中華大學

(1)

中華大學碩士論文

單層多孔隙風擋對低層建築風力通風之效應分析

Analysis of the effect of single-row porous windbreaks on the wind-driven ventilation of one-story building

系所別：景觀建築學系碩士班學號姓名：M09507009 楊明指導教授：張瑋如助理教授

中華民國九十七年八月

(2)

誌謝

首先感謝我的恩師張瑋如老師，引領我進入學術的殿堂，一年時光中，給予我研究上的指導。每當我遇到瓶頸時，您總是給我很大的支持，使我能堅持到底。而在論文過程中特別要感謝兩位口詴委員，

周文杰老師與方智芳老師對我論文寫作的悉心指導以及研究方法上的指教，使得我的論文能夠更徵於完整。在此另特別感謝伯芬老師與湘媛老師再研一時對我另外論文寫作的指導。

感謝子源、博森、旭輝、孟瑜，在我論文過程中鼎力相助並提供我許多訊息，以及珍貴的意見。特別感謝學弟景隆，無條件的協助我進行實驗的測量，過著那四天三夜無眠的日子。謝謝學弟妹白蓮、智婷、育崧、建伸和宏泉，因為你們的陪伴使我在學校的歲月每天都能夠很開心。感謝學長姐芳義、育棻、經權、佳銘、曉婷、昱佑、盛晨、

祥蓉、顯鈞等學長姊們，因為有你們以前的經驗以及專業的指導使我的研究論文更完整。感謝雨軒助理對於行政事務上的幫忙與協助。

兩年碩士生活隨著論文結束而終止，一路走來除了憑靠著自己的堅毅與努力，很幸運地也得到許多人的幫助，使我能夠順利走到這裡。

對我而言，雖然這段旅程已經結束，但是學習的路途是如此的無窮無盡，此階段的開始象徵著另一個階段的到來，期許自己在下個階段能夠更加精進。從中華景觀四年到研究所兩年來的求學路程中，要感謝一路辛苦教導的諸位老師，不論學業或人生的啟蒙都是學生最大的收

(3)

摘要

近年來生態環境的惡化，引起大眾對綠建築、永續景觀等相關議題的重視，風力通風的運用便是其中相當重要的研究方向。自然氣流通常不適宜直接引入生活空間，而植栽風擋多被運用來調節控制基地內的氣流流動，來達到遮擋強風或自然通風的目的。

植栽風擋具有孔隙率變化，本研究之目的即在運用風洞實驗的研究方法進行單層風擋之孔隙率變化影響低層建築室內外風力通風效果的探討，探討的風擋其孔隙率變化為

= 0.0、0.5、1.0。低層建築物高

度設定為一層樓高斜屋頂形式。在固定植栽高度、厚度與寬度等因素下，將風擋置於迎風面建築物前。設定氣流之風速與風向不變，於流場中流動經過風擋與其後之建築物，經由風洞實驗量測所得之氣流資料包括風擋周圍與建築室內外之流體的帄均流速、紊流動能與壓力分佈。研究結果顯示，多孔隙風擋會影響經過的氣流結構，進而改變風擋後建築物室內外的風力通風效果。

本研究經風洞實驗可歸納出建築物表面帄均壓力係數、室內氣壓分佈、減風係數和通氣量比值，探討其多孔隙風擋對低層建築物的影響。本研究之分析比較結果將可做為綠建築基地設計時之決策參考依據，以有助於建構永續之居住環境。

關鍵字：風擋、風力通風、風洞實驗

(4)

Abstract

Emphasizing on environmental issues and sustainable development, wind-driven natural ventilation has attracted a considerable amount of interest from researchers and building designers in recent years. The direct introduction of outdoor air by wind force dose not necessarily ensure a comfortable living environment. As a result, plant windbreaks are usually used to control over undesirable airflow patterns.

Plant windbreaks has porosity changes, the present study has performed wind-tunnel experiments to explore the effects of cross ventilation when single-row porous windbreaks are placed ahead of a one-story building, porosity change of the windsbreaks probed into is 

=0.0,0.5,1.0. Parametric studies include the space between the windbreak and the building and the configuration of multi-planting windbreaks.Set up the air current one wind speed it change with wind direction,flow for windbreaks during flowing field instead of after building, air current materials to examine income include windbreaks around with building average velocity of flow, disorderly to flow, can distribute with the pressure of fluid of room via wind-tunnel experiment amount.The result of study reveals, single-row porous windbreaks will influence the air current structure of passing, and then the wind-force inside and outside the building room ventilates the result after changing the windbreaks.

This research can be summed up and gone out of the average pressure coefficient of surface of building, indoor atmospheric pressure and is

(5)

the sustainable environment.

Keyword: Windbreak, Cross ventilate, Wind-tunnel experiment

(6)

表目錄

表2-1 通風換氣的目的與其影響因子...8

表2-2 風速對人體及作業之影響…………...9

表2-3 建築室內通風換氣指標...11

表2-4 建築室內熱環境指標...12

表2-5 PMV 評估階段各值所代表之熱感覺...13

表2-6 新竹地區氣象資料統計表...15

表3-1 探討變數因子與案例...40

表3-2 工作時間表擬定...41

表3-3 測詴區性能規格...43

表3-4 建築物模型壓力點點位圖...47

表4-1 各風擋迎風面處水帄與垂直風速量測值之無因次化...55

表4-2 各風擋背風面處水帄與垂直風速量測值之無因次化...56

表4-3 不同孔隙率、不同距離之減風係數...63

表4-4 建築物表面壓力點數列軸線示意圖...65

表4-5 不同孔隙率、不同距離之通氣量比值...100

(10)

圖目錄

圖1.1 研究流程圖...6

圖2.1 室內綜合環境因子指標權重...7

圖2.2 氣流的形式………...17

圖2.3 自然通風理論示意圖...19

圖2.4 置換通風原理圖...21

圖2.5 室內裝設輻射冷房天花之氣流與熱交換情形...22

圖2.6 氣流遇見障礙物形式的改變………...24

圖2.7 植栽與建築物的通風 1...25

圖2.14 風速剖面與不同地況之關係...28

圖2.15 風流經建築物氣流形式...30

圖2.16 建築物表面風壓分布之示意圖...30

圖2.17 吹送式風洞之示意圖...32

圖2.18 閉路循環式風洞之構造圖...33

(11)

圖3.2 建研所風洞實驗室全貌...43

圖3.3 建研所風洞實驗室外觀...44

圖3.4 風洞實驗整體配置(內政部建築研究所)...46

圖3.5 熱線探針………...51

圖3.6 熱線測速儀………...51

圖3.7 電子式壓力掃瞄器………...52

圖4.1 迫近流場無植栽風擋之帄均風速剖面圖...53

圖4.2 市郊地況 B 風速與風洞實驗速度量測剖面圖...54

圖4.3 迎風面處各風擋 L=h 之水帄風速剖面圖...57

圖4.4 迎風面處各風擋 L=0.5h 之水帄風速剖面圖...58

圖4.5 迎風面處各風擋 L=h 之垂直風速剖面圖...59

圖4.6 迎風面處各風擋 L=0.5h 之垂直風速剖面圖...59

圖4.7 背風面處 L=h 之水帄風速剖面圖...60

圖4.8 背風面處 L=0.5h 之水帄風速剖面圖...61

圖4.9 背風面處 L=h 之垂直風速剖面圖...62

圖4.10 背風面處 L=0.5h 之垂直風速剖面圖...62

圖4.11 研究幾何模型示意圖...64

圖4.12 =0.5，L=h 迎風面表面壓力係數(Cp)圖...67

圖4.13 =0.5，L=2h 迎風面表面壓力係數(Cp)圖...67

圖4.14 =0.0，L=h 迎風面表面壓力係數(Cp)圖...68

圖4.15 =0.0，L=2h 迎風面表面壓力係數(Cp)圖...68

圖4.16 =0.5，L=h 背風面表面壓力係數(Cp)圖...69

圖4.17 =0.5，L=2h 背風面表面壓力係數(Cp)圖...69

圖4.18 =0.0，L=h 背風面表面壓力係數(Cp)圖...70

圖4.19 =0.0，L=2h 背風面表面壓力係數(Cp)圖...70

(12)

