中 華 大 學
碩 士 論 文
建築物單面通風之換氣效能研究
A Study of the Performance of Single-Sided Ventilation for Builidings
系 所 別：營建管理研究所 學號姓名：M09516039 黃政達 指導教授：吳 卓 夫 博士
邱 英 浩 博士
中華民國 九十七 年 七 月
誌 謝
能夠完成研究所學業是一連串的機緣：進入研究所是機緣、認識吳 老師是機緣、認識邱老師更是機緣。
吳老師是我國土木建築界的大老，不僅帶領我完成本論文，也讓我 見識到所謂大師的風範，而邱老師是國內建築動態運算物理環境的新 秀，更是運用他研究室的大量資源，毫不保留的協助我完成本論文的撰 寫。
對兩位教授的指導與提攜，還有邱老師助理吳孟芳小姐的襄助，除 了感謝之外還是感謝。
研究所兩年期間亦得到同儕間的協助，在此一併致謝，尤其是王文 清、王文彬及魏士翔。
最後僅以此論文獻給我的家人---李慧麗、黃懷陞、黃柏余，由於 他們的容忍與犧牲，讓我完成了我的夢想。
摘 要
關鍵字：單面通風、自然通風、計算流體力學。
大多數使用者在就寢時段僅有 5%之使用者維持臥室「開窗開門」，
55%之使用者在考量私密性之條件之下採取「開窗關門」，其餘 40%之 使用者則採取「關窗關門」之機械通風方式。而美國職業安全衛生協會 (National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH)針對建築物 室內空氣品質研究結果中指出，53%的問題係因不適當的通風，24~36%
的問題則來自空氣污染物，造成室內空氣品質不佳的因素，可分為許多 面向，針對不同面向之因素也各有其改善之道，然而對於既存之建築物 而言，透過對通風策略之擬定而改善室內空氣品質為最經濟可行之做 法。因此，本研究基於健康、節能、舒適之觀點，以住宅單元為主要模 擬對象，探討不同風速、風向等之影響因子下，單面通風對於室內環境 品質之通風換氣效果與影響，藉以改善室內空氣品質，以達到舒適度與 健康之需求。本研究之目的如下：
一、建立 CFD 數值模擬應用於自然通風下單面通風之方法研究 二、評估不同風速與風向之單面通風效果
三、探討風力與熱浮力之單面通風效果
ABSTRACT
Keywords: Single-sided ventilation, Natural ventilation, Computational Fluid Dynamics.
There are only 5% of occupants remaining the door and window opened during the sleeping time. Approximately 55% of people keep the door closed and windows opened due to the willing of private condition.
The rest of 40% is living in the condition of the mechanical system with the door and window closed. According to the research of indoor air quality conducted by National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH, 53% of the problem of indoor air quality is resulted from the unsatisfied condition of ventilation and 24~36% is due to the air pollution (Robertson, 1995). There are many aspects causing the poor air quality indoors and the methods for solving those problems are also existed. One of the most common strategies is to design and determine a suitable strategy for ventilation purposes. Therefore, the current study focuses on the performances of single-sided ventilation for domestic house. The results gained by the simulation could be helpful for designing a room with the needs of comfort and health. The aims of the study are shown as the following points.
1. Developing a CFD method for the design of domestic ventilation which is single sided ventilation
2. Evaluating the ventilation performances given by different wind speeds and directions.
3. Studying the ventilation performances due to different forces, including wind force and buoyancy.
目錄
第一章 緒論... 1
1.1 研究動機與目的... 1
1.1.1 研究動機... 1
1.1.2 研究目的... 3
1.2 研究範圍與內容... 3
1.2.1 研究範圍... 4
1.2.2 研究內容... 6
1.3 研究方法與流程... 7
1.3.1 研究方法... 7
1.3.2 研究流程... 9
1.4 研究限制... 10
第二章 文獻回顧... 11
2.1 自然通風原理及形式... 11
2.1.1 自然通風原理... 11
2.1.2 自然通風形式... 13
2.2 自然通風設計工具... 15
2.2.1 計算流體力學(CFD) ... 15
2.2.2 風洞... 16
2.2.3 數學模型... 18
2.3 相關研究摘要... 19
2.3.1 自然通風與室內環境品質之關係... 19
2.3.2 通風之評價方式... 28
2.3.3 室內空氣通風換氣評估基準... 29
2.4 小結... 31
第三章 計算流體力學... 33
3.1 計算流體力學發展... 33
3.2 計算流體力學理論介紹... 34
3.3 計算流體力學應用及操作... 36
3.3.1 CFD基本控制方程式 ... 37
3.3.2 CFD的求解步驟 ... 38
3.3.3 計算流體力學於建築物室內流場之應用... 39
3.3.4 渦黏模型介紹... 41
3.4 模擬方法及基本設定... 45
3.4.1 軟體之應用與解析過程... 45
3.4.2 主建築物設定... 46
3.4.3 邊界條件設定... 49
3.4.4 網格系統設定... 54
3.4.5 小結-模擬變數 ... 55
第四章 數據分析... 57
4.1 不同風速之影響... 57
4.1.1 單一風向與不同樓層... 57
4.1.2 不同風速之比較... 61
4.2 不同風向之探討... 65
4.2.1 單一風速與不同樓層... 66
4.2.2 不同風向之比較... 68
4.3 風力與熱浮力分析... 72
4.3.1 單一風速，不同風向之探討... 73
4.3.2 單一風向，不同風速之探討... 74
4.4 小結... 75
第五章 結論與建議... 77
5.1 結論... 77
5.2 建議... 79
參考文獻... 80
