摘 要
近年都市建物平均高度逐年增高，提升土地使用強度以容納更多人口，也改變了傳統都市熱島效應的結構，本研究以垂直結構切入，藉由溫度、濕度、熱焓等因子分析冠層熱島效應。
為了解都市三維垂直空間中熱能量之分布，本研究透過四軸無人機實測，並以局部氣候分區（Local Climate Zones）定義台灣常見的都市型態，分析不同地表結構、時序變化下對冠層熱島發展的影響，並利用流體力學軟體（ENVI-met）控制不同氣象因子的變化，解析在不同都市型態下冠層熱島的分布情形，藉此提供改善策略參考。
研究顯示，開放式建築地區的冠層熱島曲線受到建築高度影響顯著，而密集建築地區的冠層熱島隨著高度增加平均遞減，但密集高層建築地區在白天時有較佳的行人層舒適度。冠層熱島受時序變化影響，日出至中午接收太陽輻射熱冠層熱島曲線快速增長，地表鋪面材質熱特性為關鍵因子；日落後建築壁體的蓄熱為導致夜間冠層熱島的主要原因。透過ENVI-met模擬發現白天時段以雲量影響冠層熱島效果顯著，在夜間時段低風速為導致熱能無法消散的重要因子。
第一章 研究動機與目的
都市中建築物與不透水鋪面發展密集，這類人工材料具有較高熱容量，易在壁體或鋪面中蓄積熱量，故都市較郊區高溫，稱「都市熱島效應」（林憲德，2009）。過去熱島效應的相關研究多針對地表溫度或行人層高度的舒適度進行探討，透過改良材質熱特性、增加植被提升遮陰空間等方式，緩解都市熱環境、改善人體熱舒適度（Hamed Farhadi, Mohsen Faizi,& Hanyieh Sanaieian, 2019；Kyriakodis, G.-E., and Santamouris, M., 2018）。
近年來高層建築提升了都市土地使用效益，卻改變了傳統都市熱島型態。本研究以垂直結構切入，探討不同都市型態下冠層熱島特性。透過四軸無人機進行移動式實測、流體力學模擬軟體將實際都市型態數值化建模，藉此控制天氣情境、風速等因子，分析出不同都市型態下冠層熱島之差異性。檢討都市規劃設計或土地開發所造成的蓄熱位置，作為日後改善熱島之依據。本研究目的分述如下：
一、以實測方式蒐集不同地表結構、建築量體配置數據，探討影響冠層熱島之關鍵因子。
二、透過局部氣候分區方法，將台灣都市型態進行分類，分析其冠層熱島變化。
三、利用流體力學模擬軟體控制雲量、風速等情境，補足數據完整性與全時段分析，探討氣象因子對都市微氣候影響，以在不同都市型態下提出其適當的排熱方式。
第二章 文獻回顧
2.1都市熱環境理論
Voogt, J.A. 於2004年依據熱島效應的高度範圍分為三類，「邊界層熱島（Boundary Layer Heat Island）」受到都市結構、地表材質影響產生的都市氣候變化，白天高度達1公里以上，夜間降低至幾百公尺；「冠層熱島（Canopy Layer Heat Island）」為建築平均高度以下之都市微氣候範圍，溫度變化約落在1～3℃間；「地表熱島（Surface Heat Island）」受地表材質的影響，如：柏油瀝青、行人磚鋪面、草地等，對行人舒適度產生影響（圖2.1）。
圖2.1 都市熱島效應的尺度與種類(資料來源：Voogt, 2004（本研究重新繪製）
