都市地區風環境流通效應影響評估分析研究

都市地區風環境流通效應影響評估分析研究 內政部建築研究所 協同研究報告 年度 104

都市地區風環境流通效應影響

評估分析研究

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 104 年 12 月

計畫編號：10415B0006

都市地區風環境流通效應影響

評估分析研究

計畫主持人：何明錦

協同主持人：方富民

研 究 員：黎益肇、蔡宜中、劉文欽、鐘政洋、許敬昀

研究助理：賴冠廷、吳宜芳

內 政 部建 築研 究 所協 同研 究 報告

中華民國 104 年 12 月

(本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見)

目次

圖次 ... III

表次 ... V

摘 要 ... VII

ABSTRACT ... XI

第一章 緒 論 ... 1

第一節

研究動機 ... 1

第二節

研究目的 ... 3

第三節

研究內容與方法... 4

第二章 文獻與理論背景分析 ... 5

第一節

地表風場特性 ... 5

第二節

建築物週遭氣流特性 ... 9

第三節

行人風場強風之改善方法 ... 14

第四節

都市通風改善對策 ... 16

第五節

國內環境風場相關規定 ... 19

第六節

強風之行人風場舒適度評估準則 ... 22

第七節

文獻回顧 ... 28

第三章 研究方法 ... 31

第一節

風洞試驗 ... 32

第二節

數值模擬方法 ... 38

第三節

典型建築街廓模擬 ... 40

第四節

研究區域模擬 ... 42

第四章 結果與討論 ... 47

第一節

氣象資料分析 ... 47

第四節

研究區模擬結果... 59

第五節

典型建築街廓模擬結果 ... 66

第五章 結論與建議 ... 73

第一節

結論 ... 73

第二節

建議 ... 75

附錄一 採購評選會議意見回應 ... 79

附錄二 期中審查會議意見及回應 ... 83

附錄三 專家座談會會議意見及回應 ... 87

附錄四 期末審查會議意見及回應 ... 91

附錄五 環境風場數值模擬準則 ... 95

附錄六 入流剖面 UDF ... 103

參考文獻 ... 107

圖 次

圖 1-1

都市熱島效應示意圖 ... 1

圖 2-1

不同地況下平均風速隨高度之變化示意圖 ... 7

圖 2-2

迎風面渦漩示意圖 ... 9

圖 2-3

建築尾流示意圖 ... 10

圖 2-4

穿堂風示意圖 ... 10

圖 2-5

角隅強風示意圖 ... 11

圖 2-6

遮蔽效應示意圖 ... 11

圖 2-7 金字塔效應示意圖 ... 12

圖 2-8 縮流效應示意圖 ... 12

圖 2-9 渠化效應示意圖 ... 13

圖 2-10

盛行風通風廊 ... 16

圖 2-11

通風廊與建築配置關係 ... 17

圖 2-12

入射角小於 30゜ ... 18

圖 2-13

盛行風垂直於立面 ... 18

圖 2-14

盛行與建築平行 ... 19

圖 2-14

板橋江翠北側重劃區域範圍 ... 21

圖 2-15

基地內建築物面寬限制 ... 21

圖 3-1 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 ... 33

圖 3-2 地表風速計剖面圖 ... 35

圖 3-3 使用動態皮托管校驗地表風速計 ... 35

圖 3-4

地表風速計校正回歸線 ... 35

圖 3-5 多頻道電子式壓力掃瞄器 ... 36

圖 3-6

風洞實驗室 B 地況風速剖面 ... 37

圖 3-7

棋盤式街廓示意圖 ... 40

圖 3-8

連棟式街廓示意圖 ... 41

圖 3-9

研究區範圍-新北市板橋區江子翠空照圖 ... 42

圖 3-10

風洞試驗模擬範圍 ... 43

圖 3-11

測點分布圖 ... 44

圖 4-1

板橋測站 2004-2014 風花圖 ... 48

圖 4-2

板橋測站 2004-2014 夏季風花圖 ... 48

圖 4-3

板橋測站 2004-2014 冬季風花圖 ... 49

圖 4-4

板橋地區 13:00-19:00 步行狀況下 SET*隨風速之變化圖 56

圖 4-5

板橋地區 13:00-19:00 站立狀況下 SET*隨風速之變化圖 56

圖 4-6

本國都會地區人體於站立狀況下 SET*隨風速之變化圖 .. 58

圖 4-7

研究區北風至南南東風測點無因次風速比較圖 ... 60

圖 4-8 研究區南風至北北西風測點無因次風速比較圖 ... 61

圖 4-9

研究區北風至東南東風行人高度無因次風速等值圖 ... 62

圖 4-10

研究區南風至北北西風行人高度無因次風速等值圖 ... 63

圖 4-11

研究區盛行風北風行人高度速度向量圖 ... 64

圖 4-12

研究區盛行風東風行人高度速度向量圖 ... 64

圖 4-13

研究區風洞試驗等效風速分布圖 ... 65

圖 4-14

無因次風速等值圖 ... 67

圖 4-15

廊道風速分析示意圖 ... 68

圖 4-16

廊道風速變化示意圖(

S

/D=0.25) ... 69

圖 4-17

廊道風速變化示意圖(

S

/D=0.5) ... 70

圖 4-18

廊道風速變化示意圖(

S

/D=1) ... 71

圖 A1

邊界處的柱體網格規劃示意圖 ... 97

表 次

表 2-1

大氣邊界層之

Α

、

Δ

及

Z₀

建議值 ... 8

表 2-2

行人風效應表 ... 23

表 2-3

各國強風舒適度評估準則 ... 25

表 2-4

SET*與感覺、生理現象之關係 ... 27

表 4-1

板橋測站溫度分析表(2004-2014)(°C) ... 49

表 4-2

板橋測站相對濕度分析表(2004-2014)(%) ... 50

表 4-3

各測點在不同風向角下的無因次風速結果 I ... 53

表 4-4

各測點在不同風向角下的無因次風速結果 II ... 54

表 4-5

各測點夏季等效平均風速 U

EQ

... 55

表 4-6

本國直轄市夏季舒適風速標準 ... 57

表 4-7

棋盤街廓案例對應之建築密度與容積率 ... 67

摘 要

關鍵詞：都市熱環境、自然通風、風洞試驗、數值模擬 一、研究緣起 都市地區因土地有限又快速開發使建築物密集興建，且逐漸往高層 化發展，高層建築物興建後對整個都市的風場形成阻礙，容易產生強風 或造成風流通阻礙，對行人的舒適性及安全具有一定程度的影響。而高 度都市化的結果，來自於大樓和柏油的太陽光的蓄熱，城市內部林立的 大樓中的空調設備被排出的熱空氣，樹木的減少所產生的城市圓頂效應， 也帶來異常的溫度上升現象。 行人風場是許多因素交互影響而成的複雜氣流運動，高層建築對風 場阻礙，將造成建築物四周氣 流之狀態及速度的改變，其影響因素眾多， 包括大氣邊界層特性、風向、風速、建築物量體、幾何外型以及鄰近之 建築群干擾效應等。風環境特性除影響行人及低樓層建築使用者的安全 性及舒適性問題外，良好的室外通風環境對於減緩都市熱島效應亦有所 幫助。 以往進行行人風場評估時僅在預防強風發生，缺乏考慮都市熱潛勢 較高區域的通風良窳，對於風環境舒適度的考量是不足的。都市區域風 環境分析研究可了解都市風廊道走向，在主要計畫階段作好風廊道導入 規劃。對於既有都市街廓可透過增設植栽或公園綠地手法在低風速區域 降低溫度。另外，在大型的建築開發案可就設計方案進行風場流通模擬 與比較分析，如有低風速或高溫區，可透過建築配置與設計手法加以改 善，使形成通風廊道，降低戶外熱環境的不舒適性。 二、研究方法及過程

