111 年 國立成功大學建築學系碩士班庚組《建築物理及設備》

此題為解釋名詞題，主要在測試考生對建築物理與設備基本名詞的理解程度。

1. 熱島現象 (Urban Heat Island Effect)

   • 定義： 指都市地區的氣溫明顯高於周圍郊區的現象。此現象的產生是多重因素交互作用的結果，包括人造地物的熱特性、都市幾何形狀、人類活動排放的熱量、以及空氣污染物的影響等。
   • 原因：
     • 建材熱特性： 都市中大量使用混凝土、瀝青等吸熱材料，其比熱容較大，白天吸收大量太陽輻射，夜間再緩慢釋放，導致夜間溫度居高不下。
     • 都市幾何形狀： 建築物密集且高聳，形成「街谷」效應，阻礙了夜間的輻射冷卻，並可能加劇熱空氣的滯留。
     • 人為熱源： 建築物空調系統、工業製程、交通工具、及人體本身都會散發熱量。
     • 缺乏植被與水體： 都市綠地和水體面積減少，降低了蒸散冷卻的效果。
     • 空氣污染物： 懸浮微粒可能吸收或散射太陽輻射，影響地表溫度。
   • 影響： 增加夏季空調負載、影響人體健康（如熱衰竭、熱中暑）、加劇空氣污染（如臭氧生成）、影響生物多樣性。
   • 緩解對策： 增加綠化面積（屋頂綠化、垂直綠化）、使用淺色、高反射率的建材（如冷屋頂）、設置水景、改善都市通風設計。
     【答案】都市地區相較於周圍郊區，在夜間或無風時，其氣溫明顯較高的現象。主因是都市建材吸熱、人為熱源排放、缺乏植被蒸散冷卻，以及都市幾何形狀阻礙輻射冷卻所致。

2. 黑球溫度計 (Black Globe Thermometer)

   • 定義： 是一種測量人體感受溫度（熱輻射強度）的儀器。它由一個中空的銅球組成，外層塗有消光黑漆，內部中心裝有溫度計。
   • 原理： 黑球的消光黑漆能有效吸收來自四周的熱輻射（包括太陽輻射、建築物表面輻射、人體輻射等）。球體吸收輻射後溫度升高，再透過熱傳導將熱量傳遞給內部的溫度計，測得的溫度即為黑球溫度。
   • 用途： 黑球溫度計是人體熱舒適性評估的重要指標之一，特別是在考慮輻射熱的影響時。它結合了空氣溫度、平均輻射溫度（Mean Radiant Temperature, MRT）的影響，提供一個綜合的輻射熱指標。
   • 優缺點：
     • 優點：能綜合考慮輻射熱的影響，提供比單純空氣溫度更貼近人體感受的指標。
     • 缺點：測量值受風速影響較大（因風速影響球體對流散熱），且不直接反映空氣溫度或濕度。
   • 計算： 在某些熱舒適性指標（如PMV/PPD）的計算中，黑球溫度可作為估算平均輻射溫度的基礎。
     【答案】一種測量人體感受溫度（特別是輻射熱強度）的儀器，由塗有消光黑漆的空心銅球及內藏溫度計組成。其原理是透過吸收來自四面八方的熱輻射來升高球體溫度，再傳導至溫度計讀值，用以評估人體在輻射熱環境中的感受。

3. 存水彎 (Trap)

