107 高普考高考三級 建築工程 建築環境控制 考古題詳解

核心觀念

本題評量建築音響中「室內聲學計畫（Room Acoustics Planning）」與「吸音設計（Sound Absorption Design）」之綜合應用能力。音樂廳以交響樂、器樂等非語言類聲音為主要表演內容，其音質設計目標在於追求「豐潤感（Liveness）」、「溫暖感（Warmth）」、「空間感（Spaciousness/Envelopment）」及適度之「明晰度（Clarity）」，與追求語音清晰（Speech Intelligibility）的演講廳截然不同。

涉及的核心學理、定義與公式如下：

1. 殘響時間（Reverberation Time, $RT_{60}$）： 室內聲源停止發聲後，聲音能量密度衰減 60 dB 所需的時間。

• 塞賓公式（Sabine's Formula）（適用於平均吸音率 $\bar{\alpha} < 0.2$ 之擴散聲場）： $RT_{60} = \frac{0.161 \cdot V}{A} = \frac{0.161 \cdot V}{\sum S_i \alpha_i + 4mV}$
• 艾寧公式（Eyring's Formula）（適用於吸音率較高或大型空間）： $RT_{60} = \frac{0.161 \cdot V}{-S \ln(1 - \bar{\alpha}) + 4mV}$ 其中：$V$ 為室內容積（$\text{m}^3$）；$S$ 為室內總表面積（$\text{m}^2$）；$A$ 為總吸音量（$\text{m}^2\text{-sabin}$）；$\alpha_i$ 為各表面材料之吸音率；$m$ 為空氣吸音減損係數（高頻顯著）。

2. 音樂廳容積指標（Volume per Seat）： 專用古典音樂廳每席容積通常要求較大（約 $8 \sim 11\text{ m}^3/\text{seat}$），以提供足夠之殘響空間。中頻（$500\text{ Hz} \sim 1000\text{ Hz}$）最適滿席殘響時間一般落在 $1.7 \sim 2.2\text{ 秒}$。
3. 吸音材料之頻率特性（Frequency Characteristics）：

• 多孔性吸音材料（Porous Materials）：主要吸收中高頻，低頻效果差。
• 板狀振動構造（Panel/Membrane Absorbers）：吸收低頻（由板面密度及背後空氣層厚度決定共振頻率）。
• 穿孔板共振構造（Helmholtz Resonators）：具特定共振吸音頻率，多用於中低頻或可調吸音。

4. 低音比（Bass Ratio, $BR$）與音色平衡： $BR = \frac{RT_{125} + RT_{250}}{RT_{500} + RT_{1000}}$ 音樂廳之 $BR$ 通常期望在 $1.1 \sim 1.3$，即低頻殘響略長於中頻，以塑造飽滿厚實的低音溫暖感。

解題方法

申論本科題型時，切入架構應掌握系統性思維，切忌散漫列舉材料，應依據「聲學目標設定 $\rightarrow$ 頻率響應控制 $\rightarrow$ 空間分區配置 $\rightarrow$ 觀眾席動態補償 $\rightarrow$ 聲學缺陷防制與可變性」五大維度展開：

1. 決定總吸音量與殘響時間目標：利用 Sabine/Eyring 公式，由空間總容積反推所需之總吸音量 $A$，並明確區分「滿席」與「空席」之殘響基準。
2. 頻率特性之全頻率匹配：說明不能僅計算單一頻率（如 $500\text{ Hz}$），需兼顧低頻（低音比）、中頻與高頻（空氣吸收補償），選擇相應的吸音構造。
3. 空間各部位之吸音／反射／擴散功能劃分：舞台區、前側牆、天花板（反射、擴散為主，提供早期反射音）；後牆、挑台欄杆、特定角落（吸音或擴散為主，消除不良反射）。
4. 觀眾與座椅吸音之等效化設計：觀眾席是音樂廳最大的吸音面（約佔總吸音量 $60\% \sim 80\%$），須探討座椅設計如何縮小「滿席與空席」的殘響差距。
5. 音響缺陷之消除與多功能可變機制：消除回音（Echo）、顫動回音（Flutter Echo）及聲聚焦（Sound Focusing），並納入可調吸音構造以因應不同樂種演出需求。

