行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
開放式主被動複合熱環境控制實驗與實驗系統建置--子記 畫二：地中管系統於開放性實體建築熱環境控制之應用
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 97-2221-E-011-119-
執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學建築系
計 畫 主 持 人 ： 李孟杰
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：于佑嘉
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 98 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
開放式主被動複合熱環境控制實驗與實驗系統建置
子記畫二：地中管系統於開放性實體建築熱環境控制之應用
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 97-2221-E-011 -119 –
執行期間： 97 年 08 月 01 日 至 98 年 07 月 31 日 計畫主持人：李孟杰 博士
共同主持人：
計畫參與人員：于佑嘉
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告□完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學建築系
中 華 民 國 9 8 年 0 8 月 3 1 日
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
（一） 計畫中文摘要。（五百字以內）
本研究以探討地中管構法為出發，探討地能對於建築熱環境之影響以及與其 他被動式環控系統整合之效益評估。將對象鎖定於開放式建築實驗平台統整系統 之建構，而以台灣建築科技中心「熱控實驗平台」為例。透過文獻內容之探討與 現地土溫實測，分析適合台灣氣候之地中管系統。另外針對室內熱環境舒適性進 行調查，藉由PMV 指標驗證，評估室內舒適溫度，作為評估地中管系統之節能效 益評估。依據文獻及模擬計算結果，提出在台灣熱濕氣候條件下應用的可行性與 配合方式，並建立出熱濕氣候條件的基礎溫度資訊。
關鍵字：地中管構法、現地土溫量測、室內熱環境舒適、熱濕氣候、基礎溫度資訊
（二） 計畫英文摘要。（五百字以內）
This study focuses at the underground pipe system construct and energy efficiency while integrating with other passive thermal environmental control methods inner house.
The objective is an experimental open building, Taiwan Building Technical Research Center, and the research topic is interior cooling source from the earth. Analyze rational underground pipe system with Taiwan climate condition via literature review and ground temperature measurement. Besides, we also focus on indoor thermal comfort measurement to understand the comfort temperature by PMV stander, and to evaluate the energy saving efficiency. Based on literature review and simulation, we submit the feasibility of application and establish a basis temperature data for using underground source in hot-wet climate conditions.
Keywords: underground pipe system, underground temperature survey, indoor thermal
comfort, hot-wet climate, basis temperature data報告內容
一、究動機與目的
地球受到太陽的照射以及本體的結構含有一 定的溫度與能量[1]。大地由於覆蓋含有孔隙與水 分的土壤，在一定的深度後，能有效的隔絕因氣 候變化所產生地表氣溫，而保持一個穩定的溫 度，許多國家開始重新思考該法的應用，對於非 坡地或2層樓以上的建築，無法直接使用深厚的 土層，而利用地中管構法，通以流體為媒介與大 地進行熱交換，平衡或調節地表建築內的冷空氣 或熱空氣，進而達到建築內的溫度舒適度，並且 省去大量的空調能源。
目前運用地溫最為廣泛的，是溫帶與寒帶國 家的暖房系統，就英國的研究顯示，運用地溫可 省去約75%的空調耗能[2]。法國約省去60%的空調 耗能[3]。日本的垂直管系統更省去約78%的耗能
[4]。而亞熱帶或熱帶的國家，則因為平均氣溫較 高，轉而使用為冷房系統，就中國南方的廣州，
利用地冷系統的冷房能量，一天能達74.6kWh[5]。 而印度的研究顯示，利用地中管系統在冬天省去 約60%的暖房耗能、夏天省去約25%的冷房耗能