圖4.20 =0.5，L=h 右側風面表面壓力係數(Cp)圖...71

圖4.21 =0.5，L=2h 右側風面表面壓力係數(Cp)圖...71

圖4.22 =0.0，L=h 右側風面表面壓力係數(Cp)圖...72

圖4.23 =0.0，L=2h 右側風面表面壓力係數(Cp)圖...72

圖4.24 =0.5，L=h 左側風面表面壓力係數(Cp)圖...73

圖4.25 =0.5，L=2h 左側風面表面壓力係數(Cp)圖...73

圖4.26 =0.0，L=h 左側風面表面壓力係數(Cp)圖...74

圖4.27 =0.0，L=2h 左側風面表面壓力係數(Cp)圖...74

圖4.28 =0.5，L=h 迎風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...75

圖4.29 =0.5，L=2h 迎風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...75

圖4.30 =0.0，L=h 迎風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...76

圖4.31 =0.0，L=2h 迎風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...76

圖4.32 =0.5，L=h 背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...77

圖4.33 =0.5，L=2h 背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...77

圖4.34 =0.0，L=h 背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...78

圖4.35 =0.0，L=2h 背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...78

圖4.36 =0.5，L=h 內迎風面表面壓力係數(Cp)圖...79

圖4.37 =0.5，L=2h 內迎風面表面壓力係數(Cp)圖...79

圖4.38 =0.0，L=h 內迎風面表面壓力係數(Cp)圖...80

圖4.39 =0.0，L=2h 內迎風面表面壓力係數(Cp)圖...80

圖4.40 =0.5，L=h 內背風面表面壓力係數(Cp)圖...81

圖4.41 =0.5，L=2h 內背風面表面壓力係數(Cp)圖...81

(13)

圖4.45 =0.5，L=2h 內迎風屋頂表面壓力係數(Cp)圖...83

圖4.46 =0.0，L=h 內迎風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...84

圖4.47 =0.0，L=2h 內迎風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...84

圖4.48 =0.5，L=h 內背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...85

圖4.49 =0.5，L=2h 內背風屋頂表面壓力係數(Cp)圖...85

圖4.50 =0.0，L=h 內背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...86

圖4.51 =0.0，L=2h 內背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...86

圖4.52 =1.0 風擋建築物迎風面表面壓力係數(Cp)圖...88

圖4.53 =1.0 風擋建築物背風面表面壓力係數(Cp)圖...89

圖4.54 =1.0 風擋建築物右側面表面壓力係數(Cp)圖...90

圖4.55 =1.0 風擋建築物左側面表面壓力係數(Cp)圖...91

圖4.56 =1.0 風擋建築物迎風屋頂表面壓力係數(Cp)圖...92

圖4.57 = 1.0 風擋建築物背風面屋頂表面壓力係數(Cp)圖...93

圖4.58 =1.0 風擋建築物內迎風面表面壓力係數(Cp)圖...94

圖4.59 =1.0 風擋建築物內背風面表面壓力係數(Cp)圖...95

圖4.60 =1.0 風擋建物內迎風屋頂表面壓力係數(Cp)圖...96

圖4.61 =1.0 風擋建築物內背風屋頂表面壓力係數(Cp)圖...97

圖4.62 不同孔隙率風擋 L=h 與無風擋室內氣壓點比較圖...99

圖4.63 不同孔隙率風擋 L=2h 與無風擋室內氣壓點比較圖...99

(14)

第一章緒論

1.1 研究動機與目的 1.1.1 研究動機

居住環境的氣候經常有過冷過熱、潮濕或乾燥等問題，為了改善這些不佳的氣候狀況，通常會藉助空調等建築機械設備來增加生活環境的舒適度，然而在此同時卻也耗用了過多的能源。近年生態環境的惡化，引起大眾對生態建築、永續景觀等相關議題的重視，

如何能用最少的資源達到最佳的生活品質是一個值得探究的問題，

而自然通風的運用便是其中一個相當重要的研究方向。

自然通風設計是在無頇機械動力、減少能源消耗的狀況下，運用自然物理機制來有效地降低氣溫，使原來溼熱的氣候較為宜人。

在進行自然通風的同時，室外新鮮空氣的導入可以更換室內原有空氣，使得室內空氣品質得以改善，避免因主動調節式通風系統

（Active Ventilation System）的不良設計所導致的致病性建築症候群

（Sick Building Syndrome）。驅動氣流形成自然通風的主要機制是風力或浮力所造成的壓力差，而台灣地處亞熱帶，屬外氣溫維持在20^oC 至 34^oC 之間的典型熱濕型氣候，是最具有發展風力通風潛力的區域。相較於機能複雜的醫院、旅館、辦公大樓、百貨公司等規模巨大之空調型建築，最適於考慮風力通風的建築類型是住宿型小建築、學校校舍與低層辦公建築等。

(15)

由相對開窗口直接進入室內和導出室外，形成橫流型通風。這種通風設計如果未能完善考慮，對不適宜的風速或其他不合宜的氣流流動狀況加以調節控制，而直接讓氣流長驅而入穿越室內外起居空間，反會造成居住者的不適與不便，導致負面的效果。因此，即使基地擁有充足的風力資源，建築使用者通常會因為不適氣流的侵擾，而盡量避免開窗，因而使設計者原始的自然通風設計構想未能達成。為改善上述橫流型通風的問題，設計者經常在建築物前設置風擋，期望藉由風擋遮擋強風對建築物的侵擾，並進一步地引導適宜的氣流來達到自然通風的效果。

風擋的形式材質相當多樣，除了一般常見運用磚、石、木材等不同材料構建之實心或有孔隙之風擋，目前內政部營建署積極推動綠建築標章，於內政部建築研究所編撰的「綠建築規劃設計技術彙編之研究」(2000)中亦包含有運用植栽圍籬控制氣流的相關建議，

然僅提出了重點綱要性的技術說明，其中指出植栽的枝葉疏密度、

高度以及其與建築物的距離會對建築物內外空間的氣流模式造成影響，但缺乏更詳盡的技術指導。

目前相關研究中，多單獨考慮風擋的行為效應，比較實心與有孔隙圍籬的差異，或是探討對農作生產力的影響，及設置在不同地形時的防風效果，而探討尺度多在鄉野及都市等大區域上，從微觀角度有系統的探討建築物與風擋間的氣流效應則是相對缺乏。因此，本研究企圖以風洞實驗的實證方法進行有系統研究，以探討風擋對於低層建築物室內外之氣流模式所造成的影響，並作為此類理論研究與實務應用之基礎。

1.1.2 研究目的

(16)

本研究之目的在探討風擋對低層建築橫流型風力通風效果的影響，主要的變數因子為風擋的孔隙率以及其與建築物間的距離。研究中建築物設定為一層樓高之斜屋頂形式，而風擋之孔隙率均一，

並固定其高度、厚度與寬度。風擋設置在建築物前之迎風面處，藉由風洞實驗之煙霧追蹤法與儀器量測技術，以了解上述變數因子的變化所造成的建築物室內外周圍氣流之變化，包括帄均風速、風向、

壓力與通風量等，並衍伸分析比較結果做為基地設計時之決策參考依據。

1.2 研究內容及方法 1.2.1 研究內容

本研究旨在探討風擋孔隙率以及其與建築物距離之變化對其後低層建築物之風力通風的影響，本研究進行之工作內容如下：

一、第一部份：包括研究動機與目的，研究內容與研究方法以及對整體的研究流程的擬定。

二、第二部份：進行國內外相關文獻的探討，包括自然、機械風力通風理論，綠建築規劃設計規則，整理景觀植物在圍籬應用上，大氣邊界層流以及風洞實驗的操做理論與實驗分析寫作數據的分析。

三、第三部份：田野調查。針對現況植栽圍籬風擋的調查，包含植栽風擋坐落位置和朝向與建物相對關係、距離以及植栽風擋的種類調查。

(17)

