114 年 國立成功大學建築學系碩士班己組《建築物理及設備》

核心觀念

**餘（迴）響時間（Reverberation Time, 記作 $RT$ 或 $RT_{60}$）**是建築聲學與室內音質評估中最核心的物理指標。

1. 基本定義：
   室內音源停止發聲後，室內聲能密度衰減至原來的百萬分之一（即聲能衰減 $10^{-6}$，相當於聲壓級降低 $60\text{ dB}$）所需的時間（單位：秒，$\text{s}$）。
2. 經典理論公式：
   • 賽賓公式（Sabine Formula）（適用於吸音量較小、擴散良好的常規大空間）： $$RT_{60} = \frac{0.161 \times V}{A}$$ 其中：
     • $V$ 為房間容積（$\text{m}^3$）。
     • $A = \sum S_i \alpha_i$ 為室內總等效吸音量（$\text{m}^2 \text{ Sabine}$），$S_i$ 為各室內表面積（$\text{m}^2$），$\alpha_i$ 為對應材料的吸音率（無因次）。
     • 係數 $0.161$ 源自聲速在常溫（約 $20^\circ\text{C}$）下的常數轉換 $\left(\frac{24 \ln 10 \cdot V}{c \cdot A}\right)$。
   • 艾靈公式（Eyring Formula）（適用於高吸音空間）： $$RT_{60} = \frac{0.161 \times V}{-S \ln(1 - \bar{\alpha})}$$ 其中 $S$ 為室內總表面積，$\bar{\alpha} = \frac{A}{S}$ 為室內平均吸音率。

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解題方法

本題為名詞解釋（佔分 10 分）。回答策略應包含「物理定義與衰減值」、「核心計算公式與參數說明」及「建築聲學設計意義與頻率特性」，方能完整拿滿分數。

1. 破題定義：
   明確指出音源中斷後聲壓級下降 $60\text{ dB}$ 之時間差。
2. 寫出數學模式（Sabine 公式）：
   明確列出 $RT_{60} = \frac{0.161 V}{A}$，並定義各符號意義，說明容積越大、吸音量越小則餘響時間越長。
3. 音質設計上的意義與權衡（Trade-off）：

核心觀念

本題考核建築物理光環境領域中最基礎且關鍵的兩個測光物理量（Photometric Quantities）：**照度（Illuminance）與輝度（Luminance）**之物理定義、數學表達式、單位、幾何關係以及兩者於建築採光與照明設計上的評估意涵。

1. 照度（Illuminance, $E$）：

   • 物理意義：受照面單位面積上所接收的光通量（Luminous Flux），代表表面被照亮的「客觀受光程度」。
   • 數學定義： $$E = \frac{d\Phi}{dA}$$ 其中 $\Phi$ 為光通量（單位：流明，$\text{lm}$），$A$ 為受照面面積（單位：$\text{m}^2$）。
   • 單位：勒克斯（Lux, $\text{lx}$），$1\text{ lx} = 1\text{ lm/m}^2$。
   • 建築應用：用於評估工作面（如桌面、作業台）是否有足夠的光線進行視覺作業（例如 CNS 國家標準之照度基準）。

2. 輝度（Luminance, $L$）：

   • 物理意義：光源或反光面在給定方向上，單位投影面積、單位立體角內所發出的光度（Luminous Intensity），代表眼睛朝該方向看時所感受到的「主觀明亮感／刺眼程度」。
   • 數學定義： $$L = \frac{d^2\Phi}{dA \cdot \cos\theta \cdot d\omega} = \frac{dI}{dA \cdot \cos\theta}$$ 其中 $I = \frac{d\Phi}{d\omega}$ 為光度（單位：燭光，$\text{cd}$），$\theta$ 為表面法線與視線（觀測方向）之間的夾角，$dA \cdot \cos\theta$ 為朝觀測方向的正投影面積。
   • 單位：燭光每平方公尺（$\text{cd/m}^2$），舊稱尼特（$\text{nit}$）。
   • 建築應用：用於評估眩光（Glare）、視野舒適度、窗面亮度與視野內的明暗對比（輝度比控制）。

