應用實驗計畫法規劃模擬實驗

3.3.1 田口實驗計畫法

由於 ENVI-met 係應用電腦動態流體力學之理論進行環境數值運算，對電 腦之運算能力要求相當高，模擬之時間相當長，倘將所有影響熱環境之因子所有 可能組合進行全因子模擬實驗，所需時間成本恐將無以估計在實務上亦不可行。

因此，本研究採用導入實驗計畫法之方式以結構化之直交表實驗規劃模擬之因子 配列，以減少實際需執行模擬之次數以節省時間成本。本研究初擬對都市熱環境 影響最大之幾個關鍵因子包括平均建築高度、空地的喬木覆蓋率、人工鋪面平均 反射率、空地的綠地面積比、空地的水體面積比、空地的透水鋪面面積比、建蔽 率等 7 個因子，每個因子包括三種水準，應用田口實驗計畫法內之 L27 三水準 標準直交表，如表 3-6 所示，依表中之各水準組合進行模擬基地案例之配置以系

統性地創造不同建成環境之組合。本研究採用之 8 種實驗因子之定義與說明如 下第3.3.2 節。

選用之因子及其因子各水準之數值以及配置於直交表內之欄位則如表 3-7 所示。在進行不同因子水準組合下之模擬案例模型生成時，首先定義應用於模擬 之基地基本條件(base case)以作為各樣本共同之標準。Base case 定義為一 100 公 尺見方之基地(如圖 3-7 中之核心區域)，再由四方外擴 50 公尺作為 ENVI-met 模 擬之區域，以考量鄰近都市街廓之影響。所有之建成環境配置於中央核心區域內。

圖 3-8 為應用直交表之因子配置組合下，產生之二種可能建成環境組合之示意 圖，本研究一共產生27 種相異之假想建成環境組合，每一組合與未開發狀態下 之情況逐一透過ENVI-met 進行數值模擬實驗，以獲取環境中每一網格之熱環境 物理狀態輸出，包括環境溫濕度、風速、平均輻射溫度與 PET 等資訊，以作為 後續分析。所有27 種之基地配置組合如附錄三。

圖 3-7 作為 ENVI-met 初始之模擬空間(Domain)維度示意 (資料來源:本研究整理)

表 3-6 L27 標準直交表

Exp. # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 A B C D E F G H I J K L M 實驗1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

實驗6 1 2 2 2 3 3 3 1 1 1 2 2 2 實驗7 1 3 3 3 1 1 1 3 3 3 2 2 2 實驗8 1 3 3 3 2 2 2 1 1 1 3 3 3 實驗9 1 3 3 3 3 3 3 2 2 2 1 1 1 實驗10 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 實驗11 2 1 2 3 2 3 1 2 3 1 2 3 1 實驗12 2 1 2 3 3 1 2 3 1 2 3 1 2 實驗13 2 2 3 1 1 2 3 2 3 1 3 1 2 實驗14 2 2 3 1 2 3 1 3 1 2 1 2 3 實驗15 2 2 3 1 3 1 2 1 2 3 2 3 1 實驗16 2 3 1 2 1 2 3 3 1 2 2 3 1 實驗17 2 3 1 2 2 3 1 1 2 3 3 1 2 實驗18 2 3 1 2 3 1 2 2 3 1 1 2 3 實驗19 3 1 3 2 1 3 2 1 3 2 1 3 2 實驗20 3 1 3 2 2 1 3 2 1 3 2 1 3 實驗21 3 1 3 2 3 2 1 3 2 1 3 2 1 實驗22 3 2 1 3 1 3 2 2 1 3 3 2 1 實驗23 3 2 1 3 2 1 3 3 2 1 1 3 2 實驗24 3 2 1 3 3 2 1 1 3 2 2 1 3 實驗25 3 3 2 1 1 3 2 3 2 1 2 1 3 實驗26 3 3 2 1 2 1 3 1 3 2 3 2 1 實驗27 3 3 2 1 3 2 1 2 1 3 1 3 2

(資料來源:本研究整理) 3.3.2 模擬因子選定

本研究採用之 7 種實驗因子包括平均平均建築高度、空地的喬木覆蓋率、

人工鋪面平均反射率、空地的綠地面積比、空地的水體面積比、空地的透水鋪面 面積比、建蔽率等，套用直交實驗之各水水準參數如表 3-7。各因子定義如下：

1. 平均建築高度：各基地內所有建築物之平均高度，各建築物如高度不一時 則以樓地板面積加權之方式計算整個基地之建築平均高度。此因子與「建 蔽率」可反應基地內建築物之密度，高密度之建成環境可提供建築遮蔭，