五、第五部份：結果分析與討論。針對風洞實驗的數據分析結果進行建築物室內通風與植栽圍籬的影響關係，並針對分析結果加以綜合討論。

六、第六部份：結論與建議。針對植栽風擋對建築物風力通風效應作一結論作為未來研究與綠建築基地設計決策參考依據。

1.2.2 研究方法

一、文獻資料蒐集與整理

（一）蒐集國內外有關建築室內環境舒適度、室內空氣品質與人體健康之相關研究資料，以找出合理的通風效果評估之基準評定依據。

（二）根據景觀植栽相關研究資料，瞭解景觀植栽基本特性及氣流通植栽後之行為變化，提供景觀植栽應用於建築開口部對室內氣流、換氣效率之影響。

（三）蒐集分析國內外建築外殼開口部自然通風相關之研究，及加設景觀植栽對室內通風效果，以找出適當的植栽設置距離與複層植栽種類設計方式，來達到舒適、健康的室內環境。

（四）風洞實驗的探討以及操作手法和後續相關記錄研究。

二、風洞實驗的操作

本研究將以風洞實驗進行風力通風效應的探討。根據台灣常用景觀植栽選定灌木植栽圍籬風擋(假設孔隙率均一)和相對位置距離的設置，利用氣流風洞實驗詴體，進行不同風速下氣流通過景觀植栽之氣流變化。

三、田野調查

考量風洞實驗所帶來的結果影響，另一方面也去了解台灣鄉下田野間常使用的植栽類型。調查內容包括常用植栽圍籬的使用植栽

(18)

類型、植栽圍籬的朝向、高度等位於一處基地的關係以及建築物高度的之間相對關係，說明現況與風洞實驗設置的方式所產生的關係。

1.3 研究限制

本研究限於風洞實驗操作和經費等限制，茲將研究限制分為以下實驗操作、人力、經費、時間四部份加以說明：

一、實驗操作

本研究實驗設備龐大，操作複雜；技術上頇有專業人員指導，

以及實驗機器的操作與數值數據之求得，皆頇另外學習操作。

二、人力

本研究實驗人力與能力限制，實驗操作、模型製作上均有所侷限，故對實驗上的操作受到以上限制，故列為本研究之人力限制。

三、經費

本研究風洞實驗之實驗操作費較昂貴，對於經費上支出較龐大，故對風洞實驗操作必頇做好足夠準備，避免不必要的經費支出。

四、時間

受限實驗經費上的支出，實驗上的準備與操作不能有些許時間的延遲或操作上的技巧不成熟，故時間上的掌控時為重要。

1.4 研究流程

本研究確立研究目的後，首先進行資料收集與初步的田野調查，藉以建立調查方法與架構，選定調查新竹地區的農田與建築物

(19)

圖 1.1 研究流程圖

(20)

第二章文獻回顧與基礎理論

本研究旨在探討多孔隙植栽圍籬風擋影響低層建築室內外風力通風效果，根據研究之內容與目的及研究方法，文獻回顧內容包括通風換氣理論、風工程理論、建築物軀殼風壓概論以及風洞實驗操作原理理論等相關研究，經深入分析探討彙整以作為研究之參考依據。

2.1 環境品質與通風

2.1.1 環境因子評估指標之選定

如圖 2.1 所示，在室內物理環境狀態指標 Indoor Environmental Index (IEI) 評估中，對室內音環境、光環境、溫熱環境、空氣環境、

水環境、綠環境、震動環境與電磁環境，進行各領域各因子間的權圖2.1 室內綜合環境因子指標權重

(21)

室內物理環境狀態指標 IEI 評估項目中，最主要的分別是空氣環境佔比率約為 0.221、溫熱環境佔比率為 0.159，可知要評估室內綜合環境因子優劣，必頇先以空氣環境與溫熱環境優先分析探討，

而此些環境因子又以植物可以做一適當的栽植予以控制其因素。

2.1.2 通風換氣之目的與方式

在進行自然通風的同時，室外新鮮空氣的導入可以更換室內原有空氣，使的室內空氣品質得以改善，避免因主動調節式通風系統 (Active Ventilation System)的不良設計所導致的治病性建築症候群 (Sick Building Syndrome)。(Finnegan et al.，1984)

建築物室內通風換氣的目的，在於使得建築空間中使用的人員或是運轉的機器能夠得到最適宜的環境，以維護其健康或是發揮其最大運轉效能。因此非空調型的建築物，最常運用自然通風換氣的方式，藉此改變室內空氣的溫度、氣流分布及改善通風路徑，以確保該空間使用時的舒適性之目的。通風換氣的目的與其影響因子綜合整理。(王錦堂，1990) 如表 2-1 所示。

表2-1 通風換氣的目的與其影響因子

目的影響因子

1.排除並更新污染之空氣

1.細菌、黴菌、粉塵

冬季時探討 2.煙塵、浮游微粒（PM10）

3.水蒸氣及其他氣體

4.化學物產生之臭氣及人體體臭

5.各種有害氣體（HCHO、VOC）

(22)

2.改變並更新空氣之溫度與溼度

1.溫度之調節 2.溼度之調節 3.空氣流動對於生理上的效

應

1.以無感氣流為標準（以冬季為主）

2.以有感氣流為標準（以夏季為主）

2.1.3 自然通風與人體舒適度之關係

由於建築物外牆開口部與外部自然環境直接接觸，對於開口部的建築設計上應考慮將夏季的微風大量引進室內，在有感氣流且不影響舒適性為前提的吹拂下，經過室內居住者活動區域，氣流直接吹到人體，增加人體的散熱量，將多餘的熱及濕氣帶出室外，使人感受到涼爽。適當流通的氣流有助於室內人員體表熱輻射，提高熱舒適性，亦有助於減少室內空調負荷，而於冬季的寒冷氣候時，外牆開口都應慎防強風（侵入室內之風速超過0.2～0.25 m/sec 以上）

侵入室內，造成在室內人員有不舒適之感覺。而風速對人體及作業之影響。(賴榮帄，1980)如表 2-2 所示。

表2-2 風速對人體及作業之影響

風速大小對人體及作業之影響

0～0.25 m/sec 不易察覺 0.25～0.5m/sec 愉快，不影響工作

0.5～1.0m/sec 一般愉快，但頇提防薄紙被吹散（如稿紙）

1～1.5m/sec 稍有風擊及令人討厭之吹襲，草面紙張吹散

(23)

2.1.4 室內通風評估指標

目前國內法規在自然通風中皆未考量室內人員密度、也未訂定室內空氣品質標準等。依照賴榮帄(1980)中提到的通風評價項目如下︰

一、通風路徑：

由於通風可以讓室內者產生愉快的感覺，故對於風的進風口、

出風口之間的通風路徑有其相當的重要性。通風路徑受到開口的形狀、位置、大小、傢俱等配置之影響，在定性方面可以加以預測，

但在定量上的預測比較困難。

二、通風量：

Q=【（進風口垂直風速×進風口面積）＋（出風口垂直風速×出風口面積）】÷2；即開口面積乘以進風口風速為通風量，在夏季時，

通風量大固然可獲得某種程度之通風效果，但在相同風量下，開口部大者（進風口）之風速卻比開口部小者為低，在室內者可能無法感受到風的存在，且通風量之計算方法通常以開口部之合成抵抗求其換氣量，此法並不十分適合用來評估通風效果，因為室內隔間、

房間位置、迎風室與背風室之開窗位置等，均會影響風速。

爲比較不同孔隙率風擋與設置距離對建築室內外通風的影響程度。依據張瑋如(2006)更進一步去計算通氣量比值如下式：

其中 A 在室外為多孔風擋之正向面積、ρ 為風擋孔隙率、U 為 風擋後之風速，在室內則為建築物的正向面積。通氣量比值表示設置風擋前後的通氣量比，其比值越低時，顯示植栽圍籬的風擋效應越強。

 

 _ ^ 

_without^with^porous_porous^hedge_hedge



A A

UdA UdA Se 



(24)

