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研究生： 蘇裕民
YU-MIN SU
論文名稱： 小型建築中庭空間浮力通風之解析
A Study on Stack Ventilation in Atrium at Low-Rise Buildings
指導教授： 江維華
Wei-Hwa Chiang
口試委員: 林怡均
Yi-Jiun Lin
吳啟哲
Chi-Jeh Wu
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 設計學院 - 建築系
Department of Architecture
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 146
中文關鍵詞： 中庭 、小型建築物 、浮力通風 、煙囪效應 、PHOENICS 、TRNSYS
外文關鍵詞： buoyancy-driven flow, chimney effect, PHOENICS, TRNSYS, low-rise buildings, atrium
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  •  上一筆

    • 　　中庭浮力通風設計是中庭建築物理環境設計中需要重點考慮的問題，需要建築師和工程技術人員共同研究解決。其中，換氣量的大小和中性面的位置是關鍵的考慮因素。就通風換氣量而言，由於中庭建築的熱環境直接影響到中庭健康、舒適的使用功能，因此需採用經濟、合理的通風手段對其進行控制，以帶走室內的冷熱負荷，稀釋有害氣體、微粒等污染物濃度，改善維護其內部環境。對於中性面位置而言，設計不當會出現中庭熱空氣在高處倒灌進入功能房間的情況發生，嚴重影響高層房間的熱環境。本文將利用CFD電腦模擬解析方法，並透過與理論公式預測值的比較，對影響中庭浮力自然通風換氣量及中性面位置遷移的各個因素進行研究和分析，並提出指導設計的一些基本原則和方法。
    　　研究結果顯示，在無外風場時，中庭抬高高度增大，換氣量則有略為升高趨勢，且中性面高度略降。開口高差每增加3m，換氣量約增加220m3/hr，且模擬中性面比公式中性面約高33％。開口面積每增大4倍，換氣量約增加2.65倍，且當出風口相對愈大時，模擬分析值與公式預測值則較為接近。點熱源也如同文獻所說有明顯冷熱空氣分層的情況出現，均佈熱源則否，且均佈熱源集中在上半部有提高中性面位置的效果。在有外風場時，當中庭通風窗對角配置且進風口設置於受風面負壓處時，室外風速小於1.5~2m/s，由於進風口處的風壓比出風口處的風壓較小，形成與浮力換氣路徑相反的風壓換氣，削減原本室內浮力換氣的效果；當室外風速達到2m/s時，風壓換氣大於浮力換氣，中庭內的通風路徑則由風壓換氣支配。

    　　Buoyancy ventilation in atrium is very important in architectural physical environment design. Architects and the technical staff need to find the resolutions cooperatively. The measurement of volume flow rate and the position of the interface are both key points to consider. In terms of volume flow rate, the thermal environment of atrium influences health and comfort of the occupants in the building. Therefore, it needs to adopt economic and reasonable methods for ventilation in order to eliminate the cooling and heating load, and dilute the concentration of harmful gases, and particles. Besides, in terms of the position of interface height, inappropriate design would cause outdoor hot air backward through high position openings into the building. It seriously affects the thermal environment of the upper room in high-rise buildings. The study attempted to investigate the volume flow rate of buoyancy ventilation in atrium and the difference in interface heights. The research adopted the method of CFD computer simulation with the theoretical of formula forecast. Then, the researcher provided some suggestions on designing principles.
    　　The result showed that the height of atrium was elevated without wind, the air flow rate increased and the height of interface decreased. The height of opening was raised each 3m, the airflow rate increased 220m³/hr. In addition, the interface heights of simulation were higher than the interface heights of theoretical formula. Enlarging the opening area 4 times causes 2.65 times air flow rate. In addition, when the analysis of simulation was close to the formula forecast, the outlet was larger.