附錄一 CFD模擬結果圖 ... 83
表目錄
表 1.1 研究內容架構說明... 6
表 2.1 室內CO2 濃度之影響因子 ... 20
表 2.2 不同作業程度下不同的人體O2 消耗量與CO2 產生量 ... 23
表 2.3 用途別換氣次數... 23
表 2.4 建築技術規則有關住居空間室內空氣環境之說明比較 ... 29
表 2.5 自然通風之相關條文... 30
表 2.6 標準狀態下住宅居室換氣次數... 31
表 2.7 不同自然通風原理所可能採用的自然通風形式 ... 31
表 3.1 近代計算流體力學的發展... 33
表 3.2 通風與空氣品質研究模式比較表... 34
表 3.3 通用控制方程中各符號的具體形式... 38
表 3.4 CFD近代流體力學運用在建築與室內之發展... 40
表 3.5 K-Ε模型的控制方程 ... 42
表 3.6 國民住宅臥室室型尺寸表... 46
表 3.7 不同地況的邊界層高度與指數... 52
表 3.8 外部風速考量表... 53
表 3.9 模擬變數說明... 55
表 4.1 室外風速- 0.5 M/S對換氣次數之影響 ... 58
表 4.2 室外風速- 2 M/S對換氣次數之影響 ... 59
表 4.3 室外風速- 4 M/S對換氣次數之影響 ... 60
表 4.4 不同風速換氣次數之比較... 61
表 4.5 背風向對換氣次數之影響... 66
表 4.6 側向對換氣次數之影響... 67
表 4.7 不同風向之比較... 68
表 4.8 不同室內熱源之換氣率比較表... 73 表 4.9 各模擬變數換氣次數比較... 75
圖目錄
圖 1.1 研究範圍－自然通風形式下之單面通風... 4
圖 1.2 研究範圍－通風效果評估因子... 5
圖 1.3 研究範圍－CFD數值模擬... 5
圖 1.4 研究範圍－建築物類型... 6
圖 1.5 研究流程圖... 9
圖 2.1 重力(溫度差)換氣示意圖 ... 12
圖 2.2 風力換氣示意圖... 13
圖 2.3 混合(重力與風力)換氣示意圖 ... 13
圖 2.4 單面通風示意圖... 14
圖 2.5 穿越式通風示意圖... 14
圖 2.6 浮力通風示意圖... 15
圖 2.7 中央大學風洞配置圖... 18
圖 2.8 室內綜合環境因子指標權重... 32
圖 3.1 三維紊流數值模擬方法與相對應紊流模型圖 ... 36
圖 3.2 CFD求解步驟流程圖... 39
圖 3.3 FLOVENT解析過程 ... 46
圖 3.4 單元空間尺寸... 47
圖 3.5 開口部大小說明... 48
圖 3.6 開口方式示意圖... 48
圖 3.7 不同樓層示意圖... 49
圖 3.8 計算域設定說明... 50
圖 3.9 計算域尺寸... 50
圖 3.10 邊界條件-風梯度示意圖 ... 51
圖 3.11 邊界條件-計算域... 51
圖 3.12 不同風向示意圖... 53
圖 3.13 物件網格之設定... 55
圖 3.14 單面開口變數說明... 56
圖 3.15 雙面開口變數說明... 56
圖 4.1 室外風速- 0.5 M/S對不同開口方式換氣次數之比較 ... 58
圖 4.2 室外風速- 2 M/S對不同開口方式換氣次數之比較 ... 59
圖 4.3 室外風速- 4 M/S對不同開口方式換氣次數之比較 ... 60
圖 4.4 不同風速換氣次數比較圖... 61
圖 4.5 不同風速對換氣增加/衰退百分比較 ... 63
圖 4.6 單面開口與不同風速之換氣增加/衰退百分率 ... 64
圖 4.7 單面開口於 1F(低樓層)不同風速之換氣增加/衰退百分率 ... 64
圖 4.8 單面開口於 3F(中間樓層)不同風速之換氣增加/衰退百分率 .... 65
圖 4.9 單面開口於 5F(高樓層)不同風速之換氣增加/衰退百分率 ... 65
圖 4.10 背風向對單面開口換氣次數之比較... 66
圖 4.11 側向對不同開口方式換氣次數之比較... 67
圖 4.12 不同風向換氣次數比較圖... 68
圖 4.13 不同風向對換氣增加/衰退百分比較 ... 69
圖 4.14 單面開口與不同風向之換氣增加/衰退百分率 ... 71
圖 4.15 單面開口於 1F(低樓層)不同風向之換氣增加/衰退百分率 .... 71
圖 4.16 單面開口於 3F(中間樓層)不同風向之換氣增加/衰退百分率 71 圖 4.17 單面開口於 5F(高樓層)不同風向之換氣增加/衰退百分率 .... 72
圖 4.18 不同風向之換氣率增減趨勢圖... 74
圖 4.19 不同風速之換氣率增減趨勢圖... 75
圖 4.20 單面通風之換氣次數比較... 76
附圖1.1 1 樓單開口風速 0.5 M/S 迎風向模擬圖……….83
附圖1.2 1 樓單開口風速 2 m/s 迎風向模擬圖………..83
附圖1.3 1 樓單開口風速 4m/s 迎風向模擬圖………84
附圖1.4 3 樓單開口風速 0.5m/s 迎風向模擬圖………84
附圖1.5 3 樓單開口風速 2 m/s 迎風向模擬圖………..85
附圖1.6 3 樓單開口風速 4 m/s 迎風向模擬圖………..85
附圖1.7 5 樓單開口風速 0.5 m/s 迎風向模擬圖………..86
附圖1.8 5 樓單開口風速 2 m/s 迎風向模擬圖………..86
附圖1.9 5 樓單開口風速 4 m/s 迎風向模擬圖………..87
附圖1.10 1 樓單開口風速 2 m/s 背風向模擬圖………87
附圖1.11 1 樓單開口風速 4m/s 背風向模擬圖……….88
附圖1.12 3 樓單開口風速 2 m/s 背風向模擬圖………88
附圖1.13 3 樓單開口風速 4 m/s 背風向模擬圖………89
附圖1.14 5 樓單開口風速 0.5 m/s 背風向模擬圖………89
附圖1.15 5 樓單開口風速 2 m/s 背風向模擬圖………90
附圖1.16 5 樓單開口風速 4 m/s 背風向模擬圖………90
附圖1.17 1 樓單開口風速 0.5 m/s 側風向模擬圖………91
附圖1.18 1 樓單開口風速 2 m/s 側風向模擬圖………91
附圖1.19 1 樓單開口風速 4 m/s 側風向模擬圖………92
附圖1.20 3 樓單開口風速 0.5 m/s 側風向模擬圖………92
附圖1.21 3 樓單開口風速 2 m/s 側風向模擬圖………93
附圖1.22 3 樓單開口風速 4 m/s 側風向模擬圖………93
附圖1.23 5 樓單開口風速 0.5 m/s 側風向模擬圖………94
附圖1.24 5 樓單開口風速 2 m/s 側風向模擬圖………94
附圖1.25 5 樓單開口風速 4 m/s 側風向模擬圖………95
附圖1.26 1 樓雙開口風速 0.5 m/s 迎風向模擬圖……….95
附圖1.27 1 樓雙開口風速 2 m/s 迎風向模擬圖………96
附圖1.28 1 樓雙開口風速 4 m/s 迎風向模擬圖………96
附圖1.29 3 樓雙開口風速 0.5 m/s 迎風向模擬圖……….97
附圖1.30 3 樓雙開口風速 2 m/s 迎風向模擬圖………97
附圖1.31 3 樓雙開口風速 4 m/s 迎風向模擬圖………98
附圖1.32 5 樓雙開口風速 0.5 m/s 迎風向模擬圖……….98
附圖1.33 5 樓雙開口風速 2 m/s 迎風向模擬圖………99
附圖1.34 5 樓雙開口風速 4 m/s 迎風向模擬圖………99
附圖1.35 1 樓雙開口風速 0.5 m/s 側風向模擬圖………..100
附圖1.36 1 樓雙開口風速 2 m/s 側風向模擬圖………..100
附圖1.37 1 樓雙開口風速 4 m/s 側風向模擬圖………..101
附圖1.38 3 樓雙開口風速 0.5 m/s 側風向模擬圖………..101
附圖1.39 3 樓雙開口風速 2 m/s 側風向模擬圖……….102
附圖1.40 3 樓雙開口風速 4 m/s 側風向模擬圖………..102
