提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫
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(3) 提升室內空氣品質之空調風口 配置設計基準計畫. 計畫主持人：何明錦 所長 共同主持人：鍾基強 教授 研 究 員：王佑萱 研 究 員：吳友烈. 內政部建築研究所委託研究報告 中華民國 96 年 11 月.
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(5) 目錄. 目. 錄. 第一章 緒論 ............................................................................................01 1.1 計畫背景與目的 ..........................................................................01 1.2 研究內容 ......................................................................................02 1.3 研究方法與進行步驟 ..................................................................03. 第二章 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立 ...................06 2.1 室內空氣污染物之來源與特性 ..................................................06 2.2 室內空氣污染物濃度之預測 ......................................................11 2.3 室內空氣品質問題診斷與控制策略 ..........................................14 2.4 室內空氣品質數學模式 ..............................................................17 2.5 通風換氣與換氣理論 ..................................................................25 2.6 空氣年齡理論 ..............................................................................27 2.7 空氣交換效率與通風效率理論 ..................................................30. 第三章 建築物進氣與排氣對外開口設計策略 ............................32 3.1 地表風速特性 ..............................................................................32 3.2 建築物所受風力 ..........................................................................34 3.3 建築物的風壓判定 ......................................................................40 3.4 風壓係數 ......................................................................................41 3.5 進氣與排氣對外開口配置之原則 ..............................................43 3.6 國外規範介紹 ..............................................................................48. 第四章 實驗分析 ...................................................................................50 4.1 實驗目的 ......................................................................................50 4.2 實驗操作流程 ..............................................................................51 4.3 實驗設備說明 ..............................................................................52 4.4 實驗結果說明 ..............................................................................58. 第五章 進排氣口配置對空氣品質影響之數值模擬分析..........59 5.1 室內通風策略模擬分析規劃 ......................................................59. I.
(6) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 5.2 數值模擬之數學模式 ..................................................................62 5.3 數值模擬之數值方法 ..................................................................64 5.4 邊界條件設定 ..............................................................................68 5.5 格點系統設定 ..............................................................................70 5.6 外風場對空調風口對外開口影響之模擬設定 ..........................73. 第六章 結果分析與討論 .....................................................................75 6.1 室內空調通風之氣流速度 ..........................................................75 6.2 室內空調通風之污染物移除效率與分布 ..................................78 6.3 室內空調通風污染物移除效率與分布模擬與實驗之比較 ... 101 6.4 外風場對空調風口對外開口影響之模擬結果 ........................ 104. 第七章 結論及建議............................................................................ 106 7.1 結論 ........................................................................................... 106 7.2 建議 ........................................................................................... 107. 參考文獻 ................................................................................................ 108 附件一 ......................................................................................................110. II.
(7) 表次. 表. 次. 表 2-1 室內空氣污染源與主要污染物質………………………………..8 表 2-2 二氧化碳濃度與人體生理狀況之關係…………………………..9 表 2-3 二氧化碳濃度空氣污染指標……………………………………..9 表 2-4 NIOSH 調查室內空氣品質問題之型態………………………...14 表 2-5 七種常用的空調系統及污染物濃度方程式……………………24 表 3-1 地況分類與指數 α 值之關係……………………………………33 表 3-2 建築物外牆的風壓係數…………………………………………42 表 4-1 探討案例個數分析表…………………………………………....53 表 4-2 不同的作業環境訂出了最小通風率的建議（ASHRAE）……....53 表 4-3 各種案例之通風效率比較……………………………………....58 表 5-1 探討案例個數分析表…………………………………………....60 表 5-2 數值模擬之基本假設……………………………………………69 表 6-1 各種案例之通風效率………………………………………..…..83 表 6-2 實驗與模擬各種案例之通風效率比較…………………...…...103. III.
(8) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 圖. 次. 圖 1-1 研究計畫進行步驟………………………………………………..5 圖 2-1 居室空間之循環式空調通風與氣體污染物產生源式意圖……13 圖 2-2 污染物質量平衡模型……………………………………………18 圖 2-3 空 氣 污 染 物 濃 度 模 型 ………………………………...20 圖 2-4 濕 度 模 型 …………………………………………..…...21 圖 2-5 室 內 空 氣 污 染 物 濃 度 及 濕 度 效 應 模 型 ……….…...22 圖 2-6 室內二氧化碳與換氣率的關係…………………………………26 圖 2-7 機械式通風模式之空氣年齡與駐留時間的關係………………29 圖 2-8 空氣進入室內空間中 P 點得機率分佈曲線圖…………………29 圖 3-1 不同地況之風速分布……………………………………………34 圖 3-2 下切氣流之示意圖………………………………………………35 圖 3-3 建築物尾流之示意圖……………………………………………36 圖 3-4 穿堂風示意圖……………………………………………………36 圖 3-5 建築物角隅強風示意圖…………………………………………37 圖 3-6 角隅渦流發生處…………………………………………………37 圖 3-7 遮蔽效應之示意圖………………………………………………38 圖 3-8 金字塔效應示意圖………………………………………………38 圖 3-9 縮流效應示意圖…………………………………………………39 圖 3-10 渠化效應示意圖………………………………………………..40 圖 3-11 在高層建築上不同風向的平均壁壓…………………………..42 圖 3-12 排氣塔與進氣口距離形成與循環氣流區域之關係…………..44 圖 3-13 排氣口受到向下氣流而降低有效排氣高度示意圖…………..45 圖 3-14 矩形建築物周圍外風場之氣流流型…………………………..47 圖 3-15 建築物尺寸與建築物表面之氣流流型………………………..48 IV.
(9) 圖次. 圖 4-1 實驗空間尺寸示意圖…………………………………..………50 圖 4-2 實驗操作流程…………………………………………..………51 圖 4-3 實驗空間實際外觀圖………………………………..…………52 圖 4-4 無段變頻式風機………………………………………...…...…54 圖 4-5 ALNOR 風罩式風量計……………………………...……...…..55 圖 4-6 TSI 風速/溫濕度計…………………………………...…...…...55 圖 4-7 ALNOR Model 8650 型 CO2 濃度測棒……………….....……..55 圖 4-8 奧地利 E+E CO2 濃度感測器………………………….....…….55 圖 4-9 GMW22 型 CO2 濃度感測器………………………………..….55 圖 4-10 資料擷取器 Fluke NetDAQ Logger Model 2640A 型…..…...56 圖 4-11 CO2 氣體鋼瓶…………………………………………......…...56 圖 4-12 出風口 1 尺寸示意圖……………………………………..…...56 圖 4-13 出風 2 尺寸示意圖…………………………………...…..…....57 圖 4-14 回風口 1.2 尺寸示意圖…………………………………..……57 圖 4-15 實驗空間 CO2 濃度感測器量測位置示意圖……………..…...57 圖 5-1 模擬空間尺寸示意圖…………………………………..………59 圖 5-2 STAR-CD 計算流程…………………………………..……….61 圖 5-3 XY 平面網格示意圖…………………………………...……….71 圖 5-4 YZ 平面網格示意圖……………………………………..……..71 圖 5-5 XYZ 平面網格示意圖………………………………..………...72 圖 5-6 外風場空間尺寸與建築物位置示意圖………………………..73 圖 5-7 XY 網格配置示意圖……………………………………………74 圖 5-8 XZ 網格配置示意圖……………………………………………74 圖 6-1 進氣口 1-6ACH 各量測點氣流速度模擬結果…………………76 圖 6-2 進氣口 1-12ACH 各量測點氣流速度模擬結果………………..76. V.
(10) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 圖 6-3 進氣 2-6ACH 各量測點氣流速度模擬結果……………………77 圖 6-4 進氣 2-12ACH 各量測點氣流速度模擬結果…………………..77 圖 6-5 case1-1-6ACH. 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖…………..79. 圖 6-6 case1-1-12ACH 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖…………79 圖 6-7 case1-2-6ACH. 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖…………..80. 圖 6-8 case1-2-12ACH 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖…………80 圖 6-9 case1-3-6ACH. 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖…………..81. 圖 6-10 case1-3-12ACH 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖…..…...81 圖 6-11 case1-4-6ACH 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖….……..82 圖 6-12 case1-4-12ACH 0~1200 秒之 CO2 濃度變化曲線圖………..82 圖 6-13 Case 1-1-6ACH 8 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）……..……………………………………………...84 圖 6-14 Case 1-1-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….85 圖 6-15 Case 1-2-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）………………………………………………….....86 圖 6-16 Case 1-2-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….87 圖 6-17 Case 1-3-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….88 圖 6-18 Case 1-3-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….89 圖 6-19 Case 1-4-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….90 圖 6-20 Case 1-4-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….91 圖 6-21 Case 2-1-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….92 圖 6-22 Case 2-1-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….93 圖 6-22 Case 2-1-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….94 圖 6-23 Case 2-2-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 VI.