一、國內外研究文獻之蒐集與整理 (1) 蒐集國內外都市地區風環境流通效應影響評估分析之相關資料。 (2) 蒐集相關文獻及規範，探討相關規定對建築型態之影響。 二、研究區選定與模型製作 (1) 選定板橋江子翠北側為本研究之研究區，並進行現場調查確認量體 與細節。 (2) 製作數值模擬所需之 3D 模型以及風洞試驗之量體模型。 三、風洞試驗 (1) 進行研究區 16 個風向角之環境風場風洞試驗。 四、數值模擬 (1) 進行研究區 16 個風向角之環境風場數值模擬。 (2) 模擬 2 種典型都市街廓之通風效應。 五、舒適性評估 (1) 分別以風洞試驗及數值模擬結果評估分析研究區域內的風環境舒適 度，交叉比對各項數據。 六、準則草擬 (1) 草擬以數值模擬評估行人環境風場之準則，提供相關執行單位參 考。 (2) 依據典型都市街廓模擬分析結果，提出都市通風之改善對策。 三、重要發現 本研究重要發現如下： (1) 本研究初步於風洞實驗室進行板橋江子翠地區風洞模擬試驗，以地 表風速計量測行人高度之風速。在引入風速之氣象資料後估算夏季 之等效風速，再以 UC Berkeley Thermal Comfort Program 估算研究區 夏季下午時段，於不同風速下的 SET*體感溫度量尺。根據此風洞試 驗為基礎之分析流程，納入當地氣象資料，以作為初步評估戶外溫

大直轄市的舒適風速標準。初步推斷舒適風速 1 m/s 時，應可作為都 市地區判定弱風之舒適標準。

(3) 研究中採用之數值模式乃依據 AIJ 及 COST 等國外規範進行，除 AIJ 的實驗數據比對外，並配合本研究所進行之風洞試驗結果交互驗證， 得到相當不錯的結果，但在尾流弱風區則有低估之現象。相較於風 洞試驗，數值模擬可以得到更為全面之風場特性，對於分析都市地 區之風流通效應並提出設計規畫建議，應是可行且有效之工具。 (4) 依據典型街廓模擬結果，提出 2 點改善都市熱環境設計建議：(a)當 進行新市區開發時，由連棟式街廓結果可以發現，配合當地季風風 向，使街道走向與季風夾角小於 45°時，具有較佳之風廊道導引效果； (b)依據棋盤式街廓模擬結果，降低建築密度對氣流流通具有良好之 效果。如無法完全配合季風風向時，則建議可透過都市設計的手法， 例如劃定非建築用地、鼓勵狹窄街道兩旁的建築退縮、或增加建築 物臨接道路法定空地面積等方式來增加氣流流通。 四、主要建議事項 建議一 建立適用於本國都市熱環境舒適評估之風洞試驗方法與程序：立即 可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦單位：社團法人中華民國風工程學會 本計畫選定板橋江子翠地區作為都會示範區域，並針對此區域進行 了縮尺模型試驗與模擬風場的研究。其中，有關風洞試驗中採用之模型 縮尺、區域範圍、入流風速地況之選定，以及試驗量測設備(包括風速、 風壓量測儀器)之率定、匹配與系統整合等皆係在試驗精度與可行性的雙 重考慮下予以決定。研究中所採用之風洞試驗方法與程序應可作為未來

建立以數值模擬評估風環境的本土化技術規範：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所、內政部營建署、行政院環境保護署 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 近年來由於電腦硬體與效能之大幅提升，以數值模擬方法取代風洞 試驗進行問題之分析已逐漸形成一個趨勢，除了可以大幅節省許多金錢 與時間的付出外，並可以獲得更為完整且詳盡的變數動態資料以供設計 評估之所需。因此，以數值計算來模擬空間中流場變化分布的研究成為 另一種符合經濟性及實用性的選擇。然而，在進行行人環境風場數值模 擬時，需審慎處理相關參數之設定，否則將造成模擬之失真或導致錯誤 之環境風場模擬結果。因此，未來在數值模擬的相關應用技術上予以適 當的規範確有其必要性。 建議三 提出完整之都市風環境流通設計指引：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 本研究初步討論出都市地區風環境流通的影響因子，包含建築密度、 常季風風向、建築物高度等，並初步歸納出都市規劃設計建議。但都市 型態眾多，本年度研究無法概括所有都市街廓類型。建議後續可完整規 劃街廓類型參數，通盤討論影響因子，並與相關文獻比對後提出完整之 都市通風設計指引。 建議四 未來課題建議：中長期建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：社團法人中華民國風工程學會 綜合本研究心得，提出未來課題建議如後：

ABSTRACT

Keywords : urban thermal environment, natural ventilation, wind tunnel

experiments, numerical simulation

I. Introduction

Due to rapid development in urban territory where the available land limited, the newly constructed buildings become higher. As these high-rise buildings can generally affect the path and speed of local air flow, it results in different extents of pedestrian comfortability and safety. In summertime, heat due to solar radiation from asphalt road pavement and expelled warm air from buildings can also cause a significant increase of temperature when the local wind is weak.

The factors that affect the pedestrian wind field are complex. In urban area, they include the characteristics of local atmospheric boundary layer, wind direction and speed, the size and geometry of the local buildings and so on. The condition of wind environment can affect the extent of pedestrian comfortability and safety. A good wind environment can alleviate the strength of possible heat-island effect.

II. Research method and procedure

The project attempts to investigate the urban ventilation effect and explore the method of assessment by using numerical simulation and wind-tunnel testing. The work includes:

1. Collection of related studies,

2. Selection of investigation district and model establishment, 3. Execution of wind-tunnel tests,

4. Execution of numerical simulation, 5. Assessment of comfortability, and 6. Draft of guidelines.

then to find out the SET* temperature scale. Accordingly, a standard operation procedure can be established to assess the outdoor thermal environment.

2. Under the condition that it is 1 o’clock in a summer afternoon and a human is standing up, the comfortable wind speeds for the local six metropolitan cities are obtained based on a 30°C upper limit of comfortability.

3. By performing numerical simulation according to the specifications by AIJ and COST, the predicted results are generally in good agreement with those from the experiments.

4. According to the results of analysis about the two typical arrangements of buildings, suggestions are given in help with the planning of street blocks to improve the local thermal environment.

IV. Major suggestions

The major suggestions are

 to establish the wind tunnel test method and procedure for the assessment of local urban thermal environment,

 to draw up the local technical codes for the execution of numerical simulations in assessing the wind environment, and

 to construct the national design guidelines for the ventilation of urban thermal environment.

第 一 章 緒 論

第一節 研究動機

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。都市 地區的異常的溫度上升主要的原因，來自於大樓和柏油的太陽光的蓄熱、 城市內部林立的大樓中的空調所排出的熱空氣、以及樹木的減少所產生 的城市圓頂效應(如圖 1-1)。由於氣溫高出，所以會出現突然的降雨。近 幾年，大樓不斷向高空發展，河流沿岸被覆蓋，都遮擋著風的流動，加 劇了城市內部的高溫化。 圖 1-1 都市熱島效應示意圖 資料來源：維基百科https://zh.wikipedia.org