附圖1.41 5 樓雙開口風速 0.5 m/s 側風向模擬圖………103
附圖1.42 5 樓雙開口風速 2 m/s 側風向模擬圖………..103
附圖1.43 5 樓雙開口風速 4 m/s 側風向模擬圖………..104
附圖1.44 5 樓單開口風速 0.5 m/s 側風向(50 W/m2)模擬圖…………..104
附圖1.45 5 樓單開口風速 0.5 m/s 側風向(100 W/m2)模擬圖…………105
附圖1.46 1 樓單開口風速 2 m/s 背風向(20 W/m2)模擬圖………..105
附圖1.47 1 樓單開口風速 2 m/s 背風向(50 W/m2)模擬圖………..106
附圖1.48 1 樓單開口風速 2 m/s 背風向(200 W/m2)模擬圖 …………..106
第一章 緒論
1970 年代兩次石油危機，由於能源短缺，油價暴漲，先進國家開 始進行節能、省能的研發。1990 年起，由於全球暖化及環境變遷問題 日益惡化，自此之後，各國均訂定較低之通風標準以達到節約能源之 目的。台灣位處亞熱帶地區，屬於高溫高濕的特殊氣候環境，加上都 市快速的發展導致高密度之居住模式，在如此複雜之環境之下，為維 持舒適的室內環境，使用空調設備系統調節室內空氣品質之建築則越 漸增多。因此依賴機械設備來調節室內空氣環境，長期下來極易造成 室內空氣品質惡化。
美國職業安全衛生協會(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH)針對建築物室內空氣品質研究結果中指出，53%的 問題係因不適當的通風，24~36%的問題則來自空氣污染物[1]。造成室 內空氣品質不佳的因素，可分為許多面向，針對不同面向之因素也各 有其改善之道，然而對於既存之建築物而言，透過對通風策略之擬定 而改善室內空氣品質為最經濟可行之做法。因此，採用經濟、合理的 自然通風手段對其進行控制，排除室內冷熱負荷，稀釋有害氣體、微 粒等污染物濃度，改善、維護室內環境，達成通風換氣的效果為本研 究所關注的問題。
1.1 研究動機與目的 1.1.1 研究動機
台灣地區因都市快速發展，促使都市朝向高密度發展，土地集中 使用再加上建築物群密集，造成室內通風換氣效果不足。除此之外，
台灣位處亞熱帶地區，屬於高溫高溼的氣候環境，為改善室內之熱環 境並維持良好之通風與舒適度，往往利用機械通風的方式來抗拒不利
的氣候因子，寒冷冬天使用暖氣，夏天因太熱而啟動的冷氣，長期以 來卻帶來了嚴重的累積熱量，造成都市熱島效應的產生，也造成都市 氣候高溫化的現象。
目前法令規章上關於室內空氣環境的規定，在「建築技術規則－
建築設計施工篇(第二章第八節)第四十三條」中說明－(通風)居室應設 置能與戶外空氣直接流通之窗戶或開口，或有效之自然通風設備或機 械通風設備，並應依下列規定：
一、一般居室及浴廁之窗戶或開口之有效通風面積不得小於該室樓地板 面積百分之五，但設置符合規定之自然或機械通風設備者不在此限。
二、廚房之有效通風開口面積不得小於該室樓地板面積1/10，且不得小 於0.8 平方公尺，但設置符合規定之機械通風設備者不在此限。廚房 樓地板面積在100 平方公尺以上者，應另設排除油煙設備。
三、有效通風面積未達該室樓地板面積 1/10 之戲院、電影院、演藝場 集會堂等之觀眾席及使用爐灶等燃燒設備之鍋爐間、工作室等應依 建築設備編之規定設置適當之機械通風設備，但所使用之燃燒器具 與設備可直接自戶外導進空氣，並能將所發生之廢氣物，直接排至 戶外而無污染室內空氣之情形者，不在此限。
此類之規範，顯示出一般居室內只要採用機械通風設備，對於自 然通風之考慮可因機械設備之使用而忽略，且無明文之規定，導致大 部分之建築設計均以機械通風為主要的考量，除此之外，對於自然通 風的條件與換氣量亦缺乏詳細的規定，所以自然通風的重要性因此被 忽略。而在綠建築九大指標中，「室內環境」指標亦說明了對於居室通 風之重要性，其目的在於「以音環境、光環境、通風換氣與室內建材 裝修等四部份為主要評估對象」[2]。其中說明了在評估室內環境品質 中，通風換氣等為影響居住健康與舒適之環境因素。GBC2000 更提出 一套針對不同建築用途的綠建築評估工具，其中，室內環境品質為主 要的評估項目之ㄧ，由此可知，室內空氣環境亦是在進行建築設計規
劃時所必須考量的[3]。台灣地區之住宅空間中，在就寢時段僅有 5%之 使用者維持臥室「開窗開門」之最佳通風模式，而有 55%之使用者在 考量私密性之條件之下採取「開窗關門」之單面通風模式，其餘 40%
之使用者則採取「關窗關門」之機械通風方式[4]。基於上述對於相關 議題與研究分析，本研究擬探討自然通風效果下，單面通風效果對於 室內居室環境品質之影響。
1.1.2 研究目的
本研究係基於健康、節能、舒適之觀點，探討不同風速、風向等 之影響因子下，單面通風對於室內環境品質之通風換氣效果與影響，
藉以改善室內空氣品質，以達到舒適度與健康之需求。根據上述之動 機，本研究之目的如下所述：
一、建立CFD 數值模擬應用於自然通風下單面通風之方法研究
進行CFD 之數值解析理論，並說明數值模型之邊界條件設定以及 操作模式，最後確立室內流場數值解析操作設定與應用之限制。
二、評估不同風速與風向之單面通風效果
透過 CFD 計算流體力學之模擬，建構出不同風速與風向等變因 下，單面通風對於室內通風換氣之影響與模式分析。
三、探討風力與熱浮力之單面通風效果
模擬不同室內熱源在單面通風之條件下，室內自然通風換氣之影 響與改善效果。
1.2 研究範圍與內容
本研究主要探討在自然通風效果下，利用風壓、溫度差及合併效 果(風壓+溫度差)之單面通風方式，探討在不同之條件(風速與風向) 下，對於室內通風換氣之效能評估，最後建構單面通風效能之模式。
以下係針對主要研究範圍與內容說明如下：
1.2.1 研究範圍
本研究擬建構在通風效果評估因子下，運用 CFD 計算流體力學之 模擬與預測，探討建築物開口部之通風換氣效果。以下分別從(1) 通 風、換氣方式、(2) 通風效果評估、(3) CFD 數值模擬，以及(4) 建築 物類型進行研究範圍之界定與說明：
一、通風、換氣方式
如圖1.1 所示，本研究主要探討以自然通風之方式進行通風換氣的 情況下，單面通風之效能評估：
註： 為本研究之探討範圍
圖 1.1 研究範圍－自然通風形式下之單面通風
通風、換氣方式
自然 通風
機械 通風
重力通風
風力通風
混合通風
1. 單面通風 2. 穿越式通風 3. 浮力通風
1. 單面通風 2. 穿越式通風 3. 浮力通風
1. 單面通風 2. 穿越式通風 3. 浮力通風
二、通風效果評估因子
如圖1.2 所示，在通風效果評估部分，本研究以舒適性、健康性之 因子為主，探討污染物濃度以及室內換氣效能：
註： 為本研究之探討範圍
圖 1.2 研究範圍－通風效果評估因子
三、CFD 數值模擬
如圖 1.3 所示，本研究在進行 CFD 數值模擬之部分，主要設定三 種不同條件：風向、風速、樓層高度與室內熱源，進行速度場、溫度 場、壓力場分析：
圖 1.3 研究範圍－CFD 數值模擬
通風效果評估
節能性
舒適性
健康性
污染物濃度
換氣效能 1. 氣流 2. 溫度 3. 溼度
1. 換氣量 2. 換氣率 二氧化碳(CO2)
CFD 數值模擬
風向
風速
樓層高度
其他
1. 速度場分析 2. 溫度場分析
註： 為本研究之探討範圍
室內熱源
四、建築物類型
如圖1.4 所示，本研究在進行建築物模擬之部分，依據建築技術規 則之建築物用途分類，主要界定於低層、住宅用途之建築類型。
圖 1.4 研究範圍－建築物類型
1.2.2 研究內容
以下說明在經過研究動機與目的之確認，以及研究範圍之界定 後，將本研究之研究內容說：
表 1.1 研究內容架構說明
章節架構 內容概要 研究重點
第一章 緒論
1. 研究動機與目的之確立 2. 訂定研究範圍與內容 3. 確認研究方法與流程
研擬本研究之架構，以期可掌握 本研究之重點與研究方向。
第二章 文獻回顧
1. 自然通風原理及形式 2. 自然通風設計工具 3. 相關研究摘要，包括通風