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解題方法

回答建築物理名詞解釋時，應採「定義公式 $\to$ 單位與意義 $\to$ 相互關係推導 $\to$ 建築環境對比與應用」的結構切入，展現系統性論述：

1. 個別定義與物理量分析：
   明確列出照度（$E$）與輝度（$L$）的符號、數學定義式、單位與物理本質（接收 vs. 發出/反射）。

2. 兩者的數學轉換關係（完全擴散面，Lambertian Surface）：
   對於反射率為 $\rho$ 的均勻擴散反射面（遵循朗伯餘弦定律，Lambert's Cosine Law），其反射射出率（Luminous Exitance）為 $M = \rho E$。在半球空間（$2\pi\text{ sr}$）積分後，輝度 $L$ 與照度 $E$ 的轉換關係式為：

核心觀念

本題考查給排水衛生設備系統中的配管工法與產權界面管理。「同層排水（Same-floor Drainage）」是近年綠建築、集合住宅設計及《建築技術規則》修訂中高度關注的排水技術。

• 核心定義：排水器具之橫支管均佈設於「該戶同一樓層的建築空間內」，不貫穿該戶樓地板進入下層住戶的天花板空間，即完成器具排水與橫支管配管，並在同層接入公共立管（排水主立管與通氣立管）。
• 對比概念（傳統隔層排水／降板穿梁）：傳統配管方式通常將排水管貫穿結構樓板，吊掛在樓下住戶天花板下方（穿板吊管）。此模式易引發產權產權不清、維修糾紛、排水噪音干擾以及破壞防水層等問題。

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解題方法

回答名詞解釋題（配分 10 分），切入點應兼顧「精準定義」、「核心技術分類（施工構造）」、「優缺點與特點分析」及「法規與實務應用」四個維度：

1. 精準名詞定義與技術本質：指出管線空間劃分與「產權獨立、產權界線清晰」之關聯。
2. 常見構造作法（主要工法分類）：
   • 降板式同層排水（Sunk Slab System）：將衛浴空間結構樓板局部下沉（通常約 $30 \sim 40\text{ cm}$），管線敷設於降板坑內，經防水處理後回填輕質材料或設架空蓋板。
   • 架高地板式（Raised Floor System）：結構板不下沉，利用輕質墊高層或高架地板形成配管空間，常見於無障礙改造或舊屋翻新。
   • 牆前式／假牆式（In-wall / Front-wall Installation）：利用假牆（如輕鋼架搭配防水板材）隱藏壁掛式馬桶水箱與排水橫支管，器具採壁排式，地面不走管。
3. 系統優點（評分關鍵）：
   • 產權清晰、維修自主：檢修維護不需進入鄰戶空間，避免漏水爭議。
   • 降低排水噪音：無穿樓板直通吊管，有效阻隔沖水與落水之空氣音及固體傳遞音。
   • 空間平面佈置彈性大：器具不受預留樓板穿孔固定位置限制，翻新容易。
   • 減少樓板開孔滲漏風險：不穿透主要受力防水樓板，降低滲漏水隱患。

核心觀念

本題考核建築熱環境控制中評估外殼構造傳熱效能的核心指標——熱穿透率（Overall Heat Transfer Coefficient，簡稱 $U$ 值）。

1. 基本定義：
   $U$ 值表示在穩定傳熱狀態下，當構造體兩側空氣溫差為 $1\ \text{K}$（或 $1^\circ\text{C}$）時，單位時間內穿透單位表面積構造體的熱量。

   • 單位：$\text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$。
   • 物理意義：$U$ 值越小，代表構造隔熱性能越佳，熱流越不容易穿透；$U$ 值越大，散熱與受熱越劇烈。