environment）的改變，進而影響行人在此區域活動之舒適性甚至於危害 行人的安全，因此對於新建高層建築的行人風場環境評估已是設計時的 必要條件。根據「開發行為應實施環境影響評估細目及範圍認定標準」 第二十六條中所述，高樓建築有下列情形者，應實施環境影響評估： (1)住宅大樓，其樓層三十層以上或高度一百公尺以上。 (2)辦公、商業或綜合性大樓，其樓層二十層以上或高度七十公尺以上。 在「開發行為環境影響評估作業準則」第二十二條中，開發行為中 除煙囪外有七十公尺以上之高層結構體者，其可能產生之風場、日照、 電波以及空氣污染物擴散之干擾等負面影響，應予預測及評估，並提出 因應對策；必要時應進行相關之模擬分析或試驗。 另新北市訂立板橋江子翠北側重劃區都市設計審議原則，並已於 102 年 10 月 1 日起實施，未來相關建案進行都市設計審議，若為沿河第 一排街廓的高層建築物，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。為促進環境通風的 效益，在建築物開發上，若能運用設計使各幢立面最大淨寬度與基地平 均寬度之百分比低於 70%，減少過去水岸建築物臨河景觀面最大化設計 方式，以拉開建築物間的棟距，除了能避免對水岸都市景觀之產生不良 影響外，還可藉由環境風對流降低都市的熱島效應。 以往進行行人風場評估時僅在預防強風發生，缺乏考慮都市熱潛勢 較高區域的通風良窳，對於風環境舒適度的考量是不足的。都市區域風 環境分析研究可了解都市風廊道走向，在主要計畫階段作好風廊道導入 規劃，對於既有都市街廓可透過增設植栽或公園綠地手法在低風速區域 降低溫度。另外，在大型的建築開發案可就設計方案進行風場流通模擬 與比較分析，如有低風速或高溫區，可透過建築配置與設計手法加以改 善，使形成通風廊道，有效降低戶外熱環境。

第二節 研究目的

環保署於民國 86 年 12 月 31 日發佈之「開發行為環境影響評估作業 準則」，其中第 22 條規定：「開發行為中除煙囪外有 70 公尺以上之高 層結構體者，其可能產生之風場、日照、電波以及空氣污染物擴散之干 擾等負面影響，應予預測及評估，並提出因應對策；必要時應進行相關 之模擬分析或試驗」。另第 42 條規定：「規劃高樓建築時，應重視其品 質與景觀之整性；並評估高樓建築對周遭環境所產生之風場、日照、電 波、交通、停車或帷幕牆反光以及室內停車場廢氣排放等之衝擊。」。 台北市「綜合設計公共開放空間設置及管理維護要點」第 7 條規定：「建 築高度超過 60 公尺，應作風洞效應評估，尤其側重超高層建築物所可能 產生之微氣候及對公共開放空間使用之影響。」以上兩法規均規定，高 層建築對周遭環境所產生之風場應加以評估，並提出適當的改善策略。 此規範主要是針對大樓興建後之強風所造路上行人的不舒適性而訂出之 規定。 但另一方面，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，常會導致如後現象：(1)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。目前僅 有新北市政府在都市審議規範中提及需考慮此問題之發生。 國內外有關都市地區行人環境風場舒適度評估的研究及應用頗多， 風洞試驗基本上以地表風速計量測等效風速後，結合當地氣象資料，選 擇適當的準則加以評估。而近年因計算機能量、計算流體軟體普及和計 算精度提升，以數值模擬結果來評估環境風場得以實現。在日本，目前 已有 70%以上的工程評估案均以 CFD 來完成，日本及歐洲也提出了模擬 準則來因應此一變革。

不舒適性。其次則為溫熱環境的熱舒適性，須考慮人體在戶外的各項舒 適性影響參數，並以增進都市通風為目的，在夏季時避免弱風(或無風)， 降低都市戶外高溫所造成之不舒適性。本研究旨在探討增進都市風環境 流通效應，也就是弱風的發生可增進戶外熱環境的行人舒適性，並以風 洞試驗探討其評估分析方法。另建構合理且精確的數值模擬方法，草擬 並條列相關準則，以供相關評估單位參考。最後以數值模擬系統化分析 典型都市街廓，提出都市通風設計改善之建議。

第三節 研究內容與方法

本研究之研究內容與步驟如下： 一、國內外研究文獻之蒐集與整理 (1) 蒐集國內外都市地區風環境流通效應影響評估分析之相關資料。 (2) 蒐集相關文獻及規範，探討相關規定對建築型態之影響。 二、研究區選定與模型製作 (1) 選定板橋江子翠北側為本研究之研究區，並進行現場調查確認量體 與細節。 (2) 製作數值模擬所需之 3D 模型以及風洞試驗之量體模型。 三、風洞試驗 (1) 進行研究區 16 個風向角之環境風場風洞試驗。 四、數值模擬 (1) 進行研究區 16 個風向角之環境風場數值模擬。 (2) 模擬 2 種典型都市街廓之通風效應。 五、舒適性評估 (1) 分別以風洞試驗及數值模擬結果評估分析研究區域內的風環境舒適 度，交叉比對各項數據。 六、準則草擬

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 接近地表風速愈慢(參見圖 2-1)，及此「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，而 於近地表上數百公尺高度的大氣邊界層範圍內。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： α δ δ       = Z U Z U( ) (2-1)

為定值之指數律可適用至梯度高度δ。○2 （2）對數律(logarithmic law) 邊界層厚度δ僅只為指數α之 函數。 愈接近地表的地方，其風速的擾動性愈高，解析描述也就愈加困難。 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 Zl * = (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/κ) u*ln(Z/Z0) (2-3)

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

length)。公式(2-3)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[20]：

( )

_100% .(%) . 5 . 0 2 × = i i U u I T (2-4)

有下列關係： 2 * 2 u u_i =β (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：[2]

表 2-1 大氣邊界層之α、δ及Z 建議值 ₀

參考文獻 Coastal Area Open Terrain Suburban Terrain

Centers of Large City α1 _δ2 _Z 03 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 – Cook, N. J – – 0.003 ∣ 0.01 – – 0.03 ∣ 0.1 – – 0.3 – – 0.8 ESDU – – – – – 0.02 ∣ 0.1 0.26 – 0.2 ∣ 0.6 0.35 – 0.7 ∣ 1.2 耐風設計 規範 － － – 0.15 300 – 0.25 400 – 0.36 資料來源：本研究整理

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 附近可能形成行人風場的氣流特性描述如下： 一、迎風面渦流(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流，當建築物斷面愈寬愈 大時，此種渦流現象愈明顯。 圖 2-2 迎風面渦漩示意圖 資料來源：本研究繪製 二、建築尾流(wake) 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，而增加風場的擾動性。

圖 2-3 建築尾流示意圖 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。 圖 2-4 穿堂風示意圖 資料來源：本研究繪製 四、角隅強風(corner flow) 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，

圖 2-5 角隅強風示意圖 資料來源：本研究繪製 五、遮蔽效應(shelter 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。 圖 2-6 遮蔽效應示意圖 資料來源：本研究繪製 六、金字塔效應(pyramid effect)

圖 2-7 金字塔效應示意圖 資料來源：本研究繪製 七、縮流效應(venture 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。 圖 2-8 縮流效應示意圖 資料來源：本研究繪製 八、渠化效應 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

圖 2-9 渠化效應示意圖 資料來源：本研究繪製

第三節 行人風場強風之改善方法

行人風場評估後若無法滿足區域使用目的，則應提出適當的改善措 施以滿足安全性與舒適性的要求，依據朱佳仁教授[2]提出之改善措施可 分為修改建築物的設計與在建築物周遭設置防風設施，分述如後[2]： 一、修改建築物的設計 (1) 建築物的座向：若建築物的迎風面為寬邊，則此迎風面與角隅處出 現強風的機率相對提高，迎面愈寬愈高，下切氣流會愈強，強風的 區域愈大。反之，建築物的寬邊座向與建築物平行，則下切氣流會 較弱。因此，設計時應注意盛行風與座向關係。 (2) 建築物的基座：若建築物底部數層有突出的基座、平台或裙樓，可 減少下切氣流對地面行人之干擾。但另一方面，下切氣流在突出基 座上方會形成強烈的渦流，可以配合其他防風設施以減緩下切氣流 的強度。 (3) 建築物角隅設計：若建築物外型有尖銳的角偶或較大的削角，則可 能會引發角偶渦流。若將角隅圓角化或採用多邊形，則可減弱角隅 渦流。 (4) 建築物之出入口：若大樓底層為挑空式設計或有前後貫通的街谷或 開口，則可能產生穿堂風，會對進出大樓及經過開口的行人形成干 擾。如設計上難以避免，則可考慮設置自動門、旋轉門或屏風等設 施，兼顧防風與出入安全。 (5) 中空式建築：若建築物的立面開了一個大型的中空開口，氣流可直 接穿透而過，則建築物迎風面與背風面的壓差會變小，迎風面的下 切氣流和角隅渦流亦會減弱，但中空開口處可能會產生穿堂風的現 象。 (6) 騎樓：建築物底部靠近街道處若採用騎樓式設計，不但可以遮日避

