台南藝術大學誘導式建築節能效益
王瑋民* 楊金石** 王南丁*** 林傳文***
*：崑山科技大學電機工程系
**：台電綜合研究所
***：台南藝術大學
摘要
誘導式建築節能觀念是強調以純建築設計的方式，透過建築結構及 空間設計，積極誘導自然力之利用，加強建築散熱性能，減輕利用其他 電氣設備的能源耗用，達到省能效果。台南藝術大學「建築研究所工作 室大樓」為一誘導式設計建築，充分利用自然資源之風力、雨水、太陽 光等能源，有效降低空調負荷及達到節能效果。該建築設計包括風塔、
風井、風廊、雙屋頂及外牆植草隔絕輻射熱，並配合坡地地形下層空間，
覆土以降低室內溫度。本文透過該建築物取樣點溫度之實際量測比較，
提供節能量化效益參考。
關鍵詞：誘導式建築
壹、前言
在邁向已發展國家之際，節約能源已為了必要條件，更是綠建築之 重要概念。依成功大學建築研究所統計指出，台灣建築業耗能所排放之 二氧化碳佔全國排放量之24.3%，因此建築節能為抑制二氧化碳減量排 放之重要項目，也是因應聯合國「氣候變化綱要公約」之必要對策[1]。
建築物的生命週期長達數十年甚至百年，從建材生產、建造運輸、
維修或拆除等過程都需要消耗能量，其中密切相關的建築外殼及方位等 基本設計，都能改善耗能建築，使之成為節能建築。為了使建築物資源 使用最少，能源消耗最小，規劃設計建築物符合「綠建築」之生態基礎、
綠化、基地保水、日常節能、二氧化碳減量、廢棄物減量、水資源、污 水及垃圾改善、室內環境等九大指標[2~4]。
台南藝術大學緊鄰烏山頭水庫，屬凹地地形，基地海拔62 公尺，依 年度調查，夏季年平均風速為3.28 m/sec，風向為南向；冬季則為4.28 m/sec，風向為東北北向。建築物的配置考慮校園基地氣候，為充分利用 陽光、空氣、方位、形狀等自然力所結合的節能規劃。台南藝術大學「建 築研究所工作室大樓」（圖1），為一設計充分利用陽光、雨水、風力、
氣溫等自然原理，減低電氣設備之能源耗用，其他節能應用設計包括風 塔、風井、風廊、雙屋頂等應用[5]，同時利用外牆植草隔絕室外輻射熱，
並配合坡地地形下層空間，覆土以降低室內溫度，形成獨特的建築風 格，亦達到節能目的。
圖1：台南藝術大學「建築研究所工作室大樓」外觀
貳、誘導式建築設計
台灣氣候屬濕熱特性，建築室內外溫度差及太陽輻射日射量，是造成建 築耗能的主要原因。就建築節能的原理而言，溫度差的節能技術為隔熱，
而對日射量的節能技術就是遮陽。太陽幅射熱存留在屋頂及外牆，則可設 計第二層的外皮供遮陽及遮雨。此外、建築物之通風換氣可分為人為強制 方式及自然流通方式，前者利用耗用能源之機械設備，後者則利用誘導式 通風來形成自然誘導式冷房的效果，簡而言之，即是利用溫度差來產生熱 移動，誘導氣流的形成（圖2）。
一、誘導式通風
誘導式通風基本上可分為重力換氣及風力換氣兩種[6]，重力換氣之效 果常見於自然界中，如傳統煙囪之設計即為重力換氣之效應。重力換氣係 以室、內外溫差（空氣密度差）產生之壓力差為換氣動力，即一般之冷空 氣下降、熱空氣上升原理來進行換氣，參考圖2，
圖2 室內、外溫差所產生的重力換氣
當室內溫度（Ti）高於室外溫度（To），該溫度差將使空氣由下方流入 而由上方流出，其相交處（圖2中a點）壓力差相等，稱為中性帶，則距中 性帶下方垂直距離h處點之壓力差為
( )
ha ro ri
ΔΡ = − × （1）
其中 ， 分別為室外，室內空氣密度（kg/mro ri 3），若ΔΡa為正值表示氣 流向室內反之則流向室外。
當室內下方為高溫側，則室內空氣密度小於室外空氣密度（ ），
壓力差 為正值，因此室外下方較冷、密度較高之空氣由下方進氣口進 入，而室內之輕空氣就由上方排氣口（通風塔）逸出。
ri <ro ΔΡa