現今建築高度提升，都市內壁體總面積增加，應使總蓄熱量提升，但研究發現建築高度與舒適度呈負相關，主要受到陰影面積提升、環境風場的改變，改善白天排熱效果（Adeb Qaid, Hussanudin Bin Lamit, Dilshan Remaz Ossen, & Raja Nafida Raja Shahminan, 2016）。新加坡比較同一城市內密集高樓層建築地區與密集低樓層建築地區2公尺氣溫發現，當建築壁體總面積越高，產生的陰影面積越大，故白天溫度較低，但其壁體蓄熱量較大並於夜間放熱，使夜晚高樓層地區的溫度較高（Nyuk Hien Wong, Steve Kardinal Jusuf, Rosita Samsudin, & Marcel Ignatius, 2011）。當都市內建築壁體總面積越高時，所吸收之太陽輻射熱能亦越高，然而從行人層舒適度探討，卻反而成為較舒適的主因，無法顯示出高強度土地使用形成的整體都市總熱能較大，因此本研究以都市冠層為研究範圍，探討整體都市地區不同時段的熱能分布位置，分析不同都市型態之間冠層熱島的差異。
冠層熱島範圍位在建築平均高度以下，故不適用行人層高度範圍的人體舒適度為指標，本研究採用「熱焓（Enthalpy）」以分析空氣中所含的全熱量（李義陽，2015）。
2.2都市空間結構分類
熱島效應的關鍵因子為敷地環境、建築量體及環境物理因子。局部氣候分區（Local Climate Zones）依照地表特徵將場域分類，以200～400公尺劃設網格，蒐集其土地使用型態、建築高度、天空可視因子、土地覆蓋率…等資料，定義每一網格的LCZ分區類型（表2.1、圖2.2）（I.D. Stewart, & T.R. Oke, 2012）。以LCZ分類作為基礎，蒐集各區域溫、溼度數據，換算為人體舒適度進行比較，可分析出不同LCZ分區呈現出不同的熱舒適度（林建廷，2016），未來進行都市規劃時，可作為改善都市熱島效應之依據。
表2.1 各類型LCZ分類依據統整表(資料來源：Oke，2012)
圖2.2 各類型LCZ分類示意圖(資料來源：Oke，2012)
第三章 研究方法
3.1研究範圍
一、台北市大安區國立臺北科技大學
都市從清晨開始吸熱於中午達到最大吸熱量，傍晚過後停止接收太陽輻射，都市地表材質開始加速散熱，本實驗於國立臺北科技大學校園內劃設一條180公尺的南北向剖線（圖3.1），從06：00～18：00每一小時進行一次的移動式量測，了解冠層熱島與時序變化之關係。
圖3.1 實測範圍飛行路徑圖(資料來源：本研究繪製)
二、新北市三峽區
利用天空可視因子（SVF）將三峽區之都市型態以局部氣候分區方法分類。選定「臺北大學社區特定區」及「三峽都市計畫區」劃兩道剖線，密集高層建築地區（LCZ 1）之SVF值為20～40％，密集低層建築地區（LCZ 3）之SVF值為20～60％，開放高層建築地區（LCZ 4）之SVF值為50～70％。測量清晨05：00～06：30、中午11：30～13：00、傍晚17：00～18：30三個時段，並作為模擬模型驗證依據（圖3.2、3.3）。
圖3.2 三峽區實測剖線位置圖1(資料來源：本研究繪製)
圖3.3 三峽區實測剖線位置圖2(資料來源：本研究繪製)
3.2戶外移動式實測方法
使用四軸無人機（Mavic 2 Enterprise Dual）搭載樹莓派（CJMCU 280E BME280 BOSCH），蒐集都市冠層範圍之溫度、濕度、大氣壓力等數據，以分析比較各實驗的冠層熱島效應與地表溫度情形（蔡欣樺，2020）。並以固定式溫溼度感測計HOBO UX100蒐集接近壁體之參數（圖3.4）。
圖3.4 實驗器材與側拍照(資料來源：本研究拍攝)
3.3熱焓值計算
本研究將實測的溫、濕度等環境參數換算為熱焓，表達空氣所含之全熱量。
「熱焓」計算公式如下：
h=C_P θ+x(r+C_V θ)
＞h＝焓值（kJ∕kg’）
＞θ＝空氣溫度（℃）
＞C_P＝乾空氣的定壓比熱，1.005（kJ∕kg‧K）
＞C_V＝水蒸氣的定壓比熱，1.846（kJ∕kg‧K）
＞x＝絕對溼度（kg∕kg’）
＞r＝0 °C時水的汽化潛熱，2501.1（kJ∕kg）
