黃志弘教授

系所：建築系

研究室：設計館 654 室

電話：(02)2771-2171 Ext. 2915

電子郵件：huangch@ntut.edu.tw

最高學歷：德國卡斯魯大學工學博士

專長：生態都市／都市熱島、都市生態與都市設計、規劃體制與住宅政策、永續低碳建築、永續社區/建築規劃，住房政策和城市更新/發展

中心主軸研究項目：

建築節能與淨零排放、改善都市熱環境

主軸研究項目目標：

中尺度濕式散熱塔區域散熱效益模擬
雙層立面(DSF)牆熱流與氣流場模擬
都市冠層熱島、邊界層熱島環境研究
低碳節能建築

都市建設及景觀規劃導致之熱流現象圖

研究方法與應用：

一、使用Cradle CFD scSTREAM(流體力學軟體)

中尺度濕式散熱塔區域散熱效益模擬

中尺度濕式散熱塔區域散熱效益模擬，模擬結果顯示塔周100M內最高可降低1.5℃，顯示其做為改善都市熱島效應的可能性。

雙層立面(DSF)牆熱流與氣流場模擬

雙層立面(DSF)牆熱流與氣流場模擬，結果顯示有行人高度的溫度降低1℃-3℃的潛力。

二、地表特徵垂直結構的熱特性之實驗量測

熱島的垂直結構與都市規劃的關係，以及跟景觀規劃的關聯性是密切相關；地表質感對於其垂直結構有具體影響的表現，實場量測熱容量、潛熱、風場、熱通量、熱焓等環境物理參數，進行觀測分析。

實測垂直剖面特徵，應用四軸無人機搭載感測器，探討熱島垂直結構。透過大面積的瀝青混凝土停車場與大面積的草皮量測結果，顯示地表的質感對於垂直結構有具體的影響，都市規劃形式確實影響熱環境巨大。

實測垂直剖面特徵，應用四軸無人機搭載感測器，探討熱島垂直結構。

三、使用大數據、機器學習、結構方程、Python 演算法

統計討論邊界層與冠層平均浮動高度與標準差、結構方程模式分析探討不同都市型態影響都市熱環境最為重要的因子為何。都市垂直結構的熱特性分佈，首先透過相關理論進行搜集，先以結構方程模式的統計方法探討都市熱島因子間的關係，再進行平面與垂直結構之實測，並進行CFD數值模擬，最後進入到深度學習探討整個熱在地表垂直結構的樣態為何。

結構方程模式探討氣象因子對都市熱環境影響

透過Python程式語言、NumPy數學函式函式庫與Pandas數據操作進行數據整理與分類。挑選有雲量的數據，將地表1.5m與探空數據套疊整合，統計熱島與氣象大數據─氣壓、溫度、濕度、風速、風向、雲量等之關連性。

深度學習演算法＋探空氣球大數據：Python所編寫的Keras神經網路模型，以深度學習處理大量數據、自動化處理資料、可節省人工處理時間。取用變數：溫度、濕度、熱焓、高度、風速與雲量；進行運算與學習，分別抽出季節、時段、舒適度進行深度學習所得出的樣態。透過多次迭代，利用梯度下降進行參數優化，將預測值之損失函數最接近真實值，且無法再下降時，則模型訓練完畢，與此同時該模型之評估預測準確率也會上升。

損失函數梯度下降

準確率上升

機器學習探討都市熱島垂直結構邊界層與冠層變化

相關研究成果：

一、探討瀝青混凝土路面對都市熱環境影響

瀝青混凝土助長都市熱島效應日趨嚴重，改變材質熱特性是降低都市熱島的關鍵手法，藉由改變熱傳導係數、比熱、反射率、發射率等因子，促使地表冷卻，進一步改善都市熱環境。

瀝青混凝土熱性能試驗
轉爐石粒料骨材取代量

波長3~16.67 μm 發射率

波長8~13 μm(大氣窗口波段)發射率

二、超越都市邊界層的都市散熱模擬

以實驗了解瀝青蓄熱特性，獲得瀝青鋪面受熱物理參數。
量測輻射冷卻材料改善瀝青，將熱量以放射形式穿過都市邊界層，減少都市中的熱蓄積。不同瀝青組成之鋪面在都市尺度下的蓄熱、散熱情形；
再藉由模擬運算，分析並預測冷卻鋪面的效果評估。

