近年氣候變遷氣候型態遽變，104年蘇迪勒及105年尼伯特颱風侵襲，相繼出現蒲氏風速分級17級風(56.1~61.2m/s)以上的強風。造成許多戶外構造物(招牌、玻璃欄杆、遮陽、太陽能光電版….等)損壞。其後，業者為確保戶外構造物的抗風性能，紛紛尋求17級風實尺寸構造物耐風試驗，但國內尚無大型設備能量，無法執行相關檢測。為滿足業界執行實尺寸構造物耐風試驗需求，配合本所推動實驗室產能創生計畫，將用於執行帷幕牆風雨試驗之造風機改造。將傳統3葉螺旋槳式葉片，更新為10支葉片，增加鐘形導風口、筒身及靜態導風板等，使其具有防護機制，並提高風速可達60 m/s即17級風，協助業界進行創新戶外產品耐風驗證，改造後風機之前後之外觀如圖1所示。本所於110年7月底完成造風機改善工作，確認於出風口之風速可達60m/s以上，後續仍須量測風口外12.5公尺範圍的斷面風速，以精準掌握造風機之風場特性，作為執行檢測或研究試驗之基礎數據，建立試驗品質與信心。本研究針乃對改造後風機進行其風場量測研究，探討其造風特性，據以作為執行研究和檢測案件之依據。

二、試驗規劃與量測

(一)造風機及量測設備

本案之造風機風場特性量測工作，係於內政部建築研究所風雨實驗館內進行，造風機配置於實驗場東側，風場由東向西行進，西側完全淨空，如圖2所示。造風機直徑約4m，設計風量：500m3/s，設計壓力：0.8Kpa，風機軸馬力656KW，馬達為大同1200kW 10P 3300V，0~60Hz，TIK-VCk，變頻器為TOSHIBA(MV-INV1)，1800KVA-3.3KV-315A-80HZ。造風設備的啟動與風速控制均由皆由電腦LabView程式控制並記錄。

風速量測設備為臺灣宇田控制股份有限公司所生產的熱線式風速計，如圖3所示，最高風速可達90m/s，且有溫度補償及電腦線性校正風速功能，輸出訊號可為類比或選配RS485，精度(+25°C)下，風速：±1.5%F.S.(非線性誤差，遲滯誤差，重覆性誤差)，溫度(＞2 m/s)：±0.3°C熱靈敏度溫度誤差：0.05% / °C。預設輸出：Out1：風速；Out2：溫度(預設值：0、80°C)。

(二)試驗規劃

本研究使用風速計量測造風機出風口斷面風速，預計量測距出風口2.5、5、7.5、10及12.5公尺等處之風速剖面，如圖2所示。各斷面量測點位如下圖4所示，圓心點為馬達軸心，共量測25個點位，縱橫向各5個測點，第一橫排開始由下從上至第五橫排，離實驗場地板高度分別為1.5公尺、2.0、2.5、3.0及3.5公尺。以通過馬達軸心第1行為基準，向風機外圍移動，各行距第1行距離分別為0.3、0.7、1.2、1.7公尺。

由於造風機出風口為一開放空間，執行風場量測過程須考慮如何固定風速計。此外，本研究所使用一維風速計，風場須有正向進入風速計入流口才能測到準確風速值。因此，風速量時將風速計測棒放入長約2.5m之圓鋼管棒，固定位台車上。經伸縮圓鋼管棒可自由調整測點之橫向位置與改變測棒入流口角度，測點高度則由台車升降。如下圖5所示。

三、試驗數據分析與歸納

本案共量測5個斷面，每個斷面25個點位，每個點位量測20、25、30、35、40、45、47.5等7個變頻器頻率(Hz)，作成風速等值圖(Contour)及橫向誤差線(Error Bar)，呈現每斷面之風速分布情況，詳如圖6標示。風速等值圖(Contour)越接近紅風速越高(60m/s)，再逐次遞減至藍色(10m/s)，參考等值圖右側之風速色彩標示。橫向誤差線(Error Bar)則以曲線方式呈現，每個點位可看出最大、平均及最小風速等3種數據，以瞭解每個測點之風速變異及橫向分佈情況，以下就順風向和橫風向之風場特性說明如下：

(一)順風向之風場特性分析

距造風機出風口2.5公尺處，不同變頻器頻率下之風速等值圖(Contour)如圖7所示，變頻器低頻率下馬達轉動慢，所產生之風速較低，為可預期結果，而風速隨著馬達轉動頻率增加，風速隨之增強。觀察頻率25Hz、30Hz及35Hz三個等值圖，可發現於Y=0m(對應馬達軸心)處，有近似半圓形之藍色區域，該區域風速皆在20m/s以下，此低風速區係因馬達遮蔽效應所產生，當風場從出風口流出，馬達阻擋影響風場行進造成橫向速度梯度，馬達對應位置低壓區，此種遮蔽效應隨著距離出風口越遠影響越小。