(11) 圖次. （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….95 圖 6-24 Case 2-2-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….96 圖 6-25 Case 2-3-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….97 圖 6-26 Case 2-3-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….98 圖 6-27 Case 2-4-6ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………….99 圖 6-28 Case 2-4-12ACH 100~1200 杪空間之 CO2 濃度分佈情形 （Z＝1.25M 截面）…………………………………………………...100 圖 6-29 進、回風口 1-1-6ACH、12ACH 實驗與模擬之空間平均濃度 衰減曲線……………………………………………………………..101 圖 6-30 進、回風口 1-2-6ACH、12ACH 實驗與模擬之空間平均濃度 衰減曲線……………………………………………………………...101 圖 6-31 進、回風口 2-1-6ACH、12ACH 實驗與模擬之空間平均濃度 衰減曲線……………………………………………………………...102 圖 6-32 進、回風口 2-2-6ACH、12ACH 實驗與模擬之空間平均濃度 衰減曲線……………………………………………………………...102 圖 6-33 背風面-進排氣口位置在同側之流場示意圖……………….103 圖 6-34 迎風面-進排氣口位置在同側之流場示意圖……………….104 圖 6-35 背風面進氣-上方排氣之流場示意圖………..……………...104. VII.
(12) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 摘. 要. 關鍵詞：空調風口配置、室內空氣品質、污染物移除效率、通風效 率. 一、. 研究緣起 建築物室內環境與節能之課題近來漸漸受到社會及政府單位之. 注意，尤其室內環境好壞直接影響人的健康與生產力，而好的室內 環境如何在最經濟最有效的通風系統下達成，則為建築物室內環境 設計之重大挑戰。建築物之空調風口配置等通風模式會影響室內通 風氣流之型態，相對會影響室內空氣品質與熱環境。 傳統室內環境及室內空氣品質之研究，目前仍侷限於採用定量 換氣量做為維持室內新鮮外氣空氣量，然而建築物內之通風條件會 嚴重影響室內空氣品質，尤其是室內進風口與排風口相對位置，國 內許多建築物常常發現室內進風口與出風口位置設計不良或選用 之出風口型式不適當造成短循環或室內氣流流動受限，因此雖然有 足夠的換氣量，但仍無法將室內所產生的空氣污染物或熱負載移 除，造成室內空氣品質不理想。此外建築物進風與出風對外開口相 對位置如果間距不足又無適當之擋風或導引裝置，排氣口排出之氣 體亦有可能會受外風場作用而又導入外氣進氣口。但國內的建築技 術規則並未就相關盲點進行規範，因此本研究主要針對進風與排風 對外開口及室內進風口與出風口相對配置對室內環境品質影響進 行評估研究。 二、. 研究方法與過程. 本計劃案主要探討欲達到未來法規所要求室內空氣品質建議值. VIII.
(13) 摘要. 之室內空調通風系統設計有關風口配置之相關基準，研究內容包括 兩大部分：1.探討整棟建築物進風口與回風口對外開口位置之探討、 2.共用風管接進室內時，以單一區劃空間探討進風口與回風口相對配 置設計對室內空氣品質之影響。主要以空氣污染物移除率為主，進 行室內空氣品質指標之比較分析，以瞭解在何種空調風口配置設計 下可以達到最經濟、最有效及可接受之室內空氣品質。有關本部分 計畫之主要工作內容及進行步驟如下所述： 1.收集並整理有關通風空調系統設計及使用條件限制之資料 本項工作進行相關文獻之收集與整理，以暸解國內外目前針對 符合室內空氣品質之空調通風系統設計之規範與要求。 2.通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立 室內空氣品質的預測是由污染源、污染物吸附、室內空氣流動 及室內與室外間空氣流動等因素所決定。在室內環境中，為了 瞭解室內空氣污染物的產生、擴散與衰減，常利用室內空氣品 質模型(Indoor Air Quality Models)來預測室內空氣污染物濃度， 包 括 決 定 論 模 型 (Deterministic Models) 、 經 驗 模 型 (Empirical models)與前兩者的結合。 3.進行電腦數值模擬分析與全尺寸實驗驗證 本計畫主要針對不同空調風口配置對室內空間氣流環境之影響 進行探討，利用 CFD 進行室內空間氣流與濃度分佈的模擬分 析，配合後續全尺寸實驗進行該空間的氣體污染物分佈實測， 比較兩者間的差異性。藉此模擬與實驗結果可進一步瞭解進排 氣口相對位置的不同配置與室內空氣品質的相關性。 4.進行實際案例之改善分析 對於因空調風口配置不當導致室內 IAQ 不佳之建築物案例透過. IX.
(14) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 數值模擬與實驗量測分析，進行風口配置之調整、改善室內空 氣品質。 三、. 重要發現. 要維持或是改善建築物室內之空氣品質，除本身建築物 建 材 與 裝 修 及 傢 俱 須 注 意 慎 選 外，建 築 物 本 身 之 空 氣 調 節 與 通 風 設 備 扮 演 重 要 角 色，而 目 前 國 內 環 保 署 正 積 極 推 動 室 內 空 氣 品 質 法 進 行 建 築 空 間 內 空 氣 品 質 之 要 求，以 確 保 建 築 物 內 人 員 之 健 康。然 而 目 前 建 築 相 關 法 規 對 於 空 氣 調 節 與 通 風 設 備 等 之 設 計 或 設 計 之 要 求 僅 止 於 通 風 量（ 建 築 技 術 規 則 建 築 設 計 篇 第 102 條 ）， 依 據 建 築 物 之 用 途 使 用 空 間 規 定 最 小 之通風量。 由本計劃研究結果可以發現無論是全尺寸實驗或是數值模擬， 建築物室內空氣品質除了受到外氣通 風 量 大 小 影 響 外 （ 換 氣 次 數 ）， 空 調 通 風 口 之 相 對 配 置 位 置 所 形 成 之 氣 流 路 徑 對 室 內 空 氣 品 質 影 響 更 為 顯 著，因 此 進 行 建 築 物 之 空 調 通 風 系 統 設 計 或 配 置，除 了 法 規 所 要 求 之 通 風 量 外 風 口 設 置 之 位 置，還 需考慮其適當之風口設計位置。 除 了 建 築 物 室 內 之 空 調 風 口 配 置 外，本 研 究 亦 發 現 若 建 築 物 空 調 風 口 對 外 開 口 設 置 位 置 不 當，亦 有 可 能 直 接 將 室 外 之汙濁空氣帶入或是將原先排出之廢待再次吸入造成二次 污染。 四、. 主要建議意見. 中長期可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署. X.
(15) 摘要. 建議內容： 建議內容： 為確實提昇建築物室內空氣品質，確保國人健康，建築物內之 空 氣 調 節 與 通 風 設 備 設 置 除 法 規 要 求 之 通 風 量 外，建 議 應 導 入 污 染 物 移 除 效 率 作 為 室 內 空 氣 品 質 評 估 指 標，同 時 應 對 於 相 關 從 業 人 員（ 建 築 設 計 人 員、空 調 設 計 人 員、室 內 裝 修 人 員 等 ）宣 導 或 教 育 訓 練，適 當 空 調 風 口 配 置 對 於 室 內 空 氣 品 質影響之關係與重要性。. XI.
(16) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. ABSTRACT Keywords：vent arrangement, indoor air quality, contaminant removal efficiency, ventilation efficiency The indoor environment and energy saving problems are taken more attention than usually. Especially, the indoor environment may affect the health of human resource and productivity. How optimal indoor ventilation may be achieved using good level of energy is a change for building designers. The indoor ventilation pattern will influence the indoor air quality and thermal environment. The relative location of diffuser affects the flow pattern severely. The different location of indoor diffusers and types will influence the indoor environment. Thermal comfort and indoor air quality are major investigated parameters. To understand what kind of ventilation system and diffuser types can provide the best indoor environment under the economize rules. Both the numerical simulation and full-scale experimental program will adopt in this project. The CO2 will be the indoor contaminant index. Also, tracer gas technique will be used for evaluate the ventilation efficiency. The project is to investigate the how the ventilation patterns affect indoor environment. The research topics are depicted detailed as following: 1.Established contaminant removal efficiency and contaminant distribution model. Also, the effect of different location of diffusers on indoor environment will study numerically. 2.Referred from referred reports to find a inappropriate ventilation indoor environment and followed the CFD simulation results to do the retrofit analysis. Also, measured the indoor air quality both before-improvement and after-improvement to verify the vent design for good indoor air quality environment.. XII.
