集合住宅外部環境風場與室內自然通風互制效應分析研究

集 合 住 宅 外 部 環 境 風 場 與

室 內 自 然 通 風 互 制 效 應 分 析

研 究

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國 106 年 12 月

PG10603-0415

集 合 住 宅 外 部 環 境 風 場 與

室 內 自 然 通 風 互 制 效 應 分 析

研 究

研究主持人 ： 郭建源

研 究 期 程 ： 中華民國 106 年 1 月至 106 年 12 月

內 政 部 建 築 研 究 所 自 行 研 究 報 告

中華民國

106 年 12 月

目次

圖次

... III

 

表次

... VII

 

摘

要 ... IX

 

ABSTRACT ... XII

 

第一章

緒 論 ... 1

 

第一節

研究背景

... 1

 

第二節

研究緣起與目的

... 1

 

第三節

研究內容與方法

... 2

 

第二章

文獻與理論背景分析 ... 4

 

第一節

地表風場特性

... 4

 

第二節

建築物週遭氣流特性

... 7

 

第三節

文獻回顧

... 10

 

第三章

風洞試驗 ... 31

 

第一節

試驗規劃

... 31

 

第二節

試驗儀器設備

... 36

 

第四章

外部風壓與室內通風分析 ... 40

 

第一節

建築物開口部風壓分析

... 40

 

第二節

T

AIVENT

通風量計算

... 53

 

第五章

結論與建議 ... 67

 

第一節

結

論

... 67

 

第二節

建

議

... 68

 

附錄一

期中報告審查意見回應 ... 69

 

附錄二

期末報告審查意見回應 ... 81

 

參考書目

... 95

 

圖 次

圖

1-1 研究流程 ... 3

 

圖

2-1

不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖

... 6

 

圖

2-2

渦漩與建築物尾

(W

AKE

)流示意圖 ... 7

 

圖

2-3 穿堂風示意圖 ... 7

 

圖

2-4 角隅強風示意圖 ... 8

 

圖

2-5 效應與金字塔效應示意圖 ... 8

 

圖

2-6 縮流效應與渠化效應示意圖 ... 9

 

圖

2-7 建築物週遭流場 ... 10

 

圖

2-8

風攻角垂直都市街谷之風場特性

... 12

 

圖

2-9

風攻角平行都市街谷之風場特性

... 12

 

圖

2-10 建築物配置型式 ... 14

 

圖

2-11 高層建築物附近風場分佈圖 ... 15

 

圖

2-12

風攻角

Θ

=0°不同街廓間距中心線無因次地表風速曲線比

較圖

... 17

 

圖

2-13

S=1.75D，

Θ

=-22.5 度之無因次地表風速等值分佈 ... 18

 

圖

2-14

S=1.75D，

Θ

=-45 度之無因次地表風速等值分佈 ... 18

 

圖

2-15

不同間距之無因次化風速等值圖

... 21

 

圖

2-16

主建築物通道寬度

(

A

)、高度(

B

)與無因次化平均風速關係

曲線

... 22

 

圖

3-1 試驗情境 ... 31

 

圖

3-2

風洞試驗變數與模型圖

... 32

 

圖

3-3

風洞試驗配置與地況模擬

... 32

 

圖

3-4

風洞試驗壓力孔位配置圖

... 33

 

圖

3-5

B 地況平均風速剖面 ... 34

 

圖

3-6

風洞試驗配置示意圖

... 35

 

圖

3-7 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 ... 37

 

圖

3-8 多頻道電子式壓力掃瞄器 ... 39

 

圖

4-1

CASE

A

風攻角

0 度時無因次風壓剖面 ... 43

 

圖

4-2

CASE

A

風攻角

45 度時無因次風壓剖面 ... 43

 

圖

4-3

CASE

A

風攻角

90 度時無因次風壓剖面 ... 43

 

圖

4-4

CASE

A 風攻角 135 度時無因次風壓剖面 ... 43

 

圖

4-5

CASE

A 風攻角 180 度時無因次風壓剖面 ... 44

 

圖

4-6

CASE

A 風攻角 225 度時無因次風壓剖面 ... 44

 

圖

4-7

CASE

A 風攻角 270 度時無因次風壓剖面 ... 44

 

圖

4-8

CASE

A 風攻角 315 度時無因次風壓剖面 ... 44

 

圖

4-9

CASE

B 風攻角 0 度時無因次風壓剖面 ... 45

 

圖

4-10

CASE

B 風攻角 45 度時無因次風壓剖面 ... 45

 

圖

4-11

CASE

B 風攻角 90 度時無因次風壓剖面 ... 45

 

圖

4-12

CASE

B 風攻角 135 度時無因次風壓剖面 ... 45

 

圖

4-13

CASE

B 風攻角 180 度時無因次風壓剖面 ... 46

 

圖

4-14

CASE

B 風攻角 225 度時無因次風壓剖面 ... 46

 

圖

4-15

CASE

B 風攻角 270 度時無因次風壓剖面 ... 46

 

圖

4-16

CASE

B 風攻角 315 度時無因次風壓剖面 ... 46

 

圖

4-17

CASE

C 風攻角 0 度時無因次風壓剖面 ... 47

 

圖

4-18

CASE

C 風攻角 45 度時無因次風壓剖面 ... 47

 

圖

4-19

CASE

C 風攻角 90 度時無因次風壓剖面 ... 47

 

圖

4-20

CASE

C 風攻角 135 度時無因次風壓剖面 ... 47

 

圖

4-21

CASE

C 風攻角 180 度時無因次風壓剖面 ... 48

 

圖

4-22

CASE

C 風攻角 225 度時無因次風壓剖面 ... 48

 

圖

4-23

CASE

C 風攻角 270 度時無因次風壓剖面 ... 48

 

圖

4-24

CASE

C 風攻角 315 度時無因次風壓剖面 ... 48

 

圖

4-25

CASE

D 風攻角 0 度時無因次風壓剖面 ... 49

 

圖

4-26

CASE

C 風攻角 45 度時無因次風壓剖面 ... 49

 

圖

4-27

CASE

D 風攻角 90 度時無因次風壓剖面 ... 49

 

圖

4-28

CASE

D 風攻角 135 度時無因次風壓剖面 ... 49

 

圖

4-29

CASE

D 風攻角 180 度時無因次風壓剖面 ... 50

 

圖

4-30

CASE

D 風攻角 225 度時無因次風壓剖面 ... 50

 

圖

4-31

CASE

D 風攻角 270 度時無因次風壓剖面 ... 50

 

圖

4-32

CASE

D 風攻角 315 度時無因次風壓剖面 ... 50

 