   • 定義： 安裝在排水管路（如洗手台、浴缸、馬桶、地漏等）下方的一段彎曲管路，其彎曲處會儲存少量水。
   • 功能： 主要作用是利用儲存在彎曲處的水形成「水封」，阻止排水管內部的臭氣、病菌、及小蟲等從排水口進入室內空間，維持室內衛生與空氣品質。
   • 種類：
     • P 型存水彎： 最常見，安裝在牆壁排水口前，形狀似英文字母 P。
     • U 型存水彎： 較少見，通常用於地上排水。
     • S 型存水彎： 形狀似英文字母 S，常見於馬桶下方。
     • 地漏存水彎： 集成在地漏結構內。
   • 注意事項：
     • 水封高度需足夠（一般為 50mm 左右），但也不能過高，否則可能因虹吸作用而失效。
     • 需定期檢查水封是否乾涸（如長期不使用的排水口），以免失去防臭功能。
     • 管路應有適當坡度，確保排水順暢，避免積垢。
       【答案】安裝於排水器具下方的一段彎曲管路，其彎曲處能蓄存少量水，形成水封，以阻擋排水管內部的惡臭、病菌和小蟲等進入室內空間，維持衛生。

4. 室内消火栓 (Indoor Fire Hydrant / Fire Hose Reel)

第一題　敘述建築方位角及開窗形式和建築節能關係

核心觀念

本題考查「太陽輻射、建築方位、開窗設計」三者對空調負荷與照明耗能的影響。

建築方位角通常以建築物主要立面法線相對於正北方向的水平角度表示，採順時針方向量測：

• 正北：$0^\circ$
• 正東：$90^\circ$
• 正南：$180^\circ$
• 正西：$270^\circ$

窗戶是建築外殼中熱傳導阻力較小的部位，也是太陽輻射進入室內的主要途徑。窗戶造成的熱得主要包括：

$$Q_{\text{solar}}=A_g \times I \times SHGC$$

其中：

• $A_g$：玻璃面積
• $I$：窗面所受太陽輻射強度
• $SHGC$：太陽熱得係數

窗戶的傳熱量則可表示為：

$$Q_{\text{conduction}}=U \times A_g \times \Delta T$$

其中 $U$ 值越小，表示窗戶隔熱性能越好。

解題方法

可依「方位影響 → 開窗形式 → 遮陽與玻璃性能 → 綜合節能策略」說明。

1. 方位與太陽輻射的關係

在臺灣，夏季太陽高度角較高，東、西向低角度日射明顯；冬季太陽高度角較低，南向日射較容易進入室內。

• 南向立面：全年日射角度變化較有規律，適合設置水平遮陽板。夏季可遮蔽高角度日射，冬季仍可引入低角度日射。
• 東向立面：早晨受到低角度日射，水平遮陽效果有限，宜使用垂直遮陽、活動百葉或外遮陽格柵。
• 西向立面：下午受到低角度且高熱負荷日射，室內容易產生過熱，是最需要控制的方位。宜減少開窗面積，採垂直遮陽、深窗、外側格柵或綠化遮蔭。
• 北向立面：直接日射相對較少，但仍須注意天空散射光、冬季斜射日光與窗戶傳熱。

2. 開窗面積與窗牆比

窗牆比可表示為：

$$WWR=\frac{A_{\text{window}}}{A_{\text{wall}}}$$

窗牆比增加可改善採光與視覺品質，但也會增加：

• 夏季太陽熱得
• 冬夏季空調負荷
• 窗戶傳導熱
• 眩光風險

因此，並非窗戶越大越節能。應依方位、遮陽、玻璃性能及室內用途決定合理窗牆比。

3. 開窗形式與節能效果

• 固定窗：氣密性與水密性較佳，但無法自然通風。
• 推射窗、外推窗：可提供較大的有效通風面積，適合自然通風。
• 上懸窗：可在下雨時維持部分通風，並有利於排出上部熱空氣。
• 雙向開窗：配合室內隔間與風向，可形成穿堂風，提高自然通風效率。
• 高側窗或天窗：可利用熱浮力與高低開口形成煙囪效應，但須控制日射與眩光。
• 深窗或凹窗：利用牆體深度形成自遮陽，降低直射日射。
• 雙層帷幕或雙層窗：中間形成通風層，可降低外界熱負荷，但構造與維護成本較高。

