108 年 國立臺灣大學生物環境系統工程學系碩士班乙組《建築環境控制》

本題主要在測試考生對於建築環境控制領域中，幾個重要基本名詞的理解程度。考生需針對每個名詞，清晰、準確地定義其涵義、作用或計算方式。

(1) 熱適應模型 (Adaptive thermal comfort model)
核心觀念：此模型強調人類對於熱環境的舒適感受並非僅由物理參數決定，而是會受到心理、行為及文化等因素影響，且人們會主動調整其行為以適應環境。
詳解：熱適應模型認為，當人們處於非空調建築或對空調有較高期望的環境中時，其熱舒適的標準會隨著時間及過去的環境經驗而有所調整。也就是說，人們可以容忍比傳統PMV/PPD模型所預測的更寬的溫度範圍，因為他們會透過穿著、開窗、使用風扇等方式來適應環境。此模型挑戰了傳統熱舒適標準的普適性，並強調了使用者在建築環境中的主動性。

(2) 自然通風 (Natural ventilation)
核心觀念：利用建築周圍的自然風壓及熱壓差，透過開口（如門窗）進行室內外空氣交換，以達到通風、降溫、排除室內污染物等目的。
詳解：自然通風是一種被動式的通風策略，不需額外機械設備。其驅動力主要有兩種：
a. 風壓差：建築物外側不同部位的風壓不同，此壓力差會驅使空氣由高壓區流向低壓區，進而進入建築物。
b. 熱壓差（煙囪效應）：室內空氣受熱後密度變小，向上流動，從較高的開口排出；同時室外較冷的空氣從較低的開口進入，形成空氣循環。
自然通風的效益取決於外部風速、風向、建築開口設計（位置、大小、開啟度）以及室內外溫差。

(3) 全熱交換器 (Heat recovery ventilator, HRV)
核心觀念：一種機械通風設備，能在引入新鮮室外空氣並排出室內污濁空氣的同時，將排風中的顯熱（溫度）和潛熱（濕度）回收，預熱或預冷進入的新鮮空氣，以節省空調能耗。
(注意：有時也稱為熱回收通風機，但「全熱」強調同時回收顯熱與潛熱。)
詳解：全熱交換器（HRV）的核心是一個熱交換芯體，通常由多層紙或特殊材料製成，具有良好的導熱和透濕性。當室內排風通過熱交換芯體時，其顯熱會傳遞給芯體；當室外引入的新鮮空氣通過芯體時，會從芯體吸收熱量而被預熱（冬季）或預冷（夏季）。同時，由於芯體具有透濕性，排風中的水蒸氣也會傳遞給新鮮空氣，實現潛熱的回收。這使得引入的新鮮空氣在進入室內前，其溫度和濕度都趨近於室內空氣的狀態，大大減少了空調系統的負荷。

本題主要在探討建築空調系統設計中的核心概念——熱負荷計算，以及其與建築能耗的關聯。

(1) 空調熱負荷計算包含哪些內容？(10%)
核心觀念：空調熱負荷是指在特定時間內，為維持室內預設的溫度與濕度條件，空調系統需要移除或增加的熱量總和。計算熱負荷需考量所有影響室內能量平衡的因素。
詳解：空調熱負荷的計算是一個複雜的過程，主要包含以下幾個方面的熱量傳遞：
a. 外部熱負荷 (External Heat Gains)：

• 太陽輻射熱：透過窗戶進入的太陽輻射，以及照射在建築外殼（屋頂、牆面）後傳導進入的熱量。
• 傳導熱：室外溫度與室內溫度不同時，建築外殼（牆壁、屋頂、樓板、門窗）的熱傳導。
• 滲入熱：室外空氣透過建築縫隙滲入室內所帶來的熱量（夏季）、或室內暖空氣滲出所帶來的熱量（冬季）。
  b. 內部熱負荷 (Internal Heat Gains)：
• 人體散熱：室內人員活動所產生的熱量（顯熱與潛熱）。
• 照明設備散熱：燈具產生的熱量。
• 設備散熱：電腦、影印機、家電等設備運轉時產生的熱量。
  c. 潛熱負荷 (Latent Heat Load)：
• 室內人員散發的水蒸氣。
• 室外濕空氣滲入室內所帶來的濕氣。
• 建築材料或家具釋放的濕氣。
• 烹飪、洗浴等活動產生的濕氣。
  這些熱負荷會隨著時間、季節、天氣條件、建築使用狀況等因素而變化。

本題旨在探討都市熱島效應的成因，以及在不同尺度下減緩此現象的策略。

(1) 請說明造成都市高溫化的原因有哪些？並說明其造成高溫化現象之原理。(15%)
核心觀念：都市熱島效應（Urban Heat Island Effect, UHI）是指都市地區的溫度顯著高於其周圍鄉村地區的現象，其成因是多方面的，主要與都市的物理特性及人類活動有關。
詳解：
造成都市高溫化的原因主要有以下幾點：
a. 建築材料的熱物理特性：

