，照明 密度為 25W/㎡。 外殼熱損失係數 L[W/(㎡.K)] 建築物空調區與室外溫差在 1K 時，單位空調樓地板面積在單 位 時 間 內進出建築物外殼之熱量。此 數值代表建築物外殼 之隔熱性能。 熱傳導係數 k[W/(m.K)] 通過某厚度之材質，在單位時間、單位溫差之條件下，垂直通 過單 位面積材質之傳導熱量。 冷房空調運轉時間 Ac[h/a] 建築物使用時段內之室內溫度高於某一冷房設定溫度（本規範 設定為 26℃），需實施空調之全年時間累算值。 外殼日射取得係數 Mk 建築物某方位空調區單位樓地板面積全年實際取得之日射量， 與 建築物毫無遮蔽時取得日射量之比值。此數值代表建築物外 殼之遮陽性能。 建築物使用時段 建築物使用時段即使用空調時段。本規範設定辦公廳類建築物 使用 時段為週一至週五：8:00∼18:00，週六、週日及例假日不 使用。 冷房度時 DH[K.h/a] 建築物使用時段內之逐時外氣溫高於某一冷房基準溫度（本規 範設定為 23℃）之全年溫差累算值。此數值代表當地全年之炎 熱 程度 。 冷房日射時 IHk[Wh/(㎡.a)] 建築物使用時段內某方位之逐時外氣溫高於某一冷房基準溫度 （本規範設定為 23℃）時之全年總日射量累算值。此數值代表 當地某方 位全年總日射量之大小。 熱傳透率 Ui[W/(㎡.K)] 建築物外殼構造當室內外溫差在 1K 時，單位建築物外殼面積 在 單位時間內之傳透熱量。 平均室溫上升量 Tu[K] 建築物因室外氣候、外殼隔熱、室內人員與照明發熱等因素綜 合影 響所造成之室內溫度上升量之 全年平均值。 平均晝光利用熄燈率 Drm 一幢或連棟建築物之全部外周區範圍內，其全年晝光利用時所 累計之熄燈時 數，與該建築物全年白晝開燈總時數之比值。 屋頂平均熱傳透率基準值 Uars [W/(㎡.K)] 本規則建築設計施工編第三百零八條 之一所定之屋頂部位平均 熱傳透率基準值。 屋頂透光天窗平均日射透過 率基準值 HWsc [無單位] 太陽輻射熱經屋頂透光天窗部位穿透進室內的比例標準，為本 規則建築設計施工編第三百零八條之一所訂之基準值。 上述外牆相關用語乃因應外殼秏能計算公式之定義所衍生，對於立面組構型 式較缺乏創新模組單元之整合描述方式，因此未能完全涵括本研究所探討之創新 型主被動整合式節能外牆設計內容，因此以下亦爰用參考國外之相關用語定義加 以翻譯解說。
二、國際能源署相關用語定義
如下表列出國際能源署（IEA）建築與社區節能（ECBCS）執委會2004-2011年推動方案中，集結全球十七國，對於外牆類型與構件整合所採用之用 語。IEA整合了比利時建築研究學會[BBRI, (2002)]及美國USA [Perino, M(2005)] 的外牆立面型式分類法，如圖2-3，說明了先進整合式立面及各類型外牆立面構 件之階層從屬關係。第二章 文獻回顧
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表 2-3 國際能源署之外牆用語 (IEA，2008)
英文用語及圖說 中文用語 定義 AIF (Advanced Integrated
Façade) 先進整合式 立面 運用先進可動式智慧構件整合於外牆的立 面設計，以達到室內外環境調適、節能、 通風、美觀、隱私等目標。如圖 2-1，根據 國際能源署之定義，可分為 TVF, CW, DSF…許多子項目。
DSF(Double Skin Facade)
(IEA，2008) 複式帷幕 / 雙層立面 複式帷幕包含內、外雙層透光帷幕及介於 中間的間隔或空氣層，內外層帷幕都可替 換選用單層或雙層玻璃。實務上兩層之間 的深度常介於 20-100 公分，並運用自然通 風或機械排熱。雙層之間常設置遮陽及百 葉以減少直射熱。