[6]；另外也有印度學者針對無空調的建築進行地 冷交換的使用，其結果顯示利用80米長的通氣管 進行地冷交換，可以維持夏季氣溫在室外最高為 35℃時的室內溫度在27.65℃，獲得約19kW的日 平均冷房效益[7]。
不論何種氣候條件之許多國家，皆有相關的 地中管研究或是設置，從文獻中可知，地中管作 為冷源或預冷系統的使用，能有效的節省能源，
更重要的是減少對環境的熱排放，降低都市熱島 效應或是影響為氣候。
根據上述不同氣候條件地區的節能效益來 看，台灣所屬的熱帶及亞熱帶氣候，採用地冷系 統來節省冷凍空調的能源損耗，在建築節能的應 用上，與同是熱帶或亞熱帶地區的印度與廣州相 似，應該會有不錯的效益。但由於台灣的氣候條 件為熱濕型氣候，與其他同是熱帶國家氣候的最
大差異是濕度的影響。而地中管系統有開放式與 封閉式二種與通水或通氣等不同溫傳媒介之差 異，不同的溫傳媒介會有不同的適應性問題，此 探討將是本研究針對台灣氣候差異之適用型式 的評估重點。
由於不同的地中管系統，會有不同的適應條 件，如廣被使用的通氣法，在相對濕度較高的台 灣，較易產生結露的現象，而造成管內空氣中含 有霉菌或其他細菌孳生的衛生問題；而通水法則 會因為地下水層位置的高低或循環熱交換盤管 的長度，造成輸送能源的消耗。因此本研究希望 針對目前廣為各國所使用的地溫冷媒—水與空 氣進行相關性的探討，尋找出適合台灣使用的地 中管與建築結合之相關配置、構法以及性能。
二、 方法與步驟
本研究之主要目的為瞭解台灣建築應 用地源系統之可行性。因此首先針對國外已 進行的相關研究進行分析，歸納出適合台灣 熱濕氣候的系統構法與配套措施。之後實測 台灣熱濕氣候的土壤溫度變化、調查台灣室 內舒適的熱環境、再尋找地中管媒介與整合 構造性能的最適化。
由於台灣的熱濕型氣候條件與建築型 態，直接引用國外的地中管構法，可能會因 為氣候因素、土壤條件或使用習慣，產生相 對應的衛生問題、設備問題或是多餘的耗 能。因此本研究必須尋找出適合台灣熱濕氣 候整年度的土溫變化情況，利用所欲興建的 開放式建築物之地質鑽探孔，埋入溫度感測 器，進行長時間的地溫量測以及相對應的地 表溫度變化。之後調查台灣室內舒適的室內 環境溫度，利用 PMV 指標來分析舒適的熱 環境。最後再將長時量測之土溫與室內舒適 溫度對比對分析，尋找出適合的地中管媒介 與合適的整合系統構造（開放式、封閉式或
是複合式），分析出各種不同的整合性能，
以評估最適合台灣條件的地冷系統構造。 三、研究步驟與流程
1. 文獻蒐集與彙整：蒐集彙整地中管理論、計 算模型、解析軟體與實作案例資料，歸納地 中管系統之類型及其所搭配之熱控系統。
2. 地中管構法計畫：蒐集彙整地中管有關埋設 深度、管徑、管材、盤管模式、風扇組構、
結露水排出、進出風口與結構、構造及其他 設備界面等構法資訊。
3. 地溫監測：在基地範圍內鑽鑿地質鑽探井，
埋設地溫量測套管與儀器進入大地裡，以一 整年的時間，實測淺層土壤各種深度之溫度 分佈與變化，並取樣土壤，化驗其成分，以 獲取相關土壤特性條件。
4. 室內舒適熱環境分析：根據相關理論，進行 現地量測與使用者調查回饋，分析出適合台 灣氣候條件的舒適熱環境。
5. 地源系統適用性分析：根據所分析的舒適熱 環境，比對土壤溫度與舒適熱環境的溫度差 異值，分析地中管的冷房或暖房效益，作為 日後地中管系統本土化設計之參考。
研究開始
文獻蒐集與匯整
地溫整年監測
地中管構法計畫
建構熱交換模擬模型 選擇地中管類型
地中管構成設計 選擇最佳化配合模式
提出地中管於熱濕氣候之適用性與未來性
研究結束 室內舒適度分析
圖1 研究流程及工作架構
四、地中管系統構法計畫 1.開放型系統
通氣式的開放系統是將周圍空氣通過地中 管後，經過與土壤的熱交換，使之與原來的環境 溫度產生溫差，達到預熱或預冷之目的，如圖 2 所示。通水式的開放系統是如圖 3，是將地中管 垂直通至地下水層，藉由地下水層的開放性，利 用其內水與地下水的交換，使得熱能受地下水的 熱交換而產生溫度差異，進而達到預熱或與冷之 目的。
圖 2 通氣式開放地中管系統[8]
圖 3 通水式開放地中管系統[8]
2.封閉型系統
封閉式系統主要是地中管內的流體媒介僅 在管內循環，藉由與大地的熱交換，產生相對的 冷或熱，達到預冷或預熱之目的，如圖 4。其設 置方式可粗分為水平式（含傾斜式）與垂直式，
水平式是將多數的序列水平管或傾斜管，藉由循 環或連通的方式，埋設在接近土壤恆溫層之處，
藉由恆溫層與表面溫度的差異，以及大量的熱交 換，將管中流體加熱或冷卻。根據文獻[9]指出，
水平循環地中管 35-60m 含有 1kW 的熱容量或冷
容量。而垂直式的封閉系統，主要是將地中管以 垂直方式深入地表下 50-150m 深，僅需使用一個 回路循環的地中管，即能與大地產生熱交換，此 法所需的管材較少，但由於需要深開挖，通常建 置成本較高。由以上可知，若有建築物有足夠的 庭院或週邊土地，則採水平式封閉型系統較為經 濟，但若沒有足夠的庭院或週邊土地，則可利用 建築在深（樁）基礎施工時，進行相關的垂直埋 管工作，可省下日後開挖之成本。
而在密閉水平系統中，其盤管型式亦可分為 二種，分別為單管式與盤管式，如圖 5。單管式 通常較便宜但相對的熱交換量也較少，適合小型 建物使用。可於渠道挖掘或與土方工程一併施 作，可節省更多成本。而盤管式之流體則是依 Tichelmann 定則流動，管材較多成本較高，由於 接合構件太多，且開挖面積極大，因此小型建物 少用，但由於其所能獲得較多的熱交換量，所以 中高層建築或需要大量熱交換之建築常用。
圖 5 水平系統之盤管型式
五、 地溫現地量測
影響地中管系統的因子，本研究大致上將其 分為四個部分，分別為土壤特性、氣候條件、建 築用途與埋管計畫。本研究在此階段，先針對大 氣條件予以監測，並針對建築用途探討所需熱交 換量，下階段再依據需求探討所需的埋管條件，
與訂出埋管計畫。在土壤特性部分，需要掌握土 壤之熱特性(熱導性)、濕度、密度，另外則是掌 握氣候條件的外氣溫度、日射時數。量測地溫之 目的在於瞭解現地可使用之地溫，以作為整體建 築設備導溫使用之基礎。