2. 基本關係式與公式：
   $U$ 值為構造總熱阻（Total Thermal Resistance, $R_t$）的倒數：

   $$U = \frac{1}{R_t}$$

   對於由多層均質材料構成之複合平壁，總熱阻 $R_t$ 為內外表面熱阻、材料層傳導熱阻與中空層熱阻之總和：

   $$R_t = R_i + \sum_{k=1}^{n} R_k + R_a + R_o$$

   其中：

   $$R_k = \frac{d_k}{k_k}$$
   • $R_i$：內表面熱阻（$\text{m}^2\cdot\text{K}/\text{W}$），$R_i = \frac{1}{h_i}$（$h_i$ 為室內側綜合對流與輻射熱傳率）。
   • $R_o$：外表面熱阻（$\text{m}^2\cdot\text{K}/\text{W}$），$R_o = \frac{1}{h_o}$（$h_o$ 為室外側綜合熱傳率，通常受風速影響顯著）。
   • $d_k$：第 $k$ 層材料之厚度（$\text{m}$）。
   • $k_k$：第 $k$ 層材料之熱傳導率（Thermal Conductivity，$\text{W}/(\text{m}\cdot\text{K})$）。
   • $R_a$：密閉中空層熱阻（空氣層之熱阻，$\text{m}^2\cdot\text{K}/\text{W}$）。

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解題方法

回答本題應採層次化論述法，從物理定義、數學推導、法規工程應用至節能策略循序作答，以達申論題 10 分之評分標準：

1. 名詞定義與物理單位：明確寫出中文名稱（熱穿透率）、英文全名（Overall Heat Transfer Coefficient / Thermal Transmittance）與標準 SI 單位 $\text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$。
2. 數學公式與各變數定義：寫出 $U = \frac{1}{R_t}$ 及其展開式，清楚標示表面熱阻（$R_i, R_o$）與材料傳導熱阻（$d/k$），展示對串聯熱阻網絡的推導能力。
3. 法規實務與建築節能意義：
   • 台灣《建築技術規則》建築設計施工編節約能源章節中，針對外牆、屋頂與開口部均有明確的法定 $U$ 值限值（如屋頂平均熱傳透率 $U_{ar} \le 0.8\ \text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$）。

核心觀念

本題考核「建築外殼熱工性能」與「光譜選擇性節能建材」之基本物理原理。核心觀念包含：

1. 熱輻射光譜分佈特性：

   • 太陽輻射（短波輻射）：波長範圍約為 $0.3 \sim 2.5\,\mu\text{m}$，涵蓋紫外線（約 3%）、可見光（約 44%）與近紅外線（約 53%）。
   • 常溫物體再輻射（長波輻射）：建築室內外建材、人體、家具在常溫（約 $-20^\circ\text{C} \sim 50^\circ\text{C}$）下釋放之遠紅外線熱輻射，波長主要分佈於 $2.5 \sim 50\,\mu\text{m}$（峰值約 $10\,\mu\text{m}$ 附近）。

2. 表面放射率（Emissivity, $\varepsilon$）：

   • 描述物體表面發射與吸收長波輻射熱能力的物理量（基於斯特凡－波茲曼定律與克希荷夫定律）。
   • 普通清玻璃表面放射率甚高（$\varepsilon \approx 0.84$），對常溫長波輻射之反射率僅約 16%；而低輻射玻璃藉由奈米級金屬或氧化物鍍膜，使表面放射率大幅降至 $\varepsilon \le 0.15$（高性能甚至可達 $\varepsilon \le 0.03$），對長波遠紅外線反射率達 85% 以上。

3. 中空空氣層輻射傳熱與熱傳透率（$U$ 值）：

   • 密閉空氣層內兩平行玻璃表面間之等效輻射放射率 $E$ 滿足：
     $E = \frac{1}{\frac{1}{\varepsilon_1} + \frac{1}{\varepsilon_2} - 1}$
   • 當其中一面為 Low-E 鍍膜（$\varepsilon_2 \approx 0.05$）時，$E$ 值由原本普通玻璃的約 $0.72$ 遽降至約 $0.05$。因此能大幅阻絕中空層內的輻射熱傳導，大幅壓低窗構件之總熱傳透率（$U$-value）。