但由於建築外殼總表面積較大，其外殼材質之熱性能亦會影響環境之熱舒 適性。此外，高建蔽率之建築配置容易產生對盛行風之阻擋，亦不利於基 地內熱量累積之消散與提高環境之熱舒適。此因子於模擬實驗時，所採用 之三種水準為10m、30m 及 50m。

2. 建蔽率：其定義與建築技術規則中之建蔽率計算相同，意旨建築面積對基 地面積之比例。此因子於模擬實驗時，所採用之三種水準為 30%、45%及 60%。

3. 空地喬木覆蓋面積比率：「喬木覆蓋面積」意旨依現行綠建築綠化量指標內 有關喬木樹冠面積之計算，喬木栽種間距大於四米時以16m²為該棵喬木之 覆蓋面積計算，栽種間距小於四米時以栽種間距之平方為該棵喬木之覆蓋 面積。而「空地喬木覆蓋面積比率」意旨喬木覆蓋面積佔基地內空地面積 之比例。此因子於模擬實驗時，所採用之三種水準為0%、15%及 30%。

4. 空地的水體面積比：此因子用於描述評估指標內水體面積之計算。「空地水 體面積比率」意旨水體覆蓋面積佔地內空地面積之比例。此因子於模擬實 驗時，所採用之三種水準為0%、5%及 10%。

5. 人工鋪面平均反射率：表面材料之反射率(albedo)是鋪面熱性能因子之一，

高反射率之鋪面表面可直接反射日射熱以減少壁體對短波日射熱之吸收，

有助於減少建築物之壁體蓄熱，進而減少人工鋪面之長波輻射熱之釋出。

然而高反射率之鋪面表面亦會造成基地內瞬間短波輻射熱之增加而導致人 體熱不舒適之情形。用於描述基地內開放空間內之人工鋪面材質之反射率。

此因子於模擬實驗時，所採用之三種水準為0.1、0.3 及 0.5。

6. 空地綠地面積比：「綠地」在此為泛指基地內除建築物與人工鋪面以外之裸 露地或栽植草地、喬木與灌木之綠地屬之。此因子定義為「綠地」所佔基 地內空地之比例。此因子於模擬實驗時，所採用之三種水準為 30%、50%

及70%。

7. 空地透水鋪面面積比：「透水鋪面面積比」意旨透水鋪面面積之計算，透水 鋪面為基地內可透水且可反映土壤蒸發、吸收水分之因子。而「空地透水 鋪面面積比」意旨透水鋪面覆蓋面積佔基地內空地面積之比例。此因子於 模擬實驗時，所採用之三種水準為0%、10%及 20%。

表 3-7 模擬因子及其水準之定義

15 30 15% 0.5 30% 5% 20% 60%

16 30 30% 0.1 70% 0% 10% 60%

17 30 30% 0.3 30% 5% 20% 30%

18 30 30% 0.5 50% 10% 0% 45%

19 50 0% 0.1 30% 10% 10% 60%

20 50 0% 0.3 50% 0% 20% 30%

21 50 0% 0.5 70% 5% 0% 45%

22 50 15% 0.1 50% 0% 20% 45%

23 50 15% 0.3 70% 5% 0% 60%

24 50 15% 0.5 30% 10% 10% 30%

25 50 30% 0.1 70% 5% 0% 30%

26 50 30% 0.3 30% 10% 10% 45%

27 50 30% 0.5 50% 0% 20% 60%

(資料來源:本研究整理) 第四節 外界氣候條件之篩選

本研究之目的為瞭解綠建築對都市熱島與環境熱舒適之量化效益，在外界 氣候之假定上應以熱季期間之炎熱日進行探討。因此本節針對模擬用之外界氣候 以台北之標準氣象年 TMY3 挑選出代表日。此一代表日需反應熱季期間人體感 受最熱之狀態，故本研究以人體生理等效溫度 PET 作為挑選之指標。模擬代表 日之挑選邏輯如下各步驟：

1. 取台北六月至九月熱季期間之 TMY3 逐時氣象資料，包括水平全天空 日射量、乾球溫度、相對濕度、風速等氣象要素計算逐時之PET。

2. 各日取日間(8:00 至 18:00)逐時之 PET 計算其日間平均 PET。

3. 篩選出日間平均 PET 大於該月平均 PET 外加一個 PET 標準差之數日，

進行日間PET 溫度與日射量分布之比較。

4. 以當日日射量與溫度分布呈現晴朗日之狀態挑選出各月之代表日，以 確定當日係無受雲量或下雨之影響，以代表天氣穩定且熱感受幾近最 炎熱之日為模擬之代表日。

依上述步驟以八月為例說明，第三步驟所挑出之日有二日，8 月 2 日與 8 月 26 日，由當日之日射量分布(圖 3-9)，與日間之 PET 分布(圖 3-10)所示，中選日 挑選為為8 月 2 日，該日之氣溫、日射量與 PET 分布如圖 3-11 所示。

