都市街廓空氣污染擴散與街地風環境評估之實驗研究

都市街廓空氣污染擴散與街地風環境評估之

實驗研究

內政部建築研究所研究報告

都市街廓空氣污染擴散與街地風環境評估

之實驗研究

計劃主持人：何明錦

協同主持人：蕭葆羲

研 究 員：李信宏、黎益肇

研究 助理：陳佑姍、王哲瑜、

李宗諺、陳柏村

內政部建築研究所研究報告

中華民國 102 年 12 月

目次

目次 ... I

圖次 ... II

摘 要 ... X

第一章 緒 論... 1

第一節 研究緣起... 1

第二節 計畫研究背景... 1

第三節 計畫研究標的... 3

第二章 實驗設計與配置... 5

第一節 實驗設計... 5

第二節 實驗配置... 7

第三章 結果與分析... 11

第一節 迫近流場... 11

第二節 風場特性... 13

第三節 街廓濃度擴散特性 ... 46

第四章 結論與建議... 73

第一節 結論... 73

第二節 建議... 74

圖次

圖 2-1 實驗設計佈置相關位置與實驗量測座標示意圖 .... 6

圖 2-2 追蹤氣體單元之配置示意圖 ... 8

圖 2-3 實驗配置示意圖... 9

圖 3-1 模擬迫近流場之風洞佈置照片 ... 11

圖 3-2 迫近流場之平均風速剖面 ... 12

圖 3-3 迫近流場之主流向紊流強度剖面 ... 13

圖 3-4 沿街廓中心軸線(Y/H=0)下游距離各斷面平均風速剖

面變化；S=H... 15

圖 3-5 沿街道中心軸線(Y/H=1)下游距離各斷面之平均風速

剖面變化；S=H... 16

圖 3-6 沿街廓中心軸線(Y/H=2)下游距離之各斷面平均風速

剖面變化；S=H... 17

圖 3-7 街廓高度 Z/H=0.5 處之風速(U/U

H

)等值分佈圖；S=H

... 18

圖 3-8 街廓高度 Z/H=1 處之風速(U/U

H

)等值分佈圖；S=H 19

... 21

圖 3-11 街廓高度 Z/H=0.5 處之風速(U/U

H

)等值分佈圖；

S=H，風向角為 45

o

... 22

圖 3-12 街廓高度 Z/H=1 處之風速(U/UH)等值分佈圖；S=H，

風向角為 45

o

... 23

圖 3-13 街廓高度 Z/H=1.5 處之風速(U/UH)等值分佈圖；

S=H，風向角為 45

o

... 24

圖 3-14 街廓高度 Z/H=2.5 處之風速(U/UH)等值分佈圖；

S=H，風向角為 45

o

... 25

圖 3-15 沿街廓中心軸線(Y/H=0)下游距離之主流向紊流強度

剖面變化；S=H... 26

圖 3-16 沿街道中心軸線(Y/H=1)下游距離之主流向紊流強度

剖面變化；S=H... 27

圖 3-17 沿街道中心軸線(Y/H=2)下游距離之主流向紊流強度

剖面變化；S=H... 28

圖 3-18 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之建築物上方

圖 3-20 街廓中心軸線(Y/H=1.5)往下游距離之建築物上方及

各街谷之平均風速剖面變化；S=0.5H ... 31

圖 3-21 街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之主流向紊流強度

剖面變化；S=0.5H... 32

圖 3-22 街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離之主流向紊流

強度剖面變化；S=0.5H... 33

圖 3-23 街廓中心軸線(Y/H=1.5)往下游距離之主流向紊流強

度剖面變化；S=0.5H... 34

圖 3-24 計算域示意圖... 35

圖 3-25 平均風速比較(Y/H=0), S/H=1 ... 36

圖 3-26 平均風速比較(Y/H=1) , S/H=1 ... 37

圖 3-27 平均風速比較(Y/H=2) , S/H=1 ... 37

圖 3-28 紊流強度比較(Y/H=0), S/H=1 ... 38

圖 3-29 紊流強度比較(Y/H=1), S/H=1 ... 38

圖 3-30 紊流強度比較(Y/H=2), S/H=1 ... 39

圖 3-31 平均風速比較(Y/H=0), S/H=0.5 ... 39

圖 3-35 紊流強度比較(Y/H=0.75), S/H=0.5 ... 41

圖 3-36 紊流強度比較(Y/H=1.5), S/H=0.5 ... 42

圖 3-37 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，平均風速之等值

分佈；S/H=1... 43

圖 3-38 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，紊流強度之等值

分佈；S/H=1... 44

圖 3-39 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，平均風速之等值

分佈；S/H=0.5... 45

圖 3-40 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，紊流強度之等值

分佈；S/H=0.5... 46

圖 3-41 在高度 Z/H=0.5，沿下游距離之各街谷之水平向濃度

剖面變化；S=H... 48

圖 3-42 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，在高度 Z/H=0.5，往下

游距離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=H ... 49

圖 3-43 在高度 Z/H=0.5，沿下游之街廓等濃度分佈變化；S=H

... 49

面變化；S=H... 51

圖 3-46 沿著街廓中心軸線(Y/H=0) 在高度 Z/H=1，往下游距

離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=H ... 52

圖 3-47 在高度 Z/H=1，沿下游之街廓等濃度分佈變化；S=H

... 52

圖 3-48 在高度 Z/H=1，沿下游之街廓等值濃度分佈變化；

S=H，，風向角為 45

o

... 53

圖 3-49 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=H... 54

圖 3-50 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=H... 55

圖 3-51 沿著街廓中心軸線(Y/H=2)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=H... 56

圖 3-52 在不同高度情況下，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下

游距離之濃度變化;S=H... 57

圖 3-53 在不同高度情況下，沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下

圖 3-55 沿著中心軸線(Y/H=1)往下游距離各斷面之最大濃

度；S=H ... 59

圖 3-56 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離等濃度分佈；

S=H ... 59

圖 3-57 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離等濃度分佈變

化圖；S=H，風向角為 45

o

... 60

圖 3-58 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游距離等濃度分佈變

化圖；S=H ...61

圖 3-59 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離等濃度分佈變

化圖；S=H，風向角為 45

o

... 61

圖 3-60 在高度 Z/H=0.5，沿下游距離之各街谷之水平向濃度

剖面變化；S=0.5H... 62

圖 3-61 沿著街廓中心軸線(Y/H=0) 在高度 Z/H=0.5，往下游

距離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=0.5H ... 63

圖 3-62 在高度 Z/H=0.5，沿下游之街廓等濃度分佈變化；

S=0.5H ... 63

離之各街谷之水平擴散水平擴散尺度變化；S=0.5H ... 65

圖 3-65 在高度 Z/H=1，沿下游之街廓等濃度分佈變化；S=0.5H

... 65

圖 3-66 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=0.5H... 66

圖 3-67 沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離之各街谷

之垂直向濃度剖面變化；S=0.5H... 67

圖 3-68 沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)在下游距離 X/H=3.75

處街谷之垂直向濃度剖面變化；S=0.5H ... 68

圖 3-69 在不同高度情況下，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下

游距離之濃度變化；S=0.5H... 68

圖 3-70 在不同高度情況下，沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)

