亞熱帶氣候之智慧型建築測試驗證平台建置 設計與規劃

1. 前　　言

隨著科技的發展，全球碳排放量不斷地在 增加，而碳排放的來源可分為：工業、運輸、

建築三大類。以美國國內統計的碳排放結果，

如圖1所呈現，工業碳排放量自2000年左右尚 未有明顯的增加，但運輸與建築的碳排放則是 不斷的增加，尤其是建築的碳排放比運輸還要 高。若以美國的電力消耗情況而言，工業電力 消耗佔33%，運輸佔28%，建築佔39%，如圖 2所示。美國電力的消耗以建築消耗所佔的比 例最大，其中建築消耗又分為住宅消耗與商業

消耗，住宅消耗主要是以加熱為大宗，商業消 耗主要是以照明為大宗，因此如何減少建築電 力的消耗與碳排放則是一件相當重要的議題。

(McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；Regnier et al., 2016)。

根據經濟部能源局統計資料，在電力使用 部分，105年度各部門電力消費量住宅部門約 占19%(經濟部能源局, 2016)，服務業部門約占 19%，合計住商部門總電力消費量約占全國電 力消費量的38%，如圖3所示。

在全球最終能源使用中，以住商部門(住

Volume 6, No. 1, March 2019, pp. 1-21

亞熱帶氣候之智慧型建築測試驗證平台建置 設計與規劃

林大惠

　陳彥仲

　陳俊貴

　江逸章

　李訓谷

蔣鎮宇

　曾庭科

　張桂肇

　呂昭宏

　鄭名山

摘　要

我國政府積極推動『前瞻基礎建設計畫』，其中『沙崙智慧綠能科學城』包含綠能科技產業 化技術驗證平台建置，以及建築節能技術開發與產品性能驗證功能。主要目的為促進國內外的產、

學、研各方單位相互交流，並帶動我國綠能產業發展。此亞熱帶氣候之智慧型節能建築測試驗證平 台(以下簡述：建築測試驗證平台)，能夠檢測建築節能技術與綠能相關產品，其實際測試的結果能 夠與理論計算相互比較，藉此減少理論與實際結果的落差。本文著重於建置前期的旋轉機構與建 築外殼設計規劃，並參考美國Flexlab(溫帶)、新加坡Skylab(熱帶)相關設計以及國內的建築檢測需 求，使其成為亞熱帶氣候第一座的建築測試驗證平台。該旋轉機構具有抗地震的性能；建築外殼主 要分為可替換的面牆、可變陽台深度距離、天窗…等多項功能。此建築測試驗證平台目前規劃能夠 進行『室內環境、室外環境、效能建材、智慧化管理、能源效率、能環大數據、系統整合分析』等 7大研究主題。

關鍵詞：建築檢測，驗證平台，旋轉機構，綠能科技

收到日期: 2018年08月21日 修正日期: 2018年10月04日 接受日期: 2018年11月08日

1 國立成功大學能源科技與策略研究中心 主任

2 國立成功大學能源科技與策略研究中心 副主任

3 國立成功大學能源科技與策略研究中心 團隊研究人員

4 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所 組長

*通訊作者電話: 06-2088420, E-mail: [email protected]

宅與服務業)的能耗占比最高，各國也將減少 建築物的二氧化碳排放列入重點改善。由世界 能源展望(World Energy Outlook, 2017)報告中可 知，全球約有1/5人口居住在城市，城市產生的 CO2占全球70%的排放量，其中以建築物能耗 占比最高。各城市也將減少建築物的CO2排放 列入重點改善，表1整理韓國、日本、美國、歐

盟、德國住商部門，推動減少溫室氣體排放的 相關配套措施。

從上述各國在住商部門推動減少溫室氣 體排放的相關配套措施可知，世界各國均以建 立節能標章來強化產品能源效率；住宅均以降 低建築能耗為目標，且各國也積極規範近零能 耗建築建造與既有建築節能改善。關於建築節 能技術項目約可分為四大項目：建築外殼、照 明、電力、室內環境與控制，如圖4所示。

早期各研究團隊在節能技術的研究方向並 不相同，分別各自著重於照明、電力、採光、

窗戶、室內空調環境…等技術；但由於沒有統 一的測試方法與標準，因此各項研究均自行尋 找場地與設計測試方法來獲得所需的數據，如 圖5範例。

目前在設計與檢測的方式可約略分為(1)設 計端與(2)檢測端，如圖6所示。(1)設計端：主 要是設計師在設計過程以建築節能相關軟體進 行估算與預測，該方式最常面臨到的問題為相 關結果都是簡化與預測的結果，常常會與建築 物建置完成之後的能源效率產生落差。(2)檢測 端：主要分為單一材料與元件以相對應的法規 標準測試，或是以貨櫃屋、實尺寸建築物進行 檢測(單一元件或整體設計)。此方式較能夠預 測建築物建置完成之後的能源效率，但此方式 也會面臨到一些問題，如：整體設計未必能讓 單一元件的特色表現出來，或是貨櫃屋與建築 物會有數量、固定方位與佔地面積的問題。綜 合以上的問題，建築物的能源效率在使用端有 時候會面臨到相關設計或能源效率不如當初設 計的預期。因此如何以較新的方式來對建築物 進行檢測，則是一個重要的議題；該檢測方式 最好是能夠符合：(1)單一定點可作不同方位實 驗、(2)減少測試屋的設置數量與佔地面積、(3) 減少理論估算與實際誤差、(4)各類產品在應用 上的真實效率與概況等。

由相關文獻與資料得知 (McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；

圖1　碳排放的趨勢(Selkowitz, 2012)

圖2　美國電力消耗統計圖(Selkowitz, 2012)

圖3　國內電力消耗統計圖(經濟部能源局，2016)

表1　各國住商部門推動減少溫室氣體排放之措施(本研究整理)

國家 措　　　　　施

韓國

建築部門推動與執行措施：

▓ 加強建築外殼保溫隔熱與提高能源效率設計之建築規範(提高新建築保溫隔熱標準20%以 上，2025年前建立零碳屋)

