都市建築熱環境可視化觀測與評估之研究

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(1)目. 錄. 中文摘要英文摘要第一章. 緒論. 1-1. 研究背景與目 -----------------------------------------------. 1. 1-2. 研究內容 -----------------------------------------------------. 5. 1-3. 研究方法與步驟 --------------------------------------------. 8. 第二章 2-1. 相關文獻回顧與儀器設備概要現代化與都市熱島效 ------------------------------------- 11. 2-1-1 都市活動與全球氣候的惡化 ----------------------------. 12. 2-1-2 都市氣候 ---------------------------------------------------. 13. 2-1-3 都市熱島 ---------------------------------------------------. 15. 2-1-4 城鄉氣候的差異 ------------------------------------------- 19 2-1-5 都市熱島效應的形成因素 -------------------------------- 20 2-2. 都市熱島的研究與紅外熱像 ----------------------------- 24. 2-2-1 都市熱島現象的量測 ----------------------------- --------- 24 2-2-2 都市熱環境的紅外熱像量測 ----------------------------- 27 2-2-3 都市微氣候環境與紅外熱線測溫 ----------------------- 31. III.

(2) 2-3. 遙感探測與熱紅外線影像 -------------------------------. 33. 2-3-1 遙感探測 ---------------------------------------------------. 33. 2-3-2 紅外輻射與電磁效 ---------------------------------------- 36 2-3-3 紅外輻射在大氣中的傳輸 -------------------------------. 38. 2-3-4 紅外線熱像 -------------------------------------------------- 41 2-4. 熱紅外影像技術 ------------------------------------------- 44. 2-4-1 基本概念 ---------------------------------------------------. 44. 2-4-2 黑體輻射定律 ---------------------------------------------- 46 2-4-3 非黑體輻射 ------------------------------------------------- 50 2-4-4 發射率與其影響因素 ------------------------------------- 50 2-4-5 紅外線熱像量測系統 ------------------------------------- 53. 第三章 3-1. 都市建築現場觀測成果分析都市與建築外部熱環境特性分析------------------------------ 60. 3-1-1 台北市觀測記錄----------------------------------------------- 61 3-1-2 嘉義市觀測記錄----------------------------------------------- 66 3-2. 建築物表面溫度觀測成果分析--------------------------------. 71. 3-2-1 台北市新光三越百貨大樓信義大樓---------------------------. 73. 3-2-2 嘉義市二二八和平紀念公園----------------------------------. 79. 3-2-3 台北市住友商事福陞興業大樓--------------------------------. 83. 3-2-4 台電新營區營業辦公大樓-------------------------------------. 89. IV.

(3) 3-2-5 立面綠化—南京東路國家企業中心-------------------------3-3. 96. 建築外殼表面溫度動態變化觀測成果分析------------------- 100. 3-3-1 觀測對象與觀測內容------------------------------------------ 102 3-3-2 表面溫度動態觀測結果的呈現-------------------------------- 106. 第四章 4-1. 熱環境可視化觀測系統之應用探討都市觀測與計畫評估之應用 ----------------------------- 109. 4-1-1 都市環境之遙測技術 -------------------------------------- 110 4-1-2 都市環境可視化之影像處理 ----------------------------- 111 4-1-3 多波段影像之都市環境資料 ------------------------------ 114 4-1-4 都市環境遙測影像與解析度 ----------------------------- 118 4-1-5 都市地表環境構成分類之應用 -------------------------- 120 4-2. 建築外殼與材料性能之可視化評估應用 --------------- 123. 4-2-1 建築物熱環境調節與評估 --------------------------------- 123 4-2-2 紅外線熱像可視化觀測技術在材料特性之評估應用 - 126 4-3. 既有建築物診斷觀測及其他相關之評估應用 --------- 130. 4-3-1 建築設備診斷應用 ----------------------------------------- 130 4-3-2 建築物外觀診斷應用 -------------------------------------- 132 4-3-3 其他相關之應用 -------------------------------------------- 134. 第五章結論與建議參考文獻. V.

(4) 附錄一附錄二. VI.

(5) 圖. 目. 錄. 圖 1-1-1. 研究工作項目及作業流程圖 --------------------------------. 9. 圖 2-1-1. 三階層氣候架構 -----------------------------------------------. 14. 圖 2-1-2. 都市熱島效應的溫度分布曲線示意圖 ---------------------. 16. 圖 2-1-3. 都市地區與鄰近鄉村地區每日溫度變化的關係 ---------. 18. 圖 2-1-4. 都市熱島環流現象示意圖 -----------------------------------. 19. 圖 2-1-5. 都市上空塵罩的效應 -----------------------------------------. 23. 圖 2-2-1. 歐美都市地區與市郊的氣溫差異比較 ---------------------. 25. 圖 2-2-2. 廣州市的都市熱島現象 --------------------------------------. 25. 圖 2-2-3. 台北市的平均氣溫上升率 ------------------------------------. 26. 圖 2-2-4. 夏季的白天與夜晚，透過熱環境影像之都市建築構造比較 --------------------------------------------------------------. 30. 圖 2-2-5. 夏季，晴天之中午時刻，都市之熱環境影像 ------------. 30. 圖 2-2-6. 天空視域因子與都市熱島環境效應的關係 ---------------. 31. 圖 2-3-1. 遙測使用的電磁輻射波帶範圍 ------------------------------- 35. 圖 2-3-2. 不同溫度物體輻射能量分佈曲線 ---------------------------. 37. 圖 2-4-1. 熱慣性與材料表面溫度變化的關係 ------------------------. 46. 圖 2-4-2. 蒲朗克曲線 -----------------------------------------------------. 48. VII.

(6) 圖 2-4-3. 三種輻射體的發射率與放射發散度對波長的變化 ------. 52. 圖 3-1-1. 從陽明山文化大學鳥瞰（彩色相機拍攝） ---------------. 61. 圖 3-1-2. 台北市鳥瞰（紅外線熱像） --------------------------------. 61. 圖 3-1-3. 台北市鳥瞰（紅外線熱像） --------------------------------. 61. 圖 3-1-4. 台北市局部鳥瞰 -----------------------------------------------. 62. 圖 3-1-5. 台北市局部鳥瞰紅外線熱像（白天） ---------------------. 62. 圖 3-1-6. 台北市局部鳥瞰紅外線熱像（夜晚） ---------------------. 62. 圖 3-1-7. 台北市局部鳥瞰紅外線熱像 3D 立體圖（白天） -------. 63. 圖 3-1-8. 台北市局部鳥瞰紅外線熱像 3D 立體圖（夜晚） -------. 64. 圖 3-1-9. 都市紅外線熱顯像觀測與氣溫趨勢圖 ---------------------. 64. 圖 3-1-10 嘉義市二二八和平紀念公園附近之都市景觀 ------------. 66. 圖 3-1-11 紅外線熱顯像觀測 --------------------------------------------. 67. 圖 3-1-12 嘉義市都市景觀紅外線熱像 3D 立體模型 ----------------. 68. 圖 3-1-13 都市紅外線熱顯像觀測與氣溫趨勢圖 ---------------------. 70. 圖 3-2-1. 台北市新光三越百貨信義大樓紅外線熱像觀測結果 ---. 74. 圖 3-2-2. 東向與南向立面紅外線熱像表面溫度分佈 ---------------. 75. 圖 3-2-3. 東向立面表面材料溫度分佈特性 ---------------------------. 75. 圖 3-2-4. 南向立面表面材料溫度分佈特性 ---------------------------. 76. 圖 3-2-5. 西向立面紅外線熱像表面溫度分佈 ------------------------. 77. 圖 3-2-6. 西向立面表面材料溫度分佈特性 --------------------------. 77. VIII.

(7) 圖 3-2-7. 陰影區與非陰影區比較表面溫度 --------------------------. 78. 圖 3-2-8. 綜合溫度趨勢圖 ----------------------------------------------. 79. 圖 3-2-9. 觀測結果綜合溫度趨勢圖 -----------------------------------. 79. 圖 3-2-10 嘉義市二二八紀念館鳥瞰景觀 -----------------------------. 79. 圖 3-2-11 綠色植物與人工構造物表面溫度比較 --------------------. 80. 圖 3-2-12 綠色植物與人工構造物表面溫度比較 --------------------. 80. 圖 3-2-13 紅外線熱像儀觀測表面溫度一日內之變化 --------------. 81. 圖 3-2-14 各種人工構造物表面溫度一日內之變化 -----------------. 82. 圖 3-2-15 福陞大樓挑空大廳的區域分層空調控制概念圖 --------. 83. 圖 3-2-16 各種玻璃材料及吸熱玻璃的透射特性 --------------------. 84. 圖 3-2-17 台北市住友商事福陞興業大樓紅外線熱像觀測結果 ---. 86. 圖 3-2-18 東向與南向立面紅外線熱像表面溫度分佈 --------------. 87. 圖 3-2-19 東向立面表面材料溫度分佈特性 --------------------------. 87. 圖 3-2-20 西向立面玻璃帷幕紅外線熱像顯示的表面溫度分佈 ---. 88. 圖 3-2-21 西向立面表面材料溫度分佈特性 --------------------------. 88. 圖 3-2-22 台電新營區營業辦公大樓外觀 -----------------------------. 89. 圖 3-2-23 台南縣台電新營區營業辦公大樓紅外線觀測成果 -----. 90. 圖 3-2-24 台電新營區營業辦公大樓紅外線熱像受西曬的表面溫度熱顯像 ------------------------------------------------------圖 3-2-25 台電新營區營業辦公大樓西南向紅外線熱像表面溫度. IX. 91.