往下游距離之濃度變化；S=0.5H... 69

圖 3-71 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離各斷面之最大

濃度變化；S=0.5H... 70

圖 3-72 沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離各斷面之

圖 3-74 沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離等濃度分

佈變化；S=0.5H... 72

摘 要

關鍵詞：污染擴散、風洞實驗、風環境、都市街廓 一、 研究緣起 都市地區建築物櫛次鱗比，不良的設計規劃方案將影響都市微氣候，其中以 都市熱島效應最為顯著，因此，從「風環境」來研提改善對策，已逐漸成為綠建 築與都市設計審議的重要指標項目，為改善都市環境並達到「舒適」「安全」「健 康」的生活空間，在市街地風環境評估時，係以風洞試驗或數值模擬方法來進行。 由於人口密集及工商活動頻繁，影響環境項目包括有：不同建築量體對街道通風 之影響（含環境風場與行人風場）、各種廢氣排放（如：汽機車交通工具廢氣、 建築物空調通風設備與餐飲營業廢氣、工廠排放廢氣等等）對空氣品質之影響。 爰為了改善與提升都市生活環境品質，實有必要掌握都市街道街谷周圍環境及建 築物之廢氣污染擴散變化特性。因此本研究計畫將採用風洞實驗方式，進行量測 研究分析探討廢氣排放後，在街道街谷之環境污染濃度分佈變化特性，從而獲得 街廓(街道街谷)環境評估與規劃設計之參考或實施改善措施之依據。此等皆為執 行本計畫研究之目的。 二、 研究方法及過程 都市內街廓有各種不同狀況，例如大樓或公寓型式。本研究案選擇街道寬度 S 與建築物高 H 度之比例，S/H=1:1 或 0.5:1，此接近符合一般 5 樓公寓與其街 道寬度之配置。研究目標主要包括：(1)建置都市街廓(街道街谷)空氣污染擴散 風洞模擬實驗之技術與數據分析系統。(2)廢氣排放對都市街廓之街道街谷風環 境與廢氣污染擴散特性。

面，此為相關都市地形風場實驗以及數值模擬之必要數據資料。

(2)當街廓設計街道間距 S 變小(S/H=1 降為 S/H=0.5，H 為建築物高度)，街 廓間之街谷渠化現象效應(channel effect)呈現更為顯著。

(3) 街 地 風 環 境 數 值 模 擬 結 果 顯 示 街 廓 設 計 街 道 間 距 變 小 (S/H=1 降 為 S/H=0.5)，亦即街道寬度變窄，在街谷風場之渠化現象更為顯著。街廓中各排建 築物後方因屏蔽效應(shelter effect)出現之風影區(wind shadow region)，相 較於建築物間距增加時，亦即街道變寬時，風影區亦隨之變大。 (4)街廓在較低處(Z/H<0.5)之左右或前後兩排建築物間之街道，較易發生污 染濃度聚集現象。當高度增加後，污染濃度聚集現象逐漸消散。迫近流場風向角 度改變為 45O 與街廓作用時，也呈現類似現象。 (5)當街廓設計街道間距變小(S/H=1 降為 S/H=0.5)，在街廓較低處(Z/H<0.5) 之左右或前後兩排建築物間之街道，聚集之污染濃度值相對地會降低。 四 、 主 要 建 議 事 項 研究計畫在進行風洞實驗工作實務時，遭逢一些問題，雖已暫時克服，但建 議實驗室將來可針對風洞部分設施調整之改進如下，以利爾後執行相關風洞擴散 實驗更為便利與順暢。 建議一 增設污染源排放口及量測點增加資料量：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：全國建築師聯合會、風工程學會

間移行系統(亦即天車)，須考慮配合採樣管排系統之支架聯結，建議可考 慮增加天車在擴散管排支架聯結方面設計，將可使濃度量測更為彈性便利。 建議二 增加更為常見之街道谷模型以增加資料庫可靠度：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：內政部營建署、全國建築師聯合會、風工程學會 目前實驗結果為 3×3 之街道谷模型，可以累積更多不同組合之實驗結 果，並將其更多元排列組合數據資料歸納分析，如資料量達到相當程度， 建議可納入相關規範編修之參考。

Keywords: pollution dispersion, turbulent boundary layer, pedestrian level wind, wind tunnel, group of cubic buildings

Since in nowadays the need for high environmental quality of life becomes necessary, clean air environments are then urgently required. To understand the diffusion and dispersion of airborne pollutants in the urban area will be helpful for assessing and controlling the air pollution in the city. In the present report, we conducted experiments in the wind tunnel to measure the point source pollution dispersion over a group of cubic buildings (cubic buildings arranged three by three) with different spaces (S=0.5H, S=H; S:space between bulidings, H:building height) and wind attack angles (0o

and 45o

) in urban area.

The present experiment successfully simulated the neutral turbulent boundary layer in urban area which was used as the approaching flow. The system of discharged tracer as the airborne pollutions, sampling tracer system, and tracer concentration analysis system were integrated and developed. They were employed to simulate and measure the point source dispersion characteristics in the group of three by three cubic buildings in the urban area. Numerical analysis was also developed and applied to calculate on the pedestrian level wind in the group of three by three cubic buildings.

Experimental results of the different cubic building spaces and wind attack angles on the concentration distribution and dispersion characteristics were shown in detail on the report. Numerical predictions on pedestrian level wind for a group of cubic buildings with different

第一章 緒 論

第一節 研究緣起

都 市 地 區 建 築 物 櫛 次 鱗 比 ， 座 落 有 秩 ， 出 現 所 謂 街 道 街 谷 (street canyon) ，從而形成街廓。在我國都市地區工業商業與住宅區混雜比鄰，多所常 見。設若鄰近都市建築物空調通風設備與餐飲營業廢氣、工廠廢氣污染排放，將 嚴重影響市區街廓之空氣品質，進而影響該區域之生活環境品質。為了改善與提 升都市內生活環境品質，實有必要掌握都市街廓周圍環境及建築物之廢氣污染擴 散變化特性。 內政部建築研究所風雨風洞實驗室之風洞設備具有諸多可以發展之潛力與 空間，因此藉由執行廢氣排放對周圍環境影響之風洞實驗研究與分析之研究計 畫，將有助於風雨風洞實驗室建立廢氣排放對都市街廓周圍環境污染擴散特性風 洞實驗之技術，並增進實驗室相關應用於建築物理環境之風洞擴散實驗數據分析 能力經驗。同時本計畫之研究成果亦可提供業界都市建築物理環境規劃之參考。

第二節 計畫研究背景

由於建築物周圍風場變化非常複雜，進而影響廢氣污染之擴散變化。此等問 題之研究探討，學理上可藉由數值模擬或實場量測或進行風洞實驗，以獲得結 果。但由於此等問題之邊界條件具有複雜性，數值模擬自有其限制性而無法處

重要性。 有關污染排放後在都市街道街谷擴散相關之研究，目前在建築與環境或風工 程以及大氣環境等領域皆為非常重要及熱門研究方向與標的。 國外有關街道街谷之研究情況，較典型重要文獻有例如：Vardoulakis 等人 [6]對於都市街道街谷空氣品質之模擬提出回顧性文章；Ahmad 等人[7]也提出都 市街道街谷以及街道街口交會處之風洞模擬擴散實驗回顧性文章；Kastner 等人 [8]針對建築物對於街谷中之污染擴散影響效應；Park 與 Kim [9]探討車輛廢氣 排放後在街道街谷之擴散特性；Eliasson 等人[10]研究都市街道街谷風場紊流 統計特性；Soulhac 等人[11]應用數值模擬計算研究街道街口交會處之流場與擴 散變化；Huang 等人[12]研究斜頂形屋頂建築物對於廢氣污染在街道街谷內之擴 散；Soulhac 與 Salizzoni [13]研究與街道主軸線平行之風向狀況下之街道街谷 之線源廢氣污染擴散；Yassin [14]分析建築高度與屋頂形狀對於街道街谷之廢 氣污染擴散之衝擊效應；Salim 等人[15]探討 RAN 與 LES 紊流數值模式模擬都市 街道街谷之污染擴散；Bady 等人[16]以風洞實驗方法研究高密度都市街道街谷 之擴散特性；Sun 等人[17]研究起伏地形都市之擴散變化；Pillai 與 Yoshie [18] 採 用 風 洞 實 驗 與 數 值 模 擬 探 討 不 同 都 市 地 貌 狀 況 下 之 熱 對 流 擴 散 變 化 ； Richmond-Bryant 與 Reff [19]分析兩個城市實場量測街道街谷之污染擴散特性。 國內有關本案之風洞實驗研究情況，較典型重要文獻有例如：Tsai 與 Shiau [20]以風洞實驗研究分析點源污染排放對於在丘陵地形之都市地區之擴散變化 特性；Shiau 與 Huang [21]應用風洞實驗模擬研究點源污染排放於連續兩梯形地 形之都市地區之流場與擴散特性。