圖

4-33

CASE

D 風攻角 0 度時無因次風壓剖面 ... 51

 

圖

4-34

CASE

D 風攻角 45 度時無因次風壓剖面 ... 51

 

圖

4-35

CASE

D 風攻角 90 度時無因次風壓剖面 ... 51

 

圖

4-36

CASE

D 風攻角 135 度時無因次風壓剖面 ... 51

 

圖

4-37

CASE

D 風攻角 180 度時無因次風壓剖面 ... 52

 

圖

4-38

CASE

D 風攻角 225 度時無因次風壓剖面 ... 52

 

圖

4-39

CASE

D 風攻角 270 度時無因次風壓剖面 ... 52

 

圖

4-40

CASE

D 風攻角 315 度時無因次風壓剖面 ... 52

 

圖

4-41

T

AIVENT

通風評估模式示意圖

... 53

 

圖

4-42

T

AIVENT

程式輸入資料格式

... 54

 

圖

4-43

T

AIVENT

模式建築物座向與風向定義

... 54

 

圖

4-44 本研究案例開口位置與空間配置 ... 55

 

表 次

表

2-1

大氣邊界層之

Α

、

Δ

及

Z₀

建議值

... 6

 

表

4-1

CASE

A

風向角

0 度

第

2 層

室內結風量計算果

... 55

 

表

4-2

CASE

A

風向角

45 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 56

 

表

4-3

CASE

A

風向角

90 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 56

 

表

4-4

CASE

A

風向角

135 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 56

 

表

4-5

CASE

A

風向角

180 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 57

 

表

4-6

CASE

A

風向角

225 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 57

 

表

4-7

CASE

A

風向角

270 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 57

 

表

4-8

CASE

A

風向角

315 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 57

 

表

4-9

CASE

B

風向角

0 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 58

 

表

4-10

CASE

B

風向角

45 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 58

 

表

4-11

CASE

B

風向角

90 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 58

 

表

4-12

CASE

B

風向角

135 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 58

 

表

4-13

CASE

B 風向角 180 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 59

 

表

4-14

CASE

B

風向角

225 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 59

 

表

4-15

CASE

B

風向角

270 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 59

 

表

4-16

CASE

B

風向角

315 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 59

 

表

4-17

CASE

C

風向角

0 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 60

 

表

4-18

CASE

C

風向角

45 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 60

 

表

4-19

CASE

C

風向角

90 度

第

2 層內風量計算結果 ... 60

 

表

4-20

CASE

C

風向角

135 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 60

 

表

4-21

CASE

C 風向角 180 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 61

 

表

4-22

CASE

C

風向角

225 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 61

 

表

4-23

CASE

C

風向角

270 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 61

 

表

4-24

CASE

C

風向角

315 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 61

 

表

4-25

CASE

D

風向角

0 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 62

 

表

4-26

CASE

D

風向角

45 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 62

 

表

4-27

CASE

D

風向角

90 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 62

 

表

4-28

CASE

D

風向角

135 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 62

 

表

4-29

CASE

D 風向角 180 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 63

 

表

4-30

CASE

D

風向角

225 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 63

 

表

4-31

CASE

D

風向角

270 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 63

 

表

4-32

CASE

D

風向角

315 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 63

 

表

4-33

CASE

E

風向角

0 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 64

 

表

4-34

CASE

E

風向角

45 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 64

 

表

4-35

CASE

E

風向角

90 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 64

 

表

436-

CASE

E

風向角

135 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 64

 

表

4-37

CASE

E 風向角 180 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 65

 

表

4-38

CASE

E

風向角

225 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 65

 

表

4-39

CASE

E

風向角

270 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 65

 

表

4-40

CASE

E

風向角

315 度

第

2 層

室內風量計算結果

... 65

 

摘

要

關鍵詞：行人風場、評估模式、技術規範、風洞試驗、計算流體力學 一、研究緣起 都市內戶外空氣流通與室內自然通風息息相關，戶外微弱的風場勢必無 法達到自然通風的目的，而足夠流量的風場也未必能使風場進入室內。室內 自然通風除與戶外風場流通特性有關外，建築群的配置方式、建築物本身的 座向、開窗尺寸位置，仍至室內隔間方式等均可能影響室內自然通風特性。 目前國內建築技術規則建築設計施工篇第 43 條規定有效通風面積確保 建築物的通風，另第 102 條規定不同房間用途須能符合一定的通風量。惟影 響建築物自然通風的要素非僅於窗戶的開口大小。對於建築物的配置和來風 方向等均影響室內通量。 本研究擬以集合住宅為研究對象，探討不同風向和建築配置方式對室內 自然通風之影響。規劃應用風洞試驗與 Taivent 通風評估模式，以開口部風壓 量測值，作為 Taivent 模式的參數值計算室內通風量。除了探討本研究設定變 數對室內通風影響，亦可建立可靠的室內自然通風評估方法，據以建立檢測 評估能量，提供業界進行室內通風評估參考。 二、研究方法及過程 本計畫研究過程先透過文獻了解目前都市區域的外部風場與自然通風 相關理論與研究現況，據以規劃風洞試驗並應用 Taivent 模式，Taivent 模式 為本所及中央大學土木系朱佳仁教授共同開發的自然通風模式，室透過外風 壓可計算集合住宅內居室通風量。本研究擬以集合住宅考量不同配置方式與 來流風向角，探討相關變數下集合住宅內居室的通風效果。 本研究預計之研究內容與步驟如下： 一、國內外研究文獻之蒐集與整理 (一) 蒐集國內外都市環境風場評估相關文獻。

(二) 蒐集都市集合住宅居室自然通風相關研究文獻。 二、風洞試驗量測開口部風壓量 (一)