(8) 折線圖 -----------------------------------------------------------. 92. 圖 3-2-26 台電新營區營業辦公大樓紅外線熱像受西曬的表面溫度熱像 ----------------------------------------------------------. 92. 圖 3-2-27 台電新營區營業辦公大樓西北向紅外線熱像表面溫度折線圖 ----------------------------------------------------------. 93. 圖 3-2-28 台電新營區營業辦公大樓紅外線熱像東南向立面表面溫度熱像 -------------------------------------------------------. 93. 圖 3-2-29 台電新營區營業辦公大樓東南向紅外線熱像表面溫度折線圖 ----------------------------------------------------------. 94. 圖 3-2-30 各方向立面表面溫度比較 -----------------------------------. 95. 圖 3-2-31 台北市立面種植爬藤植栽之案例 --------------------------. 97. 圖 3-2-32 台北市南京東路 — 國家企業中心大樓 --------------------. 98. 圖 3-2-33 台北市南京東路 — 國家企業中心大樓紅外線熱像表面溫度分析 -------------------------------------------------------. 99. 圖 3-3-1. 新光三越百貨信義大樓 -------------------------------------- 102. 圖 3-3-2. PC 版貼花岡岩 ------------------------------------------------ 103. 圖 3-3-3. 鋁帷幕牆 ------------------------------------------------------- 104. 圖 3-3-4. 表面溫度 3D 模型 --------------------------------------------. 圖 3-3-5. 立體圖表示表面溫度 ----------------------------------------- 107. 圖 3-3-6. 立體圖表示表面溫度 ----------------------------------------- 108. X. 106.

(9) 圖 4-1-1. 利用遙測資料數位化影像處理之流程 -------------------- 112. 圖 4-1-2. 飛機航測 MSS 概念圖 ---------------------------------------- 113. 圖 4-1-3. 飛機航測之多波段頻譜影像 -------------------------------- 115. 圖 4-1-4. 日本川崎市夏季冬季的白天及晚上觀測取得之 4 種 MSS 影像彩色合成結果 ------------------------------------- 117. 圖 4-1-5. 不同觀測高度之 MSS 影像 ---------------------------------- 119. 圖 4-1-6. 不同解析度之都市觀測結果 -------------------------------- 119. 圖 4-1-7. 飛機航測 MSS 影像及綠地分佈影像 ---------------------- 121. 圖 4-1-8. 解析對象地區之彩色合成影像 ----------------------------- 122. 圖 4-1-9. 利用飛機航測 MSS 資料作成之綠地分佈影像與 GIS 之 122 整合結果 ----------------------------------------------------. 圖 4-2-1. 等價外氣溫度上升率與材料關係 -------------------------- 124. 圖 4-2-2. 紅外線輻射率測試實驗裝置 -------------------------------- 127. 圖 4-2-3. 3-5um 紅外線熱像圖 ----------------------------------------- 128. 圖 4-2-4. 8-12um 紅外線熱像圖 ---------------------------------------- 128. 圖 4-2-5. 材料表面的輻射溫度曲線圖 -------------------------------- 128. 圖 4-2-6. 紅外線頻譜儀量測輻射率實驗裝置 ----------------------- 129. 圖 4-2-7. 各種材料在不同波長的輻射率（ 62℃ ） ------------------ 129. 圖 4-3-1. 從熱像觀測之表面溫度分佈判讀設備之運轉狀況 -----. 131. 圖 4-3-2. 高層建築物白天受熱情況下建築物外殼溫度分佈 -----. 133. XI.

(10) 圖 4-3-3. 火焰熱釋放率與時間之對照圖 ----------------------------- 136. 圖 4-3-4. 以紅外線熱像儀觀測之火焰高度 -------------------------- 136. 圖 4-3-5. 火場救災之應用 ---------------------------------------------- 137. XII.

(11) 表. 目. 錄. 表 2-1-1. 都市化造成的氣候影響改變比較 ---------------------------. 18. 表 2-1-2. 各大都市產生的人工熱規模 --------------------------------. 22. 表 2-2-1. 台北與東京的氣溫上升率與地球溫度暖化的比較 ------. 27. 表 3-1-1. 台北市局部鳥瞰白天紅外線熱像資料 ---------------------. 62. 表 3-1-2. 台北市局部鳥瞰夜間紅外線熱像資料 ---------------------. 62. 表 3-1-3. 都市紅外線熱顯像觀測表面溫度數值表 ------------------. 69. 表 3-2-1. 觀測對象之基本資料 -----------------------------------------. 72. 表 3-2-2. 東向與南向立面表面材料溫度分佈特性 ------------------. 75. 表 3-2-3. 西向立面紅外線熱像表面溫度分佈 ------------------------. 77. 表 3-2-4. 綠色植物與人工構造物表面溫度比較 ---------------------. 80. 表 3-2-5. 各種人工構造物表面溫度一日之內變化 ------------------. 81. 表 3-2-6. 台南縣台電新營區營業辦公大樓西南向紅外線熱像表面溫度記錄值 --------------------------------------------------. 表 3-2-7. 台電新營區營業辦公大樓西北向紅外線熱像表面溫度記錄值 -----------------------------------------------------------. 表 3-2-8. 91. 台電新營區營業辦公大樓東南向紅外線熱像表面溫度. XIII. 93.

(12) 記錄值 ----------------------------------------------------------表 4-2-1. 94. 建築外牆表面色彩與冷房負荷 ----------------------------- 125. XIV.

(13) 都市建築熱環境可視化觀測與評估之研究鄭政利 *1. 劉安平 *2. 摘. 要. 都市的問題主要來自人類密集的居住生活與各種活動行為，而建築則扮演支持所有人類居住活動的基本構成。一般而言，節能、環保、健康的綠色建築計劃，將對於都市環境的改善有直接而且立即之貢獻。本研究之重點主要將透過建築物熱環境的可視化觀測與解析，來釐清並檢討建築物之各項熱環境支配要素，檢討建築物熱環境之改善方案與對策，並進一步探討建築物在都市熱環境中扮演的積極角色與綠色建築可能之具體貢獻。本研究之內容，主要目的在於開發紅外線溫度解析裝置(Thermoviewer)在建築上之應用，利用目前尖端之電腦影像處理技術，將一般無法看得見之熱環境影像加以可視化。並透過建築物表面或內部溫度分佈可視化影像的分析比較，來探討影響都市熱環境與建築物溫度變化之要因，包括建築外殼、建築材料、設備機器使用、環境氣候等等。針對建築物之各項熱環境支配要素，進行整體之問題檢討與整理，並利用熱環境可視化觀測解析裝置，進行直接之觀測記錄與評估檢討。同時也將以建築熱環境可視化影像情報，從實際案例的比較評估中，探討可能之改善方案或對. I.

(14) 策。本研究之建築熱環境可視化情報與資料的建立，不僅是國內首創而且是重要的基礎研究，同時在國內綠建築及節能政策的推動宣導上，對於一般民眾或非建築專業人員而言，可視化情報將是非常直接而且具影響力之有效工具。關鍵詞：綠色建築、建築節能、紅外線溫度解析、建築熱環境、可視化觀測 *1,*2. 國立台灣科技大學建築系副教授. II.

(15) A Study of Visible Observation Technology (IR) for Heat-environment and Application in Urban Building Cheng-li Cheng. An-Ping Liu * 2. *1. ABSTRACT Buildings act a critical role to support basic life device in urban which was getting worsen due to high density of population and life activity. As we knew, green building planning could be benefit for environment and it is main current of the world. In this research, we try to find a visible observation. method. and. equipment. to. study. the. problems. of. heat-environment in urban building. The main purpose of this research is to develop the visible technology for domestic application in heat-environment and to study the possibility for environmental assessment. We used Infrared Ray (IR) technology which often be used for observing the surface of object to inspect the urban environment and building. The equipment mainly include thermoviewer and photo process device, by using a visible procession, we could observe the invisible surface temperature of object. Through the analysis and understanding of surface temperature and distribution. comparison,. we. could III. find. out. the. parameters. of.