為圓弧形的斷面，氣流與建物表面分離的位置和雷諾數及其表面粗 糙度有關。 (8) 相鄰建築物的配置：高度相差太大的建築物若仳鄰而立，容易產生 較強的下切氣流，故設計時應儘量避免高度相差較大的建築物配置 在一起。近似高度與規模的建築群，則須注意其寛邊的座向儘量不 要和該地盛行風向一致或接近，以防止縮流效應或渠化現象。 二、設置防風設施 若建築物無法修改其設計，可以在建築物四周設置防風設施以改善 風場。防風設施包括防風柵網、植栽、棚架和雨披。以下分述之： (1) 防風柵網：防風柵、防風網或圍籬對於地表風場的影響有遮蔽、過 濾、偏向及導引等作用，其效果視防風柵網的高度、孔隙密度及其 座向與風向的關係而定。在防風設施後方 5 至 10 倍防風設施高度的 距離內，有最佳的防風效果。且防風柵網應與盛行風的方向垂直， 但必須考慮防風柵網是否會影響到周遭的視野、景觀或阻礙行人的 活動。 (2) 植栽：植栽對行人風場的改善效果類似防風柵網，且兼具有綠化、 美觀、改善空氣品質和吸收噪音的效用。至於防風效果則視植物之 種類及栽植方式而異，無論濃密或稀疏的樹林，對氣流都會產生阻 力，減低風速。過於濃密的樹林反而因貫穿氣流過少，在背風面形 成低壓區，造成逆向流，防風效果反而變差。孔隙密度在 30~50%之 間，會有最佳的防風效果。 (3) 棚架和雨披：大樓底部若常發生強風，可以設置棚架或雨披以減弱 下切氣流對地面行人的直接衝擊，且棚架可遮陽和遮雨，棚架下可 規劃為休憩、活動或商業區域，棚架上亦可種植爬藤式的植物以達 到綠化的功效。

第四節 都市通風改善對策

鄭[6]等針對都市通風提出幾點改善對策建議，分為通風廊(風道)以 及街道佈局 2 個面相來討論[6]： 一、通風廊/風道 (1) 沿盛行風方向設置通風廊道，並設置與通風廊交接的風道，可以驅 散熱氣、廢氣與微塵，改善區域氣候（圖 2-10）。 (2) 通風廊道應以大型空曠地帶，如：主要道路、綠地、綠帶…等相連， 而且須貫穿於社區街廓。通風廊道應沿盛行風方向延展，並配合海、 陸風的風向，形成帶狀網絡（圖 2-11）。 (3) 對於連接主要道路或通風廊的街道，應將建物設置與風道及通風廊 呈直角狀或成一定角度接續，並持續伸延一段距離，增加社區通風 程度。 圖 2-10 盛行風通風廊 資料來源：[6]

圖 2-11 通風廊與建築配置關係 資料來源：[6] 二、街道佈局 (1) 主要街道應與盛行風方向平行或最大成 30∘，使盛行風得以進入社 區（圖 2-12）。 (2) 與盛行風成直角的建築面寬應儘量縮短，此可減少熱氣滯留長度與 時程，更可為社區增闢通風廊道（圖 2-13）。 (3) 基地配置時，應將建築物較長面寬與風向平行，並適度退縮建築牆 面線，形成開放空間，以利空氣流通（圖 2-14）。

圖 2-12 入射角小於 30゜ 資料來源：[6]

圖 2-13 盛行風垂直於立面 資料來源：[6]

圖 2-14 盛行與建築平行 資料來源：[6]

第五節 國內環境風場相關規定

一、環保署 依據我國環保署於民國 86 年 12 月 31 日發佈之「開發行為環境影響 評估作業準則」，於第 22 條中規定：「開發行為中除煙囪外有 70 公尺 以上之高層結構體者，其可能產生之風場、日照、電波以及空氣污染物 擴散之干擾等負面影響，應予預測及評估，並提出因應對策；必要時應 進行相關之模擬分析或試驗」。 第 42 條亦規定：「規劃高樓建築時，應重視其品質與景觀之整性； 並評估高樓建築對周遭環境所產生之風場、日照、電波、交通、停車或 帷幕牆反光以及室內停車場廢氣排放等之衝擊」。 二、台北市政府 為了評估高層建築對環境微氣候的影響，台北市「綜合設計公共開 放空間設置及管理維護要點」第 7 條亦規定：「建築高度超過 60 公尺，

三、新北市政府 新北市政府針對板橋江子翠北側重劃區，其地點與範圍如圖 2-8 所 示，首創全國第一個提出風環境管事項的都市審議規則，該規則共包含 三點如下： 建築基地平均寬度大於十五公尺以上者，建築物各幢立面最大寬度 （以淨寬度計算）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。(如下圖 2-9 所示) 為促進環境通風的效果，降低都市熱島效應，並避免高樓風對人行 的影響，沿河第一排街廓之高層建築物，應提出環境風場試驗成果說明。 為確保通風廊道與景觀廊道的功能，垂直河岸道路留設之四公尺無 遮簷人行道，規劃時應能保持良好自然環境視覺通透，且全天二十四小 時供公共人行通行，並得計入法定空地。所留設之無遮簷人行道，除考 量夜間照明外，應與相鄰道路之人行道高程齊平，且沿該無遮簷人行道 兩側 1.5 公尺範圍內植栽喬木以綠化。 以上第一點係為避免建築物過於寬扁而影響其下游的環境通風效果， 將開放空間加大，可增加通風效果。同時為了確認環境通風效益且降低 都市熱島效應，並避免行人強風，規定沿岸第一排建築應提出環境風場 風洞試驗成果說明，這也足以說明過去高層建築僅針對行人強風探討， 現在對於環境通風效益也相對重視。同時於第 3 點為了使垂直河岸道路 增加開放空間規定應留設 4 公尺的無遮簷人行道。

圖 2-14 板橋江翠北側重劃區域範圍 資料來源：[8]

圖 2-15 基地內建築物面寬限制 資料來源：[8]

第六節 強風之行人風場舒適度評估準則

一、強風風環境舒適性 強風行人環境風場評估乃根據風洞試驗的量測值，配合標的物當地 的氣象資料，計算各測點不同風速之發生機率，再引用舒適性評估準則， 而得到風場環境評結果。一般而言，中央氣象局所得之風速資料為每小 時前 10 分鐘的平均風速，且在高風速的發生機 率相當小；另基於安全考 量，行人於颱風來臨時不會長時間駐留於戶外，故在颱風來時風速不予 納入。由於上述情況，使得取得氣象資料的風速發生機率往往限制在風 速 20 m/s 以內，對於高風速機率資料便不在分析範圍內。 有鑑於此，在進行風洞模擬試驗前應先針對氣象局的每小時前 10 分鐘的風速風向資料進行機率分析，並採用適當之機率密度函數來計算 強風發生的機率。一般常用來描述風速風向發生機率的函數有極值分佈 I 型(Type I extreme value distribution)、極值分佈 II 型(Type II extreme value distribution)、韋伯分佈(Weibull distribution)以及萊利分佈(Rayleigh distribution)等。依據丁等[1]之研究發現，為使風速風向機率密度函數與 分析資料具較佳的吻合度，建議採用韋伯分佈函數，其公式如下：               − − = > i a i i U U U P( ) 1 exp (2-6) 其中，Pi為風速高於 U 之發生機率； ai為各風向的機率函數的形狀因子； Ui為各風向機率函數之尺度因子，i 代表 16 個風向代號(間隔 22.5°)。氣 象資料分析方法須將受測區域之中央氣象局測站 10 年以上的氣象資料 進行統計分析，計算逐時 16 個風向角的風速發生機率，再對上述函數做 統計分析。 在評估建築物周圍行人風場時，有關「舒適性」以及「安全性」的 評估判定須以人體受風感受、高風速發生機率、陣風風速以及評估區域