4. 玻璃與遮陽設計

節能窗戶應同時控制太陽熱得與室內熱逸散，可採用：

• 低輻射玻璃（Low-E glass）
• 複層玻璃
• 適當遮陽係數與 $SHGC$
• 外遮陽板、水平遮陽、垂直遮陽
• 活動百葉與外遮陽簾
• 窗框斷熱設計
• 良好氣密與水密性能

外遮陽通常比室內遮陽有效，因為外遮陽能在太陽輻射進入玻璃前先行阻擋熱量。

解題技巧與常見陷阱

1. 判斷方位時，應依「立面朝向」判斷，不是依室內人員面向判斷。
2. 東、西向日射高度低，垂直遮陽較有效；南向高角度日射，水平遮陽較有效。
3. 增加窗戶不一定節能，必須同時考慮採光、通風、熱得、傳熱及眩光。
4. 夏季節能的優先順序通常是「先遮陽，再改善玻璃性能，最後調整空調」。
5. 自然通風必須配合兩側開口、高低開口、風向與室內平面，單一開口的通風效果有限。

【答案】

建築方位會改變窗面接受太陽輻射的時間、角度與強度。臺灣建築宜控制東、西向開窗，西向尤其應減少窗牆比並設置垂直遮陽；南向可採水平遮陽，以遮蔽夏季高角度日射並保留冬季日射。開窗形式應依採光、通風、遮陽與氣密需求選擇，並搭配低 $U$ 值玻璃、低 $SHGC$ 玻璃、外遮陽、合理窗牆比及自然通風設計，以降低空調與照明耗能。

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第二題　熱傳遞三種方式及達成室內熱舒適性的設計手法

核心觀念

熱傳遞是熱量因溫度差由高溫處移向低溫處的過程，主要有三種方式：

1. 傳導（Conduction）
2. 對流（Convection）
3. 輻射（Radiation）

室內熱舒適性不只取決於空氣溫度，還與平均輻射溫度、相對濕度、風速、代謝量及衣著量有關。人體熱平衡可概念化表示為：

$$M-W=C+R+E+S$$

其中：

• $M$：人體代謝產熱
• $W$：人體對外作功
• $C$：對流散熱
• $R$：輻射散熱
• $E$：蒸發散熱
• $S$：人體蓄熱量

當人體產熱與散熱大致平衡，且無局部不舒適現象時，較能達到熱舒適。

解題方法

依三種熱傳遞方式逐一說明，再將每種熱傳遞方式對應到建築設計手法。

一、傳導

定義

熱量透過固體材料內部由高溫側傳向低溫側，牆、屋頂、樓板、門窗均有傳導熱。

平面穩態傳導可表示為：

$$Q=\frac{kA\Delta T}{L}$$

其中：

• $k$：材料熱傳導係數
• $A$：傳熱面積
• $\Delta T$：兩側溫差
• $L$：材料厚度

建築外殼常以熱傳導係數 $U$ 值表示：

$$Q=UA\Delta T$$

$U$ 值越小，隔熱性能越好。

建築設計手法

• 增加外牆、屋頂及樓板的保溫層厚度。
• 使用低熱傳導係數材料。
• 採用複層牆、通風外牆及隔熱屋頂。
• 減少熱橋，例如梁柱、樓板邊緣及金屬連接件。
• 使用斷熱窗框與複層玻璃。
• 屋頂採用高反射率材料、綠屋頂或隔熱層。
• 控制外殼氣密性，避免熱量隨縫隙空氣交換而流失。

二、對流

定義

流體因流動而傳遞熱量。建築中的流體主要是室內外空氣。

• 自然對流：因溫度差造成密度差，產生浮力流動。
• 強制對流：利用風扇、空調機或機械設備促使空氣流動。

對流熱傳可表示為：

$$Q=hA(T_s-T_a)$$

其中：

• $h$：對流熱傳係數
• $T_s$：表面溫度
• $T_a$：空氣溫度

建築設計手法

• 設置可開啟窗，利用自然風進行通風換氣。
• 採用對向開口形成穿堂風。
• 利用高低開口形成煙囪效應。
• 設置中庭、通風井與天窗，促進熱空氣上升排出。
• 配合建築朝向與風向配置開口。
• 以風扇、吊扇提高室內空氣速度，增強人體蒸發與對流散熱。
• 空調送風口應避免直接吹向人體，以免產生吹風不適。
• 控制風速，過低無法散熱，過高則容易造成冷風感與局部不舒適。