(16) heat-environment and to verify the inference from past inference. These factors might be envelopment, material, machine, surrounding condition and etc.. At the end of this study, we are sure this visible observation technology could be a powerful tool to get mass data of inspect object in very short period, and that could help us to make decision for improving environment. Furthermore, because we could get visible information which is directly and easily to understand, it is also very powerful tool for government to publicize the policy of green building.. keywords:. Green. Building,. Energy. Conservation,. Infrared. Ray,. Heat-environment, Visible Observation. *1, *2. Associate Professor, Dept. of Architecture, National Taiwan Univ. of Science and Technology. IV.

(17) 第一章. 緒論. 1-1 研究背景與目的近年來由於人類毫無節制地消耗能源，使得二氧化碳濃度年年遽增，地球氣候溫室效應擴大並造成地球環境高溫化現象，現在世界各地異常氣候以及生態環境的破壞已經嚴重地威脅到人類的生存。 1992 年 6 月於巴西里約熱內盧召開的「地球高峰會議」，史無前例地聚集了 170 個國家的政府代表以及 118 位的國家元首，共同商討挽救地球危機的對策。之後，又於 1993 年聯合國組織成立了「永續發展委員會（ United Nations Commission on Sustainable Development’. UNCED）」，一直到 1997 年「聯合國京都世界氣候. 會議」在日本京都召開，這些都顯示了「永續發展」的問題已成為當前人類最重要的課題，今後世界各國所有的政經社會科技政策，都必須以此為最高指導原則。「永續發展」的世界趨勢在都市、建築政策以及實務規畫方面，不論是國外或國內也是相當的受到重視的課題。 1996 年 6 月在伊斯坦堡召開的「居所會議（ Habitual Ⅱ Agenda ）」中，與會各國代表針對當今的都市危機研商對策。在同年 7 月的 APEC 永續發展會議中，我國對外承諾推動「居所會議」的決議目標，因而在行政院內成立「永續發展委員會」，將都市、建築永續發展列為施政重點，並善盡國際環保職責。都市環境中最大的特色就是密集的建築物與縱橫交錯的街道，而且大多為混凝土、石材、磚頭、柏油等熱容量大之建材所構成，形成巨大的蓄熱體，使得照射在都市中的太陽輻射與人工熱源的熱量均不易消散，加上空氣污染的影響，也造成所謂的「都市熱島效應」現象。順應國際間對地球環境與氣候變遷課題的關切，國內綠. 1.

(18) 建築與環境科技發展計畫，在政府的重視與政策的支持下歷經多年的研究發展，目前已累積了不少具體之研究成果與實際之建築案例。國內關於建築物對都市熱環境的影響考量，截至目前為止，有不少從建築物的節能規畫與耗能計算來檢討之研究，但是對於外部環境的直接觀測與整體評估較少被討論。事實上在國外歐美、日本等先進國家，已有不少有關都市環境觀測與評估之研究成果發表。國內相關之研究，目前有國立成功大學林憲德教授等，以傳統之溫度量測方式進行都市氣溫分佈之研究以及熱島效應之相關探討。都市由於建築物和人口密集的結果，市區中綠地比率降低代之以混凝土或柏油的路面，因此降水迅速的流入溝渠排出市區，使得都市地區較郊區乾燥。大量的建築物和道路則使得都市的氣溫不易下降。都市發展愈密集，都市氣候這種高溫化乾燥化的特性就愈明顯。一般而言，都市內氣溫較郊外為高，尤其都市內之最低氣溫較郊外高，形成熱島（ Heat Island）現象。造成熱島現象之原因，乃是都市上空之雲量及霧較多，且都市之大氣污染較郊外嚴重；另外，受到都市內建築物等障礙物之影響，風速較弱，影響都市環境的散熱。若測定都市內外水平面氣溫分佈，都市內部為高溫，其等溫線分佈為閉鎖曲線，猶如島形故稱為熱島現象。其特徵如下： (1)等溫線在市中心區出現最高溫，在都市區與郊外之境界線附近較為集中。 (2)都市與郊區地面上空氣溫為相等（等溫線）之高度，與風之強弱狀態有關，在弱風之都市中心區域，等溫高度約為建築物平均高度之 3~5 倍。 (3)都市溫度分佈與最低氣溫分佈有顯著的相關性，與雲量、降雨、風速等之關係較不顯著。 (4)風吹襲時，都市高溫地區有朝下風側偏移之現象。都市市中心的溫度較郊區及鄉村為高，及市中心的乾燥化現象，主要是都市和鄉村環境之間的差異引起，其中，綠覆率是都市與鄉村環境最大的差異之一。綠地可以調節溫濕度的原因一部份是. 2.

(19) 由於綠地可以涵養水分，在降雨時吸收的水分，可以在溫暖乾燥的日子蒸發，增加空氣的濕度並同時降低地面的熱量。綠色植物對溫濕度的調節也有很大的幫助，這是因為茂密的枝葉可以吸收和反射 80%至 90%的太陽長波輻射熱，葉片的蒸散作用又可消耗一部份熱量，因此同一地區日間在森林內之氣溫較森林外低三至五度。另外，有關都市中綠地調節氣候的功能，在位處亞熱帶的台灣地區特別明顯。尤其是夏天，除了有降暑的功能之外，樹林可以過濾淨化空氣品質，行道樹可以遮蔽酷熱的陽光，提供車輛行人良好的行走空間。綠地對都市還有美化景觀的作用，和提供休憩的空間，因此都市中應留設足夠的綠地。台灣近年來都市人口大幅成長，高樓林立，各種冷氣設備普及，建築內人體和照明的發熱量透過冷氣系統發散至街道，再加上機動車輛的熱量亦直接排放於街道，因此都市的氣溫上升率有逐年升高的趨勢。台北市近年來由於人口數和能源使用量均急速增加，已使得都市的熱島效應加強。關於都市之熱島效應或建築物溫熱環境變化之現象掌握，需要長時間的量測記錄或觀察比較。一般而言，都市環境大尺度的溫熱變化情況是以地區性氣象資料為基礎來探討，然而，利用地區性氣象資料對於都市建築微氣候變化方面之掌握，目前仍然十分困難，同時也存在許多不確定性與預測精確度上之困擾。本研究之主要目的，擬針對建築物之各項熱環境支配要素，包括建築外殼、建築材料、氣候條件等，進行直接觀測與整體之檢討，並利用熱環境可視化觀測技術與儀器裝置，進行直接之觀測記錄與評估檢討。同時也將利用建築熱環境可視化影像情報，來檢討國內節能法規頒佈後之執行情況，從實際案例的比較評估中，探討可能之改善方案或建議。本研究之建築熱環境可視化情報與資料的建立，不僅是國內首創而且是相當重要的基礎研究，同時在國內綠建築及節能政策的推動宣導上，對於一般民眾或非建築專業人員而言，可視化情報將是非常直接而且具影響力之有效工具。透過實際的觀測操作與案例檢討，本研究也將建立國內本土化之建築熱環境. 3.

(20) 可視化觀測系統，以及可行之操作評估技術，以供國內相關研究工作者之參考。都市的問題主要來自人類密集的居住生活與各種活動行為，而建築則扮演支持所有人類居住活動的基本構成。一般而言，節能、環保、健康的綠建築計劃，將對於都市環境的改善有直接而且立即之貢獻。本研究之重點主要將透過建築物熱環境的可視化觀測與解析，來釐清並檢討建築物之各項熱環境支配要素，檢討建築物熱環境之改善方案與建議，並進一步探討建築物在都市熱環境中扮演的積極角色與綠建築可能之具體貢獻。. 4.

(21) 1-2 研究內容過去的都市計畫與都市設計，大多以都市機能及服務效率為優先考量，以致都市建築不斷地朝密集化及高層化方向推展。為了創造都市建築的室內舒適環境品質與高效率工作環境要求，利用各種建築機械設備密集地消耗能源，並將廢熱與污染空氣往都市大環境中排出，似乎是無可避免的都市環境行為現象。都市環境的持續高溫與惡化，令專家學者憂心忡忡，也令一般民眾焦躁不安。都市環境的問題牽涉廣泛，關連課題也錯綜複雜，要改善都市環境首先需要凝聚全民的共識，以及正確資訊與觀念的宣導，才能採取一致的行動，來改善都市環境。而其中從建築熱環境著手，將是改善都市環境最重要的一環，這也是綠建築最重要的目標之一。本研究主要之研究方法與對象，就是開發遙測技術與紅外線熱像技術在都市及建築上的應用。所謂遙測或稱遙感探測技術，是因為被觀測物體與儀器設備之間存有空間，所以通常需要組成一間接之觀測裝置，此即所謂之遙感探測系統，然後再將觀察到的資訊以物理方法，透過媒介與中央處理器（中心）連結，大多以自動化的型態傳達、收取及處理。一般而言，以遙感探測方法累積的資料遠多於傳統之接觸方法，而常常需要藉助高效率的處理器材與分析工具，因此電腦是不可或缺的，同時適當的分析計算軟體也是必備的。雖然遙感探測之測值因環境的干擾有其先天上的限制，同時有資料大多為物理性而非化學性測定，測得之資料解析度問題，以及觀測儀器組件衰退等缺點，必需同時發展特定解析技術及資料展現型式以作為配合措施，但是隨著硬體科技的進步及軟體的改良，今日的遙測準確性及精確度已顯著提高。目前利用遙感探測技術所觀察到的資料形式，係以電磁能 (electromagnetic energy)、聲（音）波 (acoustic waves)或力場 (force fields)等物理方法連接與傳達，再經適當的資料轉換、整理與分析後呈現（或還原）被測物或環境事件的原貌。目前以電磁能傳遞遙測. 5.