▓ 進行建築之能源效率標籤計畫(住宅安裝節能設施與設備，進行大型建築物的能源效率認 證)

▓ 進行綠色建築認證計畫(對環保建築的登記給予稅賦減免與提供彈性建築標準，如景觀美 化、高度與稅賦減免)

▓ 進行綠色建築活化計畫(修訂低能源環保住家建築標準與聯合住宅能效，依建築類型提供 改善方案、技術開發與財政援助)。

相關的制度與措施：

▓ 碳排放交易制度(針對排放量超過的企業與工作場所進行碳排放交易，企業可獲得95%的 排放許可權，其餘用於拍賣)。

▓ 綠色信用卡制度(結合信用卡平台，記錄民眾的自家節省的水/電/瓦斯、選購綠色產品等 環保行為換取點數，可現金回饋、扣抵環保產品費用、支付公共交通費用、地方稅)。

▓ 推廣能源服務公司業務(設備更換與安裝、以百萬個再生能源綠色住宅取代目前能源供 給、擴展大型住宅區、商業區與工業區導入整合性能源供給)。

日本

商業及其他部門推動與執行措施：

▓ 加強產業自願行動計畫、地方與國家政府公共機構倡導、建築物/設備/裝置的節能(改善 建築物能源效益、城市綠化與其他改善熱環境、推廣能源管理系統、提高規範標準與設 備效率、高效節能設備開發與推廣)、貫徹能源管理，以及全國性行動的發展。

住宅部門推動與執行措施：

▓ 全國性行動的開展，以及房屋/設備/裝置的節能(改善房屋能源效率、推廣能源管理系 統、提高規範標準與設備效率、高效節能設備開發與推廣)。

美國

住商與工業部門推動與執行措施：

▓ 能源之星方案：產品標誌(以標籤區分市場上的高效節能產品)/商業建築(促進改善建築的 能源性能)/住宅(產品標籤建築的性能、全方位能源稽核與高品質住宅改造)，以及工業。

▓ 電器與設備能效標準(50餘類家電與設備建立最低節能標準)、照明能效標準(綜合型家電 與設備能效標準方案之照明零組件)、建築物能源規範(發展具成本效益的建築物能源規 範)、汽電共生技術支援，以及工業評估中心。

相關的制度與措施：

▓ 國家能源方案、能源效率與節能全額補助(提高交通運輸/建築部門能源效率、減少化石 能源排放與能源使用總量)、貸款擔保方案、防寒保暖援助方案、印地安能源政策/部落 能源方案、氣候展示社區資助方案、社區再生能源部署資助(小於15 MW的小型再生能 源建置，給予50%的財政補貼)、稅賦條款、永續發展社區的跨部門夥伴關係(透過調整 住宅、交通與環境政策，鼓勵區域整合規劃)，以及業氣候領導中心等措施。

歐盟

住商部門推動與執行措施：

▓ 推動三大面向措施：建材所導致熱量吸收/散失(如熱傳導率U值)、使用設備所產生能耗 (如照明、家電與烹飪等)、供熱(含供冷)。

▓ 公部門改善措施：強化示範角色、具約束力的加快翻新率、經費支出引入能效標準作為 限制、使用者減少能源消耗義務；使用高能效產品、運輸、工程建設，至2019年新建物 應達近零能耗水準；每年至少需對建築物面積3%進行翻新(約目前翻新2倍)，能效表現 須為國家建築物前10%。私有建築房東與承租者提升能效獎勵分割問題，以法規明訂出 租戶投資可回收金額，亦可透過能源服務公司協助解決。

▓ 透過ESCO提高建築翻新：幫助客戶籌措能源效率改善前期資金、吸收客戶財務風險或 提供融資；透過提供能源服務之市場概況與合約範本、公布認證通過ESCO名單，提高 市場透明度；運用創新金融工具(提供流動性擔保、貸款額度及周轉資金等)。

▓ 善用能源績效合約，透過能源效率措施，達成合約中所節省的一般開銷與維護成本，支 付該能源效率措施資金(此種模式已証明符合成本效益)。

▓ 消費端節能：透過法規限制可使住宅設備節能達成預期成果；藉由產品標示、節能資 訊、準確計量與資通訊技術，使消費者明白節能與能源效率的投資成本效益。

▓ 鼓勵消費者選購節能產品：節能家電推廣，推出生態設計的能效標準與能源標示(了解不 同能源標示給予消費者的感覺與對銷售的影響)，根據工作計畫，對家電制定更嚴格能耗 標準，並持續研究產品生命週期對能源消耗影響。

▓ 協助消費者在使用設備時更樂意與更聰明的採取節能行動。根據歐盟法規，消費者在使 用能源期間，應該經常被告知能源消耗情形，促使消費者透過計量(電力、天然氣、供 熱、供冷、熱水)、帳單與合約調整能源消費行為。

▓ 積極推動智慧電表，2020年前消費端安裝智慧電表比例至少80%，其它能源也應發展。

ESCO與資通訊業者可藉此提供新的節能服務(消費者可選擇離峰便宜電價時段使用家 電、選擇使用乾淨電力，非常方便遙控家電用品)來達到節能目的。

國家 措　　　　　施

德國

住宅及政府部門推動與執行措施：

▓ 採購能源效率規範立法、推廣能源服務產業、能源效率倡議與改善諮詢、推動能源效率 標示與認證制度，以及推動高能源效率產品白色認證標章。

▓ 既有住宅更新率由1%提升至2% (能源效率規範：設定既有建築能源效率標準，2050年更 新改建住宅能源需求下降80%，為了提前達到建築能源效率要求的建築物改建案，提供 財務獎助或租稅優惠；重建信貸機構：提供資金改善建築能源效率；租賃法：針對達到 能效標準之出租建築給予生態稅減免；由德國政府帶頭改善既有政府建築能源效率)。

▓ 提高新建住宅能源效率(能源效率規範：引進氣候中立建築標準、設定新建築能源效率標

▓ 導入建築使用再生能源(再生能源熱利用法：規範新建築引進再生能源熱利用，擴大再生準)。

能源熱利用之涵蓋能源種類)。

表1　各國住商部門推動減少溫室氣體排放之措施(本研究整理) (續)