都市街廓建模

不同瀝青組成之鋪面在都市尺度下的發射率比較

中午因 BOFs 的容積比熱大故存放更多熱並以對流傳熱降低周遭環境溫度；

而夜間降溫以放射能力為重點機制因此高放射率的 BOFs 更能有效降低溫度

都市型態對冠層熱島之微氣候影響

高層建築的發展提升了都市土地的使用效益，因此近年來密集的高樓建築成為新都市景象。土地使用類型與植栽方式甚至是都市水體空間皆會影響都市微氣候（Stuhlmacher, M., Andrade, R., Turner II, B.L., Frazier, A., & Li, W., 2020），改變了傳統都市熱島結構型態。本研究以垂直結構切入，探討不同都市型態下冠層熱島效應的分布情形。

透過四軸無人機實際蒐集垂直的溫、溼度數據，並以「熱焓」為標準，從天氣情境、時序因子量測不同都市結構中三維垂直空間的熱能量的變化，並透過GIS軟體進行可視化分析。了解冠層熱島與都市空間的關聯性。

以局部氣候分區為理論基礎，結合台灣都市發展的歷史背景與空間結構特性，將都市型態加以定義，建置ENVI-MET模型，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的影響，以在不同都市型態下提出其適當的排熱方式。

透過四軸無人機 PHANTOM 4 PRO 2V 、Mavic 2 Enterprise Dual 以移動觀測法（蔡欣樺，2018），針對都市內不同使用強度與類型地區進行垂直空間的量測。

冠層熱島隨時序變化有浮動情形

清晨：熱焓集中在建築物之間，冠層熱島曲線明顯。

早上：熱焓冠層熱島曲線上移，近地表鋪面熱焓值最高，建築物壁體間的熱焓值次高，而空氣層部分以行人磚鋪面地區影響的熱焓高度較明顯。

中午：熱焓冠層熱島曲線受建築高度影響，高樓層地區影響範圍較低樓層地區來的高，可推斷冠層熱島在不同時序下會發生消長情形。

下午：熱焓冠層熱島曲線逐漸與建築高度接近。

傍晚：熱焓冠層熱島曲線逐漸與建築高度接近，空氣層中不論哪種建築高度地區熱焓值呈現穩定下降趨勢，高樓層地區接近壁體處熱焓尚未消散。

各都市型態冠層熱島差異

超越都市邊界層的散熱對策

太陽輻射造成外殼壁體蓄積熱源，使壁體間熱能作為熱量散發於室內環境中，間接影響建築室內環境溫度。
有一切熱量的流動將遵守熱平衡方程式，外殼壁體接受大部分的熱源並傳遞至室內，除了吸收太陽輻射總量外，亦考慮壁體本身直接反射、壁體吸收後放出的長波輻射及空氣與外牆所產生的熱對流。

三、輻射冷卻塗料在建築外牆的長波冷卻效果

外殼壁體蓄積熱源試體實驗

混凝土試體輻射冷卻率

輻射冷卻塗料散熱實驗成果顯著

四、超越都市邊界層的都市散熱模擬

藉由機器學習分析探空氣球氣象大數據，探討都市熱島垂直結構。
透過上一步python的逆溫運算，輸出exce進行邊界層的高度可視化分析，發現高低雲量在影響邊界層浮動似乎是不大的，但不同都市型態下早晚的邊界層浮動是有差異。
風速能有效降低都市邊界層的高度，風速大將地面熱量直接吹散，因此邊界層較低，高低風速影響邊界層差異大約有400m左右
邊界層在濕度影響的高度歸納，似乎較無規則性，與深度學習的訓練模型中的結果同。
冬季則在兩都市型態上的浮動差異拉大，板橋依然顯示其高邊界層。
結果顯示：風速能有效降低都市邊界層的高度～
低風速平均邊界層高度約為450-500m。
高風速平均邊界層高度約為100-150m。
邊界層在濕度影響的高度歸納，濕度之型態無規則性。
高低雲量在影響邊界層浮動似乎是不大。