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建築研究簡訊第104期 《業務報導》

具頂蓋型挑空中庭建築物自然浮力通風分析

       由於全球環境變遷,平均氣溫不斷升高,大多數建築物經常使用冷氣來降低室內溫度,改善室內環境品質。建築物的通風可分為自然通風和機械通風,台灣的建築大量使用機械通風(空調冷氣)來改善室內環境,因而耗損大量的電力。若能有效地利用自然通風,將可減少能源消耗。

圖1  自然通風和機械通風

       近年來,台灣有許多飯店、百貨商場及辦公大樓採用挑空中庭設計;此種建築物不僅採光較佳,且可使得建築內部的空間感覺較開闊。當這類建築物的中庭內無頂蓋,內部熱源所產生的熱空氣可由中庭頂部排出,但雨水會進入中庭內。為防雨之緣故,台灣大部分的挑空中庭建築皆有無開口之頂蓋或採光罩,造成熱空氣累積於中庭內;故需藉空調來降溫,如此便耗費電力。尤其台灣的夏季,濕熱的氣候使得建築物大量使用空調來改善室內環境,耗費能源。若能有效利用建築物內部熱源驅動之熱浮力通風,達到自然通風又可降低室內溫度,將是一舉兩得之事。本研究希能找出最佳中庭頂蓋之設計,既可防雨水進入室內,又能利用建築物內部熱浮力達到通風效果,以達建築節能之目的。

圖2  具有頂蓋之挑空中庭建築物

       建築物自然通風的驅動力為風力與熱浮力,此驅動力會促使室內外空氣流動與交換。浮力通風又可分為混合式通風和置換式通風。混合式通風是指由室外流入的冷空氣與室內的熱空氣完全混合,使得室內的溫度與密度均勻分佈,通風是由混合之後的室內氣溫與室外氣溫之間的差異來驅動。置換式通風則利用建築物低處的開口引入室外的冷空氣,推擠室內的熱空氣由高處的開口流出;室內因上下溫度的差異呈現冷空氣在下,熱空氣在上的密度分層現象,室內的冷、熱空氣只在中間交界面混合。置換式通風因為室內、外氣溫差異較高,換氣效率高於混合式通風。

       在評估浮力通風對於台灣建築物的適用性之前,必須先瞭解台灣各地的氣候特性,因此本研究針對台灣三個都會區(台北、台中及高雄)的氣溫資料進行統計分析。分析中央氣象局在此三地的地面氣象站,自1995~2015年的逐時氣溫資料;經統計分析可求得台灣上班時間氣溫低於26oC的發生機率,並估算一整天和上班時間(8:00 ~ 17:00)氣溫低於26oC之所佔時間。當氣溫低於26oC,可採用自然通風或是風扇即可,無須使用到冷氣;但氣溫高於26oC,便有極高的機率開啟冷氣。

表1  台灣都會區使用自然通風之機率

資料來源:統計中央氣象局1995~2015年間氣溫低於26oC之機率

       針對此課題,本研究採用風洞實驗與計算流體動力學數值模式(CFD)研究中庭建築物之熱浮力通風。風洞實驗採用模型試驗與示蹤劑濃度衰減法來研究頂蓋對中庭浮力通風的影響;風壓量測實驗部分使用本所的大型風洞及電子式壓力計進行,實驗數據可與CFD進行比對、驗證。再有系統的研究室外風速、風向、頂蓋的開口面積、型式對熱浮力通風及合併通風的影響,以瞭解各種頂蓋設計之通風效率與換氣率。其成果簡要介紹如下:

  1. 若建築物中庭之頂蓋為密閉式,可設計成較高的頂蓋,藉以蓄積熱空氣。高度較矮之頂蓋無法蓄積熱氣,熱氣會回流至高樓層,使得高樓層之室內溫度升高,必須藉由空調降溫(圖3)。
  2. 低處開口在迎風面,高處開口在屋頂或迎風面,會使風力與熱浮力加成,通風量較大;若低處開口在背風面,高處開口在迎風面,會使風力與熱浮力互相抵消,通風量較小(圖4)。
  3. 在中庭建築物上下樓層皆有門窗開口,通風量會比僅有一樓層有開口來得好;因熱空氣蓄積於高處,不易排除(圖5)。
  4. 建築物的自然通風量與室外風速、頂蓋的開口面積成正比。建築物開口面積愈大或室外風速愈大時,通風量愈大。
  5. 只有單一頂蓋開口的建築物,其通風量小於建築物有雙開口之通風量。
  6. 屋頂裝設抽風扇可排除室內熱空氣;但若室內只開風扇,對外開口不開,室內溫度仍高(圖6)。
  7. 在設計挑空中庭建築物時,建議可採用有矮牆的平頂蓋或斜頂蓋,可利用自然通風排除室內的熱空氣及防雨水潑入,以達到節能和改善室內環境的雙重目的(圖7)。
  8. 風壓和熱浮力合併通風量大於僅由熱浮力驅動之通風量。熱浮力通風的效應在室外風速很小時,方能顯現。
  9. 中庭之頂蓋可設置百葉窗防止雨水隨風飄入,或裝設防蟲網避免蚊蟲飛入,或使用抽風機加速室內熱空氣之排除(圖7)。
  10. 挑空中庭的頂蓋會略微降低風壓通風和熱浮力通風量。

 

圖3  建築物中庭頂蓋之設計

圖4  風力與熱浮力合併通風

圖5  自然通風

圖6  室內只開風扇,對外開口不開,室內溫度仍高

圖7  頂蓋設計