此外，因溫差而通過開口部之換氣量Q如公式(2)：
2 (1 273 )
273
o i
Q A gh T
α +T
= × × −
+ （m /Hr3 ） （2） 其中
A：開口部面積（m2）
g：重力加速度（9.8 m/sec2）
h：開口部中心點至中性帶之垂直距離（m） α：流量係數（依開口部面積，牆厚度而定）
To：室外空氣溫度（°C） Ti：室內空氣溫度（°C）
由公式（2）可知增加樓層高度（h）及開口部面積可增加換氣量Q，亦 即可增加降溫速度。
風力換氣為利用建築物受風力作用時，建築物的迎風面之正壓及建築物 的背面形成負壓，在迎風面與背風面留設適當開口即可構成風力通風，一 般可運用建築物通風之風速約為0.3 ~1 m/sec。風壓計算如公式（3）
2 w 2
P C r v
= ± × g × （3）
其中
C：風壓係數（依建物型態及壁面高度而定）
r：空氣密度 (kg/m ) 3 υ：風速(m/sec)
則建築物前後壁面產生之風壓差 ( ) 2
w f b 2
C C r v
ΔΡ = − g × （4）
Cf：正壓側風壓係數 Cb：負壓側風壓係數 因風力而產生的換氣量為
f b
Q = α × C − C × A × v , m3/Hr （5）
K A v
= × × （6）
K：開口效力係數
建築物利用自然風排熱(W)時，所需自然通風量如(7)：
0 .3 3( )
v
i o
Q W
T T
= − , m3/Hr （7）
公式(7)顯示，自然通風量需求多寡，視自然風的溫度高、低及排除室 內熱量多寡而定；室內、外溫差越大、熱負荷低的場所，所需要自然通風 量越低。同時自然通風量受建築物外牆之通風排熱口之有效排熱面積(A)及 開口效力係數(K)而定，較大排熱口面積及開口效力係數，有利於室內熱量 排出，所需要自然通風量則較少，即使自然風速低，仍然具有一定之排熱 效果。
另一影響自然通風量因素為風速大小：風速大，通風量變大，排熱量也 大。當開口面積固定及開口效力係數不變時，自然風速的大小就決定了室 內排熱量。室內的空氣因太陽輻射熱侵入變得熱而稀薄，繼而上升聚於天 花板下方，此時空間上方開口排出熱空氣，下方開口引入室外冷空氣，上 排下吸促成類似熱煙囪的浮力氣流，一般當戶外風速超過1.5 m/sec 時，即 可促成自然的通風，當風的流動不足得藉以浮力通風輔助排除熱量，如圖3 所示。
圖3 誘導式通風設計
二、誘導式設計應用
建築的配置採熱帶地區誘導式降溫的設計概念，考慮風的流動、地形坡
度的走向及後面山坡降雨匯流而成的雨水道，型塑出風與水交織而成的中心 廣場。主要的建築手法有降溫的複層外牆、高低溫度差換氣、集風、雙層屋 頂及地下室晝光利用。
建築物採用開放式空間設計，藉利用地形風來設計風塔（圖4）開口方 向利於建築物內、外空氣流通；利用裝滿水的陶甕，冷卻空氣溫度，將冷 空氣引入室內，讓室內空氣保持新鮮與舒適，另外利用量體與牆面圍合形 成風廊，利於自然通風。夏季早上，地下室空間仍屬較涼爽的時段，風塔 頂部受到日照而溫度升高，因煙囪效應而產生上昇氣流。午後則引入西、
北向來的風到地下室，依實際量測，下午約可產生2~3 米/秒吹入地下室的 自然風通風效果、除濕性預期會更提高，如此不但可使空間之自然通風產 生最大效果，而且使室內外空間與活動連成一氣，更將基地外的綠地和景 觀，引入建築之內，達成校園的整體開放環境，配合地形將風導入室內，
創造舒適的室內環境。
三、其他節能設計應用
除誘導式設計外，此建築物及周邊另有節能設計，打造會呼吸的建築，
包括：
1. 雙層屋頂（圖5）發揮隔熱效果，並結合風塔來共同塑造獨特的造型。
參考文獻[7]，利用雙層屋頂構造間的空間作為自然對流換氣，經評 估可有效減少建築物的外殼輻射熱而減低冷房負荷耗能，在量測結果 估算下，其外殼輻射熱獲得冷房負荷可比原來的構造減少約 10％，
