全球氣候劇烈變化，地球能資源匱乏成為最迫切的問題，建築為地球環境最龐大的建設，所消耗的能資源相對也較多，若能在建築設計之初即加入自然的手法、達到節能效益之目的，將對地球永續環境有極大的貢獻。
本研究以整合建築構造、熱流技術以及太陽光電系統，以太陽光電系統與建材一體化為主要的發展方向，建構出一種可以進行「自體環境控制」的Ventilated BIPV構造，利用自然力與「雙層化構造（Double Skin）」的方式，帶走太陽光電模板自身之熱能，同時也能誘導出室內通風與散熱之功效。研究目的：（1）瞭解PV光電系統與建築構造結合之設計相關問題，研發合宜的Ventilated BIPV單元，以達到最佳效能。（2）藉由熱流實驗與CFD?值模擬建構，建立BIPV在CFD模擬之可行性，並瞭解其熱流行為與散熱之功效。（3）探討BIPV外牆之流道寬度與室內通風口高度對其自體散熱效果與室內熱得情形，期可提供作為日後設計之?考依據。（4）建構?同風速（0.5m/s 、1.0m/s、2.0m/s）自然通風?況下，Ventilated BIPV環控構造之通風與節能效益。
研究結果顯示， 在屋頂BIPV方面之節能效益可達到86％以上；在外牆BIPV方面，可發現流道越窄時，氣流場由流道入口進入之風速值越大，但經過到室內通風口時則較小，因而使流道內之風速流場增大；BIPV構造內之風速與溫度現象，流道內之溫度隨著距離衰減，最高為54.9℃，最低為約降至31.9℃。就熱移除效率而言，BIPV之熱傳較RC構造平均約減少65?73.6％，比鋼構減少38.8?53.9％；一天並可省下約4?11度電，一個月約可省下70?200kg的CO2排放量；引致之換氣效益方面，低風速時流道寬度對換氣次數影響並不明顯， ACH平均約為2.2?2.7；高風速時換氣次數隨著流道寬度加寬而變大，平均分別約為3.5?5.4及9.8?10.9。

Due to dramatic changes in global climate, lack of energy resources has become one of the most pressing issues. As the major establishment in the global environment, buildings consume relatively more energy resources. If natural ways are applied in the beginning of architectural design to achieve the purpose of saving energy, it will contribute significantly to the sustainable environment of Earth.
By integrating the building structure, heat flow technology and solar photovoltaic system, this study aims to combine solar photovoltaic system into building materials, in order to design a Ventilated BIPV structure of “self environmental control”. The design can take away the heat produced by solar photovoltaic panels via natural force and “Double Skin” method, while induce indoor ventilation and achieve the cooling effect. The research purposes are: (1) to understand issues related to the design of integrating PV photovoltaic system with building structure, develop proper Ventilated BIPV units to achieve optimal performance; (2) by heat flow experiments and CFD numerical simulation construction, to explore the feasibility of BIPV in CFD simulation and understand its heat flow behavior and heat radiation effects; (3) to discuss the impact of BIPV exterior wall passage width and indoor vent height on self heat radiation and indoor heat gain to provide a reference to follow-up designs; (4) to explore the ventilation and energy saving efficiency of Ventilated BIPV environmental control structure under natural ventilation conditions of different wind speeds (0.5m/s , 1.0m/s, 2.0m/s).
Results suggested that, for BIPV exterior walls, the wind speed of flow field at the flow entrance is faster if the flow channel is narrower and slower at the indoor vent, resulting in expanding flow field inside the flow channel. With regard to the wind speed and temperature inside the BIPV structure, the temperature decreases along with distance from the highest temperature at 54.9℃ to the lowest temperature around 31.9℃. As for heat removal efficiency, the heat transfer of BIPV declines, in an average, by 65~73.6% as compared with RC structure, and by 38.8~53.9% as compared with steel structure to save about 4~11 KWH per day and about 70~200kg CO2 emission per month. In terms of heat exchange efficiency, the impact of flow channel width in case of low wind speed on number of heat exchange is not significant, and the average ACH is about 2.2~2.7. The number of heat exchange increases along with the increasing flow width in case of high wind speed, and the average ACH is about 3.5~5.4 and 9.8~10.9.