受風舒適度試驗，研究發現行人的活動在風速低於 6 m/s 時不會受到影 響，當風速大於 9 m/s 時會影響行人的活動，若風速超過 15 m/s 後會導 致行走困難，一旦風速超過 20 m/s 後則會發生危險。此外，Melbourn 等 [39]在建築物周邊進行風場調查後發現，當瞬間風速達到 20 m/s 以上將 使人體失去平衡；若瞬間風速超過 25 m/s 以上時，行人將有被吹走之虞。 整體而言，在標準設計情況下，因風強度導致的不等程度之不舒適感可 概分為 9 類，如表 2-2 所示。 表 2-2 行人風效應表 蒲福風級 名稱 風速(km/hr) 風效應描述 0,1 無風-軟風 0~5.4 平靜,無可察覺之風。 2 輕風 5.5~11.9 臉頰上感覺到風之輕拂。 3 微風 12~19.4 輕質旗幟招展； 擾動頭髮； 衣襟飄動。 4 和風 19.5~28.4 塵土揚起,紙片飛動； 頭髮吹亂。 5 清風 28.5~38.5 身體可感覺到風力； 雪被吹離地面； 令人覺得愉快的地面風的上 限。 6 強風 38.6~49.7 舉傘困難頭髮被吹直； 穩步行走困難； 耳邊之風聲令人不悅； 吹離地面之飛雪越過行人高 度。 7 疾風 49.8~61.6 行走覺得不便 8 大風 61.7~74.5 前行困難； 在陣風中保持身體之平衡極

評估風場環境對行人的影響為具有高度主觀性，至今仍未有一致的 標準。而在評估行人環境風場的舒適度與安全性主要考慮人體受風感受、 高風速出現機率、陣風風速以及評估區域的使用特性，故在選用適當的 行人舒適性風速分級標準以及訂定各級風速標準的容許發生頻率為其要 件。由以往的研究中可以發現不同研究者提出不同的風速分級標準和不 同的發生頻率，研究成果如表 2-3 所示。而國際間著名實驗室及顧問公 司 所 採用之 評估 準則也有所不同 ，如 RWDI 風工程顧問公司依據 Williams 與 Soligo[50]、Lawson 與 Penwarden[37]、Penwarden 與 Wise[45] 等人的研究，發展了一套舒適性評估準則。CPP 風工程顧問公司則採行 Melbourne[39]、Hunt 等[32]、Lawson 等[37]以及 Isyumov 與 Davenport[35] 等評估準則。西安大 略大學 (University of Western Ontario)風洞實驗室則 是根據 Penwarden 與 Wise 以及 Isyumov 與 Davenport 等人的研究提出其 舒適性評估準則。內政部建築研究所亦於 2000 年及 2011 年提出舒適性 評估準則研究，其中郭[10]於風洞中進行人體舒適度調查後研擬相應準 則，並與各國準則評估結果做比較。 所謂強風舒適性評估準乃依人體不舒適性的程度、使用區域設計用 途以及當地的風氣象而會有不同的發生頻率 (次數)，倘若這些發生的頻 率被判定為過高，相關之「不舒適性」程度分類即被認為是「無法接受」。 譬如，於某些地區偶爾會有很強的風勢發生，但由於發生機率並不高， 因此行人感覺其可被接受。相對的，某些地區雖然風勢並不強，但是由 於發生的頻率較高，人們會覺得該地區常在刮風，常覺得擾人且無法接 受。除此之外，區域之設計用途同時也須納入考量。譬如露天餐廳或咖 啡座等需要有長時間坐定之規劃，而公園、開放廣場等區域僅需滿足短 時間停留之目的即可。

表 2-3 各國強風舒適度評估準則 評估標準 活動性 風速 範圍(m/s) 發生機率底限 Lawson and Penwarden 長時間停留 _U 3.4 <4% 站立 _U 5.5 <4% 行走 _U 8.0 <4% 不舒適 _U 13.9 >2% Isyumov and Davenport 長時間停留 _U >3.6 <1.5% 短時間停留 _U >5.3 <1.5% 行走 _U >9.8 <1.5% 危險 _U >15.1 >0.02% Hunt et al. _{長時間停留} rms U U+3 >6 <10% 短時間停留 U+3U_rms >9 <10% 行走 rms U U+3 >9 >10% 不舒適 _U >9 >1% Melbourne _{長時間停留} rms U U+3.5 >10 <0.075% 短時間停留 U+3.5U_rms >13 <0.075% 行走 rms U U+3.5 >16 <0.075% 危險 rms U U+3.5 >23 >0.075% Boston (1981) 舒適 rms U U+1.5 >13.9 <1% 不舒適 rms U U+1.5 >13.9 >1% Murakami et al 露天餐廳 rms U U+2.5 >10 <10% 公園 rms U U+2.5 >10 <22% 人行道 rms U U+2.5 >10 <35% 危險 rms U U+2.5 >20 >1.5% 郭建源 _{長時間停留} rms U U +3 7.8 <0.06 % 短時間停留 rms U U+3 10.8 <0.09 % 行走 rms U U+3 12.7 <0.32 % 不舒適 rms U U+3 14.4 <1.24 % 危險 rms U U+3 14.4 >1.24 % San Francisco (1989) 坐定 rms U U+2.7 >3.1 <10% 行走 _U+2.7U >4.9 <10%

二、體感溫度指標

影響人體對環境的冷熱感覺項目，主要分為環境因素及人體因素兩 大部分，其中環境因素即為氣溫、濕度、周壁輻射溫度與風速；人體因 素則是代謝量與著衣量。近年來許多戶外熱環境研究所使用之熱舒適指 標被提出使用，其中以 MRT(mean radiant temperature)、SET*(Standard effective temperature)及 PET(physiological equivalent temperature)熱舒適 度指標，最常被國內、外學者用來評量戶外環境的熱舒適度。 MRT 是指環境四周表面對人體輻射作用的平均溫度。可反應出直接 日射、全天空漫射、短波反射、大氣反射及周圍物體表面之紅外線輻射 等，直接與綠化植栽、戶外遮蔭、牆面顏色有密切關係。當周圍環境表 面的溫度與空氣溫度相差甚遠時，人體的冷熱感覺必須考慮氣溫與周圍 輻射的總和作用。

生理等效溫度（PET）是由德國 Peter Höppe [31]為首的研究小組於 1999 提出，修改自 Fanger[30] 的室內熱舒適性指標 PMV、PPD。PET 藉 由分配適當的參數，來為更複雜的戶外輻射環境調整其模型，以適用於 戶外環境。PET 結合了各種氣候和生理參數，包括氣溫、相對濕度、太 陽輻射、空氣流動、服裝和代謝率，因其衡量單位為℃，所以易於被理 解。根據 Höppe[31]對 PET 的定義，係指在一個典型室內環境的空氣溫 度中，以人體的體感溫度、皮膚溫度與複雜的戶外環境進行熱平衡的預 算與評估。 如以行人體感溫度舒適度角度出發，著重於規範最小風速值之訂定， 針對下午及晚上時段之氣候狀況，以 SET*舒適指標檢驗 2 公尺高度處之 行人風場是相當合適的。SET*是美國空調協會 ASHRAE 綜合人體對於 溫熱環境反應之指標，綜合考慮了溫度、相對濕度、風速、平均輻射溫 度、人體新陳代謝率和著衣量，共六個主要參數。 ASHRAE 將 SET*定義為，某個空氣溫度等於平均輻射溫度的等溫

