109 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》

本題主要在於測試考生對於建築環境控制與節能相關的核心名詞定義與其在建築節能上的應用意義的理解程度。

(1) SHGC (Solar Heat Gain Coefficient)
定義：SHGC 是指建築物玻璃或窗戶組件，在承受太陽輻射時，能讓多少比例的太陽熱能進入室內的無因次參數。它包含了通過玻璃的直接傳導熱以及玻璃吸收輻射後再傳導進入室內的熱。
在建築節能上的意義：SHGC 值越低，代表透過玻璃進入室內的太陽熱能越少，有助於降低建築物在夏季的空調負載，進而達到節能效果。對於位於炎熱氣候區的建築，選擇低 SHGC 的玻璃是重要的節能策略。

(2) 熱質量 (Thermal Mass)
定義：熱質量是指建築材料儲存和釋放熱能的能力。通常由材料的密度、比熱容和厚度決定。具有高熱質量的材料（如混凝土、磚塊）可以吸收大量的熱能，並在溫度下降時將其釋放出來。
在建築節能上的意義：在高熱質量的建築中，白天可以吸收室內多餘的熱量（包括太陽輻射和室內設備產生的熱），使室內溫度變化趨緩，減少空調需求。到了晚上或溫度較低時，可以將儲存的熱量釋放回室內，提供一定的供暖效果，尤其適合日夜溫差大的氣候。

(3) 日射反射率 (Albedo)
定義：Albedo 是指物體表面反射太陽輻射的能力，是一個介於 0 到 1 之間的無因次參數。Albedo 值越高，表示表面反射的太陽輻射越多，吸收的太陽輻射越少。
在建築節能上的意義：將建築物的外表面（如屋頂、外牆）塗成淺色或使用高反射率的材料，可以顯著降低建築物吸收的太陽熱量，尤其是在夏季。這能有效降低建築物內部的溫度，減少空調負載，是降低城市熱島效應的有效手段之一。

(4) 冷氣季節性能因素 CSPF (Cooling Seasonal Performance Factor)
定義：CSPF 是衡量空調系統在整個冷氣季節（包括起動、運轉、停止等各種模式）的總製冷量與總耗電量之比。它是一個更貼近實際使用情況的性能指標，考慮了空調系統在不同負載和運行條件下的效率。

本題主要在於測試考生對「近零能源建築 (nZEB)」的定義，以及如何結合主動式與被動式設計技術，並考量台灣熱濕氣候的特性來實現 nZEB 的能力。

近零能源建築 (Nearly Zero-Energy Building, nZEB) 的定義：
近零能源建築是指建築物在一年內的總體能源消耗量，在扣除再生能源系統所生產的能源後，趨近於零的建築。這通常意味著建築物本身的能源效率非常高，並且能大量使用建置於建築物本身或附近的再生能源（如太陽能光電、太陽能熱水等）來滿足其剩餘的能源需求。

在台灣熱濕氣候區下達成 nZEB 的可行技術：

台灣屬於副熱帶濕潤氣候，夏季炎熱潮濕，冬季溫暖少雨。因此，在設計 nZEB 時，需要特別關注如何有效降低濕度、減少顯熱與潛熱負荷。

一、 被動式設計技術 (Passive Design)
被動式設計技術旨在最大化利用自然條件，減少對機械設備的依賴，從而降低建築的能源需求。

1. 建築朝向與配置 (Building Orientation and Layout)：
   • 原理：將建築物的主要開口（如客廳、臥室）朝向較少受日曬的東、西向，並盡量避開西曬。北向可引入較穩定且柔和的日照。
   • 應用：例如，將主要活動空間配置在建築北側或東側，減少西曬對室內溫度造成的影響。
2. 建築外殼設計 (Building Envelope Design)：
   • 高隔熱性能 (High Thermal Insulation)：
     • 原理：使用高隔熱材料（如發泡板、岩棉等）建造牆體和屋頂，降低熱傳導。
     • 應用：選擇低 U 值的屋頂和牆體材料，例如採用雙層牆、加設外保溫層。
   • 低太陽輻射增益 (Low Solar Heat Gain)：
     • 原理：透過低 SHGC 的玻璃、遮陽構件等，減少太陽熱能進入室內。
     • 應用：
       • 高性能玻璃 (High-performance Glazing)：選用低 SHGC、低 U 值的複層玻璃，並可考慮Low-E塗層。
       • 外遮陽 (External Shading)：設計足夠的屋簷、遮陽板、垂直遮陽葉片（特別是西向立面），以阻擋夏季高角度的太陽輻射。例如，設計與窗戶高度相匹配的屋簷，或在西向窗戶安裝可調式垂直百葉。
   • 高反射率外表面 (High Reflectance Exterior Surfaces)：
     • 原理：屋頂和外牆採用淺色或高反射率塗料，減少吸收太陽輻射。
     • 應用：例如，使用白色或淺灰色的屋頂材料，降低屋頂表面溫度。
3. 自然通風 (Natural Ventilation)：
   • 原理：利用風壓差和熱壓差，引導室外新鮮空氣進入室內，帶走室內熱量和濕氣，改善室內空氣品質。
   • 應用：
     • 對流式通風 (Cross-ventilation)：在建築物相對的牆面設置開窗，形成空氣對流路徑。
     • 煙囪效應 (Stack Effect)：在建築物內部設置垂直通道（如天井、樓梯間），利用熱空氣上升的原理，將室內熱空氣向上排出，引導較冷的室外空氣從低處進入。例如，在屋頂設置可開啟的天窗。
     • 夜間通風冷卻 (Night Ventilation Cooling)：在夜間溫度較低時，開啟窗戶進行通風，利用較冷的空氣冷卻建築物的熱質量，為隔天白天儲備「冷量」。
4. 綠色植被與水景 (Greenery and Water Features)：

