酷熱氣候下的軌道交通革新：高架車站通風降溫與節能設計策略之完整解析
2026-01-13
壹、 前言：綠色建築與極端氣候的博弈
隨著全球氣候變遷加劇，夏季高溫已成為常態，都市熱島效應更使得城市中心的氣溫屢創新高。在這樣的背景下，軌道交通系統中的高架車站面臨了前所未有的挑戰。傳統的高架車站設計往往基於綠建築概念，強調通風、採光與自然排煙，造型上多追求輕盈、簡約與通透 。這種半開放式的設計在氣候溫和時能有效引入自然風，但在臺灣夏季氣溫經常突破 30°C 甚至達到 35°C 以上的極端高溫下，站內環境往往變得酷熱難耐 。
在這種高溫高濕的環境中，高架月台的溫度幾乎等同於室外氣溫，單純依賴自然通風已無法滿足乘客的生理熱舒適需求，甚至可能引發中暑或暈厥等健康風險 。若為了降溫而全面裝設傳統空調系統，由於車站結構並非密閉，冷氣將大量外洩，導致能源消耗極為驚人，這與當前全球追求節能減碳的趨勢背道而馳 。因此，如何在「提升乘客熱舒適度」與「降低營運能耗」之間取得平衡，成為捷運工程界亟待解決的關鍵課題。本文將深入探討以「直接蒸發冷卻（DEC）」結合「局部送風」的創新策略，並解析其理論基礎與實際工程應用效益。
貳、 文獻回顧與理論基礎：熱舒適的科學解析
要解決高架車站的熱環境問題，首先必須從人體生理學與熱舒適理論入手，理解為何傳統的「吹風扇」在極端高溫下會失效。
一、 熱舒適評估指標：PMV 與 PPD 模型
國際標準 ISO 7730:2005 定義了預測平均評價（Predicted Mean Vote, PMV）模型，這是目前評估人體熱舒適度最權威的指標。PMV 模型綜合考量了六大因素：空氣溫度、相對濕度、平均輻射溫度、氣流速度、人體衣著量以及新陳代謝率 。
根據此模型，舒適的定義通常是 PMV 值介於 -0.5 至 +0.5 之間，此時預測不滿意百分比（PPD）小於 10%，代表 80% 以上的人員對環境感到滿意 。在夏季高溫高濕條件下，人體散熱高度依賴汗液蒸發，適當的氣流（風速 0.8~1.2 m/s）可加速蒸發散熱，顯著提升舒適感 。
圖 1：PMV-PPD 函數曲線圖 此圖顯示了 PMV（預測平均評價）與 PPD（預測不滿意百分比）之間的非線性關係。當 PMV 偏離 0（適中）時，不滿意的人數比例會急劇上升。工程設計的目標是將環境控制在灰色區域的舒適帶內 。
然而，風速對舒適度的提升具有非線性特徵。研究顯示，當風速超過 1.5 m/s 時，可能會引起吹風感（Draft）導致煩躁；而當風速超過 2~3 m/s 時，人體表面的汗液蒸發速率已達極限，此時繼續提高風速不僅無法進一步降溫，反而會增加無謂的能耗 。
二、 自然通風的極限：適應性熱舒適模型
在半開放空間中，乘客的舒適期望會隨著戶外氣候產生「適應性」調整。依據 ASHRAE Standard 55-2020 的適應性熱舒適模型（Adaptive Method），人們在自然通風環境下，對於溫度的接受度會隨戶外平均氣溫升高而放寬 。
圖 2：自然通風空間可接受的操作溫度範圍（適應性模型） 圖中顯示了隨著戶外平均溫度（橫軸）上升，室內可接受的操作溫度上限（縱軸）也隨之提高。然而，當戶外 30 日平均氣溫超過 33.5°C 時（紅色虛線處），此適應性模型即失效，代表單靠自然通風已無法維持人體舒適，必須介入主動降溫措施 。
三、 高風速舒適區與生理極限
ASHRAE 55 提出的「高風速舒適區方法」（Elevated Air Speed Comfort Zone Method）指出，在使用者可控制風速且平均風速達 1.6 m/s 以上時，可將舒適溫度的上限提高約 4°C 。例如，在典型的夏季穿著下，原本 27.5°C 的舒適上限可延伸至 31.5°C 。
圖 3：操作溫度與平均風速之可接受舒適區範圍 深灰色區域代表「使用者可控制風速」的舒適區。可以看到曲線向右上方延伸，意味著風速越高，人體可忍受的環境溫度越高。但請注意紅色垂直線標示的極限：當環境操作溫度超過 31.5°C 時，即便風速再大，也無法進入舒適區 。
