第三章 建築物進氣與排氣對外開口設計策略
3.1 地表風速特性
一般而言，地表附近的風速會隨高度的增加而遞減，其風速的垂 向分布與地表上的地物、地況有關。如圖3-1 所示，都會地區高樓林立，
對氣流而言，阻礙空氣流動的地表粗操度較大，而邊界層厚度亦較大。
而平坦的沿海地區，地表粗操度較小，邊界層厚度亦較小。
工程上常用指數率或對數率來描述風速之垂直風佈。
h ( )
g g
V h
V h
= α (3.1)
Vh=高度下的平均風速
Vg=梯度風速(邊界層外的風速)
h=梯度高度(邊界層厚度)
hg=梯度高度 α = 指數
梯度風速會因氣象狀況隨時在變，但梯度高度與指數則視地況而 定，地況則可依建築物所再位置的地表特性分為四類，如表3-1 所示：
表3-1 地況分類與指數α 值之關係【14】
地況分類 地況特性 梯度高度
h
gm (ft) 指數 α
地況A 海岸、冰原、沙漠 250(820) 0.11 地況 B 開闊之平原 300(984) 0.15 地況 C 郊區、鄉村 400(1312) 0.25 地況D 大城市之市中心 500(1640) 0.36 (1)地況 A：
平坦無障礙物之海岸地區或湖岸地區，風系由水平面方向吹過 來，距海岸線 500 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者取較大值)係屬 此種條件下，方式用此種地況。
(2)地況 B：
市郊、鄉村或有許多高度介於10~20 公尺建築物散步其間的地區，
建築物的迎風面的前方至少有500 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者 取較大值)係屬此種條件下，方可使用地況 B。
(3)地況 C：
地勢平坦開闊之地面、草原或地面散佈的障礙物高度皆小於10 公 尺的地區。
(4)地況 D：
大城市之市中心區，至少有50%的建築物高度大於 20 公尺者，建 築物的迎風面的前方至少有800 公尺或建築物高度 10 倍的範圍(兩者取
較大值) 係屬此種條件下，方可使用地況 D。
由圖3-1 可看出地況越粗操，指數和梯度高度越大。
圖3-1 不同地況之風速分布【14】
3.2 建築物所受的風力
從建築結構設計的觀點來看，作用於建築物上的風力可分為順風 向、橫風向與扭轉向風力。順風向風力主要由風場中的陣風造成，對 於基本造型近似矩形柱體的建築物，大體上可以透過理論與實驗數據 得到合理的評估。
在建築設計上，重要的橫風向擾動風力主要來自流體通過建築物 時，發生的流體分離（separation）與渦散現象（vortex shedding）所造 成的週期性作用力。當建築物的高寬比與柔度都很大時，在設計風速 之內可能會發生結構共振現象，造成過大的振動反應。這個渦散分離 現象引發的結構共振，與建築物的幾何造型及結構動力特性有密切關 係，目前並無妥善的分析模式可供解析。
對於一般幾何造型的建築物，扭轉向風力的影響小於順風向及橫 風向風力。由於扭轉向風力也是源自流體分離，故亦無分析模式。所 幸，橫風向與扭轉向風力對一般高層建築的影響有限，主要的設計風 力仍由順風向風力控制。
當風流經建築物時，會依建築物的幾何外型，產生下列幾種風場：
1.迎風面渦流(upstream vortex)：
當風遇到建築物時，部分氣流會由建築物上方與兩側加速繞過 去，部分氣流沿建築物的迎風面向下切，在建築物的前方形成渦流。
建築物的迎風面越寬越大，下切氣流越強。如圖3-2 所示
圖3-2 下切氣流之示意圖【15】
2.建築物尾流(building wake)：
當風遇到建築物時，會在建築物的背風面形成一流場紊流的尾流 區，因尾流區之壓力低於大氣壓力，固越過建築物上方的氣流會受到 背風面之負壓力的吸引，向下及向建築物後方流動，形成一個氣流迴 旋的流場。其尾流區的流場特性會受到建築物的幾何外型、風向角和 周遭建築物的影響。如圖3-3 所示
圖 3-3 建築物尾流之示意圖【15】
3 穿堂風(through flow)：
建築物迎風面與背風面之間有氣壓差，以致當有前後貫通的通道 開口打開時，大樓內的通道會形成氣流的快速流動，此現象稱之穿堂 風，會對進出大樓及經過出入口的行人構成不舒適的情形如圖 3-4 所 示。
圖 3-4 穿堂風示意圖【15】
4 角隅強風(corner flow)：
當氣流要由建築物兩側繞過去時，流體會有加速的現象。同時在 角隅處，會產生渦流分流現象，造成建築物角隅兩設有較強的風速。
建築物角隅的細部設計與幾何形狀會影響到此處的風場。譬如說矩形 的建築物，渦流會發生在角隅處；但圓弧形的建築物，渦流分離點則
與表面粗糙度有關。如圖3-5 及圖 3-6 所示
圖3-5 建築物角隅強風示意圖【15】
圖3-6 角隅渦流發生處【15】
5 遮蔽效應(shelter effect)：
近似高度與規模的建築物群比鄰而立時，對於迎面而來的氣流產 生阻牆的遮蔽作用，迫使氣流由建築群的上方越過及側邊繞過。反之，
若高層建築物的前方為低矮建築物時，則兩建築物之間會有極強的渦 流發生。如圖3-7 所示
圖3-7 遮蔽效應之示意圖【15】
6 金字塔效應(pyramid effect)：
