2011/08/05
經濟部能源局
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▓撰文╱圖片提供：林憲德
台灣環保界最注目的焦點，號稱世界第1座「亞熱帶綠建築教育中心」的「綠色魔法學校」，2011年1月正式落成於成功大學力行校區，它是由台達電子文教基金會董事長鄭崇華捐贈新台幣1億元、成大研究基金會出資6千萬元，同時募集台灣20多所企業捐贈最尖端綠色科技所共同打造的奇蹟。該大樓為地上3層、地下1層，樓板面積4,800平方公尺，內設1間300人國際會議廳、6間中小會議室及行政研究辦公室，由成大研究發展基金會、成大能源研究中心、規劃設計學院進駐其中，內部設有1間「亞熱帶綠建築博物館」，儼然是一個充滿趣味的建築教育基地。
「諾亞方舟」啟航
此座「綠色魔法學校」也被譽為「諾亞方舟」，是呼應環保名著《世界又熱、又平、又擠》作者佛里曼所提：「我們需要一百萬個諾亞，一百萬艘方舟，才能拯救這時代的全部物種」，因此把大量「船」的印象貫徹於此造型中。為了方舟的印象，大樓的外觀被打造成一艘星際大戰的飛船，飛船屋頂上有一面葉狀活動式太陽光電，像是此飛船的舵。屋頂的通風塔則設計成附有煙囪的輪機指揮艙，所有欄杆、扶手、陽台也被做成艦艇的感覺；甚至調節太陽能光電板角度的控制器，也特地以舊船貨店買來的一個日本商船的大輪盤做成，控制輪盤的平台也以鋼架做成一艘「神鬼奇航」海盜船的樣子，引起參觀者爭相來此拍照。
這飛船帶有一片像「拿破崙軍帽」的屋面，很是壯觀。屋面出挑很深，形成深邃的遮陽，可擋掉大部分進入室內的直接日射，因而可減少許多空調耗電。此「拿破崙軍帽」屋頂被做成階梯狀花園，園中種滿由台灣各地特選的景天科耐旱植物，強烈顯現出自然生態與現代科技的對比。因此這是一艘經濟實惠、可拯救全人類的「諾亞方舟」，而不是電影「2012年」中需要10億歐元的船票，才能搭上的貴族式方舟。
「綠色魔法學校」從設計起即屢創佳績，2009年獲得Discovery頻道對設計施工的全程報導；今年3月在「世界屋頂綠化大會」獲頒「世界立體綠化零碳建築傑出設計獎」；明（2012）年將被收錄進美國《世界最綠的建築（The World’s Greenest Building）》書中，成為代表亞洲的10個案例之一。
此大樓於2011年已同時取得台灣EEWH系統「鑽石級綠建築標章」與美國能源與環境先導設計（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）系統「白金級綠建築標章」之認證，是全世界唯一獲得台美雙方最高綠建築認證的作品。美國的LEED系統較強調綠色科技與綠色採購，台灣的EEWH系統較強調設備減量與自然設計，兩者是迥然不同的綠建築評估工具，能同時通過雙方最嚴苛的評鑑，是「綠色魔法學校」最傲人的成就。
「綠色魔法學校」在「節能」、「節水」與「創新設計」三方面，均取得LEED滿分的評價。它採用了世界最高效率的直流變頻離心冰水主機與變頻變冷媒空調，同時也引入變風量、變水量、全熱交換器等設計，是取得「節能」滿分評估的原因；而採用省水器材、雨中水利用、人工濕地則是取得「節水」最高評估的關鍵，加上設有浮力通風煙囪設計、綠建築博物館、教育導覽解說等設施，使之成為「創新設計」最高奪標的利器。
另一方面，「綠色魔法學校」在台灣EEWH系統的評估上，則在9大指標均獲得頂尖的評估，亦即節能65％、節水50％、綠建材使用率100％，已達到史無前例的綠建築水準。尤其它強調經濟實用的「四倍數技術」，盡量採用本土技術、恰到好處的設備投資，其造價包含捐贈費用每坪才8.7萬元，僅為一般市面行情之造價，是「平價綠建築」的最佳寫照，也是台灣推動綠建築平民化運動的里程碑示範。
空調與吊扇並用系統