3.4ENVI-met模擬模型建置
本研究以流體力學數值模擬軟體（ENVI-met），將建築量體與地表材質進行模型建置，設定其氣象情境與風速，分析各都市型態在不同氣象影響下，冠層熱島的演進及特色，以彌補物理實測方法無法蒐集到全時段冠層熱島的變化。模擬區域為新北市三峽區如（圖3.5、3.6、3.7），甲區域為密集高層建築地區（LCZ 1）、開放高層建築地區（LCZ 4），乙區域為密集低層建築地區（LCZ 3）。
圖3.5 模擬模型建置範圍圖(資料來源：本研究繪製)
圖3.6 甲區域3D模型(資料來源：本研究繪製)
圖3.7 乙區域3D模型(資料來源：本研究繪製)
第四章 都市冠層熱島實測分析
4.1時序變化分析
冠層熱島過去是指在建築平均高度範圍內所形成的都市熱島情形，本實驗結果顯示，冠層熱島並非完全沿著都市天際線所形成的範圍曲線，而是隨著時段變化會產生消長的浮動曲線。日出時冠層熱島浮貼在建築物與地貌範圍，隨著都市內各種材質開始吸收輻射熱後，整體空氣熱焓上升，行人磚、混凝土等熱容量較大的材質地表溫度較高，也造成該處的空氣熱焓值較其他周邊地區來的高。中午隨著建築高度越高冠層熱島影響範圍越高。傍晚時整體空氣的熱焓值接近，由於建築壁體所吸收的熱能會在夜間持續散熱，因此夜間亦會有冠層熱島現象，但影響範圍不超過建築高度（圖4.1）。
經由時序變化顯示熱焓冠層熱島確實存在，受到濕度、建築風場影響，高層建築屋頂易有金字塔效應，熱焓不易蓄積；而低樓層與高樓層建築並排時產生遮蔽效應，受渦漩氣流影響造成濕度蓄積，熱焓較高（Jonas Allegrini, & Jan Carmeliet, 2017）。
圖4.1 實測不同建築高度下熱焓分布剖面圖（時序變化）(資料來源：本研究繪製)
4.2都市型態差異分析
從較大尺度之LCZ分區亦發現清層冠層曲線不明顯，LCZ 3受壁體間蓄熱及柏油瀝青吸熱快速的熱特性影響，熱焓值較高；中午LCZ 1、4冠層曲線與建築高度相關，最高的熱焓值位於空曠之行人層高度處，受到地表鋪面的高溫影響。LCZ 3熱焓集中於壁體之間，冠層曲線較平穩無變化；傍晚熱焓曲線較為趨緩（圖4.2）。
圖4.2 實測不同都市型態下熱焓分布剖面圖(資料來源：本研究繪製)
第五章 模擬結果分析討論
5.1不同天氣情境下各都市型態冠層熱島特性
從雲量分析，白天時段各地區垂直熱能變化晴天均大於陰天，反觀清晨與凌晨之熱焓分布受天氣情境影響小（圖5.1）。
圖5.1 天氣情境對冠層範圍內熱焓趨勢圖(資料來源：本研究繪製)
從風速分析，中午低風速情境的整體熱焓值較高，但其中LCZ 4出現差異，在冠層下範圍高風速情境的熱焓值較高，當高度超過建築平均高度時，高風速情境則可加速熱焓消散，凌晨高風速情境呈現出較低的熱焓值分布，其中高層建築地區相較低層建築地區更為顯著（圖5.2）。由氣象因子變化改善熱島效應之成效依序為：陰天高風速、晴天高風速、陰天低風速、晴天低風速，其中高樓層建築物上方平均風速達4.5m/s以上，可得知風速為影響散熱之關鍵，顯示都市環境風場之重要性。
圖5.2 不同風速下冠層範圍內熱焓趨勢圖(資料來源：本研究繪製)
5.2冠層熱島可視化分析
清晨LCZ 1、4溫度冠層熱島曲線與建築高度相關性高；中午LCZ 3建築高度低、LCZ 4建築高度高但建蔽率低，陰影面積少，地表接收大量輻射熱能，LCZ 1土地使用強度高，密集高層建築陰影面積較大，有較佳的行人層舒適度，濕度則以LCZ 1較易蓄積；傍晚LCZ 3冠層曲線厚實且影響高度較高，反觀LCZ 1、4受到高樓建築風場影響能加速熱能消散，各區域濕度則無顯著差異；凌晨以LCZ 4散熱速度最快，反觀高建蔽率的LCZ 1建築壁體蓄熱量大，夜間散熱效果較差，LCZ 3由於無高層建築風場破壞冠層熱島結構，因此散熱方式已上升氣流散熱為主（圖5.3、5.4）。