第三節 計畫研究標的

為了獲得街廓規劃設計與環境評估之參考依據，藉以改善與提升都市生活環 境品質，實有必要掌握都市街道街谷周圍環境及建築物之廢氣污染擴散變化特 性。因此本研究計畫將採用風洞實驗方式，進行量測研究分析探討點源式廢氣排 放後，在 3 X3 佈置形式街廓之街道街谷之環境污染濃度分佈變化特性。研究計 畫成果除可提供政府相關機構與業界都市街廓建築物理環境規劃設計之參考，更 有助於建築研究所風雨風洞實驗室建立廢氣排放對都市街廓建築物環境污染擴 散特性風洞實驗之技術，並達到增進實驗室相關應用於建築物理環境之風洞擴散 實驗數據分析能力及經驗。此等皆為執行本計畫研究之目的。 據上本計畫主要研究標的為進行點源廢氣排放後，在街廓之環境污染濃度分 佈變化特性風洞實驗量測與街地風環境評估等分析研究。研究模擬選擇都市 3 X 3 佈置之街廓，而廢氣污染排放後，以風洞實驗方式量測與分析在廢氣污染在街 廓之濃度擴散變化，並獲得都市地區不同街廓尺度(不同街道街谷寬度)之環境廢 氣污染擴散特性，提供評估街廓(街道街谷)設計規劃或實施改善措施之參考。由 於都市內街廓有各種不同狀況，例如大樓或公寓型式。本研究案係選擇街道寬度 S 與建築物高 H 度之比例，S/H=1:1 或 0.5:1，此接近符合一般 5 樓公寓與其街 道寬度之配置。

第二章 實驗設計與配置

第一節 實驗設計

應用建築研究所風雨風洞實驗室之風洞中執行模擬在點源廢氣連續排放條 件下，對都市街廓(3 X 3 佈置)之環境廢氣污染擴散量測其濃度變化，並分析濃 度以獲得污染擴散特性。 在風洞試驗段入口處設置錐板(spire)，緊接著鋪設粗糙元素(roughness element) 以求得在較短距離內獲致穩定完全發展(fully developed)之紊流邊 界層(turbulent boundary layer)。藉此產生都市型式之中性大氣紊流邊界層， 做為迫近流場(approaching flow)。實驗進行時採用之大氣紊流邊界層條件為中 性都市地區型式之紊流邊界層，其邊界層厚度、紊流特性分佈等將參考學界與工 程界採用相關之規範為依據(指數律平均風速剖面之冪指數 n 介於 0.23 至 0.4 之間)。 設計製作九組立方體建築物模型(長寬高均為 H=30 公分)，佈置成 3 X 3 街廓型式(參閱圖 2-1)。其中模擬之都市建築物模型尺寸高度原則係完全浸沒於 都市型大氣邊界層內。街廓中佈置之街街道谷寬度 S 有兩種，分別為 S=H 與 S=0.5H，其中 H 為建築物高度。

設計製作模擬氣懸性廢氣(airborne waste gas)連續排放系統，採用精密浮 子式質量及流量計，調整及控制排放追蹤氣體(tracer gas)(甲烷混合空氣)之流 量、與排氣速度。該追蹤氣體做為所模擬之氣懸性廢氣(追蹤氣體採用以空氣與

場內，進行追蹤氣體濃度擴散變化。點源排放口高程(亦即排放管高度)選定為與 建築物高度相同，另外排放之密度福祿數(densimetric Froude number)條件以 小於 200 為原則，本實驗選定密度福祿數為 100。

第二節 實驗配置

整體實驗之配置包含諸單元：(1)迫近流場之建立，(2)建築物模型之設置， (3)追蹤氣體之排放設置，以及(4)濃度採樣系統之建置。各配置單元敘述如下 (一)迫近流場單元 迫近流場之邊界層厚度 Zref= 1.60 m，Uref= 10.72 m/s。 (二)建築物模型單元 建築物模型以透明壓克力製成，長 30 公分，寬 30 公分，高度 30 公分 之立體方塊。合計九組建築物模型單元，依不同間距 S 選定 30 公分及 15 公分佈置成 3 X 3 型式之街廓，模擬不同街廓尺度。亦即 S/H=1 與 S/H=0.5，此兩種間距排列街廓，相當於街廓密度 D=H2 /(H+S)2 ，亦即 D 分別為 25%與 44.4%。 (三)追蹤氣體單元 追蹤氣體單元之配置，其中追蹤氣體成分採用空氣與甲烷混合依體積 9：1 之比例調製。使用之甲烷氣體純度濃度值須在 99.9%以上，空氣則 使用一般空氣幫浦排放控制主要使用流量計來進行流量控制，其型式為 浮子型式流量計。 排放源之排放管為不繡鋼製成內徑為 D=0.42cm，外徑 0.5cm。該單 元之配置示意圖如圖所示 2-2。 (四)採樣系統單元 採樣系統包含：(1)採樣管排：採氣管以不繡鋼薄管製成(內徑 0.3cm、

氣充入清洗兩次，以除去袋內剩餘之採樣氣體。(3) 氣體採樣幫浦：採 用 10-Channel 之蠕動式幫浦，最多可同時等速採樣 10 點氣體樣本，抽 氣量為 0~400ml/min。本實驗採用 350ml/min 之流量操作，每次採集約 3 分鐘。

圖 2-2 追蹤氣體單元之配置示意圖

資料來源: 本計畫研究人員繪製

(五)濃度採樣分析系統單元 該濃度採樣分析系統單元主要配置包含：(1)火焰離子偵測器(FID， Flame Ionization Detector)：使用 China Chromatography 公司 GC9800

正，故可不必考慮實驗所造成之誤差。(2)紀錄器：採用 SISC 公司之色 層分析儀處理系統，該系統紀錄 FID 輸出之訊號，其取點速率為 5.00 點/秒，實驗時間為 0.9 分鐘。 整體實驗配置示意圖如下圖 2-3 所示。

圖 2-3 整體實驗配置示意圖

資料來源: 本計畫研究人員繪製

第三章 結果與分析

實驗量測包括迫近流場以及街廓周圍風場與濃度場之量測兩部分，以下分別 就迫近流以及街廓風場之實驗量測與數值計算模擬結果，以及濃度場之風洞實驗 量測結果進行整理分析與探討。

第一節 迫近流場

在風洞試驗段入口處佈放五個高度 1.6m 之三角狀錐板，緊接其後於試驗段 地面處佈置尺寸 6x4x10 立方公分之粗糙元素，並以間隔 10 公分交錯式排列，藉 可模擬出符合都市地形的迫近流場。圖 3-1 所示為在風洞實驗段之佈置照片。經 此佈置後所模擬獲得迫近流場之平均風速剖面結果示如圖 3-2。