選項分析

本題為純申論題，非選擇題。在閱卷標準中，常考且考生易犯之觀念誤區分析如下：

• 誤區一：誤將演講廳原則套用於音樂廳 演講廳為提升語音清晰度，多採取「大量吸音、短殘響（$0.8 \sim 1.2\text{ 秒}$）」；音樂廳若過度吸音，會造成聲音乾澀（Dry）、無延展性、樂器融合度欠佳，吸音計畫應是「適量且精確分布」，而非「全面吸音」。
• 誤區二：僅使用多孔性材料，忽略低頻控制 若全廳大量採用礦纖板、玻璃棉等表面多孔材料，將導致高頻殘響過短而低頻殘響過長，引發低音轟鳴混濁（Boomy）；必須搭配板狀振動構造以精確吸收低頻。
• 誤區三：忽略空席與滿席之吸音差異

核心觀念

本題旨在考驗考生對台灣綠建築評估系統（EEWH-BC）中「室內環境指標（Indoor Environment Index, IE）」之光環境評估架構、基準與實務設計要領的掌握程度。

1. 法規與規範依據： 以命題當年（民國 107 年）內政部建築研究所出版之《綠建築評估手冊－基本型》（2015 年版）為準（現行手冊版本已持續精進整併，但核心評估物理量與架構一致），並輔以 CNS 12112「室內工作場所照明」國家標準。
2. 核心觀念界定： 綠建築「室內環境指標」重點在於視覺健康與舒適度（Visual Comfort），而非單純的節能計算。光環境評估涵蓋兩大支柱：

• 自然光環境（晝光品質）：採光係數（Daylight Factor, $DF$）、採光有效範圍、開窗防眩。
• 人工光環境（照明品質）：工作面照度水準、照度均齊度（Uniformity）、眩光防制（統一眩光指數 UGR、遮蔽角）、光源演色性（$R_a$）。

解題方法

申論切入點應針對「辦公空間」之作業型態（長時間文書處理、電腦螢幕 VDT 作業）展開，採「架構分流、量化指標、質性設計」三層次切入：

1. 區分評估兩大範疇：拆解為「自然採光」與「人工照明」，展現對綠建築評估手冊架構的全面掌握。
2. 帶入具體量化基準：寫出評估手冊與 CNS 12112 規定的量化門檻（如 500 lux、$DF \ge 2.0\%$、$U_0 \ge 0.6$、$R_a \ge 80$），拉開與一般模糊作答者的得分差距。
3. 切合特定空間情境：緊扣「辦公空間」最容易發生的問題——大進深採光不足、直射日照眩光、電腦螢幕反光（反射眩光），說明對應的設計控制重點。

選項分析

本題為申論題型，無選項。評分重點著重於各子題重點架構之完整性、專業術語準確度與數值規範引用。

解題技巧

1. 防踩扣分地雷（嚴防指標混淆）： 切勿將「室內環境指標（IE）」與「日常節能指標（EE）中的照明節能」混為一談。若通篇大談 LED 燈具效率、照明功率密度（LPD）、節能迴路省電效益，屬於嚴重偏題。此處應聚焦在「眼睛看的舒適度、照度夠不夠、均不均勻、刺不刺眼、色彩真不真」。
2. 記憶口訣： 光環境四字訣——「採（採光）、照（照度）、眩（防眩）、均（均齊）」，外加「色（演色性）」。
3. 申論結構模板： 依「評估項目 $\rightarrow$ 評估物理量與基準 $\rightarrow$ 辦公室具體對策」條列陳述，條理分明。