• 低反照率 (Low Albedo)：都市中常見的建築材料，如瀝青、水泥、深色屋頂和路面，其太陽輻射反照率（反射率）較低，會吸收大量的太陽能，導致溫度升高。
• 高熱容量與熱傳導性：這些材料也能儲存大量的熱能，並在夜間緩慢釋放，使得都市夜間溫度難以降溫。
  b. 人為熱源 (Anthropogenic Heat)：
• 交通工具排放的廢熱：汽車、公車、火車等交通工具的引擎運轉會產生大量廢熱。
• 建築物空調系統的排放熱：夏季空調系統將室內熱量排放至室外，增加了周圍環境的熱負荷。
• 工業活動與生活熱源：工廠、發電廠、家庭炊事、照明等都會產生額外的熱量。
  c. 建築物形態與都市幾何結構：
• 高樓林立與峽谷效應 (Urban Canyon Effect)：高樓之間的街道形成「都市峽谷」，阻礙了空氣流通，不利於熱量散逸。同時，建築物的牆面和屋頂增加了吸收太陽輻射的表面積。
• 減少植被與水體：都市化過程往往伴隨著綠地、公園和水體的減少。植被透過蒸散作用能有效降溫，水體也能吸收和釋放熱量，這些自然降溫機制被削弱。
  d. 空氣污染物與溫室效應：
• 懸浮微粒 (Particulate Matter, PM)：懸浮微粒可以吸收和散射太陽輻射，可能在白天產生一些遮蔽效應，但在某些情況下（如長期累積）也可能吸收長波輻射而加劇地面溫度。
• 溫室氣體：都市活動產生的溫室氣體，雖然主要影響全球氣候，但在局部區域也可能對溫度有一定貢獻。

造成高溫化現象的原理：
都市熱島效應的原理是多種因素的疊加。首先，都市表面材料的低反照率和高吸熱性使得建築物和路面吸收了更多的太陽能。這些吸收的能量大部分以顯熱形式釋放到周圍空氣中。其次，人為活動不斷向環境釋放額外的熱量，相當於為都市「加熱」。再者，都市的幾何形態（如都市峽谷）限制了空氣的對流和風的流動，使得熱量難以有效散失。同時，蒸散作用的減少（因為植被和水體減少）也削弱了自然降溫能力。這些因素共同作用，導致都市地區的平均溫度，尤其是在夜間，顯著高於周圍的鄉村地區。

(2) 為減緩都市熱島效應,在都市尺度與建築尺度下有哪些可行之策略？(15%)
核心觀念：減緩都市熱島效應需要從宏觀的都市規劃到微觀的建築設計，採取一系列綜合性的策略。
詳解：
A. 都市尺度策略 (Urban Scale Strategies)：

本題旨在探討不同類型建築的節能對策，強調建築節能策略的選擇需要根據建築的使用特性、空調系統類型及環境條件進行客製化。

(1) 全年中央空調型辦公建築的節能對策與原理 (10%)
核心觀念：辦公建築通常有較高的室內人員密度、設備使用率，且全年需要穩定的溫濕度控制，因此其節能策略著重於優化空調系統效率、減少內部熱源、善用自然資源以及提升建築圍護結構性能。
詳解：
a. 提升空調系統效率與控制：

• 變風量系統 (Variable Air Volume, VAV)：根據各區域實際的熱負荷需求，自動調整送風量，避免過度送風造成的能源浪費。
• 熱回收通風機 (HRV/ERV)：如前所述，回收排風中的顯熱和潛熱，預處理引入的新鮮空氣，減少空調負荷。
• 高效能空調設備：選用能效比 (EER/COP) 高的冰水機、風機、水泵等。
• 精確的溫濕度控制：利用先進的建築物自動化系統 (BAS)，精確控制各分區的溫度和濕度，避免過度製冷或製熱，並可依據不同時段（如夜間、週末）調整設定點。
• 採用自然冷源：在氣候條件允許的季節（如涼爽的春秋），利用室外低溫空氣或冷卻水塔進行「節能模式」或「自然冷卻」，減少壓縮機運行時間。

b. 減少內部熱負荷：

• LED 照明與智慧照明控制：更換為高效率的 LED 燈具，並配合感應器（如人體感應、日光感應）進行自動調光或關閉。
• 高效率辦公設備：選用節能標章的電腦、影印機等設備，並推動「節能模式」使用。
• 優化人員配置與動線：合理規劃空間，減少不必要的加熱或製冷區域。

c. 提升建築圍護結構性能：

• 高性能窗戶：採用低輻射 (Low-E) 塗層、中空玻璃，並輔以適當的外部遮陽（如百葉、遮陽板），減少太陽輻射進入。
• 優良的隔熱材料：提高牆體和屋頂的隔熱性能，減少熱傳導。

d. 善用自然資源：

• 自然通風（輔助）：在室外溫度和風速適宜時，可有限度地引入室外空氣，輔助空調系統，減少運行時間。

原理：辦公建築的節能策略，核心在於「精確控制」和「效率優化」。由於其全年、全時段的空調需求，任何微小的節能措施都能累積可觀的年節省量。透過 VAV 系統、熱回收、高效能設備、智慧控制及圍護結構的優化，直接減少空調系統的總體能耗。