    　　The point of heat source, the same as the bibliography, showed the obvious stratification between heating and cooling. However, the uniform heat source did not have strong stratification and elevate the position of interface height when the uniform heat source moves above. On the contrary, while with wind fields, the angle position of the opening and the position of inlet in atrium under the negative pressure of windward. Then, the velocity of wind outdoors was smaller than 1.5~2m/s. Due to the inlet pressure was smaller than outlet pressure; the opposite route of stack ventilation, cross ventilation, was produced. Therefore, it eliminated the effects of the stack ventilation indoors. However, the velocity of wind outdoors was achieved to 2m/s, and the cross ventilation was larger than stack ventilation. Then, the ventilation path was controlled by the cross ventilation.

    中文摘要 ----------------------------------------------------------- Ⅰ 英文摘要 ----------------------------------------------------------- Ⅱ 誌 謝 ----------------------------------------------------------- Ⅲ 目 錄 ----------------------------------------------------------- Ⅳ 符號索引 ----------------------------------------------------------- Ⅶ 圖表索引 ----------------------------------------------------------- Ⅷ 第一章 緒論------------------------------------------------------------------------- 1 1-1 研究動機及目的------------------------------------------------------------------------ 1 1-1-1 研究動機----------------------------------------------------------------------- 1 1-1-2 研究目的----------------------------------------------------------------------- 1 1-2 研究內容及方法------------------------------------------------------------------------ 2 1-2-1 研究內容------------------------------------------------------------------------ 2 1-2-2 研究方法------------------------------------------------------------------------ 2 1-3 研究流程--------------------------------------------------------------------------------- 4 第二章 文獻回顧------------------------------------------------------------------- 5 2-1 中庭之概述--------------------------------------------------- 5 2-1-1 中庭的生態效應------------------------------------------ 5 2-1-2 中庭的定義---------------------------------------------- 6 2-1-3 中庭之類型---------------------------------------------- 10 2-1-4 中庭建築物的用途--------------------------------------- 12 2-1-5 中庭的物理環境特徵------------------------------------- 13 2-1-6 中庭的外殼--------------------------------------------- 15 2-1-7 中庭設計案例介紹--------------------------------------- 17 2-2 通風換氣理論-------------------------------------------------- 23 2-2-1 置換通風的發展歷史與基本概念---------------------------- 23 2-2-2 基本通風理論式------------------------------------------ 24 2-2-3 浮力通風理論式------------------------------------------ 25 2-3 環境因子評估指標之選定---------------------------------------- 28 2-3-1 室內通風評估指標---------------------------------------- 29 2-3-2 合理的換氣量-------------------------------------------- 30 2-4氣候條件因子的設定-------------------------------------------- 32 2-4-1 室外氣溫條件的設定------------------------------------- 33 2-4-2 自然風條件的設定--------------------------------------- 35 第三章 建築中庭室內熱環境模擬------------------------------ 36 3-1 TRNSYS動態系統模擬程式簡介------------------------------------------------- 36 3-2 TRNSYS動態系統模擬軟體運算流程------------------------------------------- 37 3-3 建築模擬解析用氣象資料（TMY2 平均氣象年）簡介------------------------ 40 3-4 TRNSYS最佳化電腦模擬之建築物邊界條件設定---------------------------- 41 3-5 TRNSYS模擬組數之設定---------------------------------------------------------- 46 3-6 TRNSYS最佳化電腦模擬之結果分析------------------------------------------- 51 3-7 小結-------------------------------------------------------------------------------------- 56 第四章 電腦數值模擬解析操作模式探討---------------------------- 57 4-1 自然通風之CFD數值模擬應用------------------------------------------------------ 57 4-1-1 近代流體力學於建築流場之發展與應用-------------------------------- 57 4-1-2 CFD 數值模擬電腦軟體使用流程--------------------------------------- 59 4-1-3 紊流Model 選定-------------------------------------------------------------- 60 4-1-4 CFD 數值模擬之解析方式------------------------------------------------ 