對於逐漸上升且退縮的建築或建築群，建築物頂部分離剪力層受 到漸次升高的邊界影響，匯聚成一股向上湧生的氣流。在金字塔效應 的影響下，下切氣流與角隅強風會較弱。如圖3-8 所示
圖 3-8 金字塔效應示意圖【15】
7 縮流效應(venture effect)：
當風由一寬廣之區域吹進狹窄的街道時，由於流通斷面積減小，
氣流會有加速的現象，形成高風速區出現。氣流加速的現象會隨著建 築物之間距離的增大而明顯減低。如圖3-9 所示
圖 3-9 縮流效應示意圖【15】
8 渠化效應(channel effect)：
都會區中沿街兩側建築物多具有較平整的立面且相互庇鄰，對於 運行期間的氣流而言，猶如渠道之兩壁，一般稱為街谷，此現象會驅 使接近地面的氣流脫離原來的風向而沿街谷的走向流動。如圖3-10 所 示
圖3-10 渠化效應示意圖【15】
3.3 建築物的風壓判定
建築物所受之風壓會影響其空調外氣進氣口與排氣口之性能，例 如當正向風壓朝向排氣口時，排氣效果會受影響而降低。因此建築物 規劃設計空調通風系統其對外進排氣口時須考量風場與附近建築物群 間所形成之風壓狀況。
雖然近年來計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）
進步很快，對於航太、汽車、機電方面的應用都有極大貢獻，然而，
應用於高層建築物的複雜風力作用尚須一段時日。所以風場在建築物 上所造成的風壓唯有藉助物理縮尺模擬即風洞實驗來預估實際的風力 現象。
執行風洞試驗時，需妥善考慮縮尺模型與實際建築物之間的模擬
相似率，唯有如此，風洞縮尺實驗結果才能確實應用於原型結構。設
建築物上的風壓，在風洞或全尺寸中，都可用速度 (velocity head) 去區別量測數值以獲得符合在高層建築的風速下之無因次參數。
當經由氣象得知風速及風壓係數時，便可由公式(3.2)、(3.3)求得作 用在建築表面上的風壓。
而影響風壓係數Cw的三個因素為下列三項：
(1) 建築物的幾何外型 (2) 風向
(3) 周遭建築物和地形的影響
表 3-2 建築物外牆的風壓係數【16】
風壓係數Cw值 風向夾角
α (ο) 迎風面 背風面
0 0.75 -0.4 15 0.7 -0.5 30 0.6 -0.48 45 0.45 -0.5 60 0.28 -0.48
圖3-11 在高層建築上不同風向的平均壁壓
圖 3-11 為模擬在都市區中高層建築上一正方形截面所受到的平均
風壓係數。當風向角 時，表風與迎風面為正交，故壓力係數為正
建築物之屋頂常常使用遮陽裝置防止日晒，然而這些裝置將 會影響排氣所排出污染物之稀釋，影響程度將視遮陽裝置之穿透 性、相對高度與其和排氣塔距離而定。
當進行空調通風設計之建築物太靠近大型建築、結構物或是 較高之地形地勢（例如山坡）將會影響排氣塔之污染物稀釋，因 為建築物有可能會位在這些大型建築或結構物之下風處所形成之 循環回流區域內。
因此對於設計需排放有毒性或高危害性污染物之排氣裝置時 應避免太靠近高層建築或陡峭林地或山坡。此外對於附近有較高 的建築物的情況要進行空調通風進氣設計，需考慮避免因為距離 太靠近，可能會受到該建築物排氣之污染。
循環回風區分界
圖 3-12 排氣塔與進氣口距離形成與循環氣流區域之關係圖 排氣塔應該垂直設置並儘量不設置遮罩。排氣塔設置遮罩將 影響排氣效果及其排氣煙流上升速度。小型圓錐雨遮通常無法完 全排除雨水，因為雨水通常不是垂直落下，大雨伴隨著強風雨水 就會從排氣雨遮進入排氣塔內。排氣速率 於 13m/s 可以防止因空 氣中溼氣冷凝下來水及雨水進入排氣塔內。
Ve
2.排氣塔排氣速度建議
較高的排氣塔排氣速度和溫度可以增加排氣煙流上升的高 度，可以減少氣體污染物被帶入進氣口。排氣速度 應該維持在 10m/s 來維持適當的排氣煙流上升高度和與外氣稀釋，但是速度於 超過 15 到 20m/s 時，排氣扇的噪音跟震動變成另外嚴重問題。排 氣的出口裝設噴嘴(縮口)可以增加排氣速度與氣體煙流上升高度。
Ve
在較低的排氣速度下，當外風場所形成之風壓有可能會將排 氣塔所排出的汙染物氣流往下帶，如圖 3-13 所示。排氣速度 應 該至少是位於屋頂處高度外風場速度 UH的 1.5 倍，以避免排氣塔 所排出的汙染物氣流被外風場之風壓往下帶。
Ve
排氣受外風場向下氣流影響
排氣氣流上升總高度
圖3-13 排氣口受到向下氣流而降低有效排氣高度示意圖 3. 降低氣體污染物的空調進氣口設置
小心的設置規劃空調外氣進風口位置可以降低排氣塔設置高 度 的 需 求 並 且 有 助 於 維 持 適 當 之 室 內 空 氣 品 質 。Rock and Moylan(1999) 回 顧 評 論 近 期 有 關 空 氣 進 氣 口 位 置 文 章 資 料 。 Peterson and LeCompte(2002)也提出了將空氣進氣口設置於建築物 側面的好處。
ASHRAE Standard 62 有關可接受的室內空氣品質之通風設計
中，強調需要適當規劃空調通風進氣與排氣位置，以避免受到空 氣污染物影響。以下將描述在進行空調進氣口設計時所需考慮之
中，強調需要適當規劃空調通風進氣與排氣位置，以避免受到空 氣污染物影響。以下將描述在進行空調進氣口設計時所需考慮之