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解題方法

解答「低輻射 Low-E 玻璃」之名詞解釋（10 分題），切入點應兼顧「物理定義、光學機制、構造應用、氣候分區與節能效益」四個層次，依序展現系統性架構：

1. 定義與組成：點出全名（Low-Emissivity Glass）、微觀構造（真空濺鍍銀系金屬膜或在線高溫熱解鍍膜）及低放射率指標。
2. 光學與熱力學作用機制：說明其「光譜選擇性」（Spectral Selectivity）——維持高可見光穿透率（$T_v$），同時具備阻絕熱傳導（低 $U$ 值）與阻擋太陽紅外線輻射熱能（低 SHGC）之特性。
3. 複層配置與鍍膜面位選擇：玻璃表面編號由室外向室內依序為 #1、#2、#3、#4 面，因應不同氣候條件（寒冷保溫 vs. 炎熱隔熱）說明鍍膜面最佳配置理由。
4. 建築實務與節能法規效益：說明降低建築外殼節能指標（如台灣《建築技術規則》之 $U$ 值管制與 ENVLOAD）以及空調耗能之成效。

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構件表面與氣候配置分析（無選擇題選項，此處進行鍍膜面位深度解析）

在建築物理應用中，Low-E 鍍膜多置於複層（中空）玻璃內部以保護膜層不受水氣及摩擦破壞。四個表面位置之熱工功能特性分析如下：

• 第 1 面（Surface #1，外片玻璃室外側）：
  直接暴露於大氣環境中，鍍膜極易受酸雨、紫外線及風沙氧化磨損（除少數硬鍍膜外），實務上極少採用。

核心觀念

本題考核建築設備中消防安全設備之「滅火設備」核心體系——自動灑水設備（Automatic Sprinkler System）。考生需掌握其法規定義、系統架構、滅火原理、四大系統分類（濕式、乾式、預動式、開放式）及其在建築防災害設計中的配置要求。

• 法規依據：依據台灣《各類場所消防安全設備設置標準》第二章滅火設備第二節規定。
• 滅火原理：利用初期火災產生的「熱」使灑水頭之感應元件（易熔合金或玻璃球）受熱動作破裂，或是經由火警探測器連動釋放水流，對火源進行水霧連續噴灑，達成冷卻（降溫）、**窒息（水蒸氣隔絕氧氣）與潤濕（防止延燒）**的初期自動滅火目的。
• 基本水力公式：灑水頭放水量計算式：
  $Q = K \sqrt{10 P}$
  其中：
  • $Q$：放水量（$\text{L/min}$）
  • $K$：流量係數（標準灑水頭常取 $80$）
  • $P$：放水壓力（$\text{MPa}$，法定最低放水壓力通常為 $0.1\,\text{MPa}$）

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解題方法

本題為 10 分的解釋名詞題。欲取得滿分，切入架構應涵蓋四大維度：

1. 定義與功能：精準定義自動灑水設備之法規地位與滅火作用。
2. 系統組成元件：由水源至末端依序條列系統骨幹。
3. 四大主要系統型式及適用環境：比較「濕式」、「乾式」、「預動式」、「開放式」的運作機制與適用場域。
4. 法規要求與設計要點：放水量、放射壓力及水源容量的核心設計基準。

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名詞詳細解析

1. 定義與功能

消防自動灑水設備係指由水源、加壓送水裝置（消防泵浦）、管網、流水檢知裝置（報警閥）、自動灑水頭及火警探測連動裝置所構成之水系統滅火設備。當防護區域內發生火災時，感溫構件受熱動作或火警探測器發出信號，即刻自動噴水滅火，並同時發出火警警報，主要用於撲滅**普通火災（A 類火災）**之初期火勢。

2. 系統主要構成

• 水源與加壓送水設備：專用消防水箱、消防加壓泵浦、壓力水箱（定壓控制）、緊急備用電源。
• 管網系統：主管、配水幹管、分枝管及末端查驗管（用以測試末端壓力與警報功能）。
• 流水檢知裝置（閥類）：如濕式警報閥、乾式閥、預動閥等，內含壓力開關，水流流動時發出電氣信號通報防災監控中心。
• 自動灑水頭：
  • 密閉式（Closed-type）：平時噴口由感溫元件封閉，達到動作溫度（如 $68^\circ\text{C}$ 或 $93^\circ\text{C}$）時開啟。
  • 開放式（Open-type）：平時無封閉元件，需藉由手動或感應探測連動一齊開放閥釋放全面水流。