(22) 資訊是最常用的一種快速、正確而且毋須藉助傳導介質的資料處理形式，更重要的是可以同時長距離傳遞大量的資料而比較不會改變其本質的技術之一。凡物體溫度高於絕對零度（ -273℃ )者，其能量即可以光輻射（即電磁能）的形式釋出或放射，故可稱為電磁源 (electromagnetic source)或輻射體 (radiator)。無論是自然的或人工的輻射體，其輻射的類別不外以下三種：連續性波長的寬波段輻射，連續波長的窄波段或單一波段的輻射，及單一波長的輻射。本研究之內容，主要為利用紅外線熱像儀 (IR ， Thermoviewer) 及其溫度解析裝置，並透過目前尖端之電腦影像處理技術，將一般無法看得見之熱環境影象加以可視化。透過建築物表面或內部溫度分佈可視化影像的分析比較，來探討影響都市熱環境與建築物溫度變化之要因，包括建築外殼、建築材料、環境氣候等等。誠如本計劃之背景與目的中所述，都市環境的課題牽涉廣泛，問題也是錯綜複雜，本研究之重點不在於整體都市環境之探討，而是針對都市中最重要之基本構成元素建築物來進行熱環境的觀測與探討。透過建築物內外熱環境表面溫度可視化之觀測解析，來釐清並檢討建築物之各項熱環境支配要素，包括建築外殼、建築材料、外部環境氣候條件等等之相互影響。根據上述之觀測方法及探討課題，本研究計畫內容之重點，茲簡要說明如下： 1. 蒐集國內外都市環境觀測評估之相關文獻資料，以及紅外線熱感顯像記錄設備應用技術情報，並進行分析與整理。建立國內本土化建築熱環境可視化觀測技術與操作系統。 2. 調查國內實施建築節能之現況與案例，並整理其操作手法與檢討其對環境影響之評估。本項工作主要將針對國內建築節約能源優良設計作品之實際案例進行調查評估與現場觀測檢討。 3. 針對建築物內外表面之溫度分布，利用紅外線溫度解析裝置進行直接之觀測記錄與評估檢討，以實際之案例解析，來評估及檢討建築外殼、建築材料、環境氣候等建築熱環境之影響要因。. 6.

(23) 4. 利用建築熱環境可視化影像情報，來檢討國內節能法規頒佈後之執行情況，從實際案例的比較評估中，探討可能之改善方案或可行建議。 5. 建立本土化都市建築熱環境可視化觀測系統及基礎資料，並介紹都市、建築熱環境可視化技術之應用現況與未來發展趨勢，以供國內相關研究工作者之參考。. 7.

(24) 1-3 研究方法與步驟本研究之方法除了相關理論與文獻回顧之整理以外，主要是選定合適之都市建築案例與周圍環境對象，利用紅外線溫度觀測解析裝置，對整體熱環境現象進行紅外線熱像觀測及可視化影像分析處理與比較，進而探討都市建築之熱環境相關課題。首先，將從國內外文獻資料的蒐集整理與相關理論推導探討著手，同時也進行都市建築熱環境與現況問題的調查。本研究擬導入目前在建築以外之科技領域，應用相當廣泛之遙測或稱遙感探測技術，並利用先進之電腦影像處理技術，將屬於人體溫熱感覺尺度，肉眼無法辨識之溫熱環境變化加以可視化，來檢討都市建築熱環境之影響要因。紅外線熱像技術主要係利用紅外線熱像儀來測定被觀測物件（如建築物）及環境影像之熱紅外線（如 8-12μ m 或 3-5μ m 範圍之電磁波）與其強度，運用影像轉換技術將此測得之紅外線以可視化溫度影像呈現，來瞭解被測物件及環境之溫度高低與分佈（其中溫度係以所測得紅外線來計算），進一步可以進行之工作包括分析、估算、及預測被測物之體表溫度與未來溫度演變趨勢。觀測值再經過比對正常狀況時被測物體表面之溫度與分佈，便可瞭解被測物之異常程度與範圍。因此，凡具有溫度或作業過程中產生、消耗或傳導熱量的物體或系統，均適用紅外線熱像技術來觀測與檢討。高性能的紅外線熱像系統的設計採用，具有以下之特點： ①具有高速掃描的功能， ②具有高度之空間解析度， ③ 具有相當準確的溫度測值， ④具有清晰、一致的影像顯示， ⑤能在各種環境條件下進行溫度測定， ⑥屬於非破壞性檢測方法，及 ⑦具有多用途之廣泛應用功能。以紅外線熱像儀 (Infrared Thermal Imaging Radiometer，簡稱 IR)檢（偵）測輻射體釋放出的熱紅外線波段，監視紅外線的改變與趨勢，可估測輻射體溫度變異。若為建築物，可觀察建築物的點、線、面的溫度變化，推測環境與建築物的相互影響。計畫預定進行之步驟流程，以及研究內容工作項目概要如下列. 8.

(25) 流程圖所示：研究計畫之擬定與提出. 研究架構與範圍確立. 相關文獻蒐集觀測技術資料整理. 都市建築熱環境問題現況調查. 熱環境可視化觀測評估系統建立. 都市建築熱環境觀測與可視化影像處理評估. 否. 是否合理適當是建築熱環境評估與節能對策檢討結論與建議. 提出研究成果圖 1-1-1 研究工作項目及作業流程. 重要儀器配合情況. 9. 相關節能法規與法令制度檢討.

(26) 本研究所使用之主要儀器為紅外線溫度解析裝置 (Thermoviewer JTG-6100,JEOL Ltd.,Japan)，裝置儀器之規格及相關資料請詳參附錄。本裝置係由本校（國立台灣科技大學建築系）在 86 年度中，配合本研究之需要，輔助撥款設備經費購置本套設備裝置系統。本研究所使用之熱環境觀測解析裝置系統概要如下。. 熱環境觀測解析裝置系統溫度校正用黑體觀測鏡頭可視化處理裝置溫度分析裝置 (-20 ℃~800 ℃). ．攝影機 (紅外線) ．腳架控制主機裝置本體. ． 17 吋顯示螢幕． 6 吋液晶顯示裝置. 專用軟件. 本體配備軟件. PC 配備軟件. ．影像處理軟件．可視化處理軟件．訊號處理軟件. 影像處理軟件 (Window 版). 輸出列印裝置．記憶體．光碟 SCSI 介面. 10.

(27) 第二章文獻回顧與儀器設備概要. 本研究主要之探討對象及內容為都市建築之熱環境問題，而都市環境的課題牽涉廣泛，即使只是「都市熱島效應」之問題也是錯綜複雜，本研究之重點不在於整體都市環境之探討，而是針對都市中最重要之基本構成元素建築物來進行熱環境的觀測與探討。因此，本章內容首先將就都市的現代化及熱島效應之相關文獻理論進行回顧與檢討。其次，則以都市熱島問題的探討導出紅外線熱像技術之應用關係，再進一步闡述遙感探測與紅外線熱像技術之應用理論，並簡介此項技術之應用概況，茲依序論述如下。. 2-1 現代化與都市熱島效應都市問題主要是來自於人口的迅速成長與都市化過程中人類活動對地球資源與能源的無止境耗用。在 17 世紀之前，地球上的人口成長緩慢，是屬於自然人口– 人類並未利用醫療技術克服死亡或以節育方法來控制生育。因此，在一定地理環境中的人口總量是處於自然平衡的，是在一明確的總量範圍內上下波動。人口總量的增加或減少隨著環境的變化與物種的變異而不斷變化。 18 世紀後期之後，醫學不斷的有新發明，使人類開始超越疾病與瘟疫的威脅。此後，死亡率逐步下降，平均壽命開始增加，人口老化問題也開始顯現。 19 世紀時，城市結構隨著工業化的迅速發展而有很大的改變，百萬人口以上的城市激增，這是因為鄉村地區的耕地面積減少，以及城市地區的工作機會、公共服務品質與食物供給等誘因的影響，人口大量流入城市。城市人口數量不斷的增加形成都市化，也造成城市住屋、公共設施與交通的服務能力困窘或公用設施建設不足的. 11.