本研究主要探討地中管系統於開放性實體 建築熱環境控制之應用，而研究對象主要為台灣 建築科技中心之地源冷暖房系統。為能有效應用 該地能，首先必須先瞭解該地之地溫。根據文獻 的分析，一般地溫自表土算起，大約 2m 後即會 有明顯的變化，直到5m 深以後，即產生一恆溫 狀態。因此本研究將依據該些文獻論述，利用 2007 年 5 月在該基地所鑽掘的 2 個直徑為 100mm 之地質鑽探孔，埋設溫度感測器。該監控系統先 設置在一套管內，並依據不同距離，置入溫差感 測器（Thermo-couple）並確保訊號傳送接點之防 水。利用地質鑽探設備，鑽鑿大地至預先設計之 深度後，垂直置入套管，並將所有感測器之訊號 傳輸線匯集至溫度顯示器上，予以紀錄，監控地 溫與地表溫度之變化以及不同深度之地溫變化。
圖 6 鑽鑿孔位置與鄰近基地之關係
基 地 上 目 前 為 混 凝 土 鋪 面 供 停 放 機 車 使 用，二孔之間相距36m，BH-1 與南邊 8m 寬之巷 圖 4
封閉式地中管系統設置圖[8]
弄距離5m；BH-2 緊鄰北邊之坡道（距 1.6m），
坡道最低處與基地差3.5m，如圖 6。所屬地質結 構如圖7，之後台灣建築科技中心將蓋在圖中「新 建築物」區，地下深度約為 6m，因此本研究將 量測地溫的深度將設定至8m，並在每 1m 設置一 個溫度感測器，每一個量測孔共設置8 個地溫感 測器，計16 個。另也在 BH-2 設置一水位計（深 度距地表4.3m），量測地下水位之高低。
根據水位計量測的結果，夏季時的地下水位 較高，約在G.L.-2m 處，而冬季時的地下水位較 低，約在G.L.-4m 處。但長期量測下來發現，在 G.L.-2m 處溫度感測器所量得的溫度差異與氣溫 差異皆低於 0.2℃，且不論地下水位高低，溫度 差異皆不大，因此在後續的地底溫度分析上，將 忽視地下水位的變化。
圖7 測孔相對深度之地質結構圖[10]
根據整年度量測土溫的結果如圖8 所示，在 G.L.-2m 處的溫度最為穩定，約為 24℃左右，其 與地表溫度（0m）則可以看出有明顯的差異。而 越往地底的溫度則又產生變化，此結果可能因為 台北盆地附近有溫泉及火山地質，造成這樣的差 異，不過詳細的原因，還需再多加分析才能確 定。但由此可知，G.L.-2m 的位置埋設地中管系 統，在該基地是最適合的深度。從圖9 也可以清 楚看出外氣溫度在冬季（12-2 月）明顯與土溫有 較大的溫差（氣溫14℃，土溫 24℃，差約 10˚k），
而在夏季則外氣溫度與G.L.-2m 的溫差較小（氣 溫29℃，土溫 24℃，約差 4-5˚k）。由此可知地源 系統，地中管在台灣的使用條件主要可分為夏季
與冬季，用在冬季的效益會比夏季明顯，不過夏 季由於中午期間高溫約至 35℃，與地溫也有約 10˚k 的差異，這部分值得應用於日間的空調系統 節能，如預冷等冷房之節能利用。雖說要完全取 代制冷壓縮機並非目標，但其預冷空氣或作為輔 助冷卻系統的的可行性極高。
12 16 20 24 28 32
0m -1m -2m -3m -4m -5m -6m -7m -8m
土壤深度（m）
溫 度︵
℃︶
2月 4月 6月 8月 10月 12月
圖8 整年度土溫量測圖（0m 表空氣溫度）
12 16 20 24 28 32
8月 9月 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月
月份 溫
度
℃
-1m -2m -3m
-4m -5m -6m
-7m -8m 外氣溫度
圖9 外氣溫度與土溫差異比較圖
綜合整體溫度量測結果，比較BH-1 在晴天 與雨天的差異，發現當外氣溫度變動幅度超過 3
℃時，土溫會呈明顯的變化，且會有時滯效應的 發生；若外氣溫度的變化小於 3℃，則土溫的變 化則不明顯。
六、 室內舒適熱環境分析
地源系統的使用，主要是希望節省室內空調 的耗能，並達到室內的舒適溫度。若掌握土溫的 變化，則能瞭解地中管系統的熱轉換效益，是為 前端分析，而分析室內舒適熱環境則是應用地源 系統的後端考量。本研究針對台灣建築科技中心 所在地附近的教室，進行室內熱環境的評估與分
析。根據ANSI/ASHRAE 55[11]所訂定的公式與標 準進行現地調查，並將所需考量的因素予以分 析，建立出一套量測系統與使用者感知問卷。本 研究則建立出一套整合型的簡易量測設備，可以 直接放在每位受測者的附近，直接量測其所在環 境的實際溫濕度，如圖10。為減少人為疏失，本 問卷利用電子問卷直接進行調查，並利用時間標 記與設備量測的時間標記對應，直接進行比對，
達到縮短時程與降低人為錯誤的優勢，如圖11。
圖10 整合型室內舒適熱環境量測設備
圖 11 室內舒適環境感知電子問卷
現地調查的時間主要在 2009 年的春天與夏 天，針對78 位受測者進行量測與感受問卷評估。
整個問卷的設計依據PMV（Predicted Mean Vote）
概念進行，將感受等級分為七等，並且加入對整 體舒適性的評估，使受測者能直接將感受度予以 回饋，對於室內溫度的舒適性回饋趨勢如圖 12 所示。從圖 12 可以看出在有開冷氣與沒開冷氣 的教室中，受測者的舒適性趨勢會自動調整，當 然這也和著衣量有絕對的關係。
整個熱環境舒適性的分析結果如表1，平均 的舒適溫度為25.1℃，感覺冷或有點冷的平均溫 度為 24.5℃，而感覺有點熱或熱的平均溫度為 28.7℃。
圖12 室內溫度舒適性回饋趨勢
我們將選擇冷及熱的受訪者感受溫度分為 二個族群，分別為 G1 與 G2，並且依據 MUI 與 WONG[12]所提出的舒適溫度公式（公式1）進行 計算與分類，其中感受溫度採 ANSI/ASHRAE 55[11]的標準公式（公式 2），該分析得到如圖 13 的結果。分析由結果發現最舒適的感受溫度為26