溫度和皮膚濕潤度相同時，則必將具有相同的熱損失，這個溫度就是前 述實際環境的 SET*。SET*指標相對應在人體生理現象與感覺如表 2-4 所示，Matzarakis[38]等學者將人體感覺舒適、可接受的範圍定義在 SET* 25.6~22.2 ℃。 表 2-4 SET*與感覺、生理現象之關係 SET* (°C) 感覺 生理現象 >37.5 非常熱，極大不舒適 蒸發調節失敗的增加 37.5-34.5 熱，非常不能接受 大量出汗 34.5-30 溫暖，不舒服、不能接受 出汗 30-25.6 稍微溫暖，輕微不能接受 輕微出汗, 血管舒張 25.6-22.2 舒適，可接受 生理熱中性 22.2-17.5 稍微涼爽，輕微不能接受 血管開始收縮 17.5-14.5 涼爽，不能接受 身體緩慢降溫 14.5-10 冷，非常不能接受 開始發抖 資料來源：[38] 三、平均風速指標 在平衡考慮理想的基本風環境條件和現時實際的建築環境下，香港 中文大學[3]針對香港地區須提交空氣流通評估的發展用地，提出了一個 風環境評估標準。每小時平均風速中位數達至 1 米/秒，其效果大致與撥 扇取涼的效果相符。本標準包括下列兩個可以達標的方法： (1) 當評估地區內 80%的測試點達至： 全年每小時平均風速的中位數≧1 米/秒及 夏季每小時平均風速的中位數≧1 米/秒。

評估表現要求 80%的測試點要達至不少於每秒一米是考慮到在某些 建築物後面會無可避免地存在孤立的弱風區。要求 95%的測試點要達至 不少於每秒 0.6 米，是為防止滯風環境的出現。

第七節 文獻回顧

林等[7]針對 2007 年台南市大林住宅都市更新計畫之計畫範圍，進 行定點觀測，以實測資料驗證 CFD 模擬計算研究地區之風環境。在歸納 整理台南市氣象站資料後，參考國內外風環境指標之檢測及考量人體舒 適度 SET*舒適指標檢測值之分析，以絕對評估法與相對評估法兩概念為 主軸，訂出下午及晚上時段最適風速範圍，以評估研究地區行人風場。 另依都市規劃中管制機制(建蔽率與容積率)，訂定四套組合的模擬分析， 再配合先前所歸納出的綜合性之風環境檢測指標，檢驗現行法規下大林 住宅都市更新區之風環境情形。最後，突破容積率之管制及周邊建物不 變更之限制，提出增加建築量體及設置風廊道的策略，改善該都市更新 的風環境。 香港中文大學對於香港地區的行政摘要建議[3]提出如後幾點建議： (1)將都市氣候規劃建議圖、風環境評估標準和改善建築環境的規劃及設 計措施，納入香港規劃標準與準則，為公共和私人發展項目作出指引； (2)適當地修訂聯合技術通告第 1/06 號(相當於建築技術規則)，以訂明空 氣流通評估的改良方法和風環境評估標準；(3)在地區層面，協調合適的 規劃措施，包括限制建築密度、建築物高度和地面覆蓋率、提供通風廊 及風道、連接綠化和開敞空間，以增加市區的通透度和減少熱負荷；(4) 在要求公共專案在前期的規劃和設計階段，依照經修訂的技術通告進行 空氣流通評估，並確保項目在空氣流通方面達標；(5)於公眾地方和休憩 空間廣泛推廣綠化，特別提倡植樹，以改善城市環境的熱舒適度；(6) 採

證明發展專案在空氣流通方面是可達到標準的。 Yoshie 等[54]在日本新宿某區域進行長期的風速測量。將測點得到 的風速資料與風洞實驗、數值模擬做比較。數值模擬的部分則是使用三 種不同 CFD 軟體與繪製三種不同的網格來進行比較。入流風速是設定 為新宿三井大樓(237 m)與 KDD Building(187 m)量測的風速，將數值模擬 的結果與實場、風洞實驗同時進行比較研究後發現，在弱風且尾流區的 地方模擬並不是令人滿意，但在強風區的精確度是比較高的(強風區實場 與模擬誤差 10%)，至於實場模擬方面，並不是不完全符合實場量測，但 對於精準度的判定是較困難的。在紊流模式的比較，標準紊流模式的結 果要比 RANS 紊流模式來的好，雖然標準紊流模式會有放大渦漩能量的 情況，但在採用 LES 模型時，這些情況可以有效改善的。然而，如採行 LES 來模擬，其計算量超出一般工程應用的負荷，故建議模擬評估環境 行人風場還是使用平均風速來的恰當。此外，若要取得有效風速，則是 平均風速乘上紊流強度即可。 日本建築學會(AIJ)[53]進行了大量的數值模擬、風洞試驗、實地量 測和不同的計算流體力學軟體。計算流體力學模擬主要是以 RANS 模型 進行模擬，礙於龐大的計算量與時間，使用 LES 模型可以獲得更精準的 分析結果，並藉由 7 種案例互相比較提出較佳模擬風場環境的指南，並 與歐洲規範(COST, European Cooperation in the field of Scientific and Technical Research)比較其異同。 Mochida 等[40]回顧了近幾年在計算風工程(CWE)領域中，於預測都 市區域行人高度之風和熱環境等在主要日本相關領域的研究。研究中除 了概略回顧近十年常用的紊流模型及其應用於風環境相關問題外，並介 紹了 AIJ 在風環境 CFD 與實驗交互比對合作計劃的結果。接著，也條列 了披覆流(canopy flows)包含植栽、矮小建築群、移動汽車等之模式，並 介紹該領域目前的成果。列舉之數值模擬結果顯示，在街廓中加入植栽

測點散布於公寓住宅區之間，進行夏季的熱環境因子實測，且為估算民 眾於此環境之熱舒適，則以 量測數據導出SET*與 MRT，更利用 CFD 軟 體模擬出公寓大樓之間大氣溫度、濕度、建物表面溫度、SET*及 MRT 之水平分布圖，以此作改變建物外觀型態、或種植植栽，來改善戶外熱 環境的預測。此研究結論證明，數值模擬方法對於戶外熱環境的設計是 一個極有幫助的工具。

第 三 章 研 究 方 法

本研究選定台灣都會研究區域-板橋江子翠地區進行模擬風場研究， 其模型縮尺為 1/250，入流風速擬採市郊地況(B 地況)。模擬範圍為半徑 450 公尺區域，範圍內建築量體約為 70-80 棟，以保麗龍製作量體模型。 風速量測以 Irwin 探針量測行人高度(約 2 公尺)處之平均及擾動風速， 據以了解風速風向特性及評估該地區之風環境舒適性，並作為數值模擬 驗證之參考依據。 一般而言，就現有計算機能量直接模擬(DNS)都市地區環境風場在 實務上是難以做到的。雖然大渦模擬(large eddy simulation)可有效降低計 算量，且就現有的紊流模式來看，其精度高於其他模式，目前在工程應 用上較難實現。而最常被使用的 standard k–ε model 在建築屋頂區域 具有紊流動能高估的問題(Murakami et al.,1990)，但基於 RANS(Reynolds averaged Naiver-Stokes)穩態(steady-state)計算的 standard k–ε model 還 是具有且高成本效益的特性，因此許多學者對於 standard k–ε model 提出有效的修正方式，諸如 RNG 等紊流模型。本研究之風環境數值模 擬採用 RANS 進行評估，並遵守日本建築學會(AIJ)風環境 CFD 模擬指 針，據以獲得正確且完整之風環境資訊。 另由於本研究主要考量夏季下午時段為溫熱感應最嚴酷之時段，研 究中蒐集分析氣象資料後得到夏季之風速、溫度及濕度統計資料，計算 受測區域夏季下午的體感溫度 SET*指標，據以評估受測區的溫熱環境舒 適性。 本研究另規劃 2 種典型都市地區的建築街廓型式，由不同的外型配 置參數改變下，探討其對於空氣流通效應的影響，並提出適當建議做為 未來都市規劃設計的方向。