目 錄
摘要................................................i
Abstract............................................ii
誌謝....................................................iii
表目錄................................................vii
圖目錄..................................................ix
符號說明................................................xi

第一章 緒論.............................................1-1
1-1 研究動機與目的.................................1-1
1-2 研究範圍與架構.................................1-4
1-3 研究方法......................................1-5
1-4 研究流程......................................1-7

第二章 文獻回顧.........................................2-1
2-1 自然通風理論...................................2-1
2-2 PV與Ventilated BIPV...........................2-5
2-2-1 由太陽光電（PV）發展至Ventilated BIPV....2-5
2-2-2 BIPV之設計.............................2-6
2-3 熱環境基本原理.................................2-14
2-4 評估方式選定...................................2-18
2-4-1 熱移除率（Heat removal rate）評估........2-18
2-4-2 節能效益評估............................2-19
2-4-3 換氣率評估原則..........................2-21

第三章 研究方法.........................................3-1
3-1 基本環境設定....................................3-1
3-1-1 台灣地區環境現況..........................3-1
3-1-2 空間單元選定與變因設定.....................3-5
3-2 數值模擬基本假設與應用...........................3-10
3-2-1 數值模擬之發展與應用......................3-10
3-2-2 CFD數值模擬電腦軟體使用流程...............3-12
3-2-3 紊流模型................................3-13
3-2-4 CFD數值模擬之解析方式.....................3-15
3-3 BIPV流場模擬設定................................3-17
3-3-1 單元空間之流場模擬 .......................3-17
3-3-2 格點系統設定............................3-24
3-3-3 鬆弛係數與收斂條件設定...................3-26
3-4 BIPV構造數值模擬與實驗比對......................3-28
3-4-1 實驗裝置系統...........................3-28
3-4-2 單元模擬設定...........................3-30
3-4-3 實驗與數值模擬比對......................3-31

第四章 Ventilated BIPV屋頂節能與通風效益分析..............4-1
4-1 BIPV屋頂數值模擬結果............................4-1
4-1-1 氣流場分析...............................4-1
4-1-2 溫度場分析...............................4-2
4-2 BIPV 屋頂之熱移除率.............................4-3
4-3 BIPV 屋頂之節能效益分析..........................4-3
4-4 通風效益........................................4-5
4-5 小結...........................................4-6

第五章 Ventilated BIPV外牆節能與通風效益分析..............5-1
5-1 BIPV外牆數值模擬結果.............................5-1
5-1-1 氣流場分析................................5-1
5-1-2 溫度場分析................................5-3
5-1-3 BIPV流道內之氣流與溫度關係..................5-5
5-1-4 BIPV構造之CFD數值解析......................5-7
5-2 Ventilated BIPV外牆之熱移除率....................5-10
5-2-1 流道寬度對於熱移除率之影響..................5-10
5-2-2 室內通風口高度對於熱移除率之影響.............5-12
5-2-3 流道寬度及風速對於熱移除率之綜合影響.........5-13
5-3 室內日照熱得（Heat gain）效益之評估................5-14
5-3-1 流道寬度對於室內熱得之影響..................5-14
5-3-2 室內通風口高度對於室內熱得之影響.............5-16
5-3-3 流道寬度及風速對於熱得之綜合影響.............5-17
5-4 Ventilated BIPV之節能效益分析....................5-18
5-4-1 對於室內日照熱得的減少.....................5-18
5-4-2 CO2減量之效益............................5-20
5-5 引致換氣效益....................................5-22
5-5-1 流道寬度對於換氣次數之影響.................5-22
5-5-2 室內通風口高度對於換氣次數之影響............5-24
5-6 小結...........................................5-25

第六章 結論與建議.......................................6-1
6-1 結論...........................................6-1
6-2 後續研究建議....................................6-4

參考文獻.............................................Ref-1
附錄一 數值模擬設定值Q1檔.............................Add-1
附錄二 數值模擬結果..................................Add-9
附錄三 BIPV流道內之氣流與溫度關係.....................Add-27