圖4　建築節能技術項目(Selkowitz, 2012)

圖5　各項建築技術檢測方式(Selkowitz, 2012)

Regnier et al., 2016；World Energy Outlook, 2017)，因應節能與新興技術應用於建築物的 相關檢測技術與資料庫之需求，而建立建築檢 測屬性的驗證平台，並且為加速實驗的期程，

遂以旋轉機構設計之平台來達成。國際目前唯 美國Flexlab及新加坡Skylab二座，各別以不同 的氣候型態與樓層發展目的為明顯的區隔。接 續，另起章節敘述兩者之建築外觀、室內配 置、空間大小、旋轉角度、測試方式，以作簡 易比較；並利用SWOT分析獲得之結果，提供

給我國建置全球第三座建築測試驗證平台的一 個參考指南。

2. 國際間既有建築測試驗證 旋轉平台簡介與SWOT分析

全球目前僅設置Flexlab與Skylab兩座建築 測試驗證平台，而各自在細部設計與設置地點 上有所不同。圖7與圖8分別為Flexlab與Skylab 的外觀、室內配置與旋轉過程示意圖。

圖6　傳統設計與檢測所面臨的概況(本研究整理繪製)

圖7　Flexlab外觀與旋轉過程示意圖(McNeil et al., 2014)

2.1 美國Flexlab與新加坡Skylab

首先敘述有關美國Flexlab (Berkeley lab, 2017)將各項建築物所使用的測試方式，乃是整 合至一棟建築科技的驗證平台，可參考圖7。此 建築測試驗證平台，主要以模組化設計為主，

亦能將各式建築工法進行測試與比對。相關的 測試結果，能夠確認設計概念的可行性，以及 與理論值的誤差。目前於單一系統的建築物，

希望能達到節省5-20%的能源消耗。若為多系 統組合的建築物，則是節省30-50%的能源消 耗，最終目標於2030年達到零耗能建築物的設 計，如圖9所示(McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；Regnier et al., 2016)。

Flexlab主要是在實際環境條件下進行測 試，並且能對照試驗數據；藉由相關測試結果

分析建築節能技術的開發成果、能源效率的改 善措施、以及環境與視覺舒適度的成效。此測 試方式著重於(a)整體建築系統的整合；(b)綜 合組件彼此的相互作用(例如HVAC(Heating, Ventilation and Air Conditioning)、照明、窗 口、外觀、插頭負載控制系統)；(c)硬體和感 知器的控制；(d)實際測試並與設計預測相互 比對。Flexlab的測試重點項目可分為：(a)內部 或外部測試、(b)數據收集和控制、(c)照明和 插座負載測試(McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Selkowitz, 2016；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；

Regnier et al., 2016)。重點項目分述如下：

● 內部或外部測試：

此內部有兩個測試空間可靈活應用，如 圖10規劃，兩個空間之間的牆面為可拆換式構 造；另包括可變天花板高度，不同高度的高架 地板以及內部隔牆。HVAC系統能夠研究空調 系統(變風量系統(Variable Air Volume, VAV)，

地板送風(Underfloor Air Distribution, UFAD)，

獨立式外氣空調系統(Dedicated Outdoor Air System, DOAS)等)和水系統(風機盤管，輻射加 熱或冷卻)。室內相關照明系統也可替換，並 能夠直接/間接進行燈具研究，以及強調採光 控制和照明應用的設計。外牆或外殼能夠替換 不同的窗戶、玻璃或天窗，進而達到高性能的 綜合外觀系統(McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et 圖8　BCA Skylab外觀與內部隔間示意圖(Afifah & Loke, 2016)

圖9　 美國Flexlab目前設計與研究方式(Regnier, 2014)

al., 2013；Konis and Lee, 2015；Regnier et al., 2016)。

●數據收集和控制：

圖11為Flexlab的數據收集和控制模式，

基礎設施包含：(1)中央安全數據庫、(2)監測 和可視化、(3)控制腳本工具(空調、燈光、陰 影)、(4)現場或遠端存取、(5)不同模擬和控制 平台的控制介面。由於建築測試驗證平台內有 許多感知器、儀表和控制器的硬體，相關量測 的數據資料會儲存於資料庫，並藉由控制腳本 工具與控制驅動程序來控制相關的硬體(McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；

Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；Regnier et al., 2016)。

● 照明和插座負載測試：

Flexlab的兩個測試空間能夠進行不同照

明技術的結果比對，或者是在室內安裝感知 器，並藉由可編程照明和插座負載控制的方 式，量測並記錄每個燈具的功率與能源消耗，

以及各感知器所測得的回授訊號(McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；

Regnier et al., 2016)。圖12為照明設備與各感知 器的簡易佈置。

Flexlab的優點為：(a)確認建築節能技術與 能源效益、(b)建築或量測技術的綜合系統，

以及控制系統的示範與驗證、(c)空間舒適度測 試以及空調新興技術驗證與測試、(d)電網整 合技術的開發與驗證；如電動車的充電或電池 儲存條件整合至建築物的電網。圖13為Flexlab 為Genentech & Webcor進行測試的案例，其結 果顯示該建築物的遮陽、採光和室內佈置…

等，均獲得良好的改善，以及具有較低的能源 消耗設計，進而減少建築物的建設與營運成本 (McNeil et al., 2014；Selkowitz, 2012；Chopra, 2016；Regnier, 2014；Lee et al., 2013；Konis and Lee, 2015；Regnier et al., 2016)。

圖10　Flexlab實驗屋內部示意(Selkowitz, 2012)

圖11　數據收集和控制模式(本研究繪製)

圖12　照明設備與各感知器(Regnier, 2014)

由於Flexlab的相關技術已經發展成熟，目 前除了美國之外；新加坡亦有依照Flexlab為原 型設計的概念，於新加坡當地的建設專科學院 新教學大樓屋頂，建置一個Skylab，於一年的 時間竣工；如圖14所示。此Skylab的面積約132 m²，能以35 mm/s的速度自轉，約半小時內就 可自轉一圈。該Skylab內設有超過200個感知 器，可測試在不同時間、氣候和方向條件下的 室溫、照度和二氧化碳含量…等(BCA Academy, 2016；Samantha, 2016)。由上述Flexlab與 Skylab做一簡易比較，整理如表2所列。