℃，此溫度高於平均舒適溫度的25.1℃，這顯示 選擇較冷或較熱的族群 G1 和 G2 總人數少於選 擇舒適的族群人數，該結果可與圖 12 的感受趨 勢比對。
表1 熱環境舒適性分析
熱舒適選項 θ1 選擇者 N 平均感受溫度 (ºC) 標準偏差σ
<0 (冷 cool, 很冷 cold) 24 24.5 1.0
0 (普通，Neutral) 40 25.1 2.0
>0 (熱 warm, 很熱 hot) 14 28.7 1.6
全部 78 25.6 2.3
圖 13 舒適溫度感受分析圖
Top
op i, op i, op op
1 2 i 2i 3 T~ , dT
;
0
; 2
0
; i 1
(1)
Top
~ (℃) 為感知溫度，利用常態分佈方式計算，
其中μ為平均數，σ為標準偏差。
op r a
op
op C T 1 C T
T ;
7 . 0
6 . 0
5 . 0 Cop
;0.6 V 1
6 . 0 V 2 . 0
; 2 . 0 V
;
(2)
根據 ASHRAE 的分法，在屬於夏季群組間的計 算 ， 我 們 設 定 Top,1 = Top,2 = 26 ℃ 亦 即
op
op 2 T
1|T |
，其中 Ta (℃) 為空氣溫度、Tr (℃) 為黑球溫度、Cop為熱傳導與熱輻射的加權值，
其可利用氣流速度 Va (ms-1)推算。
因此從該分析可以瞭解，該地附近的教室內 舒適溫度為26℃，該溫度將是分析地源系統適用 性的主要控制溫度。另外為達舒適性的熱環境，
選擇使用空調者，大約落在 25-26℃左右，而若 沒有空調者，則必須要適當的通風或是提供適當 的風速，才能達到舒適的環境。
七、 地源系統適用性分析
在文獻[13]裡提及G.L.-1.5m 至-2m 間是置放 水平式地源冷暖房系統熱交換器的最適深度。根 據這樣的論述，可知該基地設置水平式系統將是 適合的選擇。管道之埋設深度與方式受基地條件 限制，依案例分析，可分為四種，分別為埋設於 建築物下方、圍繞建築物、建築物外部與整合建 築物使用等。但因為台灣地小人籌，因此必須選
擇埋設於建築物下方、圍繞建築物與整合建築 物，將是較好的方式。
地中管的冷房或暖房效果取決於土壤溫度 及其熱傳導係數，前者主要受到季節、土質、土 壤深度、與熱輻射的影響，後者主要取決於土質 及土壤含水率。根據本研究長時間的量測結果得 知，2m 深的土層能有效提供恆定的土溫，達到 平衡日夜溫差的效果，但是年溫差仍高達 7.5℃
(地表年溫差可達 15℃)。8 月的溫度約 24℃，熱 交換後之空氣則會再高上 2-3℃，對冷房並無具 體的效果，只能成為輔助的系統。
從地中管模擬推算所得到之最佳化舒適度 結果與空氣線圖比對，無法直接達到舒適範圍，
必須藉由 PMV 指標驗證。而驗證結果通常需要提 供適當的風速，才能使室內環境達到舒適，因此 台灣單獨使用地中管較無法直接達到舒適的程 度，必須與其他設備配合使用，才能維持室內舒 適條件。這也是本計畫整合其他系統研究的目的
就本研究初步監測地溫發現：在台北地區約 為24℃，作為冷房的輔助工具而言，可以成為外 氣預冷，或替代冷卻水塔使用。預冷外氣時會使 外氣除能降低外氣溫度外，並可達到除濕的效 果。但必須注意，台灣氣候濕熱，應用地中管系 統將環境空氣降溫後，空氣中的飽和水蒸氣會轉 化成結露水。為避免結露水的影響，需在埋設地 中管處設置洩水坡度、排水設備與清潔檢修口，
以降低霉菌與惡臭之環境健康問題。
另外，若使用地冷送水系統與冷凍機冷卻水 做熱交換來吸收冷卻水的熱量，可顯著提升冷凍 機的運轉效能(COP)，達到節能的目的。從文獻 中可知，地中管作為冷源或預冷系統的使用，能 有效的節省能源，更重要的是減少對環境的熱排 放，降低都市熱島效應或是影響微氣候。但由於 地中管技術為能源密集之高溫冷氣，必須降低室 內熱得，藉由外遮陽系統、外殼屋頂隔熱與適度 的開口設計，將能減少室內熱得與防止室內冷源 散失，達到節能之目的。
八、 結果與討論
1. 根據量測台北市的地溫隨季節與深度遞 增而改變，但在地表深度 2m 左右即達成 一穩定的地溫（夏季降溫、冬季升溫）。
2. 管道之埋設深度與方式受基地條件限 制，依案例分析，可分為四種，分別為 埋設於建築物下方、圍繞建築物、整合 建築物使用與建築物外部等，前三種較 適合都市建築使用。
3. 將地中管模擬所得到之最佳化空氣與濕 氣圖比對結果，無法直接達到舒適範 圍，必須藉由 PMV 指標驗證。而驗證的 結果通常需要提供適當的風速，才能使 室內環境達到舒適，因此台灣單獨使用 地中管較無法直接達到舒適的程度，必 須與其他設備配合使用，才能維持室內 舒適條件。
4. 本土氣候濕熱，應用地中管系統時應注 意環境空氣降溫後，空氣中的飽和水蒸 氣轉化成結露水。為避免結露水的影 響，需在埋設地中管處設置洩水坡度、
排水設備與清潔檢修口，以降低霉菌與 惡臭之環境健康問題。
5. 地中管技術為能源密集之高溫冷氣，必 須降低室內熱得，藉由外遮陽系統、外 殼屋頂隔熱與適度的開口設計，將能減 少室內熱得與防止室內冷源散失，達到 節能之目的。
九、 參考文獻
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[10] 科尚大地技師事務所「國立台灣科技大學建 築科技中心新建工程地質鑽探及基礎分析工 作報告書」。2007
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[12] L.T. Wong, K.W. Mui, N.K. Fong, P.S. Hui, 2007, Bayesian Adaptive Comfort Temperature (BACT) of air-conditioning system in subtropical climate, Building and Environment 42 (5), 1983-1988
[13] Popiel C, Wojtkowiak J, Biernacka B.
