文獻回顧

一、外部風場特性

單棟矩形版高層建築附近流場型態如下圖所示【5】，當風場接近 建築物時會逐漸分離，部分流場越過建築物上方1 號流線，另一部分則 在建築物附近如圖2-7 所示，於迎風面建築物高度約 70%的位置會有停 滯點而出現最大風壓力，由此停滯點開始流場在迎風面往向上、兩側及 往下低壓力區移動，分別如流線3、4、5 所示，流量最大的下切流場在 接近地表處產生渦流，此渦流可稱為：直立渦流(Standing Vortex)、前 方渦流(Frontal Vortex)或馬蹄渦流(Horseshoe Vortex)，接近地面的馬蹄 渦流方向正好與來流(approaching flow)相反，此兩股流場會在建築物前 方如點7 位置交會產生低速區。

圖2-7 建築物週遭流場 資料來源：【5】

另一部分馬蹄渦流(Horseshoe Vortex)往兩側延伸，繞過角隅處造成 流場分離而形成如點8 處之高風速角隅強風，同時與另一波來流匯集如 流線 9 所示。另外在背風面處產生低風壓區域而形成逆流(backflow)和 迴旋流場(recirculation flow)，如流線 10 和 13 所示。另一個低風速的遲 滯區在建築物下游處，迴旋流場(recirculation flow)終點形成如點 11 所 示，通過此區域流場重新恢復原來的方向以低風速向前進，如流線12。

逆流亦可視為造成建築物後方旋轉渦流之主要原因，在此渦流和角隅風 場之間，有一高速度梯度存在，稱為分流剪力流(separation shear layer)。

事實上，有兩個風壓系統存在前述的流場型態，第一個風壓系統主 括：獨立流場(Isolated roughness flow)、尾流干擾流場(Wake Interference flow) 及跳躍流場(Skimming flow)，獨立流場(Isolated roughness flow)係指街谷寬 度遠大於建築物高度，當流場越過建築物時其下沈的迴旋氣流可在街谷內 運動不受街谷寬度影響，而跳躍流場(Skimming flow)則是街谷寬度很小時，

風場越過建築物後直接向下游移動，未進入街谷內。尾流干擾流場(Wake Interference flow)則是街谷寬度介於尾流干擾流場(Wake Interference flow)及 跳躍流場(Skimming flow)之間，風場越過街谷後下沈的迴旋氣流可在街谷內 運動但受街谷寬度影響具較高度擾動性。

(a)Isolated roughness flow

(b)Wake Interference flow (c)Skimming flow

Isolated roughness flow

Wake Interference flow

Skimming flow

圖2-8 風攻角垂直都市街谷之風場特性 資料來源：【7】

Bert Blocken et al. (2007)等人利用 CFD 及風洞試驗將風向與街谷平行 且相鄰兩棟建築物對稱的街谷流場區分為3 種型式如下圖 2-9 所示。分別為 街谷寬度最小相鄰兩建築物近似併排的阻抗流場(Resistance Flow)，街谷較 寬兩側流場不互相干擾者為獨立流場(Isolated Flow)，介於前述兩者間的街 谷內流場為交互流場(Interaction Flow) 。

圖2-9 風攻角平行都市街谷之風場特性 資料來源：【7】

Stathopoulos et al. (1992)為了解建築四周之風場特性，分別以單棟建築

物、單棟建築物下方有開口、兩棟建築物前後排列及兩棟建築左右排列等4

種方式建立風洞試驗資料庫，其中與本研究相關者為以兩棟建築左右排列 之配置模型，其以 4 種不同建築尺寸分別改變 8 組相鄰間距大小進行風洞 試驗，探討兩棟建物街谷之地表風場特性，結果顯示當 L/S=0.4 (L 為通道 寬，S 為斷面尺度影響因子)時有最大的風速出現。To and Lam (1995)將建築 物配置成單棟建築、順風向前後排列和橫風向的左右排列等三種型式，並 採用固定街谷寬度進行風洞試驗以了其周遭附近之行人風場特性。研究顯 示，前後排列對行人風場影響較小，但若以左右橫向排列，街谷的流場風 速則明顯有加速之現象。

Blocken et al.( 2008)將雙棟狹長建築配置成開叉式和交會式兩種型式，

在風洞試驗內模擬鄉村地況之風速剖面進行試驗以了解相鄰通道風環境研

究。研究結果顯示，開叉式通道(diverging passage)的風速高於交會式通道 (converging passage)，同時也顯示風速隨著街谷寬度增加而增加，此點與過 去平行街谷通道之研究結果相反。另外，就風攻角而言，開叉式通道 (diverging passage)風速在風攻角=0 度時最大。交會式街谷的最大風速則出 現在風攻角為15 度之情況。

Tsang et al. (2011)針對不同的建築尺寸、排列間距與裙樓探討建物附近 行人風場的影響，排列間距部分設定4 棟並排建物，尺寸為 25m(寬)、 25m (深)、125m (高)，相鄰間距 S=0、6.25、12.5、18.75、25m，進行風洞試驗。