生理極限的警告：人體皮膚溫度約為 34°C 至 35°C。這是一個物理上的絕對界線。當環境氣溫低於皮膚溫度時，流動的空氣透過對流帶走熱量；但當氣溫高於 35°C 時，吹來的風變成了「熱風」，不僅無法散熱，反而會像吹風機一樣將熱量傳遞給人體，加速體溫升高，大幅增加中暑風險 。因此，在臺灣夏季午後常見的 35°C 高溫下，單純使用電風扇是無效且危險的 。
參、 傳統通風與空調方式的困境
面對高溫挑戰，傳統的解決方案主要分為「自然/機械通風」與「傳統壓縮機空調」兩類，但在高架車站的應用上均存在致命缺陷。
一、 自然通風與機械風扇的侷限
自然通風依賴風壓與熱壓，但在無風或外部氣溫過高時效果甚微 。雖然安裝大型吊扇或循環扇可增加風速，但如前所述，當氣溫超過 30°C，單純提高風速對舒適度的改善極其有限，乘客在強風吹拂下依然汗流浹背 。
二、 全面空調的高能耗與低效率
另一種極端是將高架月台視為室內空間，全面裝設空調。然而，半開放式結構意味著冷空氣會不斷流失。
圖 4：高架車站全面空調化之冷氣外洩示意圖 圖中藍色箭頭代表冷氣，紅色箭頭代表外部熱氣。由於月台門上方及軌道側通常未完全封閉，冷氣會迅速逸散至站外，造成「冷氣吹地球」的現象，冷房效率極低且能源浪費巨大 。
肆、 創新解決方案：蒸發冷卻與局部送風技術
為了突破傳統瓶頸，工程界引入了「直接蒸發冷卻（DEC）」結合「局部送風」的策略，這是一種借鏡工業廠房降溫經驗的高效方案。
圖 5：局部送風設計概念示意圖 核心理念不在於冷卻整個巨大的車站空間（圖中上方空間），而是將冷源集中在乘客候車的高度與區域（圖中藍色氣流覆蓋區），實現「分區舒適」 。
一、 直接蒸發冷卻（DEC）原理
直接蒸發冷卻是利用水蒸發吸熱的物理特性。當熱空氣穿過濕潤的介質（如蜂巢狀水簾）時，水分子蒸發吸收空氣中的顯熱，使空氣溫度下降並增加濕度 。此過程無需高耗能的壓縮機，僅需風機與水泵運作，能效比極高（COP 值遠高於傳統空調）。
圖 6：蒸發冷卻設備運作原理示意圖 左側乾燥熱空氣進入，穿過中間濕潤的蒸發濾網（Evaporation Pad），水分相變吸熱後，右側吹出涼爽濕潤的空氣。圖表下方顯示了不同濕度下的降溫潛力 。
雖然臺灣夏季濕度較高，限制了蒸發冷卻的極限溫差，但在典型高溫日（乾球溫度 35°C、相對濕度 70%），DEC 仍可將空氣降溫約 5°C 至 30°C 左右 。這 5°C 的溫差至關重要，因為它將環境溫度拉回到了風速冷卻效應有效的範圍內。
二、 複合式系統設計
為了應對極端氣候，系統可設計為「預冷+蒸發」的複合模式。
圖 7：直接蒸發冷卻複合式空調系統示意圖 空氣經過過濾段後，先由盤管表冷段（小型輔助冷氣）進行初步降溫除濕，再進入直接蒸發冷卻段。這種雙段設計可提升降溫效能，確保在極端天氣下仍有穩定冷源 。
三、 局部送風策略：精準打擊
由於高架車站空間挑高且開放，試圖冷卻整體空間是不切實際的。因此，「局部通風」策略應運而生。透過安裝朝向乘客的噴流式風口，將處理過的冷空氣定向送往候車區（高度 1.2~1.7 公尺處），風速控制在 1.25 m/s 左右 。
圖 8：蒸發冷卻與局部送風應用場景示意 透過置於樑柱上的可調式噴流風口或移動式冷風機，將冷風直接吹送至人體。這種方式大幅減少了冷卻無人區域（如軌道上方或天花板處）的能源浪費 （AI生成圖）。
四、 綜合效果：體感溫度的顯著下降
「蒸發冷卻降溫」與「局部通風提速」的疊加效應是此策略的核心。
* 第一重降溫：DEC 將 35°C 的熱空氣降至約 30°C。
* 第二重降溫：1.25 m/s 的風速吹拂人體，產生約 2~3°C 的等效風冷效應。
* 結果：乘客的體感溫度從原本的 37°C 驟降至約 33°C 甚至更低，達到人體可接受的「過渡性舒適」範圍 。
圖 9：三鶯線月台等候區蒸發冷卻及局部通風設計詳圖 圖中展示了風管配置與噴嘴位置。設計精確計算了風口的射程，確保冷風能覆蓋候車區（紅色虛線框範圍），且終端風速維持在 1.25 m/s，避免風速過強造成不適 。（AI模擬圖）
伍、 案例分析：從臺灣到國際的實踐經驗
一、 臺灣三鶯線：高架車站的節能典範
新北市三鶯線在設計階段即導入此「精進方案」。具體作法是在月台層機房設置工業用蒸發式冷風機，並輔以一台 10.5kw 的小型分離式冷氣進行輔助降溫。
