一、前言
臺灣地理位置特殊,位於西太平洋颱風行進路徑上,根據統計平均每年3個颱風經過臺灣,強風伴隨豪雨常引致嚴重災情;而風也可促進自然通風或轉為潔淨能源減少碳排,瞭解風並制御風不但可以防災亦可節能與增能。本所風雨風洞實驗室專責於風工程相關研究發展與試驗驗證,過去應用相關試驗設備與技術,已完成部份技術規範本土化的修正,並開發相關應用軟體。但氣候異常與極端氣候頻繁出現,加上國內社會與業界需求轉變,現有規範內容與試驗設備恐無法因應未來天氣遽變型態與產業需求,須於既有基礎上再適度的調整與更新。本次出國赴捷克及義大利執行「歐盟都市災防應變與建築風環境先進試驗技術參訪觀摩研習計畫」,參訪相關試驗機構,瞭解其風工程發展與建築風環境相關課題研究趨勢,可作為我國在預防風災與增進建築環境舒適性應用之參考。另觀摩風洞試驗先進技術與借鏡其營運模式,可供本所風雨風洞實驗室技術開發與實驗室永續發展之參考。同時,本次參訪有利具體規劃我國風工程科技的優先順序與未來方向,俾使與國際趨勢接軌。
二、過程
本次出國主要赴捷克及義大利等兩國,於108年10月14日至23日拜訪捷克科學研究院理論與應用力學所之環境風洞實驗室,參觀捷克UCEEB實驗室及捷克理工大學土木工程學院室內環境與建築工程設備系;義大利則是至米蘭觀摩Politecnico大學的GVPM 風洞實驗室及佛羅倫斯大學營建與風工程氣動力學研究中心之大氣邊界層風洞實驗室。就各實驗室特性簡要說明如下:
(一)捷克科學研究院理論與應用力學所(ITAM)之環境風洞實驗室
捷克科學研究院理論與應用力學所(Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Czech Academy of Sciences)風洞實驗室具有可控制風速和溫度條件的封閉迴路,分為空氣動力和環境兩個測試區域。空氣動力測試區域為研究風對縮尺模型原型的影響提供了合適的條件,而環境測試區域的設備則適合於研究天候對建築構造的影響,包括風、溫度、雨水和熱輻射。使用冷卻/熱交換器,在相對較短的時間內,整個測試區域內的空氣循環溫度變化可在-10至30 ℃的範圍內進行。測試區域內設備組成部分包括風速量測儀器、數據採集系統、表面壓力直接測量、精確測溫以及許多其他類型試驗方便使用的配件等。
(二)捷克建築能源效率研究中心(UCEEB)
捷克建築能源效率研究中心University of Centre for Energy Efficient Buildings CTU in Prague,以下簡稱UCEEB)成立於2012年,係由捷克政府及歐洲區域發展基金所支持的捷克理工大學獨立機構,建築物於2015年5月15日正式啟用。該中心主要有5個研究團隊:建築與環境、建築物能源系統、室內環境品質、材料與結構、智慧建築之控制與監測。本次主要參訪室內環境品質實驗室,致力於提昇節能建築用戶的室內氣候品質(健康,安全和舒適),其雙氣候測試艙(Dual Climatic Cabin)是室內環境領域實驗室的重點設備,針對熱感和建築物空氣品質議題研究。通過各種加熱、冷卻和通風設備分析環境,可改善設備的使用效能,以提高環境空氣品質並改善能源利用效率。
(三)捷克理工大學土木工程學院室內環境與建築工程設備系
參訪捷克理工大學土木工程學院室內環境與建築工程設備系(Czech Technical University in Prague (CTU), Faculty of Civil Engineering, Department of Indoor Environmental and Building Services Engineering,),係由副主任Prof. Michal Kabrhel接待導覽。該系成立於1960年,屬於捷克理工大學土木工程學院系所之一。而捷克理工大學為歐洲最古老的理工大學之一。建築技術設備包括衛生設施,及建築物的供暖和製冷、空調、電線、建築技術、人工照明、計算機建模、室內環境理論和能源性能等領域的系統設計、實施和系統操作。該系成立宗旨為建築科技設備領域研究與發展、及大學生、碩博士的研究教育訓練、研究與教育計畫的國際合作、標準與規範研訂、政府部門與專業組織合作與終身學習等。
(四)義大利米蘭(Politecnico)理工大學GVPM 風洞實驗室
GVPM是一個特殊的封閉迴路風洞,具有上下兩個垂直配置的測試區域。第一測試區域位於迴路低層適用於低紊流測試,測試斷面為4m(寬) x 3.84m(高) x 5m (長),最高風速達 55m/s。第二個測試區域斷面較大,位於迴路的上層被規劃用於土木工程測試(大氣邊界層測試區域),測試斷面為13.84m (寬) x 3.84m (高) x 35m (長) ,最高風速達16m/s。風洞內造風設備是由14個小風機組成,每個小風機具直徑1.8公尺葉片及100KW功率,總共可達1.4 MW的動能。所有的小風機配置成兩排,每排有7個2x2m的獨立單元,每個風機由獨立的變頻器驅動,使其可以控制風速變化,以達到整個測試段內的需求速度。