0 0.4 0.8 1.2

U/U

_ref 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Z/Z

ref Approaching flow Experimental Data n=0.314

圖 3-2 迫近流場之平均風速剖面

資料來源: 本計畫實驗數據整理

中性大氣邊界層之平均風速一般可以指數律(power law)表示，示如下式： n ref ref Z Z U U ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = (3-1) 上式中，Z 為地表上高度、U 為離地面高度、Uref_{為自由流速、}Zref_為自由流

0 10 20 30

I

_U

(%)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Z/Z

_ref Turbulence intensities Experimental Data

圖 3-3 迫近流場之主流向紊流強度剖面

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-3 結果顯示，在接近地面之紊流強度約為 26 %，依據 Counihan[22]研 究指出都市地形接近地面處之主流向紊流強度範圍為 20 % ~ 35 %。因此本實驗 模擬結果亦與 Counihan[22]研究分析實場量測之結果相符合。另外都市地形迫 近流場之主流向紊流強度分佈變化係呈現隨高度增加而逐漸減弱。

物均為相同大小之立體方塊，而每一個建築物立體方塊模型為長寬高均為 30 公 分。實驗量測針對兩種街谷寬度 S，包括 S=H 以及 S=0.5H，此處 H 為建築物高度， 另外當 S=H 時，並改變迫近流與街廓交角為 45O 。藉此分析研究不同街谷寬度之 街廓設計規畫，其風場風環境特性變化。 除了實驗量測風速風場變化外，本研究也配合數值模擬(計算流體力學 CFD) 方式，進行街廓風場計算。CFD 採用目前通用之 FLUENT 商用軟體為架構基礎， 模式中紊流部分則採用 Tominaga 等人[23]建議之 AIJ 準則，處理紊流動能以及 紊流能量消散問題。

3-2-1 風洞實驗量測

(1) 街廓風場分佈(街谷寬度 S=H，H 為建築物高度) 圖 3-4 顯示在街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，往下游處各 建築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。此處 UH為上游高度 H 處之風 速。沿此軸線，建築物與街谷交錯出現，故圖中結果顯示在各街谷處 (XH=2.5，4.5，7)建築高度以下(Z/H<1)，平均風速相較於迫近流平均風速 (X/H=0)均明顯降低。但隨著 X/H 增加，各下游處平均風速剖面差異則不顯 著。 圖 3-5 顯示在街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=1)，往下游處 街街道街谷之平均風速分佈剖面變化。由於沿此軸線各下游處均為街道街

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 U/U_H 0 1 2 3 4 Z/H S/H=1 Y/H=0 X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-4 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)下游距離之平均風速剖面變

化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 U/U_H 0 1 2 3 4 Z/H S/H=1 Y/H=1 X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-5 沿著街道中心軸線(Y/H=1)下游距離之平均風速剖面變

化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-6 所示為在街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=2)，往下游處各建 築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。沿此軸線，建築物與街谷交錯出現， 故圖中結果顯示在各街谷處(XH=2.5，4.5，7)建築高度以下(Z/H<1)，平均風速 相較於迫近流平均風速(X/H=0)均明顯降低。

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 U/U_H 0 1 2 3 4 Z/H S/H=1 Y/H=2 X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-6 沿著街廓中心軸線(Y/H=2)下游距離之平均風速剖面

變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

將整個 3X3 街廓在不同高度 Z/H=0.5 ，1，1.5，與 2.5 之等值風速分佈繪出， 分別示如圖 3-7~圖 3-10。由平均風速等值圖分佈顯示在街廓高度 Z/H≤1(H 為建 築物高度)，亦即左右街谷沿風向下游，風場變化呈現渠化流現象(channel effect)。在街廓各排建築物前方，由於建築物阻擋效應，使該區風速均較左右 兩側之街谷風速為小。隨高度增加，在建築物高度 Z/H>1 以上，整體街廓風速分 佈係隨下游風向，風速遞減。

wind

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 2 3 4 5 6 0.85 _0.85 1 1 0.7 0.7 0.2₅ 0.4 _0.25 - - - - -1 1

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 2 3 4 5 6 7

wind

0.9 1.05 _1.05 1.05 1.05 1.2 _1.2 0.6 0.75 0.6 0.75 - - - -

-wind

- - - - --2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 2 3 4 5 6 1.46 1.46 1.31 1.31

wind

- - - - --2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 2 3 4 5 6 7

處 Z/H>1，街廓右側街谷(Y/H=-1)之平均風速值相對高於同一下游位置街廓左側 街谷(Y/H=1)。 -2. 5 -2 -1 .5 -1 -0. 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Y/ H 1 1.5 2 2. 5 3 3.5 4 4. 5 5 5. 5 6 6.5 7 X/H -wind 0.81

-2 .5 -2 -1. 5 -1 -0_.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Y/H 1 1.5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 5. 5 6 6. 5 7 X/H -wind 1 .0₁

圖 3-12 街廓高度 Z/H=1 處之風速(U/U

H

)等值分佈圖；S=H，風向

角為 45

o

資料來源: 本計畫實驗數據整理

-2 .5 -2 -1. 5 -1 -0_.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Y/H 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5 5. 5 6 6. 5 7 X/H -wind 1.03

圖 3-13 街廓高度 Z/H=1.5 處之風速(U/U

H

)等值分佈圖；S=H，風

向角為 45

o

資料來源: 本計畫實驗數據整理

-2. 5 -2 -1 .5 -1 -0. 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Y/ H 1 1.5 2 2. 5 3 3.5 4 4. 5 5 5. 5 6 6.5 7 X/H -wind

圖 3-14 街廓高度 Z/H=2.5 處之風速(U/U

H

)等值分佈圖；S=H，風

向角為 45

o

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 10 20 30 40 I_U (%) 0 1 2 3 4 Z/H S/H=1 Y/H=0 X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-15 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游之主流向紊流強度

剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.16 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=1)，往下游之主流向紊流強度 剖面變化。該圖結果顯示沿此軸線各下游處均為街道街谷，但越往下游氣流 受鄰近建築物影響干擾，使得風場越顯得紊亂，故紊流強度均較迫近流紊流

0 10 20 30 40 I_U (%) 0 1 2 3 4 Z/H S/H=1 Y/H=1 X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-16 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游之主流向紊流強度

剖面變化 S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.17 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=2)，往下游之主流向紊流強度剖 面變化。由於沿著該軸線，建築物與街谷相互接續，因此造成風場氣流紊亂， 影響所及，由該圖實驗量測結果顯示各下游街廓之紊流強度明顯相較迫近流 場之紊流強度增大。

0 10 20 30 40 I_U (%) 0 1 2 3 4 Z/H X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.5 X/H=3.5 X/H=4.5 X/H=5.5 X/H=7

圖 3-17 沿著街廓中心軸線(Y/H=2)往下游之主流向紊流強度

剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

(2) 街廓風場分佈(街谷寬度 S=0.5H，H 為建築物高度) 圖 3-18 顯示在街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，往下游 處各建築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。沿此軸線，建築物與街谷 交錯出現，故圖中結果顯示在各街谷處(XH=2.25，3.75，5.5)建築高度以下 (Z/H<1)，平均風速相較於迫近流平均風速(X/H=0)均明顯降低。但隨著 X/H

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 U/U_H 0 1 2 3 4 Z/H

S/H=0.5 Y/H=0

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-18 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之建築物上方

及各街谷之平均風速剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-19 顯示在街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)，往下 游處街街道街谷之平均風速分佈剖面變化。由於沿此軸線各下游處均為街道 街谷，雖無建築物，但街谷寬度變窄，因此沿著下游鄰近建築物影響明顯呈 現。故其平均風速剖面變化與迫近流場有明顯差異。特別在 X/H=1.5 街谷