分析結果顯示，間距S 從 0 到 25m，街谷間最大無因次化風速分別為 1.06、 傾斜水平交會(convergence)及開叉(divergence)流場。Hang et al.(2012)以 CFD 建構9 排及 18 排的方型高層建築物以模擬理想化的市區街廓型態，企圖了

氣而言扮演流通渠道角色。若來流風向平行於街谷，跳躍流場（skimming

A.P. To,K.M.Lam(1995) 等人以在風洞進行鄰棟建築之配置型式對 其周遭行人風場之影響。配置型式有三種：單棟建築、順風向前後排列

T. Stathopoulos, H. Wu and C. Bedard 等人(1992)以 4 種不同建築尺 寸分別改變8 組相鄰間距大小進行風洞試驗，探討兩棟建物街谷之地表 風場特性，結果顯示當L/S=0.4 (L 為街谷寬，S 為斷面尺度影響因子)。

時，有最大的風速出現。

Bert Blocken, Ted Stathopoulos(2007),以 CFD 進行相鄰建物街谷風 場模擬研究，研究結果將街谷內流場分為阻抗流場、交互作用流場和獨 立流場，阻抗流場為街谷寬度很小其流場類似兩建物併排的情況，獨立 流場則是街谷寬度很大，兩建築對街谷流場不交互影響，交互作用流場 則介於兩者之間街谷內流場受兩建築物影響而互相干擾。

Bert Blocken, Ted Stathopoulos ,Jan Carmeliet, (2008),以風洞試驗進

域面積越大。街谷內因渠化效應作用，將使街谷內的風速加快，進而造

(e) S= 2.25D

(a) (b) (c) (d)

於都市環境微氣候都是不利因素。為促進環境通風效益，新北市政府針

立面最大寬度與送審基地平均寬度之百分比應不大於百分之七十為原 則尚屬合理。

主建築物通道寬度小時，因主建物角隅渦流影響，使街谷內橫風向 流場受外側風場主導，而順風向內側街谷則受遮蔽效應影響在街谷前段 風速比較低。當主建築物通道寬度漸大時，則是順風向內側街谷風速比 較高，而外側街谷風風速比則較低。而橫向街谷風速比，原則上為越下 游風速越低。主建築物間不同橫向間距(S)之行人高度等值無因次化風 速值如下圖2-15。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

圖2-15 不同間距之無因次化風速等值圖 資料來源：【12】

圖2-16 係以主建築物高度與相鄰間距變數對下游街谷內 58 個測點 的無因次化平均風速關係曲線，由圖2-16(a)顯示，H/D=1~2 與 H/D=3~7 之曲線型態不同，前者趨勢線較為平緩，在各主建築物通道寬度下無因

(a) (b)

0.375 0.75 1.125 1.5 1.875

0.25

式中A 為開口面積，　 P 為室外和室內壓力(Internal pressure)的差 值，　為空氣密度，Cd 為流量係數(Discharge coefficient)。流量係數 Cd 與開口的幾何形狀有關，約為 0.6，CdA 合稱為有效開口面積。

若開口面積十分小，室外的空氣能可能因為壓差而由門窗的縫隙滲 入，此現象稱為風滲(Air infiltration)的縫隙風，流況大多屬於層流。若 開口為長條狀的矩形開口(Crack)通風量可以普修力流(Plane Poiseuille flow)計算： 0.6~0.7 (Awbi, 2003)。

若建築物有N 個開口，各個開口的通風量必須遵守質量守恆：

則熱空氣會由上方的開口流出，而外界的冷空氣會由下方開口補充，所

熱季節5~9 月之實測數據。

適用性；(二) 以熱適應舒適標準作為基準，分析在不同地區的氣候條

當建築物深度Lb/Hi 4.0 時，建築物的通風量就不再下降。 模式TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)加上熱浮力通風的計 算模組，成為TAIVENT 2.0 版。模式將可計算各種建築物座向、室內

但室外風速和氣溫與時俱變，自然通風不易控制。 因此若想充分利用 自然通風創造舒適的室內環境，必須有一個通風模式可以針對建 築物 基地的氣象條件（風速、風向、溫濕度），計算各種建築設計（座向、

開口位置、 大小及室內隔間）自然通風的通風量與換氣率。本研究發 展了一個適用於台灣濕熱氣候的風壓通風計算模式 TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，模式結合了台灣中央氣象局 25 個氣象觀測 站 1961~2008 年的氣象資料（平均風速、盛行風向、氣溫、濕度）可

然通風效能評估模式，計算在不同配置型態、座向、間距、表面開窗與 日射等條件下之自然通風效能，探討最適自然通風之建築座向與配置條 件。評估計算除由外部流場與建築物開窗條件了解其通風供給量，同時 考慮不同的建築物使用特性及日照增加的熱負荷等因素推估其需求量，

由供給量與需求量比較，探討自然通風的可行性及評估其效能；由適合 通風時數百分比的比較，可觀察到各不同因素對自然通風影響的量化表 現。由於計算中採用氣象資料來自北中南東六大都會區之平均氣象年資 料，因此評估結果為具有地區氣候特色之配置建議。