核心觀念

建築空調熱負荷（Air Conditioning Heat Load）是指為維持室內熱舒適與空氣品質，空調系統在單位時間內必須從室內移除的熱量。在建築物理與熱工學中，空調冷房熱負荷依熱源位置分為外熱負荷（External Load）與內熱負荷（Internal Load）；依熱的型態則分為顯熱負荷（Sensible Heat Load）與潛熱負荷（Latent Heat Load）。

其總負荷平衡關係式為：

$$q_{\text{total}} = q_{\text{ext}} + q_{\text{int}} = (q_{s,\text{ext}} + q_{s,\text{int}}) + (q_{l,\text{ext}} + q_{l,\text{int}})$$

各項物理傳熱基本公式包含：

1. 外殼熱傳透（顯熱）：

$$q_c = U \times A \times \Delta T_{\text{eq}} = U \times A \times (T_{\text{out}} - T_{\text{in}})$$

其中 $U$ 為外殼整體熱傳透率（$\text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$），$A$ 為受熱面積（$\text{m}^2$），$\Delta T_{\text{eq}}$ 為當量溫差（考慮太陽日射加成之相當外氣溫度差）。
2. 開口部日射透過（顯熱）：

$$q_r = A_g \times I \times \text{SHGC} \times \text{SC}$$

其中 $A_g$ 為玻璃面積，$I$ 為日射強度（$\text{W}/\text{m}^2$），$\text{SHGC}$ 為太陽熱能獲得係數，$\text{SC}$ 為遮陽係數。
3. 外氣滲透與通風（顯熱與潛熱）：

$$q_{s,\text{vent}} = 1.2 \times Q \times (T_{\text{out}} - T_{\text{in}})$$ $$q_{l,\text{vent}} = 3000 \times Q \times (W_{\text{out}} - W_{\text{in}})$$

其中 $Q$ 為外氣進氣風量（$\text{m}^3/\text{s}$），$W$ 為絕對濕度（$\text{kg/kg}_{\text{da}}$）。
4. 人體熱散逸（顯熱與潛熱）：

$$q_{\text{people}} = N \times (q_{\text{person}, s} + q_{\text{person}, l})$$

其中 $N$ 為室內人數，$q_{\text{person}}$ 為單一人員活動代謝所散發之顯熱與潛熱。
5. 照明與設備散熱（顯熱）：

$$q_{\text{equip}} = P_{\text{light}} \times F_u \times F_s + P_{\text{power}} \times F_u$$

其中 $P$ 為額定功率，$F_u$ 為使用係數，$F_s$ 為安定器特殊係數。

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解題方法

本題屬於申論題型，切入點應採「系統化分類架構」，分兩大主軸答題：

1. 室內空調熱負荷來源解析：系統性拆解外熱負荷（外殼傳導、日射、外氣）與內熱負荷（人員、照明、設備），並標明顯熱與潛熱之物理屬性。
2. 對應節能策略（雙向對稱陳述）：針對上述各項熱負荷成因，分別從**建築計畫（被動式設計，Passive Design）與機械設備手法（主動式系統，Active Systems）**提出對應之具體技術措施。

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詳解內容

一、建築室內空調熱負荷來源

室內空調熱負荷依熱源形成機制，可分為外熱負荷與內熱負荷兩大範疇：

1. 外熱負荷（External Heat Gain）：由室外氣候條件穿透建築外殼進入室內的熱量。

   • 外牆與屋頂傳導熱（顯熱）：室外高溫與太陽輻射加熱建築外表皮，透過固體圍護結構傳導至室內表面，再以對流與輻射形式進入室內。
   • 開口部（門窗）日射直接透過熱（顯熱）：太陽短波輻射直接穿透透明玻璃，被室內地板、家具吸收後轉化為長波輻射滯留室內（溫室效應）。
   • 窗框與玻璃面熱傳導（顯熱）：由室內外乾球溫差所引起的接觸熱傳。
   • 外氣負荷與隙縫滲透（顯熱＋潛熱）：包括符合人體衛生需求引進之機械外氣，以及門窗縫隙滲入（Infiltration）之室外未處理空氣；其中室外高溫構成顯熱負荷，高濕水蒸氣構成潛熱負荷。

