第五章 建物自然通風數值模型資料庫
第五節 建物自然通風數值模型資料庫設計與實
一、風洞實驗設定與量測
由於示範建築位於屏東郊區，附近無明顯之建築聚落，依據建築物耐 風規範建議設定來風為開闊地況來進行風洞實驗，風洞試驗配置如見圖 5-7，
建築高度平均風速(UH)為 10.3 m/s。本研究風洞模型縮尺為 1/150，模型尺 寸為長 0.15 m寬 0.34 m高 0.23 m。模型以壓克力製作，並在 1 至 8 樓開窗位置佈設風壓孔。各樓層開窗配置因造型而各異，其中 1-3 樓各 9 個風壓點，4 至 8 樓各 12 個風壓點，共計 87 個風壓點。建築模型放置於 風洞旋轉盤中央，以轉動旋轉盤方式模擬不同的風向。試驗以每 22.5為間 隔來旋轉，共進行 16 組風向角之風壓試驗。每組風壓試驗採樣頻率為 150 Hz，量測時間為 5 分鐘。
另於模型屋凸向上 0.02m 處(相應實場為 3 m)架設動態皮托管，以量測 風速及風向風向，作為與實際來風風向與風向轉換之依據。由於風速計並 非位在轉盤中心點，於實驗中每次旋轉轉盤後，須針對動態皮托管之水平 座標進行修正。
圖 5-7 風洞試驗配置 資料來源：本研究拍攝
風洞入流地況按開闊地況鋪設，入流平均風速剖面公式乃依據指數率 Mean Velocity 實驗數據
Turbulence Intensity 實驗數據 回歸公式
風速與風向，進而得到建築開窗部風壓以及對應之 CFD 模擬資料。因此，
儘可能將風速計架設於建築的制高點，減少其受到屋凸或女兒牆的影響而 無法鑑別或對應來風的風速及風向。
為推估來風的風速與風向，首先在風洞實驗中同步量測建築頂部風速 計之風向，並與來風的夾角合成後獲得風速計對應之風向，將其對應之來 流風向繪製成圖 5-9 之關係圖。可以看出，基本上風速計風向隨著來風風 向角增加而增加，但其增加的關係並非線性，故進一步回歸出風速計風向-來風風向的 5 次多項式，以利後續決策系統導入應用。
其次，頂部風速計量測之風速受到建築頂部或高處結構所影響而產生 加減速的情形，位找出建築頂部風速與來風風速關係，於此定義風速比 Ur 如後：
(5-15)
其中 Usensor 為超音波風速計量得風速，由各風向量得來風與風速計 之風速比，結果如見圖 5-10。可以發現，風速比在 0.89-1.12 之間。東北風 (45)以及東風時(90)時受到頂部風場減速的關係，風速比大於 1。其餘風 向時，頂部風場則呈現加速的狀況，風速比均低於 1。
由實場量測資料至取得對應資料庫方法，分為以下步驟進行：
(1) 實場資料：利用超音波風速計獲得現場之風速、風向資料。
(2) 風向轉換：利用實驗所率訂出的關係式，按標準之 16 個風向進行來 風風向分類。
(3) 風速轉換：利用實驗量得之來風風向所對應的風速比，由建築頂部風 速計量得知風速推估來風風速 UH。
(4) 資料庫對應：依據對應風向的標準風速 CFD 風場資料，乘上建築高
度處之來風風速以獲得平均風速、通風量、空氣交換率等風場相關資 訊。
風速轉換流程置資料庫對應方式詳見圖 5-11。
圖 5-9 超音波風速計與來風風向關係圖 資料來源：本研究繪製
圖 5-10 來風風向與風速比關係圖
資料來源：本研究繪製
圖 5-11 實場風速風向至比對資料庫資料流程 資料來源：本研究繪製
三、表面風壓量測結果
將風洞試驗量得之風壓 p 進行無因次化，得到風壓係數 Cp，其公式如 後：
(5-16)
表 5-2 為風壓係數結果，基本上迎風面風壓為正值，背風面及側風面 風壓為負值，部分風向局部位置因為造型變化及不對稱的關係而產生與上 述略有不同的風壓分布。
CFD 模擬在帶入開窗部風壓資料時，任意給定入流(inlet)或出流(outlet)，
雖然 CFD 模擬會依據壓力平衡計算，修正面上的速度為入流或出流。但建 議先合理給定開窗部屬於 pressure-inlet 或 pressure-outlet，對於模擬收斂速 度會有極大的幫助。故本研究先以開窗部的壓力對於面積的權重平均後，
得 到 粗 估 之 內 壓 值 。 在 以 此 內 壓 值 為 標 準 ， 壓 力 高 於 此 值 者 設 為 pressure-inlet，低於此值者則設為 pressure-outlet。
表 5-3 4 樓開窗部於各風向角之風壓係數 I E401 -0.408 -0.390 0.374 0.603 0.775 0.819 0.655 -0.099 E402 -0.383 -0.522 0.472 0.746 0.822 0.809 0.671 -0.001 N401 0.768 0.816 0.708 0.374 -0.487 -0.404 -0.345 -0.308 N402 0.805 0.771 0.510 0.123 -0.133 -0.430 -0.368 -0.329 N403 0.805 0.685 0.400 0.129 -0.048 -0.387 -0.372 -0.309
角度 180 202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5 S401 0.793 0.818 0.545 0.075 -0.205 -0.439 -0.444 -0.416 N403 0.662 0.863 0.784 0.554 0.028 -0.608 -0.449 -0.418
首先設定標準風速 UH=1 m/s 進行模擬以建置標準資料庫，本研究現 已完成全開(AO)以及關南側窗(CS)資料庫建置，在 1.5 m 高處平面之無因 次風速(u/UH)等值圖如見圖 5-12 至圖 5-15。
初步先計算 pressure-inlet 面上的流量以推估換氣率，換氣率指單位時 間內空氣更換的次數，通過單位時間進入房間的風量（m3/h）除以房間體 積(m3)計算而得，其公式為：