(17) 緒論. 第一章 緒論 1.1 研究背景與目的 建築物室內環境與節能之課題近來漸漸受到社會及政府單位之注 意，我國隨著高度的經濟成長，國人生活文化與生活習慣的急速變遷， 造成都市人口集中，無論工作、生活停留在辦公室、工廠、住宅和娛 樂場所等室內環境的時間，遠超過停留在戶外的時間，因此室內整體 空氣品質自然成為影響人體健康與舒適程度的重要因素。尤其建築物 室內環境好壞直接影響人的健康與生產力，例如：室內空氣品質 （IAQ） 、熱舒適等指標，而好的室內環境如何在最經濟最有效的通風 系統下達成，則為建築物室內環境設計之重大挑戰。 依據美國冷凍空調協會(ASHRAE)於 62-2001【1】之要求，居室 空間內需安裝通風系統，以便通風空氣能供應整個居室環境。而在進 行通風系統模式之設計時，室內空氣品質及通風效益之評估相當重 要。影響室內空氣品質的污染源不外乎人體呼出之二氧化碳及室內家 俱產生之有機物質與溫濕度的影響。一般室內空氣品質的問題，如室 內換氣不足、室內有機物散逸過高不易排除、溫濕度條件不良造成生 物性污染物過多等現象，都關係著室內人員的健康。 傳統室內環境及室內空氣品質之研究，目前仍侷限於採用定量換 氣量做為維持室內新鮮外氣空氣量，以減少疾病感染，避免建築物內 使用者之健康遭受威脅，如美國冷凍空調協會(ASHRAE)於 62-2001 即要求每人 20CFM 新鮮外氣量。室內通風條件會嚴重影響室內空氣 品質，尤其是室內進風口與排風口相對位置，國內許多建築物常常發 現室內進風口與出風口位置設計不良或選用之出風口型式不適當造 成短循環或室內氣流流動受限，因此雖然有足夠的換氣量，但仍無法 將室內所產生的空氣污染物或熱負載移除，造成室內空氣品質不理 1.
(18) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 想。此外建築物進風與出風對外開口相對位置如果間距不足又無適當 之擋風或導引裝置，排氣口排出之氣體亦有可能會受外風場作用而又 導入外氣進氣口。但國內的建築技術規則並未就相關盲點進行規範， 因此本研究將針對進風與排風對外開口及室內進風口與出風口相對 配置對室內環境品質影響進行評估研究。. 1.2 研究內容 環保署預計近年內公告室內空氣品質法，初步將依相關空氣品質 標準針對公共場所之空氣品質進行管理與要求，而本研究探討欲達到 環保署公告之室內空氣品質建議值（如附件一）之空調通風系統設計 有關風口配置之相關基準，研究內容將包括兩大部分：(1)共用風管接 進室內時，以單一區劃空間探討進風口與出風口相對配置設計對室內 空氣品質之影響、(2)針對風口設計不當、室內空氣品質不佳之實際建 築物空間進行實例改善探討，利用 CFD 模擬所找出來的最佳風口配置 實際應用至實例進行改善，透過實際量測分析去比較改善前後 IAQ 之 差異性。 本研究將從保護國民健康之觀點，基於建築環境應至少滿足健康 舒適之需求所需之通風模式策略，將針對室內單一空間環境下，不同 進排氣口對外開口位置、室內進回風口相對位置、通風換氣量等的不 同，比較室內環境品質之差異，研究將同時採用電腦數值模擬與實驗 驗証兩方法。 近年來通風系統之電腦數值模擬預測方法已成為研究之主流。先 進的電腦模擬技術已用來預測室內空氣的流動狀況，並且被用在熱舒 適性及室內空氣品質之研究上，本研究將建立不同通風模式之電腦數 值模擬預測技術，針對室內氣流污染物及熱舒適度等進行模擬預測， 利用室內氣流場分佈及污染物濃度衰退情形之模擬結果計算室內通 2.
(19) 緒論. 風效率，評估進排氣口的設計對室內空氣品質的影響。全尺寸實驗採 用二氧化碳當作室內空氣污染物指標，同時利用示蹤氣體技術(Tracer gas techniques)進行室內換氣率(ACH)之實測與通風效率(Ventilation efficiency)評估，另外量測室內氣流變化情形，並與數值模擬結果比對 分析，比較不同空調風口配置設計對於室內污染物排除效率與舒適性 影響的差異，以期達找出最適化室內環境品質之通風模式策略之目 的。. 1.3 研究方法與進行步驟 本計畫進行最適化室內空氣品質之空調通風口配置設計分析與研 究，ㄧ般通風空調系統往往僅考量提供最低之換氣次數，並未對通風 模式策略（包含整棟建築物進風口與回風口對外開口位置及室內進/回 風口之相對配置等）對室內氣流類型及污染物稀釋移除效率做通盤之 考量。本計劃將同時採用電腦數值模擬與實驗驗證兩方法，在全尺度 實驗室設計不同進/回風口之配置以追蹤氣體法量測室內二氧化碳之 衰退情形，並透過溫度、風速及溼度等參數之量測，瞭解室內有效通 風狀況及空氣污染物稀釋移除效率與熱舒適程度，同時驗証電腦模擬 模式之準確性。 計畫案分為三個部分進行，第一部分為收集整理目前國內外針對 符合室內空氣品質之空調通風系統設計之規範與要求，並建立通風換 氣空氣品質與污染物移除效率及濃度分布預測等模式，最後並透過計 算流體力學軟體(CFD)進行在不同通風模式下之室內環境流場分析，同 時輔以污染擴散及移除模式，以瞭解污染物的分佈進而計算通風效 率，並找出最佳通風模式的設計參數，包括進、排氣口位置與換氣量。 第二部分為最佳通風系統配置之全尺寸實驗驗證。透過全尺寸實 驗分析在不同送/回風口配置之通風系統下，對室內空氣品質及熱舒適 3.
(20) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 性的的差異性，找出之最佳送/回風口配置之通風系統，同時驗證電腦 模擬模式之準確性。 第三部分為實例之改善分析。選取因空調風口配置設計不當導致 室內空氣品質不佳之實際建築物案例，利用 CFD 模擬所找出來的最佳 風口配置實際應用至此建築物空間進行改善，並透過全尺寸實際量測 分析去比較風口配置改善後室內空氣品質改善之差異性。 有關本計畫之主要工作內容及進行步驟如下所述： 1.收集並整理有關通風空調系統設計及使用條件限制之資料 本項工作進行相關文獻之收集與整理，以暸解國內外目前針對符 合室內空氣品質之空調通風系統設計之規範與要求。 2.通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立 室內空氣品質的預測是由污染源、污染物吸附、室內空氣流動及 室內與室外間空氣流動等因素所決定。在室內環境中，為了瞭解室內 空氣污染物的產生、擴散與衰減，常利用室內空氣品質模型(Indoor Air Quality Models) 來 預 測 室 內 空 氣 污 染 物 濃 度 ， 包 括 決 定 論 模 型 (Deterministic Models)、經驗模型(Empirical models)與前兩者的結合。 3.進行電腦數值模擬分析與全尺寸實驗驗證 本計畫主要針對不同空調風口配置對室內空間氣流環境之影響進 行探討，利用 CFD 進行室內空間氣流與濃度分佈的模擬分析，配合後 續全尺寸實驗進行該空間的氣體污染物分佈與溫、溼度實測，比較兩 者間的差異性。藉此模擬與實驗結果可進一步瞭解進排氣口相對位置 的不同配置與室內空氣品質的相關性。 4.進行實際案例之改善分析 對於因空調風口配置不當導致室內 IAQ 不佳之建築物案例透過數 值模擬與實驗量測分析，進行風口配置之調整、改善室內空氣品質。. 4.