把外牆當成室內外之間 的 “動態濾網”觀念取代了傳統上把外牆當 成“靜態屏障”的模式 CW (Climate Wall) (IEA，2008) 氣候調節牆 複層立面室外側採雙層玻璃、室內側採單 層玻璃或帷幕，兩層之間透過機械通風與 建築物通風系統整合，內層玻璃下方留設 10mm 以下小縫隙，以供氣流進入空氣層 TVF(Transparent Ventilated Façade) 透光垂直通 風立面 統稱具垂直通風設計之透光複式帷幕立面 BF (Buffer) (IEA，2008) 中空熱緩衝 層複式帷幕 以雙層玻璃間的靜態空氣層作為熱緩衝 區，外氣僅在平衡風壓時才會流入 [Haase, M (2005c)] BW (Box Window) (IEA，2008) 盒狀通風窗 複式帷幕 將複式帷幕分割成垂直及水平的盒狀窗， 冷空氣可由盒狀窗下方進入，熱空氣從盒 狀窗上方排出。傳博蓄熱牆(Trombe walls) 亦可以嵌入盒中整體設計。[Haase, M (2005c), Oesterle, et al (2001)] SB(Shaft Box) (IEA，2008) 豎井盒狀通 風窗複式帷 幕 複式帷幕的盒狀窗之間有垂直豎井，冷空 氣自盒狀窗下方進入後，熱空氣在盒狀窗 上方的側邊排到豎井帶出。[Haase, M (2005c), Oesterle, et al (2001)], Compagno, A (2002)].
14 C (Corrider) (IEA，2008) 走道式複式 帷幕 複式帷幕的內外層空間依樓層以走道水平 分割，進氣及排氣氣流方向如圖示，以避 免下層所排出廢氣成為上層的進氣。 [Haase, M (2005c), Oesterle, et al (2001)]. MS (Multi-story) (IEA，2008) 多樓層通風 複式帷幕 複式帷幕之間空氣層貫穿多個樓層，中空 層外側可改用可動式百葉取代，當開啟狀 態時，便不具有雙層牆效果。 [Haase, M (2005c), Oesterle, et al (2001)]. 美國的 Twin Façades 也屬於此一類型。[Perino, M (2005)]
OVF (Opaque Ventilated Façade) 不透光通風 立面 以不透光的傳博蓄熱牆(Trombe walls) 應用 及通風設計為主的立面 SW(Swindow) (IEA，2008) 智慧通風窗 為自然通風而設計，可連動整合空調系 統，基本組構包含水平轉軸窗，藉由風壓 平衡桿設計來調適進氣及排氣的控制。 [Takahashi, Y (2005)]. Light Shelf (IEA，2008) 導光板 導光板將窗戶分為上下兩個部分，上部窗 戶比較小。 對上下兩部分採取不同性能的 玻璃，以取得最佳的採光效果。 上部窗戶 採用可見光透射率高、太陽能得熱係數適 中或較低的玻璃，比如光譜選擇型 Low-E 玻璃，盡可能多的引入可見光，同時避免 過多熱量進入室內。 Glazing 開口部 開窗面部位 fins 垂直遮陽 Self-Shading 自體遮陽 透過建築物本身造型的遮陽方式，如量體 堆疊或樓板延伸之陽台等等。 NV(Natural Ventilation) 自然通風 運用風力及浮力通風散熱 MV(Mechanical Ventilation) 機械通風 運用風扇排熱 HV(Hybrid Ventilation) 複合式通風 自然機械併用通風
第二章 文獻回顧
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圖 2-3 IEA 的先進整合式外牆分類階層圖 (Perino, 2008)
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第二節 我國外牆節能相關法規及標章
以下謹列出與本研究所探討之整合式節能外牆相關之法規及標章，作為應用之參 考：一、建築技術規則- 綠建築基準：