(28) 問題。 20 世紀之後，由於交通與通訊技術的進步，使人口與經濟的活動越過原有的城市界線，分散到鄰近的市郊地區，形成一種新城市型態的大型都會地區。第二次世界大戰之後，人口類型明顯的改變，成為年輕的、高出生率與低死亡率的人口。自此，全球的人口成長比率是以驚人的幾何級數比率迅速躍進，而糧食的生產只能以數學級數的比率緩慢增加，同時，人類賴以提供能源的石化燃料與有限的資源正日益枯竭中。雖然都會地區的現代化提供人類非常便捷與效率的生活，卻也在無形中消耗著大量的地球資源與能源。人類活動所產生的各種廢棄物也正嚴重地影響全球的氣候與生態環境的平衡。. 2-1-1 都市活動與全球氣候的惡化都會區內人類活動所產生的各種廢棄物質中，對全球氣候惡化的影響，主要是以下三類： (1) 二氧化碳。大氣中二氧化碳濃度的增加會產生地球溫室效應、造成地球溫暖化的問題。因為二氧化碳會吸收地表面的紅外熱輻射，並將其中的一部份再反射回地面，使地表面的平均溫度增加。目前大氣中的二氧化碳濃度約為 350ppm，比工業革命之前的二氧化碳含量高出約 25%。根據一些研究理論的推算，二氧化碳濃度若增加一倍，地面的平均溫度將升高約 2℃ 。若如此，將會使海平面升高，那些目前位於海平面之下的國家或低漥地區，有可能會被淹沒，伴隨其他的可能影響，將嚴重威脅人類的生命財產安全。 (2) 大氣塵粒。都市地區的空氣中含有水汽與一些氣化或固態的微粒物質。那些空氣中的小粒子幾乎都是污染物質，包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、與粉塵等。進入大氣中的塵粒，經由反射、散射與吸收等作用，能減少入射至地面的太陽輻射能. 12.

(29) 量，使地面溫度降低、氣候變冷。根據某些觀測的結果，城市空氣中的塵粒可能減少 50%的太陽輻射能量。這些都市地區大氣塵粒的熱力效應會造成降水凝結核與冰核的改變，影響都市降水量的自然分布模式。這些大氣塵粒也會阻礙都市表面長波熱輻射的外逸至大氣中，助長溫室效應。從 19 世紀末期至第二次世界大戰，地球表面的平均氣溫約升高 0.5℃，一般人認為是由於二氧化碳量的逐漸增加而造成的。其後全球氣候逆轉，變冷的趨勢，與工業發展的成長是一致的，因此，有人推測這是因為塵粒減少入射的太陽輻射能量而產生的結果。 (3) 人為熱能。都會區內人類活動所產生的熱能來源，包括產品製造過程所產生的廢棄熱能、發電過程產生的廢熱、冷暖空調設備、熱水供應系統、或垃圾焚化所產生的廢熱等。人為熱能的廢棄與釋放至大氣中，再與都市的一些內在本質或其他的外在環境因素交互作用，就會形成都市熱島效應的問題。例如，冬季時，太陽的輻射能量較低，都市範圍內的人為熱量可能或甚至會超過自然熱量。這種熱量，由全球的整體角度而言，可能因為其數值比較小，對全球的氣候不會構成嚴重影響。然而，伴隨能源與資源的使用所產生的二氧化碳或其他廢棄物質的釋出，可能會構成環境影響的問題。. 2-1-2 都市氣候氣候 (climate)是指在某一長時間內發生的天氣現象 (weather)。有關氣候的問題，經常被提及或討論的氣候類別有區域氣候 (Macroclimate) 與微氣候 (Microclimate) 兩種。然而，在探討建築耗能或建築與環境的交互影響關係時，我們就必須考慮第三種氣候類別：地形氣候 (Topoclimate)。（請參閱圖 2-1-1）此三者是連貫一致的，都很適合用來描述氣候，但應注意的是它們分別有一種適合其個別特性的分析架構，足以影響我們對氣候資料的擷取、應用、或. 13.

(30) 詮釋現象時的正確程度。都市氣候通常是指地形氣候，有時候也會涵蓋一些微氣候的觀念。三者的差異說明如后：. (1) 區域氣候區域氣候又稱為巨觀氣候。這種大環境的區域性氣候資料通常可以從氣象局等單位獲得。在探討都會區的建築耗能或建築與環境的交互影響關係時，嚴格而言，這種大環境的氣候資料是不適用的，即使有用，其用途也很小。換言之，都會區基地的氣候與區域氣候之間可能只有很小的關係。. 圖 2-1-1 三階層氣候架構 (2) 地形氣候地形氣候又稱為中間氣候 (Mesoclimate)，用來說明被地形或地貌等因素改變後的氣候。地形氣候資料的預測通常是由設計人. 14.

(31) 員根據地表形象 (landform)對氣溫、入射的太陽輻射能量、自然通風、與溼度等影響的闡釋而獲得。大規模的土地開發模式應與地形氣候的分佈模式有關係。 (3) 微氣候微氣候是指因當地的局部環境差異而改變的氣候，是屬於某一已知地點的氣候。這是植物、動物、與建築物實際體驗的氣候。設計人員預測的微氣候，通常是根據地表形象與表面材料，包括水、植物被覆等，對氣候的含意而進行有經驗的推測。微氣候資訊是三者中最難獲得的，對設計者而言卻是最有用的資料。大多數城市的氣候與其四周的郊區不同。這種城市特有的氣候稱為都市氣候。氣候會影響城市環境的性質，城市環境的性質會影響城市基地內的土壤與植栽，土壤與植栽又會再影響都市的氣候。氣候也會影響人對環境的感覺；由心理學的層次而言，存在著某一範圍的氣候條件，在此範圍內我們會感覺相對的舒適，反之，若超過此範圍我們會感覺到壓力。那些影響的變數包括：溫度、輻射熱、風速、與溼度。都市空氣中的污染物質也會影響氣候，同時也會危害人體健康。做為一位建築師或建築設計人員，我們參與提供舒適的室外空間，也與在建築物內提供舒適環境的成本有關。我們知道，當基地環境變得讓人比較不舒適時，我們在施工與使用管理的成本上就必須付出額外的費用。因此，我們的所作所為應減少對都市氣候環境衝擊的程度，為人類建造一個非常舒適的工作生活環境。. 2-1-3 都市熱島都市環境的最大特色是密集的建築物與縱橫交錯的街道，這種都市峽谷 (urban canyons)是由混凝土、石材、磚頭、瀝青混凝土等. 15.

(32) 熱容量大的建材所構成，形成巨大的蓄熱體；若再加上空氣污染的影響，使照射入都市的太陽輻射熱能與都市中人工熱源釋出的熱量均不易消散，構成所謂的「都市熱島」。換言之，都市熱島是都會區域內溫度分布異常的現象，與人類活動的類別、土地利用模式、設施規模、建築物的疏密程度、都市範圍、以及太陽輻射熱、大氣溫度、溼度與氣流等因素有密切關係。由空間幾何的觀點來觀察都市溫度分布的狀況，因溫度分布的曲線類似一個島的形狀，故稱之為都市熱島。（請參閱圖 2-1-2）其中的等溫線為一閉鎖曲線，代表相同氣溫在水平面上投影的分佈情形。圖中的Δ T 代表都市熱島效應的程度。. 圖 2-1-2 都市熱島的溫度分布曲線示意圖〔文獻 B- 3 〕都市熱島的溫度分布曲線能顯示下述事項： (1) 都市的內部為高溫區域，且最高溫出現在市中心區。 (2) 等溫線在都市中心區與郊外的境界附近較為密集，其集中的程度視都市規模與建築物的分布情況而有所不同。. 16.