風洞內風場模擬與模型製作

(二) 以風向和配置間距為變數執行風洞吹試 三、應用 Taivent 模式分析通風量 (一)設定室內開窗尺度。 (二) 應用風洞試驗所得風壓值套用 Taivent 模式計算通風量。 四、建立室內通風評估方法 （一）建置應用 Taiven 模式室內通風評估流程與相關應注意事項。 三、重要發現 本研究重要發現如下： (一) 試驗模型只有獨立 A 棟之試驗結果可知，迎風面風區之風壓值以正 風壓機率最大，特別是高度越高時之風壓值將會越大。流場會在建 築物高度約 70%的位置開始分流，部份向下形成下切氣流，另一部 份向兩側移動造成負風壓區，又一部份往上向後延伸。低樓層處的 受由上往下之下切氣流將影響進入室內之正風壓流場。向建築物兩 側行進的流場對開口部而言，將形成局部負壓。於風場的背風側因 受建築物自身遮蔽影響，後側尾流風場較為微弱。 (二) A 樓和 B 棟間無任何通道。在風攻角為 0 度時是風場從正北方而來， 先繞過 D 棟建築物，A 棟北方的迎風側因受 D 棟影響，迎風面正風 壓值則減小許多。如風攻角轉 45 度至 135 度間時，迎風面處是 A 棟 內 A2 和 A3 住戶，背風側則是 A1 和 A5 住戶，相較之下 A1 和 A5 住戶的通風效果較差。當風攻角轉南向即 157.5 度到 270 度時，正好 A3 和 A5 住戶的大片落地門窗位在迎風面的位置，其所受正風壓值 較高，但其後的 A1 和 A2 住戶因風場通風道受阻，風壓值影響最大， 特別是 A1 住戶整個位置受阻，對自然通風處於絕對不利位置。 (三) A 和 B 棟的間距移開為 S=15m 時，整風場的通風廊道亦隨之開闊， 有利於風場的行進。不論從何種方向而來的風場均有足夠的行進空 間，甚至兩通道內也將因渠化效應而加速風場的行進。 渠化效應對 室內自然通風的影響將須再進一步驗證。 (四) 室內通風方面，本研究以單層無室內隔間方式執行 Taivent 模式，獲

得量化執行結果，基本上空內空氣流通方式以第 2 面開窗為較大流 出通風口。 四、主要建議事項 建議一 後續應針對不同室內隔間進行室內通風研究：立即可行建議 主辦機關：風雨風洞實驗室 協辦機關：內政部建築研究所 對於室內通風於 Taivent 模式的應用，考量研究時程，本計畫初步以單 一樓層及室內無隔間方式分析開口部之空氣通風量，未來仍應持續規劃探討 不同室內隔間之通風情況，以符合實際空間使用情況。

ABSTRACT

Key words: Pedestrian level wind, assessment module,Technical regulation, wind tunnel test, CFD

The indoor and outdoor outdoor air circulation and indoor natural ventilation is closely related to outdoor weak wind field is bound to not achieve the purpose of natural ventilation, and sufficient flow of the wind field may not be able to make the wind into the room. Indoor Natural Ventilation In addition to the outdoor wind farm properties, the arrangement of buildings, the orientation of the building itself, the size of the windows, the way to the interior of the room, etc., may affect the natural ventilation indoors.

At present, Article 43 of the Technical Rules for Building Construction and Construction in the People's Republic of China stipulates that the effective ventilation area shall ensure the ventilation of buildings. In addition, Article 102 stipulates that different rooms shall be capable of meeting certain ventilation requirements. However, the factors that affect the natural ventilation of a building are not only the size of the opening of the window. For the configuration of the building and the direction of the wind and so affect the indoor flux.

This study intends to take the residential buildings as the research object, to explore the impact of different wind direction and building configuration on indoor natural ventilation. Wind Tunnel Test and Tanvent Ventilation Assessment are planned to be used to calculate the indoor ventilation based on the measured value of the opening wind pressure and as a parameter of the Taivnet mode. And CFD simulation to compare the difference between the two. In addition to discussing the influence of set variables on indoor ventilation, a reliable indoor natural ventilation assessment method can also be established to establish the detection and assessment of energy and provide industry reference for indoor ventilation assessment.

The research process of this project is based on the literature to understand the theory and research status of the external wind field and natural ventilation in

the current urban area. Based on the wind tunnel test and the Taivent mode, Taivent mode is jointly developed by Prof. Zhu Jiaren and the Civil Engineering Department of the Central University Natural ventilation mode, room through the wind pressure can be calculated within the residential collection of residential ventilation. This research intends to consider the different configurations of the residential buildings and the incoming wind direction angle to explore the ventilation effect of the living room in the residential house under the relevant variables.

(A) Test Model Only the results of the independent building A show that the wind pressure value in the windward area is maximized by the positive wind pressure, and the wind pressure value will be greater when the height is higher. The flow field will start to divert about 70% of the building height, part of it downwards to create an undercut airflow, and the other will move to both sides to create a negative pressure zone and some will extend backwards and upwards. The lower air flow from top to bottom will affect the positive pressure flow field into the room. The flow field to both sides of the building will create a partial negative pressure for the opening. The leeward wind field on the rear side is relatively weak due to the shadowing of the building itself on the leeward side of the wind farm.

(B) There is no channel between Building A and Building B. When the angle of wind attack is 0 degree, the wind field comes from the north, and the building of No. D is first bypassed. Building A is facing the windward side of the north of Building A due to the influence of Block D, while the windward pressure is much less. When the angle of wind attack is between 45 degrees and 135 degrees, the A2 and A3 households in Building A on the windward side and the A1 and A5 households on the leeward side are less ventilated compared with A1 and A5 households. When the wind attack angle turned southward to 157.5 degrees to 270 degrees, it was just A3 and A5 tenants large floor windows and doors in the windward position, the positive pressure value is higher, but subsequent A1 and A2 tenants due to the wind Ventilation road blocked, wind pressure value most affected, in particular, A1 residents blocked the entire

location of the natural ventilation in an absolutely unfavorable position.

(C) When the distance between A and B buildings is shifted to S = 15m, the ventilation corridor in the wind farm will also be widened, which will be conducive to the wind farm's progress. No matter in what direction the wind field comes from there is enough space for travel. Even the two channels will speed up the wind farm due to the channeling effect. The effect of canalization on indoor natural ventilation will have to be further verified. This study is to be explored in the final report, and the differences between the two under the 15-m spacing test and the only A-test condition are analyzed and compared.

(D) indoor ventilation, the study conducted in a single layer without indoor compartment Taivent mode, the results of quantitative execution, the basic air circulation mode to the second out of the window for the larger outflow vents.