此建築測試驗證平台為一個良好的建築技 術開發與驗證平台，該平台能夠促進學研、產 業界於建築節能技術的開發研究或產品驗證案 例。目前我國於沙崙智慧綠能科學城計畫當中 有綠能產品示範場域，若於該示範場域先行參 考Flexlab與BCA Skylab的設計，並依照該示範 場之特性予以規劃及建置國內(位處亞熱帶)第 一座的驗證平台，則能促進相關學研單位、廠 商的建築節能技術發展，並往零能耗建築物的 目標邁進。

2.2 我國發展建置建築測試驗證平 台之SWOT分析

目前國內相關研究單位與廠商對於此建築 測試驗證平台的功能、設計概況與檢測功能尚 未完全瞭解。本研究嘗試以優劣勢、機會與威 脅(SWOT)之分析方法，分析各項可能遭遇的 情境與解決方式。在優勢方面，一則我國位於 亞熱帶區域，而此目前尚未有如建築測試驗證 平台的設備；今後倘若完成建置則能夠進行整 體建築物之各項測試：(1)建築外殼、屋頂、窗 戶等(2)室內裝潢、照明、採光等技術(3)能源 產生、消耗與控制(4)空調、加熱。二則因建 築測試驗證平台能夠同時進行測試與對照組的 試驗，並減少實際與理論的誤差，使其達到最 佳化。然而，承前述國際間既有建置位在美國 Flexlab(溫帶型)與新加坡BCA Skylab(熱帶型) 皆有此類建築測試驗證平台，亦完成相關測試 案例。相對而言，除非由本國業者提出特殊需 求，進而制定建築物檢測法規加以推動；否則 圖13　 Genentech & Webcor測試案例(Chopra,

2016)

圖14　 BCA SkyLab旋轉測試屋(BCA Academy, 2016；Samantha, 2016)

表2　簡易比較Flexlab與Skylab兩者建置之主要特點(本研究整理) 美國Flexlab 新加坡Skylab

設置區域氣候 溫帶氣候 熱帶氣候

設置地點 平地面 建築物上方

可旋轉角度 270 360

室內配置 兩間測試室和額外觀察室。 兩間測試室和一間觀察室。

研究或測試方向

1. 內部或外部條件測試。

2. 數據收集和控制。

3. 照明和插頭負載測試。

1. 內部或外部條件測試。

2. 數據收集和控制。

3. 照明和插頭負載測試。

這點將是一個劣勢。另外，對於國外新設計與 開發技術，能優於國內先行測試，達到最佳化 建築設計工法。再加上國內廠商不了解建築測 試驗證平台的真正用途，故未必輕易參與任何 測試。這些皆是劣勢之所在。反之，若能讓國 內廠商明白建築物的能源產生、消耗與控制可 由此建築測試驗證平台直接測試得到最接近實 際狀況的數據。同時也讓國內廠商相信研究團 隊執行平台建置的能力，因為國內已具有建築 物相關的各別測試技術與研發經驗，可完整規 劃驗證平台的建置內容，發揮最大即符合實際 需求的應用效益，上列是我們能從中努力的機 會。隨之，考量此建築測試驗證平台後續運維 成本及營運，在未來若無相對應的政府計畫支 援或無國內明訂法規推動，那麼將難以長期建 立節能建築的研發功效，這點是務必正視的威 脅。以下綜整優劣勢中的機會與威脅內容，如

表3所示。

其中，所要強調的是在劣勢中找到的機會 策略，提到國外雖已建置建築測試驗證平台，

但所用的建材與工法未必適用於本國，因此未 來國內自主完成平台建置時，必定能夠直接測 試建材與工法，有助於國內建築材料與技術提 升；也為亞熱帶區域國家打造節能減碳與綠能 建築之重點實驗基地。接續章節重點放在研究 執行建築測試驗證平台設計與檢測功能規劃，

完成平台建造前期工作，以發揮自主建置能 力。

3. 建築測試驗證平台之旋轉機 構設計與日照模擬分析

計畫執行主要以探詢學研界對於本建築 測試驗證平台之需求與可投入測試之議題或技

表3　SWOT矩陣分析(本研究整理)

SWOT矩陣分析 內部分析

優勢(S) 劣勢(W)

外部分析

機會(O)

(Max-Max)SO策略

1. 各項測試法能夠整合至建築測試驗 證平台，並同時提供實驗與參照的 數據，以利實際數據與理論值相互 2. 建築物的能源產生、消耗與控制能比較。

最接近實際狀況與數據，並能立即 修正控制方式。

3. 打造亞熱帶區域及鄰近國家節能減 碳及綠能建築重點實驗基地。

(Min-Max)WO策略

1. 國外已經有建築測試驗證平台並能 測試相關建築材料與工法，但各國 的建築材料與工法未必相同與適 用，因此國內有建築測試驗證平 台，則能夠直接測試國內的建築材 料與工法，以利國內建築材料與技 術的提升。

2. 目前國內廠商雖然尚未清楚建築測 試驗證平台的資訊與應用面，若讓 廠商了解建築測試驗證平台的優點 與概念，則有助於提升廠商的測試 意願。

威脅(T)

(Max-Min)ST策略

1. 國內地形氣候與國外不同，因此國 內的建築測試驗證平台能夠檢測相 關建築材料與工法在國內的特性與 2. 藉由建築測試驗證平台較為精確的效率。

測試結果，依產、學、研單位的測 試情況收取相關的檢測費用或將建 築測試驗證平台列入建築物檢測的 適用性法規。

(Min-Min)WT策略

1. 國內地形氣候與國外不同，因此國 內的建築測試驗證平台能夠檢測相 關建築材料與工法在國內的特性與 2. 建築測試驗證平台能提供實驗與對效率。

照組的數據，並能夠與理論值相互 比較，藉此減低設計誤差。

術，以及進行國內業者需求調查為優先(以表4 為例)；並於掌握業者需求後，完成實驗規劃設 計，確定設置監測儀器、系統種類與規格，並 配合沙崙綠能科學城主體工程進度必要之建築 與設備採購。當驗證平台各項規劃與建置確定 之後，便開始執行建築物的硬體建置(如圖15所 示)。