Measurements of temperature distribution in ground, Exp Therm Fluid Sci 2001; 25:301-309
十、 計畫成果自評
本計畫原本提出為三年期計畫，然審核後僅 為一年期，因此就整體研究而言，先進行第一年 的基礎資料建置與分析。亦即計畫申請書中第一 年 所 進 行 之 熱 濕 氣 候 的 地 中 管 系 統 適 用 性 評 估，其預期成果有二，分別為1.地溫監測：以瞭 解地溫與地表之差異，並找出恆溫層，作為地中 管熱交換評估之用。2.台灣使用地中管類型與構 法之適用性評估。而後發現除了瞭解地溫外，還 需瞭解之後使用空間的室內熱環境舒適性，因此 本計畫進行了室內熱舒適性的調查與評估，以取 得更完整的資訊。整個研究包含前端的地底溫度 與後端的室內環境舒適溫度，這樣的基礎資訊將 提供之後實際建立地中管系統時的構法與效能 評估基礎。
該研究成果之學術與應用價值在於針對台 北地區基礎地溫的瞭解，在熱濕環境下，若要進 行地中管系統建置時，能有較明確的基礎溫度參 考資料，以便系統設計者做最有效的評估。
由於該階段屬於基礎資料的研究，本研究針 對室內環境熱舒適的部分，已投稿於「第十屆亞 太建築環境國際研討會—綠色能源 (10th Asia Pacific Conference on the Built Environment - Green Energy for Environment)」當中。之後若繼 續進行地中管系統構法建置的研究，將能更具體 的 提 出 適 用 於 熱 濕 環 境 的 地 中 管 系 統 效 益 評 估，發表於學術期刊。
國科會補助專家學者出席國際會議報告
97 年 11 月 20日 報告人姓名：李孟杰
服務機關名稱（請註明系所）及職稱：國立台灣科技大學建築系助理教授
會議名稱：
（中文）第一屆東亞給排水研討會
（英文）1st International Symposium of Plumbing System in East Asia 會議期間：自 97 年 11 月 13 日起至 97 年 11 月 14 日。
會議地點：東京（Tokyo）,日本（Japan）
發表論文題目：
（中文）台灣建築給排水設備現況
（英文）Current Situation of Plumbing System in Taiwan
參加會議經過
大會於十一月十三日假東京瓦斯公司二樓大會議室舉行開幕式，展開為期二天 之研討會，隨後進行專題演講與各國代表演講、一般演講與專題討論。
本次會期邀請韓國慶北大學洪元和與台灣科技大學鄭政利等二位教授進行專題 演講，講題分別為「韓國給排水管線使用普及度與現況」與「來自遺跡的警告—美 洲的永續環境考察」。而各國代表演講分別有八位來自韓國、中國、台灣與日本的八 位專家學者，其中筆者針對「台灣的建築給排水設備現狀」進行報告、分析與討論。
之後的一般演講則由中國與日本的業界代表等七位進行東亞地區建築給排水系統相 關設計與施工之技術報告。最後針對「東亞各國超高層住宅的給排水設備設計法比 較」進行專題討論。除了韓國、日本與中國外，筆者亦代表台灣將目前現況提出報 告並進行該議題之討論。
與會心得
東亞建築給排水國際研討會召開目的，除了將東亞諸國目前的給排水研究成果 發表討論外，最重要的功能就在於國際間重要建築資訊情報的交換與研發技術成果 的交流。今年的主要研討議題中，以東亞諸國給排水現況及未來展望為主軸，探討 目前各國在建築給排水、冷暖房系統、瓦斯系統等新技術及新工法上達到節能、永 續發展的可行性，以及永續經營之研究課題與相關資訊，受到與會各國專家學者與 當地業界的注目與熱烈討論，也隱約透露了當今國際間建築研究發展與技術研發的 趨勢與方向。另外，在新技術的研發成果上，也有不少重要之成果與產品被提出。
同步地保持與各國研究發展趨勢的聯繫交流，以及掌握國際間建築給排水研究領域 未來的動向，並將此訊息帶回國內乃是本次會議最大的收穫。筆者在研究地冷系統 的同時，發現台灣使用地中管作為地冷系統使用時，容易因為地震發生造成管路斷 裂或是接頭損壞之情況，該問題甚為困擾。但在此次研討會的管路技術發展報告中，
發現日本已開發出相對的因應管材，使得台灣使用地中管冷卻系統的可行性大為增
加，這是參加此次研討會的另一個收穫。
而在二天的研討會圓滿閉幕之後，第三天應邀至大會主席坂上恭助教授所服務 之明治大學，觀摩其排水研究實驗設施，並將世界各國目前最新研發的給排水配管 系統進行實驗與操作模擬，以更瞭解國際間該領域研發產品之創新性與優劣點，可 作為日後探討或改進之研究與發展。
建議
希望我們的政府機關今後能夠給予更多的鼓勵與支持，讓更多的國內有心之學 者專家，走出國外參加各專業重要國際會議，除了吸收新知與重要國際訊息，更重 要的是讓國際社會知道我們台灣中華民國的存在，並肯定我們的努力與成就。如今，
大部分的與會學者已經瞭解台灣的情況，同時大多也逐漸關心台灣的處境，更重要 的是逐漸接受並肯定我們的努力與成果，這是值得欣慰的，也是我們的國家必須努 力走向國際舞台的重要意義。
其他：攜回資料名稱及內容
第一屆東亞給排水研討會論文集（Journal of International Symposium on Plumbing System in East Asia）。
本次國際會議發表論文名稱：
第 1 日：11 月13 日（木）10:00～17:00
1.開会挨拶（10:00～10:15）
2.基調講演（その1）・代表講演（その1）（10:25～12:20）
「韓国における水道等の使用及び普及の現況」，洪元和（慶北大学 建築・土 木工学科 教授）