表 目 錄
表2-1-1 國內通風換氣相關研究（本研究整理）.............................2-4
表2-1-2 雙層構造相關研究.................................2-4
表2-2-1 PV 板與建築構造系統結合之形式.....................2-7
表2-2-2 太陽光電板應用於建築外殼之評估項目表.......2-8
表2-4-1 不同使用人數之最小外氣量評估......................2-21
表2-4-2 我國建築技術規則有關機械通風之條文.................2-22
表3-1-1 台灣氣象資料.....................................3-1
表3-1-2 台灣地區各地正午(太陽時)最高瞬時輻射能與平均瞬時輻射能分佈表..3-4
表3-1-3 變因設定分析表...................................3-6
表3-1-4 外牆裝設BIPV之變因設定............................3-9
表3-2-1 近代計算流體力學的發展17............................3-10
表3-2-2 CFD數值解析在建築流場之運用.......................3-11
表3-2-3 不同k-ε紊流模型在預測室內氣流之評比19................3-13
表3-2-4 標準k-ε紊流模型時間平均運動方程式之Sφ說明........3-14
表3-2-5 PHOENICS求解之步驟..............................3-16
表3-3-1 本研究室居室空間模擬組數..........................3-17
表3-3-2 本研究CFD數值模擬之基本假設.......................3-18
表3-3-3 屋頂模式各項邊界設定狀態..........................3-19
表3-3-4 外牆模式各項邊界設定狀態..........................3-19
表3-3-5 BIPV外牆構造導引氣流之設置........................3-20
表3-3-6 各變數所設定之鬆弛係數............................3-26
表3-4-1 雙層屋頂單元實驗與CFD數值模擬各測點溫度值...........3-31
表4-1-1 BIPV屋頂CFD模擬氣流場............................4-1
表4-1-2 BIPV屋頂CFD模擬溫度場............................4-2
表4-2-1 BIPV屋頂之熱移除率計算結果........................4-3
表4-2-2 屋頂之室內熱得計算結果............................4-3
表4-2-3 BIPV屋頂散熱率計算...............................4-4
表4-2-4 BIPV屋頂熱移除性能CO2減量之計算結果................4-4
表4-4-1 屋頂換氣次數ACH之計算結果.........................4-5
表4-5-1 BIPV屋頂通風及節能效益綜合評估.....................4-6
表5-1-1 室外風速0.5m/s之氣流場（通風口高度15cm）............5-1
表5-1-2 流道10cm室外風速0.5m/s之氣流場....................5-2
表5-1-3 室外風速0.5m/s之溫度場（通風口高度15cm）...........5-3
表5-1-4 流道15cm室外風速0.5m/s之風速場....................5-4
表5-1-5 流道5cm內之溫度及氣流數值.........................5-5
表5-1-6 各流道寬度內之溫度及氣流數值.......................5-6
表5-1-7 風速0.5m/s之CFD數值解析結果.......................5-7
表5-1-8 風速1.0m/s之CFD數值解析結果.......................5-8
表5-1-9 風速2.0m/s之CFD數值解析結果.......................5-9
表5-2-1 熱移除率之計算結果...............................5-10
表5-3-1 室內熱得之計算結果...............................5-14
表5-4-1 外牆熱移除性能CO2減量之計算結果...................5-20
表5-4-2 外牆室內熱得CO2減量之計算結果.....................5-21
表5-5-1 外牆換氣次數ACH之計算結果.........................5-22
表5-6-1 BIPV外牆通風及節能綜合評估........................5-25