此 建 築 測 試 驗 證 平 台 主 要 測 試 功 能 與 Flexlab、BCA Skylab相仿，具有整體建築系統 的整合、單一材料或綜合組件的相互作用檢測 (例如、照明、窗口、外觀、插座負載控制系 統…等)、硬體和感知器的控制、實際檢測與相 關模擬軟體的交互驗證，以及各項檢測結果的 數據資料庫建立。研究項目亦可分為：室內外

環境監測、外殼節能設計、更換組裝之建築構 造、能源效率與控制管理。此建築測試驗證平 台的整體設計架構分為三個部分：

(1) 旋轉機構：由馬達、齒輪與旋轉盤…等構 成，如圖16所示。此旋轉機構主要是以旋轉 盤為支撐主體，旋轉盤下方分別設置齒輪、

滑輪、軌道與馬達，藉由馬達當動力源驅動 相關齒輪與滑輪，使旋轉盤轉動並依照測試 條件而提供不同方位角度的旋轉。

(2) 建築外殼：為一主建築外殼，內含2個空間 相仿之實驗室，以及一間控制室。圖17為此 建築外殼主鋼構、樓地板與天花板之示意 圖，該建築外殼設計是以鋼構為主支撐立 柱；樓地板與天花板則是以RC結構為主，

但在特殊位置則設計成能夠安裝或替換不同 材料為主。此建築外殼內部的隔間分為2間 實驗室，1間控制室，如圖18所示。

表4　國內建築與能源產業聯盟會員清單(本研究整理)

圖15　 國內建築旋轉測試驗證平台建置示意圖 (本研究繪製)

圖16　旋轉機構示意圖(本研究繪製)

此兩間實驗室分別為實驗組與參照組，

能依據測試條件進行內部裝潢、擺設佈置、

室內環境而改變，以利進行參考組與對照組 之試驗。該實驗室內部也會放置相關感測與 監控系統，而相關感測與監控系統所量測的 數據，會傳送至控制室內的資料庫，以利相 關數據儲存與分析。

圖19為建築外殼的外牆示意圖，此外牆 的部分立面採能夠替換不同材料與工法之

設計，使其能夠進行窗戶、玻璃、通風、採 光…等測試。

(3) 感測與監控系統：包含能源、溫濕度、照 度、空氣品質、相機、錄影機、電網、電力 控制、資料庫…等各項設備，分別設置於建 築外殼的外部以及內部的兩間實驗室。相關 數據則是會傳送至控制室進行儲存與分析。

本研究目前對此平台建置設計架構，首 要工作在於旋轉機構設計應採取何種方式，以 及考量設置地理位置鄰近建築障礙物遮蔭問題 與地震災害不可抗拒之自然因素而滿足設計需 求，以完成平台設計初稿，供建造工程使用參 考依據。

3.1 國外旋轉建築機構設計種類

全球目前類似旋轉建築概念，於國外均 有多種的設計，如圖20至圖21(Berkeley lab, 2013；BCA Skylab, 2016；Everington Rotating House, 2016；Brijbassi, 2014；La casa rotatoria de California, 2004；Burke, 2016；英仕山莊 圖17　 建築外殼主鋼構與樓地板示意圖(本研究

繪製)

圖18　 建築外殼內部實驗室與控制室示意圖(本 研究繪製)

圖19　建築外殼的外牆示意圖(本研究繪製)

圖20　 FlexLab建築地基架構圖(Berkeley lab, 2013)

圖21　 SkyLab位於BCA大樓的樓頂建築地基架 構圖(BCA Skylab, 2016)

360度水力旋轉屋；Taghaboni, 2013；Michler, 2013；Su di me, 2018; Wowza, 2015；Fisher, 2007)。此二圖分別為Flexlab與Skylab的主建築 物與旋轉機構的地基架構。圖20顯示Flexlab後 方建築物為控制室與相關物件備品室。Flexlab 的旋轉機構以下挖地基的方式建置，主要在最 下方有一個圓形軌道，相關馬達與滾輪則是設 置於圓形軌道上方。圓形軌道上方另有鋼構設 置成支撐盤面的轉動盤，此轉動盤藉由馬達與 齒輪組的驅動力，達到在圓形軌道上方旋轉的 功能。此轉動盤與上方的主建築物相互結合，

因此主建築物會隨著轉動盤的轉動而轉動。此 Flexlab的可轉動角度為270^o，當主建築物由0^o 旋轉至270^o時，必須要再由270^o回轉至0^o。

此外，Skylab由於參考Flexlab的設計以及 相關計畫合作，因此主建築物與旋轉機構的 地基架構幾乎相同，不同之處是Skylab建置在 BCA大樓的樓頂(如圖21)，並且旋轉機構不是 以下挖基地的方式建置，而是直接建置在樓 頂；然而旋轉機構高於樓頂地板的問題，則是 另外鋪設一個架高的樓地板與旋轉機構在同一 平面上。Skylab主建築物一樣與旋轉機構相互

結合，此主建築物分別由控制室、測試室與比 對室所組成，整體佔地面積約132m²。此Skylab 的可轉動角度為360^o，當主建築物由0^o旋轉至 360^o時，必須要再由360^o回轉至0^o。Skylab之所 以會設置在BCA大樓的原因主要是，新加坡地 狹人稠，建築物密集，以及未來主要是以高樓 層建築物為主，若將Skylab建置在高樓上，就 能有效避免其他建築物的影響以及取得在高樓 層條件下的相關測試結果。

圖22至圖23分別為Everington旋轉住宅、

P.E.I.旋轉旅店、La Mesa旋轉屋。Everington旋 轉住宅的旋轉機構也與Flexlab和Skylab相似，

都是由圓形軌道、支撐盤、馬達與齒輪組所構 成。P.E.I.旋轉旅店與La Mesa旋轉屋的旋轉機 構設計，則與Flexlab、Skylab和Everington旋 轉住宅有所不同。該設計主要有一個旋轉中心 軸，馬達與齒輪組主要也是設置在此中心軸，