3.代表講演
□「建築物においての水の問題に対する給排水設備の変化について-韓国の 場合を中心として」，洪鳳宰（青雲大学校 建築設備消防学科 副教授）
□「中国の住宅給排水設備」，石川星明（東州際設備株式会社 取締役社長）
昼休み・展示会（12:20～13:40）
4.代表講演（その2）（13:40～15:25）
□「中国の給排水設備の現状消火設備」，趙士全（竹中（中国）建築工程 有限公司 設計部設備設計課長）
□「中国の住宅における給排水設備の現状と動向」，陳玉芳（上海在方建築 工程諮詢有限公司 総経理）
□「台湾における建築給排水設備の現状」，李孟杰（国立台湾科技大学 建 築学科 准教授）
休憩（15:25～15:40）
5.代表講演（その3）（15:40～16:50）
□「日本の給排水設備の現況集合住宅を中心として」，小寺定典（独立行 政法人都市再生機構 都市住宅技術研究所 住まい技術研究チーム研究主 任）
□「日本における給排水設備計画事例」，飯塚宏（株式会社日建設計 設備 設計部門副代表）
第 2 日：11 月14 日（木）10:00～17:00
6.基調講演（その2）・代表講演（その4）（10:05～11:25）
□「遺跡からの警告アメリカのサステイナブル環境の考察」，鄭政利（国 立台湾科技大学 建築学科 教授，台湾トイレ協会 会長）
7.代表講演
□「ボトルミネラルウォーターにおける衛生」，洪玉珠（育英医護管理専科 学校 校長）
8.一般講演（その1）（11:30～12:10）
□「中国における給排水設備設計事情」，杜俊生（株式会社日建設計 設備 設計主管）
□「中国における日本の給排水設備設計の委託業務」，趙琳娟（株式会社Zet コンサルタント）
昼休み・展示会（12:10～13:20）
9.一般講演（その2）（13:20～15:05）
□「日本の設備設計・作図業務の中国委託に関する問題の検討」，符立偉（超 維デジタル（蘇州）有限公司 社長）
□「中国の日系工場における給排水設備」，林向萌（清水建設中国有限公司 設計部設備課長）
□「中国における給排水設備に関する研究の動向」，王祥武（須賀工業株式 会社 技術研究所主管）
「中国の建築設備配管の現状と展望」，李雪艶（積水化学工業株式会社，
セキスイ管材テクニックス株式会社 国際部主任技師）
「中国建築給排水設備施工管理の実情」，馬健（株式会社総合設備計画 設 計監理部）
休憩（15:05～15:20）
10.パネルディスカッション（15:20～16:50）
「東アジア諸国における超高層住宅の給排水設備設計法の比較」
パネリスト
韓国 洪鳳宰（青雲大学校 建築設備消防学科 副教授）
中国 石川星明（東州際設備株式会社 取締役社長）
台湾 李孟杰（国立台湾科技大学 建築学科 准教授）
日本 山中哲（株式会社日建設計 設備設計部門 設備設計部設計長）
コーディネーター
小池道広（株式会社長谷工コーポレーション 技術推進部門 技術開発室担当 部長）
11.閉会挨拶（16:50～17:00）
台湾における建築給排水設備の現状
Current Situation of Plumbing System in Taiwan
○李 孟杰＊･ 何 昆錡＊（＊国立台湾科技大学建築学科）・張 懷謙（東京大学大学院建築学専攻修士課程）
Meng-Chieh LEE＊・Kuen-Chi HE＊(＊National Taiwan University of Science and Technology) and Huai-Chien CHANG
（Tokyo University）
Current situation of plumbing system in Taiwan are separated in water supply, hot eater supply and drainage system.
Study of plumbing and ventilation system in Taiwan was established in 1996. The 36m height full scale study tower was simulated drainage functions at 12 floors mid-high raised building. Till now, water and hot water supply were focused on really site investigation and measurement, about hot water transfer temperature loss was studied by experiment. 6 drainage topics were worked in this study tower, there are Building drainage system mechanism description, Ordure transportation performance test, Evaluation tool of infection risk analysis for drainage system, Animation of discharged water flow in the drainpipe, Non-destructive testing method establishment, Study of siphon drainage system.