【答案】

以辦公空間為例，綠建築室內環境指標（IE）之光環境評估重點如下：

一、 自然採光環境評估重點

辦公空間多為大平面深度配置，自然採光評估著重於晝光導入深度與避免直射眩光：

核心觀念

本題旨在測驗建築物理環境控制中「通風換氣計畫」之實務應用能力，核心在於掌握「污染源控制」與「室內氣壓分佈（正負壓控制）」之對應關係。

1. 污染控制與負壓概念：住宅浴廁屬於高濕度、異味（氨氣、硫化氫等）、病原氣膠（氣溶膠）之主要產生源。換氣的核心目標除排除濕氣與異味外，更在於防止污染物向相鄰居室擴散，因此必須維持該空間相對於鄰室為「負壓（Negative Pressure）」。
2. 換氣形式分類：依《建築環境學》與空調換氣工程分類標準，機械換氣可分為三種（加上純自然通風共四種）：

• 第一種換氣：機械給氣 $+$ 機械排氣（給排兼用）。
• 第二種換氣：機械給氣 $+$ 自然排氣（室內呈正壓）。
• 第三種換氣：自然給氣 $+$ 機械排氣（室內呈負壓）。
• 第四種換氣：自然給氣 $+$ 自然排氣（純自然換氣）。

3. 法規基準（以命題當年民國 107 年法規為準）：

• 依《建築技術規則》建築設計施工編第 43 條規定，居室應有符合規定之採光通風開口，浴廁無外窗時必須裝設機械通風設備。
• 依《建築技術規則》建築設備編第 102 條之通風規定，密閉空間、廁所及浴室採用機械通風時，換氣量應依室內用途及容納人數計算，浴廁通常需滿足換氣次數每小時 5 次至 10 次以上，或每平方公尺樓地板面積排氣量達法規標準。（現行法規對無窗浴廁機械排氣設備及防止逆流措施之細部規範更趨嚴格，但通風核心精神與民國 107 年一致）。

4. 流體力學基礎公式：

• 開口壓差流動公式： $Q = C_d A \sqrt{\frac{2\Delta P}{\rho}}$ 其中 $Q$ 為通風量（$\mathrm{m^3/s}$），$C_d$ 為流量係數，$A$ 為有效進氣面積（$\mathrm{m^2}$），$\Delta P$ 為相鄰空間壓差（$\mathrm{Pa}$），$\rho$ 為空氣密度（$\mathrm{kg/m^3}$）。
• 污染物平衡與稀釋公式： $V \frac{dC}{dt} = M - Q(C - C_o)$ 達到穩態時（$\frac{dC}{dt} = 0$）： $C = C_o + \frac{M}{Q}$ 其中 $V$ 為空間容積，$C$ 為室內污染物濃度，$C_o$ 為外氣濃度，$M$ 為污染物發生率。

解題方法

本題屬於說明型申論題，解題切入點須兼顧「空間機能限制」、「流體力學機制」與「建築設備實務」三大構面：

1. 空間機能與環境控制需求定位： 說明住宅浴廁使用頻率不連續、濕氣與異味集中產生，且現代集合住宅多配置於建築內側（暗廁）或面臨狹窄天井，自然通風易受風向、氣候與熱壓擾動限制，故不可單純依賴自然換氣，必須藉助機械動力確保恆定氣流方向。
2. 換氣方式之評比與選定： 將四種基本換氣形式進行比較，論證為何「第三種換氣（自然進氣 $+$ 機械排氣）」為住宅浴廁最適工法；若浴廁具備對外開窗，則以「第三種機械換氣搭配自然換氣（混光/開窗自然輔助）」為實務首選。
3. 換氣物理原理推導：

• 負壓形成機制：排風機強制抽出空氣，使浴廁內靜壓低於周邊走廊或臥室，驅使氣流由潔淨區往污染區流動。
• 質量守恆與進風路徑：排氣必須有相對應的補氣（Make-up Air），若無進風口則排風機將因背壓過高而空轉失效，因此需配合門下切縫（Door Undercut）或通氣百葉進氣。
• 防逆流機制：針對集合住宅氣密與防疫要求，排風系統須搭配逆止閥（防回風閥）及當層排氣管路。