整理國內外關於自然通風之原理 與形式，分析通風評估因子之量 測方式，以作為本研究之理論基 建
築 物 形 式
公共集會類 商業類
工業、倉儲類 休閒、文教類 宗教、殯葬類
衛生、福利、
更生類
辦公、服務類
住宿類 危險物品類
宿舍安養 住宅 高層建築
低層建築
註： 為本研究之探討範圍
表1.1 研究內容架構說明(續) 第二章
文獻回顧
評估因子、自然通風與室 內環境品質之關係等
礎。
第三章
計 算 流 體 力學
1. 計算流體力學發展 2. 計算流體力學理論介紹 3. 計算流體力學應用及操作 4. 模擬方法及基本設定
1. 藉由計算流體力學之介紹與 理論等之分析，整理出其應 用方式、自然通風換氣的物 理機制與應用限制，以及日 後本研究在操作上之方法與 注意事項。
2. 透過不同風速、風向、樓層 高度與室內熱源，進行模擬 與設定，並說明數值模型的 空間邊界與設定條件以及計 算與操作模式。
第四章 數據分析
1. 不同風速之影響 2. 不同風向之探討 3. 風力與熱浮力分析 4. 小結
建構在通風效果評估因子下，分 析在不同影響變因與評估項目下 其自然通風之效果與影響。
第五章
結 論 與 建 議
1. 結論 2. 建議
總結本研究各階段之結果，以提 供建築設計最初階段考量自然通 風之參考，並提出建議以作為日 後研究方向之參考。
1.3 研究方法與流程
本研究擬以CFD 計算流體力學進行自然通風形式中單面通風之模 擬，並針對不同的模擬因子進行速度場分析、溫度場分析以及壓力場 分析，以下分述本研究之研究方法與流程：
1.3.1 研究方法
本研究在研究的過程中，主要方法著重於文獻回顧、電腦模擬與 數學模型，以下分述之：
一、文獻回顧
本研究擬整理相關通風換氣之相關理論基礎與影響因子分析，以 作為日後邊界與初始條件等研究內容設定之基礎依據。並彙整自然通 風換氣的物理機制與應用限制，確保本研究日後之操作方法。
二、電腦模擬－計算流體力學(CFD)
自然通風除了需要了解風的特性、通風計畫與地域性之氣候狀況 後，仍然必須藉著實驗的方式方能充份掌握通風模式、風向、風速及 換氣量之關係，同時亦可經由實驗達到驗證之目的，現代由於電腦的 發達，促使電腦模擬解析，已經廣為各領域所使用。CFD(Computational Fluid Dynamics)亦即計算流體力學，一般而言，CFD 廣泛的用於預測 建築物內部以及週遭之氣流、溫度以及濃度之分布[4]。
因此，本研究擬透過CFD 之模擬與計算，分析出在自然通風下單 面通風對於室內通風換氣之效果評估與影響分析。
三、資料分析－數學模型
根據CFD 所得之數據，以數學模型分析計算通風效能，並將眾多 結果以無因次方法簡化為可能於設計階段參考之圖表。
1.3.2 研究流程
圖 1.5 研究流程圖 研究動機與目的
研究範圍與內容
文獻回顧
1. 自然通風原理與形式 2. 自然通風設計工具
3. 自然通風與室內環境品質之關係 4. 通風之評價方式
CFD 數值模擬
CFD 數值模擬
1. 模擬項目 2. 基本設定 3. 模擬範圍界定
CFD 數值模擬介紹
1. 計算流體力學發展 2. 計算流體力學理論介紹 3. 計算流體力學應用及操作
數據分析
速度場分析、溫度場分析、壓力場分析
評估項 目選定
不同影響 因子選定
不同風速 不同風向 室內熱源
結論與建議
第一章 緒論
第二章 文獻回顧
第三章 計算流 體力學
第四章 數據分析
第五章 結論與建議
1.4 研究限制
在研究上，往往會因為在進行電腦模擬或是數值資料取得而有所 限制，包括捨去誤差、邊界條件處理以及電腦之資源限制等等，以下 說明：
1. 數值解法是一種離散近似的計算方法，依賴於物理上合理、數學 上適用，適用於在計算機上進行計算的離散的有限數學模型，最 終結果不能提供任何形式的解析表達，只是有限個離散點上的數 值解析，且有一定的計算誤差，所產生的容許誤差是可被接受的。
2. 不像物理模型試驗一開始就能給出流動現象且定性的描述，往往 需要由原體觀測或物理模型試驗提供某些流動參數，且需要對建 立的數學模型進行驗證。
3. 在程序的編制及資料的收集、整理與正確利用上仰賴經驗與技 巧，此外，因數值解析有可能導致計算結果的不真實，且涉及大 量數值運算，因此常需要較高的電腦配備。
第二章 文獻回顧
本研究主要探討單面通風效能，因此，在文獻回顧上，主要探討 自然通風之原理與形式，爾後整理相關研究之摘要，分析自然通風與 室內環境品質之關係以及通風之評價方式，最後，針對自然通風在設 計上主要之實驗方法及工具。以下分述之：
2.1 自然通風原理及形式
通風(ventilation)可分為自然通風與機械通風兩種。機械通風設備 (如冷氣機)之使用，通常為基於滿足熱舒適的需求，但自 1973 年能源 危機以來，為求能源的節約，增加了建築物之氣密性，並減少建築物 之通風換氣量，致使室內空氣品質日漸惡化。基於能源節約及健康的 觀點，應減少對機械通風的依賴，積極運用自然通風方式使室內外空 氣交換，用以改善室內空氣品質。
自然通風可定義為：經由通風口如門、窗等，由於室內外壓力梯 度所產生之室內外空氣交換[5]，而其主要功能在於藉由移除或稀釋室 內污染源以提供可接受的空氣品質[6]。以下分別說明通風原理與通風 形式：
2.1.1 自然通風原理
自然通風主要是利用自然的物理現象，利用室內外溫度差或室外 風壓等方式達到通風換氣的效果，在進行換氣的同時，除可維持室內 基本換氣率，亦可維持或是提升室內趨勢熱環境之舒適度。相較於機 械通風，自然通風系統較易維護，且不需昂貴之費用。其原理包括利 用溫度差、風力以及混合的方式進行換氣，以下說明之：
一、重力(溫度差)換氣：
重力換氣之基本原理乃建築物的室內外有溫度差的話，隨著空氣 的密度差產生浮力而引起壓力差進而進行換氣(如圖 2.1)，室內溫度與 室外溫度相比較時，室內屬高溫側，所以室內的空氣較輕，室外的空 氣較重，因此室外的重空氣就會從房間的下方進入，而室內的輕空氣 就會由房間的上方往外洩出，以達到換氣的效果。反之，則由房間的 上方進入外氣，由房間的下方將外氣排出。
室內溫度>室外溫度 室內溫度<室外溫度
圖 2.1 重力(溫度差)換氣示意圖
二、風力換氣：
風吹在建築物上時，通常在迎風面會形成正壓力，但是在背風面、
側面則產生相對負壓，因此產生了室內壓與兩側外部空氣之間的壓力 差，而風力換氣即是利用此原理進行換氣(圖 2.2)。一般而言，風力換 氣必須要有出風口與進風口，此時最好是取風壓係數差值大的位置來 設開口會較有效[7]。因此，風力換氣必須一定要在有風的情況下才會 發生，如果需要求得更準確的風壓係數，則可利用風洞實驗或計算流 體力學(CFD)進行計算。一般而言，風速越大，則風力換氣量亦越大。
圖 2.2 風力換氣示意圖
三、混合(重力與風力)換氣：
利用自然風的自然換氣，由於受到自然風變動之影響，所以無法 維持一定的換氣量，且如果無風的狀態時，便只能依靠溫度差來進行 換氣，而一般之建築物則會同時受到溫度差與風力之影響，因此，採 用混合(重力與風力)之換氣方式，則更可以有效的達到換氣量。但由於 重力(溫度差)之換氣會持續進行，而風力換氣則僅在有風的時候發生，
若兩者同時作用時需考慮兩者換氣路徑之配合，若兩者的路徑相反，
換氣效果則會因壓力相抵而減少(圖 2.3)。
路徑相同：疊加 路徑相反：抵消
圖 2.3 混合(重力與風力)換氣示意圖
2.1.2 自然通風形式
依照上述自然通風的原理，其通風的形式可概分為：單面、穿越 式、浮力式通風三種，以下說明：
一、單面通風(single-sided ventilation)
利用空氣的壓力差及溫度差由單一開口進行室內空間的換氣(圖 2.4)，皆屬單面通風，此類之通風形式為最常見亦為最難確保換氣量之 形式。
圖 2.4 單面通風示意圖
二、穿越式通風(cross ventilation)
利用建築物迎風面與背風面兩者的壓力差所促成。建築物外部風 壓可能為正壓或負壓(吸力)，其大小分佈視建築外軀殼而定(圖 2.5)。
圖 2.5 穿越式通風示意圖 三、浮力通風(stack ventilation)