(33) (3) 都市與郊區地面上空的等溫線高度，與風之強弱有關。一般而言，弱風時的都市中心區域，其等溫線高度約為建築物平均高度的 3~5 倍。 (4) 都市的溫度分佈狀況與最低氣溫的分佈（圖中的點線位置）有顯著的相關性，而與雲量、降雨、風速等的關係較不顯著。都市內的氣溫通常比市郊以外地區為高，尤其是在夜間或冬季，都市地區內之最低氣溫均較市郊以外地區為高，這種都會區與市郊或鄉村地區局部氣候的差異，形成都市熱島現象。上述都市熱島效應明顯反應在最低溫的情況，主要是因為都市內各種構造物表面材料形成的巨大蓄熱體具有較高的的熱慣性，時滯效果明顯，使蓄熱體材料的日夜之間溫差比較小。簡言之，都市內氣溫較市郊或鄉村地區為高的基本原因是： (1) 都市混凝土叢林內各類構造物接受太陽輻射熱後，其外壁溫暖的建築材料所釋出的紅外熱輻射（顯熱）是以亂流擴散的輻射傳導方式傳遞至鄰近的空氣或物體中。 (2) 釋放至大氣中的人為熱能先被都市的表面或空氣污染物質吸收，然後再以長波長的紅外熱輻射方式傳遞至鄰近的空氣或物體中。此外，都市地區內大量的建築物和密集的人口，使綠地等開放空間的比率降低，並以混凝土或瀝青混凝土的路面代之。這種道路做法使都市地區內的降水迅速的流入暴雨或下水道系統的溝渠內，被排出市區，使得都市地區比鄰近郊區乾燥，氣溫也不易下降。都市的發展愈密集，這種都市氣候高溫化與乾燥化的特性就愈明顯。再者，都市上空聚集的雲量及霧比較多，都市大氣污染也較郊外嚴重，又受到都市內建築物等障礙物的影響，風速較弱，影響都市環境的散熱，加速熱島現象的形成。由表 2-1-1 的比較表，可以瞭解都市化對都市氣候影響的結果，這是與鄉村地區氣候環境比較的改. 17.

(34) 變情形。都市地區的溫度變化與鄰近鄉村地區溫度的關係，請參考圖 2-1-3。由此圖可以瞭解在一典型的天候情況下都市內平均氣溫的變化特性。圖中曲線標示為鄉村地區縮減溫差幅度者，是指經由傳熱材料與一層薄的空氣污染層所產生的中間情況。都市地區的局部氣候與其四周郊區的氣候，因日照率與熱交換的相對差異而形成溫度梯度。其間溫度變化的增熱率或冷卻率構成都市地區與其四周郊區之間的熱島環流現象。（請參閱圖 2-1-4）當區域性的風吹襲時，都市高溫地區有朝下風側偏移之現象。在寧靜無風與晴空萬里的夜晚（清澈無雲的夜空），都市熱島的現象特別顯著。. 18.

(35) 表 2-1-1 都市化造成的氣候影響改變比較〔文獻 B- 2 〕影響因子. 影響因子. 與鄉村環境的比較結果. 污染物質凝結核與微粒氣體混合物. 10 倍以上 5 至 25 倍以上. 雲曇天霧（冬季）霧（夏季）. 增加 5 至 10% 增加 100% 增加 30%. 降水總量增加 5 至 10% 雨量低於 5mm 的日增加 10% 數減少 5%. 日射量總量紫外線（冬季）紫外線（夏季）日照時間. 減少 15 至 20% 減少 30% 減少 5% 減少 5 至 15%. 溫度年平均增加 0.5 至 1℃ 冬季最低溫（平均）增加 1 至 2℃ 暖房度日減少 10% 風速年平均瞬間最大風速無風的日數. 相對溼度冬季夏季. 與鄉村環境的比較結果. 減少 2% 減少 8%. 19. 減少 20 至 30% 減少 10 至 20% 增加 5 至 20%.

(36) 圖 2-1-3 都市地區與鄰近鄉村地區每日溫度變化的關係〔文獻 B- 3 〕. 圖 2-1-4 都市熱島環流現象示意圖〔文獻 B- 3 〕. 2-1-4 城鄉氣候的差異城鄉氣候之間的顯著差異主要是在溫度、溼度、風向與風速、降水量、能見度等氣候要素上，以及都市大氣中高濃度污染物質的影響。城鄉氣候的差異說明如下： (1) 氣溫。都市地區的熱島現象是其大氣溫度的特徵。城鄉平均溫差的最大值出現在夏季或初秋，極端溫差的最大值則出現在冬季。 (2) 溼度。都市地區的平均相對溼度比周圍鄉村地區少一些。例如，東京與倫敦約低 5%。絕對溼度在都市的建成地區只稍微減低一些。這是因為都市地區的地面蒸發率低於鄉村地區。而城市中各種資源或能源的燃燒行為，例如冷暖設備、發電、工業與交通等活動中的能量燃燒行為，都可能會釋出水蒸氣而增加大氣中的水汽含量。 (3) 風。都市地區的地表比鄉村地區粗糙，地表空氣的流動因摩擦而受阻。同時，因熱島現象而發生的水平溫度分布不規則的變化，都使得都市中空氣的流動比較紊亂。都市地區的年平均風. 20.

(37) 速比鄉村地區約少 20 至 30%，最大風速約少 10 至 20%，寂靜無風的日數約多 5 至 20%。在大多數城市的下風方向，不論自然風向如何，風向總是與街道平行。一般的想法認為都市內的溫度較其周圍地區暖和，空氣應自然上升，並由郊區比較冷的空氣取代，形成自然對流。但是因為都市內的空氣流動很微弱，除非是發展很好的熱島型式，當風速大於每秒 3 至 4 米時，自然對流的現象就不再存在。 (4) 太陽輻射能。都市上空為大氣塵粒所覆蓋，使都市地區獲得的太陽輻射能量比市郊地區約少 15 至 20%。部分的大氣塵粒具有親水特性，很容易將水汽凝結為水滴，並形成霧，更有效的減弱了到達地面的太陽輻射能量。 (5) 能見度。都會地區大氣中的塵粒密度高，使能見度較鄉村地區為低。 (6) 降水量。城市中各種資源或能源的燃燒行為可能會增加大氣中的水汽含量。較高的空氣溫度也會增加大氣熱對流的現象。較大的地表粗造度會增加空氣的機械擾動，大氣中較高的塵粒密度則有利於凝結核的形成，因此，很多大都市的降水量比其鄰近的郊區約多 5 至 10%。 (7) 大氣污染。隨著都市的擴大與發展，都市空氣中最常見的污染物質是 CO、 CO 2 、 CH x 、 NO、 O 3 、與汽車生產、產品製造、發電廠或廢棄物焚燒等所產生的塵粒與光化學反應物質。這些污染物質對人體、植物、農作物、建築物等的有害影響，使人類每年遭受極為重大的經濟損失。. 2-1-5 都市熱島效應的形成因素都市地區的溫度比其鄰近市郊區或鄉村為高，以及市中心的乾燥化現象，通常是下列因素的影響結果。 (1) 熱容量的影響. 21.

(38) 都市環境的最大特色是密集的建築物與縱橫交錯的街道，這些人為構造物是由混凝土、石材、磚頭、瀝青混凝土等熱容量大的建材所構成，形成巨大的蓄熱體，使白天照射在都市表面的太陽輻射熱與人工熱能被貯存於材料內，不易消散。在夜間周圍環境溫度下降時，才持續的大量釋放出來。 (2) 受熱面積的影響都市中高聳的建築除了會增加蓄熱的效果之外，其受熱面積的大幅增加也是加重熱島現象的一個因素。太陽輻射照射在建築物上，除其中一部分被吸收之外，其餘的會被建築表面反射。在都市地區，密集的建築群相互吸收被彼此反射的太陽輻射和本身的溫度輻射。因此，若都市地區內的構造物有較大的受熱面積，吸收與儲存熱量的機會就愈大。 (3) 排水系統的影響一般的都市都有良好的排水系統，不論是雨水或家庭廢水、污水都會經由排水系統迅速的排放至都市外，以避免都市內的積水問題發生。由於水份停留的時間縮短，對不透水面積居多的都市環境而言，濕度調節機能和蒸發散熱的效果均大幅度的降低。這是造成都市高溫化、乾燥化的主要原因之一。 (4) 不透水面的影響都市環境的土壤中，除了大量建築物的人工地盤之外，為了交通活動的考慮，替道路與停車空間等設施構築了很多的人工不透水舖面的地坪，相對地減少了自然植被的綠地。這些不透水面根本上阻絕了雨水滲透到地面下的機會，使土壤的保水性喪失。也使都市依賴地面水份蒸發來調節溫濕度的可能性降低，加速了都市的高溫化和乾燥化。此外，大量的降雨必須於最短的時間內排出，造成排水系統的沉重負擔。 (5) 人工熱源的影響都市中的人工熱源種類很多，主要有商業事務機器、汽機車輛、. 22.

(39) 建築照明、冷暖空氣調節設備等。人口的大量集中使得各種能源，例如石油、瓦斯、電能的使用量大增。根據能量不滅的原理，這些能源的使用最終都會產生熱量。人工熱源晝夜不停地運轉，使得都市環境持續不斷的累積人工熱量，當環境條件不良時，那些累積的人工熱量甚至在夜間也無法消散。如此，將迫使都市更依賴空調系統，並使都市環境更加惡化，最後形成一種廢熱公害的惡性循環。. 表 2-1-2 各大都市產生的人工熱規模（尾島，1975）〔資料來源：文獻 C-4〕. 表 2-1-2 是一些國際大都市其人工熱能的產生量和日射量的比較（尾島， 1975）。台灣都市內產生的人工熱量目前尚未有統計的資料。隨著經濟的成長，各種空調設備和機動車輛的增加，必然會逐步提高都市中廢熱的量，為免除廢熱形成的公害，應未雨綢繆，及早採取對策。 (6) 空氣污染的影響都市中的空氣含有大量的污染物質，如硫氧化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、粉塵等都會直接影響都市氣候。另一方面，粉塵類的污染物在都市上空形成一層塵罩，覆蓋著都市區域，如圖 2-1-5 所示。這種塵罩不但會阻擋太陽輻射，形成所謂的陽傘. 23.

