節能建築案例分析

節能建築案例分析 Energy Saving Building Case Analysis
國立臺灣大學土木工程學系 許育銓

一、前言

建築，自古以來就是讓人類可以和「外界」作分割的空間營造，而好的建築設計不能只是單純蓋一個功能性的盒子，再把人事物裝進去而已，就算將外觀設計的再美、再獨特，倘若沒有考量到落成後使用的狀況，就是一個失敗的設計。 

一個好的建築，除了興建的目標，還必須考量使用時的環境，外界的先天限制幾乎是主控了整個設計，像是在寒帶地區的建築，防寒、防雪一定是第一考量，而像台灣這樣亞熱帶地區的國家，如何讓室內溫度能維持在人類適合活動，達到舒適的平衡點，空調與遮陽的設計就非常重要！這些是自古以來都不變的道理。

到了現代，溫室效應導致全球暖化，現代建築的需求，能減少對空調電機的依賴越多越好，簡單來說，如何做到低碳的建築設計，又能有美觀效果，再加上原本需求的功能性，就是現代人真正需要的建築。

二、熱與室溫的物理機制

整個地球都依賴著太陽的熱能運作，無論從北極圈到赤道，或是從海拔八千公尺的聖母峰到海平面下一萬尺，所有能量最終的源頭都來自太陽的熱能。地球會在白天時儲存太陽的熱能，晚上時慢慢消散，每天做一次循環，而溫室效應會提升儲存熱能的能力，因而導致全球平均溫度提高。熱能在物理上是以熱平衡的機制運作，高溫必傳向低溫，空氣也是如此，溫度較高的空氣除了自體與周圍冷空氣做熱平衡以外，還會因為自身的密度較低而漸漸上升、與周圍空氣混合而消散，直到整個空間是溫度平衡的狀態為止。

說來諷刺，人類在地球上的活動影響了氣溫，但氣溫卻也是人類的一大罩門，太冷、太熱，對於在室內的所有活動都有相當的影響，因此如何在一開始的建築設計就讓室內氣溫找到合適的平衡點，不只是依賴電機設備來調整溫度，是現在非常重要的建築課題。

而影響室內的氣溫主要有三大因素：建築材料儲存熱能、門窗讓熱能直接進入、及空調系統。其中特別要提的就是建築材料儲存的熱能，古今建材的差異非常非常大，過去用的建材如磚、瓦、石板、傳統石造等，由於材料內含的孔隙讓空氣能儲存在裡面，所以都是不良熱導體，不易儲存熱能，但是現代建築講求快速建造與安全性，幾乎都使用鋼結構或者混凝土作為建材，建築量體也越來越大，結合以上物理特性與要素，現在的建築儲存的熱能比起以前，完全是不同的層次，從而導致室溫的提高，而偷懶的設計就只依賴冷氣機電來調節室溫，治標不治本。

近幾年的建築設計非常講求低耗能，也就是減少碳排放，但是對原本的要求一點都不少，仍使用快速而安全的建材，如鋼筋混凝土、鋼骨結構等，為了低耗能，在自然空調和遮陽的手法不斷的演進，以下透過案例分析一一介紹。

三、空調與遮陽—室溫調節系統

空調是建築內部的室溫調整系統，無論是建築自然空調，還是仰賴電機設備，都可以歸類於其中，現代的要求是著重於建築自然的空調，電機設備的空調越少越好；而遮陽則可大致分為兩類，內遮陽與外遮陽，內遮陽就是常見的百葉窗或者窗簾等等，雖然表面上把光擋住了，但其實熱能還是進入室內了，隨著熱平衡的機制，室內溫度還是漸漸會上升，外遮陽才是能直接減少建築對太陽熱能的吸收的要點，門窗採光的降低與建材的隔熱都包含於其中。

以臺灣大學船舶實驗館為例，其屋頂採用圓拱式的設計（圖二），除了美觀的設計以外，延伸出一小段做遮陽，每個窗戶則都延伸出一小面遮陽板，降低陽光直接射入室內的能量。可以注意到圓拱屋頂下方有三個小小的圓孔，這其實是空調的管道（圖三），溫度太高可以打開風扇抽風，加速熱空氣的排出，其餘時候就自然讓熱空氣上升，透過孔道排出室外，從建築整體設計判斷，除了窗戶以外，這應該就是主要的建築自然空調系統了。

