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中華民國建築學會第 22 屆第二次 建 築 研 究 成 果 發 表 會 論 文 集 2 0 1 0 年 1 1 月 2 0 日

智慧綠建築中的複雜與矛盾 The Complexity and Contradiction between Smart and Green in Architecture 陳上元 1,陳政雄 2,黃瑞廷 3,嚴嘉鑫 4,馮明惠 5 一、 緣起與目的 發展"智慧綠建築"成為當前重要的任務。然而,如何定義"智慧綠建築"?、並 且能夠詳加解決建築中"智慧"與"綠"在本質上的複雜與矛盾,成為當前重要的研究 課題。根據 2009/12/03,行政院第 3173 次會議與 2009/12/10 行政院第 3174 次會議,政 府應加速推動雲端運算、智慧型電動車、發明專利產業化及智慧綠建築等「四大智慧型 產業」 ;又根據 2009/12/12 第 38 屆建築師節慶祝大會,吳揆強調:加強研發"智慧綠建 築"產業,促進產業革新及改善人民生活。然而,"智慧綠建築"定義為何?應用的目 的是什麼?要用什麼方法來達成?在過去的建築專業教育裡,普遍認知"智慧建築"是 自動化控制、是應用" 主動設備"以達到舒適環境為目的,是"耗能"的。而"綠建 築"卻是強調建築的"被動設計"以追求環境的永續發展為目的,是"節能減碳"的。 二、 理論與方法 本研究主張"智慧綠建築" 是用建築的“智慧化"來協調與管理人與環境或者環 境因子需求間的複雜與矛盾以達到"綠"建築的目的 。換言之"智慧"是方法、是手 段,而"綠"、是考量到環境的永續發展、是目的。傳統的綠建築追求「被動設計」以 達到「節能減碳」的目的,固然是一種理想,但是建築作為生活的容器、是居住的機器, 在現實的條件中,「被動設計」卻有很多是做不到的、是難以滿足使用者舒適生活需求 的,它們需要「智慧」來解決其不足的效能、甚至是彼此「矛盾」的應對模式。以教室 的“開窗"為例,假設有一在炎熱天氣中上課的教室,室內學生多、很熱;室外卻正好 在施工、很吵,那麼應該開窗還是不開窗?開窗很吵、但是不開窗又熱的受不了,在這 樣的情境中,只有「被動設計」已經無法滿足「上課」既怕"吵"又怕"熱"的機能需 求。如果窗子有智慧,那麼它就能夠判斷情境,在衝突與矛盾發生時,或許協調冷氣啟 動、然後關窗;或者協調施工單位避開上課時段,然後開窗以維持自然通風。底下章節 將再以實務中熱浮力通風塔智慧化設計為例,來說明"智慧綠建築" 是用建築的“智 慧化"來協調與管理人與環境或者環境因子需求間的複雜與矛盾以達到"綠"建築的 目的。 作者一,逢甲大學建築學系助理教授 作者二,陳政雄建築師事務所負責人、中原大學建築學系兼任副教授 作者三,資訊工業策進會網路多媒體研究所經理 作者四,資訊工業策進會網路多媒體研究所資深工程師 作者五,資訊工業策進會網路多媒體研究所副所長

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三、 實務的執行:以熱浮力通風塔智慧化設計為例 根據「被動設計」原則,實務計劃案 S 宅、利用樓梯間作為熱浮力通風塔(圖 1)。 在理想的狀況,由於熱浮力的關係,室內的熱氣會從樓梯間進入通風塔,再由塔頂氣窗 將熱氣流排出。然而,在現實的條件,熱浮力通風可能因為室外風壓力大於室內氣流壓 力而導致逆流的現象,使得空氣無法順利排出。應用風壓差感測器(圖 2)與運算科技, 通風塔得以控制塔頂的氣窗,當通風塔相對於室外呈現負壓時,便可以根據風向與風壓 狀況,調整不同方位氣窗的開與關(圖 3) ,使塔內氣流維持正壓,室外為負壓,故得以 順利將室內熱空氣排出。因此,藉助感測與運算科技,熱浮力通風塔的智慧化設計能夠 「主動」的修正「被動」的熱浮力通風塔在通風效能上的"例外"(Chen, 2005)。除 此之外,在異常條件下,是否該開啟熱浮力通風塔的氣窗,也經常困惑著使用者。例如, 在壓差正常的條件(即塔內為正壓)下,氣窗判斷為"開",但是,外面下著豪雨,氣 窗應該"關"起來;或者在壓差反常的條件下(即塔內為負壓)下,氣窗判斷為該 “關",但是若屋內的 CO2 濃度過高、甚至已經危急使用者的生命安全,那麼氣窗理應 為“開",如上述的異常條件同時發生,氣窗的開與關將處於衝突的狀態,那麼邏輯控 制器應當如何作出決策?(表 1) 、顯示上述矛盾發生時可行的解決方案,當 CO2 濃度過 高,除了窗子該開,還應驅動「全熱交換器」主動的引進外部的新鮮空氣以加強改善室 內的空氣品質。氣窗的控制,可分為「特殊」模式與「一般」模式(壓差換氣模式), 控制邏輯規定「特殊」模式的優先權應大於「一般」模式,而「特殊」模式中,其優先 權的順序分別為「強風」>「大雨」>「過冷過熱」 。而除了開關窗的觸發條件控制外, 解除條件、與操作的頻率的參數設定,還關係到居家使用者的使用習慣、與應變氣候變 化的經驗值,可以調整。圖 4、顯示實務計畫案 S 宅的執行成果與實景的記錄(本案預 計 2010 年底完工)。