(40) 效果，也使塵罩下的大氣不易對流，大氣輻射冷卻無法發生效用，積聚的熱量和污染物不易被擴散，只有在強風下才會流動。因此，都市中的大氣總是讓人感決灰濛濛的，多雲和多霧的日數都比郊區多。同時，空氣污染物中的硫氧化合物也是都市酸雨增加的元兇。. 圖 2-1-5 都市上空塵罩的效應 [資料來源：文獻 A-1]. (7) 綠地的影響綠地可以調節大氣溫濕度的原因是綠地可以自然涵養水分，在降雨時吸收水分，在溫暖乾燥的日子蒸發，如此可以增加空氣的濕度，同時降低地表的熱量。綠色植物對溫濕度的調節也有很大的幫助，這是因為茂密的枝葉可以吸收和反射 80%至 90%的短波長太陽輻射熱，葉片的蒸散作用又可以消耗部份的熱量。因此，同一地區日間在森林內之平均氣溫比森林外約低攝氏三至五度。都市中綠地調節氣候的功能，在位處亞熱帶的台灣地區特別明顯。尤其是夏天，除了有降暑的功能之外，樹林也可以過濾與淨化空氣，行道樹可以遮蔽酷熱的陽光，提供車輛或行人良好的行走空間。綠地對都市還有景觀美化的作用與提供休憩的空間。基於這些理由，都市中應留設足夠的綠地。. 24.

(41) 2-2 都市熱島的研究與紅外熱像都市環境內熱的問題是與都市熱島現象對都市與其周圍自然環境或區域性環境，甚至是對全球環境所造成的影響有關。都市熱島效應衍生的問題基本上包括： (1) 空氣污染的加速。大氣污染（例如，都會區的煙塵問題）也構成其他自然環境與人為構造物破壞的問題。 (2) 能源的大量耗費。都市熱島效應（ Δ T）越高、電力需求越大。若再加上能源使用的管理不善（例如，製程或設備的低效率、燃燒不完全、廢熱未再利用），會導致尖峰電力供應不足與發電設施新建的問題，特別是興建核能發電設施的爭議。 (3) 熱浪的侵襲。都會區的高溫與乾燥化趨勢，與都會鄰近鄉村地區的土壤沙漠化問題，已使大部分的都市面臨夏季高溫對人類健康或生命造成的威脅。 (4) 都市微環境內生態的破壞。都會區的高溫與乾燥化趨勢造成生物棲息地的破壞，讓許多動植物無法自然生存。為能解決上述都市熱島效應衍生的問題，提供人類永續生存的環境，如何減緩或消除都市熱島的現象已成為國際性的研究重點之一。來自不同學門的研究人員與專家結合在一起，共同努力，希望能經由現象的觀測、分析並找出問題的核心，最終目的是提出有效的因應對策或解決方法。多年來，國外的一些基礎性研究成果與實際觀測的數值結果，已能提供建築或都市規劃設計等相關人員一個架構，瞭解都市熱島效應的基本知識與未來的研究重點或方向。. 2-2-1 都市熱島現象的量測都市熱島現象的研究約始於 150 年前，由霍華德 (Howard) 在 1833 年首先提出，他以倫敦為例來說明都市化造成的都市地區溫度. 24.

(42) 變化，並且比較都市與鄉村地區的溫度差異，包括白天與夜晚之間，以及市中心區域的溫度差異關係。由此可知，傳統的熱島現象觀測或溫度數值量測方法，是要瞭解熱上升的趨勢與變化，配合建築環境組成元素的檢討，提出可能的改善建議。由於都市化程度的影響，日本各大都市的氣溫每年約升高 0.01~0.05℃。歐美各國的都市地區與其市郊地區的氣溫差異，因都市的規模而定，最大的溫度差異約為 5~10℃ ，如圖 2-2-1 所示。圖 2-2-2 是廣州市的都市溫度分佈情形。. 圖 2-2-1 歐美都市地區與市郊的氣溫差異比較 [資料來源：文獻 A-7]. 25.

(43) 圖 2-2-2 廣州市的都市熱島現象 [資料來源：文獻 A-7] 近年來，台灣地區的都市人口大幅成長，都市範圍不斷擴張，高層建築陸續的興建，空調設備普遍被使用，建築物內的人體和照明發熱量是藉由冷氣系統的熱交換方式而被傳遞並發散至都市的街道空間中，再加上各類型機動車輛的排熱量也是直接排放於街道中，都市的氣溫上升率已有逐年升高的趨勢。如圖 2-2-3 所示，台北市近 25 年的年平均氣溫上升率約為 0.042℃ ，而台北市過去一百年來的平均氣溫上升率只有 0.0132℃ 。由此可知，台北市近年來因人口數量和能源使用量的急速增加，已使都市的熱島現象更顯著。. 26.

(44) 圖 2-2-3 台北市的平均氣溫上升率 [資料來源：文獻 A-7]. 表 2-2-1 為台北市與日本東京都的氣溫上升率和全球溫室效應的比較。其中，全球性的地球溫室效應為每 100 年上升 0.7℃ ，台北約為全球平均值的 6 倍，東京都則為 10 倍。由此可知，都市由於人口和能量耗用的集中，使其溫度上升率遠大於大氣的溫室效應結果。由於東京都的人口比台北還多、都市化也更密集，因此氣溫上升率也比台北高。. 表 2-2-1 台北與東京都的氣溫上升率與地球溫暖化的比較 [資料來源：文獻 A-7] 地球熱島化. 台北市都市. 日本東京都都市. （℃/世紀）. 氣溫上升（℃/世紀）. 氣溫上升（℃/世紀）. 0.7. 1.3（25 年）. 4.2（97 年）. 27. 7.

(45) 有關都市熱島現象變化的研究， Sund Borg (1951)指出風速為一重要的影響因素。風速大時，熱島現象減小。 Landsberg (1956) 認為都市的熱島現象會隨時間而改變，每天不同，也與都市的大小成正比關係。 Varl (1986)以北美洲城市的氣溫為研究對象，結果顯示在 1941 年至 1980 年之間，都市中氣象測候站所量測的氣溫，與周圍市郊地區氣象測候站測得的氣溫來比較，有逐年增加的趨勢。都市的平均增溫速度約為每 10 年 0.12℃ 。 Yague (1991)研究馬德里的都市最低溫情形，結果顯示在馬德里的都市地區氣溫有明顯的上升趨勢，鄉村地區則否。都市的氣溫增加率為每年 0.024℃。熱島效應在夏天最強，春天最弱。姜善鑫與盧光輝 (1994) 進行台灣地區的氣溫觀測實驗，發現台北市在全年的各月中均有都市熱島現象。台灣地區的都市熱島現象與都會區的人口數量有關。人口十萬以上的城市，若人口數越多，市中心地區與郊區的溫差就越大（請與圖 2-2-1 比較）。都市熱島現象或建築物熱環境變化的研究，需要長時間的量測記錄或觀察比較。目前，有關都市環境的大尺度冷熱變化情形的探討，是以區域性的氣象資料為基礎。然而，區域性氣象資料對於都市建築的地貌影響因素或微氣候變化方面之詮釋，是十分困難的，同時也存有許多不確定性與預測正確程度上之困擾。. 2-2-2 都市熱環境的紅外熱像量測過去的都市計畫與設計觀念是以都市機能或服務效率為優先考量，導致都市內的建築物不斷地朝密集化及高層化的方向推展。又為了提昇都市建築物室內環境的舒適品質與滿足高效率工作環境的要求，造成建築物內各種機電設施或事務機器密集地消耗能源，並將產生的廢熱與污染的空氣往都市大環境中排送。這種行為導致都市環境的持續高溫與惡化。都市環境惡化的問題牽涉廣泛，關連的課題也錯綜複雜。要改善都市的環境品質，檢討建築熱環境是重要. 28.