はじめに
台湾の建築給排水の現況については給水、給湯と排水 に分けられる。1996 年、建築給排水通気システムの研究 用として、台湾では初めてとなる実大実験タワーが建設 された。実験タワーは高さ36 メートであり、約 12 階建 て集合住宅の排水システムの模擬実験が行えた【1】。給水 と給湯の研究は使用状況の調査と測量から分析を行ない、
排水には図1 に示す実験タワーを用いて検証を行なった。
本論文では、これまでの研究で得られた成果に基づき、
以下の項目について報告する。
1．給水設備の現状。2．給湯設備の現状。3．流体現 象と気圧分布理論。4．排水管路システムにおける汚物 の運搬性能実験。5．病原媒介の伝達と評価手法の設定。
6．排水システムのコンピューター・シミュレーション。
7．非破壊性能システムと手順の設定。8．サイフォン排 水システムの研究。
図 1 台湾科技大学の排水実験タワー
1．給水設備の現状
台湾の水道水は主に給水源として(約 97％)、都市部の 建物は水道水と繋がっており、建築の給水方式は直接給 水と間接給水（高置水槽方式、ポンプ直送方式）に分け られるが、給水特性と問題点を表1 に示す。中高層ビル は水錘吸収器または減圧弁を採用し水錘現象を緩和する。
表 1 給水方式の特徴と欠点
直接直圧方式 高置水槽方式 ポンプ直送方式
図 式
M
Plug vslve Meter Urban water supply
M eter valve
Ta n k P u m p To we r
M
Meter Valve
Tank M
特
徴 水道局から直接水栓に接続 屋上の高置水槽から給水する 加圧ポンプにより受水槽から揚水 する。
欠
点 水道水管末端の水圧が不足 地面階の給水圧力が強すぎて屋上 が弱すぎる欠点
他の器具が使われるときに水圧が 変動する
そして、給水管は直径13mm や 19mm の塩ビ（PVC）
管が用いられ、中高層ビルには需要に応じて管の直径を 太くする。水道水の供給抵抗研究には、1m3の水量を推 進し、浄化と推進エネルギーとしたら約1kWh の抵抗 エネルギーが生じた【2】。
２．給湯設備の現状
台湾における住宅での給湯システムは住戸セントラル であり、78％は瞬間式ガス給湯器が使われている。電気 温水器は 18％で、太陽熱給湯システム 3.6％、その他 0.4％である。年平均気温が39.5℃と比較的に高いため、
入浴ではシャワーを使うのが一般的である。給湯器の平 均給湯温度は55℃で、平均配管長さは 6.5ｍ。管の材料 はステンレスであり断熱材は使われていない。調査によ れば、入浴習慣はシャワーが80％を占めていた。またシ ャワーの時にシャワー以外の行動と大量の水を消費する 行為が 15％に占め、平均的なシャワーの使用量は 40L であることが分かった。実際の使用状況を図２に示す【3】。
図２ シャワー用水量と温度に関する測量
断熱材があまり使っていないため、湯の温度は給湯時 の気温によって下がる可能性がある。それぞれの配管長 さについての給湯温度が下がる評価の結果を図３に整理 した【4】。シャワーにおけるお湯の使用によるエネルギー の消費を評価した結果から見れば、台湾で平均一人当た りのシャワーで消費したエネルギーは0.96kWhである。
図３ 給湯配管の長さによる平均給湯温度の変化 3．流体現象と気圧分布理論
排水立て管内の流体現象は排水、汚物と空気に含め
て非常に複雑なシステムである。その様な中で、排水立 て管内の気流と圧力は、主に排水の時に気流と管路の摩 擦作用に影響を受け、変動が起き始める。図４-A と４-B のように、単管式と二管式システムの違いによる流体現 象と管内気圧の変動が分かる。現在排水システム管内の 気圧分布理論のなかで、単管システムに関する研究文献 と理論の基礎的検討が比較的多く行われている【5】【6】【7】【8】。 これは単純な構造方式を用い、管内排水と空気等の交互 作用による圧力の分布状態を検証したものである。しか し、二管式システムの構造に対して複雑であるため、排 水システム内圧力分布に解析できる適性な理論がまだ構 築されていない【9】。
図４-A 単管システムの流 体現象と管内気圧の変動
図４-B 複管システムの流 体現象と管内気圧の変動
建築排水立て管内の気圧分布状態は図５のように 見られる。排水の流入パタターンは４つである。A Zone は排水するフロア以外には伸頂通気管からの空気流量の 変動しかない、B Zone は排水するフロアの直下層、そ こで極限負圧が生じた。C Zone は管内極端負圧から正 圧が発生し始まるところである。D Zone は横管や弯曲 部にかけるところであり、横管に水の合流に伴う跳躍現 象が起き、管内圧力は正圧になる。
A zone
B zone
C zone D zone Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ FL
PB PA PD
Negative pressure Positive pressure
Peak negative pressure
Discharge height
Negative pressure
Positive pressure
Atmospheric pressure
L
Ventilation stack with no water
Inlet of discharge, accelerating range
Falling water with constant velocity
Main horizontal pipe, hydraulic range Drainage stack
図５ 建築排水立て管内に排水流体現象と気圧分布解説
4．排水管路システムにおける汚物の搬送性能実験 汚水は便器から横枝管に経って排水立て管に入り、横 主管に合流することになる。その様な流れのなかで、汚 物、水と空気が混ざり合いながら、その排水システムの では、時間的に変動し続ける安定しない複雑な流体現象 となる【10】。汚物の搬送性能の定義は横主管先端から汚 物が止まったところまでの距離である。水と汚物が排出 されて横枝管から排水立て管に入るところに、流体の駆 動力は排水自体の重力加速度であり、これは管内空気と 作用し固体、液体と気体を含めてついに抵抗力による調 和流速が発生し、この調和流速は究極流速と呼ばれる。
管内の究極流速は横主管の最初流速と言い、横主管に合 流する時にウォーター・ジャンプが生じ、このウォータ ー・ジャンプによって汚物を運ぶことで、汚物が止まっ た位置は汚物の運搬距離と呼ばれる。
節水型と非節水型の衛生器具に横主管の汚物運搬性能 を実験してみると、影響因子は図６のように便器の形式
（６L 節水便器・９L 非節水便器）、排水システム（横 主管単管システム、横支管）、排水管の直径、排水勾配
（1/100、1/200）と排水高さである。