其他的支撐鋼構也是連接在此中心軸上。當中 心軸轉動的時候，主體建築物也會跟著旋轉。

如圖24所示為ReActor旋轉屋，設計概念是 以中心旋轉軸連結並撐起長方形主體建築物，

當中心旋轉軸轉動時，主體建築物一樣會隨著

圖22　Everington旋轉住宅(Everington Rotating House, 2016)

圖23　La Mesa旋轉屋與地基架構圖(La casa rotatoria de California, 2004)

轉動。但此ReActor旋轉屋另有一個類似蹺蹺板 的特色，便是會依據主建築物兩側的重量差異 而產生傾斜。

圖25為Sharifi-ha House，該設計的特色為 一個主建築物的內部各樓層，均為可旋轉式的 房間，此旋轉式的房間，能夠提供不同的採光 與視野。圖26為Heliotrop House，該中心旋轉 軸為主要旋轉機構，主建築物以挑高式設計，

包覆在中心旋轉軸外側(共有3層樓)，並於屋頂 設置太陽光電版，提供所需電源。

圖27為Villa Girasole，旋轉機構主要是地 面的軌道與滑輪所構成，此主體建築物並非在 原地旋轉，而是藉由滑輪在軌道上的移動，進 而使得主體建築物在軌道範圍內轉動。

圖28為Dome Home，此旋轉機構類似圖 22、圖23與圖26的設計概念，均已中心旋轉軸 為主，主體建築物設置在中心旋轉軸外圍。圖 29為杜拜的Dynamic Tower，此建築物的設計概 念，主要是各旋轉樓層與中心軸相互連結，透 圖24　ReActor旋轉屋(Burke, 2016)

圖25　Sharifi-ha House (Taghaboni, 2013)

圖26　Heliotrop House (Michler, 2013)

圖27　Villa Girasole (Su di me, 2018)

圖28　Dome Home (Wowza, 2015)

圖29　杜拜動力塔建築(Fisher, 2007)

過各樓層順著中心軸，從下向頂樓旋轉，之後 再由頂樓旋轉至下方；因此各旋轉樓層分別具 有360^o的整體方位與整棟主體建築物的高度和 視野。

由圖20至圖29各旋轉建築的設計概念可 知，旋轉機構約略可區分為4種設計，如圖30所 示。設計(1)為中心軸驅動齒輪組並帶動主體建 築物旋轉；此類設計的中心軸與齒輪組會在主 體建築物的內部相互結合，需要較多的齒輪組 與中心軸結合，中心軸內部另有裝設驅動馬達 與相關電路配線，整體的轉動水平與齒輪組契 合需要特別設計與搭配。設計(2)為主體建築物 在地面型軌道轉動；此類設計的重點是在主體 建築物下方設置滑輪，以及在地面建立可供建 築物轉動的軌道；各項滑輪、驅動馬達數量需 要配合軌道的軌跡，各項滑輪的驅動轉速會依 據軌道位置而有所不同，進而使得各滑輪與驅 動馬達有使用壽命的落差。)。

設計(3)為中心軸設置馬達與齒輪組，並 在外圍軌道設置滑輪或輪胎組，主體建築物則 是設置在旋轉機構上方。此類設計的動力源主 要是來自於中心軸的轉動，並帶動外圍軌道的 滑輪或輪胎組。驅動馬達與電路配線主要設置

在中心軸內部，因此備載使用的驅動馬達會較 難同時設置在中心軸，當驅動馬達故障，該中 心軸便會停止轉動。此外，中心軸上方主體建 築物的重心或主體建築物的配重若未在中心軸 上，便需要特別計算滑輪或輪胎組的數量與乘 重能力，減少中心軸在轉動過程的壽命消耗。

設計(4)為外圍軌道設置馬達、齒輪組與 滑輪組，中心軸只具備旋轉功能，主體建築物 依然設置在旋轉機構上方。此類設計的動力源 主要是來自於外圍軌道的馬達、齒輪組與滑輪 組，並帶動中心軸旋轉。由於驅動馬達與滑輪 組設置在兩側，因此有較佳的空間設計，能夠 設置備用驅動馬達。此外，中心軸內部也能進 行相關電源與線路的配置。該設計能夠藉由 多顆驅動馬達同時驅動滑輪組的轉速或調整速 差，以及藉由外側的滑輪組來承載主體建築 物。此設計在整體維護與零件替換有較佳的方 便性。設計(4)為Flexlab與Skylab的旋轉機構設 計概念。

3.2 建築測試驗證平台旋轉機構初 步設計

本研究在分析各國的旋轉機構設計之後，

圖30　各式旋轉機構設計(本研究整理繪製)

依前述圖30的設計(4)概念為主，並額外將國內 的建築設計需求以及地理因素納入考量，另外 設計一組適合應用於國內的旋轉機構與主體建 築物。本計畫所設計的旋轉機構除了外圍軌道 設置馬達、齒輪組與滑輪組，中心軸只具備旋 轉功能之外，另設置一組抗震機構，防止國內 發生地震時，減少主體建築物的晃動，以及預 防旋轉機構的滑輪組脫離軌道。主體建築物的 設計則是參考Flexlab與Skylab的設計概念，並 將國內建築常用的設計概況一起納入考量。

目前建築測試驗證平台的設計概念與初 稿，如圖31所示。建築測試驗證平台的設計也 區分為旋轉機構與主體建築物。主體建築物的 內部也是由控制室、測試室與比對室所組成。

此主體建築物的尺寸與Skylab相似之外，另有 一些設計概念不同於Flexlab和Skylab。本計畫 的主體建築物共有三個立面能夠替換材料，除 了能夠多樣性替換外牆材料進行測試之外，還 具有陽台與天窗的測試功能；此陽台功能的立 面，具有可移動距離的設計，能夠測試不同深 度的陽台與室內空間條件。

本主體建築物另外具有陽台與天窗設計 的原因，主要是國內有些建築物具有陽台或天 窗的設計(如圖31)，因此本研究將這些功能納 入主體建築物的設計考量。此外，主體建築物 與旋轉機構的接合，採用略為架高式地板的設 計，此架高空間具有管線連接與收藏的功能。