圖5.3 不同都市型態下冠層內溫度分布可視化圖【晴天低風速】(資料來源：本研究繪製)
圖5.4 不同都市型態下冠層內相對濕度分布可視化圖【晴天低風速】(資料來源：本研究繪製)
中午時段，LCZ 3在2、20m的熱焓值較高，因建築壁體面積少，無法形成足夠陰影面積，行人舒適度低，100m以下範圍LCZ 4熱焓值較LCZ 1高，200m處冠層熱島不受都市型態影響，低樓層地區於陰天時冠層熱島有出現差異（圖5.5）。凌晨時段，20m以下LCZ 1熱焓值最高、LCZ 3熱焓值最低，建築壁體的蓄熱，導致高層建築地區散熱慢，200m處亦無明顯差異（圖5.6）。
圖5.5 中午時段各高度熱焓值折線圖(資料來源：本研究繪製)
圖5.6 凌晨時段各高度熱焓值折線圖(資料來源：本研究繪製)
5.3冠層熱島熱焓值推估
本研究對各LCZ地區不同時段下熱焓垂直分布進行取樣，推估出冠層熱島熱焓分布公式，設定x為熱焓值、y為高度，以R2值作為可信度驗證，方程式如表5.1，冠層熱島熱焓分布趨勢如圖5.7。
表5.1 各地區冠層熱焓值推估方程式綜整表(資料來源：本研究計算統整)
圖5.7 各地區冠層熱焓值推估曲線圖(資料來源：本研究繪製)
第六章 結論與建議
一、隨著時段變化，影響冠層熱島效應的氣象因子權重亦會改變
高強度土地使用加劇都市整體蓄熱量，提高冠層熱島影響範圍，亦與氣象因子高度相關。白天影響都市熱島效應的關鍵因子為「雲量」，夜間「風速」則能最有效改善冠層熱島效應（Beck, C., Straub, A., Breitner, S., Cyrys, J., Philipp, A., Rathmann, J., Schneider, A., Wolf, K., & Jacobeit, J., 2018）。
因此新訂都市計畫時應先分析都市微氣候特性，以供道路劃設、建築排列之依據，規劃出適當的風廊道、連續性陰影空間或採熱容較低、反射量較佳的材料，降低表面溫度，加速熱焓消散，降低冠層熱島高度，改善環境舒適度。
二、冠層熱島並非沿著都市天際線的固定曲線，而是隨時段變化產生消長與浮動
冠層熱島受建築環境與風場影響產生不同的垂直結構分布（Ning Zhang, Lianfang Zhu,& Yan Zhu, 2011）。夜晚散熱後冠層熱島曲線緊貼都市天際線。日出後開始吸收輻射熱，中午冠層熱島影響範圍超過建築高度，並受都市型態影響呈現出不同的冠層熱島曲線。傍晚輻射熱降低，整體垂直空間之溫度、相對濕度與熱焓數值接近。冠層熱島會受時序變化發生消長現象，在不同時段熱能蓄積的位置亦不同，加上受到環境風場影響，形成高蓄熱區域或提供良好的散熱機會（Ali, J.M., Marsh, S.H., Smith, M.J., 2016）。
三、建蔽率與容積率為改善冠層熱島蓄熱之重要都市計畫規範
密集高層建築地區（LCZ 1）於高層建築屋頂形成扎實冠層熱島曲線，密集的建築壁體間溫度較低，但易蓄積濕度，產生之陰影可改善地表熱島效應，高容積率之開發所形成的高層建築使高空氣流溫度提升明顯。改善建議為配合當地風向與建築配置，平行風向搭配街道越寬，散熱效果較佳，並搭配植栽提供地表陰影。適用地區如：新板特定區。
密集低層建築地區（LCZ 3）冠層曲線與建築高度相關性低，但發展最為厚實，熱島效應影響範圍從地表起延伸超過建築高度，多發生在台灣傳統都市計畫的住宅區。改善建議為透過都市更新、危老重建，於密集低層建築地區興建零散高層建築，以破壞風場環境，加速都市降溫。適用地區如：密集連棟公寓、透天厝等地區。