(46) 的一環。在一般建築環境中發生的熱輻射現象，屬於紅外光範圍的電磁波輻射，是人眼無法辨識的。最簡單的熱量測方法是使用溫度計。由於溫度計使用的限制因素很多，在一般實驗室內大部分都使用熱偶對（ thermal couple）來進行熱能問題的研究。在室外大範圍的空間中，若使用熱偶對來研究建築熱環境的問題，有其實質上的困難，例如，裝置的技術、數值的代表性、量測範圍等的限制。因此，採用另外兩種方法： (1) 設置觀測點，進行長期的監測。這是一般研究人員經常會採用的方法，但受限於設置的成本、觀測位置的選擇與測站數目的決定。其量測結果的等溫線繪製，就如同一般地形測量的等高線繪製，測量點的數目會影響結果的可信賴程度。美國密西根大學 Rohinton Emmanuel 博士於 1997 年採用這種方法完成安娜堡（ Ann Arbor）的都市熱島問題研究，並提出都市熱島現象的減緩策略與評估等相關的論文。國內目前有成功大學林憲德教授進行的都市氣溫分佈研究與熱島效應的探討。再者，等溫線代表的只是在某一高度範圍內一些分散地點的地表空氣溫度，無法真正地全面或連續的記載任一地點的地表空氣溫度，也無法解釋地面上的物體其表面（材料）的熱特性。這種傳統的溫度量測方式有助於瞭解都市氣溫分佈的可能模式與一些熱島效應的探討。若要進一步探討都市環境構成元素對熱島效應的影響，則須運用紅外輻射熱像的技術與其他的材料熱性能研究結果。. (2) 採用紅外輻射熱像的技術。紅外遙測是目前一些先進國家經常採用的方法，分為衛星紅外遙測與高空紅外遙測兩大類。高空紅外遙測使用的工具主要是. 29.

(47) 飛機，也可使用熱氣球飛行工具。美國國家航空太空總署近年來正在進行中的一系列都市熱島研究，就是利用飛機進行一些大都市的紅外遙測工作。不論是衛星紅外遙測與高空紅外遙測，基本上都是利用紅外熱像的技術，將大尺度的都市環境熱景象予以可視化，做為評估與檢討都市或建築熱環境影響因素的重要參考資料。事實上，就如同經由空中照相方法來獲得空照圖一樣，如何得到清晰與正確的空照圖是一種技術，如何進行照相成果– 圖片的判讀也是一種技術。紅外遙測是紅外熱像技術的應用，那些可視化影像的正確判讀就是一項非常重要的技術或知識。在大氣科學的研究領域內，已累積了不少具體的研究成果與實際可行的作法。日本仙台市及東京都之觀測資料，如圖 2-2-4 是從日本東京池袋的太陽城大樓 60 層樓屋頂，向下拍攝的都市熱環境影像。從白天與晚上的影像比較可以看出，在中央的護國寺森林綠地區域，白天與晚上的溫度均偏低，顯示森林綠地能有效地緩和都市熱環境之高溫現象。影像之前半部份為木構造建築物分佈密集的地區，沿高速公路的部份為鋼筋混凝土建築物集中的地區，兩者在日夜溫度分布上，呈現相反之現象。混凝土構造物在白天受到日照而蓄熱，夜間仍久久無法消散蓄基的熱能，助長夏季熱帶夜現象的嚴重性。. 30.

(48) 圖 2-2-4. 夏季的白天與夜晚，透過熱. 圖 2-2-5 夏季．晴天之中午時刻，都市. 環境影像之都市建築構造比較〔文獻. 之熱環境影像（飛機航照 MSS 攝影，. C - 7 〕(日本東京都．池袋，1990.07.28). 1993 年 8 月 29 日，平均氣溫 26℃）〔文獻 C - 7 〕 (日本仙台市，1993.08.29). 圖 2-2-5. 是利用飛機的航空紅外線攝影所. 記錄的日本仙台市都市熱環境影像。影像的分析顯示出海、農田或森林綠地等區域其表面溫度明顯較低；相對地，建築物密集的都心區域其表面溫度呈現明顯的較高溫現象，若與郊區的溫度比較，溫差甚至達到 20℃以上。一般所稱的都市沙漠，或在都市表面混凝土化，及各種綠地公園與水環境的減少等. 31.

(49) 2-2-3 都市微氣候環境與紅外熱線測溫對於都市或建築外部熱環境的直接觀測與瞭解，研究人員發現都市熱島問題的基本來源主要是： (1) 綠地與植栽的消失。這種現象嚴重的影響自然土地的蒸發與蓄熱效果，妨礙熱的自然平衡機制之功效。 (2) 具有高蓄熱特性或高反射性質的人造材料的大量使用。高蓄熱特性材料的再輻射與高反射性材料的熱輻射反射作用，會增加都市或建築外部空間的大氣溫度，形成都市熱島。 (3) 密集的構築環境。在都市峽谷內，「天空視域因子」（ the sky view factor）會影響都市熱島的形成。參考圖 2-2-6，如果天空視域因子的數值越小，表示街道的空間越狹窄，也就無法像開闊的鄉村地區把積聚的熱量快速的發散至大氣之中。換言之，天空視域因子的值愈小，都市熱島的效應就愈明顯。. 圖 2-2-6 天空視域因子與都市熱島效應的關係〔文獻 B- 3 〕上述都市熱島問題的基本來源與都市地區微氣候的形成有密不可分的關係。減緩都市熱島效應（圖 2-2-6 中的 Δ T）的根本解決方法就是「降溫」– 減少都市地區與鄰近市郊區或鄉村地區的溫差。降溫的. 32.

(50) 策略包括都市環境的綠化、都市設計的管制，建築材料的選用。當然，也包含建築物本身與設備的設計或管理措施。都市環境綠化的部分，在歐美、日本等先進國家，已有不少研究成果發表，可以直接引用。都市設計管制的部分與天空視域因子的研究有密切關係，如何規定街道寬度與建築物高度的關係，除建築技術規則建築設計篇內建築物高度與鄰接道路的規定外，綜合考量所有可能的影響因子，從都市設計管制的觀點提出解決策略是未來研究的方向之一。建築材料構成都市峽谷的壁體與地版面，其熱性質對都市熱島效應的影響非常大。因此，建築材料的開發與選用已逐漸成為各國的研究重點，換言之，是要開發或製造「涼爽材料」 (cool materials)– 具有較高的太陽反射指數 (solar reflectance index, SRI)。傳統的屋頂材料其 SRI 介於 5%與 20%之間，新開發的潔淨、能自我清洗的白色屋頂材料其 SRI 可以高達 62%。涼爽材料的開發或製造許多國家都已經開始，大部分都是沿用材料科技方面的知識。夜間的材料再輻射熱的消除須配合建築物之間棟距關係的改善，其他像玻璃或光滑金屬表面的強烈反射所造成的光害– 眩光與二次熱源的問題，也被研究人員重視。由於紅外熱像技術的成熟與設備的逐漸普及，都市微氣候環境範圍內的熱環境觀測已可使用紅外熱像設備直接進行。在國外，如歐美、日本等先進國家，已有不少有關都市熱環境觀測與評估的研究成果發表。本研究希望能將紅外熱像技術導入建築環境科技的領域內，透過建築熱環境資料的可視化，來觀測、比對、瞭解問題的可能來源，並協助檢討建築物的熱支配要素，提供初步的改善對策。或提出可能解決方法的所屬領域與可行的未來研究方案。. 33.

(51) 2-3 遙感探測與熱紅外線影像對目標物體的物理或化學性質探測，在最近的幾個世紀，隨著科技的發展特別是應用技術的不斷突破，已有很多先進的精密量測系統被開發與運用。在第二次世界大戰結束後的五十年內，許多軍事高科技領域內能進行遠距離、全天候探測的電磁輻射技術被廣泛應用於探測遠端目標物的物理性質研究，如氣象雷達。近年來因為資訊科技的快速躍進，自動化與高效率的儀器設備和處理分析工具已使遙感探測所獲得的數值準確程度顯著提高。屬於電磁輻射技術之一的紅外線技術（ infrared technology, IR）其發展更是令人矚目。目前紅外熱圖像（ thermography）技術也已廣泛應用在許多不同的領域，如醫療診斷、電路板 IC 零件檢修、結構或設備的安全評估、海上冰層地圖的繪製。. 2-3-1 遙感探測量測物體的物理性質，除直接接觸的量度方法之外，亦可使用遙感探測的技術，不與目標物直接接觸而獲取目標物的資料。換言之，遙測是指對遠處的物體或環境，利用探測儀器或工具進行間接的、遠距離的有系統探測工作。通常是利用電磁波與目標物之間的交互作用，由目標物反射或放出的電磁波的變化，來決定目標物的物理性質。探測儀器將那些變化情形記錄或產生必要的圖形與影像。這些觀察所得的資料，經由系統相關工具或軟體的處理、轉換、與分析，提供研究人員被測物或被測環境相關的物理性質資訊。廣義的遙測也包括非電磁波量測的方法，例如，利用磁性或重力等力場、或彈性波與聲波等音場環境的觀測與量度等的地球物理學技術。當然，人類的視覺與聽覺系統本身也屬於遙測系統的一種；然而人類的感官神經末梢雖能偵測到熱紅外輻射（熱），卻無法形成. 33.