且不需添加多餘的隔熱材質，雙層通風屋頂構造的熱傳透率由原來 3.88W/m2K 降低為0.39W/ m2K ，低於現行建築技術規範之隔熱基本 能力 1.2 W/ m2K。
2. 外牆植草（圖6），藉土壤與植物隔絕室外輻射熱，採用清水模減少 建築廢棄物並塑造簡樸的空間質感。
3. 配合坡地地形部份下層空間運用覆土（圖7）以降低壹樓教室室內溫 度。
4. 利用屋頂面積蒐集雨水（圖8），藉由水塔蓄水，供應馬桶沖水和澆 灌植栽之用，同時提供屋頂層蓄水隔熱用。台南地區平均降雨量約 1600 mm[8]，該建築物每年約可儲水3000m3，充分利用水資源，同時 解決雨量過多時造成積水的自然災害。
5. 配合建築物而一體設計的棚架上安裝太陽能光電板（圖9），裝設容 量4.95 kW 太陽能板，分擔建物部分用電量，依據氣象局[8]日照資 料，10 月份台南平均日照時數186 Hr 為最大，6 月份日照時數69.4 Hr 為最小，年日照時數達1660Hr ，可提供7395 度發電量供給建物 部分用電量 。
圖4 風塔 圖5 雙層屋頂
圖6 外牆植草 圖7 坡地下層空間覆土(箭頭處)
圖8 屋頂回收雨水利用 圖9 太陽能光電板
參、節能成效評估
為分析誘導式設計之節能量化數據，本論文利用溫度測量並與鄰近的一 般建築物比較，評估其節能成效。選定建築物各量測點如圖3中a~e等5量測 點及隔壁他棟無誘導式設計之建築物f~h等3量測點，分別為
a：屋頂風塔 f：鄰近建築壹樓外牆 b：雙層屋頂下層 g：鄰近建築壹樓教室 c：地下室教室 h：鄰近建築地下室 d：雙層屋頂上層
e：壹樓植草外牆後側
同 時 比 較 風 塔 百 葉 窗 開 啟 及 關 閉 時 之 差 異 ， 結 果 分 別 比 較 如 表 1(a)~1(c)，結果摘列如下：
一、當風塔百葉開啟時，由各量測點溫度比較得知d＞a＞b＞e＞c。比 較c、b 兩點溫度差為4 度；c、d 兩點溫度差高達8.7 度；c、a 兩 點溫度差為4.4 度，有發揮地下室降溫的效果。
二、當風塔百葉關閉時，b、d 兩點溫度差為5度，可見雙層屋頂遮陽 效果。c、a 兩點溫度差為2.5 度，與風塔開啟時所測各點作比較，
得知風塔百葉關閉時溫度差較小，顯示風塔設計可有效增加溫度 差。
三、鄰近建物地下室與壹樓外牆、教室溫度作比較，得知教室與地下
室溫度接近。再與誘導式建物作比較，由e、f 兩點溫度差知道外 牆植草可降溫0.6 度；c、h 兩點地下室溫度差在風塔百葉開啟與 關閉時分別為2.5度及0.4度。
建築物總樓地板面積1900 m2，若採一般密閉式設計，則約需裝設 100kW 以上之空調機組，因此單由空調耗能角度而言，採誘導式建築設 計能能夠減少空調能源的使用，每月最多可約減少用電24000 度，抑制 尖峰需量約100kW，達到實質節約能源之成效。
表1(a) 氣候測量記錄
項目 溫度（℃） 風速（m/sec） 溼度（％） 備註
日期
量測點 4/11 5/17 4/11 5/17 4/11 5/17 4/11 風塔百葉窗開啟 5/17 風塔百葉窗關閉 a:風塔
31.5 30.6 2.1 2.2 57.5 56.3 a~e 量測點如圖3 標 示
b:雙層屋頂下層 31.1 30 1.9 2.0 - - -表示未量測 c:地下室教室 27.1 28.1 1.8 0.5 65 61
d:雙層屋頂上層 35.8 35 2.1 2.2. - - -表示未量測 e:植草外牆後 30.8 30.1 2.1 2.2 57.5 56.8
f:鄰近建築壹樓
外牆） 31.4 30.6 0.4 0.5- 53 56.3 非誘導式設計建物 g:鄰近建築壹樓