第一節 風洞試驗

本研究風洞試驗於內政部建築研究所風洞實驗室進行，其風洞本體 為一垂直向的封閉迴路系統，總長度為 77.9m，最大寬度為 9.12m，最大 高度為 15.9m，為東南亞目前最大之建築風洞實驗室。 整個風洞本體具有兩個測試區段，第一測試區中配置有 2 個旋轉盤， 第一座旋轉盤直徑 1m，安置於距測試區入口處 3m 處，從事一般流體力 學研究；第二座旋轉盤直徑 2.6 m，置於可移動式軌道上，定位於距測試 區入口端約 25.5m 或 31.5m 處，並以機械控制使其做旋轉及上下運動， 以進行建築物受風力作用的空氣動力學研究及污染擴散試驗為主。第二 測試區則配置一座旋轉盤，位於風洞本體整流段出口 15m 處，轉盤直徑 為 2.6 m，主要用途以橋梁測試為主。 環境風場試驗於本實驗室第一測試段之第二旋轉盤進行，本測試段 長 36.5 公尺、寬 4 公尺、高 2.6 公尺，最大風速為 30 公尺/秒。風洞頂 部為可調式上蓋板，以維持測試段壓力梯度為零，並將阻塞比降到最低。 實驗室相應性能參數與配置圖如圖 3-1 所示。 一、循環式風洞性能 (一)、風洞尺寸 測試段長度 36.5 m 測試段寬度 4 m 收縮比 4.7:1 (二)、驅動系統 總功率 500 kW 風扇型式 直接傳動軸流式風扇 風速控制 變頻器控制馬達轉速

邊界層厚度 最高 200 cm 紊流強度 測試區處約 2 % (四)、順風向壓力梯度 零梯度由可調式上蓋板調整 圖 3-1 建研所循環式大氣邊界層風洞性能 資料來源：【本研究整理】 二、風速量測設備 (a) 皮托管 本研究採用皮托管進行來流平均風速之量測，由皮托管所量測到的 壓力差值，利用伯努利方程式(Bernoulli equation)，即依據後式計算出相 應之風速。

行。所謂熱線測速儀是利用電流通過金屬導線時會使導線溫度升高，而 當流體流經金屬表面時會帶走部分熱量之原理來量測流體之速度。當探 針(probe)所在位置之電阻 R 值因溫度之改變而改變時，使得電橋失去平 衡。本實驗室所有之恆溫式 流速儀，利用補償電路(compensating circuit)， 因應流速之變動，對流經探測元之電流做瞬間之改變來維持探測元之操 作溫度固定不變(因而探測元之電阻亦不變 )，使電橋保持平衡狀態。如 此即可經由回饋電壓的變化來得知所要量測流場中流速之變化。實驗中， 將測速儀裝設於可垂直與橫向移動的移動機構，測針擺設位置均以電腦 控制。 (c) 地表風速計 在進行行人環境風場試驗時，於風 洞實驗中須定義行人高度的風場， 在風速的量測上，通常需要在不同的風向情況下，量測許多接近地表、 不同位置的測點。由於邊界條件的複雜，導致各測點風向的高度不準確 性。再加上紊流強度高，傳統之量測工具如皮托管與熱流速儀使用起來 相當困難，其誤差亦大。 本案之行人高度風速量測採用 Irwin[36]於 1981 年所發展出來的無 方向性地表風速計測器來進行，其原理是利用管與管中之細管(即管中管， 內外兩管共一中心軸，但內管突出較高)，兩者間之壓力差，參照預先率 定之結果，可迅速、正確地量測到行人高度上之水平方向風速。如下圖 3-2 所示。而其風速計算方式如下式所示，其中 u 為風速，△P 為上述兩 內外管之壓力差，α、β則為公式常數。 P u=α +β ∆ (3-1) 進行試驗前須率定每個地表風速計(Irwin probe) 之α、β值方能進 行風速計算，本研究以用三維動態皮托管進行率定，如圖 3-3 所示。將

可得α、β值。

圖 3-2 地表風速計剖面圖 資料來源：[36]

圖 3-3 使用動態皮托管校驗地表風速計 資料來源：本研究整理

三、壓力量測設備 前述之風速量測方法中，亦涉及壓力之量測。本計畫採用多頻道電 子式壓力掃描閥，用來同步擷取作用於結構表面各點的瞬時風壓，經過 適當的處理便可得到結構系統所受之平均風力、擾動風力以及外牆所受 之局部風壓。 本儀器為 SCANIVALVE 公司之產品，如圖 3-5 所示，其元件包括： 1. 壓力訊號處理系統(RADBASE3200) (1) 最多可支援 8 組類比訊號轉換成數位訊號之轉換器(A/D MODULE) (2) 最多可支援 8 組壓力感應模組，共 512 個壓力量測點。

(3) 其類比訊號轉換成數位訊號(A/D convert)解析度達 16bit。 (4) 最大採樣速率可達 500Hz (5) 採用 USB 介面傳輸。 (6) 具備網路控制與傳輸功能。 2. 壓力感應器模組特性： (1) 壓力感應範圍為±10in H2O。 (2). 誤差範圍為±0.2%。 實驗中將各個風壓孔之壓力訊號經 PVC 管傳遞至壓力感應器模組， 其量得之訊號傳至壓力訊號處理系統計算後所得壓力值傳回電腦。

四、風速剖面 本研究於 B 地況中進行風洞試驗，圖 3-6 為建研所風洞實驗室 B 地 況之平均風速剖面及其紊流強度剖面，指數律α=0.25，邊界層厚度δ =1.6 m，相應縮尺為 1/250，平均風速符合我國「建築物耐風設計規範與 解說」所定義之 B 地況特性。紊流強度部分，近地表紊流強度約為 28 %， 隨高度逐步衰減，在邊界層層緣處約為 8 %。 (a)平均速度 (b)紊流強度 圖 3-6 風洞實驗室 B 地況風速剖面 資料來源：【本研究整理】 Umean/Uδ z /δ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Experimental α=0.25 Turbulence Intensity (%) z /δ 0 10 20 30 40 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

第二節 數值模擬方法

近年來由於電腦效能大幅提升，以數值模擬方法代替實驗，可大幅 節省許多金錢與時間的付出，因此以數值模式來模擬空間中流體分布的 研究成為另一種符合經濟性及實用性的選擇，而數值模擬在環境風場的 應用愈趨普遍。相較於風洞試驗，數值模擬可在無縮尺狀況下模擬建築 周圍環境微氣候，並較經濟地獲致完整之風場資訊，對於分析探討都市 地區風環境影響評估有莫大的助益，惟計算域、格網解析度、紊流模式 選定等相關之參數設定需要風洞試驗數據來做進一步確認。 本研究採用泛用型計算流體力學軟體 FLUENT 進行風場模擬工作， 其乃基於以有限體積法(finite-volume method)為架構所建構出來的計算 流體動力學程式，以求解如下之連續方程式與動量方程式： 0 = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ z w y v x u

(3-2)

) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 z w y w x w f x p z w w y w v x w u t w z v y v x v f x p z v w y v v x v u t v z u y u x u f x p z u w y u v x u u t u z y x ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + + ∂ ∂ − = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + + ∂ ∂ − = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + + ∂ ∂ − = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ ν ρ ν ρ ν ρ