0.4 0.8 1.2 1.6 2 U/U_H 0 1 2 3 4 Z/H

S/H=0.5 Y/H=0.75

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-19 沿著街道中心軸線(Y/H=0.75)往下游處之平均風速

剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-20 所示為在街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)，往 下游處各建築物上方及街道之平均風速分佈剖面變化。沿此軸線，建築物與 街谷交錯出現，故圖中結果顯示在各街谷處(XH=2.25，3.75，5.5)建築高度 以下(Z/H<1)，平均風速相較於迫近流平均風速(X/H=0)均明顯降低。

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 U/U_H 0 1 2 3 4 Z/H

S/H=0.5 Y/H=1.5

X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-20 街廓中心軸線(Y/H=1.5)往下游距離之建築物上方及

各街谷之平均風速剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.21 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，往下游之主流向紊流強度 剖面變化。由於沿著該軸線，建築物與街谷相互接續，因此造成風場氣流紊 亂，影響所及，由該圖實驗量測結果顯示在 Z/H<2 以下範圍，各下游街廓之 紊流強度明顯相較迫近流場之紊流強度增大。

0 10 20 30 40 I_U (%) 0 1 2 3 4 Z/H X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-21 街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之主流向紊流強度

剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.22 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)，往下游之主流向紊流強 度剖面變化。該圖結果顯示沿此軸線各下游處均為街道街谷，但越往下游氣 流受鄰近建築物影響干擾，使得風場越顯得紊亂，故紊流強度均較迫近流紊 流強度大。

0 10 20 30 40 I_U (%) 0 1 2 3 4 Z/H S/H=0.5 Y/H=0.75 X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-22 街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離之主流向紊流強

度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3.23 所示為沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)，往下游之主流向紊流 強度剖面變化。由於沿著該軸線，建築物與街谷相互接續，因此造成風場氣 流紊亂，影響所及，由該圖實驗量測結果顯示各下游街廓之紊流強度明顯相 較迫近流場之紊流強度增大。

0 10 20 30 40 50 I_U (%) 0 1 2 3 4 Z/H X/H=0 X/H=1.5 X/H=2.25 X/H=3 X/H=3.75 X/H=4.5 X/H=5.5

圖 3-23 街廓中心軸線(Y/H=1.5)往下游距離之主流向紊流強

度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

3-2-2 數值模擬風場以及街地風環境

近年來由於軟硬體的進步，電子計算機計算與資料處理速度大幅提升，利用 數值方法在計算機中對流體力學的控制方程式進行求解，從而模擬流場的變化， 使計算流體力學（computational fluid dynamics，簡稱 CFD）成為現今流體力學領 域的重要技術。目前在建築風工程領域 CFD 方法已經得到廣泛的應用，市面上

進行流固耦合運算。

FLUENT 以有限體積法(finite-volume method)為架構所建構出來的計算流體動 力學程式，以求解連續方程式與動量方程式。目前以數值模擬求解 Navier-Stokes equation 時，常見被實際工程應用使用者有：紊流模式之 Reynolds Averaged Navier-Stokes equation (RANS)、以及解非恆定流場之 LES 紊流模式。本研究進行 數值模擬計算兩種方法都使用。 在進行數值計算時，需選定適當的計算域，以確保計算結果的穩定及精度， 並提升計算效率。本研究之計算域在垂直向(Z)採用 5H，建築群 2 側(Y 方向)各 為 4.5H，上游及下游分別為 3H 及 15H，相關設定如見圖 3-24。 在格網設計部分，為求計算精確度以及效率之平衡，網格分佈在接近建築及 地表處較為細密，最小網格為 0.05H，於街谷及建築表面採用均勻分布，1 個 H 距離採用 20 條。網格距離由加密區往外圍逐漸增大，其網格伸展率為 1.5。 x/H y/ H -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -6 -4 -2 0 2 4 6 z/ H 3 4 5 6 7

計算之迫近流條件則採用第一節實驗量測之迫近流場平均速度剖面以及紊 流強度剖面。而計算方程組之閉合問題，其中紊流動能(turbulent kinetic energy)與 紊流能量消散率(turbulent energy dissipation)，分別參考 Tominaga 等人[23]依據 AIJ 建議準則而選用如下： 2 2 2 2 2 )) ( ) ( ( ) ( 2 ) ( ) ( ) ( ) (z z z z z I zU z k =σu +σv +σw ≅σ_u = _(3-2) dz z dU z k C dz z dU w u z P z k ) ( ) ( ) ( ' ' ) ( ) ( 1μ/2 ε ≅ ≅− ≅ (3-3) 其中C_μ為常數，建議值為 0.09。 (1) 街廓間距(S/H=1) 平均風速數值模擬計算 RANS 與 LES 兩種方法結果均分別與實驗結果比 較，參見圖 3-25~圖 3-27。數值模擬平均風速在各下游斷面結果與實驗大致符合。 -1 0 1 x/H=2.5 -1 0 1 x/H=5.5 -1 0 1 x/H=4.5 -1 0 1 x/H=3.5 z/H -1 0 1 0 2 4 6 x/H=0 -1 0 1 x/H=6.5 -1 0 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES

-1 0 1 x/H=2.5 -1 0 1 x/H=5.5 -1 0 1 x/H=4.5 z/H -1 0 1 0 2 4 6 x/H=0 -1 0 1 x/H=6.5 -1 0 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES U/U_H -1 0 1 x/H=3.5

圖 3-26 平均風速比較(y/H=1) , S/H=1

資料來源: 本計畫實驗數據整理

-1 0 1 x/H=2.5 -1 0 1 x/H=5.5 -1 0 1 x/H=4.5 U/U_H -1 0 1 x/H=3.5 z/ H -1 0 1 0 2 4 6 x/H=0 -1 0 1 x/H=6.5 -1 0 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES

圖 3-27 平均風速比較(y/H=2) , S/H=1

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 0.5 1 x/H=2.5 0 0.5 1 x/H=5.5 I_u 0 0.5 1 x/H=3.5 z/ H 0 0.5 1 0 2 4 x/H=0 0 0.5 1 x/H=6.5 0 0.5 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES 0 0.5 1 x/H=4.5

圖 3-28 紊流強度比較(y/H=0), S/H=1

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 0.5 1 x/H=2.5 0 0.5 1 x/H=5.5 Iu 0 0.5 1 x/H=3.5 z/ H 0 0.5 1 0 2 4 6 x/H=0 0 0.5 1 x/H=6.5 0 0.5 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES 0 0.5 1 x/H=4.5

圖 3-29 紊流強度比較(y/H=1),SH=1

0 0.5 1 x/H=2.5 0 0.5 1 x/H=5.5 I_u 0 0.5 1 x/H=3.5 z/ H 0 0.5 1 0 2 4 6 x/H=0 0 0.5 1 x/H=6.5 0 0.5 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES 0 0.5 1 x/H=4.5

圖 3-30 紊流強度比較(y/H=2),S/H=1

資料來源: 本計畫實驗數據整理

(2) 街廓間距(S/H=0.5) 平均風速數值模擬計算 RANS 與 LES 兩種方法結果均分別與實驗結果比 較，參見圖 3-31~圖 3-33。數值模擬平均風速在各下游斷面結果與實驗大致符合。 x/H=2.25 x/H=3 x/H=3.75 x/H=4.5 z/ H 2 4 6 x/H=0 x/H=1.5 x/H=5.5 Experimental RANS LES

-1 0 1 x/H=2.25 -1 0 1 x/H=4.5 -1 0 1 x/H3.75 z/ H -1 0 1 0 2 4 x/H=0 -1 0 1 x/H=5.5 -1 0 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES U/U_H -1 0 1 x/H=3