表 2-4 國內相關節能法規整理 建築技術規則 建築設計施工編 規範重點 第三百零八條之二 受建築節約能源管制建築物之外牆平均熱傳透率、立面開窗部位（含玻 璃與窗框）之窗平均熱傳透率及窗平均遮陽係數應低於下表所示之基準 值。但符合本編第三百零九條、第三百十條、第三百十一條或第三百十 二條規定者，不在此限。 第三百零九條 針對辦公廳類、百貨商場類、旅館餐飲類及醫院類建築物，為維持室內 熱環境之舒適性，提供不同氣候分區外殼耗能量之基準值。但符合本編 第三百零八條之二規定者，不在此限 第三百十條 住宿類建築物外殼不透光之外牆部分之平均熱傳透率應低於三點五瓦∕ （平方公尺．度），且其建築物外殼等價開窗率之計算值應低於不同氣候 分區之基準值。但符合本編第三百零八條之二規定者，不在此限 第三百十一條 學校類建築物居室空間之窗面平均日射取得量應分別低於下表之基準 值。但符合本編第三百零八條之二規定者，不在此限。 第三百十二條 大型空間類建築物居室空間之窗面平均日射取得量應分別低於下表公式 所計算之基準值。但平均立面開窗率在百分之十以下，或符合本編第三 百零八條之二規定者，不在此限。 第三百十五條第二項 建築物強化外殼部位熱性能節約能源設計技術規範 為適用所有建築類型之建築部位別熱性能之特殊規定，與 ENVLOAD、 Req、AWSG 等綜合性能指標為二選一之規範，凡符合建築技術規則建 築設計施工編第三百零九條、第三百十條、第三百十一條及第三百十二 條之規範者，不在本規範適用範圍。(詳細內容請參考附錄三) (資料來源：建築技術規則第十七章綠建築基準第四節建築物節約能源， 各基準數據查表請詳附錄三)第二章 文獻回顧
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二、綠建築標章：建築外殼耗能量 ENVLOAD
建築外殼耗能量及基準
所謂建築外殼耗能量 ENVLOAD 即 Envelope Load 的簡稱意旨為了維持健康、舒 適的室內環境建築外周區空間在全年中的全年冷房顯熱負荷量。其計算方法為： ENVLOAD=a0+a1*G+a2*L*DH+a3*[Mk*IHk] 式中的 a0、a1、a2、a3 與 DH(溫度差)、IH(日射量)、與 G(室內熱)均為常數，由 規範可輕易查得不必另行計算。只要依規定公式算出外殼隔熱變數 L 與日射遮 蔽因素 M，就可完成 ENVLOAD 的計算。公式中的兩項變數 L*DH、Mk*1Hk 就 是「內外溫差熱得」與「日射熱得」二項最基本的熱負荷變數。即建築外殼的節 能設計只是在控制外殼的「隔熱性能(溫度差熱得)」和「遮陽性能(日射熱得)」。 建築設計者依調整方位、開口、玻璃、隔熱、遮陽等外殼變數來滿足上式的要求。 以辦公廳建築物外殼耗能量 ENVLOAD 為例，計算公式如下： ENVLOAD=-20370+2.010*G-0.033*L*DH+1.079*(Mk*1Hk) …【精算法】 ENVLOAD：建築物外殼耗能量 G：全年室內發散熱量 L：外殼熱損失係數 Mk：k 方位外殼面之日射取得係數 DH：當地之「冷房度時」 1Hk：當地 k 方位外殼之「冷房日射時」 k：方位參數 ……… 【簡算法】 Ai：i 窗面部位面積，包括屋頂天窗。 ki：i 部位開窗之外遮陽係數 η i：i 部位玻璃日設透過率 1Hk：當地 k 方位外殼之「冷房日射時」 Aen：辦公類建築物外殼總面積，包含外牆面積及屋頂面積 目前建築技術規則第 17 章有建築物節約能源規定。有關辦公、百貨、旅館的 ENLOAD 基準值 ENLOADs 請參考法規第 308 條~第 315 條規定。(詳附件三)
18 2015 年版綠建築標章之外殼節能基準 2015 年新版綠建築標章中「日常節能指標」的評估，更要求建築外殼耗能的 合格基準比現行節能法規約嚴格 20%，由於空調與照明耗能佔建築物總耗能量 中絕大部分，此項指標同時也加強對空調設備及照明系統的節能要求，對於建築 的節能設計設定更高的目標。建築外殼節能效率 EEV，可採納「建築節約能源設 計技術規範」所規定之精算法或簡算法計算值來評估。最新技術規則採用除了 ENVLOAD(建築外殼耗能量)、AWSG(窗面平均日射取得率) ，EEV 採 Req(等價 開窗率)、與 SF(窗平均遮陽係數)雙軌制，兩者擇一規範即可。另外，主機容量 大於 50USRT 之中央空調型建築，為了檢討其空調超量設計(HSC)值，規定只能 採精算法，而不得採用簡算法。EEWH-BC 為基本型的評估系統，可適用於空調 型建築、學校、大型空間等建築類型。如表 2-5 建築外殼節能指標 EEV 在基本 型的得分比重佔比為 14%，計算公式如下公式(a)及表 2-6，由建築外殼節能指標 EEV 可求得外殼部分之評分 RS41，其中 a 值之認定，如表 2-7： RS4=RS41+ RS42+ RS43 EEV = EV/EVc < EEVc = 0.8