選項分析（四種換氣方式對住宅浴廁之適用性比對）

本題為申論題，在作答中將四種基本換氣類型逐一剖析，有助於突顯最適方案的排他性與合理性：

• 第一種換氣（機械給氣 $+$ 機械排氣）：
• 特性：給排氣均由風機主動控制，能精準調控進排風量與室內壓差。
• 適用性分析：不符住宅經濟性。其設備費用高、管線繁複且維護成本高，一般僅用於全熱交換器整合之全室通風系統或醫院手術室，住宅單一浴廁無須採用。
• 第二種換氣（機械給氣 $+$ 自然排氣）：
• 特性：強制將外部空氣打入室內，室內維持正壓，空氣經由開口外溢。
• 適用性分析：嚴格禁止於浴廁。若浴廁呈正壓，其高濃度臭氣、水蒸氣與病原體將被強制壓入相鄰的臥室、客廳等潔淨居室，破壞全室衛生環境。
• 第三種換氣（自然給氣 $+$ 機械排氣）：
• 特性：排風機強制排出污染氣體，室內形成負壓；

核心觀念

本題測驗「智慧建築標章」評估體系中「安全防災指標」之「有害氣體防制」具體技術作為。

1. 法規與評估依據：以命題當年（民國 107 年）適用之內政部建築研究所《智慧建築評估手冊》（2016 年版）及《建築技術規則建築設備編》第 102 條（機械通風設備標準）為準（現行法《智慧建築評估手冊》已更新至 2024 年版，強化了系統整合性與全載能源管理，但有害氣體的「偵測、連動、阻絕」核心原則不變）。
2. 危害特性：地下停車場內最常見且致命之有害氣體為車輛引擎燃燒不完全產生之一氧化碳（$\text{CO}$），其分子量約為 $28$，接近空氣平均分子量（約 $29$），常伴隨熱廢氣混勻浮動，無色、無味且具強烈血紅素親和力，極易造成缺氧中毒。
3. 防制架構：智慧建築安全防災指標評估重點在於「感知監控（早期偵測）」與「智慧防制（擴散阻絕與機械稀釋連動）」。

解題方法

本題屬申論題型，作答宜採「二分對稱結構」，緊扣題目的兩大核心提問：

1. 致命有害氣體之偵測設備與措施：依「氣體種類選擇 $\to$ 安裝高度與密度物理依據 $\to$ 多段式濃度閾值設定 $\to$ 智慧中央監控整合」之邏輯層層推展。
2. 防止擴散之措施：從建築物理環境控制的「氣壓梯階控制（負壓）」、「實體區劃阻隔（緩衝氣室/密封）」與「主動氣流誘導與連動」三道防線切入，完整交代如何避免氣體竄入地面層或電梯梯廳。

選項分析

本題為專業申論題，非選擇題。考生作答時應以結構化條列方式取代大段落敘述，將評分指標所重視的各項技術細節（如安裝高度、覆蓋半徑、ppm 閾值、微負壓原理）精確呈現，方能取得滿分級距。

解題技巧

1. 切忌泛泛而談：不要只寫「裝設抽風機」或「裝設感應器」，必須精確寫出氣體種類（$\text{CO}$）、安裝高度依據（呼吸帶高度約 $1.2 \sim 1.5 \text{ m}$）、防護半徑（約 $10 \sim 15 \text{ m}$）及連動濃度數值（如 $35\text{ ppm}$ 與 $50\sim100\text{ ppm}$）。
2. 防止擴散的致勝關鍵：考生常漏答「垂直動線阻絕」。地下室廢氣最危險的擴散途徑是藉由「昇降機道與安全梯的煙囪效應」蔓延至地上各樓層，因此回答務必包含「氣密前室、加壓防護、穿越部填封與微負壓氣流控制」。
3. 答題架構黃金公式：物理偵測（感知） $+$ 系統連動（反應） $+$ 氣壓/實體區劃（阻隔）。

【答案】

一、地下停車場致命有害氣體偵測設備與設置措施

1. 偵測標的與感測設備選用

• 監測氣體：以燃油車輛廢氣中最具致命性之一氧化碳（$\text{CO}$）為主要偵測標的（亦可輔以二氧化碳 $\text{CO}_2$ 或可燃性碳氫化合物氣體）。
• 感測器型式：採用電化學式（Electrochemical）或半導體式高靈敏度氣體感知器，具備自校正、零點漂移補償與斷線警報功能。