圖 3-32 平均風速比較(y/H=0.75),S/H=0.5

資料來源: 本計畫實驗數據整理

-1 0 1 x/H=2.25 -1 0 1 x/H=4.5 -1 0 1 x/H=3.75 U/U_H -1 0 1 x/H=3 z/ H -1 0 1 0 2 4 6 x/H=0 -1 0 1 x/H=5.5 -1 0 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES

較，參見圖 3-34~圖 3-36。數值模擬紊流強度在各下游斷面結果與實驗大致符合。 0 0.5 1 x/H=2.25 0 0.5 1 x/H=4.5 z/ H 0 0.5 1 0 2 4 6 x/H=0 0 0.5 1 x/H=5.5 0 0.5 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES 0 0.5 1 x/H=3.75 I_u 0 0.5 1 x/H=3

圖 3-34 紊流強度比較(y/H=0),S/H=0.5

資料來源: 本計畫實驗數據整理

x/H=2.25 x/H=3 x/H=4.5 z/ H 2 4 6 x/H=0 x/H=1.5 x/H=5.5 Experimental RANS LES x/H=3.75

0 0.5 1 x/H=2.25 0 0.5 1 x/H=4.5 I_u 0 0.5 1 x/H=3 z/ H 0 0.5 1 0 2 4 x/H=0 0 0.5 1 x/H=5.5 0 0.5 1 x/H=1.5 Experimental RANS LES 0 0.5 1 x/H=3.75

圖 3-36 紊流強度比較(y/H=1.5),S/H=0.5

資料來源: 本計畫實驗數據整理

(3) 街地風環境模擬  街廓中街地風環境探討，主要係以行人風之風速特性為主要標的，包括平均 風速以及紊流強度。在街廓中建築物以不同間距 S/H=1 與 S/H=0.5 規則排列，亦 即街廓建築物排列較稀疏與較密集兩種狀況，街地風環境分佈變化，以前述發展 之數值方式進行模擬，獲致以下結果。 圖 3-37 為在街廓建築物間距 S/H=1 時，街地風環境平均風速之等值分佈。 結果顯示街廓各建築前方處因下切氣流效應，因此相對風速均變小。另外風沿著 街廓左側(Y/H=1)與右側(Y/H=-1)之街谷，呈現渠化現象，以類似射流方式沿街 谷下游方向吹出，而平均風速大小沿街谷下游逐漸降低。街廓中各排建築物後方

x/H y/ H -2 0 2 4 6 8 10 -4 -2 0 2 4 U/U_H: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

圖 3-37 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，平均風速之等值分佈；

S/H=1

資料來源: 本計畫實驗數據整理

街廓建築物間距 S/H=1 時，街地風環境紊流強度之等值分佈數值模擬計算結 果示如圖 3-38。結果顯示在街廓第一排建築物前方迎風面處之紊流強度相對為 最大，而在後方第二排與第三排建築物迎風面處之紊流強度相對一排建築物前方 迎風面處之紊流強度係呈現降低現象。

x/H y/ H -2 0 2 4 6 8 10 -4 -2 0 2 rms: 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

圖 3-38 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，紊流強度之等值分佈；

S/H=1

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-39 為在街廓建築物間距 S/H=0.5 時，街地風環境平均風速之等值分佈。 與建築物間距 S/H=1 時之結果類似，街廓各建築前方處因下切氣流效應，因此相 對風速均變小。另外風沿著街廓左側(Y/H=1)與右側(Y/H=-1)之街谷，呈現渠化 現象，並以類似射流方式沿街谷下游方向吹出，而平均風速大小沿街谷下游逐漸 降低。相較建築物間距 S/H=1 時之結果，由於間距變小，亦即街道寬度變窄，渠 化現象在街谷風場之射流現象更為顯著。街廓中各排建築物後方因屏蔽效應 (shelter effect)出現之風影區(wind shadow region)，相較於建築物間距 S/H=1 時(亦即街道變寬時)，本案例街道變窄，因此其風影區亦隨之縮小。

x/H y/ H -2 0 2 4 6 8 10 -4 -2 0 2 4 U/U_H: 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

圖 3-39 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，平均風速之等值分佈；

S/H=0.5

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-40 所顯示為街廓建築物間距 S/H=0.5 時，街地風環境紊流強度之等值 分佈數值模擬計算結果。結果顯示在街廓第一排建築物前方迎風面處之紊流強度 相對為最大，而在後方第二排與第三排建築物迎風面處之紊流強度相對一排建築 物前方迎風面處之紊流強度係呈現降低現象。與建築物間距 S/H=1 時之結果比 較，由於間距變小，亦即街道寬度變窄，特別在街廓中各排建築物後方街道區域， 因前方建築物干擾風場氣流等影響效應，使得相較於建築物間距 S/H=1 時，亦即 街道變窄時，該等街道區域之風場紊流強度增加。

x/H y/ H -2 0 2 4 6 8 10 -4 -2 0 2 rms: 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

圖 3-40 3X3 街廓之街地風環境數值模擬，紊流強度之等值分佈；

S/H=0.5

資料來源: 本計畫實驗數據整理

第三節 街廓濃度擴散特性

都市地形之大氣邊界層通過建築物群以橫列縱列各三組 3 X 3 構成之街廓， 而污染排放源位於第一排建築物模型前方 H 距離處(H 為建築物高度)，以連續排 放氣懸性追蹤氣體，而排放源高度分別與建築物同高(H)。在前述條件下進行量 測分析街廓建築物週圍環境污染擴散之濃度分佈情形。實驗量測主要依據前章所 建置之實驗系統與技術以及實驗佈置，據以量測平均濃度場，並分析相關擴散特 性。排放源出口高度平均風速 U=4.3m/s，排放源之排放流量(discahrge flow rate)Q=5.942×10-5 (kg/s)，排放源口徑 D=0.0042m，排放源高度 H=0.3m。 實驗中所量測到平均濃度值 C，將採用排放源初始濃度 C 為參考濃度

散尺度

σ

_y，該擴散尺度代表污染在該水平方向之擴散範圍尺度大小。 ∫ ∫ ∞ ∞ − ∞ ∞ −

−

=

Cdy

Cdy

y

y

c y 2 2

(

)

σ

(3-4) 上式中

y

_c依下式計算獲得： ∫ ∫ ∞ ∞ − ∞ ∞ −

=

Cdy

yCdy

y

c (3-5) (1) 街谷寬度 S=H(H 為建築物高度)之濃度分佈特性 圖 3-41 為街谷寬度 S=H，在高度 Z/H=0.5，沿街廓中心線(Y/H=0)時下 游各街谷(X/H=2.5，4.5，7)之水平方向濃度剖面變化關係。在各街谷處水 平向濃度分佈呈現近似高斯分佈(Gaussian distribution)。 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − 2 0 2 1 exp ~ y c y y C C σ (3-6)

圖 3-41 在高度 Z/H=0.5，沿下游距離之各街谷之水平向濃度

剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

將各街谷之濃度剖面進行統計分析，求得水平擴散尺度。圖 3-42 所顯 示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，往下游距離之各街谷之水平 擴散尺度 sigma(y)變化。該圖結果呈現在沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，由第一個街谷(X/H=2.5)至第二個街谷(X/H=4.5)，水平擴散尺度 增加；再往下游第三個街谷(X/H=7)，水平擴散尺度則幾乎不增加。亦即在 第二街谷處污染擴散範圍最大。

圖 3-42 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)，在高度 Z/H=0.5，往下

游距離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-43 為在高度 Z/H=0.5，沿下游在街廓之等濃度分佈變化。沿著 Y/H=-1.5 與 1.5 處各街谷呈現較高濃度聚集現象。