RS41 = a x ((0.8-EEV)/0.8) + 2.0 ，且 0.0<RS41<14.0 ….. (a)
表 2-5 EEWH-BC 日常節能指標之得分配比
表 2-6 EEWH-BC 日常節能指標之計算公式
表 2-7 EEWH-BC 建築外殼秏能指標、基準與得分權重係數
第二章 文獻回顧 19 住宿類之 EEWH-RS 日常節能指標外殼節能部分相關規定則在於落實建築 技術規則第三百零八條之二之相關規定，以強化外牆與窗的保溫性並達到節能舒 適之需求。EEWH-RS 分級評估系統總得分 RS 中，RS41 、RS42 、RS43為外殼 節能相關之三項得分，如下表對於住宿類建築節得分影響佔比 16%，如公式 a 當 EEV 值小於 0.8 則按級距取得優惠加分；當外牆平均熱傳透率 Uaw 達 3.0W/(m2.K) 以下者，如公式 b 給予優惠加分；當窗平均熱傳透率 Uaf 達 5.5W/(m2.K)以下者， 依公式 c 給予優惠加分。若 EEV 之計算採用「外殼耗能指標 Req」，則須採納「建 築節約能源設計技術規範」所規定之精算法來評估。 RS4=RS41+ RS42+ RS43 +RS44+ RS45+ RS46 (前三項為外殼節能得分) EEV = Req/Reqc 或 SF/SFc < EEVc = 0.8
RS41 = ei x ((0.8-EEV)/0.8) + 2.0 ，且 0.0<RS41<8.0 ….. (a) RS42 = 4.0 x (3.0-Uaw)，且 0.0<RS42<4.0 ………(b) RS43 = 2.0 x (5.5-Uaf)，且 0.0<RS43<4.0 ……….….(c) 表 2-8 EEWH-RS 日常節能指標之得分配比 表 2-9 EEWH-RS 日常節能指標之計算公式 (表 2-8, 表 2-9 資料來源：2015 版綠建築標章之 EEWH-RS 日常節能評估) 綠建築標章創新設計升級認定原則 此外在綠建築評估手冊中亦指出，任何一種綠建築評估系統都可能有美中不 足之處，應預留彈性以鼓勵良好之綠建築技術與創意，雙層牆除溼通風及誘導式 通風設計等即是現行系統無法評估的範圍，但卻是亟待獎勵之設計案例。綠建築 評估之得分項目中，目前增列創新設計升級評估項目(如圖 2-4)，必須符合以下 之創新設計認定原則：(1) 必須是現有評估系統目前無法評估的內容；(2) 必須 能凸顯綠建築技術之造型美學、文化風貌、環境調和、自然生態、再生能源之創 意；(3) 僅適用於已取得建照之綠建築標章申請案件、不接受綠建築候選證書申 請；(4) 必須由綠建築預審委員推薦及「綠建築升級評估認定委員會」認定，三 分之二投票通過後始得晉升一級。
20 圖 2-4 綠建築標章創新設計升級評估申請案例 (資料來源：2015 版綠建築標章之 EEWH-BC 日常節能評估)
三、智慧建築標章：節能管理指標
2011 版智慧建築標章中，與節能外牆設計相關之部分為節能管理指標之第 四項節能技術-智慧外層節能措施，評分辦法規定智慧外層節能措施，係指建築 物外牆設置具有可適應環境自動調整之遮陽或窗戶等，達到降低室內耗能之功能， 提出設置系統計畫且內容完整，再經由委員會審查認定最高可得 4 分，每項可 得 4 分，本項最高得 8 分(8%)。2016 年版草案中，以 200 分為滿分之標章評分 配比，其中節能管理指標中之鼓勵項目亦列出「建築外層智慧化節能」得分佔比 為 2 分 (建築外殼、屋頂、樓梯間、通風管道等設置具有可感知是內外環境，可 以自動調整整之遮陽、窗戶、通風管道等，達到降低室內耗能)。