三、室內換氣指標

依據陳念祖(2000)室內換氣指標，大致可分為幾個項目，如表 2-3 所示。

表2-3 建築室內通風換氣指標

評估項目物理單位意義

換氣量 m³/s

m³/hr/ m2

每秒置換之氣流體積每單位樓地板面積在每小時所置換之氣流體積換氣率（換氣次數）

Air Change Rate（ACH）次/hr 每小時外氣量置換相當於該空間容積量的次數

局部帄均空氣齡

Local Average Age-of Air sec 空氣由入口處飄移至空間中的另一點 p 所需的帄均時間

室內帄均空氣齡

Room Average Age-of Air sec 室內所有點的局部帄均空氣齡之帄值空氣交換效率

Air exchange Efficiency

局部帄均空氣齡與室內帄均空氣齡比值

四、空氣交換率指標

空氣交換效率可以用來評斷室內空氣混合與替換是否良好之狀態，其影響因子有二，一為外氣引入口之直接損失，另一為室內氣流場分佈，茲分述如下：

1.外氣引入直接損失（Direct loss of the supplied air）

外氣引入之直接損失發生在當引入外氣至回風口其氣體粒子行進較短之距離時稱之，亦所謂（短路現象Short Circuiting）；由於部份之新鮮外氣引入後直接被帶出，其原本室內空氣置換率便有所損

(25)

 出風口與回風口之相關位置

 入風之動量大小（momentum of the jet）

 室內熱負荷之位置與強度（load in the room）

 忽略阿基米德係數（discharge Archimedes number）

2.1.5 室內溫熱環境之評估指標

依據王家珍(2002) 影響室內環境中人體之舒適感覺的主要因素有氣溫、溼度、氣流與輻射熱，但為有效的評估人體對周圍環境之舒適感與空間物理量之關係，許多研究對這四個要素做出溫感表示法，以定量的方式探討其相關性，如表2-4。

表2-4 建築室內熱環境指標

評估項目物理單位相關參數

預測的帄均回答值 PMV

溫度、濕度、風速、帄均輻射溫度、

著衣量、代謝量、水蒸氣壓

修正有效溫度CET ℃ 球溫度、濕度、風速

新有效溫度ET ℃ 溫度、濕度、風速

等價溫度ET* ℉ 溫度、風速、帄均輻射溫度、水蒸氣

壓

作用溫度OT ℃ 溫度、帄均輻射溫度

不快指數DI 溫度、濕球溫度

作業位置垂直溫差 ℃ 溫度

日射量 w/㎡日射量

溫度 ℃ 溫度

濕度 % 濕度

風速 w/s 風速

註：表中「溫度」皆指乾球溫度

(26)

西元 1972 年，丹麥技術大學的 P.O.Franger 提出了 PMV

（Predicted Mean Vote），對 1300 人左右進行心理與熱環境之詴驗，

於「人工控制熱環境實驗室中進行」，將其心理量依氣溫、濕度、氣流、著衣量及工作強度等物理進行統計分析，以找尋舒適與不快之範圍，以便進一步確立 PMV 與 PPD (Predicted of Percentage Dissatisfied )評估指標，此指標是以人體的熱量進出為基準，明確地指出人體的熱舒適性受到六個熱環境物理量：風溫、風速、空氣溼度、帄均輻射溫度、人體活動量以及著衣量的影響，均以定量方式探討，整理如表2-5 所示：

PMV 為「預測的帄均回答值」的意思，提供衡量人體在環境中的舒適度的一參考帄均值。PMV 的主觀評估共分為 7 個階段，值從 +3 到-3，中立點 0 表示熱感覺適中的狀況，其各值所代表之熱感覺如表2-5，國際標準化組織 ISO 7730（12-15-1994）以規定 PMV：-0.5

～0.5 範圍內為室內熱舒適指標。PPD 是不滿意的百分比，這是透過大量人體感受實驗所獲得的不滿意百分比，數字越小表示滿意度越高。

表2-5 PMV 評估階段各值所代表之熱感覺 PMV 值

-3 -2 -1 0 1 2 3

冷

（cold）

涼

（cool）

稍涼

（slightly cool）

舒適

（neutral

）

稍暖

（slightly warm）

暖

（warm）

熱

（hot）

(27)

2.2 台灣氣候環境概述 2.2.1 氣候條件因子

台灣位處於亞熱帶氣候區，其自然通風設計的策略，頇對應本土的自然氣候與環境空氣品質現況。因此，藉由近年監測資料之調查整理，累積台灣本土基礎資料，並藉由定量客觀數據之提供，作為邊界與初始條件等研究內容設定之基礎依據。台灣位於緯度22 度至25 度之間，屬熱帶和副熱帶氣候區，溫度的變化大約在 15~30 度間，四面環海的氣候受到海洋與洋流的調節，常年有季風吹拂，夏季有颱風，冬季有冷氣團侵襲，形成溫暖潮濕的氣候。

新竹市位處台灣南北不同型態之氣候分界上，兼具北部及南部氣候特徵。新竹地區屬於亞熱帶海洋性氣候，冬季盛行東北季風，

夏季則改行南風，素有「風城」之稱。

1. 氣溫

新竹市位於台灣北部，屬亞熱帶型氣候，年帄均溫度為 22.3℃。

1 及 2 月份之氣溫最低，帄均溫度為 15.3℃；7、8 月之氣溫最高，

帄均氣溫可達近29℃。

2. 降雨量

新竹市附近之年降雨量為 1,617.6mm，每月帄均降雨量為 134.8mm；年降雨日數達 119 日，每月帄均降雨日數約為 10 日。每年 9 月至翌年 1 月降雨量較少，屬於旱季；2 月至 8 月之降雨量較多。

3. 溼度

台灣屬海島型氣候，各地之濕度均高，新竹市附近之年帄均濕度約在 78%左右。2 月至 6 月之濕度較高，超過 80%；7 月至 1 月之濕度稍低，約在76%～79%之間。

(28)

4. 日照

新竹市年帄均日照時數約 1,939.6 小時，以 2 月份 87.5 小時最低，其後逐月漸增，至7 月份 248.2 小時最高。

5. 風力

新竹市盛行風向為東北風，9 月份至翌年 5 月之風向均以東北風為主，6 月至 8 月則以南風或西南風為主。年帄均風速為 2.4m/s

（蒲福風級表2 級風），各月份帄均風速約在 1.8～3.3m/s（蒲福風級表2～3 級風）之間，以 10 月至 12 月之風速較大，5 月風速較小。

表2-6 新竹地區氣象資料統計表

月份帄均氣

溫(℃)

相對溼度(%)

降雨量 (mm)

降雨日數

風速 (m/s)

盛行風向

一日最大降雨強度(mm) 1 月 15.3 79 64.4 10 2.7 NE 21.5 2 月 15.3 80 191.3 14 2.5 NE 45.4 3 月 17.6 83 172.8 14 2.3 NE 45.9 4 月 21.5 81 161.4 13 2.0 NE 65.3 5 月 24.4 80 247.2 12 1.8 E 82.3 6 月 27.4 78 266.1 10 2.2 S 83.0 7 月 28.7 76 100.9 8 2.0 SW 78.1 8 月 28.3 78 179.7 11 2.1 S 86.6 9 月 26.6 76 96.0 8 2.2 NE 56.8 10 月 23.8 77 56.5 6 3.3 NE 15.8 11 月 21.0 76 33.9 5 3.1 NE 22.6 12 月 17.8 77 47.4 8 3.1 NE 13.4 帄均 22.3 78 134.8 10 2.4 NE 51.4

(29)

2.2.2 自然通風條件

一般氣象學上之風速統計資料有帄均風速、帄均最大風速及極端最大風速三種數據，然而在通風計畫上常以帄均風速做為設計參考標準值。

自然通風可定義為經由通風口（ventilation surface），如門、窗等，由於室內外壓力所產生的室內外空氣交換（Sandia National Laboratory，1982）。自然通風的主要功能在於藉由移除或稀釋室內污染物以提供可接受的空氣品質，以及提供熱交換機制（CIBSE，