(21) 緒論. 本研究計畫進行步驟如圖 1-1 所示。 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準. 空調風口配置相 關規範或建議. 室內空氣品值 相關影響因子. 文獻收集分析. 室內空氣品質指標與預測數學模式. 不同進排氣口配置對 IAQ 電腦數值模擬分析. 空氣污染物濃度. 室內濕度模型. 室內空氣品質. 通風效率. 空氣污染物移除率. 電腦模擬模式建立. 電腦 CFD 模擬. 換氣率. 污染物濃度. 氣流分佈. 評估室內環境品質指標建立. 模擬邊界參數修正. 分析模擬結果，找出最佳空調風口之配置. 進行不同進排氣口配置對室內空氣品質影響之全尺寸實驗驗證. 提出相關空提風口配置建議. 圖 1-1 研究計畫進行步驟. 5.
(22) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 第二章 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立 本計劃目的主要是探討符合室內空氣品質條件下，空調風口應有 之配置。欲瞭解室內環空氣品質之好壞必須透過相關之理論分析與整 合，建立有效之評估模式，同時也必須針對影響室內空氣品質之因子 及其來源與特性進行探討。 室內空氣品質一般皆採用空氣污染物模型，包括產生、稀釋與移 除等，本研究先以 ASHRAE Standard 62-2001【1】中提供空調設計師 之室內空氣品質程序為發展之基準，由基本理論出發，透過空間內之 整體空氣品質模式建立，對影響室內整體空氣品質之因子特性進行分 析與瞭解，並以室內空氣污染物濃度與所需要的通風量相互關係為起 點，進而擴大到通風換氣模式對空氣品質因子之關連性，而舒適度指 標需考慮空間溫度、濕度之因子後才能進一步建立舒適度相關指標。. 2.1 室內空氣污染物之來源與特性 2.1.1 室內空氣污染物 室內的空氣污染源主要來自外氣、室內人員、燃燒器具與日用品， 另建築材料、家俱與有機物(如腐敗之食物)亦會產生空氣污染物，室內 空氣污染物來源與其主要污染物質【2】如表 2-1 所示，由此表可知室 內一氧化碳來源有外氣、燃燒與抽煙三項；二氧化碳除燃燒與抽煙外， 室內的主要污染來自人體代謝作用；粉塵的污染源具多樣性，而各種 污染源排放的粉塵種類不同。 如何排除室內空氣污染物是維持室內空氣品質之主要，一般降低 室內空氣污染物的作用主要有下列三項： 1.藉由通風設備排除於室外大氣中 2.藉化學反應而轉化成無害之物質 3.吸附於物質表面 6.
(23) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 至於何種作用則須視污染物的性質、環境條件及通風換氣作用而 定；因此控制室內空氣品質，須對污染物的特性有透徹的瞭解，才能 在事先控制某發生量；事後擬定正確而有效率的控制對策。 茲針對一氧化碳、二氧化碳與粉塵等室內常見之空氣污染物的特 性說明如下： 1.一氧化碳 一氧化碳是一種無色、無味的氣體，低濃度情況下便有毒，主要 是燃燒不完全而產生。一氧化碳性質相當安定不易變化，在陽光下的 分解速率約 0.001hr-1，不易以吸附作用消除。 2.二氧化碳 二氧化碳(CO2)是一種無色無味的氣體，性質安定不易變化，為碳 原子(C)進行氧化作用後的產物，綠色植物行光合作用的主要元素之 一，這也是自然消除 CO2 的主要作用。因此 CO2 在室外並非空氣污染 物，但在室內由於濃度過濃將會造成人體不適的現象，因此針對室內 可將其視為空氣污染物。 3.浮游粉塵 浮游粉塵是具有複雜的化學組成的微粒，其化學成份是對人體產 生不良影響的主因，如溶有毒性氣體的液態微粒或纖維狀粉塵；其具 有與它種物質表面(如壁體、器具)或粒子間互相結合之現象，謂之附著 作用；而水滴或與帶靜電物體亦易吸附粉塵；除此之外，浮游粉塵尚 有因自重而沉澱之特性，使粉塵濃度自然降低，l0 μm 以下之微粒自然 沉澱率約為 0.05hr-1。 本研究將以二氧化碳當作室內空氣污染指標，因此對其特性與對 人體健康的影響必須要有基本的認識，才不至於造成疏失，影響身體 健康與實驗結果的錯誤。以下就針對其性質與對人體健康的影響做一. 7.
(24) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 簡單的敘述。 二氧化碳基本上不具毒性，在性質上對人體無害，但在門窗關閉、 換氣不良的室內，室內人員多數聚集的場所，二氧化碳濃度升高，血 液變酸而易疲倦，使工作效率降低。因此針對室內而言，CO2 可以視 為污染物，為了人體健康著想必須考量其濃度值在合理範圍之內。 表 2-1 室內空氣污染源與主要污染物質 來源類別. 污染來源. 污 染 物 質 一氧化碳、粉塵、氮氧化物、硫氧化 汽機車排放廢氣 物、鉛、臭氧. 滲入外氣. 一氧化碳、粉塵、氮氧化物、硫氧化 物、光化學性高氧化物(臭氧)、鉛. 工廠. 營建工地及其它 粉塵、細菌、花粉粒、濕氣 體臭、二氧化碳、氨、水蒸氣、頭皮 人體 屑、細菌 室內人員 人員活動 砂塵、纖維、黴菌、細菌 粉塵、一氧化碳、二氧化碳、氨、氮 香煙 氧化物、碳氫化合物、各種致癌物質 空調箱(過濾網) 霉菌、虱蚤類、細菌、臭味 空調系統 風管 粉塵、纖維、霉菌、虱蚤類、細菌 事務機器(影印 氨、臭氧、溶劑類、塵粒、粉墨粒 機、清靜機等) 燃燒器具與用 燃燒器具(瓦斯 二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、碳 品 爐、熱水器等) 氫化物、粉塵、煙粒子、燃燒核 噴射劑，殺蟲劑、殺菌劑、殺鼠劑、 殺蟲劑類 防蠅劑 甲醛、石棉織維、接著劑(苯類)、油 室內建築材料 漆(苯類)、地毯纖維毛絮、黴菌、浮 建築材料 游細菌、壁蝨 溶劑、洗劑、砂塵、臭菌 維修保養 有機物質. 8. 腐壞食物硫(黴菌、臭味)、植物花草(花 室內有機物質 粉粒)、潮濕物(黴菌、臭味)、排泄物(細 菌、臭味).
(25) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 表 2-2 是室內二氧化碳濃度與人體生理狀況之關係。CO2 濃度在 600ppm 以下室內人員不會產生不適的症狀，而 1000ppm 以上則常有頭 痛、昏睡等症狀發生；此外，CO2 濃度增高，可能該室之空氣亦已污濁， 含大量其它空氣污染物，因此易引起呼吸器官疾病或神經中樞之傷 害。表 2-3 是 CO2 濃度空氣污染指標，顯示一般室內空氣中二氧化碳 濃度常以 700~1000ppm 或 l000ppm 以下作為基準。 表 2 -2 二氧化碳濃度與人體生理狀況之關係 二氧化碳濃度(ppm) ≦600 600~1000 1000~10000 10000~30000 30000~40000 40000~60000 70000~80000 80000~100000 100000~200000. 對 人 體 生 理 之 影 響 無 偶而抱怨頭痛、昏睡、悶熱 呼吸系統、循環系統及大腦之機能上受到影響 呼吸增大及臉上有溫熱感 耳鳴、頭痛及血壓上升 皮膚血管擴張、噁心、嘔吐 精神活動混亂、呼吸困難 意識混濁而發生呼吸停止 中樞傷害的發生，構成生命的危險. 表 2-3 二氧化碳濃度空氣污染指標 濃度(ppm) 700 1000 1500 2000~5000 5000 以上 備註. 意義 多數人長時間在室內的濃度限制 一般場合之濃度限制 在換氣計算使用之濃度限制 被認為相當不良之濃度值 被認為有害的濃度 非 CO2 自身有害之濃度，而是假定空氣的物理性狀、化 學性狀與 CO2 濃度成比例之污染濃度限制標準. 2.1.3 室外空氣污染物 室外空氣污染物亦是影響室內空氣品質主要因子之ㄧ，尤其隨著 經濟迅速發展，無論是工業生產所產生之污染物或是汽機車廢氣排放 所造成的汙染，對於座落於附近的建築物進行室內外空氣交換過程 9.