浮力通風又稱「煙囪效應」，利用熱空氣上升、冷空氣下降之熱浮 力原理設計通風路徑，並配合上下的開口，熱空氣由上方的開口排出，
冷空氣由下方的開口進入，進行室內空間的換氣(圖 2.6)。
+ －
+
－
圖 2.6 浮力通風示意圖
2.2 自然通風設計工具
對於建築物與風之間複雜的相互影響，在理論基礎不足的情況 下，一般法規多以相當保守之條文加以規定，來符合大多數案例的狀 況。因此對於部分建築物，會形成過於浪費之設計。相反的，這些條 文對於特殊之案例（如高層建築物）便可能不夠安全，而需以個別評 估方式處理（風洞試驗、數值模擬等）。因此，本研究以下便針對各種 不同之實驗方法及工具進行功能之說明：
2.2.1 計算流體力學(CFD)
CFD(Computational Fluid Dynamics)亦即計算流體力學，一般而 言，CFD 廣泛的用於預測建築物內部以及週遭之氣流、溫度以及濃度 之分布[4]。1974 年 Nelson 為第一位將 CFD 模型使用在建築物氣流流 場與傳熱現象之預測，隨著電腦運算效能之提升，直到近年來CFD 運 用在建築物中通風換氣之研究才漸漸受到重視。CFD 計算流體力學為 一門預測流體流動、熱量與質量傳輸、化學反應等科學，藉由數值方 法求解統御方程式可瞭解其相關物理現象[8]。是影響近代流體動力學 發展的重要方法，它以解析流體力學行為的方程式為基礎，突破求解 非線性偏微分方程等數值解法的困難，而建構起模擬實際氣流現象的
具體架構。其模擬所得之氣流現象可和實體足尺實驗所得測值相互比 對，設計品質可藉由數值試驗進行先期評估，大大地縮短了設計時間，
節省設計費用[9]。
近代流體力學於建築流場預測方式經紊流預測模型（Turbulence Model）近似運算，其可進行建築室內外流場之細部狀態解析，藉由 CFD 運算，可作為建築室內外環境及不同學門之分析工具。應用於解 析建築物室內空間流暢、溫度廠與濃度場時，主要應用的述方法是依 據Navier- Stokes 方程組(N.S 方程組)的質量守恆(mass balance)、動量守 恆(momentum balance)與能量守恆(energy balance)方程組[10]。隨著近十 年電腦效能的大幅提昇，應用CFD 計算流體動力學技術之數值模擬，
可運用在建築設計替選方案之評估上。將建築空間與時間中，呈現不 穩定性(unsteady)、不規則性(irregular)、消散性(dissipative)以及擴散性 (diffusive)之紊流（turbulent）特徵的三維流場，運算表現在顯示終端器 上，可確保有效的建築通風，在建築設計中正確反應配置、室內隔間 以及開口位置尺寸之安排，以掌握有效的氣流資訊，包括建築物周邊 以及內部的流場模態以及風壓分布[4]。CFD 之基本程序如下：(1)問題 定義與前處理：定義模擬目標、定義將模擬的區域、設計並且產生格 點；(2)求解執行：設定數值方法、計算並監測求解過程；(3)後處理：
檢查結果、考慮模型的修正。
2.2.2 風洞
風洞實驗源起於航太飛行器之設計與模擬，在經過不斷的研究與 改善後，亦被廣泛的應用在都市風場中，其原理為作一縮小比例之建 築物模型置入風洞中吹，用以模擬實際建築物受風吹襲的情形，並在 試驗段的模型上裝設有許多量測點，可將量測資料送到電腦分析，因
此風洞試驗可量得模型之表面風壓係數、渦漩釋放頻率，若在吹襲風 裡加上一些可視性材料，也可觀察整個流場，目前是了解建築物受風 作用最實際的方法[11]，一般而言，風洞之裝置包括[12]：
一、整流段
自然界之風場極不穩定，所以在進入收縮段前必須加裝整流段，
以使氣流趨於穩定，即增加速度均勻性，將流場擾動減至最少。整流 段包括有蜂巢管與整流細網，用以控制試驗段入口處之流況。蜂巢管 是由許多PVC 管所排列而成，主要目的是在減少外界氣流中的紊流，
減小氣流流動方向上的擾動和渦旋，可將渦流切成更小的渦流。整流 細網共有四層，其功能是將蜂巢管下游的渦流切成更小的渦流，減少 氣流的靜壓擾動及橫向擾動，使其達成低紊流強度之流況。
二、收縮段
收縮段的主要功能在於藉通風斷面的縮小，使得通過之氣流加 速。較小的收縮段需要較大的風扇馬力，且容易產生分離現象，若增 加收縮段，則整流段需按照比例增大，收縮段亦需加長，造價及所需 空間也跟著增加。風洞之收縮段大多由多項式曲線組合而成，良好的 收縮段可進一步的抑制其紊流擾動，達成試驗段內近似均勻的流場。
三、試驗段
試驗段為模型進行試驗之處，可放置阻流板與地表粗糙元素，用 以模擬適當之大氣邊界層。另有試驗轉盤，可輕易地旋轉以改變對模 型之有效風向，且左右側壁安裝大型透明窗，可直接觀測風洞中之流 況。平台可經由電腦操控轉動，其數位式角度計之量測精度可達±0.10。
頂端有一台三軸向之載具天車，可透過數位控制器之操作，在整個實
驗段進行量測。
四、動力段
動力段包括收縮管、風扇及出口擴散管。收縮管由長方形進口縮 成圓形之風扇進口。由於考慮吹入式風洞因風扇運動所產生的螺狀渦 流會影響試驗段氣流的均勻與穩定性，故兩風洞實驗室採吸入式風扇。
圖 2.7 中央大學風洞配置圖 資料來源：[13]
應用在建築環境來說，建築技術規則建築構造篇之風力部分，便 規定「風力大小得依風洞試驗結果計算。一般而言，建築物之高度超 過100 公尺，或風力總橫力大於地震總橫力時，建議進行風洞試驗」。
另外對於環境風場，環境影響評估規定除煙囪外有70 公尺以上之高層 結構體，應予預測及評估其對風場之負面影響；台北市綜合設計公共 開放空間設置及管理維護要點也規定，建築物高度超過60 公尺，應做 風洞效應評估。
2.2.3 數學模型
為能在建築規劃設計階段將自然通風設計系統納入考量，並能初 步得到自然通風效果的量化數據，因此，利用數學模型分析是最常被 應用的方式，因為具有可信且穩定的數學基礎。在建築設計中考量自
然通風之基礎資料尚不健全，在如此缺乏足夠資訊難以作出正確之經 驗判斷時，數學模型則是可行的科學工具用來預測建築物開口部自然 通風效果之工具[4]。
2.3 相關研究摘要
單面通風之效能分析，除了從自然通風之原理及形式整理出自然 通風的可能發生方法與驅動力之比較外，還可從自然通風設計工具中 探討模擬自然通風的可行性與分析。本研究擬在最後進行之數據分析 包括：速度場、溫度場、以及壓力場分析，因此，以下分別從「室內 污染物影響因子」、「自然通風與室內環境品質之關係」以及「通風之 評價方式」進行說明：
2.3.1 自然通風與室內環境品質之關係
近年來隨著住宅的高隔熱及高氣密趨勢，室內空氣污染引發的健 康危害儼然變成社會問題，通風換氣的重要性也日趨增加[14]。換氣的 目的是以無感氣流來更換室內空氣，而通風則是針對吹向室內人員的 體感氣流作計畫，促進身體產熱排放，使室內氣候維持在舒暢的程[7]。
建築物室內通風換氣的目的，在於使得建築空間中使用的人員或 是運轉的機器能夠得到最適宜的環境，以維護其健康或是發揮其最大 運轉效能。因此非空調型的建築物，最常運用自然通風換氣的方式，
改變室內空氣的溫、溼度、氣流分布及改善通風路徑，以確保該空間 使用時的舒適性之目的[11]。
一、通風換氣評估指標
建築物室內常運用自然通風換氣的方式或是機械設備的方式藉以
改變室內空氣品質，確保居室內使用者之健康、安全，以達到舒適的 範圍。一般而言，室內通風換氣之影響因素包括：形成的性質不同、
影響項目之不同、空間範圍不同以及控制策略不同而有所差異[15]。其 目的在於排除室內污染物以達到健康之空氣品質、改變室內空氣溫度 與溼度以達到舒適之生活環境。
評估室內通風換氣的指標包括：換氣量、換氣率、空氣齡指標以 及空氣交換率…等等[10]。GBC2000 評估手冊強調「通風」和「新鮮 外氣進入」對空氣品質的重要性，本研究以自然通風為主要切入點，
探討自然通風對建築物室內空氣品質之影響。而鄭懋雄(2000)提及居室 品質會受到空氣污染物的影響，主要的影響因子包括：1.污染物、2.通 風量(包括換氣量及換氣率)。室內污染物的種類很多，包括室內人體活 動生成的 CO2、建材等，尤其當室內沒有燃燒狀況的時候，而室內空 氣的汙染物濃度的高低可以從污染物的「產生」與「移除」來探討，