第 一 章 緒 論

第一節

研究背景

隨著台灣地區經濟的迅速發展以及都會區人口聚集，建築物的高層化與 高密度化已無法避免，高層建築可視為巨型阻礙物，氣流因建築、建築群的 存在而改變行進方向，進而造成下切、縮流、渠化、渦漩(vortex)、角隅流(corner flow)、尾流(wake)；另有遮蔽、穿堂風(through flow)等效應，上述效應除了 造成建築物或建築群興建後產生瞬間的強風，而影響行人及低樓層建築使用 者的安全性及舒適性問題外。對其下游空間亦因遮蔽效應而產生弱風區域， 進一步使空氣對流減少而影響戶內外自然通風，造成都市熱島效應加劇，甚 至使得空氣污染物蓄積於都市內。 高層建築的密集化所產生的遮蔽效應使得部份區域風場弱化，因無涉生 命安全較不為世人所重視，但近年來環境議題逐漸抬頭，為節能減碳，綠建 築成為我國重要的環保建築系統，而其評估指標中空調節能即為重要的參數 之一。欲減少空調的使用除了須阻隔熱能外，最重要的就是須有最佳的室內 通風效益，但室外如長年為低風速之弱風特性，室內想達到良好的通風效果 無疑是緣木求魚。密集的都市區域建築量體櫛比鱗次對風場形阻礙而使都市 中心形成嚴重的弱風區域，亦即都市中心內有較小的環境風場通風量。而戶 外低環境風場通風量：(1)易造成都市熱島效應而增高戶外溫度，影響人體舒 適度，(2)使污染物蓄積都市內形成環境污染，(3)降低室內通風交換率而弱化 室內通風量影響居室建康。

第二節

研究緣起與目的

都市內戶外空氣流通與室內自然通風息息相關，戶外微弱的風場勢必無 法達到自然通風的目的，而足夠流量的風場也未必能使風場進入室內。室內 自然通風除與戶外風場流通特性有關外，建築群的配置方式、建築物本身的

座向、開窗尺寸位置，仍至室內隔間方式等均可能影響室內自然通風特性。 目前國內建築技術規則建築設計施工篇第 43 條規定有效通風面積確保 建築物的通風，另第 102 條規定不同房間用途須能符合一定的通風量。惟影 響建築物自然通風的要素非僅於窗戶的開口大小。對於建築物的配置和來風 方向等均影響室內通量。 本研究擬以集合住宅為研究對象，探討不同風向和建築配置方式對室內 自然通風之影響。規劃應用風洞試驗與 Tanvent 通風評估模式，以開口部風 壓量測值，作為 Taivnet 模式的參數值計算室內通風量。並以 CFD 模擬比對 兩者間之差異。除了探討本研究設定變數對室內通風影響，亦可建立可靠的 室內自然通風評估方法，據以建立檢測評估能量，提供業界進行室內通風評 估參考。

第三節

研究內容與方法

本計畫研究過程先透過文獻了解目前都市區域的外部風場與自然通風 相關理論與研究現況，據以規劃風洞試驗並應用 Taivent 模式，Taivent 模式 為本所及中央大學土木系朱佳仁教授共同開發的自然通風模式，室透過外風 壓可計算集合住宅內居室通風量。本研究擬以集合住宅考量不同配置方式與 來流風向角，探討相關變數下集合住宅內居室的通風效果。 本研究預計之研究內容與步驟如下，相關流程如圖 1-1 研究流程所示： 一、國內外研究文獻之蒐集與整理 (一) 蒐集國內外都市環境風場評估相關文獻。 (二) 蒐集都市集合住宅居室自然通風相關研究文獻。 二、風洞試驗量測開口部風壓量 (一)

風洞內風場模擬與模型製作

(二) 以風向和配置間距為變數執行風洞吹試 三、應用 Taivent 模式分析通風量 (一)設定室內開窗尺度。 (二) 應用風洞試驗所得風壓值套用 Taivent 模式計算通風量。

四、建立室內通風評估方法

（一）建置應用 Taiven 模式室內通風評估流程與相關應注意事項。

圖 1-1 研究流程

第 二 章 文 獻 與 理 論 背 景 分 析

第一節

地表風場特性

地表附近空氣的移動受到地面之起伏、建築物、林木作物分佈等的磨擦 作用的影響，使得平均風速隨高度而變，形成一垂直分佈剖面，越接近地表 風速越慢(參見圖 2-1)；換言之此「風速剖面」直接受到地表粗糙狀況之影響。 而影響所及的範圍就稱之為「大氣邊界層」。在邊界層頂部之風速通常稱之 為梯度風速(gradient wind)。 一般風工程之應用所涉及的問題大都發生在較強的風勢情況下，近地表 上數百公尺高度的大氣邊界層範圍之內。在強風的情況下，大氣紊流作用遠 超過熱對流作用。由於紊流之強制混合趨向於形成中性層差。所以本節對大 氣邊界層之討論僅限於中性層差之大氣邊界層。 大氣邊界層之厚度，在中性層差的情況下，視風之強度、地表之粗糙程 度及所在之緯度而定，通常在數百公尺至數公里之間。本案之風洞模擬實驗， 很重要之一項工作即是要模擬邊界層高度內紊流流場的各項重要性質，其中 包括有平均風速特性及紊流特性。 一、平均風速剖面 一般常用於規範邊界層風速剖面的有兩定律，一為指數律(power law)， 另一則為對數律(logarithmic law)。 （1）指數律(power law) 邊界層流中水平方向均佈之地形上的平均風速剖面，以指數律表示：  

















Z

U

Z

U

(

)

(2-1)

其中，U 為縱向之平均風速；Z 為地表上之高度；Uδ為梯度風速；δ為 大氣邊界層厚度；α為指數。在現行工程應用中之假設為：○1 一個α為定值

之指數律可是用至梯度高度δ。○2 邊界層厚度δ僅只為指數α之函數。 （2）對數律(logarithmic law) 越接近地表的地方，其風速的擾動性越高，解析描述也就越加困難。在 地表層(或稱之為常應力層)其剪應力值τu與地表面之剪應力值τ0極為接近， 且其橫風向之風速分量 V 極小。對邊界層橫風向之平均風速方程積分至高度， 再加以整理可得。 f u b Z_l  *

_(2-2)

其中，Zl 為對數律之有效高度；u*為剪力風速＝(τ0/ρ)0.5；f 為科氏力 參數；ρ為空氣密度；b 為常數，其值約在 0.015 至 0.03 之間。微氣象學研 究的一些結果顯示，在地表其平均風速剖面可用下式表示：

U(Z)=(1/k) u

*

ln(Z/Z

0

) (2-3)

其中，k(≅0.4)為 Von Karman 常數；Z0為地表粗糙長度(roughness length)。

公式(A-3)即為通常所稱之對數律。實場量測結果指出，在強風之情況下，對 數律之適用範圍可達數百公尺之高度。有關在不同地表情況下，上述討論之 大氣邊界層各參數的建議值詳見表 2-1。 二、紊流特性 紊流強度是紊流擾動流速大小的表達方式。將擾動風速之均方根值(root mean square)除以平均風速值，以百分比之方式表達出來，邊界層中某特定高 度 Z 之紊流強度，其定義如下：

 

₁₀₀

_%

.(%)

.