「綠色魔法學校」強調順應自然的設計，除了最基本的自然通風開窗設計之外，特別引入長期被遺忘的「吊扇」設計，這樣就可讓辦公室的全年空調時間減少9成以上。根據筆者研究室對一般家庭開空調的行為調查，發現國人在氣溫低於30℃時根本不會開空調，唯有當氣溫大於31℃時才會陸續啟動家裡的冷氣機，因此我們設定外氣溫大於30℃時才能使用空調，在27～30℃時只能使用吊扇通風，在27℃以下則打開窗戶通風即可。雖然目前大樓尚未嚴格執行此溫控計畫，不過根據現場實測證明：此大樓已經比成大其他大樓空調啟動晚1個月，預計全年空調節能達四分之一以上，同時所有人員均認為這種通風、吊扇、空調並用系統是健康又舒適的。
事實上，全球各大城市在夏季超出30℃真正需要空調的時間並非很長，只要善用這種「空調與吊扇並用系統」，則大部分的辦公建築物約只需要2至3個月的冷房空調即可。因此裝一些吊扇、花小錢而立大功的「四倍數」魔法，就可讓上班族享受到更健康、更愉悅的氣流變化與充滿負離子的環境；惟「吊扇空調並用設計」的前提，必須同時設計細長與雙向通風的建築平面，方能達到最佳功效。
灶窯通風系統
「綠色魔法學校」最引以為豪的自然通風設計─國際會議廳「崇華廳」，係採用古老的「灶窯通風系統」秘訣建成。以前家家戶戶都有的「灶窯」，由一個磚泥塑成的保溫灶台，與一根長長的排煙煙囪所構成，氧氣由底部入薪口進入，廢氣由頂部煙囪快速排出，是一種燃燒效率很好的烹飪設備。為了讓崇華廳在冬天達到完全自然通風、不用空調的境界，在主席台後面挖了一排開口以引進涼風，同時在最高客席的後牆上設計了一個壁爐式的大煙囪，創造出一個由低向高的流場，以有效排出廢氣。另為了加強浮力，在此煙囪南面開了一個透明玻璃大窗，煙囪完全噴漆成黑色，以吸收由玻璃引進的太陽輻射熱，如此便形成有如「灶窯」燃燒的層流風場，讓會議廳在冬天可完全不靠電力，達到舒適的通風環境。
即使在冬天，想要讓一個300人用的大會議廳達到不開空調的設計，在亞熱帶氣候仍是不容易的，為此，成大工科系進行電腦計算流體力學（Computational Fluid Dynamic, CFD）模擬與風洞實驗，把「崇華廳」設計成一個超級節能的現代化「灶窯通風系統」。經過CFD模擬，在草圖階段就預知：台灣的11月至3月，即使不開空調，「崇華廳」內部的風速可維持於0.1～0.6m╱s的舒適範圍，新鮮外氣的換氣次數可達5至8次的最健康水準。由於氣候變熱、室內人數增多時會增加煙囪效應的熱流動力，同時也會增強室內風速與通風量，正符合通風衛生上的需求。
而「崇華廳」風場的不均勻與擾流是最大挑戰，因此在主席台下設有風道分流，並把煙囪進風做成附有3個大風口的壁爐，以便平均誘導層流，並避免局部強風。另外，為了讓氣流通過觀眾席不會受到太大阻力，廳內不採用笨重又封閉的一般觀眾座椅，筆者特別選用最輕巧、風阻抗最小的金屬座椅，只在與接觸人體最小的面積上縫有最薄的柔軟靠墊，讓座椅四周留出很多間隙，以容許最大的氣流通過。
為了確認CFD計算無誤，研究團隊同時建立1個1比20的縮尺模型，以煙流實驗確認了通風氣流可均勻的到達每一客席，確保完善的通風環境。另外，也採用動態空調負荷計算DOE程式進行動態空調耗能模擬分析，確認了當外氣溫低於28℃以下時，即可執行該「灶窯通風系統」，其室內最高溫度可維持於30.5℃，這在風速0.5m╱s下可保證是舒適範圍，同時全年可節省27％的空調耗電量。以經濟投資效益而言，此通風塔與閘門控制設備共花費20萬元，回收年限約為3年，節能效益相當卓著。
由於「灶窯通風系統」在採自然通風時，新鮮外氣由一片森林引入，可帶入充分的氧氣與芬多精，所以在廳內入風口處鋪上一層「備長碳」，提供了吸濕、除臭、殺菌與淨化空氣之功能。此自然通風系統不但可提供多變化的風速，其氣流與物體的磨擦也會產生大量負離子，因而可帶來愉悅無比的通風環境。在4至10月的溫熱期間，此「灶窯通風系統」以閘門控制改成一般密閉空調方式，其節能另外以高效率主機、變頻空調來處理。此空調的新鮮外氣量特別要求必須高於一般水準，其外氣的耗能則以全熱交換器回收。
節能世界第一