旋轉機構分別由抗震機構、軌道墩柱、轉動軌 道、伺服馬達、滑軌與齒輪組所構成；細部組

成可分為上下盤結構設計(鋼構與Deck板所構 成)、基礎層與隔震層結構 (隔震墊×13組與阻 尼器×18組)設計，如圖32~圖35所示。此旋轉 機構能夠由0^o旋轉至360^o，再由360^o迴轉至0^o； 最快轉速為1小時轉動360^o。

圖31　 建築測試驗證平台初步設計圖(本研究繪 製)

圖32　 主體建築物與平台上盤之俯向視角設計 圖(本研究繪製)

圖33　 旋轉平台之基礎層與隔震層結構設計(本 研究繪製)

圖34　旋轉機構之上盤結構設計(本研究繪製)

進一步地，考量平台規劃設置於台南沙崙 科學城D區位置鄰近建築障礙物遮蔭問題，以 避免實驗量測結果之信賴度。本研究利用日照 模擬軟體，確認建築測試驗證平台與鄰近建築 物的陰影狀況；由圖36與圖37的建築物陰影模

擬概況，其結果顯示建築測試驗證平台設置於 D區左上方，受到鄰近建築物陰影影響的機率 並不高。

此外，D區外側的高鐵架橋陰影是否會對 建築測試驗證平台造成影響，也由模擬結果指 出，在冬季的時候約下午4點30分，高鐵台南 站的建築物陰影會影響到建築測試驗證平台，

而在夏季約下午5點30分會影響到建築測試驗 證平台。由此結果可知，若要進行日照或面向 陽光的相關試驗，則只能在上述的時間前進行 試驗；當高鐵陰影開始影響建築測試驗證平台 的時段，便不適合進行日照或面向陽光的相關 試驗。若需要進行特定外部的遮蔭試驗，可在 建築測試驗證平台的外部區域進行其他建物搭 建，或者佈置各種植栽，藉此測試特定遮蔭條 件對建築測試驗證平台的影響性。

4. 建築測試驗證平台之研究 主題規劃

由國內外建築相關法規、政策與技術發展 可知，均是建築節能技術有所發展之後，相關 政策和法規才會再有後續的修訂與推廣；因此 建築技術的發展以及相關研究、應用的檢測便 是相當重要的議題。本建築測試驗證平台除了 參考Flexlab和Skylab所具有的相關功能之外，

亦將國內建築需要檢測的部分納入設計考量。

此外，國內現今執行的建築相關標章可分 為：(一)綠建築標章、(二)綠建材標章與(三)智 慧建築標章。(一)綠建築標章主要有九大評估 指標系統，(1)生物多樣性指標、(2)綠化量指 標、(3)基地保水指標、(4)日常節能指標、(5) CO2減量指標、(6)廢棄物減量指標、(7)室內 環境指標、(8)水資源指標、(9)污水垃圾改善 指標。(二)綠建材標章依據建築生命週期「資 源採取、製造、使用、廢棄再生」訂定四大範 疇，並分類為健康、再生、生態、高性能。主 要通則分為一般要求(環境保護、性能標準、安 全規範)與限制物質(重金屬、石綿、放射線、

圖36　 建築測試驗證平台設置位置與陰影概況 一(本研究繪製)

圖37　 建築測試驗證平台設置位置與陰影概況 二(本研究繪製)

圖35　旋轉機構之下盤結構設計(本研究繪製)

毒性物質、管制品)。(三)智慧建築標章主要 有八大評估指標，(1)綜合佈線指標、(2)資訊 通信指標、(3)系統整合指標、(4)設施管理指 標、(5)安全防災指標、(6)節能管理指標、(7) 健康舒適指標、(8)智慧創新指標。此類標章主 要目的為增進建築技術、健康居住環境、智慧 化管理與控制…等；但隨著科技研究的進步發 展，原有的標章內容規範與評定方式，也會需 要有新的研究成果來增減評定項目或改變規範 內容。例如，人體舒適度與生活便利性的評估 方式，可依照不同需求與樣貌之建築物(集體住 宅、長照機構、營區、學校…等)，額外增修評 估方式，此時便需要有許多的理論與實驗數據 (如，不同年齡的舒適度標準、建築設計、建 材、室內外環境、能源消耗、日照與遮蔭、監 控與管理)來作為參考依據。此建築測試驗證平 台具有多功能的檢測能力，目前依據國內外建 築相關的重點研究議題，以及建築測試驗證平 台的整體功能，分別規劃出7大研究主題。此7 大研究主題分為『室內環境、室外環境影響、

效能建材、智慧化管理、能源效率、能環大數 據、系統整合分析』，各主題之間的研究或檢 測結果會保持著相互關連的影響性；而各大主 題可依研究類型，再細分研究或檢測主題。分 項敘述如下：

(1) 室內環境：研究內容為建築物內部環境，

依照建築相關評估指標，或自訂內部環境條 件，分別列出音、光、熱、氣、水、室內建 材裝修等項目，並探討不同日照或遮蔭方位 的相互影響性。相關研究成果可再擬定分題 為室內環境健康綜合分析(IEH)、室內空間 效應與綜合檢測、室內裝修材料效應、室內 與環境品質監測與控制、法規、標準和標章 之建立與修訂，由於測試參數相當多元，因

此可藉由建築測試驗證平台的測試室與比對 室，來加速成果的取得。

(2) 室外環境：室外空氣品質、PM2.5、環境噪 音、室外遮蔭、與全球暖化…等因素，對建 築物的影響性可藉由空氣品質監測設備、固 定源檢測資料庫、風速、風向、雨量等量測 設備，進行一系列的探討，包含微環境管理 與技術、環境資料庫彙整、微環境模擬分 析、微環境污染監測與防制。此外，亦可參 考Flexlab目前正在發展的Skycam技術(檢測 並記錄外界環境影像、風速、壓力、溫度、