5 . 0 2





i i

U

u

I

T

(2-4)

其中，T.I.(%)為 i 方向上之紊流強度；ui為 i 方向上之擾動風速；Ui為 i

方向之平均風速。而縱向擾動風速之均方根值與地表剪應力風速有下列關 係：

2 * 2

u

u

_i





(2-5)

其中，β值通常假定與高度無關，在一般工程應用上可取為 0.6。在非 常粗糙的地況下，其值最低可達 0.4。 大氣邊界層中的紊流性質除了前述的紊流強度之外，紊流長度尺度 (turbulence length scale )以及紊流頻譜密度函數(turbulence power spectrum density function)和交相關頻譜(cross-spectrum density function)都是進行風洞 模擬時不可忽略的重要特性。

圖2-1 不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖

資料來源：【11】

表

2-1 大氣邊界層之α、δ及

Z0

建議值

參考文獻 Coastal Area Open Terrain Suburban Terrain

Centers of Large City α1 δ2 Z03 α δ Z₀ α δ Z₀ α δ Z₀ Davenport – – – 0.16 275 – 0.28 400 – 0.40 520 – ANSI 0.1 215 – 0.14 275 – 0.22 370 – 0.33 460 – 耐風規範 － － – 0.15 300 – 0.25 400 – 0.36 1_{α：邊界層風速剖面冪數律指數} 2_{δ：邊界層厚度，單位：公尺} 3 Z0：粗糙長度，單位：公尺

第二節

建築物週遭氣流特性

由於大氣中複雜的氣流運動造成行人風場，進而影響建築週遭的居住、 用路人生活品質。影響氣流複雜變動的可能因素包含有：風速、風向、建築 物的外形、及附近建築物高度、位置、外形等。本節就建築物附近可能形成 形人風場的氣流描述如下： 一、渦漩(Vortex)： 當風場遇到高層建築時，一部分的氣流往上或往左右兩側溢散，另一部 分則產生下切氣流，對地面形成加速的渦漩，當建築物斷面愈寬愈大時，此 種渦漩現象越明顯。另當風場越過建築物，流場會在建築物的背面形成一尾 流，此氣流會向下形成一迴旋的流場。 圖2-2 渦漩與建築物尾(Wake)流示意圖 資料來源：【本研究繪製】 三、穿堂風(Through Flow) 當建築物有前後貫穿的街谷，氣流通過此街谷會產生加速的現象，此現 象稱之為穿堂風，此種氣流對貫穿的街谷的行人或緊鄰此街谷的出入口將產 生不舒適或產生危險的情形。示意圖如下 2-3 所示。 圖2-3 穿堂風示意圖 資料來源：【本研究繪製】 下切氣流 尾流 穿堂風

四、角隅強風 當氣流由建築物的兩側溢散時，在角隅處會產生突然加速的強風，對結 構外強形成強勁的負風壓，因此角隅處結構外牆或其他景觀設部設計應更為 小心謹慎，角隅強風的形成如下圖所示。 圖2-4 角隅強風示意圖 資料來源：【本研究繪製】

五、遮蔽效應(shelter effect) 與金字塔效應(Pyramid effect)：

相近高度的建築群相鄰而立時，對於近面來的氣流產生類似阻牆的遮蔽 效應，迫使流場往建築群的上方越過或側邊繞過[2]，示意圖如下所示。對於 逐漸上升的建築或建築群，建築物頂部分離的剪力層受到漸次升高的邊界影 響，匯聚成一股向上的氣流。 圖2-5 效應與金字塔效應示意圖 資料來源：【本研究繪製】 角隅處容易形 成強風

六、縮流效應(Venture Effect) 與渠化效應(Tunneling Effect) 當風由一寬廣的區域進入狹窄的街道時，由於斷面積減小，造成氣流加 速現象，形成高風速出現，此種加速應會隨著建築物距離的增大會明顯減低。 都會區中沿街兩側建築物多有平整的立面且相互比鄰，對於運行期間的氣流 而言，有如渠道之兩壁，此現象會驅使接近地面的氣流脫離原來風向而沿街 谷的走向流動。[2] 圖2-6 縮流效應與渠化效應示意圖 資料來源：【本研究繪製】 縮流效應

第三節

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【15】，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：【15】 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，第一個風壓系統主要作 用在建築物的迎風面區域的最大壓力停滯點及其他低壓力區，此系統造成直 立渦漩的產生並延續至角隅流場。另一個風壓系統是由迎風面的高壓區域和 背風面的低壓域組成，形成建築物後方的逆流和角隅風。此二風壓系統造成 建築物附近的複雜流場型態【15】。 緊臨高層建築物街谷內的戶外風場移動的流動過程，是許多因素交互 影響而成的複雜氣流運動，來流風向若與街谷平行或近似平行斜交，則將 形成渠化效應(Tunneling effect)，使街谷內的風速加快，進而造成擾人之瞬 間強風，如來流方向與街谷垂直或近似垂直斜交則易形成遮蔽效應(Shlter effect)而減少街谷內風場流通。此外，街谷寬度大小及其兩側建築物高度均 會影響街谷內之風場特性。對於街谷寬度大小及其兩側建築物高度與風向 角間的關係， T.R. Oke. (1988)利用風洞試驗資料系統性地將風向垂直街谷 所產生的流場，依建築物高度與街谷寬度比分為 3 類，如下圖 2-8 所示。包 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。

圖2-8 風攻角垂直都市街谷之風場特性

資料來源：【16】

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：【19】 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

(a)Isolated roughness flow

(b)Wake Interference flow (c)Skimming flow

Isolated roughness flow

Wake Interference flow

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、 1.0、1.12、1.15、1.11，而此高風速區域均出現在單棟建築側邊，或相鄰兩 建築之通道內。結論亦提到街谷越寬越能有效改善街谷內行人強風風場。 Gu et al. (2011)配置不均勻建築型態及不規則的街谷，使用數值模擬 (CFD)探討不同建置型態的配置對不規則街谷的環境風場影響。研究結果顯 示不規則街谷內的流場型態比規則街谷更為複雜。且於不規則街谷內發現 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 解建築物高度對行人通風及污染物擴散的影響。CFD 模擬結果顯示，配置 型態為 9 排排列且建築物高度變數(標準偏差在 0~57.1%)時移除污染源的移 除以平均風速決定。 Moon(2014)等人利用 CFD 模擬研究都市區域中高層建築物群聚的複雜