而本研究主要探討通風換氣的方式稀釋空氣污染物，因此，空氣污染 源的特性與通風效果為主要影響污染物濃度高低的因素[16]。由表 2.1 可知「人體代謝」變成為 CO2 增加量唯一的來源：
表 2.1 室內 CO2濃度之影響因子
一般污染物 指標性污染物CO2
人體代謝強度(S) 污染源強渡
人體活動強度(met)
污染源個數 人員數(n)
污染源變動性 人員流動率(DF)
資料來源：[16]
由式2.1 可得知室內污染物濃度高低的因子包括：污染源強度(S)、
人員數(n)、流動百分比(DF)、人員活動強度(met)、混合係數(k)、通風 量(Q)[16]：
0 0
ss
i, k*q
) Sn(DF)(met C
- C
C= = Δ
( 2.1)
ΔC：室內與室外CO2 濃度最大值之差值(ppm)
S：污染源強度(m3/sec)，即人體於 1met 時之 CO2 產生率 n：人員數(人)
DF：流動百分比率(%) met：人員活動強度(met)1 k：混合係數(k=0~1.0) q0：引入外氣量
而由ASHRAE 62-199 估算每人所需要的通風量值，設定人員活動 程度為 1.2met 以估算 CO2 產生量，但事實上由人體新陳代謝所產生的 CO2 發生量會因為人體特徵的差異而改變，主要變數為性別與活動行 為，一般而言，女性的代謝量為男性的0.85 倍，而站姿的代謝量(1.4met) 為坐姿(1.2met)的 1.167 倍[17]，因此污染源強度修正如式 2.2、式 2.3：
性別加權係數： 總人數
女子數
男子數 0.85)
( + ×
α =
(2.2) 活動強度加權係數：
總人數 站姿人數
坐姿人數+ ×1.167
β =
(2.3)
二、通風量
「通風量」是指「新鮮空氣交換量」的多寡，其評估可分為：換 氣量(Q)、換氣率(ACH)兩種，以下分述之：
1 又稱為「能量代謝量」，為國際性的作業強弱的標準，其計算公式為：met=作業時的能量代謝量
／安靜坐著時的能量代謝量(簡裕榮等譯，2004)，依照作業程度不同會產生不同的能量代謝率，可 參照本研究表2。
1. 換氣量(Q)
換氣量可定義為每秒置換的氣流體積，每單位樓地板面積所置換 的氣流體積，其物理單位為：m3/s；m3/h[18]。
由於人體因不同的作業程度，會產生不同的工作和熱能量(如表 2.2)，這時候氧氣的消耗量便會依照作業強度而有所不同，例如在粗 重作業情況下，其氧氣之消耗量達 67(1/h‧人)，若假設氧氣濃度就 算從普通的 21%降至 19%也不會產生障礙的情況之下，在此作業情 況下所需要的換氣量(Q)為：
0.19 3.35 - 0.21
0.067
Q= =
(m3/h‧人) ( 2.4)
若從 CO2 之容許限度來探討所需的換氣量，一般而言，長期滯 留用之 CO2 容許濃度為 0.07%(700ppm)，短期滯留用之 CO2 容許濃 度為0.1%(1000ppm)[14]，亦即 CO2 的容許濃度應在 1000ppm 以下，
在人數較多或停留較久的空間則應降至 700ppm 以下[19]。其換氣量 (Q)為：
K Po) -
Q(Pi = ( 2.5)
Po - Pi Q= K
( 2.6) Q：換氣量(m3/h)
K：CO2 產生量(m3/h)依照不同的作業程度不同，CO2 的產生量 也會不同；Pi：室內 CO2 容許濃度(m3/ m3*air)可分成長期或是短期 滯留用；Po：室外空氣 CO2 濃度(m3/ m3*air)。
表 2.2 不同作業程度下不同的人體 O2消耗量與CO2產生量
作業程度 適用例 能量代謝率
(Met)
O2
消耗量
CO2
產生量
躺在床上、休息 劇場中、小學 1.0 17 15
坐在椅子上、非常輕 鬆的作業
高中 1.1 20 18
辦公作業 辦公室、飯店、大學 1.2 21 20
輕鬆的站立、步行作 業
銀行、百貨公司
1.4 25 23
簡單的工作台作業 工廠 2.0 35 33
粗重作業 工廠、保齡球 3.7 67 64
資料來源：[14]
如下表 2.3 所示，換氣量依建築之種類及目的，其要求不一，如 在保健上或衛生上，有著特別需要，有著則較次要。
表 2.3 用途別換氣次數
一般通風換氣率
每小時換氣次數 換氣一次時間(分鐘) 房屋
種類 低 高 慢 快
住宅 1 6 60 10
辦公室 2 30 30 2
會議室 4 30 15 2
休息室 3 10 20 6
醫院 2 15 30 4
化驗室 6 30 10 2
餐廳廚房 10 60 6 1
走廊 1 10 60 6
浴室 10 30 6 2
資料來源：[20]
不同的通風原理亦會產生不同的換氣量與計算方式：
(1)重力(溫度差)換氣 2
空氣會流動是因為有壓力差(氣壓差)的關係，中間壓力差為 0 的地方則稱為中性帶。若假設開口部的內外壓力差為△P(kg/m2)， 通過開口部大小 A 的空氣量為 Q(m3/s)：
ρ α ρ
α = Δ
= 2
A AV
Q t
(2.7) Q：流量(m3/s)
α ：流量係數
A：開口部面積大小 Vt：理論流速(m/s)
ρ
Δ ：開口部前後之壓力差(Pa) ρ：空氣的密度(kg/m3)
如 果 室 內 空 氣 的 密 度 是 ri(kg/m3) ， 室 外 空 氣 的 密 度 為 ro(kg/m3)，室溫比外溫高(ri< ro)，與中性帶之距離 h(m)點的壓力差 為△Pg：
ri)h - (ro Pg=
Δ ( 2.8) 此時若把式2-13 帶入式 2-12，可以導出重力換氣 Q(m3/s)公式 為：
ri) - roh(ro A 2g
Qb =α
( 2.9) 而因為空氣的密度與絕對溫度呈反比，所以當室內外的氣溫為 ti( )℃ 、to( )℃ 時，其換氣量公式為：
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
+
= +
ti 273
to -273 1 2gh A Qb α
(2.10) 亦即如果室內外的溫度差越大或是中性帶的高度差(h)越大，則
2 簡裕榮等譯，2004
自然換氣量就越大，而且會隨著開口部面積成正比的增加[7]。
(2)風力換氣
在僅考慮風力為自然通風的驅動力時，室內外壓力差(ΔP)受到 外氣風速(UE)、風向以及建築量體幾何形狀之影響，對於已知的建 築環境與風向條件下，ΔP與 UE2 具有比例關係，一般常以ΔCp來 表示[4]：
2 E EU
P Cp 2
ρ
≡ Δ Δ
( 2.11) ΔCp：風壓係數
ΔP：室內外平均壓力差 ρ ：外氣空氣密度 E
UE：外氣風速
其換氣量可由式求得：
Cp
* U
*
*A C
QW = D W E Δ (2.12) QW：風力換氣量
CD：開口部的流量係數 AW：實際通風開口面積 UE：外氣風速
ΔCp：風壓係數
(3)混合(重力與風力)換氣[4]
建築物在正常的狀態下，會同時受到風力與重力(溫度差)之影 響，因此，開口部的氣流流向受到迎風面與背風面以及高度位置之 室內外壓力差的影響，當迎風面開口高度(Z1)低於背風面開口高度
(Z2)時，其風力換氣量(Qw)與重力換氣量(Qb)會產生疊加的效果，
其整體通風量(Qt)為：
2 b 2 W
t Q Q
Q = + (2.13) 當迎風面開口高度(Z1)高於背風面開口高度(Z2)時，其風力換 氣量(Qw)與重力換氣量(Qb)會產生抵銷的效果，其整體通風量(Qt) 為：
2 b 2 W
t Q -Q
Q = ( 2.14) 2. 換氣率(Air Change Rate ACH)
換氣率為存在於室內的空氣如何有效的被通風系統所供應的新 鮮外氣加以取代的量測，亦即每小時外氣量置換於該空間容積量的次 數，其物理單位為：m3 h‧ -1[16]。
換氣量除以室內容積所得的值叫做換氣次數(換氣率)，所謂換氣 次數可表示室內空氣於單位時間內置換的量，其定義為每小時置換相 當多少室內體積的空氣量，亦即每小時外氣量置換相當於該空間容積 量的次數，若採用自然換氣時，其換氣量大略與房間的大小成正比 [7]。
V n= Q