再來介紹船舶館輔助的遮陽與空調設計，大多數窗戶上簷都有延伸出的遮陽板（圖四），可以幫助降低室內攝取的太陽熱能，而其餘連接室外的牆面也多有做排氣窗（圖五），並且設置了抽風機幫助對流，也許是工學院背景的關係，即使這樣隨意裝抽風扇很不美觀，但是為了功能性，還是採用最簡單的方法解決問題。

基本上，船舶實驗館的公共空間主要使用空氣的自然對流來調節室溫，再使用抽風扇來輔助，有一點可惜的是，其空調系統並不是那麼的有整體規劃，比較像是各自一個一個的小單元組合起來，在炎熱季節時的室溫調節並不理想（根據認識的工科海同學透露，夏天還是挺熱的），而內部的實驗室設備千羅萬象，從奈米科技到小型木工廠都有，小空間還是有加裝冷氣機，在此僅以佔大部分比例的公共空間作討論。

介紹另一節能建築案例：臺大慶齡工業研究中心。

臺大慶齡工業中心有相當獨特的建築外觀（圖六），整棟建築是狹長的巨大量體，高四層樓，正面出入口朝向東偏南約 30 度（以正面作為東面），所以白天的日照充足，好幾道水平延伸出的遮陽板（約伸出 80 公分），形塑了東西面的結構，除了外觀上陰影的雕塑讓建築相當有立體感以外，也有幾分工學式的俐落感，但是其實除了美學上的表現，這些遮陽板對於室溫調節發揮了非常顯著的功用，若是沒有這些遮陽板，這麼大的迎光面讓陽光直曬，自然的平衡室溫一定會非常高，這些遮陽板的設計，讓窗戶大幅減低了對太陽熱能的攝取，雖說室內採光能力也隨之下降，不過這棟大樓本來的業務就是以高級研究機構與會議為主，雖說捨棄了採光，卻也降低了冷氣機電的耗能，在設計時的年代，也是一種不錯的選擇。

而慶齡的南北面則是以小排氣窗整齊地排列作設計（圖七、圖八、圖九），除了排氣窗以外，整面牆貼上正方形小片的瓷磚（約 1.5X1.5cm²），內部的結構在南北面都是以樓梯間為主，讓空氣可以在南北面作樓層之間的垂直對流，再透過排氣窗與室外空氣做水平對流，綜合東西南北四個方位來分析，慶齡工業中心在設計上對於空調與遮陽有非常優先的考量。

慶齡工業中心的頂樓也是另有一番學問（圖十），使用了保麗龍鋪底的石磚作隔熱（圖十一），除了慶齡使用的這兩種以外，屋頂隔熱設計還有綠化屋頂的做法（圖十二），如知名的成大綠色魔法學校（圖十三），其實慶齡的屋頂有少部分的植生，不過完全就是雜草，也許未來可以考慮將綠屋頂的系統融入其中，綜觀看來是相當有發展條件的。

蒐集了以上資訊，可以發現慶齡工業中心除了遮陽之外，針對空調也具有相當程度的整體規劃，可惜的是，全館屬於半封閉式的建築，內部為了實驗室的運作以及會議室，還是必須仰賴冷氣作空調，不過在整個節能的設計上，還是具有相當程度的效益。

四、結語

建築是有生命的，空氣在建築物內的流動就像是血管中的血液一般，空調系統規劃對建築物來說，如同血管之於生物四通八達，過多的熱能與廢棄物能加速排出，而遮陽的設計就如同撐了一把巨大的陽傘，直接阻絕熱能在外，在現代建築的需求下，兩者必須合一考量才能相輔相成，也賦予了建築生命力，以上兩個建築，都是二、三十年前的建築案例，當時的建築師，早已知道如何運用建築手法來控制環境能源，還能結合建築設計的功能性與美觀，未來的建築都應該以此理念作為初衷發展，切勿過度依賴冷氣機電設備，成為不斷消耗能源，內部冷冰冰沒有生命力的建築，熱能自然的流通，建築有了生命力，方能流傳千古。

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參考文獻

1. 台大慶齡工業中心館長口述
2. 台大慶齡中心設計圖與解說。王大閎建築師事務所
3. 船舶實驗館設計圖與解說。虞曰鎮建築師事務所：
4. 返璞歸真的綠建築潮流：淺談水平遮陽板的復興｜TEIA環境資訊中心。http://e-info.org.tw/node/41038
5. 台灣綠屋頂暨立體綠化協會。http://www.greenroof.org.tw