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 模擬幾近無峰狀態下之熱環境情況。而模型空間內各建成環境之表層材料物理性 質採用之參數值整理如表 3-9 所示。

表 3-9 建成環境表層材料參數設定

分類 項目 值

外牆

厚度(m) 0.2

輻射吸收率 0.6

輻射穿透率 0.0

表面反射率 0.3

表面發射率 0.85

比熱(J/kgK) 791 熱傳導係數(W/m.K) 1.4

密度(kg/m³) 2400

草地

表面反射率 0.25

植株高度(m) 0.1 植株根深度(m) 0.1 葉面積指數(LAI) 3 葉面積密度(LAD) 0.3(10 層)

根面積密度(RAD) 0.3(3 層) 0.2(3 層) 0.1(4 層)

喬木

樹種 常綠喬木

反射率 0.2

植株高度(m) 10.0 植株根深度(m) 2.0 葉面積指數(LAI) 16.3

葉面積密度(LAD) 0(2 層)、2.18(6 層)、1.72(1 層)、1.5(1 層) 根面積密度(RAD) 0.1(10 層)

田間含水量 0.367

(concrete pavement dark)

 

在戶外熱舒適之分析上，本研究採用人體生理等效溫度 PET (physiological equivalent temperature)指標進行探討。PET 最早由 Hoppe 提出(Höppe 1999)，其 定義為在人體能量平衡的情況下，將戶外複雜的溫熱與輻射環境作用換算為在無 風無日照下的人體感受到的室溫來描述(Lin 2009)，其單位與氣溫相同，皆為°C。

計算PET 需包含空氣溫度、相對濕度、平均幅射溫度(MRT)和風速等數據，也同 時必須考慮人體著衣量和代謝量等因素(Gómez, Cueva et al. 2013)。Tseliou 等人 的研究表示，從事熱舒適之研究中，PET 指標能夠準確預測真實的戶外熱感覺投 票值(thermal sensation vote) (Tseliou, Tsiros et al. 2010)。國際上已有超過上百篇有 關於戶外熱舒適之研究皆成功地以PET 作為探討之指標，國內亦以 PET 建立適

如式 3-5 所示，將開發後發生過熱(PET>34°C)之機率(PPET,s,i)扣除未開發前之過 熱機率(PPET,o)。

量化預測之模型可透過變異數分析方法建立，其模型之樣態將如下式 3-6

PET range for Western/Middle European (°C PET) Very cold

Slightly cool

26 18

Neutral

30 23

Slightly warm

34 29

物理量之討論，本研究採用的是相對提升或降低之物理量來呈現。意即在探討對 環境微氣候降溫之情況，以ΔTa來表示。而此一未開發前之狀態，本研究定義為 模擬之核心區域(中央 100m x 100m)之區域為無任何人工構造物與植披之裸露土 壤，如圖 3-14 所示。而外圈灰色(200m x 200m)的部分則代表都市之邊界層其定 義與27 個案例之模擬假設相同，皆為不透水之人工鋪面環境，以模擬周遭都市 環境對基地之影響。

圖 3-14 模擬用之基準案例配置示意 (資料來源:本研究整理)

無植栽之裸露 土壤

都市邊界以人工鋪面 模擬