(五)佛羅倫斯大學營建與風工程氣動力學研究中心(CRIACIV)
佛羅倫斯大學營建與風工程氣動力學研究中心負責營運一大尺度風工程大氣邊界層風洞實驗室,該實驗室位於佛羅倫斯大學Prato校區內,其為義大利在建築與環境氣動領域第1個實驗室。可針對某些結構類型(高層建築,大跨度橋樑,細長結構)以及某些環境現象(污染物在大氣中的擴散)受風影響時相關物理現象進行探討。在比例模型上進行測試通常是獲得所需參數的必要步驟,必須在邊界層風洞(BLWT)中進行測試,在該邊界層中以給定的風場規模再現大氣環流。BLWT從入口到測試區域的長度與航空用風洞不同,風洞內的裝置可以正確地模擬地球表面的粗糙度,以測得平均流速和紊流特性。其風速可達30 m /s,且可藉由改變風扇葉片的槳距角及電動機轉速以控制風速。
三、心得與建議
(一)心得
本次赴捷克及義大利執行「歐盟都市災防應變與建築風環境先進試驗技術參訪觀摩研習計畫」,除拜訪捷克UCEEB實驗室及捷克理工大學土木工程學院室內環境與建築工程設備系,主要考察拜訪捷克科學研究院理論與應用力學所(ITAM)之環境風洞實驗室,義大利米蘭理工大學的GVPM 風洞實驗室及佛羅倫斯大學營建與風工程氣動力學研究中心CRIACIV之大氣邊界層風洞實驗室等3個風洞實驗室。各風洞實驗室之特色比較說明如下:
ITAM風洞實驗室的特色是環境測試區域(climatic section),在風洞內可噴水調節降雨強度和水滴大小,以模擬與毛毛雨或大雨相對應的效果,並控制室內溫度。此為世界各國風洞實驗室少有之功能,人員配置上僅研究人員1至2名,但額外有人力需求時可由其他地方調派人力支援;經費來源分配約為檢測案件佔10%、研究計畫經費佔20% 、政府預算佔70%。GVPM風洞斷面寬14公尺,可執行大尺度的橋梁全橋模型風洞試驗,及其他大型場館或構造物之縮尺試驗。另外,有兩個低紊亂測試區域(移動式且可交替使用),可快速且有效率執行各項商業檢測案件,因此其經費來源以商業檢測案件為主,在人力上則有5名教授及5名技術人員,為較具規模之風洞實驗室。CRIACIV風洞實驗室為義大利歷史最久之風洞,斷面尺度較小,主要用於學術研究,擁有完整的研究團隊,經費以學校支應為主,亦執行商業檢測案件,但案量不多。而本所風洞實驗室為國內最大斷面風洞實驗室,主要執行研究試驗作為我國耐風規範之修訂依據,輔以執行商業檢測案件作為儀器設備維護,經費來源科技計畫佔20%、檢測案件佔80%。
(二)建議
本次執行「歐盟都市災防應變與建築風環境先進試驗技術參訪觀摩研習計畫」,參訪捷克及義大利風工程相關實驗室,瞭解各實驗室因國家建築特色、定位取向及人力配置考量,而發展各種不同規模與定位之實驗室,執行此次考察計畫後,可借鏡他山之石,作為本所實驗室試驗研究發展與營運參考,相關建議如下:
- 水可載舟亦可覆舟,風可引致災害亦可形成能源。本所風工程科技計畫一直聚焦於風災的預防,探討構造物受風載重與風壓係數,以確保使用安全。對於綠能的應用則較少著墨,從參訪過程瞭解到,國外風洞亦積極探討如何有效利用風能題。本所風洞實驗室或相關研究計畫應配合當前政府發展綠能政策,進行綠能相關研究。
- 本所風洞實驗儀器設備精良,試驗技術水準不亞於國外實驗室。經此次參訪後,將與受訪實驗室適當維持連繫結並評估後續合作可能性,或與國內大學合作申請科技部計畫辦理技術人員互訪,甚至共同辦理實驗室間試驗能力比對,拓展國際視野,增加國際交流。
- 本次參訪之實驗室各具不同發展定位,形成自身之明確特色。本所風洞實驗室以研究試驗作為法規修訂依據,並輔以執行商業檢測案件。現有人員雖於風工程領域各有不同面向專長,但因研究人力不足,實驗室缺乏全面性研究人才。為此,建議應與國內大學或相關研究機構,在設備使用、人力支援與研究議題上積極合作。
- 雖然風工程是非主流研究領域,但可應用範圍相當廣泛,建議應辦理風工程研討會、座談會、教育訓練與推廣,強化國內政府部門、建築師、技師、產業界與民眾對風工程的認識,以深化風工程之推廣與普及。
- 本次參訪之風洞實驗室各自發展不同可視化技術,觀察流場通過建築構造物的變化歷程,但僅能觀察風場流向。本所為改良此問題,今(109)年度進一步整合擴充實境(AR)及計算流體力學(CFD),建立風洞實驗室數值化的風場實境視覺化技術。預計開發應用程式(App),除有風場流向定性功能外,亦呈現不同位置及風向之風速、風壓或風力等隨時間變化的動態物理量,兼具科普化及專業化的風工程成果展現。
圖1捷克ITAM風洞實驗室環境測試段(具風、水及溫度調控功能)
圖2捷克UCEEB實驗室
圖3 捷克理工大學室內環境與建築工程設備系Michal Kabrhel教授簡報
圖4 義大利米蘭理工大學GVPM 風洞實驗室
(此測試區域長35公尺、寬約14公尺,可執行長跨度之橋樑風洞試驗)
圖5 佛羅倫斯大學營建與風工程氣動力學研究中心風洞實驗室
(Dr. Andrea Giachetti導覽檢測案件)