N Q
(5-17)
其中，N 為換氣次數，Q 為空氣流量， 為房間體積。比較 AO 以及 CS 的換氣率(圖 5-16)可以看出，基本上 AO 的換氣效果是遠高於 CS 的。
平均看來，在標準風速下 AO 的換氣率會是 CS 的 3 倍左右。
另取高度 1.5 m 處平面的無因次平均風速來看(圖 5-17)，AO 的風速大 致上均高於 CS，這對於夏季需要良好的通風來降低體感溫度提升舒適度，
將會是一大優勢。但在冬季因東北季風較強，強烈的東北風會使得，此時 CS 反而會是較佳的選擇。此外，過強的風反而造成紙類物品容易被吹飛的 情況，使得公共空間遊憩品質降低。以上因素需要綜合考量進入決策系統 內。
在 1.5 公尺高度處，將均勻分布 19874 個測點的無因次風速資料擷取 出來，作為後續開窗決策之資料庫基礎。將 7 種開窗條件下，16 組風向角 之分布繪製如圖 5-18 至圖 5-24。由累積機率圖整體來看，線段越靠右表示 測點落在高風速區較多，反之則落在低風速區較多，無因次風速強度分布 由高至低分別為 OE<ON<OS<CS<CN<CE<AO。在實際操作決策層面時，
將頂部風速計量測到的風速風向經由 5.2 節的公式轉換計算後，加上室內 溫溼度量測資料以及設定之人體代謝率、衣著量等資訊，得到資料庫中各 測點的 PMV 值，最後選擇測點之 PMV 落在1.5 較多之開窗配置，詳細決
策流程詳見 3.2 節。
(a) θ=0° (b) θ=22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 5-12 全開(AO)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 5-13 全開(AO)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
(a) θ=0° (b) θ=22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 5-14 關南側窗(CS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 5-15 關南側窗(CS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
(a) θ=0° (b) θ=22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 4-16 關東側窗(CE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 4-17 關東側窗(CE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
(a) θ=0° (b) θ=22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 4-18 關北側窗(CN)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 4-19 關北側窗(CN)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
(a) θ=0° (b) θ=22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 4-20 開東側窗(OE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 4-21 開東側窗(OE)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
(a) θ =0° (b) θ =22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 4-22 開南側窗(OS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 4-23 開南側窗(OS)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
(c) θ =0° (d) θ =22.5°
(c) θ=45° (d) θ=67.5°
(e) θ=90° (f) θ=112.5°
(g) θ=135° (h) θ=157.5°
圖 4-24 開北側窗(ON)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 I 資料來源：本研究繪製
(a) θ=180° (b) θ=202.5°
(c) θ=225° (d) θ=247.5°
(e) θ=270° (f) θ=292.5°
(g) θ=315° (h) θ=337.5°
圖 4-25 開北側窗(ON)狀況下之 1.5m 高處平均風速等值圖 II 資料來源：本研究繪製
圖 5-26 不同風向下之換氣率 資料來源：本研究繪製
圖 5-27 不同風向下之無因次平均風速 資料來源：本研究繪製
圖 5-28 無因次風速之累積機率分布(AO) 資料來源：本研究繪製
圖 5-29 無因次風速之累積機率分布(CE) 資料來源：本研究繪製
圖 5-30 無因次風速之累積機率分布(CN) 資料來源：本研究繪製
圖 5-31 無因次風速之累積機率分布(CS) 資料來源：本研究繪製
圖 5-32 無因次風速之累積機率分布(OE) 資料來源：本研究繪製
圖 5-33 無因次風速之累積機率分布(ON) 資料來源：本研究繪製
圖 5-34 無因次風速之累積機率分布(OS) 資料來源：本研究繪製