本題旨在考察考生對人體熱舒適影響因子及其調節方法的理解，並能將這些知識應用於節能設計。

影響人體熱舒適的環境因子主要有六項：

1. 空氣溫度 (Air Temperature)：室內空氣的溫度。
2. 平均輻射溫度 (Mean Radiant Temperature, MRT)：人體周圍表面（牆壁、窗戶、天花板、地板、家具等）的平均溫度。人體會與周圍表面進行輻射熱交換。
3. 空氣相對濕度 (Relative Humidity, RH)：空氣中水蒸氣的含量與同溫度下飽和水蒸氣含量的比例。高濕度會影響人體的散熱（蒸發散熱）。
4. 空氣流速 (Air Velocity)：室內空氣的運動速度。適當的空氣流速有助於人體散熱，但過高則會造成不適。
5. 代謝率 (Metabolic Rate)：人體活動時產生的熱量，與活動強度有關。
6. 衣著熱阻 (Clothing Insulation)：人體所穿著衣物的保暖程度，以 Clo 值表示。

在維持室內熱舒適下，透過環境控制技術進行調節以達節能之目的，可以舉以下例子：

範例：空調系統的溫度與濕度設定與送風控制

• 情境：一間辦公室，夏季需要維持熱舒適。
• 目標：在滿足熱舒適的前提下，盡可能節省能源。

調節方式與節能原理：

1. 提高設定溫度 (Adjusting Setpoint Temperature)：
   • 說明：人體熱舒適的範圍是彈性的，並非單一固定值。根據 ASHRAE 等標準，在夏季，當人們穿著輕薄的衣物（約 0.5 Clo）且活動量不大時，一般的熱舒適溫度範圍可能落在 $24^{\circ}\text{C}$ 至 $26^{\circ}\text{C}$。
   • 節能原理：空調系統每提高 $1^{\circ}\text{C}$ 的設定溫度，製冷量需求約可減少 5-10%。將溫度設定從 $24^{\circ}\text{C}$ 提高到 $26^{\circ}\text{C}$，即可顯著節省空調能源。
2. 控制相對濕度 (Controlling Relative Humidity)：
   • 說明：台灣屬於濕熱氣候，夏季濕度高，人體透過蒸發散熱的效果會降低，感覺較熱。
   • 節能原理：空調系統的主要耗能之一是除濕。當室內濕度過高時，空調需要消耗大量能源來冷卻空氣並使其達到露點溫度進行除濕。

本題旨在測試考生對台灣現行建築節能法規的了解程度，包括其架構、主要內容及目的。

我國現行建築節能法規主要以《建築技術規則》建築設計施工編為核心，並輔以相關的國家標準 (CNS) 及行政命令。其架構與主要內容如下：

整體架構：

1. 《建築技術規則》建築設計施工編 (Building Technical Regulations, Design and Construction Division)：這是最主要的法規依據，其中專章規定了建築物的能源效率要求。
2. 國家標準 (CNS)：許多節能技術的具體標準，如保溫材料的性能、窗戶的隔熱性能等，會參考或引用相關的 CNS 標準。
3. 相關行政命令與解釋函令：例如，關於綠建築標章、節約能源標章等，以及針對法規細節的解釋。

《建築技術規則》建築設計施工編中的主要節能內容：

《建築技術規則》建築設計施工編的第九章「綠建築」以及部分其他章節，對建築節能有詳細的規定。其中，最核心的節能要求體現在以下幾個方面：

1. 建築節能設計基準 (Energy Conservation Design Standards)：
   • 目的：規範新建或增建、改建建築物在設計階段應符合的最低能源效率標準。
   • 內容：
     • 保溫隔熱性能 (Thermal Insulation Performance)：
       • 規定外殼（屋頂、牆、窗）的傳熱損失 (U 值) 必須低於一定的標準。例如，屋頂、牆壁、樓地板等構造的熱傳透率 (U 值) 有上限要求。
       • 要求使用一定厚度或性能的保溫材料。
     • 日射熱取得控制 (Solar Heat Gain Control)：
       • 規定窗戶的太陽熱取得係數 (SHGC) 必須低於一定標準，或透過遮陽係數 (SC) 來限制。
       • 對窗牆比 (Window-to-Wall Ratio, WWR) 也有一定的規範，限制過大的開窗面積，以減少不必要的熱損失與熱取得。
     • 自然通風設計 (Natural Ventilation Design)：
       • 鼓勵或要求在適當的區域設置可開啟的窗戶，以利自然通風。
     • 設備系統效率 (Equipment Efficiency)：
       • 對空調設備、照明設備的效率有最低要求，例如空調主機的能效比 (EER) 或季節性能係數 (CSPF)。
       • 要求照明功率密度 (LPD) 應低於標準值。