另外也鼓勵創 新設計與應用佔比為 10 分，亦可運用整合式外牆節能設計加以發揮。第二章 文獻回顧 21 表 2-10 2011 版智慧建築標章節能管理指標評估項目 (資料來源：2011 版智慧建築解說與評估手冊) 項次 指標項目 評估項目 評估基準 一 能源監視系統 能源監視之功能 具有空調或動力或照明等設備之能源監視功 能。 二 能源管理系統 能源管理之功能 具有空調或動力或照明等設備之能源監控或 需量用電管理功能。 三 設備效率 採用高效率設備 冰水主機或冷氣機等空調設備符合能源局之 標準或具有各國節能標章認證。 螢光燈管或燈具等照明設備符合能源局之標 準或具有各國節能標章認證。 泵、電梯等動力設備具有高效率設備的說明 資料。 四 節能技術 智慧外層節能措施 具有可適應環境、降低室內耗能而可以自動 調整之遮陽或窗戶等。(各項節能措施最高 得 4 分)。 空調設備節能措施 設置主機運轉台數控制、全熱交換器、變冷 媒量、熱回收等(各項節能措施最高得 4 分)。 照明設備節能措施 採用晝光利用、初期照度調整、作業面照明 等(各項節能措施最高得 4 分) 動力設備節能措施 採用有諧波管理之變頻功能、最適契約容量 等(各項節能措施最高得 4 分。) 五 再生能源設備 再生能源設備之功 能 產生電力或熱能等替代能源(各項功能最高 得 4 分)。
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第三節 國際外牆節能推動內容
一、國際能源署 IEA 推動方案
2004-2011 國際能源署（IEA）建築與社區節能（ECBCS）執委會所推動之方 案中，與外牆節能創新設計的相關議題包含：附件 43(ANNEX 43)-「複式帷幕」 (Double Skin Façade, DSF)及附件 44 (ANNEX 44)-「環境感應式建築元件」 ( Responsive Building Elements, RBE)，期透過先進的運算與控制設備，使建築節 能、創能、蓄能。附件 43 (ANNEX 44)以探討 DSF 型式分類及案例為主；附件 44 (ANNEX 44) 中，由丹麥 Aalborg 大學集結全球各區域 17 國專家，從節能角 度，針對「環境感應式建築元件」 ( Responsive Building Elements, RBE) 加以探 討，並蒐集 RBE 的最新應用資訊，將其設計概念與效能評估方法編製成手冊， 大力加以推廣，期透過先進的運算與控制設備，使建築節能、創能、蓄能各方面 設計選擇更精進與多樣化，並帶動資通訊與材料技術的大量運用。在附件 44 的 報告中將 RBE 分為立面系統、基礎、蓄熱體、屋頂系統等四大領域分類。立面 系統涵蓋通風、雙層牆、可調適性立面、動態絕熱等議題。 圖 2-5 IEA ECBCS 出版之整合式節能外牆相關技術文件及探討內容 (資料來源：IEA ECBCS)
二、建築外牆節能設計流程
如圖 2-6，IEA 之研究報告中指出，節能外牆設計應考量功能、構造、造型、生 態環境等四大構面，整合業主需求及相關法規，考量氣候條件及都市涵構，依 IEA 建議，設計流程上應分為構想、系統、元件三階段加以進行：(1)概念設計階段 – 導入建築案例，透過基地及需求分析產生外牆設計概念及基本配置，使設計第二章 文獻回顧 23 具有整體性、創造性及可及性；(2) 系統設計階段 – 採用前段之概念設計繼續 發展，參考先進整合式立面案例導入設計案中，使系統具有實現性、有效性與整 合性；(3) 元件設計階段 – 符合法令、廠商生產規範，進行雛型開發及實際測 試，使外牆單元具有明確細部設計，並可交付生產。設計流程中，可根據冷房、 暖房、照明、通風之需求，如表 2-11 選擇從主被動之設計策略，先從基本建築 設計手法入手，可逐步依空間使用需求加入主動及人為控制、甚至智慧控制的部 分。 圖 2-6 IEA ECBCS 所建議之整合式立面開發流程 (IEA, 2012) 表 2-11 主被動設計策略分析 (資料來源：IEA, 2012)