街谷內流場特性，研究顯示風向主導街谷內流場特性，當風場斜交或直交 街谷時，噴射汰的流場延著高層建築物的街谷出現。當風場平行街谷時平 均風速則維持在中度流速的狀況。Ramponi et al.(2015)等人亦用 CFD 探討 都市不同風向在等寬或非等寬街谷內的戶外風場流通特性，研究結果顯示 因風向的不同可能正面或負面影響主要街道下游通風效益。如果風向直交 或斜交於主要街道，其內空氣流通效果則現增加狀態，此時街谷對新鮮空 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 flow）流入狹窄街谷則減少空氣流通，影響通風效益。 國內李偉誠、謝俊民等人(2011)探討連棟式住宅街廓比對街谷內風環境 影響，該研究設定街廊長寬比 1: 1 至 4:1 等 4 個案例，採用台南市 5 年夏 季氣象資料分析 8 個主要風向的韋伯機率分佈，利用 CFD 模擬不同案例都 市街廊對於該 8 個風向的受風情形，據以推估該區域內的平均風速與微風 發生機率。模擬結果顯示隨著街廓長寬比的增加，風速減緩的現象越趨明 顯著。 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、順風向前後排列和橫風向 的左右排列，採用固定街谷寬度進行試驗，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受鄰棟建物影響而 有加速的現象。 圖2-10 建築物配置型式 資料來源：【17】

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),以風洞試驗進行雙 棟 狹 長 建 築 不 同 配 置 型 式 之 風 環 境 研 究 。 研 究 結 果 顯 示 ， 開 叉 式 街 谷 (diverging passage)的風速高於交會式街谷(converging passage)，同時也顯示風 速隨著街谷寬度的增加而增加。開叉式街谷風速在風攻角=0 度時最大。交會 式街谷的最大風速則出現在風攻度=15 度時。 C.W. Tsang(2012)等人針對不同的建築尺寸、排列間距與基底探討建物 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 0.65 到 25m，街谷間最大無因次化風速分 別為 1.0、1.12、1.15、1.11。 圖2-11 高層建築物附近風場分佈圖 資料來源：【20】

二、前期研究 (一) 102 年度自行研究案：裙樓高層建築物街谷內行人風場特性之研究 為探討裙樓高層建築與其相鄰連樓式建築物之街谷內之行人風場特性， 供國內進行相關建築設計或都市規劃參考。於風洞實驗室內模擬都市郊區地 況來流，以不同街谷寬度、裙樓高度及來流風攻角進行風速量測。研究結果 顯示在順風向時，街谷內的風場受裙樓高度主導，裙樓高度越高街谷內風場 速度越高，且街谷寬度由小到大可分成阻抗流場、交互作用流場及獨立流場 等 3 種型態，如圖 2-12 所示。本研究風攻角為正 22.5 度時在街谷上游及下 游均有高風速區域，正 45 度時則高風速區域出現在街谷下游。風攻角為負 22.5 度或 45 度時，風場受裙樓阻擋，裙樓高度越高則高風速區域面積越小， 反之，裙樓高度越低則高風速區域面積越大。街谷內因渠化效應作用，將使 街谷內的風速加快，進而造成擾人之瞬間強風。而風場來流方向、街谷寬度 大小及其兩側建築物高度均會影響街谷內之風場特性，本研究擬以風洞試驗 探討在不同裙樓高度、街谷寬度及風攻角下，裙樓高層建築與其相鄰街谷內 之行人風場行為。建立裙樓高層建築物相鄰街谷內的行人風場特性，供建築 師或都市規劃師在進行相關細部設計時參考，避免不當的設計影響當地的環 境微氣候，進而造成行人的不舒適感與安全威脅。 (a)S= 0.375D (b) S= 0.75D Y/D Ui /U h 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ph=2D Ph=1.5D Ph=1D Ph=0.5D Y/D Ui /U h 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ph=2D Ph=1.5D Ph=1D Ph=0.5D

(c) S= 1.25D (d) S= 1.75D (e) S= 2.25D 圖2-12 風攻角 θ=0°不同街廓間距中心線無因次地表風速曲線比較圖 資料來源：【5】 圖 2-13 為來流風場在迎風面與建築物以-22.5°交會，受裙樓阻擋之風場 順著裙樓流入街谷內，但同一股風場遭遇鄰棟建物時，因風攻角方向影響大 部份往外側移動。此時進入街谷內的風場多由裙樓控制，但已較 θ=0°時減 弱許多。在街谷上游大部分風場沿著裙樓前端旋入街谷內，且亦受裙樓高度 主導角隅風場，如圖 12 所示隨著裙樓高度降低街谷上游風場亦逐漸下降。但 在街谷下游的風場則與前述有相反之趨勢，因以風攻角-22.5°而言，裙樓對 風場形成阻塞，所以在街谷下游的風場多從上游往下游延伸之風場且偏向鄰 棟建物側，如圖 2-13(a) (b)所示。但裙樓逐漸降低時，風場則可越過裙樓在 街谷出口處與街谷內流場匯集如圖 2-13(c)。甚至當裙樓高度小於鄰棟建物時， 風場越過裙樓後受鄰棟建物阻擋而下切在下游出口形成高風速且擾動性高的 流場，如圖 2-13 (d)所示。 Y/D Ui /U h 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ph=2D Ph=1.5D Ph=1D Ph=0.5D Y/D Ui /U h 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ph=2D Ph=1.5D Ph=1D Ph=0.5D Y/D Ui /U h 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ph=2D Ph=1.5D Ph=1D Ph=0.5D Isolated Flow Isolated Flow Interaction Flow

當風攻角增加至-45°時，迎風面的下切流場較風攻角-25°時強，因此在 街谷上游入口靠近裙樓角隅處有較強且較大面積的風場出現，且由圖 2-13 與 圖 2-14 之比較可看出，風攻角越大街谷內高風速風場明顯往鄰棟建築側移 動。 (a) (b) (c) (d) 圖2-13 S=1.75D，θ=-22.5 度之無因次地表風速等值分佈 (a) (b) (c) (d) 圖2-14 S=1.75D，θ=-45 度之無因次地表風速等值分佈 資料來源：【5】 0.7 0.4 0.3 0.4 0 .3 0_.8 0.7 0.6 0.5 0_.4 0.7 0.6 0.5 X(mm) Y( m m ) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.4 0.3 0. 8 0_.7 0.7 0.6 0.5 0_.4 0.1 0.2 0.3 0.5 X(mm) Y (mm) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.8 0.7 0.6 0.7 0.6 0.5 0.4 0 .3 0 .2 X(mm) Y( m m ) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.6 0.7 0.4 0.4 0.5 0.8 0.7 0.6 0.5 0.3 0.5 0.6 0.7 X(mm) Y( m m ) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.7 0.6 0_.5 0.8 0_.4 0.70.6 0.5 X(mm) Y( m m ) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.6 0.8 0.7 0.40.5 0 .7 0 .8 0.6 0.5 0.4 X(mm) Y (mm) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.3 0.4 0_.8 0.7 0.6 0_.5 0 .8 0.7 0_.6 0_.5 0.4 0.3 0_.2 0 .1 X(mm) Y( m m ) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.7 0.6 0.5 0.3 0.8 0.2 0.4 0.7 0.6 0.5 0.8 X(mm) Y( m m ) 100 200 300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