( 2.15) n：換氣次數(次/h)
Q：換氣量(m3/h)
V：室內體積/容積(m3)
因自然通風之通風量測較難掌握，因此，常利用「追蹤氣體量測 技術」即可測得整體建築於日常使用之換氣狀況，可將室內氣流與通 風狀況描述清晰，一般應用的氣體包括：CO2、C2H4、SF6 等。
t f) lnC(
- s) N lnC(
= τ Δ τ
( 2.16)
N：換氣次數(次/h)
s)
C(τ ：時間為τs時的追蹤氣體初始濃度(m3/m3) f)
C(τ ：時間為τf 時的追蹤氣體濃度(m3/m3)
Δt：實測初始時間~實測結束時間
由追蹤氣體量測技術可以測得室內的總換氣率，而將換氣率 (ACH)與室內有效體積(Veff)的乘積，便是通風量總值[16]：
Veff
ACH= Q
( 2.17) 4. 有效通風量(EACH)
通風也能降低有毒物質的累積。由於許多室內建材與家具都會揮 發甲醛、甲苯等化學有毒物質，長期吸入有害身體健康，勢必要讓空 氣維持暢通，才能讓有毒物質不至於持續在室內累積。而其標準也因 空間、季節而不同，通常以每一分鐘的室內體積交換次數為標準，但 因目前設施工程還未定出共通的通風量，被使用的單位有三種：通風 量、通風率與通風次數，其相互關係如下[15]：
(1)通風量(m3/min):每分鐘的空氣交換量(m3) 通風量=通風率(m3/m2 -min)* 室內地面面積
=通風次數(次數/min)* 室內體積(m3)
(2)通風率(m3/m2-min):每分鐘每平方公尺室內面積的空氣交換量 通風率=通風量/室內地面面積
=通風次數*室內高度
(3)通風次數(次/分鐘):每分鐘室內部空氣量交換的次數 通風次數=通風量/室內體積
=通風率/室內高度
以台灣的夏季氣候下，每分鐘為1.2-1.5 次的室內體積交換率。
美國室內施工標準原來為 0.7-1.0 次/分鐘的交換率，而由於其南部 地區室內面積日增，因此室內通風交換率也調整為 0.8-1.6 次/分鐘。
探討有效通風量與室內 CO2 濃度之關係，將有助於釐清室內 整體通風效果：
AEE
* ACH
EACH= ( 2.18) EACH：有效通風量
ACH：換氣率 AEE：空氣交換率
2.3.2 通風之評價方式
目前國內法規在自然通風中皆未考量室內人員密度、也未訂定室 內空氣品質標準等。楊力東(2005)中提到的通風評價項目有三[11]︰
一、通風路徑：
室內通風路徑的評估有助於瞭解通風的整體性效果，惟因各個建 築物之空間形態不同，必須個別做實驗或模擬。由於通風可以讓室內 者產生愉快的感覺，故對於風的進風口、出風口之間的通風路徑有使 其明朗化的必要。通風路徑受到開口的形狀、位置、大小、傢俱等配 置之影響，在定性方面可以加以預測，除非依賴風洞或 CFD，否則在 定量上的預測比較困難。
二、通風量：
開口面積乘以進風口風速為通風量，在夏季時，通風量大固然可 獲得某種程度之通風效果，但在相同風量下，開口部大者（進風口）
之風速卻比開口部小者為低，在室內者可能無法感受到風的存在，且
通風量之計算方法通常以開口部之合成抵抗求其換氣量，此法並不十 分適合用來評估通風效果，因為室內隔間、房間位置、迎風室與背風 室之開窗位置等，均會影響風速。
三、通風率：
室內任意點之風速與外部風速比為通風率，同室內各點之通風率 的平均為室內平均通風率。此法為室內特定場所之通風效果良好之表 示方法，但因房間內各點之風速分布不一，通風評價無法一概而論。
2.3.3 室內空氣通風換氣評估基準
目前台灣有關住居空間室內空氣環境的規定，在「建築技術規則」
中有：建築設計施工篇第 43 條(通風)規定、建築設備第 100 條至第 102 條(機械通風系統及通風量)規定，其條文內容與說明如表 2.4 所示：
表 2.4 建築技術規則有關住居空間室內空氣環境之說明比較
法條 內容 說明
設計施工篇 第43 條
(通風)居室應設置能與戶外空氣直接流 通之窗戶或開口，獲有效之自然通風設 備或機械通風設備，並依下列規定：
一、一般居室……之有效通風面積不得 小於該室樓地板面積百分之五，但 設置符合規定之自然或機械通風設 備者不在此限。……
居室是指供居住、工作、集 會、……使用之房間
建築設備第 100 條
(通則)本規則建築設計施工篇第 43 條規 定之機械通風設備，其構造應依本節規 定
本節規定項目有：通風系統 與通風量，無室內污染物濃 度管制基準
建築設備第 101 條
(通風系統)機械通風系統應依實際情況 採用下列系統：
一、機械通風及機械排風 二、機械送風及自然排風 三、自然送風及機械排風
辦公室歪用之機械通風系 統具溫熱調節功能，故多採 用本條第一、二款通風方式
表2.4 建築技術規則有關住居空間室內空氣環境之說明比較(續)
法條 內容 說明
建築設備第 102 條
(通風量)建築物供各種用途使用之空 間，設置機械通風設備時，通風量不得 小於下表規定：
樓地板面積每平方公尺所需換 氣量(m3/hr)
房間用途
前條一、二款 通風方式
前條三款通風 方式
… … …
臥 室 、 起 居 室… 容 納 人 數 不 多者
8 8
… … …
與美、日兩國法規比較：
1.美國 ASHRAE 62-89，美 人所需換氣量每 100 m2 最多 7 人使用時為 34 m3/hr(20 cfm)
2.日本建築基準法施行令 規定，機械換氣設備有效 換氣量V=20 Af/N，式中 V 為有效換氣量、Af 為 居室樓地板面積、N 為實 際每人所佔面積。超過 10 時則以 10 計算。
3.換算成與我國尺度比較：
(1)ASHRAE 62-89→2.38 m3/hr
(2)日本→2 m3/hr (N=10) (3) 台 灣 →10m3/hr( 與 室 內
人員密度無關) 資料來源：[21]
而針對自然通風之條文則依用途空間之不同，列於「建築技術規 則」設計施工篇第43 條等(詳見下表 2.5)。
表 2.5 自然通風之相關條文
空間用途 自然通風 或其他方案
一般居室、浴室、廁所 窗戶或開口之有效通風面 積≥ 5%該室之 FA
自然通風設備或機械通風 設備
廚房 有效通風開口面積≥ 10%
該室之 FA，且此面積需
≥ 0.8m2
機械通風設備
FA≥ 100m2者應另設排除 油煙設備
戲院、電影院、演藝場、
集會堂之觀眾席
使用爐灶等燃燒設備之鍋 爐間、工作室
有效通風面積≥ 10%該室 之FA
依設備篇規定設置機械通 風設備或局部排器裝置，
而其可將所發生之廢棄物 直接排至戶外
資料來源：[23]
另外，由下表2.6 可得知各居室形態每小時之平均換氣次數，其適 用於無強制換氣裝置之標準狀態下之住宅居室。
表 2.6 標準狀態下住宅居室換氣次數
居室形態 換氣次數(次/時) 備註
居室不開門或窗 0.5 居室一面開門或窗 1 居室二面開門或窗 1.5 居室三面開門或窗 2
入口門廳 2
當開口部加裝窗簾或遮陽板時，
取表中數值之2/3。
若空氣由開口部之半面流入，由 另半面流出，則取表中數值之 1/2。
資料來源：[21]
2.4 小結
好的室內環境品質，必須達到足夠的的換氣量以及換氣率，帶走 室內之污染物，以提升室內人體舒適度與健康，而為了達到此目標，
則必須利用 CFD、風洞實驗、數學模型等，模擬與分析出適當之開口 面積位置、相對位置、通風路路徑，以及開口面積大小。有鑒於此，
本研究主要探討自然通風與建築室內環境品質之關係，並且探討不同 實驗工具與方法之原理與功能。本研究發現，有效的利用自然通風的 方式，可以控制建築室內之環境品質，在進行自然通風的時候，如果 多添加一些設備裝置，便可以提高換氣的效果，例如換氣筒、凸屋頂、
排氣罩…等。如表 2.7 所示，依據不同的通風原理下，可能產生多種的 自然通風形式。
表 2.7 不同自然通風原理所可能採用的自然通風形式
自然通風原理 驅動力 可能之自然通風形式
重力換氣 溫度差 單面通風、穿越式通風、浮力通風
風力換氣 風壓 單面通風、穿越式通風、浮力通風
混合換氣 溫度差、風壓 單面通風、穿越式通風、浮力通風