(26) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 中，室外空氣污染物影響相當大，往往造成室內空氣品質不良。 空氣中含有固定量的氮(78%)氧(21%)氬(0.9%)與會隨著地方不同 而改變數量的二氧化碳(約 0.03%)，還包括一些微量的惰性氣體(氖、 氙、氪、氦…等等)。除了上述列出的這些氣體之外通常我們都視為空 氣污染物，這些污染物濃度幾乎都很小但是可能會對於建築室內人員 和建築材料或內部物質有嚴重的影響，而去除這些污染物氣體或是避 免其進入建築物室內影響空氣品質對於我們而言相形重要且必須。 傳統上，室內氣體污染物透過通風方式所引進之室外空氣加以稀 釋與控制，但是有時因為建築物所處位置（工業區或交通密集區）或 是外氣進風口位置設計不當的關係，造成所引進利用的室外空氣也可 能包含超過危害臨界濃度的氣體污染物。因此在引進外氣進行空調通 風換氣之前需要藉由氣體污染物移除設備來處理這些污染物，除此之 外，也可利用最小的外氣引進量再利用較大量的循環回風和過濾來達 到節約能源的效果【3】 。 2.1.4 氣體污染物 空調通風區域或人員所在空間中之空氣含有有害或是對人有影響 之氣體，是我們從空氣氣流中移除氣體污染物的主要原因。不同的汙 染物在不同的濃度條件下會有顯著不同的影響。ㄧ般氣體污染物具有 四種有害的狀況：包括毒性、氣味、刺激及材料損害。在大部份的情 形下，氣體污染物對人類到達具危害性的臨界值之前，即會因為其臭 味或是刺激性造成人員不舒服。 但也有例外，有些氣體污染物在到達具危害性的臨界值之前是很 難去察覺，例如具潛在致命毒性之ㄧ氧化碳氣體本身並無氣味。其它 非工業污染物的來源包括：典型香菸所產生的主要汙染物－煙、建築 材料產生的氣體汙染物、室內燃燒設備產生之氣體污染物及人體散發. 10.
(27) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 氣體污染物等。. 2.2 室內空氣污染物濃度之預測 Meckler 和 janssen【4】建立一個數學模式，可以用來計算室外污 染對室內的空氣品質影響程度。一循環空調通風案例之示意圖如圖 2-1 所示。在此案例中顯示通風稀釋混合並不完全，主要原因是水平虛線 靠近天花板之區域範圍內，空氣從出風口直接又回到回風口位置，並 未對室內空間之空氣進行混合稀釋。有效通風係數 Ev 是指供應至室內 空間進行空氣混合之空氣量與未進入室內空間直接沿著天花板回到回 風口之空氣量的比值。Meckler 和 janssen 建議有效通風係數 Ev 為 0.8。 在室內空間中的任何人員皆是氣體污染物的產生源，在空調通風 空間中穩定狀態之污染物濃度為(a)所有進入空間或於空間中產生之污 染物總和除上(b)通風換氣量。穩定狀態下單一成分之污染物濃度可以 表示成【4】： C ss = a / b. （2-1）. 其中： a = C x (Qi + 0.01PE v Qv / f ) + 2119(Gi + NGO ). （2-2）. b = Qe + Qh + QL + k d A + NQO (1 − 0.01PO ) + ( E v Q − Qv )(1 − 0.01Po ) / f （2-3）. A：通風內部空間污染物被吸附的表面積；m2 CSS：穩態室內污染物濃度；mg/m3 Cx：室外污染物濃度；mg/m3 Ev：有效通風係數 f ＝1-0.01P( 1-Ev ) Gi：非人員所產生之污染物產生率；mg/s Go：人員所產生之污染物產生率；mg/s kd：污染物沉澱之速度；m/s 11.
(28) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. N：空間中人員數量 P：污染物通過濾網之穿透率；％ PO：污染物通過人員肺部之穿透率；％ Q：總流量；m3/s Qe：排氣量；m3/s Qh：氣罩流量；m3/s Qi：室外滲透進室內之流量；m3/s QL：室內滲漏（滲出）至室外之流量；m3/s Q0：單一人員平均呼吸量；m3/s Qv：通風進氣之空氣流量；m3/s 連續的流動狀態可以簡化 b 表示成下列關係式，如此可以較容易 進行流量計算。 b = Qi + Qv + k d A + NQO (1 − 0.01PO ). （2-4）. 此數學模式的參數一定要小心的判斷決定，有些不重要的可以被 忽略。舉例來說，室內滲漏至室外之流量 QL 可以包括從煙囪或廁所排 氣口流出的流量。 對於設計者而言如能掌握穩態中的室內氣體污染物濃度是很有幫 助的，如此也可以有助於了解當條件突然改變時氣體污染物濃度會如 何快速地變化。對於圖 2-1 的建築物之動態方程式可以表示成： C I = C ss + (C 0 − C ss )e −bθ / V. （2-5）. 其中： 3. V：通風空間容積；m. C0：在時間內的空間濃度 θ=0 CI：θ改變條件之後數分鐘的空間濃度 由方程式(2-1)計算所得之 Css ，和方程式(2-4)中的 b 代入(2-5)式。 12.
(29) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 對於低滲漏的系統中我們也可以讓 Qi = QL = Qh = 0 將 Css 簡化成： 0.01PE v Qv C x + (Gi + NGo ) f C ss = ( E Q − Qv )(1 − 0.01P ) Qe + K d A + NQo (1 − 0.01PO ) + v f. （2-6）. 即使通風空氣流量 Qv = 0 ，利用低滲透氣體污染物的過濾裝置和較 高再循環率可以幫助減少內部污染源的濃度。在商業用途建築結構 中，一定會有氣體的滲漏和滲出的情形。實際建築物可能會有很多室 內空間，且具有多重來源的氣體污染物與空間與空間之間複雜的空氣 交換。 污染物過濾裝置. 未混合稀釋區域. 煙薰式 氣罩. 內部污染產生源 污染源經過 人員肺部 污染源. 人員產生之污染源. 圖 2-1 居室空間之循環式空調通風與氣體污染物產生源式意圖 另外，還包括吸附作用排除建築物內部表面氣體污染物之情形存 在。Nazaroff 和 Cass【5】提供估算污染物沉澱速率 kd 方程式(2-1)到 方程式(2-6)可以推算出沉澱速率在 3 到 600μm/s 的範圍內污染物表面 產生之吸附作用。一個最差的例子分析，如果 kd=0 則室內污染物濃度 將會最高。Nazaroff 和 Cass【5】及 Sparks【6】利用電腦程式來進行 13.
(30) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 此部分計算。. 2.3 室內空氣品質問題診斷與控制策略 2.3.1 室內空氣品質之問題 在非工業用途的建築物當中之室內空氣品質問題通常是通風換氣 量提供不足以致無法稀釋或移除在室內的空氣污染物。除此之外，儘 管提供ㄧ定外氣通風量，但因為污染物控制方法設計不當或通風空調 配置不佳也可能造成室內空氣品質問題。 造成室內空氣品質問題的因素很多，依據美國職業安全衛生協會 （National Institute for Occupational Safety and Health；NIOSH） 【2】對 於建築物室內空氣品質評估調查結果，將引起室內空氣品質問題進行 分類，如表 2-4 所示。 表 2-4 NIOSH 調查室內空氣品質問題之型態 問題型態 通風設計不當 室內污染物 室外污染物 微生物之染物 建築材料產生之污染物 未知 總和. 建築物數量 280 80 53 27 21 68 529. 所佔比例％ 53 15 10 5 4 13 100. 而在進行氣體污染物的控制設計必須對欲控制之氣體污染物其特 性與濃度分布狀況有正確了解。要能正確的掌握氣體污染物的特性或 是其濃度等資訊，可以從分析計算污染物產生源之強度或相關數學模 式或進行直接量測污染物獲得。不幸地，利用評估計算進行設計的可 靠度往往不足，因此設計者常常需要配合觀察、經驗與實際判斷，補 充作為設計資料的參考。 ㄧ般控制室內空氣品質之通風空調設計有二種情況：. 14.