(二) 103 年度自行研究案：裙樓高層建築物街谷內行人風場特性之研究 沿河岸建築物往往為了爭取最佳景觀視野及最大的建築容積，在河岸第 一排建築物儘可能的極大化，沿河岸高型巨大的建築物能美化城市的天際線 增添都市的文明感，但就風環境觀點而言，巨型化建築物將造成角隅區域環 境強風與下游區域街谷弱風問題，過度強風和微小弱風對於都市環境微氣候 都是不利因素。為促進環境通風效益，新北市政府針對板橋江翠北側重劃區， 規定建築物各幢立面最大淨寬度與基地平均寬度之百分比低於 70%之設計， 拉開了建築物間的棟距，避免過去水岸建築物臨河景觀面最大化設計方式， 對水岸都市景觀產生不良影響外，藉由環境風對流，達到通風之目的。此地 區沿河第一排街廓之高層建築物，未來進行都市設計審議，除應依相關規定 辦理風洞試驗外，亦應提出環境風場試驗成果說明，以利都市設計委員進行 審查。本研究利用風洞試驗，探討此類併列式高層建築物高度與配置寬度， 對其附近及下游街谷行人風場特性之影響，俾供未來開發相關集合式住宅時 之空間配置參考。 計畫研究旨以高層建築物下游街谷內中心線行人尺度風速特性為主要 探討重點，採用剛性模型設計，固定下游街廓型式及街谷寬度等尺寸，而變 異參數包括：高層建築高度、下游第一排街廓距離及高層建築物之間距等。 藉由風洞試驗量測高層建築物下游之縱橫向街谷之行人尺度地表風速，以探 討高層建築興建後其下游街谷內在行人高度位置之風場特性變化。 本研究實驗規劃試驗模型比例為 1/250，主建築物方柱斷面為 12cm × 8cm，高度比 H/D=7，街廓型式為 3×3 的棋盤式街廓，各街廓尺寸為 12cm(長) ×12 cm(寬)×8 cm(高)，兩高層建築物間距 S 分別設定為：0.375D(3cm)、 0.75D(6cm)、1.125D(9cm)、1.5D(12cm)、1.875D(15cm)。地表風速計(Irwin Probe) 配置主要佈設在棋盤式街廓之街谷內共 58 個點位。風洞試驗以模擬以新北市 板橋江翠北側重劃區為對象，採 B 地況風速剖面進行試驗。我國「建築物耐 風設計規範與解說」市郊地況指數律 α=0.25，大氣邊界層高度 400 公尺，本 研究為 1/250 縮尺，以 1.6m 擾流板及粗糙元排列模擬地況使符合法令規定，

Umean 為高度 z 處之平均風速，Uδ 為大氣邊界層高度(δ=400m 處)之平均 風速。 本研究為探討沿河岸併列式高層建築物下游街谷內行人風場特性，以主 建築物與後方街谷緃向距離(L)與主建築物間橫向間距(S)為變數進行風洞試 驗，試驗結果顯示，間距比放寬至 1.125 時，街谷內的風場逐漸增大使街谷 內有較大的風場流通，將對街谷內戶外通風有實質的助益。該間距比實際間 距為 22.5m 可驗證新北市政府對該重劃區建築物各幢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：【6】 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次化平均風 速均在 0.3~0.35 間，而 H/D=3~7 之趨勢線則較為陡峭，即主建築物高度越高 則下游街谷內流場風速變化越大，而前節論述可知，高風速區域則可能位於 順風向街谷之內外兩側上游處，低風速可能位於橫向街谷處。由圖 2-16(b) 分析顯示，當 H/D≧3 以上時，無因次化風速曲線以 S/D=1.125 為臨界，本 研究將 S/D＞1.125 時稱之為環境強風高風險區域，亦此情況下應評估附近開 放區域或街口是否可能產生行人強風問題，發生行人環境強風，S/D＜1.125 之情況稱之為環境弱風高風險區域，此時則應評估戶外空氣自然通風問題。 X (cm) Y( c m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 X (cm) Y( c m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 X (cm) Y( c m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 X (cm) Y( c m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 X (cm) Y( c m ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 X (cm) Y( cm ) 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 vel 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

(a) (b) 圖2-16 主建築物通道寬度(a)、高度(b)與無因次化平均風速關係曲線 資料來源：【6】 三、室內自然通風理論 自然通風(Natural ventilation)：自然通風是依靠建築物內外的氣壓差異或 溫度差異所造成的空氣流動。其通風的方式又可分為風壓通風和浮力通風 【3】： 風壓通風：利用自然風力作用在建築上所造成的風壓差異，使得建築物 內外的空氣進行交換。建築物迎風面為正壓區，背風面為負壓區。若迎風面 和背風面皆有開口(門窗)，則迎風面的開口為進風口，而背風面的開口為排 風口。若僅迎風面有開口或僅背風面有開口，亦可造成自然通風，但通風效 率不及迎風面和背風面皆有開口者。若迎風面和背風面的開口正對著風向， 容易造成穿堂風(Through flow)，，其通風效果最佳。 依據流體力學的原理，流經門窗之大型開口的通風量等

於：

H/D Ui /U h 1 2 3 4 5 6 7 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 S/D=0.375 S/D=0.75 S/D=1.125 S/D=1.5 S/D=1.875 S/D Ui /U h 0.375 0.75 1.125 1.5 1.875 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 H/D=1 H/D=2 H/D=3 H/D=4 H/D=5 H/D=6 H/D=7

Q

∆

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：

Q

∙

∆

式中 d 為開口的間隙，L 為開口在流向上的長度，為空氣的動力黏滯 係數。 綜合以上二式，通風量可以下式計算：

Q

∆

式中 k 為流量係數，指數 n 會隨流況、開口大小等因素而定，約為 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：