圖 3-9 八月挑選出二日炎熱日之全天空日射量分布圖 (資料來源:本研究整理)

圖 3-10 所挑選出二日炎熱日日間逐時 PET 之分布圖 (資料來源:本研究整理)

圖 3-11 中選日(8 月 2 日)之氣溫與日射量分布 (資料來源:本研究整理)

第五節 ENVI-met 熱環境模擬

3.4.1 模擬工具簡介

本研究以 ENVI-met v.4.0 軟體作為電腦數值模擬建成環境微氣候之主要工 具。ENVI-met 是一三維度之都市熱環境模擬工具，是屬於預測模型(prognostic model)軟體，最早由德國學者 Michael Bruse 開發於 1995 年，以 0.5 公尺至 10 公 尺網格之空間解析度以及最低達10 秒之時間解析度來模擬都市環境中的人工構 造物表面、土壤、植栽和空氣間的相互濕度與熱交換作用，是一以電腦動態流體 力學(CFD)為基礎開發的環境數值計算軟體，目前版本為 4.0 版(Huttner 2012)。

所謂的預測模型軟體是指在給定初始條件後，此軟體能夠預測未來的變化情形，

因此應用在微氣候上，即可預測模型內部氣候的改變。ENVI-met 適合中尺度模 式，特別是城市街區，包括風流量、熱流量、和輻射量等城市中所涉及的環境參 數交換過程之計算，在城市微氣候環境的整體數值計算上（包括各種微氣候環境 參量的整合計算和日循環的非穩態計算）有明顯的優勢，更能結合現場實測方法 對複雜的城市街區微氣候環境進行模擬、預測和評估(Bruse and Fleer 1998)。

ENVI-met 能夠建立建成環境之三維模型，模型主要分為土壤層、植栽層與大氣 層三個層級。模型是由眾多的網格組成，使用者可依據建模範圍決定網格的長寬 高（Δx*Δy*Δz），其中 z 軸可以設定放大比率，使得高空區域網格的Δz 可隨 高度遞增，以減少模型的總網格數，有效降低模擬的模擬時間。ENVI-met 可以 模擬並預測輸出之氣候資訊包含(Bruse and Fleer 1998)：風速及風向、空氣溫度 及土壤溫度、空氣濕度及土壤濕度、大氣紊流、長波與短波輻射、氣體及懸浮微 粒擴散。圖 3-12 是一以該軟體進行探討種植行道樹對都市環境空氣溫度模擬之 例子(Russo, Escobedo et al. 2016)。

根據過去之文獻，ENVI-met 已經普遍被應用於都市微氣候環境的模擬上，

Ali-Toudert 等利用 ENVI-met 模擬五種不同型態(幾何形狀、植物綠覆、寬高比) 的街谷，並藉由輸出的氣溫、風速等計算生理等效溫度值(Ali-Toudert and Mayer 2007)。N.H. Wong 則利用新加坡大學的電子地圖輸入 ENVI-met，模擬現在校園

為ENVI-met 軟體內之輸入與輸出架構，其中在核心運算上，整合植栽、土壤、

建築、人工舖面等因子進行大氣中環境溫濕度、熱輻射環境與氣流之交互作用。

圖 3-12 以 ENVI-met 模擬都市建成環境之溫熱情況分布之例子 (資料來源：(Russo, Escobedo et al. 2016))

圖 3-13 ENVI-met 數值模擬輸入、輸出與運算架構之關係 (資料來源:本研究整理)

3.4.2 模型網格與初始條件設定

進行 ENVI-met 模擬時，模擬空間內之網格切分大小為 x 與 y 方向每 1 公 尺一個網格；而垂直軸z 向為 10 公尺以下每 1 公尺一個網格，10 公尺以上以每 網格 10%之成長率擴大網格尺寸，以與電腦運算時間取得平衡點避免過長之電 腦運算以增加研究效率。外界氣候則以經最熱日挑選後，選擇台北8/2 上午 4 時

連續模擬至8/3 日上午 4 時止，共 24 個小時。同時以每小時輸出一筆全域網格 之熱環境資料以為後續分析之用。模擬進行時，動態逐時調整當日之溫度、相對 濕度與日射量之輸入值，隨時更新以新的外界氣候資料以完整模擬當日之氣候狀 態；風速部分以時速1 公里/小時之微風進行換算為 0.28m/s 為初始條件輸入，以

連續模擬至8/3 日上午 4 時止，共 24 個小時。同時以每小時輸出一筆全域網格 之熱環境資料以為後續分析之用。模擬進行時，動態逐時調整當日之溫度、相對 濕度與日射量之輸入值，隨時更新以新的外界氣候資料以完整模擬當日之氣候狀 態；風速部分以時速1 公里/小時之微風進行換算為 0.28m/s 為初始條件輸入，以