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三、國際外殼節能標準整理
根據歐盟所發行的複式帷幕牆的最佳實踐操作準則 (EIE/04/135/S07.38652 “Best Practice for Double Skin Facades” WP5 Best Practice Guidelines ) ，其中根據各國 節能標準或準則，列出國際常見之立面外牆系統計算標準如下： 表 2-12 國際常見之立面外牆系統計算之節能標準 (本研究整理自各國節能標準) 節能標準 說明 Standard 189.1 : ANSI/ASHRAE/IES/USGB C Standard 189.1-2014 美國綠建築協會、冷凍空調協會、照明學會、國家標準局所通用之高 性能綠建築設計標準 NFRC(美國國家玻璃窗分 級評定委員會) NFRC 認證並評定窗戶分級，標明 SHGC, U 值, 氣密、抗結露性能。 使用 NFRC 認證窗，在申請美國 Energy Star 認證時，可以得到獎勵 得分。 Passivehaus Standard (被動 式建築標準) 德國 90 年代初期所發展的住宅被動式節能標準。 詳見 http://www.passivhaus.org.uk/standard.jsp?id=122 DIN V 18599 建築能效計算標準(包含暖房、冷房、通風、家用熱水、照明等需 求)。最新版本發布於 2011 年 12 月。分為住宅和非住宅建築，並分 為新建建築和既有建築。www.din.de / http://www.beuth.de. ISO/FDIS 13789 以熱傳透及通風為主的建築物熱性能計算，熱傳遞係數計算方法尚未 能考慮從雙層立面傳遞到室內的太陽輻射。 prEN/ISO 13790 以暖房為主的建築物熱性能計算，未能評估雙層立面。但此標準為 ISO 建築能源效率計算所採用。此一計算方法由 Platzer 修正，但仍 在遮陽、窗框、大氣等折減計算上不盡完善。 Directive (EPBD) in Germany 新版歐盟建築性能（EPBD）指令於 2010 年 6 月正式生效，以增加在 歐洲建築物的整體能源效率。EPBD，要求成員國創建：整體計算方 法的建築物，包括二氧化碳排放量的評估 ；對於新建築的能源需求 限制 ；要求新建築使用可再生能源；全面翻新建築物的能源需求限 制 ；所有公共建築的節能認證，公共建築物發電機的有效性常規控 制。 EU project WinDat 檢討在開窗部安裝可再生能源，並將開窗部發電資訊連結成為資料網 路，其計算工具由 DG TREN 所贊助開發，稱為 WIS，可作為立面發 電評估之簡算法。(http://www.windat.org) EN 13830 帷幕牆產品標準 (只包含定義，無計算方法) EN/ISO 13947 檢討複式帷幕牆熱性能，計算複層之間包含通風及不通風的空氣層熱 傳透降低效果，以檢討複式帷幕的熱緩衝效應，但未能考慮太陽熱得 的影響。 ISO 15099 檢討門、窗、遮陽的熱性能，根據最新演算方法及構件材料熱性質資 料，精確計算門窗細部以決定熱傳透及光傳透性質 (如：熱傳透率、 日射透過率)。此為一複合標準，需要事先輸入許多預設資料才能執 行計算。 ISO 18292 檢討開窗系統的熱性能計算，包含：門和天窗、窗框、玻璃、陰影的 影響，評級開窗系統的節能性能。此標準可應用於雙層立面，但未詳 述其計算方法。 WSchVO 德國建築物斷熱 法規 自 1995 年 1 月所提出的建築物隔熱條例（WSVO），包含新建築及舊 樓改造，增加氣密性 30%，限制每年暖房秏能量，新建建物申請並需 要提供暖房能秏證明。
第二章 文獻回顧
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EnEV 德國外殼節能條例 規定了住宅和商業建築隔熱標準。1977 年至今標準不斷提升，根據 2009 年節能條例，U 值[W/m2K]標準，外牆須<0.24；窗戶<1.3；屋頂