核心觀念

本題的核心在於建築設備中「熱力學逆卡諾循環（Reverse Carnot Cycle）」與「蒸氣壓縮式冷凍循環（Vapor-Compression Cycle）」的應用原理，以及其在綠建築節能評估中的物理機制。主要涉及觀念與定義如下：

1. 熱量搬運而非電熱轉換：傳統電熱水器依據焦耳定律（Joule's law），純粹將電能轉換為熱能（$Q = W$），即使熱絕緣極佳，能量轉換效率（Thermal Efficiency）最高亦小於 $100\%$；熱泵（Heat Pump）則是利用少量高品位電能驅動壓縮機，從環境中（空氣、水或土壤）汲取大量的低品位環境熱能，搬運至生活熱水中，本質為「熱量搬運者」而非「熱能產生者」。
2. 能量守恆定律：在穩態循環中，輸出至熱水的總熱量 $Q_H$ 為吸收的環境熱量 $Q_L$ 與壓縮機所消耗的機械電功 $W$ 之總和： $Q_H = Q_L + W$
3. 製熱性能係數（Coefficient of Performance, $\text{COP}_{heating}$）：衡量熱泵系統能源利用效率的指標，定義為有效產出熱量與所消耗電能之比值： $\text{COP}_{heating} = \frac{Q_H}{W} = \frac{Q_L + W}{W} = 1 + \frac{Q_L}{W}$ 當環境提供熱量 $Q_L > 0$ 時，$\text{COP}_{heating} > 1$（一般空氣源熱泵常溫下 COP 可達 $3.0 \sim 4.5$），代表投入 $1\text{ kW}$ 的電能，可產生 $3 \sim 4.5\text{ kW}$ 的熱能輸出。

解題方法

本題為國家考試建築環境控制的經典申論題。答題切入點應建立嚴謹的「熱力循環結構 $\to$ 能量平衡方程式 $\to$ 節能量化推導 $\to$ 建築環境整合」四層次架構：

一、 系統組成與逆卡諾循環機制

熱泵熱水器內部充填低沸點之工作流體（冷媒），經由封閉管路在「四大核心組件」間循環流動，並利用冷媒的相態變化（相變潛熱）轉移熱量：

1. 蒸發器（Evaporator）——低壓吸熱：低壓低溫之液態冷媒進入蒸發器，吸收周界大氣（外氣）中的環境熱能（$Q_L$）而沸騰蒸發，相變為低壓過熱氣體。
2. 壓縮機（Compressor）——升壓作功：由電力驅動（消耗功 $W$），將低壓冷媒氣體壓縮為高溫高壓之過熱氣體。
3. 冷凝器（Condenser）——高壓放熱：高溫高壓冷媒氣體在冷凝器中與自來水進行熱交換，將熱量（$Q_H$）釋放給儲熱水槽中的水，冷媒本身冷凝液化為中溫高壓液體。
4. 膨脹閥／節流裝置（Expansion Valve）——降壓降溫：高壓液態冷媒流經節流閥降壓膨脹，壓力驟降且溫度大幅降低，變為低溫低壓的氣液混合流體，再回送至蒸發器重新吸熱，形成連續閉合循環。

二、 節能原理之量化推導

將熱泵與住宅最常見之儲備型電熱水器進行能耗對比推導：

• 設住宅每日製備熱水所需淨熱量為 $Q_H$。
• 傳統電熱水器耗電量： $W_{electric} = \frac{Q_H}{\eta_{electric}}$ 其中電熱阻絲之轉換效率 $\eta_{electric} \approx 0.90 \sim 0.95$。
• 熱泵熱水器耗電量： $W_{heat\_pump} = \frac{Q_H}{\text{COP}_{heating}}$
• 兩者耗電比： $\frac{W_{heat\_pump}}{W_{electric}} = \frac{\eta_{electric}}{\text{COP}_{heating}}$ 以標準工況 $\text{COP}_{heating} = 3.5$、$\eta_{electric} = 0.90$ 代入：