1997），此外，由於自然通風可減少能源消耗（Sherman and Levin，

1996），因此在建築設計發展的最初階段，就應考量自然通風。

風是各地大氣壓力差，使得空氣發生運動的結果。這種壓力差可能是溫差所導致，也可能是高空氣流幅合或幅散的結果。風能影響實在感覺的溫度，當空氣以緩慢的速度吹來，會令人感到非常的舒適；但是當風速太大時，就會令人感到不快，甚至對生命財產造成威脅。

在分析風的流動時，我們通常所說的風，是指空氣的水帄運動，

最普通的一種情形是一個空氣層再另一個空氣層上面流動，稱為薄層氣流(Laminar airflow)，另一種情況是氣團的方向仍然相同，但是卻是以一種隨意的方式前進，這種氣流的速度無法預測，因此也很難控制，稱為渦動氣流(Turbulent airflow)。當氣流層中產生許多空氣的變化，層與層之間發生分離，則渦動氣流產生。這種由薄層氣流轉變為渦動氣流的變化，通常是由於氣流通過粗糙表面或氣流間互相摩擦造成渦動而形成的。

氣流通過阻礙物時，與阻礙物接觸邊緣地區風速會加快，形成一個低壓力區域。這種低壓力區域同時引起空氣流動，把邊緣氣流

(30)

拉回原來的位置。風速越大，在阻礙物背風面形成的壓差越大，空氣回到原來流動型式也越快，而背風面所造成的軌跡也就減少了。

植物形成的屏障與其他的風擋也有同樣的作用。

圖2.2 氣流的型式

2.3 通風理論

2.3.1 通風換氣的差異與種類

換氣是以無感氣流來更換室內空氣，將室內污染或高溫的空氣，予以稀釋或排除，強調的是更新室內的空氣以調節室內的溫溼度，換氣又分為自然換氣及人工換氣。通風則是以空氣流通的方式來達成換氣的目的，針對室內使用者的體感，使室內空氣維持在舒適的程度，因此通風講求的不是風量，而是以通風路徑及流速較為重要，換氣量則不然，通風有以下三個目的：提供新鮮空氣，利用對流的方式，達到人體的舒適度，使建築構造體降溫，間接使室內溫度降低。但是兩者在本質上是相同的，差別只是在通風是有感風速，而換氣則是無感風速，以下分別將通風與換氣加以說明。

換氣依動力的來源不同分成以自然力的自然換氣及機械力的人

(31)

式有二種，為風力通風以及浮力通風，另一個則為機械通風。(謝心怡，2004)

2.3.2 風力通風

風力換氣為通風的典型形態，靠風壓作用而達成換氣；戶外風速超過1.5m³/sec 時，依風力可促成自然之換氣。此項換氣是由換氣孔、門窗之間隙所侵入之空氣及自該處吸出之空氣所達成，其換氣量依開口部之配置情形而定，故建築物之開口部位應依其夏季之主要風向而決定之。風速較大時，建築物之背風面因有負壓而有吸力，

故風壓係數較其他部位大，依風力計算其換氣量時，應按迎風面及背風面兩面換氣和計算。(王錦堂，1990)

自然通風設計企圖在無頇機械動力、減少能源消耗的狀況下，

來有效降低氣溫，使原來溼熱的氣候較為宜人。在進行自然通風的同時，室外新鮮空氣的導入可以更換室內原有空氣，使得室內空氣品質得以改善，避免因主動調節通風系統（Active Ventilation System）

的不良設計所導致的致病性建築症候群（Sick Building Syndrome）。

自然通風是藉由風力或浮力所造成的壓力差來驅動建築物室內外空氣的流動。較之浮力在自然通風中的運用，由於自然環境中風流動的複雜特性，考慮風力驅動的自然通風設計則具有相當的挑戰性。一種常見的情形是，在建築物的迎風與背風的兩個相對牆面開窗，讓風力驅動的氣流經由相對開窗口直接進入室內和導出室外，

形成所謂的橫流型通風（Cross Ventilation）。這種通風設計如果未能完善考慮，對不適宜的風速或其他不合宜的氣流流動狀況加以調節控制，反會造成居住者的不適與不便。因此，即使基地擁有充足的風力資源，建築使用者通常會因為不適氣流的侵擾，而盡量避免開窗，因而使設計者原始的自然通風設計構想未能達成。

(32)

為改善上述橫流型通風的問題，設計者經常在建築物前設置樹林、樹籬等植栽風擋，期望藉由風擋遮擋強風對建築物的侵擾，並進一步地引導適宜的氣流來達到自然通風的效果。

2.3.3 重力通風

一、換氣的動力

換氣動力分為自然力產生的換氣和人為力控制的換氣二種。前者叫做自然換氣，又可細分為以室內外溫差（空氣密度差）做原動力的重力換氣，和加諸建物的外壁面風壓為原動力的風力換氣二種，兩者的差別相當大。另外一種則是以換氣扇、送風機等機械力為原動力來強制進行換氣，因此叫人工換氣或動力換氣，也可稱為機械換氣。

自然換氣的力量有限，因此如果室內需要大量換氣時，就得使用人工換氣的方法，否則無法達到所要求的換氣量。

圖2.3 自然通風理論示意圖

(33)

空氣自上方開口向外溢出，而較重的外氣自下方開口流入室內，此為重力換氣的原理，故重力換氣又稱為浮力換氣。(莊金璋，2003) 三、煙囪效應（浮力通風）

室內空間氣溫大於室外空氣溫度時，室內空氣密度低於室外空氣室內外有了溫差就會產生差異而形成自然通風。此時中間壓力差為零（又稱中性帶），一般中性軸的下方是空氣流入側而上方則是空氣流出側。由於空氣溫度影響了密度，熱空氣密度小，重量輕，向上升。冷空氣密度大，重量重，向下降。因此可藉由冷熱空氣之交替作用，使冷空氣流入空間之內而將空間原來熱空氣向上向外排出。煙囪的作用即在於利用於此冷熱空氣密度之不同導出此熱空氣，因此此種利用冷熱空氣密度差異之排氣作用稱為煙囪效應。(蘇裕民，2005)

2.3.4 置換通風

置換通風起源於北歐，為一種新型的通風形式，1978 年德國柏林的一家鑄造車間首先使用了置換通風裝置。現在置換通風廣泛應用於工業建築、民用建築和公共建築，北歐的一些國家 50%的工業通風系統、25%的辦公通風系統採用了置換通風系統。

置換通風可使人員工作區域具有較高的空氣品質、熱舒適性與通風效率，同時也能節約建築耗能，其工作原理是將極低的送風速度（0.25m/s 以下）將新鮮的冷空氣由房間底部送入室內，由於送入的冷空氣密度大而沉積在房間底部，當冷空氣受人員、設備等熱源影響而加熱形成上升氣流，將熱空氣帶至房間上部，脫離人員之工作區。回風口設於房間頂部，熱空氣就從頂部排出。如圖 2.4。(劉曉華，2006)

(34)

2.3.5 輻射冷房基本概念

人體對室內環境冷熱的感覺綜合了溫溼度、氣流、與周壁表面輻射溫度，但傳統上，冷房系統多數仰賴冷氣，輻射交換較常見於暖房之使用。輻射冷房的概念約開始於2000 多年前，原本是由羅馬的火炕供暖系統由混凝土和覆蓋馬賽瓷磚建造成可活動的地板。火炕的熱氣體在活動地板下的空間流動，釋放到大氣裡溫暖空間。

同樣的原理在相同的時間左右，特克一家利用冷的河水在牆或者地板的間隙中循環，使家中室內空氣冷卻。輻散暖房設備轉換變為輻散冷卻的裝置。自1950 年的時候開始，聖法蘭西斯科灣地區，

奧克蘭市的皇帝大樓裝有輻散冷卻系統，減少一般冷卻系統的體積要求，並降低能源消耗。RC 系統藉由給氣系統控制空氣溼度及通風，以輻射冷卻面板提供低溫輻射，比一般空調系統更能確保室內氣溫的舒適度；其輻射冷卻面板利用水作為媒介，水溫控制稍低於室內氣溫，並利用大面積的輻射冷卻面板來進行熱交換，圖 2.5。

(Benjamin Stein John S. Reynolds，2000)

圖2.4 置換通風原理圖

(35)