「綠色魔法學校」在模擬階段，已確信能達成節能65％的目標，亦即在一般3層樓辦公建築每平方公尺樓板面積平均耗電125度╱（m2.年），達到43.7度╱（m2.年）之水準，同時今年前半年的用電監測已證明實際可能會超越此水準，這在亞熱帶的建築物基本耗能量就很小的情況下，幾乎是全世界最節能的建築。以國際相同建築類型之耗電水準而言，英國、美國、香港、新加坡、中國辦公大樓的EUI值約為404、390、304、217、111.2kWh╱（m2.a），可見「綠色魔法學校」達成EUI＝43kWh╱（m2.a），確實是世界第1的水準。
筆者研究室以美國能源部的動態程式DOE，對於此建築採用的13種綠建築節能對策進行最嚴謹的耗能解析評估。筆者將這13種節能技術分為3部分來看，包括：設計節能、設備節能、再生能源。第1部分是不花錢、或花少錢，以建築與設備的專業來達成的節能設計，包括由開口、遮陽、屋頂隔熱等建築外觀的節能設計，由平面、通風塔、吊扇等自然通風的節能設計，以及由空調、照明等設備的減量設計，這部分總共可達節能41％；第2部分是以高效率變頻空調、全熱交換器、高效率燈具、照明控制、高效率受電變壓器等方面的設備硬體節能，可節能19％；第3部分是以太陽能與風力的「再生能源」部分，可達節能5％。
由這些節能成效可發現，其實只要利用越簡單越自然的技術，就能拯救地球的原理。例如：第1部分的節能技術，只是動動腦筋、畫畫設計圖、買些吊扇，甚至是把大機器換成小機器，幾乎不動用貴重的設備，但節能效益卻很高。第2部分的空調、照明、變壓器的設備節能技術，是一些不複雜但有很高效率的節能技術，其硬體投資雖然貴了一點，但其總節能效益高達19％，回收年限約為3年，也是值得推薦的綠建築技術。唯一較昂貴的投資就是第3部分的太陽能與風力發電技術，雖然設計了隨季節而調整太陽角度的光電板，使用了國內最高效率的單晶光電板，以及全世界最高效率的直交流轉換器（效率95％以上），但回收年限還是長達20年以上。
邁向「零碳建築」
追求「零碳建築」已是未來趨勢與風潮，所謂「零碳建築」，就是完全不使用地球能源、完全不排放二氧化碳的建築物。「綠色魔法學校」利用「碳中和」的秘訣，亦即以造林增加光合作用來吸附建築物排放二氧化碳來達到「零碳建築」的目標。上述節能65％的努力已讓「綠色魔法學校」每年的總用電量縮小到11.3萬度（包括地上2,632m2與地下室1,197m2的用電），假如能設法增加4.7公頃的造林，以每公頃人造林每年吸收15公噸二氧化碳來計算，其光合作用剛好可以吸附其總耗電量所排放的二氧化碳排放量71.3公噸，即可達成「零碳」的理想。為此，成功大學已經撥出「綠色魔法學校」旁0.2公頃的綠地，以及成大安南校區內4.5公頃的邊緣荒地，即將展開造林工作，希望能順利達成「零碳建築」的願景。（作者為國立成功大學建築系教授）
台灣EEWH系統＆美國LEED系統
台灣綠建築之評估項目包含：生態（Ecology）、節能（Energy Saving）、減廢（Waste Reduction）、健康（Health）等4大範疇9大指標，此體系又稱為「EEWH系統」。
LEED能源與環境先導設計（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）由美國綠建築協會制定，為國際間使用最為廣泛之綠建築評估認證系統。該「LEED系統」之評估項目包括：永續性基地開發（Sustainable Site）、用水效率（Water Efficiency）、能源與大氣（Energy and Atmosphere）、材料與資源（Materials and Resources）、室內環境品質（Indoor Environmental Quality）、創新與設計過程（Innovation and Design Process）、區域優惠得分項目（Regional Priority Credits）。