由圖7可知，於頻率40Hz開始出現風速大於蒲福風速分級17級風(56.1~61.2 m/s，以下簡稱17級風)之風速，於頻率47.5Hz下，平均風速最高達68.8m/s，遠大於17級風速；頻率45Hz下，平均風速最高達66.5m/s；頻率40Hz下，平均風速最高達60.9m/s，遠大於17級風速。若擷取每個測點之最大值進行分析，如圖8所示，於頻率47.5Hz下，最大瞬間風速達70.5m/s；頻率45Hz下，平均最大瞬間風速達66.1m/s；頻率40Hz下，最大瞬間風速達62.5m/s。

本研究以圖8表示風速隨著距離出風口越遠而逐漸衰減情況，該圖係5個量測斷面，於頻率47.5Hz下之最大瞬間風速等值圖，於2.5公尺處可看出高風速範圍較大且分佈於斷面外側，如前述因馬達遮蔽效應造成斷面內側Y=0(對應馬達軸心)附近風速較低，往下游距出風口5公尺至12.5公尺，越下游受馬達遮蔽效應影響越小，且高風速範圍逐漸減小，但分布位置卻往斷面內側移動。由此可推論，造風機產生之風場係以噴射狀形成，動量向斷面內側(馬達軸心)補償，越下游風速分布越均勻。

(二)橫風向之風場特性分析

本研究以橫向誤差線(Error Bar)分析不同位置，各斷面之橫風向風場特性，如圖9所示，圖9(a)到9(f)顯示距出風口2.5公尺斷面處，各橫測點之風速曲線，Y=0m、±0.5、±1.0m所示位置如圖圖6(b)所示，Y=0m對應馬達軸心位置，Y=±0.5m為Y向距馬達軸心±0.5m，Y=±1.0m則是Y向距馬達軸心±1.0m。由於馬達遮蔽效應影響，圖9(a) (b)(d)風速曲線由X=0到=1.3m風速由低到高，再X=1.7m時，風速再下降。前述低風速線段係在馬達影響範圍，隨著X距離增加，漸不受馬達影響，形成由低至高的風速梯度。而X=1.7m處風速再降低，該測點已在出風口外徑邊緣，因此風速較低，與前段之風速梯度相反。Y=±1.0m處即圖9(c) (e)因已不在馬達影響範圍，故其風速梯度由高至低。圖10距出風口7.5公尺斷面處，各橫測點之風速曲線，因距出風口較遠馬達遮蔽效影響較小，吾人可觀察圖10各橫向風速梯度，於X=0~1.3m範圍呈現較均速分布，而X=1.7處則是相對較低。

綜合前述量測分析結果，本研究將造風機風場歸納為17級風區及風場穩定區。 17級風以上風速，變頻器頻率應設定在45Hz以上，而試體放置地點可於距出風口2.5公尺處，X=0.5m~1.5m、Y=±1.0m之範圍及距出風口5公尺處，X=0.3m~1.3m、Y=±1.0m之範圍。風場穩定區變頻器頻率應設定在25Hz至45Hz之間，距出風口7.5m至12.5m，X=0m~1.5m、Y=±1.0m。17級風區適用於執行實尺寸構造物破壞試驗，而風場穩定區則適用於執行受風引致振動量測及各類大型構造受風研究等。

四、結語

為因應氣候變遷引致之極端風速，可能造成戶外構造物破壞，本所風雨風洞實驗室升級造風設備，使其能達成17級風風速，以協助國內業界執行戶外創新產品開發之耐風驗證。為確認升級改造後造風機之風場特性，以風速計量測距出風口2.5m、5m、7.5m、10m及12.5m等5個斷面之風速分佈。並將量測結果計算平均風速、均方根風速，最大風速及最小風速等以風速等值圖(Contour)呈現，且以橫向誤差線Error Bar方式分析顯示斷面橫向風速變異情況。經分析得知，造風機風場從出風口係以噴射狀向下游移動，高風速區域隨著距離越遠越向內側(風機馬達軸心投影)移動。於低風速下距出風口越近馬達的遮蔽效應越明顯。而距出風口越遠也因遮蔽效應減少，使得風場分佈均勻性較高。但在高風速下，遮蔽效應仍相當顯著，且不似低風速情況距出風口越遠遮蔽效應減少，距出風口7.5m處仍有明顯馬達遮蔽現象，風場分布均勻性較低。綜合分析歸納後將風場區分為17級風區及穩定風速區，並率定其相應的範圍，精確掌握風場特性，以供本實驗室執行檢測試驗或研究試驗之應用。

本研究係以一維風速計進行造風機風場量測，量測時須讓風場進入一維風速計微小感應孔洞內，否則無法測得準確風速，執行過程係由人工操作此程序，容易造成量測誤差且不具便利性，建議後續應用二維或三維風速計進行量測，增加量測準確性及便利性。量測過程係將風速計固定於長約2.5m的鋼管上，移動鋼管以調整X向位置；藉由工作台車的升降改變Y向距離；工作台車的前後移動改變Z向距離，以此方式不易精準控制測點位置，若能製作一移動機構作為風速計支架，並經由電腦控制其行程，將能更有效的執行風場量測。

(a)實驗室建置初期造風機