2. 內熱負荷（Internal Heat Gain）：由室內人員活動、用電器具及生產作業所產生的自生熱。

   • 人體發熱（顯熱＋潛熱）：人體經由皮膚對流與長波輻射散發顯熱；經由呼吸與排汗蒸發散發大量潛熱（水蒸氣）。
   • 照明散熱（顯熱）：燈具通電發光時伴隨產生的對流熱與紅外線熱輻射。

核心觀念

本題聚焦於**都市微氣候（Urban Microclimate）與都市熱島現象（Urban Heat Island, UHI）的成因與減緩對策，並涉及都市地表能量平衡（Urban Surface Energy Balance）**概念：

$$Q^* + Q_F = Q_H + Q_E + \Delta Q_S$$

其中：

• $Q^*$：淨輻射通量（Net Radiation）
• $Q_F$：人為人造排熱（Anthropogenic Heat Flux），包含建築、交通、工業等廢熱
• $Q_H$：顯熱通量（Sensible Heat Flux）
• $Q_E$：潛熱通量（Latent Heat Flux，蒸發散作用）
• $\Delta Q_S$：都市儲熱變化率（Net Heat Storage within the Urban Fabric）

成大建築己組（建築環境控制、建築物理領域）歷年常考都市微氣候環境議題。本題拆解為兩部分：

1. 人工排熱來源與被動／主動對策：著重在建築系統的能量流動與減排手法。
2. 熱島效應形成機制：從都市三維幾何、熱物理特性、水文蒸散與大氣擴散等綜合物理機制全面說明。

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解題方法

1. 第 (一) 子題（建築排熱種類與減排措施）：

   • 分類原則：由建築生命週期及能源消耗模式切入，分為「空調冷凍機械排熱」、「通風換氣與燃燒廢熱」及「電器設備與人體代謝散熱」。
   • 減緩架構：從「被動式節能（減少進入室內的熱負荷）」、「主動式節能（提升設備轉換效率）」及「排熱回收與水冷散熱」三個層次提出具體方案。

2. 第 (二) 子題（熱島現象成因）：

   • 運用都市能量平衡公式的五大物理機制有系統地作答：
     • 人為廢熱釋放（$Q_F$ 增加）
     • 地表鋪面熱容量大、儲熱多（$\Delta Q_S$ 增加）
     • 綠地減少導致蒸發散作用劇減（$Q_E$ 下降）
     • 都市峽谷（Urban Canyon）幾何構造導致長波輻射捕捉（天空開闊度 SVF 低，淨長波輻射損失少）
     • 粗糙度提高阻礙通風擴散（顯熱 $Q_H$ 無法有效吹散）

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解題技巧

1. 條列化與結構化：申論題切忌一段到底，善用「分類小標題」與「因果機制說明」，閱卷老師能迅速掌握評分點。
2. 結合台灣本土氣候脈絡：台灣屬亞熱帶高溫高濕氣候，夏季空調運轉排熱為熱島惡化的首要人為因子；同時高層密集建築常阻擋海陸風（海風）進入市中心，加註此點可凸顯專業深度。
3. 區分「被動減少熱負荷」與「主動提高設備能效」：答題時若僅回答「冷氣開 26 度」層次過低；應答出「外遮陽／雙層外牆減少空調負荷」、「提高 COP／使用磁懸浮冰水主機」等專業建築物理專有名詞。

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【答案】

(一) 建築常見的排熱種類與降低熱排放之方法

1. 常見排熱（廢熱）種類

• 空調與冷凍系統排熱：室內空氣熱負荷經由壓縮機、冷媒循環運作，由氣冷式室外機（Condenser）或水冷卻水塔（Cooling Tower）直接向戶外微氣候排放高溫冷凝熱。
• 機械通風與廚餘排煙廢熱：排氣系統、中央廚房抽油煙機、熱水鍋爐等設備燃燒與排煙，將高溫廢氣強制排至外部環境。
• 照明、事務電器與電力設備廢熱：室內高瓦數照明、變壓器、伺服器等電能轉換過程中產生的焦耳熱，最終透過外牆熱傳導或空調冷卻排放至室外。