開放高層建築地區（LCZ 4）冠層曲線與建築高度相關，受建築環境風場影響，高風速可大幅降低冠層熱能，對都市散熱有較佳效果。改善建議為透過植栽增加遮陰性，提升行人層舒適度。適用地區如：信義計畫區。
四、改善冠層熱島對行人層舒適度之影響
改善冠層熱島能加速都市整體熱能排放，然而影響都市人類生活的熱島效應，依舊需回歸至行人層尺度，惟不同都市型態可透過冠層熱島的改善，破壞熱島垂直結構的平衡，加速近地層熱能排放，間接改善行人層舒適度。
參考文獻
書 籍
1.Voogt, J. A.. Urban Heat Island: Hotter Cities. United States: American Institute of Biological Sciences, 2004
2.林憲德 著，人居熱環境，台北，詹氏書局，2009。
期刊論文
3.Adeb Qaid, Hussanudin Bin Lamit, Dilshan Remaz Ossen, & Raja Nafida Raja Shahminan（2016）. “Urban heat island and thermal comfort conditions at micro-climate scale in a tropical planned city.” Energy and Buildings, 133, 577-595.
4.Ali, J.M., Marsh, S.H., Smith, M.J. （2016）. “Modelling the spatiotemporal change of canopy urban heat islands”, Building and Environment, 107, 64-78.
5.Beck, C., Straub, A., Breitner, S., Cyrys, J., Philipp, A., Rathmann, J., Schneider, A., Wolf, K., & Jacobeit, J.（2018）. “Air temperature characteristics of local climate zones in the Augsburg urban area (Bavaria, southern Germany) under varying synoptic.” Urban Climate, 25:152-166.
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研討會論文
11.Nyuk Hien Wong, Steve Kardinal Jusuf, Rosita Samsudin, & Marcel Ignatius（2011）. “Urban morphology and temperature mapping comparative study: Case study: Singapore’s commercial area. ” Paper presented at the Conference Proceedings of the 27th International Conference on Passive and Low Energy Architectur, United States.
學位論文
12.李義陽（2015），以熱焓觀點探討亞熱帶建築居室採用對流通風的潛能與侷限。國立臺北科技大學，碩士論文。
13.林建廷（2016），以局部氣候分區整合風環境與熱環境之都市氣候地圖研究–以台南市為例。國立成功大學，碩士論文。
14.蔡欣樺（2020），以深度學習模型探討亞熱帶都市熱島垂直結構熱特性。國立臺北科技大學，博士論文。