∑

0

進入建築物的通風量為正，離開為負。因為自然界的風場為不可壓縮流 場，空氣密度為常數，上式可寫成：

∑

|

|

0

室外風壓的計算可參見第四章。若建築物各個開口面積 Aj、流量係數 kj、室外風壓P 和指數 n 皆為已知，可以採用試誤法求得室內風壓 Pi。

浮力通風：又稱為重力通風，因為溫度差異所造成的浮力可以促使空氣 上下對流。若一棟建築物內有垂直向的溫度差異，且上下皆有開口，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，所示。若大樓 內有中庭(Atria)或通風豎井，便可利用浮力通風將熱空氣排出。 若高層建築物的樓梯間、管道間和電梯豎井等垂直通道內有垂向的溫差 時，亦會產生浮力通風的現象，熱空氣由下向上流動，此現象稱為煙囪效應 (Chimney effect)。夏季時，高層建築物普遍使用冷氣，冷空氣會由上向下流 動，此現象則稱為逆向煙囪效應。 自然通風受許多因素的影響，譬如建築物外的風速、風向、開口的面積 和位置及室內的溫度分佈、隔間和傢俱擺設等，較難控制風量。自然通風的 優點為節省能源，但缺點為通風量受上述條件的影響，不適用於大型的室內 空間，且無法控制室內的空氣品質。 四、本所與自然通風相關研究 （一）104 年 黃瑞隆教授 自然通風與室內熱環境之實證研究【7】 自然通風之應用是被動式建築設計重要之節能技術之一，透過自然通風 之過程以移除室內之熱負荷量以達到節能之效果。世界上許多地區之研究亦 證實了自然通風應用下之建築具有一定的空調節能效果。然而，自然通風之 應用與當地外界氣候密切相關，有必要針對我國亞熱帶熱濕氣候條件下進行 其節能效益之探討。我國的綠建築規範自 2015 年版起亦導入了自然通風之節 能評估，以自然通風潛力(VP)作為推算空調節能之效益為基礎。本研究希冀 透過現場實際案例之實測，以驗證現行對自然通風評估之效益。 本計畫透過實測以探討自然通風於住宅與複合式通風教室之空調節能 抵減效果。在選定之樣本室內與戶外分別進行長期之溫濕度量測，以獲知室 內之溫熱環境變化與判斷空調啟停時間。在空調節能之效益上則以冷房度時 法計算以描述空調啟用時間之空調耗能量，最後透過與理論上應開之空調時 間比對換算空調折減率。此外，針對各實測案例進行空間測繪以換算於相異

開窗與空間配置下之自然通風潛力(VP)，藉以分析其與實際空調折減效果之 關係。本研究一共完成位於台中之住宅 17 例與採用複合式通風之台北學校類 教室四案，外加一例位於高雄岡山無空調自然通風教室一例之室內外溫濕度 儀器之實測安裝，並獲得涵蓋炎熱季節 5~9 月之實測數據。 （二）103 年 方富民教授 大型建築物自然通風之分析研究【8】 建築物內氣流環境與空氣品質之好壞常取決於室內之通風效果。台灣地 處亞熱帶氣候區，全年有近半年的時間可以藉由自然通風的方式進行室內外 空氣交換，以達到調節室內空氣溫度與品質之目的。目前國內的大型建築物 普遍地使用空調設備來調節室內空氣環境與空氣品質，但是大量的使用機械 通風常造成能源過度的耗費。對巨蛋型會館而言，在非集會使用之閒置期， 可以無須使用機械空調設備以達節能之目的。另一方面，在大型工業廠房之 規劃與設計上，也必須要有通風節能之考量。因此，為確保建築物內人員之 舒適性與健康性，同時兼顧能源耗用之節省，自然通風的妥善規劃與執行實 屬重要。 本計畫以圓頂室內集會場館與矩形廠房兩種典型之大型建築物為對象， 針對建築物開口位置與大小對室內自然通風功效之影響進行探討，並分析因 建築物內外部間之壓力與溫度差異對室內氣流造成影響之程度與機制，以獲 得量化之整合結果，並提供相關建築通風配置規劃與設計之重要參考。研究 中之量化評估除了紊流流場外亦包括溫度場之分析，以涵蓋大型建築物中風 壓通風與浮力通風兩種效應之檢討。由於以試驗的方法除了需用大量之人力 與時間外尚不易全然掌握室內氣流之細部變化，為利於系統化探討與評估的 進行，乃以計算流體動力學方法的應用為主。然為確立數值模擬結果正確性， 另須以風洞模型試驗進行個案風場變數量測，以作為驗證之依據。 （三）102 年 黃瑞隆 教授 複合式通風應用於臺灣潛力分析之研究【9】 複合式通風是一種以消耗最少能源獲得最大熱舒適性的建築通風與空 調模式。對於那些單靠自然通風並不足以維持室內熱舒適的氣候區而言，複

合式通風無疑是一種相當可行的方式。複合式通風建築必須充分利用被動式 的設計手法，以熱適應舒適模式為核心，結合自然通風潛力和戶外氣候條件， 來滿足居住者對室內環境品質的需求。研究顯示在濕熱的亞熱帶氣候區使用 複合式通風能節省相當多的空調耗能。 研究方法及過程分為四部分：(一) 藉助本土熱舒適現場實測資料庫，檢 討美國 ASHRAE 55 和歐盟 EN 15251 熱適應舒適標準在臺灣的適用性；(二) 以熱適應舒適標準作為基準，分析在不同地區的氣候條件下，定量化評估學 校 類 建 築 的 自 然 通 風 有 效 性 以 及 複 合 式 通 風 模 式 的 節 能 潛 力 。 ( 三 ) 以 EnergyPlus 程式針對適合使用複合式通風的學校建築進行電腦模擬，檢討建 築節能指標 AWSG 與各種節能設計對複合式通風應用潛力的影響和靈敏度 分析。(四) 透過在複合通風教室進行現場實測，以了解學生對冷氣的使用行 為與對複合通風的接受度。 研究完成彙整世界各地的複合式通風的應用現況，發現複合通風在不同 的氣候下都有顯著的節約能源及其促進居住者滿意度的效果。複合通風已被 列為各國重要的節能設計策略。也完成適合臺灣的熱適應舒適模式探討，建 議國內若要採用熱適應模式做為自然通風或複合通風的標準，可以參考歐盟 的 EN 15251。 (四)101 年 陳瑞鈴、朱佳仁 集合式住宅對建築物自然通風的影響【10】 都會地區的集合式住宅大多緊密相連，建築物阻礙空氣流動，造成室外 風場微弱，空氣不易流通。因此即使建築物前後皆有向外的窗戶開口，周圍 建築物的遮蔽效應仍會導致建築物通風不良的狀況，室內容易產生悶熱、不 舒適的居室環境。本研究採用風洞實驗及計算流體動力學模式研究受周遭其 他建築物影響的集合式住宅建築物表面風壓及通風量換氣率。探討參數包括 室外風場（包括風速、風向角）、建築物的大小、間距及排列方式，期望能 定量評估集合式住宅的通風量。 本研究利用內政部建築研究所的風洞實驗室及多頻道壓力掃瞄計量測 單棟 L 型、ㄇ型等建築物及前後排列的雙棟矩形建築物的表面風壓係數。實