(31) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. (1)在新的建築物中設計新的通風系統控制室內空氣品質，而 室內氣體污染物之負荷必須進行估計或量測。 (2)修正原有通風系統解決特定室內空氣品質問題。 對於第一種情形，必須使用先前描述的數學模式。確定污染物產 生的行為、估算並且加入建築物內的產生源，同時確認室外的空氣污 染物。 對於第二種情形，可能需要進行實際測量來確認污染物。空氣品 質問題的評估可能變成室內空氣品質調查，包括進行建築物檢驗、人 員問券調查與局部採樣和分析。ㄧ旦瞭解污染物種類特性和其負荷， 相關通風空調設計即能開始。 有關污染物負荷之估算部份，針對特定場所或時間進行取樣與分 析來確認污染物之濃度。很多的實際量測上在進行污染物與時間的量 測分析時會有重疊或是間斷的情形發生，因此通常採用整體污染負荷 之估算。 2.3.2 室內空氣品質控制策略 ㄧ般用來改善建築物室內空氣品質的四個控制策略有：(1)移除污 染物來源(2)使用氣罩進行局部排氣或潔淨循環空氣(3)利用增加整體通 風換氣加以稀釋與(4)潔淨整體通風換氣。前三者通常最可行，而利用 潔淨整體換氣之控制策略來改善空氣品質通常會很難達成。 1.來源去除 去除空氣污染物來源對於改善室內空氣品質往往最有效且通常花 費最低。例如，在建築物內禁止吸煙或隔離吸煙區在有限的區域內， 可以大量降低室內空氣污染。 2.局部來源控制 當建築物室內空間存在有分散的汙染物產生源或產生數量相當可. 15.
(32) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 觀的氣體污染物時，局部排氣控制比整體通風控制有效。如果這些污 染物具有毒性、刺激性、或具有強烈難聞氣味時，必須利用局部通風 控制配合室外排氣來加以控制。浴室、廚房是最普遍的例子，排氣量 的大小有時候需針對局部排氣相關法規來來設計。最小排氣速度需考 量能補集較大的氣膠粒子將其控制並移除，此部分的設計考量與控制 氣體污染源有所不同。 局部排氣通常是由排氣風扇透過管路系統與室外排氣塔來把氣體 排出室外。相關法規要求有些使用局部控制策略之情況，其排出之氣 體必須先進行過濾以防止有毒氣體污染物直接釋放至室外。有時候使 用局部控制策略所排出之氣體也可以經過過濾處理後再回到室內空 間，如此可以節省對外氣加熱和冷卻所耗費之能源。由於過濾器有故 障的風險存在，因此上述情況必須侷限在局部控制策略所排出的氣體 污染物是無毒且無害。 3.透過整體通風稀釋 在一般住宅和商業用途大樓裡，主要會在廚房、浴室內和如印表 機ㄧ樣非連續性產生氣體污染源等之位置使用局部污染源控制策略。 沒有局部控制污染源裝置的室內空間，則利用整體通風系統透過稀釋 來控制污染物。整體通風系統往往必須提供室內空間熱負荷之需求並 符合污染物控制標準。且儘可能達到室內空間空氣完全混合與提供室 內每個人員有相同空氣量之目的。. 16.
(33) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 2.4 室 內 空 氣 品 質 數 學 模 式 室內空氣品質的預測，是由污染源、污染物吸附、室內空氣流動 及室內與室外間空氣流動等因素所決定。在室內環境中，為了瞭解室 內空氣污染物的產生、擴散與衰減，常利用室內空氣品質模型【7】 (Indoor Air Quality Models)來預測室內空氣污染物濃度，包括決定論模 型(Deterministic Models)、經驗模型(Empirical models)與前兩者的結 合。 「決定論模型」藉由室內污染物質量平衡原理所推導出來的；而「經 驗模型」是將測試資料以多變數迴歸統計的方法決定之。 由於污染物「質量平衡模型」【8】(Mass Balance Model)可提供一 般性的應用，藉此來探討污染物濃度與其影響因子間的概略狀況。 因此，一個數學模型要描述室內空氣的污染物濃度，必須考慮幾項因 素： (1)建築物內空調系統之空氣循環。 (2)循環空氣之污染物濾清效率。 (3)室內所產生之污染源。 (4)空調系統之送風將風管內污染物帶入室內。 (5)建築物室內與戶外之間空氣的流動。 (6)隨時間變化的污染源及污染物吸附強度。 另外兩個影響室內整體空氣品質的重要因素為"濕度"、"溫度"，尤 其是台灣屬於亞熱帶海島型氣候，溫暖而潮濕，許多相關的研究特別 強調室內濕度大小對於整個室內生活環境的影響【9】，高的室內濕度 會導致在建築體的周圍有凝結水的產生，大大地降低室內生活環境品 質，更嚴重的是產生許多因潮濕而造成的疾病。因此，可在空調系統 內加裝除濕設備，控制除濕量，使室內生活環境達到舒適及健康的目 標。 17.
(34) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 溫度測量顯示室內系統的熱量平衡或控制問題，而濕度會改變許 多室內污染物的釋放量、在空氣中的濃度、以及微生物生長的潛伏性。 在質量平衡模型種類包括單室模型（One-Compartment Model） 、多室模 型（Muilt-Compartment Model）；而本研究探討案例為室內作業場所， 屬於單室模型，故以單室模型作為探討影響因子的基礎，茲將模型原 理及方程式推導描述於下。因此為了解決室內空氣品質的問題，我們 建立下列之數學模型來描述室內生活環境。 2.4.1 污染物質量平衡模型 以一個簡單空間的氣流量來建立污染物質量平衡模型，如圖 2-2 所示，可得污染物質量平衡系統方程式： （污染物的流入量）＋（污染物產生源的污染物產生量）－（污染 物的流出量）－（污染物的吸附聚集量）＝（室內污染物的累積量） (2.7) 污染物累積量. 污染物流入量. 污染物產生源. 污染物流出量. 污染物吸附或聚集. 圖 2-2 污染物質量平衡模型 (2.7)式之系統方程式受到的假設限制為不可壓縮流，意即進入屋 內的空氣質量流率等於流出屋外的空氣質量流率。雖然已有(2.7)式的 系統方程組，然而因為空氣與污染物的混合型式相當複雜，所以在利 用(2.7)式的系統方程組建立模型前，必須先行定義及簡化污染物與室 內空氣的混合方式，其混合的方式有兩種型式的混合模型： 1.Plug - flow mixing model： 此模型為污染物濃度沿著空氣氣流的路徑，以點到點(point to point) 的分佈方式有不同的濃度變化。 2.Well - mixed model： 18.
(35) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 此模型假設為污染物均勻地分佈在房間內的每個角落。由過去的 實驗資料得知，污染物的濃度分佈並不是以點對點沿著氣流路徑的方 式分佈，特別是運用電腦建立模型時，所採用的時間區間是以數分鐘 為一間隔，因此無法得知濃度沿著氣流路徑分佈的大小，故我們採用 Well–mixed Model 來建立室內空氣品質模型。 2.4.2 空 氣 污 染 物 模 型 空氣污染物模型是利用空間中的污染源，污染物吸附，循環的空 氣流和不同的污染流，流入及流出的質量平衡方法來預測室內二氧化 碳的累積，整個系統忽略污染物集中的梯度，因此任何時刻系統內的 污染物濃度可視為均勻分佈(Well - mixed Model)。 如圖 2-3 所示，以一個體積 V 的單一空間為例，戶外的補給空氣 經過一個效率 F0 的空氣濾清器，以氣流量 q0 流入房間，同時室內循 環空氣經過一個效率 F1 的空氣過濾器，以氣流量 q1 於室內循環，有 空氣經由隙縫滲入及滲漏出房間，其流量分別為 q2、q3，排出之氣流 量為 q4，戶外及室內二氧化碳於時間 t 時，濃度分別為 Co、Ci，屋內 的污染源及污染物吸附量分別為 S 和 R，混合因子為 k，因 此 可 得 氣 流質量平衡方程式和空氣污染物質量平衡方程式。 空氣質量平衡方程式: q0 + q2 = q3 + q4. (2.8). 式中： q0 , q2 , q3 , q4 為氣流量. 空氣污染物質量平衡方程式: V. dCi = kq0C0 (1 − F0 ) + kq1Ci (1 − F1 ) + kq2C0 − k ( q0 + q1 + q2 )Ci + S − R dt. (2.9). 19.