63 4-2 中庭空間之流場模擬----------------------------------------------------------------- 65 4-2-1 流場之基本假設-------------------------------------------------------------- 65 4-2-2 CFD 數值解析步驟說明-------------------------------------------------- 66 4-2-3 模型幾何尺寸與邊界條件設定-------------------------------------------- 67 4-2-4 模擬組數之設定-------------------------------------------------------------- 71 4-2-5 格點系統之設定-------------------------------------------------------------- 72 4-2-6 鬆弛係數與收斂條件設定-------------------------------------------------- 74 4-3 CFD數值模擬解析結果---------------------------------------------------------------- 75 4-3-1 最佳格點、鬆弛係數與疊代次數模擬------------------------------------ 75 4-3-2 PHOENICS溫度場模擬比對---------------------------------------------- 79 第五章 中庭空間之室內熱環境分析--------------------------------- 81 5-1 中庭抬高高度對室內熱環境之影響分析----------------------------------------- 81 5-1-1 抬高高度模組設計----------------------------------------------------------- 81 5-1-2 抬高高度對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 82 5-1-3 抬高高度對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 83 5-1-4 抬高高度對室內中性面之影響分析-------------------------------------- 84 5-2 進風口與排風口的高差對室內熱環境之影響分析----------------------------- 85 5-2-1 開口高差模組設計----------------------------------------------------------- 85 5-2-2 開口高差對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 85 5-2-3 開口高差對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 86 5-2-4 開口高差對室內中性面之影響分析-------------------------------------- 88 5-3 中庭通風窗開口面積對室內熱環境之影響分析-------------------------------- 89 5-3-1 開口面積模組設計----------------------------------------------------------- 89 5-3-2 開口面積對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 90 5-3-3 開口面積對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 92 5-3-4 開口面積對室內中性面之影響分析-------------------------------------- 94 5-4 中庭通風窗開口型式對室內熱環境之影響分析-------------------------------- 95 5-4-1 開口型式模組設計----------------------------------------------------------- 95 5-4-2 開口型式對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 95 5-4-3 開口型式對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 96 5-4-4 開口型式對室內中性面之影響分析-------------------------------------- 97 5-5 熱源類型對室內熱環境之影響分析----------------------------------------------- 98 5-5-1 熱源類型模組設計----------------------------------------------------------- 98 5-5-2 熱源類型對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 99 5-5-3 熱源類型對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 100 5-5-4 熱源類型對室內中性面之影響分析-------------------------------------- 101 5-6 室外風場對室內熱環境之影響分析----------------------------------------------- 102 5-6-1 室外風場模組設計----------------------------------------------------------- 102 5-6-2 室外風場對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 102 5-6-3 室外風場對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 105 5-7 中庭抬高高度與通風路徑對室內熱環境之影響分析-------------------------- 106 5-7-1 中庭抬高高度與通風路徑模組設計-------------------------------------- 106 5-7-2 中庭抬高高度與通風路徑對室內氣流場之影響分析----------------- 106 5-7-3 中庭抬高高度與通風路徑對室內溫度場之影響分析----------------- 110 5-8 暫態模擬對室內熱環境之影響分析----------------------------------------------- 112 5-8-1 暫態模擬模組設計----------------------------------------------------------- 112 5-8-2 暫態模擬對室內氣流場之影響分析-------------------------------------- 112 5-8-3 暫態模擬對室內溫度場之影響分析-------------------------------------- 113 第六章 結論與建議------------------------------------------------- 115 6-1 結論--------------------------------------------------------- 115 6-2 後續研究建議------------------------------------------------------- 116 參考文獻------------------------------------------------------------ 118 附錄 附錄一 平面模矩尺寸決定--------------------------------------- 122 附錄二 垂直大開口之換氣理論式推導----------------------------- 123 附錄三 PHOENICS設定操作過程----------------------------------- 124 附錄四 不同開口高差的室內熱源設定----------------------------- 140 附錄五 電腦模擬軟體原始程式設定------------------------------- 142 作者簡介 -------------------------------------------------------- 145 授 權 書 -------------------------------------------------------- 146

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