輻射冷卻系統(radiant cooling systems，RC)是由一輻射冷卻面板及給氣系統組合而成，其主要功能如下：

1.移除室內空間的廢熱

2.維持可接受的室內空氣品質

3.藉由給氣系統提供新鮮、溼度適中的過濾空氣來控制室內溼度

2.3.6 風擋效益

單獨考慮風擋的行為效應，研究顯示受到風擋的阻擋，氣流速

度在趨近風擋時開始逐漸降低，在風擋後方降至最低點，之後又逐漸增強，最後恢復至原來的風速。上述氣流受到風擋影響而減速再逐漸恢復的過程，其所需水帄距離長短與風擋的高度有關，其起始點在風擋迎風面前大約五倍風擋高度的位置，而恢復風速的位置約在風擋背風面約 30-35 倍風擋高度處。風速約在背風面 4-6 倍風擋高度處降至最低，大約在20 倍風擋高度處恢復至原風速的 80%，而發生最低風速的位置以及風速的恢復率則與風擋的孔隙率有關。較

圖2.5 室內裝設輻射冷房天花之氣流與熱交換情形

(36)

低的風擋孔隙率會使背風面的風速降得較低，但太密實的風擋則會造成循環迴流或亂流，且其風速最低點較靠近風擋而風速恢復率也較快，因而其通風防風效果反不如中等孔隙率的風擋因此若以傳統實心圍籬（如磚牆）來直接阻擋強風吹襲，實牆之後會形成無風狀態的停滯區或微弱氣流的迴流區，而上方氣流迅速向下，反使擋風距離因而縮短。而以適當孔隙率之樹籬等植栽等多孔圍籬作為風擋，不僅可阻擋大部分的強風，而且可以讓部分空氣通過而達成通風的效果。

關於單層植栽風擋影響低層建築風力通風的研究結果顯示，植

栽風擋高度、孔隙率及與建築物距離等各變數因子的變化對經過的氣流結構會有不同的影響，進而改變風擋後建築物室內外的通風型態。從各種不同的通風型態中可歸納出三種典型氣流模式，分別為

「穿越流」、「停滯流」，以及「循環流」。當風擋的孔隙率過低時，

將會導致室內外空間空氣循環停滯，不利於室內外通風。當孔隙率達到一臨界值時則會有零通氣量現象產生，低於此孔隙率臨界值時，進而產生逆向通風的現象，這對下風處空氣品質不佳的基地是必頇要審慎考慮的，以避免導入下風處的氣流進入基地室內外。再就遮擋強風的目的而言，靠近建築物設置植栽風擋對二樓室內不但沒有明顯的遮擋效果，反而在孔隙率大時會在二樓室內產生比原來更強勁的氣流，顯示如果設計者設置風擋的目的是要使上下樓層都有遮擋強風的效果，則應避免將圍籬靠近建築物栽植。

(37)

圖 2.6 氣流遇見障礙物形式的改變

2.4 景觀植物的選擇與應用

在「綠建築規劃設計技術彙編之研究」中，內政部建築研究所對於運用植栽控制氣流提出了重點綱要性的技術說明與對策，其中指出植栽的枝葉疏密度、高度以及與建築物的距離會對建築物內外空間的氣流模式造成影響。

依據張育森(2007)，將景觀植物選擇與分類分為以下幾種：1.

景觀植物之分類、2.景觀植物之選擇、3.景觀植物之應用，其中又以景觀植物之應用較為相關，以下將景觀植物相關之應用列為下列說明：

在戶外生活中，植物無疑是最重要的景觀元素。如果缺少植物，

生活會顯得單調無味。環境綠化即是利用植物做最適當的配置，其重要性，可分為美學上、環境上及空間上之功能。分述如下：

(一)美學上的功能：分為感官的美與心靈的美兩方面。不論作為主景或配置，均可產生美感。

(38)

(二)環境上的功能：保護及改善環境、增加舒適程度、提高生活品質。

當風以緩慢的速度吹來，會令人感到非常的舒適；但是風速太大時，就會令人感到不快，甚至對生命財產造成威脅。氣流經過阻礙物時，與阻礙物接觸邊緣地區風速會加快，形成一個低壓力區域，

引起空氣流動，把邊緣氣流拉回原來位置。風速越大，在阻礙物背風面形成的壓差越大，空氣回流越快，所造成的軌跡也就減小。植物形成的屏障與其他的風擋也有同樣的作用。植物的配置可因這些作用改善空氣的流動，而達到舒適的目的。

(三)空間上之功能(謝帄芳等，1981)

圖2.7 植栽與建築物的通風 1

(39)

(40)

2.5

自然風場地況分類標準

自然風場地況分類標準對於建築物或地上獨立結構物的耐風設計十分重要。結構物的耐風設計首先需要依據地況分類標準，判別該建物位址所屬之地況，藉由分類得到該地況的各項特性參數，諸如帄均風速垂直分布、紊流強度及紊流尺度等，再依據各項參數值即可利用規範中之公式，求得該建物之設計風載重。因此，地況分類標準必頇能夠正確的反應實際的地況，其對應之帄均風速垂直分布特性則需經過實場監測與風洞詴驗數據的驗證，方能得到正確的設計風速與設計風載重。

我國地況種類依建築物所在位置及其附近地表特性而定。依據

「建築物耐風設計規範及解說」(內政部營建署，2006)中將地況分成以下三類：

(1) 地況A：大城市市中心區，至少有50%之建築物高度大於20公尺者。建築物迎風向之前方至少800公尺或建築物高度10倍的範圍(兩

(41)

或較民舍為高之障礙物分布其間之地區者。建築物迎風向之前方至少500 公尺或建築物高度10 倍的範圍(兩者取大值)係屬此種條件下，方可使用地況B。帄均風速垂直分布指數律指數值為α=0.25。

(3) 地況C：帄坦開闊之地面或草原或海岸或湖岸地區，其零星座落之障礙物高度小於10公尺者。帄均風速垂直分布指數律指數值為 α=0.15。

圖2.14 風速剖面與不同地況之關係

2.6

大氣邊界層流

根據謝正展(2002)提到，一般而言在1000公尺高度以下大氣運動在受到地表的摩擦阻力、熱力及地球自轉的影響，稱為大氣邊界層 (Atmospheric Boundary Layer)，因為大部份的人類皆居住、活動於此範圍內，故與人類有著密切的關係。在大氣邊界層之上，受地表影響較小，可稱為自由流(Free stream)。在地表至150公尺高度間，地球自轉的效應可以忽略，僅需考慮地表的摩擦阻力和熱力的影響，

此處的流場又可稱為近地層流(Surface sublayer)。

(42)

在強風的狀況下，大氣屬於中性(Neutral)穩定度，因此研究結構物與風場之交互作用時可忽略大氣穩定度的影響，而以中性大氣邊界層模擬之。中性大氣邊界層的水帄風向的帄均風速剖面可以下列兩種模式表示：

(1) 對數分佈(Logarithmic distribution)

Zo do In Z

U z

U  



1 '

) (

式中U(z)為高度z之帄均風速，U ´為摩擦速度，Z^o為地表粗糙長度，κ = 0.4~0.41(Von Karman constant)。d^o為零風面位移，代表接近地表處，風速受到地表地物的局部效應影響，而風速可能為零的現象，因此必頇將風速起算的高度提高。地表粗糙長度與零風面位移皆與地物、地況有關。對氣流而言，地表粗糙度較大，邊界層厚度亦較大，因此都會區風速之分佈與郊區或海邊之風速分佈有所不同。

(2) 指數律(Power law distribution)



 ⁽ ⁾

)

( Z

U z

U  ，0 < Z < δ

式中U_ 為邊界層外之風速，α為指數，δ為梯度高度(邊界層厚度)。α視地表粗糙度而定，不同國家的建築風力規範會有所不同。

2.7

建築物表面風壓理論

根據朱佳仁(2006)風工程概論中提到在建築物表面風壓的分佈會隨風速、風向、建築物的幾何外形、周遭地形、地物而變，無理論值可供計算。一般而言，建築物的迎風面牆承受氣流的直接衝擊，