教室 29.8 28.8 0.1 0.1 59.8 60.2 非誘導式設計建物 h:鄰近建築地下
室 29.6 28.5 0.3 0.3 61 64.3 非誘導式設計建物
台南氣象站紀錄
資料 32.1 33.5 9.3 14.2 82 81
氣象局4、5 月資料溫 度：最高溫度風速：最 大風速溼度：平均相對 溼度
表1(b) 同棟建物各量測點溫度比較
項目量測點 兩點溫度差（℃）
（ 風塔開啟）
兩點溫度差（℃）
（ 風塔關閉）
a，d -4.3 -4.4
b，a -0.4 -0.6
b，d -4.7 -5
c，a -4.4 -2.5
c，b -4 -1.9
c，d -8.7 -6.9
c，e -3.7 -2
e，a -0.7 -0.5
e，b -0.3 0.1
表1(c) 與鄰棟非誘導式設計建物量測點溫度差比較
項目量測點 兩點溫度差（℃）
（ 風塔開啟）
兩點溫度差（℃）
（ 風塔關閉）
e，f -0.6 -0.5
c，h -2.5 -0.4
h，f -1.8 -2.1
h，g -0.2 -0.3
綜合所有誘導式設計包括配合地形、土壤降溫、雙層窗戶、雨水系統再 利用、雙層屋頂及風塔等，主要功能具隔熱、降溫，且具有傳統式建築嚴 謹的雙向通風、南北採光的配置及遮陽遮雨的效果，避免面臨嚴重西曬，
表2為節能成效整理。
表2 誘導式設計節能成效整理
編號 項目 節能作用 節能效益
1 自然通風 設計
利用自然通風代替空調系統 的使用
提高舒適度 減少空調使用時 間
降低能源的負荷 2 配合地形
設計
利用地形的起伏變化，空間量 體局部覆土，降低陽光照射所 造成的熱負荷
遮陽
可降低室內溫度
3 土壤降溫 設計
地板與牆版外部與大地接 觸，運用土壤層溫度較低的特 性，對於室內空間有輻射冷卻 的作用。
隔熱 降溫 遮陽
4 雙層窗戶 隔熱設計
兩層窗戶之間種植植栽，密集 的植栽隔絕陽光的直射，更可 保留與戶外空氣的流通。
隔熱1~3 度 遮雨
遮陽
5 建築蓄水 降溫設計
藉由水的比熱較低，對於熱的 吸收率也較低，隔絕外層的熱
傳導 隔熱1~2 度
6
雨水系統 再利用設 計
屋頂層蓄水隔熱之用，更可藉 由水塔蓄水，供應馬桶沖水，
和澆灌植栽之用，
充分利用水資源 隔熱
7
雙層屋頂 通風隔熱 設計
通透的空間，使自然風可穿越 室內空間更可藉由風的誘導 效應，對於室內產生空氣對 流，間接的也降低屋頂熱的輻 射作用
隔熱 通風
降溫4~5 度 遮雨
8 風塔導流 降溫設計
冷卻空氣溫度，將冷空氣引入 室內，讓室內空氣保持新鮮與 舒適，整棟建物無須配置中央 空調主機及附屬設備並可減 少獨立冷氣機裝設。
通風、隔熱遮陽 6~8 度
提高舒適度 抑制尖峰需量 約100kW
降低能源的負荷
肆、結論
誘導式建築設計綜合「通風」、「隔熱」及「遮陽」三種節能技術特質，
從綠化、通風及自然採光設計，兼顧舒適與節約空調用電的好處，配合雨
水收集利用及太陽光電系統應用，在未來節約能源的規劃上，提供另一發 揮建築物省能、節能方法。
伍、誌謝
本文特別感謝台南藝術大學總務處、黃志瑞建築師及加藤義夫建築 師大力支持，在此一併誌謝。
陸、參考文獻
[1] 經濟部能源局，“能源報導月刊”，2006年8月。
[2] 內政部，“綠建築標章申請作業手冊”，2002年。
[3] 林憲德，建築風土與節能設計。
[4] 林憲德，「建築節約能源的意義與展望」，土木技術第三捲第五期，
2000 年。
[5] 加藤義夫、黃志瑞，“台南藝術大學教室與建研所”，建築師雜誌，
95年5月。
[6] 陳顯明、陳群達，“氣流式屋頂層之建築節能效果評估-以花蓮區營業 處新城服務所為例”，台電節約能源研討會，2006年。
[7] 周鼎金，”建築物雙層通風屋頂構造隔熱性能及節能效益之研究”，
台北科技大學。
[8] 氣象局台南氣象中心。