(36) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫 Outdoor Air Temperature To Make-up Air qo Outdoor Concentration Co Filter Fo Infiltration from Outdoor q2 Outdoor Concentration Co. Room Volume Indoor Air Temperature Indoor Concentration Pollutant Generation Pollutant Decay Mixing Factor. Exfiltration q3 Indoor Concentration Ci. 圖 2-3. Recirculation Air q1 Indoor Concentration Ci. HVAC. Filter F1. V Ti Ci G R k. Exhaust q4 Indoor Concentratration Ci. 空氣污染物濃度模型. 2.4.3 濕度模型 當在分析建築物內濕度的變化狀況時，首先可以從空氣中水份質 量的增加及減少方向著手。空間中濕度的的動態平衡會隨著建築物內 空氣的流動量而改變，任何時刻相對濕度會受建築物內空氣流動的影 響【10】【11】。因此在分析濕度時，我們必須考慮到下列四種影響濕 度變化的參數: (1)空調機組供給之通風量，及因建築物氣密性不良所造成的空氣 滲入量(此兩者皆與室內外空氣的濕度含量差有關)。 (2)建築物內由浴室、廚房或增濕機等所產生的濕氣。 (3)空氣中的水氣凝結及消散造成濕度降低。 (4)空氣中有吸濕性材料，造成水氣之吸附與釋放。 經由上列四種影響濕度變化的參數，我們可由單一空間為例，如 圖 2-4 所示，假設空間之邊界為控制表面，可以推導出一個質量平衡方 程式: 質量平衡方程式: 20.
(37) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. V. dM i = M 0 ( q2 + q0 ) − M i ( q3 + q4 ) + G − C − A − D dt. (2.10). Outdoor Air Temperature To Make-up Air qo Outdoor Air Moisture Content Mo. Infiltration from Outdoor q2 Outdoor Air Moisture Content Mo. Room Volume Indoor Air Temperature Indoor Air Moisture Content Condensation Rate Absorption Rate Moisture Generation Rate. V Ti Mi C A G. Diffuse Rate Through Space Boundary D. Exfiltration q3 Indoor Air Moisture Content Mi. 圖 2-4. Exhaust q4 Indoor Air Moisture Content Mi. 濕度模型. 2.4.4 包括室內空氣污染及濕度效應的模型 如圖 2-5 所示，模型中包括了室內空氣污染及濕度的效應，由式(2.9) 得知二氧化碳濃度 Ci 隨時間而變化，保持其它變因為常數，且當 t=0 時，Ci=Cs 可得： Ci =. k[q0 (1 − F0 ) + q 2 ]C0 + S − R k(q0 + q1 F1 ) + q 2. −k ⋅ ( q 0 + q 1 F 1 + q 2 ) ⋅ t. ⋅ [1 − e. −k ⋅ ( q 0 + q 1 F 1 + q 2 ) ⋅ t. ] + Cs ⋅ e. V. V. (2.11). 上式中 R=ECi，互為一比例常數。 然而若要簡化方程式(2.10)則必須利用適當的分析關係，將水氣凝 結造成之濕度減少率、吸濕性材料造成之濕度減少率、經由空間之邊 界散發速率等，假設上述變數對空間中空氣濕度成份呈現出線性多項 式的特性，簡化分析上的困難。當 t=0 時，Mi=Ms 可得： Mi =. M 0 ( q0 + q2 ) + G − C − A − D ⋅ [1 − e q3 + q4. − ( q3 + q 4 ) t V. ]+ Ms ⋅e. − ( q3 + q 4 ) t V. (2.12). 21.
(38) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 利用式(2.11)及式(2.12)，我們可以得到二氧化碳的濃度及室內的濕 度，進而可以調節通風量及除濕量，使室內環境達到舒適的區域。 Outdoor Air Temperature To Make-up Air qo Outdoor Concentration Co Outdoor Air Moisture Content Mo Filter Fo Infiltration from Outdoor q2 Outdoor Concentration Co Outdoor Air Moisture Content Mo. Recirculation Air q1 Indoor Concentration Ci Indoor Air Moisture Content Mi. HVAC. Filter F1. Room Volume V Indoor Air Temperature Ti Indoor Concentration Ci Indoor Air Moisture Content Mi Pollutant Generation S Pollutant Decay R Mixing Factor k Condensation Rate C Absorption Rate A Moisture Generation Rate G Diffusion Rate Through Space Boundary D Exfiltration q3 Indoor Concentration Ci Indoor Air Moisture Content Mi. 圖 2-5. Exhaust q4 Indoor Concentratration Ci Indoor Air Moisture Content Mi. 室內空氣污染物濃度及濕度效應模型. 為了達到簡易估算必要通風量或預測室內空氣污染物濃度，將上述 模型予以簡化。而簡化的預先假設條件如下： 1. 污染物發生量為一常數(Constant)--->>污染物衰減量R = 0 2. 污染源限於設定 3. 污染物只被機械通風(Machined Ventilation)移除--->>q2 = q3 = 0 藉由上述假設，室內污染物濃度與時間的關係如(式2.13)所示： Ci = C0 +. kq S [1 − exp( − 0 t ) kq0 V. (2.13). 當室內達到穩態(steady-state)時(即t→∞時)，Ci 為室內濃度最大值(Peak Value)Ci,ss。 Ci ,ss = Co +. S kq0. (2.14). 1973 年 ， ASHRAE 訂 定 每 人 所 需 的 最 小 通 風 量 值 為 22.
(39) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 5cfm(ft3/min)，便是假設一個人新陳代謝CO2 的產生率為0.0105cfm， 室外CO2 濃度(CO)為0.0003(300ppm)，室內CO2 濃度健康容許值0.25 ％(2500ppm)，並假設室內完全混合(k=1.0)，利用此簡化的空氣污染物 質量平衡模型(2.14)所估算出來的【12】。 依據污染物質量平衡模型的結構形式(2.14)，將影響因子分成三類， 分述如下： 1.污染物相關變數:考量污染源的特性，包括強度、密度與流動性。 2.換氣量相關變數:考量新鮮外氣引入的可能，包含空調引入與建築 物外殼洩漏。 3.換氣效率相關變數:考量建築空間因素對換氣效率的影響，包含空 間型態、室內家具配置與空調送回風口型態等。 上述相關變數詳細說明如後。 2.4.5 空氣污染物及濾網的設計方程式 在這邊提供了一個方法，以確使在所有時間內污染物的濃度均在 可容許範圍內，特別強調空調清淨和過濾的重要，並提供一個評估 HVAC 系統運作的方法。建築物內室內空氣品質 IAQ 的影響因素主要 是(1)室內污染源的排放(2)用作稀釋用途的新鮮外氣之品質(3)稀釋速 率(4)系統。而其中，室內污染源的污染排放是首先應被注意到的 IAQ 決定因子。這包含了室內物質，消費者產品，傢俱裝潢、燃燒器具和 製程、生物滋長、居住人員等。 現在的 ASHRAE 標準 62-1999，除了有換氣率程序(Ventilation Rate procedure；VR Procedure)之外，尚有另一 IAQ 程序可供為選擇方案。 IAQ 程序主要是提供作為淨化過的(cleaned)和再循環的(recirculated)空 氣用於空調系統和計算，可用於定風量 CAV 系統和變風量 VAV 系統， 而外氣引進可以是定量引進或者是比例引進者，所以，適用總共包括. 23.
(40) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 七種不同類型的系統，都是廣被使用的 HVAC 系統，收列在標準中。 如表 2-5，係用來作為聯結 IAQ 程序以在一空間內之空內污染物濃度計 算關係式，並可以此計算結果與 VR 程序的適當外氣換氣量值相驗證， 並發覺其適用性。然而，在部份負載時，表 2-5 的關係並未提供足夠之 資訊可供計算分析之用途，尤其是無法用來預測污染物濃度變化的全 天性之變化情形。 表 2-5 七種常用的空調系統及污染物濃度方程式 Contaminant concentration as a function of time for HVAC system Classes Ⅰ through Ⅶ. HVAC system class. Filter Iocation. Flow. Temperature Outside air. Constant. Space contaminant concentration. Ⅰ. None. VAV. 100 percent Cs(t)-Cs(t-1)+[Cs(t-1)-C0]exp(-vot/Q)+N/Vo[1-exp(-Vot/Q)]. Ⅱ. A. Constant Variable. Constant. Cs(t)-Cs(t-1)e^-x+[(CoVo+N)/(Vo+Ef(Vs-Vo))](1-e^-x). Ⅲ. A. VAV. Constant. Constant. Cs(t)-Cs(t-1)e^-z+[(CoVo+N)/Vo+Et(FrVs-Vo)](1-e^-y). Ⅴ. B. Constant Variable. Constant. Cs(t)-Cs(t-1)e^-x+[(1-E)CoVo+N]/[Vo+Ef(Vs-Vo)](1-e^-x). Ⅵ. B. VAV. Constant. Constant. Cs(t)-[Cs(t-1)e^-y+(1-Ef)CoVo+N]/[Vo+Ef(FrVs-Vo)](1-e^-z). Ⅶ. B. VAV. Constant. Proportional Cs(t)-[Cs(t-1)e^-z+(1-Et)FrCoVo+N]/[FrVo+EtFr(Vs-Vo)](1-e^-z). Note:Exponents x,y, and z above are computed as follows: x=t/Q[Vo+Et(Vs-Vo)] y=t/Q[Vo+Et(FrVs-Vo)] z=tFr/Q[Vo+Et(Vs-Vo)]. 在此假設濾網 A 及 B 的位置分別以微分形式表示 dt 時段之污染物 濃度，可分別得到以下兩個式子： A 位置： 0dCs (t ) = Ndt + CoVodt − Cs (t )Vodt − Cs (t )(Vs − Vo0) Efdt − Cs (t )Vadt. (2.15). B 位置： 0dCs(t ) = Ndt + (1 + Ef )CoVodt − Cs (t )Vodt − Cs (t )(Vs − Vo) Efdt − Cs (t )Vadt (2.16). 其中 Cs(t)＝時間 dt 的污染物濃度. 24.