等值濃度分佈變化示如圖 3-44。沿著 Y/H=-2 處第一排建築物後方，該區街道呈 現較高濃度聚集現象。 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Y_/H 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.₅ 6 6.5 7 X/ H -wind 0 .1 5

圖 3-44 在高度 Z/H=0.5，沿下游之街廓等值濃度分佈變化；

S=H，，風向角為 45

o

向濃度分佈呈現近似高斯分佈(Gaussian distribution)。

圖 3-45 在高度 Z/H=1，沿下游距離之各街谷之水平向濃度剖

面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-46 所顯示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=1，往下游距離 之各街谷之水平擴散尺度 sigma(y)變化。該圖結果呈現在沿著街廓中心軸線 (Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，由第一個街谷(X/H=2.5)至第二個街谷(X/H=4.5)， 水平擴散尺度稍稍增加；再往下游第三個街谷(X/H=7)，水平擴散尺度則略 降低。亦即在第一街谷與第二街谷處污染擴散範圍較大。

圖 3-46 沿著街廓中心軸線(Y/H=0) 在高度 Z/H=1，往下游距

離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-47 為在高度 Z/H=1，沿下游在街廓之等濃度分佈變化。濃度分佈顯 示沿街廓中心軸線，濃度往下游逐漸擴散。在此建築物高度處 Z/H=1，等濃 度值 C/C0=0.25 範圍涵括三棟建築與兩個街谷。

當迫近流場風向與街廓交角改變為 45O 時，圖 3-48 顯示在高度 Z/H=1，沿街 廓下游之等值濃度分佈變化。沿著街廓左側(Y/H=1)處街谷，在第二排建築物之 間街道，該區街道呈現較高濃度聚集現象。 -wind 0.12 0 .1 4 4 0.12 0.1₂

圖 3-48 在高度 Z/H=1，沿下游之街廓等值濃度分佈變化；

0 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 S/H=1_{X/H=0.5,Y/H=0} X/H=2.5,Y/H=0 X/H=4.5,Y/H=0 X/H=7,Y/H=0

Z/H

C/C

0

圖 3-49 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-50 為街谷寬度 S=H，沿街廓中心線(Y/H=1)下游，在各街谷處之垂 直向濃度剖面變化關係。結果顯示沿下游距離增加，垂直剖面之濃度逐漸減 小。亦即隨下游距離增加，濃度逐漸擴散。

0 0.23 0.24 0.25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 S/H=1_{X/H=2.5,Y/H=1} X/H=4.5,Y/H=1 X/H=7,Y/H=1

Z/H

C/C

0

圖 3-50 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游距離之各街谷之

垂直向濃度剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-51 為街谷寬度 S=H，沿街廓中心線(Y/H=2)下游，在街谷 X/H=4.5 處之垂直向濃度剖面變化關係。垂直剖面之濃度結果顯示濃度充分擴散，垂 直各處差異不大。

0 0.23 0.235 0.24 0 0.5 1 1.5 2 X/H=4.5,Y/H=2 Z/H C/C0

圖 3-51 沿著街廓中心軸線(Y/H=2)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-52 為街谷寬度 S=H，沿街廓中心線(Y/H=0)各下游，在不同高度處 濃度變化關係。結果顯示沿下游距離增加，濃度逐漸減小。亦即隨下游距離增加， 濃度逐漸擴散。 圖 3-53 為街谷寬度 S=H，沿街廓中心線(Y/H=1)各下游，在不同高度處 濃度變化關係。由於該軸線係街道街谷，結果顯示沿下游距離增加，濃度逐漸增。 亦即隨下游距離增加，受臨近建築物氣流影響，使得濃度逐漸增加。

0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.2 0.3 0.4 0.5 S/H=1,Y/H=0 Z/H=0.5 Z/H=1 Z/H=1.8 X/H C/C0

圖 3-52 在不同高度情況下，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下

游距離之濃度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.22 0.23 0.24 0.25 S/H=1,Y/H=1 Z/H=0.5 Z/H=1 Z/H=1.8 C/C0

圖 3-54 為街谷寬度 S=H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離各斷面 之最大濃度變化關係。結果顯示各斷面最大濃度係隨下游距離增加而下降。 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 _S/H=1,Y/H=0 Cmax/C0 X/H Cmax/C0

圖 3-54 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離各斷面之最大

濃度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-55 為街谷寬度 S=H，H 為建築物高度時，沿著街廓中心軸線(Y/H=1) 往下游距離各斷面之最大濃度變化關係。由於該軸線係街道街谷，結果顯示沿下 游距離增加，濃度逐漸增。亦即隨下游距離增加，受臨近建築物氣流影響，使得 濃度逐漸增加。

0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.23 0.24 0.25 S/H=1,Y/H=1 Cmax/C0 X/H Cmax/C0

圖 3-55 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游距離各斷面之最大

濃度變化；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-56 為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離垂直向等濃度分佈變 化圖。結果顯示在 Y/H=0 街廓中心軸線，濃度在第一街谷出現聚集現象。 0.5 1 1.5 2 2.5 Z/H

當迫近流場風向與街廓交角改變為 45O 時，圖 3- 57 顯示在 3X3 街廓中心 (Y/H=0)，沿街廓下游(X/H)垂直向之等值濃度分佈變化。結果呈現沿著街廓下游 (X/H)，在第一排與第二排建築物之間之建築物高度以下(Z/H<1)街道，該區街道 呈現相對較高濃度聚集現象。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 X/H 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Z/H

圖 3-57 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離等濃度分佈

變化圖；S=H，風向角為 45

o

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-58 為沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游距離垂直向等濃度分佈變 化圖。由於該軸線為街道街谷，並無建築物阻隔，因此結果呈現污染濃度一直持 續往下游方向擴展延散現象。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 X/H 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Z/H

圖 3-58 沿著街廓中心軸線(Y/H=1)往下游距離等濃度分佈

變化圖；S=H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

當迫近流場風向與街廓交角改變為 45O 時，圖 3-59 顯示在 3X3 街廓左側 (Y/H=1)街谷，沿街廓之街谷下游(X/H)垂直向之等值濃度分佈變化。濃度量測結 果呈現沿著街廓下游(X/H)，在第二排建築物與第二排及第三排建築物間街谷之 建築物高度以下(Z/H<1)街谷，該區街谷呈現相對較高濃度聚集現象。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Z/H

圖 3-60 為街谷寬度 S=0.5H，在高度 Z/H=0.5，沿街廓中心線(Y/H=0)時 下游各街谷(X/H=2.5，4.5，7)之水平方向濃度剖面變化關係。在各街谷處 水平向濃度分佈呈現近似高斯分佈(Gaussian distribution)。

圖 3-60 在高度 Z/H=0.5，沿下游距離之各街谷之水平向濃度

剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

將各街谷之濃度剖面進行統計分析，求得水平擴散尺度。圖 3-61 所顯 示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=0.5，往下游距離之各街谷之水平 擴散尺度 sigma(y)變化。該圖結果呈現在沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度

圖 3-61 沿著街廓中心軸線(Y/H=0) 在高度 Z/H=0.5，往下游

距離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-62 為在高度 Z/H=0.5，沿下游街廓之等濃度分佈變化。在沿著 Y/H=-0.75 與 0.75 處各街谷呈現濃度聚集現象。

圖 3-63 為街谷寬度 S=0.5H，在高度 Z/H=1，沿街廓中心線(Y/H=0)時下 游各街谷水平方向濃度剖面變化關係。結果顯示在各街谷之水平方向濃度剖 面近似高斯分佈(Gaussian distribution)。