濕度…等變化)，發展適合國內應用的戶外 檢測技術與設備。

(3) 效能建材：主要是檢測各類新研發之建材效 能，包含智慧建材、創能建材、節能建材 等；藉此評估各類建材的節能、創能效益、

成本效益以及協助改善建築物本體性能之參 考依據；並且也能夠引進國外建材性能檢測 技術或被動房設計與驗證的方法，檢測目前 國內常用建材的效能表現。相關成果能夠與 現有建材標章搭配比對，以及能成為相關法 規修訂之參考依據。

(4) 智慧化管理：此分項主要是將硬體設施、建 築設計融合資通訊主動感知器與主動控制技 術，藉由建築測試驗證平台的檢測與驗證，

使其達到安全、健康、便利、舒適、節能，

營造人性化的生活空間為目標之智慧化管 理；相關成果能再延伸室內環境、建築節能 智慧化管理、既有建築智慧化改善及創新智 慧化元件開發之課題。

(5) 能源效率：建築測試驗證平台能夠針對各類 建築物耗能、創能、儲能與節能裝置，進行 分析探討以及提出改善方式；相關議題包 含冷凍空調設施、照明系統、加熱與動力 設備，再生能源系統(風能、太陽熱能與電 能)、儲能系統(各類電池)。各項設備檢測與 驗證的方式分為：能源產生效率、能源使用 量、耗能指標、能源流向、電力流向、能源 使用調度…等，可將較佳的成果導入建築設

計規劃或既有建築的改善建議，藉此提高建 築物之能源使用效率。

(6) 能環大數據：建築測試驗證平台能夠進行多 樣化的檢測與試驗，因此會擁有許多大量的 數據，這些數據能夠藉由大數據技術來進行 分析，如大規模並行處理(MPP)資料庫，分 散式文件系統，分散式資料庫，雲計算平 台，互聯網，和可擴展的存儲系統。此外，

本研究能夠建置建築及環境資料庫系統，並 藉由能源及環境的大數據分析技術，研擬整 合人工智慧技術發展自動化管理與決策的應 用程式。

(7) 系統整合分析：現今各種自動化服務系統不 斷的創新，如空調系統、電力系統、照明系 統、門禁控制、通訊系統、防災系統、安全 警報系統、環境管理系統、節能系統…等，

但此類應用系統，常由不同廠商製造，因而 各系統之間，有時無法整合及運用，彼此間 的訊息也無法相互溝通與綜合協調運用，因 而限制了建築物整體服務管理的成效，也阻 礙了建築物未來的永續發展。建築測試驗證 平台除了能夠進行各項設備的檢測之外，還 能夠用來發展各項系統之間的通訊或整合控 制技術。藉由系統整合的運作，能夠提高建 物綜合管理的效率，以及降低營運成本，更 可因應突發事件而將災害降至最低。

5. 結　　論

本研究目前參考Flexlab與Skylab的外觀功 能與旋轉機構，擷取相關優點與國內地理環 境、建築特色，設計適用於國內相關檢測的建 築測試驗證平台。本研究所設計的旋轉機構具 有抗地震的性能；建築外殼主要分為可替換的 面牆、可變陽台深度距離、天窗…等多項功 能。此建築測試驗證平台的整體檢測項目包 含，建築相關的軟硬體系統整合、日照與方位 影響、單一材料或綜合組件的相互作用檢測(例 如、照明、窗口、外觀、插頭負載控制系統…

等)、以及相關硬體或感知器的智慧化控制，並 且能夠將各項檢測結果以大數據的方式進行分 析。

目前規劃建築測試驗證平台能夠進行『(1) 室內環境、(2)室外環境、(3)效能建材、(4)智 慧化管理、(5)能源效率、(6)能環大數據、(7) 系統整合分析』等7大研究主題。由於相關研 究參數眾多，因此能夠借助建築測試驗證平台 的多功能性與比對性(測試室與比對室)，減少 實驗的期程，後續相關研究成果除了能夠建立 建築設計與相關設備的數據資料庫之外，亦能 納入修訂綠建築標章、綠建材標章、智慧建築 標章，以及相關建築法規與能源標章的參考依 據。

誌　　謝

本計畫經濟部能源科技研究發展計畫「建 置應用於亞熱帶氣候之智慧型節能建築測試驗 證平台」經費支持，並由財團法人工業技術研 究院協助指導，方得以順利完成階段性研究工 作，於此謹申謝忱。

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The Construction Design and Planning of the Test Verification Platform of the Smart Building in the

Subtropical Climate

Ta-Hui Lin

Yen-Jong Chen

Chun-Kuei Chen

Yi-Chang Chaing

Hsun-Ku Lee

Chen-Yu Chiang

Ting-Ke Tseng

Kuei-Chao Chang

Chao-Hong Lu

Ming-Shan Jeng

ABSTRACT

The government is executing a plan for Shalun Smart Green Energy Science City, there are includes the construction of green energy technology test platform and energy-saving technology development for the building. This plan's main purpose is to promote the exchanges between the industry, government, university institutions at home and abroad, and improve the development of the green energy industry. The test and verification platform of the intelligent energy-saving building in subtropical climate can be used to testing the building energy-saving technologies or related products. The experimental test results can be compared with the theoretical calculations. The test verification platform of the building is the first building in the subtropical climate. This research focuses on the design of the rotating mechanism and the building shell in the early stage and refers to the US Flexlab (temperate climate), Singapore Skylab (tropical climate) related design and domestic building test requirements. The rotating mechanism has anti-earthquake performance; the building shell is mainly divided into a replaceable wall, variable balcony depth distance, and scuttle. The test verification platform of the building is currently planned to carry out seven research themes such as "indoor environment, outdoor environment, performance building materials, intelligent management, energy efficiency, energy- environment big data, system integration analysis".

Keywords:

Received Date: August 21, 2018 Revised Date: October 4, 2018 Accepted Date: November 8, 2018

1 Director, Research Center for Energy Technology and Strategy, National Cheng Kung University.

2 Vice Director, Research Center for Energy Technology and Strategy, National Cheng Kung University.

3 Research Team, Research Center for Energy Technology and Strategy, National Cheng Kung University.

4 Division Director, Green Energy and Environment Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute.

*Corresponding Author, Phone: +886-6-2088420, E-mail: [email protected]