而通風效果之評估可分為節能性、舒適性與健康性三方面[4]，在 講求健康建築、綠建築、環保之時代，自然通風不但可以減少能源之 消耗，更可促進室內人體之舒適與健康，因此，在建築設計之階段便 須將自然通風考量進去。未來在建築規劃與設計及使用管理層面，確 實有必要調整，促使達到「健康建築」及永續環境經營之目標。
另一方面，在室內物理環境狀態指標 IEI 評估中，對室內音環境、
光環境、溫熱環境、空氣環境、水環境、綠環境、震動環境與電磁環 境，利用專家諮詢與分析層級程序法（AHP method）進行各領域各因 子間的權重分析，求得其相對權重結果；其指標乃依據近年來台灣地 區建築物室內環境之問題點，考量室內人員之健康及舒適性之必要環 境，及有待解決之環境因子所得之客觀結果，歸納出指標項目以及權 重關係，提供設計參考依據。室內物理環境狀態指標IEI 評估項目中，
第一名為空氣環境，佔比率為 0.221[22]，由此可知要評估室內綜合環 境因子優劣，必須先以空氣環境優先分析探討，所以本研究的環境因 子評估指標以空氣環境為主，並以換氣量做為室內空氣環境評估原則。
0.155 0.125
0.159 0.221
0.05 0.070.054
0.103
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
室內綜合環鏡因子
音環境 光環境 溫熱環境 空氣環境 水環境 綠環境 震動環境 電磁環境
圖 2.8 室內綜合環境因子指標權重 資料來源：[23]
第三章 計算流體力學
室內空氣品質通常與通風空間內部氣流流況以及污染物分佈有極 大的關聯性，由此可知本研究應屬於流體力學範疇，使用實驗量測雖 能較接近真實狀況，但由於量測技術、縮尺問題及大量經費的需求等 問題在目前並無法完全克服，因此以數值模式進行研究成為了另一種 符合經濟性及實用性的選擇。有鑒於此，本研究以下分別從計算流體 力學之發展、理論、應用及操作進行說明：
3.1 計算流體力學發展
計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，即 CFD)是建立於經 典流體動力學、數值計算方法和計算機技術等基礎上，是研究流體動 力學諸方程的數值解法以及運用數值方法解析流體流動現象，最近 10 年來更是呈現蓬勃發展的趨勢。計算流體動力學利用解析流體力學行 為的方程組，突破了求解非線性偏微分方程的困難，解析出之的氣流 狀態經實驗印證，確立 CFD 數值解析於建築流場分析上之應用性 [24]，其發展趨勢如下表 3.1 所示：
表 3.1 近代計算流體力學的發展
時間 發表者 重要突破
1950 Rotta et al. 在內層、重疊層、外層的觀念上，得出內層紊流黏性係 數的表示式
1967 Chorin 求解用速度、壓力等作參數變量的原參數Navior-Stokes 方程
1968 Magnus et al. 用時間推進法解超臨界有激波機翼繞流流場的尤拉方 程組
1969 MacCormack 提出求解可壓縮 N. S.方程組的有限差分格式 1969 Nee-Kavasznay 把混合長度的渦漩概念推廣為渦漩輸送模型 1970 Lee et al. 提出紊流剪應力與動能的關係
1970 Deardorff 用大渦漩模擬的方法直接求解 Navior-Stokes 方程 1971 Bailey, Steger 計算了繞三維機翼和翼柱組合體的跨音流場
表3.1 近代計算流體力學的發展(續)
時間 發表者 重要突破
1973 Jameson 用全位勢方程求解跨音流場
1974 Beam et al. 用小擾動勢方程和歐拉方程兩求解方法研究非定常跨 音流場
1975 Warming et al. 提出求解守恆雙曲型歐拉方程的隱式近似因子分析法
（AF）
1977 Steger 提出用AF 法解薄層方程 資料來源：[25]
3.2 計算流體力學理論介紹
CFD 伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展而發展起來的一種
「虛擬實驗」技術，用以模擬仿真實際的流體流動情況。其基本原理 則是數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續 區域上的離散分佈，從而近似模擬流體流動情況，是現代模擬仿真技 術的一種，且具有成本低、速度快、資料完備和可模擬各種環境狀況 的獨特的優點。自 1974 年丹麥的 Nielsen 首次將 CFD 用於建築空調 工程領域，使得在建築熱環境研究中的運用日益廣泛，尤以美國、歐 洲、日本在相關方面的基礎和應用研究開展較為深入。其中，研究通 風與空氣品質的相關模式（如表 3.2），大略可分為二種類別，其一為 統計模式(statistical models)，另一種為定率模式(deterministic models)。
表 3.2 通風與空氣品質研究模式比較表
模式 說明 優點 缺點
統計 模式
1. 運用機率與統計方法對實 驗數據進行分析
2. 透過描述所欲探討問題的 相似系統行為，以廣泛運用 於類似問題的解決
3. 通常需要大量的資料以提 供分析預測
提供定性分析，預 測 空 氣 品 質 在 物 理 上 以 及 化 學 上 的趨勢
無 法 對 通 風 之 細 部流況加以描述
表3.2 通風與空氣品質研究模式比較表(續)
模式 說明 優點 缺點
定率 模式
1. 以質量守衡的觀點描述氣流及 污染物的運動
2. 需有相關的氣候條件以及污染 物的排放形式。
3. 可概分為幾種，如高斯煙流擴 散模式、區間模式及CFD 數值 模擬等
使用方便 無 法 詳 細 描 述 流 場 及 濃 度 分 佈 情 形
紊流流動是自然界最常見的流動現象，總體而言，目前紊流數值 模擬方法可以分為：直接數值模擬方法、非直接數值模擬方法兩大類。
所謂直接數值模擬方法是指直接求解瞬時紊流控式方程。而非直接數 值模擬方法就是不直接計算紊流的特性，而是設法對紊流做某種程度 的近似和簡化處理。其中，Reynolds 平均法是目前使用最為廣泛的數 值模擬方法，因此本研究以 Reynolds 平均法(RANS)進行通風數值模 擬，雖此法具有捨去誤差、邊界條件處理以及計算機之資源限制等問 題[26]，但其優點為具處理多種不同邊界條件及解析通風空間中細部流 況及濃度分佈等能力，因此使用此法最能符合本研究所探討的問題的 需求(如圖 3.1)。Reynolds 平均法中，渦黏模型不直接處理 Reynolds 應 力項，而是引入紊流黏度(turbulent aiscosity)，然後把紊流應力表示成 紊流黏度的函數，整個計算的關鍵在於確定這種紊流黏度。
圖 3.1 三維紊流數值模擬方法與相對應紊流模型圖
3.3 計算流體力學應用及操作
對於計算流體力學應用於建築物通風效能可從通風空間內部流場 及濃度場的數值研究2 部分進行說明：
一、流場數值研究部分
Okushima 等(1989)最早將 CFD 方法使用於建築物的通風研究，並 將模擬結果與Sase et al. (1984)做比較; Short et al. (1996)使用 CFD 預 測雙複合式(double-poly)溫室建築; Mistriotis et al. (1997)為探討不同尺 度下溫室建築通風效果的差異，而使用CFD 模式進行地中海型溫室建 築(Mediterranean-type greenhouse)之風場模擬; Kacira et al. (1998)模擬 在自然通風下，多跨度鋸齒型建築物因開窗方式不同，對於空氣交換 率之影響; Ayad (1999)、Woodruff (1997)及 Lee et al. (1998)皆曾使用 CFD 方法針對各種不同形式的自然通風建築進行模擬，並得到良好的 結果。
紊 流 數 值 模 擬 方 法
直接數值模 擬(DNS)
非直接數值 模擬
大渦模擬方 法(LES) Reynolds 平 均法(RANS)
統計平均
Reynolds 應 力模型
渦黏模型
零次方 程模型
一次方 程模型
兩次方 程模型
標準k-ε 模型
RNG k-ε模型
Realizable k-ε模型
其他兩次方程模型