図６ 排水管路システムにおける汚物運搬性能実験解説
初期の実験として、単管システムの直管において仮想 汚物の実験を行った結果、衛生器具の排水量は汚物搬送 距離に大きく影響を与えていた。非節水便器の実験結果 は平均 8（±2.0）メートルであり、節水便器は 2.6（±
0.66）メートルであった。分布の距離差は５メートルに もある。ちなみに、仮想汚物の通過率は 90%（±5%）か ら 60%（±10%）に下がり、範囲は 30%ほどである。こ うした結果により、排水量は汚物が横管を通過する比率 が明らかに影響を与えていることが分かった【11】。
5．病原媒介の伝達と評価手法の設定
排水システムのリスク評価指標は4 つある。それらは 末端衛生器具(T)、排水システム設計(P)、室内通風環境(I)、
システムの使用と保守(U)であり、FMEA を通し、釣り 合い関数をそれぞれの最大制限値は2.25、1.5 と 1.25 に 設定されている。排水システムリスク値はTPIU4 つの
因数の乗で、リスク値は1~10 である【12】。
排水システムの伝達リスク予想値Risk は、1~5 のリ スクレベルに換算でき、それぞれはNo Risk、Low Risk、
Medium Risk、High Risk と Very High Risk である。
表1 にリスク値とリスクレベルを示し、建築管理に活か せたところは分かりやすい図式に落ちることが必要であ る。仮にリスク値はHigh Risk またはそれ以上に評価さ れてた時、即時に改善対策を行なわなければならない。
表２ 病原媒介伝達リスクの評価とリスクレベル【13】
6．排水システムのコンピューター・シミュレーション 建築排水システムの検証は常に空間、時間、人力と経 費に限りがるために単管の重力式排水システムのコンピ ューター・シミュレーションが用いられてきている。本 研究でも、排水管の定常流の初期状態のモデルを分析し 検証するシミュレーション･ソフトを試してみた。このモ デルを使って関連研究の基礎になるように、現存フル・
スケール模型で検証などの実験も行っている。
図７ 単管重力式排水システム 3D 数値模型の模擬図
単管排水システムの3D 模型、計算枠数、流体フィー ルド方程式と限界条件を、図７のように数値流体解析ソ フト（CFD）に入力して結果を読み取る。図 8 のように、
このシミュレーションを通して4 1/s の排水管内安定状 態時の定常流排水の流体フィールド模式、排水横支管と 排水立て管との連結する部分と排水立て管から排水横主
管までのウォーター･ジャンプ現象が得られた。シミュレ ーション結果と実大実験結果がかなり近くなった。パソ コンの計算と模擬により、排水システムをもっと幅広く 検証することができ、図9 のように大量データを可視化 にして管内複雑な流体現象が分かるように示した【14】。
図 8 排水立て管排水負荷流から排水横主管までのウォ ーター･ジャンプ模擬
図9 45 度排水横支管と排水立て管の連結の模擬成果 CFD 技術を活かして排水システム補助に関する研究 は今後とも期待できる。現在、排水の初歩的なシミュレ ーションを完成したので、今後、管路の高さや規模の物 理的数値を変化させた、流体現象を検証していきたい。
7．非破壊性能システムと手順の設定
既に存在している建築は勝手に穴を掘ったりする ことができない。従って、非破壊性検証施設と手順の設 定には有効な検知位置を決めなければならない。実験前 に計器を校正して検出結果の信頼性を確保する。図 10 のように、現場検知の種類は「管路システムの穴あけ」、
「フロア落水口」、「洗面器トラップ」と「便器」等に分 けられる【15】。
B-洗面器トラップ C-フロア落水口 D-衛生器具
図 10 管内圧力検知位置
携帯式排水圧力計（圧力感知器、直流増幅器、資料記 録器、電源供応設備と圧力軟管）を使い、実際建築に長 時間観測を行なって排水性能を判定し、問題が起きやす いところを判断する。この携帯式の排水圧力計で測った 実験数値の信頼度を検証するために、図の1 のような実 験タワーで行なった単管式･二管式排水システムの正負 圧力から得た結果を比較検証した【16】。
8.サイフォン式排水システムの研究
建築の排水システムが重力排水の勾配と管路直径の影 響を改善するには、塚越, 坂上【17】とS.Arthur【18】が発表 したサイフォン排水法を参考して検証する。サイフォン 排水の主要条件は満流であり、満流の影響因素は管内流 速、横・立て管長さの比、弯曲管の高さ等の三要素であ る。管内最小流速は満流ができる速度に抑えて空気の合 流を避けるべきであり、最大流速はサイフォンの吸引力 が強すぎて衛生器具の破封にならないように抑える。横･
立て管長さの比例は違う直径の横管の長さに対応するサ イフォン管の高さである。弯曲管は横管の満流になれる ように設けられ、その高さは満流にできるかに影響して いる。理論により、異なる流速で満流条件を検証し、横 管が満流した後に吸引力をすぐ出してサイフォン排水で 汚物の搬送距離を増加できるように実験してみる。適性 な流速を抑える上で、横･立て管長さの比例係数と弯曲管 の適した高さを帰納してサイフォン排水の最適な効果を 探る【19】。模擬数値によってサイフォン排水の利点を予想 し、将来にはこの模擬数値を実際に実験して修正し、サ
イフォン汚水排水の有効配管長さの設計標準を提案して いきたいと考える。
図11 サイフォン排水システム配管比例の予想値の模擬
［参考文献］
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11. C.L. Cheng, C.J. Yen, K.C. He, W.H. Lu J.R. Ho, 2006.09, Study on transportation performance of main drain with low flash water closet in buildings, CIB-W62 International Symposium, Taipei, Taiwan.
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［著者プロフィール］
李孟杰は、国立台湾科技 大学建築博士、ドイツのミ ュンヘン科技大学（TUM）
建築学科博士研究、フラウ ンホーファー建築物理研究 所（FhG-IBP）の客員研究 員でした。現在、国立台湾
科技大学建築学科の准教授として、給排水設備や太陽エ ネルギーを幅広く携わり、おおくな研究と発表をしって いる。特に、グリーン建築における水・エネルギー消費 を含むサステイナブル課題について発表しています。
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