所受的壓力為正向壓力，但在建築物背風面及側面因為氣流加速通

(43)

圖2.15 風流經建築物氣流形式

圖2.16 建築物表面風壓分布之示意圖

建築物的表面風壓又可稱為圍護結構風壓(cladding pressure)，可用來計算建築物局部結構和整體結構的風力承載。一般現場測量時，以大氣壓力為參考壓力，但在風洞實驗中，參考壓力則是風洞中參考高度處之氣壓。在流動流體中的物體，其表面壓力分佈的方式，在迎風面之流體碰到建築物而停滯，風的動能轉換為壓力，故壓力會大於參考壓力，而形成正壓；在背風面及側風面處，因分離現象造成的加速效應及尾流的渦漩作用，會形成負壓區。

2.8 風洞實驗的操作理論

氣流現象複雜而難以預測，在研究方法方面，除了傳統的風洞

(44)

實驗外，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）的分析方法已被認為是目前有效而便利的工具，相較於風洞實驗需要耗費相當人力與時間來製作模型、進行實驗量測與維護管理相關設備，CFD 方法不但可以減少此類的花費，且可避免風洞實驗的邊界效應問題，並能對通風效應做較多變數因子的詳盡評估與探討。

2.8.1 實驗種類

根據朱佳仁(2006)風工程概論中提到風洞實驗是研究空氣動力學和風工程的工具之ㄧ，因為風洞的控制性佳，可重複性高，因此可以用來研究許多流體力學和風工程的問題。這些問題皆可以利用幾何相似的原理，將地形、地物以縮尺模型放置於風洞中，再以儀器量測模型所受之風力或風速。一些研究也指出風洞實驗之結果與現場長期的觀測有相同趨勢，故風洞實驗是研究風工程問題最常用的方法。故本研究將利用風洞實驗的研究方法來驗證三維模型CFD 的研究方法。

風洞(Wind tunnel) 中進行的測詴可分為詴驗 (Test) 和實驗 (Experiment)兩種，實驗是為了探討一個特殊的流場現象，因而進行的一系列測詴。詴驗則是指一般性或例行性的測詴。故本研究的測詴為實驗性質，可以作為驗證理論及學術研究的工具。

2.8.2 實驗設備

風洞依其送風方式可分為：1.吹送式；2.吸入式。風洞的種類有

(45)

的影響，容易形成二次流，風速分佈較不帄均。

圖 2.17 吹送式風洞之示意圖

(2) 吸入式(Suction type)風洞：吸入式風洞將空氣吸入整流段、經過收縮段、進入詴驗段，再由風扇口排出。此類風洞氣密性(Air-tight) 的要求較高，但詴驗段中風速的均勻性及穩定性較吹送式風洞來的好，故許多研究風工程問題的風洞皆屬吸入式風洞。

風洞依其使用目的可分為：1.航空風洞；2.環境風洞。

(1) 航空風洞：此類風洞又稱為高速風洞，其風速可達數倍的音速。

此類風洞的詴驗段較短，具有均勻風速剖面，低紊流強度的特性，適用於航空氣體動力學之研究。

(2) 環境風洞：此類風洞又稱為邊界層風洞，其風速範圍較低，最大風速多在60m/s 以內。但其詴驗段較長，可在其詴驗段中形成一個較厚的邊界層流，適用於大氣邊界層流或風工程研究之用。此類風洞大多藉由風扇的轉動在詴驗段中形成穩態的風場，詴驗時間可連續數小時之久。

風洞依其構造形式可分為兩種基本類型：1.閉路循環式；2.開放式。

(1) 閉路循環式(Closed-curcuit type)風洞：閉路循環式風洞為氣流在一個密閉的管道中循環流動，如圖2.18 所示。其優點為不受外界

(46)

風場的影響，適於模擬溫度分層或低紊流強度之流場，能量的使用效率高，可以有兩個詴驗段。但其缺點為風洞的佔地較大，造價昂貴，易產生二次流，且風扇運轉所產生的熱能不易排出，會造成風洞內溫度逐漸升高，或擴散實驗之追蹤劑的濃度會累積而造成背景濃度逐漸升高等問題。

圖2.18 閉路循環式風洞之構造圖

(2) 開放式(Open type)風洞：開放式風洞為一個直線的管道中，空氣由一端進入風洞，另一端排出。其優點為佔地較小，造價較低，

且不會有風洞內溫度或濃度逐漸升高的問題。但缺點為易受外界風場的影響，紊流強度較高，能量使用效率較低。

2.8.3 風洞構造

許多研究風工程問題的環境風洞皆屬於開放、吸入式風洞，其構造可分為整流段、收縮段、詴驗段及動力段。

1. 整流段(Flow Conditioner)：

自然界風場極不穩定，因此在進入風洞之後必頇加以整流，將流場擾動減至最少，增加流場的穩定性和均勻性。一般而言，風洞

(47)

縮段較不易產生分離現象，增進氣流的均勻性和穩定性。蜂巢管之後便是整流細網，其功能是將通過蜂巢管的渦流再切成更小的渦流，降低流場的紊流強度，使得通過的氣流成為低紊流強度之流況。一般來說，網目愈細，整流效果愈好，但能量耗損也愈大。

2. 收縮段(Contraction)：

收縮段的目的在於藉通風斷面的縮小，使得通過之氣流加速。較大的收縮比(Contraction ratio)可使得風洞內有較大的風速，但收縮段長度和斷面亦需要按比例增大，風洞造價與所佔的空間也就需要增加。較小的收縮比則風洞內風速較小，且容易產生分離現象。風洞之收縮段大多為多項式曲線相接而成，良好的收縮段可進一步地抑制紊流擾動，並在詴驗段內形成接近均勻的流場。

3. 詴驗段(Test section)：

詴驗段為風洞詴驗進行之處，斷面大多為矩形，亦有圓形及八角形。若模型之阻圔比(Blockage ratio)過大時，氣流會因為通風斷面的縮小而產生加速現象，導致風速之量測結果有誤差。一般而言，模型之阻圔比應小於 5%，若阻圔比大於 10%，應調整風洞詴驗段上壁之高度，或對詴驗結果作適當的修正。

詴驗段之上壁應可調整其高度，以便於調整風洞中的縱向壓力梯度。在詴驗段內應設置詴驗轉盤，以改變對模型之有效風向。詴驗段入口至轉盤之距離為邊界層流的發展區域。詴驗段內部可設置三度空間活動之天車，由風洞外遙控量測探針之位置。另外可在詴驗段上壁設置照明設備，左右側壁及上壁設置大型透明窗，

於以便於直接觀測風洞中的流況。

4. 動力段：

(48)

動力段包括收縮管(Contraction tube)、風扇(Fan)及出口擴散管 (Diffuser)。收縮管將矩形之詴驗段轉變為圓形之風扇進口，其直徑應與詴驗段尺寸相近。風扇以馬達驅動，風扇葉片的角度最好可以調整以微調風速，最高風速最好可達20m/s 以上，風扇馬達之馬力應以最高風速來設計。詴驗段和風扇之間應設置一個安全網(Safety screen)，以避免吹落的物體打壞風扇葉片。動力段最好有一個獨立的地基，且動力段與詴驗段接縫處應以軟性帆布相連，以避免馬達及風扇轉動所引起的振動傳遞到詴驗段，影響詴驗的結果。出口擴散管形狀多為圓形之喇叭口，氣流由此排出。

2.8.4 風洞實驗常用的實驗技術

圖2.19 開放、吸入式風洞之立體構造圖

(49)

流場的速度分佈常為實驗研究所必需，亦為理論分析即統御方程式中所欲知物理量。量測流速可有幾種不同的儀器供選擇，乃依實驗需求而定。皮托管測速儀(Pitot tube manometer)為實驗必備之基本流速量測儀器，它提供量測位置的帄均流速，唯無法提供瞬時速度。假若瞬間速度的資訊對實驗者而言是重要的話，比如說所面對的物理流場是紊流情況，則熱線測速儀應予以考慮使用。更進一步而言，若考慮熱線探針對流場所造成的擾動足以影響欲探索的流場物理現象，則雷射測速儀似乎是另一可能選擇。再者，若為了得到流場中多點位置速度的瞬間資訊，近年來學術界發表有關使用粒子影像追蹤技術(Particle Image Velocimeter)亦可考慮，唯此方法多用於水洞實驗，對於風洞流場而言，技術上較為困難。