(3-3)

其中，u、v、w 為速度在 x、y、z 三個方向之分量；t 為時間；fx、fy、 fz為場加速度在 x、y、z 座標上之分量；p 為壓力；ρ與ν分別為流體 之密度與運動黏滯度(kinematic viscosity)。FLUENT 採用有限體積法為主 要架構，進而求解連續方程式與動量方程式在流場的速度及壓力，以克 服對於複雜幾何形狀計算域的適用性問題。

另在 RANS 模式下採用 realizable k–ε model 進行建築周圍微氣候 之模擬。本模式滿足雷諾應力的約束條件，可以更精確地模擬平面和圓

model 的缺點，提升精度。 本研究之數值模擬乃依據 AIJ 所建議之數值模擬準則(附錄 5)來進行， 入流邊界條件其平均風速剖面公式乃依據 power law 給定，可由圖 3-6 的風洞實驗室量得之平均風速回歸得到 α 為 0.25。依實場的邊界層厚度 給定為 400 公尺，紊流強度剖面公式同樣依據風洞實驗室量測結果進行 回歸所得，其公式為： 5 3 . 0 z 0.18 -0.26 I(z)       = δ (3-4) 接著由 AIJ guideline(附錄 5)的紊流強度建議式 A2 計算紊流動能。 另從紊流消散率建議，依據自保持理論，在邊界層中假設紊流消散率 ε 與 production 項相近，將紊流動能與平均風速公式 A3 計算紊流消散率。

第三節 典型建築街廓模擬

為探討建築街廓特性對於都市通風之影響因子進而初步研議都市通 風廊道設計指引，本研究設計 2 種典型都市區域街廓型式，分別為棋盤 式與連棟式。棋盤式街廓如圖 3-9 所示，由 5×5 共 25 棟方形斷面建築所 構成。建築面寬(D)為 25 公尺，調整 3 組棟距 S/D 分別為 1、0.5、0.25(25 公尺、12.5 公尺、6.25 公尺)，3 組樓高 h/D=1、3、5(25 公尺、50 公尺、 125 公尺；約為 6 樓、12 樓、31 樓)，3 組風向θ=0°、22.5°、45°，合計 共 27 組案例。 Central Line 20h 7D u(z) u(z) 3 h h

連棟式街廓由 5 棟矩形斷面建築所構成，可視為連棟式建築之設計。 一般來說，此類建築設計因考慮地震力作用，大多不會設計得太高。研 究中建築面寬(D)為 25 公尺，深度 W=5D(125 公尺)，採用 3 組棟距 S/D=1、 0.5、0.25 等 3 組樓高 h/D=1、2、3(25 公尺、50 公尺、75 公尺；約為 6 樓、12 樓、18 樓)。由於本案例為非對稱排列型式，理論上來說當θ=90° 時，相鄰兩棟間的廊道會形成尾流區，不利於通風。為通盤比較風向對 於通風效果的影響以提出合理的建議，於此採用 4 組風向θ=0°，22.5°， 45°、67.5°。合計共 36 組案例。 Central Line 20h 7D u(z) u(z) 3h h

第四節 研究區域模擬

本研究選定新北市板橋區江子翠區域作為研究區(如圖 3-11)，模擬 範圍為半徑 450 公尺。區域中間有 64 號東西向快速道路橫越，另為大漢 橋之起點向北與新莊連接。區域北側靠基隆河有板橋巨蛋大樓，高約 136 公尺，其餘部分高樓均落在東北側區域，高約 30-60 公尺之間。南側區 域建築較為低矮，屬於老舊型社區，高度多落在 3-6 樓之間(約 12 公尺-24 公尺之間)，本區域數值地形圖如圖 3-12 所示。由於受到實驗室現有環 境限制，僅於標註之方形區域內佈設地表風速計，風速計佈設點位分布 如圖 3-13 所示，基本上是採均勻配置。 本實驗於內政部建築研究所風洞實驗室進行(如圖 3-14)，地表風速 計按圖 3-13 安裝於圓盤中心區域(圖 3-15)。入流風場地況為 B 地況，邊 界層層緣風速(Uδ)為 11.93 m/s。實驗時以北風為起點，標記為 0°，每 22.5° 逆時針學旋轉圓盤一次，共 16 個風向角。每次紀錄地表風速計資料，實 驗取樣頻率為 250 Hz，取樣時間為 132 秒。

模 擬 半 徑 ： 400 公尺

試 驗 縮 尺 ： 1/250

圖 3-10 風洞試驗模擬範圍 資料來源：本研究繪製

模 擬 半 徑 ： 400 公尺

試 驗 縮 尺 ： 1/250

圖 3-11 測點分布圖 資料來源：本研究繪製 1 2 3 4 5 8 7 6 11 9 10 13 14 16 15 12 17 26 20 19 24 18 22 35 29 21 34 23 31 33 30 25 32 36 27 37 28

圖 3-12 風洞試驗配置 資料來源：本研究拍攝

圖 3-13 地表風速計埋設 資料來源：本研究拍攝

本研究同時針對研究區進行 CFD 模擬評估，相應之計算區域、建築 配置、入流條件、風向角等基本設定與風洞試驗相同，數值模擬之圓盤 配置如圖 3-16 所示。格網疏密分配原則為鄰近建築流場變化較劇烈，以 及近地面行人高度位置需較高之精度，上述區域採用較密的格網。其中， 計算所採用之最小網格尺寸為 0.5 m，最大網格尺寸則為 12.5 m。 圖 3-14 研究區 CFD 格網模型 資料來源：本研究製作

第 四 章 結 果 與 討 論

為進行都市地區通風效應評估，了解研究區域之 SET*指標分布概況， 研究首先必須針對板橋地區之氣象資料進行分析。另依據風洞試驗結果， 則須估算各測點之無因次化風速以及相應之等效平均風速，據以評估研 究區之。此外，研究中亦針對典型街廓環境進行初步分析，以探討棋盤 式街廓特性對於風環境之影響。

第一節 氣象資料分析

板橋測站位於新北市板橋區大觀路二段 265 巷 62 號，風速計高度 14.1 公尺，溫溼度計高度 1.16 公尺。由 2004 至 2014 年的風速分析結果 發現(圖 4-1)，本測站因位於大漢溪西側，東風發生機率最高(26 %)。其 次為東北東風，機率為 18 %。而冬季也是以東風機率最高(圖 4-3)，東 北東風次之，接著則是北風，機率分別為 32.5 %、20.3 %、15.1 %。夏 季(圖 4-2)則是以北風機率 18.9 %最高，平均風速為 0.54 m/s；其次為東 風(14.1 %)，平均風速為 3.27 m/s；第三高則是南南西風(10.8 %)，平均 風速為 0.98 m/s。 另分析該區域溫度與濕度(表 4-1、表 4-2)在不同時段的分布，全年 平均溫度為 23.01 °C，夏季為 28.78 °C ，冬季為 16.74 °C。在下午時段 (13:00-19:00)的溫度部分，全年、夏季、冬季有著一致的統計結果，隨著 時間越晚，溫度有隨之下降的趨勢。在溼度部分，全年平均相對濕度為 74.66 %，而冬季濕度(76.82 %)高於夏季濕度(73.83 %)。且隨著時間越晚， 相對濕度隨之增加。

圖 4-1 板橋測站 2004-2014 風花圖 資料來源：[11] ，本研究整理 測站：板橋 時間: 2004-2014 全年 N 10% 20% 30% E S 10% 20% 30% W 30% 20% 10% 0% 10% 20% 30% C V : >6 m/s : >4 m/s and <=6 m/s : <=4 m/s : Calm 測站：板橋 時間: 2004-2014 夏季 N 5% 10% 15% 20% E S 5% 10% 15% 20% W 20% 15% 10% 5% 0% 5% 10% 15% 20% C V