圖 目 錄
圖1-2-1 研究範圍 ........................................1-4
圖1-4-1 研究流程 ........................................1-7
圖2-1-1 各類自然促進通風的系統設計........................ 2-1
圖2-1-2 建築室內外空氣流動關係示意圖.......................2-2
圖2-1-3 前期研究有關自然通風手法之部位示意圖（本研究整理）....2-3
圖2-2-1 溫度對太陽光電池發電量的影響.......................2-6
圖2-2-2 木結構房屋之屋頂通風..............................2-9
圖2-2-3 木結構房屋之通風模式..............................2-9
圖2-2-4 Solar Chimney（1）.............................2-10
圖2-2-5 Solar Chimney（2）.............................2-10
圖2-2-6 Solar Chimney（3）.............................2-11
圖2-2-7 Solar Chimney（4）.............................2-11
圖2-2-8 Solar Chimney（5）.............................2-11
圖2-2-9 Solar Chimney（6）.............................2-12
圖2-2-10 PV與石牆所形成的Ventilated BIPV ...............2-12
圖2-2-11 Ventilated BIPV的引致通風量與BIPV高度之關係.....2-12
圖2-2-12 （Yang et al, 2000）所探討的Ventilated BIPV系統..2-12
圖2-2-13 （Yun et al, 2007）所分析的Ventilated BIPV示意...2-13
圖2-2-14 （Yun et al, 2007）所指的BIPV透光率..............2-14
圖2-2-15 （Yun et al, 2007）研究結果.....................2-14
圖2-3-1 建築物的熱獲得與熱損失..........................2-15
圖2-3-2 通過外殼構造的太陽?射熱獲得?...................2-16
圖2-3-3 Trombe Wall 暖房示意圖.........................2-17
圖3-1-1 台灣風速現場二十四時實測資料.....................3-3
圖3-1-2 1998?2006台灣各氣象站一月及七月平均氣溫..........3-3
圖3-1-3 斜屋頂氣流特性..................................3-6
圖3-1-4 教室尺寸與受風關係說明圖.........................3-6
圖3-1-5 雙層屋頂示意圖..................................3-7
圖3-1-6 國內住宅常見之臥室空間案例 .......................3-7
圖3-1-7 間層通風的組織形式..............................3-8
圖3-1-8 通風牆.........................................3-8
圖3-1-9 本研究BIPV外牆之物理特性與構造圖示................3-9
圖3-2-1 CFD數值解析運算流程.............................3-12
圖3-3-1 屋頂單元空間模擬設定............................3-18
圖3-3-2 外牆單元空間模擬設定............................3-18
圖3-3-3 教室模式格點設計...............................3-24
圖3-3-4 居室空間X-Z方向網格系統.........................3-25
圖3-3-5 居室空間X-Y方向網格系統.........................3-25
圖3-3-6 居室空間Y-Z方向網格系統.........................3-25
圖3-3-7 居室空間XYZ三向網格系統.........................3-25
圖3-4-1 雙層縮尺實驗裝置立面圖...........................3-29
圖3-4-2 實驗量測因子與量測儀器位置示意....................3-29
圖3-4-3 CFD數值解析雙層單元模型圖說......................3-30
圖3-4-4 雙層單元CFD數值模擬結果.........................3-31
圖3-4-5 雙層屋頂單元實驗與CFD數值模擬各測點溫度比..........3-32
圖4-4-1 屋頂模式換次次數分析圖...........................4-6
圖5-1-1 流道5cm內之溫度及氣流分佈圖......................5-5
圖5-1-2 各流道寬度內之溫度及氣流分佈圖....................5-6
圖5-2-1 流道寬度對於熱移除率之影響.......................5-11
圖5-2-2 室內通風口高度對於熱移除率之影響..................5-12
圖5-2-3 流道寬度與熱移除率之關係.........................5-13
圖5-2-4 風速與流道寬度及熱移除率之關係....................5-13
圖5-3-1 流道寬度對於室內熱得之影響........................5-15
圖5-3-2 室內開口離地高度與室內熱得之分析圖.................5-16
圖5-3-3 流道寬度與熱得之關係.............................5-17
圖5-3-4 風速與熱移除率及流道寬度之關係.....................5-17
圖5-4-1 BIPV與RC、鋼構外牆比較—流道寬度..................5-18
圖5-4-2 BIPV與RC、鋼構外牆比較—通風口高度................5-19
圖5-5-1 流道寬度與換氣次數之分析圖........................5-23
圖5-5-2 室內通風口高度與換氣次數之分析圖...................5-24

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