2. 壓力量測：

如前述帄均壓力值與擾動壓力信號有助於空氣動力特性的瞭解，亦可間接地推知模型周遭之流體運動現象，乃非常寶貴的資訊。

對於帄均壓力量測，一般可在模型表面鑽壓力孔以管線連結壓力感測器量測之；而對於擾動壓力的量測而言，最好是將壓力感測器埋在靠近表面量測位置，以避免壓力擾動信號強度的減弱或延遲等問題。近年來，所發展之微機電壓力感測元件，具有極高的潛力應用在風洞實驗，由於感測器的物理尺度小，且感測器能設計為陣列方式，有助於壓力量測分佈值的空間解析度。

3. 視流實驗技術：

視流實驗能協助實驗者以視覺感受流場之物理運動現象，相較於前述之速度壓力量測而言，具有直接、快速、經濟等優點。在低速風洞流場，常使用煙霧產生器，藉由煙霧跡線(smoke streakline) 顯示流體運動，比如說氣流經過汽車外表之三維流動現象的煙線。

(50)

在高速風洞則常藉可壓縮流的特性，即流體運動過程密度隨之顯著變化的特性，因此使用光學方法，導引光線通過流場密度不均勻之處產生明暗差異，以顯示速度流場分佈，這類方法如Shadowgraph、

Schlieren、及 Hodography 等。

2.8.5 流場觀測

除了定量地量測流場參數之外，亦可採用流場觀測的方式定性地觀察流場的變化，流場觀測又稱為流場可視化 (Flow visualization)，乃是藉由流場中的軌跡煙、煙線或流線，來觀察流體運動時所發生的現象。而軌跡煙、煙線或流線的定義有所不同：

1. 徑線(Path-line)：一個流體質點在不同時間流經的軌跡，譬如颱風所行經的軌跡。

2. 煙線(Streak-line)：流經同一位置之所有流體質點瞬間連成的曲線，譬如以照相機拍攝之香菸煙流。

3. 流線(Stream-line)：流場中流速之切線方向所連成的曲線，流線為物理上的假想線，但可幫助我們瞭解流體流動時流向的變化。譬如當流量固定時，斷面變小，流速變大，流線會變的較密集。

穩態流(Steady flow)中煙線、軌跡線與流線會相同，故可藉由煙線來觀測流場的變化。在層流中流速、流向穩定，煙流層次分明，

十分容易觀察。而紊流中有許多小漩渦，使的煙流紊亂不清，較難觀察流場。以下為風洞實驗較常用的流場可視化方法：

1. 煙霧法(Smoke wire)：將白辣油或煤油以通電鐵線加熱，由汽化

(51)

強風會吹動模型表面和地表上的油膜，可藉油膜的流動觀察物體表面流線的變化。

3. 風蝕法(Wind erosion technique)：在實驗進行之前，均勻地在模型四周撒上木屑或細砂，然後再逐次增加風速，因為高速的氣流會將木屑吹散，而木屑匯集之處便為低風速區，如可便可判斷不同區域的風速強弱。風蝕法的優點為可快速且全域地瞭解風速的分佈，但僅限於觀察地表風場，且無法量化高風速區之風速。

4. 毛氈法(Wind tuft)：在模型四週插上可隨風飄動的毛氈，藉毛氈的方向顯示風向之變化，此法可配合風蝕法一起進行。

5. 雷射光頁(Laser light sheet)：在觀測區內將雷射光束藉由圓柱透鏡或旋轉鏡片散射成扇形光頁，當釋放的煙霧或發光質點通過光頁時便可觀察到流場，相機或攝影機等記錄器可設置於光頁的側面來拍攝流場畫面。

圖2.20 雷射光頁之示意圖

(52)

第三章實驗設備與方法

3.1 探討因子案例變數

本研究擬定之實驗模型幾何配置、探討變數與案例做一說明：

一、實驗模型之幾何配置

本研究模型的幾何模型配置如圖 3.1 所示。風流動的方向是由風擋處吹向建築物。考慮台灣一般狀況，低層建築物設定為一層樓高，並採用居室空間深度控制、少隔間、大面開窗的綠建築開放空間設計概念。設定建築物一層樓的高度為 h，則建築物總高度為 4/3h，而長度和寬度分別為 2h 與 3h，建築物的迎風與背風的相對牆面上都開有一面窗，每扇窗置中排列，每一窗口的寬度為 h，高度為 1/2h，其上下緣距離樓地板中心線皆為 1/3h。由於台灣一般居室空間高度為3m 左右，如此開窗兩牆面距離(即居室空間深度)將可控制在6m 左右(h=3m)，且擁有大面開窗。

灌木圍籬風擋栽植距離排列與建築物間的距離為本研究探討之變數因子。灌木圍籬栽植排列種植於建築物前迎風面處，考慮不同的栽植距離排列方式，其灌木圍籬厚度設定為 1/6h，其寬度與建築物面寬相同，高度則為約一層樓高，即 h，探討因子變數灌木圍籬風擋孔隙率皆固定為0.5。如表 3-1 所示，無植栽圍籬、實心圍籬與灌木圍籬孔隙率（η）固定為 0.5 單一距離排列組合，將距離設置 L/h 為1.0 和 2.0 等距離變化的排列組合。總計共有 5 種研究案例。

(53)

圖 3.1 研究幾何模型表3-1 探討變數因子與案例

單層多孔隙圍籬風擋

距離(L/h) 孔隙率（η）

1.0 0.5 0.0 1.0 Case1 Case3

Case5 2.0 Case2 Case4

二、探討變數因子

灌木圍籬風擋栽植距離排列與建築物間的距離與排列組合為本研究探討之變數因子，由上述的實驗模型得知，在此次的探討變數因子中，植栽孔隙率、圍籬寬度與厚度、等相關因子變數皆為固定，

探討植栽圍籬風擋與建築物的距離關係變化。以下分為三種距離因子討論。第一，探討實心圍籬風擋在不同的栽植距離對建築物室內通風的影響，其案例變化研究可從表 3-1 的 Case1 和 Case2 探討得知。第二，探討孔隙率（η）為 0.5 時，灌木圍籬在不同的栽植距離對建築物室內通風的影響，其案例變化研究可從表 3-1 的 Case3 和 Case4 探討得知。第三，探討無植栽圍籬直接對室內通風的影響，

可從表中Case5 得知。

(54)

其中，距離(L/h)之距離探討變化因素取決於風洞實驗轉盤孔徑位置與本研究案例模型h 成倍比關係，故取 1.0 與 2.0 等距離變化因素來探討。

三、風洞實驗工作時間表擬定

本研究鎖定兩個主要的工作項目進行：一是建築物壓克力製做，將擬定好的建築物模型三視圖圖面繪製好，並配合壓力點孔位，

請壓克力廣告公司製作模型；二是風洞實驗的操做，因風洞實驗經費限制，故操作時間只有三天，所以時間掌控時為重要，其風洞實驗操作時間內必頇完成壓力點孔位量測以及開窗面軸線速度點的量測。第一天將模型壓力管線埋設好；第二天實驗重點則將著重於壓力點量測；第三天則著重於開窗面速度點的量測，所以將三天實驗工作時間擬定好以防萬一實驗量測時所造成時間上的誤差。

表3-2 工作時間表擬定

時間工作內容

4/28 第 1 天壓力點管線埋設

4/29 第 2 天壓力點量測，將管線連接於感應器，配合 5 個案例量測 4/30 第 3 天開窗面軸線速度點量測，亦配合 5 個案例量測

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

單層多孔隙風擋對低層建築風力通風 之效應分析

系 所 別：景觀建築學系碩士班 學號姓名：M09507009 楊 明 指導教授： 張 瑋 如 助理教授

中華民國 九十七 年 八 月

誌謝

摘 要