空氣年齡理論

空氣年齡（Age of air）乃指流入室內空間的空氣經由開口部流出 所需要的時間，由於室內空氣沈積於室內空間中的時間過長將導致其 對人體健康有不良之影響，如何將存在於室內的空氣有效的以通風系

統所供應的新鮮空氣予以取代，對於室內空氣品質（Indoor Air Quality）

的 掌 握 有 其 重 要 性 ， 亦 即 需 要 對 於 空 氣 交 換 效 率 （Air exchange efficiency）的成效研擬有效的評估模式。

基本上，室內之空氣年齡可分為室內平均空氣年齡（Room mean age of air）與局部平均空氣年齡（Local mean age of air）兩種。室內平 均空氣年齡是求取室內所有格點的空氣年齡平均值，以評估該空間通 風換氣效率與換氣量之狀況。而對於室內空間中某一特定區域之評估 則引用〝局部平均空氣年齡〞之評估模式，其定義為空氣由室內空間 入口處飄移至待評估區域任一量測點 P 所需之平均時間，主要應用於 個別作業場所之通風或是自然通風建築物空氣分布之評估上。

以只有一個進氣口與排氣口的機械式通風空間而言，引入的空氣 分子經由不同路徑的飄移至P 點的數量會隨時間改變，如圖 2-7 所示，

而圖中所謂的駐留時間為空氣離開此一空間的年齡。當時間t=0 時，由 進氣口進入室內空間中P 點的空氣分佈機率如圖 2-8 所示，其在時間 t 與t+δt 之間到達 P 點的分子數為長條陰影之面積，如式(2.21)所示。

長條陰影之面積=A_p（t）．δt (2-21) 到達P 點之總分子數為機率分佈曲線下的面積，如式(2-22)所示。

機率分佈曲線下的面積⁼

∫

0^∞A_p( dtt) (2.22) 假如機率分佈以達到 P 點總分子數的型態來表示的話，則到達 P 點的總分子數會等於1 或 100％，也就是：

機率分佈曲線下的面積⁼

∫

0^∞A_p( dtt) ⁼1 (2-23)

圖2-7 機械式通風模式之空氣年齡與駐留時間的關係

圖2-8 空氣進入室內空間中 P 點得機率分佈曲線圖 1.局部平均空氣年齡（Local mean age of air）

局部平均空氣年齡的基本定義為「空氣由入口處飄移至空間 中 的任一點P 所需的平均時間」。位於 P 點的局部平均空氣年齡τ_P可由圖 2-8 機率分佈曲線的中心線對垂直軸加以積分而求得：

( )

∫ ( )

∫

∞

∞ ⋅

=

0 0

dt t A

dt t A t

p p

τP (2.24) 2.室內平均空氣年齡（Room mean age of air）

室內平均空氣年齡定義為「室內所有點的局部平均空氣年齡之平 數τ_N可用來定義空氣交換效率（Air exchange efficiency）與通風效率

（Ventilation efficiency），而通風效率也代表污染物移除效率，其數學 關係如式（2-26）至式（2-11）所示。

1. 空氣交換效率（Air exchange efficiency）

% 2 ×100

= ⋅ τ

ε_a τ^N (2.26)

2.局部空氣交換效率（Local air exchange efficiency）

%

室內整體通風效率(Ventilation efficiency)，可由進排氣口處與室內 污染物平均濃度差異求出，其數學關係式如式(2.28)所示；而室內局部 通風效率(Local ventilation efficiency)則由進排氣口處與室內某量測點 的濃度值計算出，其數學關係式如式(2.29)所示。整體通風效率表示室 內整體污染物移除效率；而局部通風效率表示室內某點污染物移除效 率，以上兩者之值愈大代表通風情況較佳。

1.室內整體通風效率

%

×100

−

= −

s s e

C C

C

ε C (2.28)

2.室內局部通風效率 ε_p ^{e s}

p s

C C C C

= −

− × 100% (2.29) 其中：

ε：室內整體通風效率 εp：室內局部通風效率 C_s：進氣口污染物穩態濃度 C_e：排氣口污染物穩態濃度

C ：室內污染物平均穩態濃度 C_p：室內某量測點污染物穩態濃度

第三章 建築物進氣與排氣對外開口設計策略

建築物利用空調通風系統引進室外空氣至室內進行空氣交換，使 空間內部污染物經由新鮮外氣加以稀釋，可以得到較好的室內空氣品 質。然而空調通風系統所引進之外氣若已遭到污染，透過室內外空氣 進行交換非但無法稀釋移除室內污染物，反而會將室外污染物蓄積在 空間內，無法達到污染物稀釋移除、控制室內空氣品質之目的。

因此空調通風系統之對外進氣與排氣口之配置相對重要。外氣進 氣口位置引進之室外空氣若是容易受到污染物影響，無論是位於室外 之污染物產生源附近，亦或是靠近建築物之通風排氣口或因外風場影 響將排出之氣體污染物又再次帶進室內，都將造成室內空氣品質的影 響。

建築物空調通風之進氣與排氣對外開口之設計除應考量提供適當 之通風換氣量外，仍須考量引進外氣之品質、排氣口設計是否會形成 二次污染及受外風場風力與風壓的影響等。

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

g

m (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

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

在文檔中 提升室內空氣品質之空調風口配置設計基準計畫 (頁 43-0)