圖 3-63 在高度 Z/H=1，沿下游距離之各街谷之水平向濃度剖

面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-64 所顯示為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)在高度 Z/H=1，往下游距離 之各街谷之水平擴散尺度 sigma(y)變化。該圖結果呈現在沿著街廓中心軸線 (Y/H=0)在高度 Z/H=1，由第一個街谷(X/H=2.25)至第二個街谷(X/H=3.75)， 水平擴散尺度無明顯變化；再往下游第三個街谷(X/H=6)，水平擴散尺度則

圖 3-64 沿著街廓中心軸線(Y/H=0) 在高度 Z/H=1，往下游距

離之各街谷之水平擴散尺度變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-65 為在高度 Z/H=1，沿下游在街廓之等濃度分佈變化。濃度分佈 顯示沿街廓中心軸線，濃度往下游逐漸擴散。在此建築物高度處 Z/H=1，等濃度 值 C/C0=0.25 範圍涵括三棟建築與兩個街谷。

之垂直向濃度剖面變化關係。結果顯示沿下游距離增加，垂直剖面之濃度逐漸減 小。亦即隨下游距離增加，濃度逐漸往垂直方向擴散。 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 S/H=0.5_{X/H=0.5,Y/H=0} X/H=2.25,Y/H=0 X/H=3.75,Y/H=0 X/H=6,Y/H=0 Z/H C/C0

圖 3-66 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離之各街谷之垂

直向濃度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-67 為街谷寬度 S=0.5H，沿街廓中心線(Y/H=1)下游，在各街谷 處(X/H=2.25，3.75，6)之垂直向濃度剖面變化關係。結果顯示沿下游距離 增加，垂直剖面之濃度逐漸減小。亦即隨下游距離增加，濃度逐漸擴散。

0 0.23 0.24 0.25 0 0.5 1 1.5 2 2.5 S/H=0.5 X/H=2.25,Y/H=0.75 X/H=3.75,Y/H=0.75 X/H=6,Y/H=0.75 Z/H C/C0

圖 3-67 沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離之各街谷

之垂直向濃度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-68 為街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)在下游距 離 X/H=3.75 處街谷之垂直向濃度剖面變化。垂直剖面之濃度結果顯示濃度 充分擴散，垂直各處濃度值差異不大。 圖 3-69 為街谷寬度 S=0.5H，沿街廓中心線(Y/H=0)各下游，在不同 高度處(Z/H=0.5，1，1.8)濃度變化關係。結果顯示沿下游距離增加，濃度逐漸 減小。亦即隨下游距離增加，逐漸擴散濃度值降低。

0 0.23 0.235 0.24 0 0.5 1 1.5 2 Z/H C/C0

圖 3-68 沿著街廓中心軸線(Y/H=1.5)在下游距離 X/H=3.75 處

街谷之垂直向濃度剖面變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 1 2 3 4 5 6 0 0.2 0.3 0.4 0.5 S/H=0.5,Y/H=0 Z/H=0.5 Z/H=1 Z/H=1.8 X/H C/C0

圖 3-70 為街谷寬度 S=0.5H，沿街廓中心線(Y/H=0.75)各下游，在不同高度 處濃度變化關係。由於該軸線係街道街谷，結果顯示沿下游距離增加，濃度逐漸 增。亦即隨下游距離增加，受臨近建築物氣流影響，使得濃度逐漸增加。 0 1 2 3 4 5 6 0 0.22 0.23 0.24 0.25 S/H=0.5,Y/H=0.75 Z/H=0.5 Z/H=1 Z/H=1.8 X/H C/C0

圖 3-70 在不同高度情況下，沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往

下游距離之濃度變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-71 為街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離各斷面 之最大濃度變化關係。結果顯示各斷面最大濃度係隨下游距離增加而下降。 圖 3-72 為街谷寬度 S=0.5H，沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離各斷

0 1 2 3 4 5 6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 X/H Cmax/C0

圖 3-71 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離各斷面之最大

濃度變化；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

0 1 2 3 4 5 6 0 0.23 0.24 0.25 S/H=0.5,Y/H=0.75 Cmax/C0 X/H Cmax/C0

圖 3-72 沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離各斷面之最

圖 3-73 為沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離垂直向等濃度分佈變 化圖。結果顯示在 Y/H=0 街廓中心軸線，濃度在第一街谷出現聚集現象。 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Z/H X/H

圖 3-73 沿著街廓中心軸線(Y/H=0)往下游距離等濃度分佈變

化圖；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

圖 3-74 為沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離垂直向等濃度分佈 變化圖。由於該軸線為街道街谷，並無建築物阻隔，因此結果呈現污染濃度一直 持續往下游方向擴展延散現象。

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 X/H 0 0.5 1 1.5 2 Z/H

圖 3-74 沿著街廓中心軸線(Y/H=0.75)往下游距離等濃度分佈

變化圖；S=0.5H

資料來源: 本計畫實驗數據整理

第四章 結論與建議

第一節 結論

研究依照原計畫規劃研究工作項目之進度逐一完成，實驗與數值模擬結果與 效益綜述如下： (1)風洞如 3-1 節所述之適切佈放設置，可模擬獲得都市地形之中性大氣紊流邊 界層，做為迫近流場，結果包括：(A)迫近流場平均風速剖面、(B)迫近流場 紊流強度剖面，此為相關都市地形風場實驗以及數值模擬之必要數據資料。 (2)街廓在高度 Z/H≤1(H 為建築物高度)，左右街谷沿風向下游，風場變化呈現 渠化流現象。在街廓各排建築物前方，由於建築物阻擋效應，使該區風速均 較左右兩側之街谷風速為小。隨高度增加，在建築物高度 Z/H>1 以上，渠化 現象變得不顯著。 (3)當街廓設計街道間距變小(S/H=1 降為 S/H=0.5)，街廓間之街谷渠化現象效應 呈現更為顯著。 (4)街地風環境數值模擬結果顯示在街廓各建築前方處因下切氣流效應，因此相 對風速均變小。另外風沿著街廓左側(Y/H=1)與右側(Y/H=-1)之街谷，呈現渠 化現象，以類似射流方式沿街谷下游方向吹拂。在街廓中各排建築物後方明 顯呈現出風影區，亦即街廓中建築物具有屏蔽效應。 (5) 街 地 風 環 境 數 值 模 擬 結 果 顯 示 街 廓 設 計 街 道 間 距 變 小 (S/H=1 降 為 S/H=0.5)，亦即街道寬度變窄，在街谷風場之渠化現象更為顯著。街廓中各

築物間之街道較低處(Z/H<0.5)，聚集之污染濃度值相對地會降低。

第二節 建議

研究計畫在進行風洞實驗工作實務時，遭逢一些問題，雖已暫時克服，但建 議實驗室將來可針對風洞部分設施調整之改進如下，以利爾後執行相關風洞擴散 實驗更為便利與順暢。 建議一 增設污染源排放口及量測點增加資料量：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：全國建築師聯合會、風工程學會 目前建築研究所風洞實驗段內部地表面之污染源設置位置只預留一 處，對於未來若進行不同污染排放源位置，將無可調整改變之彈性。為了 使得未來風洞實驗室得以進行更為廣泛相關污染擴散實驗研究，建議日後 於風洞實驗段內部地表面可改良之，並預設多處污染排放源位置，用以因 應不同排放佈置之實驗條件之研究案。 量測街廓濃度擴散時，須量建築物諸多周圍測點，因此風洞試驗段內空 間移行系統(亦即天車)，須考慮配合採樣管排系統之支架聯結，建議可考 慮增加天車在擴散管排支架聯結方面設計，將可使濃度量測更為彈性便利。 建議二

果，並將其更多元排列組合數據資料歸納分析，如資料量達到相當程度，建議可 納入相關規範參考。

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