圖 10：類似三鶯線設計的蒸發式冷風機組外觀（參考北京案例） 機組上方裝有球形射流噴口，可靈活調整送風方向。這種工業級設備結構簡單，維護容易 。
LB07 車站設計模擬： 設計模擬顯示，將室外 32°C/70%RH 的空氣，經蒸發冷卻降至 30°C/85%RH，再以 1.25 m/s 風速送至乘客處。根據 ASHRAE 舒適區圖表，此狀態點正好落入「使用者可控風速」的舒適區內。
圖 11：LB07 站月台等候區氣流模擬示意 左側剖面圖顯示冷風從高處風管吹下，覆蓋 1.2~1.7 公尺高的人體區域。右側圖表則標示出該設計工況點（紅色十字線）成功落入舒適區範圍 。
圖 12：三鶯線蒸發冷卻及局部通風系統流程圖 詳細展示了皮帶式軸流風機、10.5kw 輔助冷氣、水簾設備組與送風風管的連接關係。冷凝水會被回收循環利用，減少水資源浪費 。
圖 13：機房內水簾牆組合設計示意 熱空氣通過外氣百葉進入，穿過四面設置的水簾牆進行降溫，再由風機送出。將設備設於機房內有利於日後的維護保養 。
二、 中國北京地鐵：熱環境改善工程
2024 年夏季，北京地鐵在 16 座高架/地面車站試點安裝蒸發式冷風機。針對月台長度長的特點，研發單位在冷風機出風口加裝了特殊的「射流噴口」，使送風距離可達 8~12 公尺，大幅擴大了冷風覆蓋範圍 。
圖 14：北京地鐵月台實景與降溫效果實測 照片顯示月台上設置的大型冷風機。右下角溫度計測得出風口附近溫度為 25.5°C，顯示降溫效果顯著。乘客在冷風吹拂下候車體驗大幅改善 。
三、 國際應用案例
此技術在全球各地已有廣泛應用，證明其適應性。
* 天津地鐵：採用集中式蒸發冷卻系統。
* 日本京濱東北線：設置兼具廣告功能的單元式冷風機。
* 沙烏地阿拉伯麥加地鐵：為應對 45°C 的沙漠高溫，安裝了 279 台大型蒸發冷卻器。
* 西班牙馬德里：採用「冷霧式」降溫，將水霧化後噴灑蒸發。
圖 15：全球高架車站蒸發冷卻應用案例天津地鐵
圖16：日本地鐵站的單元機
圖17：馬德里地鐵的冷霧系統
圖18：麥加地鐵的大型冷卻設施。這些案例展示了技術的多樣化應用形式 。
陸、 各通風降溫方式之效果比較與節能評估
綜合各項技術指標，我們將「自然通風」、「風扇」、「傳統空調」與「直接蒸發冷卻」進行了系統性比較。
比較分析表
* 自然通風：能耗近乎零，但在 >30°C 時完全失效 。
* 風扇：能耗極低，但無法降低氣溫，當氣溫 >31.5°C 時，風扇吹出的熱風會加劇不適 。
* 傳統空調：降溫效果最強，但能耗極高，且在半開放空間冷氣易流失，維護成本高昂 。
* 直接蒸發冷卻：能耗僅為傳統空調的 30%~40%，運轉費用僅為 1/4。雖然降溫幅度（2~5°C）不如密閉空調，但配合局部送風，正好能滿足高架車站「有感涼意」的需求，性價比最高 。
柒、 未來設計準則精進與結論
一、 設計準則的革新
基於上述研究，未來高架車站的設計規範應進行以下調整：
1. 設定務實目標：不再追求全站 25°C 的冷房標準，而是設定候車區操作溫度 < 32°C，並確保乘客高度有 1.5~3.0 m/s 的氣流（視氣溫動態調整） 。
2. 主動介入機制：當戶外氣溫超過 28~30°C 時，強制啟動蒸發冷卻與局部通風設施，不再僅依賴自然通風 。
3. 智慧節能控制：引入感測器，根據即時氣溫與人流密度，自動調節風機轉速與水泵啟停，實現精細化管理 。
二、 結論
高架車站的酷熱問題並非無解。透過「直接蒸發冷卻」結合「局部送風」的策略，我們找到了一條兼顧「人體熱舒適」與「節能減碳」的中道。此方案利用水的相變吸熱原理，以極低的能耗創造出明顯的涼爽感，不僅解決了乘客的燃眉之急，更符合全球綠色交通的發展願景。從臺灣三鶯線到北京、麥加的成功案例，均證明了此技術的成熟與可靠。未來，這套「有涼意、無冷氣」的設計理念，將成為亞熱帶地區高架車站的標準配備 。
(本文以Gemini AI重寫自《中華技術期刊148期》28-46頁之工程論著)
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