(41) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. Q＝空間體積 N＝污染物產生速率 Co＝外氣之污染物濃度 Vo＝換氣之流率 Vs＝供風之流率 Va＝吸收空氣(absorbed air)之流率 Ef＝濾網效率 解以上(2.15)，(2.16)方程式，則可得到欲求的污染物濃度 Cs(t)分別 是： 濾網 A 位置 ⎧−[Vo+Va+ Ef(Vs−Vo)]t ⎫ ⎧ ⎫ ⎧ ⎧−[Vo+Va+ Ef(Vs−Vo)]t ⎫⎫ (CoVo+ N) Cs(t) =Cs(t −1)e⎨ ⎬+ ⎨ ⎬×⎨1−e⎨ ⎬⎬(2.17) Q Q ⎩ ⎭ ⎩[Vo+Va+ Ef(Vs−Vo)]⎭ ⎩ ⎩ ⎭⎭. 濾網 B 位置 ⎧−[Vo+Va+ Ef(Vs−Vo)]t ⎫ ⎧ ((1−Ef)CoVo+ N)) ⎫ ⎧ ⎧−[Vo+Va+ Ef(Vs−Vo)]t ⎫⎫ `⎬⎬(2.18) Cs(t) =Cs(t −1)e⎨ ⎬+ ⎨ ⎬×⎨1−e⎨ [ ( )] + + − Q Q Vo Va Ef Vs Vo ⎩ ⎭ ⎩ ⎭ ⎩ ⎩ ⎭⎭. 其中 Cs(t-l)＝空間中污染物濃度之(前一個)初值 這對室內空氣品質的控制，提供很好的數學方法，及預測性。. 2.5 通風換氣與換氣率理論 2.5.1 通風換氣理論 換氣是降低室內空氣污染物濃度的最重要的手法，換氣量的多寡 與室內空氣污染物濃度有絕對關係，如圖 2-6 所示 CO2 濃度與換氣量 成反比。不同換氣量對室內污染物之排除影響甚鉅，建築物應有適切 的通風換氣，以排除室內之空氣污染物，降低其濃度以維護室內人員 的健康與工作效率。通風換氣除排除更新室內污濁之空氣外，尚有改 變空氣之溫濕度與風流動的生物效應的功能。. 25.
(42) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 900 室內二氧化碳濃度. 800 700 600 500. (ppm ) 400 300. 室外二氧化碳濃度. 200 100. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 換 氣 率 (cfm /人 ). 圖 2-6 室內二氧化碳與換氣率的關係 通風換氣的方式依其目地可分成兩種： 1.一般通風換氣 主要是指以舒適為目地而進行室內換氣作用，通常多和空氣調節 一併考慮，以同時達到控制室內溫度、相對濕度、清潔度之要求。 2.稀釋通風換氣 主要是指以大量未受污染或低污染之空氣來稀澤室內有污染之空 氣，以達到衛生控制或危害物控制之要求。 這兩種通風方式之主要差異乃在其換氣與送風方式之不同，一般 空調通風系統大多是以達到舒適之目地為主，較少考慮污染物之排除 作用，因此在功能設計時仍有相當大比例之室內空氣循環迴流，藉以 減少能源的消耗，而僅有少部份空氣是與室外空氣互換。 2.5.2 換氣率理論模式 應用一示蹤氣體在一大氣壓下釋放並將之均勻混合於一密閉空間 內，則在任一瞬間此氣體的濃度可由式(2.19)的連續方程式加以決定： V 26. dC + QC = G dt. (2.19).
(43) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 其中 V：密閉空間有效體積 C：示蹤氣體瞬間濃度 Q：空氣流量 G：示蹤氣體釋放率 t：時間 有 許 多 測 試 機 制 可 對 Q 加 以 評 估 ， 主 要 分 為 (1) 濃 度 衰 減 法 (concentration decay)、(2)定量濃度法(constant concentration)、(3)定量釋 放法(constant emission)。而本研究採用示蹤氣體濃度衰減法評估室內空 間之換氣率。 考慮一定量的示蹤氣體均勻分佈於一空間內，其濃度將達到一尖 峰值(peak level) C ( 0 ) ，而當示蹤氣體被進入之外氣所稀釋時，示蹤氣 體的濃度將逐漸地衰減；當氣體均勻分佈後，氣體釋放率 G 變為零， 則式(2.20)連續方程式中的末項將消失，在將前兩項加以積分，可得以 下的式子。 C (t ) = C ( 0 )e. Q V. − t. (2.20). 其中 C (0). 示蹤氣體初始濃度. C (t ). 示蹤氣體在時間 t 時的濃度. 而換氣率( Q V )，可由示蹤氣體隨時間之濃度衰減曲線取對數的斜 率加以求得。. 2.6 空氣年齡理論 空氣年齡（Age of air）乃指流入室內空間的空氣經由開口部流出 所需要的時間，由於室內空氣沈積於室內空間中的時間過長將導致其 對人體健康有不良之影響，如何將存在於室內的空氣有效的以通風系 27.
(44) 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫. 統所供應的新鮮空氣予以取代，對於室內空氣品質（Indoor Air Quality） 的 掌 握 有 其 重 要 性 ， 亦 即 需 要 對 於 空 氣 交 換 效 率 （ Air exchange efficiency）的成效研擬有效的評估模式。 基本上，室內之空氣年齡可分為室內平均空氣年齡（Room mean age of air）與局部平均空氣年齡（Local mean age of air）兩種。室內平 均空氣年齡是求取室內所有格點的空氣年齡平均值，以評估該空間通 風換氣效率與換氣量之狀況。而對於室內空間中某一特定區域之評估 則引用〝局部平均空氣年齡〞之評估模式，其定義為空氣由室內空間 入口處飄移至待評估區域任一量測點 P 所需之平均時間，主要應用於 個別作業場所之通風或是自然通風建築物空氣分布之評估上。 以只有一個進氣口與排氣口的機械式通風空間而言，引入的空氣 分子經由不同路徑的飄移至 P 點的數量會隨時間改變，如圖 2-7 所示， 而圖中所謂的駐留時間為空氣離開此一空間的年齡。當時間 t=0 時，由 進氣口進入室內空間中 P 點的空氣分佈機率如圖 2-8 所示，其在時間 t 與 t+δt 之間到達 P 點的分子數為長條陰影之面積，如式(2.21)所示。 ．δt 長條陰影之面積=Ap（t）. (2-21). 到達 P 點之總分子數為機率分佈曲線下的面積，如式(2-22)所示。 ∞. 機率分佈曲線下的面積 = ∫0 Ap (t )dt. (2.22). 假如機率分佈以達到 P 點總分子數的型態來表示的話，則到達 P 點的總分子數會等於 1 或 100％，也就是： ∞. 機率分佈曲線下的面積 = ∫0 Ap (t )dt = 1. 28. (2-23).
(45) 通風換氣空氣品質數學模式之分析與建立. 圖 2-7 機械式通風模式之空氣年齡與駐留時間的關係. 圖 2-8 空氣進入室內空間中 P 點得機率分佈曲線圖 1.局部平均空氣年齡（Local mean age of air） 局部平均空氣年齡的基本定義為「空氣由入口處飄移至空間. 中. 的任一點 P 所需的平均時間」 。位於 P 點的局部平均空氣年齡 τ P 可由圖 2-8 機率分佈曲線的中心線對垂直軸加以積分而求得： ∞. τP. ∫ t ⋅ A (t )dt = ∫ A (t )dt p. 0. ∞. 0. (2.24). p. 2.室內平均空氣年齡（Room mean age of air） 29.
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