圖 1、熱浮力通風塔的智慧化設計

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圖 2、DPS 系列- 風壓差開關感測器-Honeywell

圖 3、通風塔氣窗調控方式(成大健康建築研究室)

表 1、熱浮力通風塔氣窗的控制邏輯(資訊工業策進會網路多媒體研究所)

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圖 4、S 宅實景(陳政雄建築師事務所) 四、 討論與建議 本研究主張"智慧綠建築" 是用建築的“智慧化"來協調與管理人與環境或者環 境因子需求間的複雜與矛盾以達到"綠"建築的目的 。透過實務的操作,建議如下: (一) "智慧綠建築"以建築的被動設計為根本、智慧化為輔,綠是建築追求的本 質 ,智慧化是手段是方法,智慧化是用來輔助在建築被動設計上效能與機能 的不足。 (二) 建築「智慧化」的研究範疇舉(陳,2007)為例包括: A.

就智慧化元件: 包括涵構覺察系統、介面設計與資料庫的建立(圖 5)。

B.

就感知的條件:包括使用者(生理、心理) 、與環境(光、音、熱、氣、 水等物理環境)的考慮。

C.

就演算法的選擇:包括規則式推理、類神經學習、與類神經模糊(先推 理後學習)等不同適用條件與可行性。

D.

就行動與作用端:包括各式建築的可調適元件、材料、排列組合與階層、 以及它們的協同合作。

E.

就智慧的等級:被動、反應、主動、與互動等智慧模式的選擇。

F.

就智慧化元件間的溝通:包括:信息與語言的標準化、通訊的協定、聯 結的方式(有線或無線的格式與種類) 、資料庫與雲端服務。(圖 6)

(三) 未來的展望:基於提升既有 ICT 產業的競爭優勢,以及因應世界綠色環保的 趨勢,根據台電公司的規畫,擬先建置智慧電表、發展先進電表設施 AMI、並 終於西元 2016~2021 年間成型智慧電網(蘇,2009) ,於是在智慧電網、智慧

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電表作為基礎設施的條件下,應用(建築/住宅)的能源管理系統 EMS(Energy Management System),妥善應用能源,以達成"節能減碳"的目標,也是應 用 ICT 科技,發展上述定義的"智慧綠建築",另一種可行的途徑。

圖 5、智慧化的研究範疇與基本架構

圖 6、溝通的要項

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誌謝:S 宅業主孫董事長、成大江哲銘教授指導與健康建築研究室的協同合作、行政院 國家科學委員會專題計劃 NSC98-2221-E-035-074-雲端運算環境下智慧居家元件輔助設 計介面、行政院國家科學委員會專題研究計畫與成果報告、NSC 98-2218-E-035 -003 前瞻概念設計-從搖籃到搖籃導向的建築、內政部建築研究所-981 智慧化生活空間計 畫。 五、 參考文獻

紙本 1. 陳上元,2007,智慧代理者理論應用在可調適性建築環境的研究-以智慧皮層為例,論文識別碼 etd-0823107-160830, 國立成功大學博士論文, 計 179 頁 2. 蘇昱霖(主編) ,(2009/08),<網通發展大未來,邁向成長新契機>,拓墣產業研究所,pp83-92 3. Chen, N.T., C. M. Chiang, C. H. Chen, Y Hsieh, C. Y. Kao, S.Y. Chen, W. J. Wang, 2005/ 0927-0929, The Case Study of Sustainable Healthy Housing Fitting in with Subtropical Taiwan's Climate and Geography, The 2005 World Sustainable Building Conference in Tokyo, Proceeding of SB-05 Tokyo, CD-ROM, No. 06-030, pp 2280-2287

網站 1. 行 政 院 , 2009/12/12 , 吳 揆 : 加 強 研 發 智 慧 綠 建 築 產 業 , 促 進 產 業 革 新 及 改 善 人 民 生 活 , http://www.ey.gov.tw/ct.asp?xItem=65001&ctNode=1435&mp=1 2. 行政院,2009,四大智慧型產業,http://www.ey.gov.tw/ct.asp?xItem=70434&CtNode=3839&mp=907

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智慧綠建築中的複雜與茅盾  

智慧綠建築,被動設計