三、輻射

定義

物體以電磁波形式交換熱量，不需透過空氣或其他介質。人體會與牆面、窗戶、屋頂及地板交換長波輻射熱。

輻射熱交換可概念化表示為：

$$Q_{\text{rad}}=\varepsilon \sigma A\left(T_1^4-T_2^4\right)$$

其中：

• $\varepsilon$：表面放射率
• $\sigma$：史蒂芬－波茲曼常數
• $A$：輻射交換面積
• $T_1,T_2$：絕對溫度

建築設計手法

• 設置外遮陽，降低玻璃表面溫度。
• 使用低輻射玻璃，降低長波輻射交換。
• 採用隔熱牆與隔熱屋頂，降低室內表面溫度。
• 使用高反射率屋頂，減少太陽短波輻射吸收。
• 以綠化、雨遮、深窗及遮陽棚降低外殼受熱。
• 使用輻射冷暖天花板時，應控制表面溫度與結露風險。
• 降低室內表面溫度差，可避免人體受到過強的冷輻射或熱輻射。

四、綜合熱舒適設計

建築設計應依「被動式設計優先，主動式設備輔助」的原則：

1. 先利用方位、量體、遮陽及外殼隔熱降低熱負荷。
2. 再透過自然通風、採光及風扇改善室內環境。
3. 最後使用空調、除濕、加熱及通風設備補足不足部分。
4. 控制室內溫度、濕度、風速與平均輻射溫度。
5. 避免冷凝水、熱橋、局部吹風、眩光及室內表面溫差過大。

解題技巧與常見陷阱

• 傳導看「材料與厚度」；對流看「空氣流動」；輻射看「表面溫度與電磁波」。
• 人體感覺很熱，不一定是空氣溫度高，也可能是窗戶或牆面造成平均輻射溫度升高。
• 增加風速可改善夏季熱舒適，但在冬季可能造成冷風感。
• 保溫只處理傳導，遮陽主要處理太陽輻射，自然通風主要處理對流，三者不能混為一談。
• 臺灣夏季高溫高濕，除降低溫度外，除濕也是達成熱舒適的重要措施。

【答案】

熱傳遞有傳導、對流及輻射三種。傳導是熱量透過固體材料傳遞，設計上可藉由保溫材料、複層外殼、斷熱窗框及減少熱橋降低熱傳；對流是流體流動造成熱傳，設計上可利用穿堂風、煙囪效應、機械通風及風扇調節室內空氣；輻射是物體以電磁波交換熱量，設計上可利用外遮陽、低輻射玻璃、高反射屋頂及隔熱外殼降低輻射熱得。三者配合溫度、濕度、風速、平均輻射溫度、代謝量及衣著量控制，才能達到室內熱舒適。

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第三題　地下 1 層、地上 7 層建築之中央重力給水系統

核心觀念

中央重力給水系統是將自來水先儲存於地下受水槽，再由水泵提升至屋頂高架水槽，利用高架水槽與各用水器具之間的高程差，以重力向下供水。

系統基本流程為：

$$\text{自來水管} \rightarrow \text{受水槽} \rightarrow \text{水泵} \rightarrow \text{高架水槽} \rightarrow \text{重力下降管} \rightarrow \text{各樓層用水器具}$$

水壓主要由高架水槽水面與用水點的高程差產生：

$$P=\rho g h$$

其中：

• $P$：靜水壓
• $\rho$：水的密度
• $g$：重力加速度
• $h$：水面與用水點間的高差