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研究生:王佑任
研究生(外文):Iu-Ren Wang
論文名稱:建築物對不同開口位置的通風效果
論文名稱(外文):A study to well ventilated effect at different aperture position
指導教授:邱金火邱金火引用關係
指導教授(外文):King-Ho Kuo
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:111
中文關鍵詞:CFD單面通風紊流模型自然通風
外文關鍵詞:CFDNatural ventilationTurbulence modelSingle-sided ventilation
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摘要
本研究基於健康、節能、舒適之觀點,以住宅單元為主要模擬對象,以計算流體力學(CFD)探討不同開窗位置、風向等影響因子下,單面通風對於室內環境品質之通風換氣效果與影響,藉以改善室內空氣品質,以達到舒適度與健康之需求。
本研究以固定風向,研究:迎風面、側風面以及背風面之不同單面開窗位置,對室內通風效果。從模擬的數據結果顯示,本研究之所有模型模擬出的結果,皆以〝側風面〞的開窗位置,其所產生的紊流動能、紊流消散度以及紊流黏度的變化是最明顯的。此結果與前人的,低層建築在其側風面開口有最佳的通風效果一致,因此可以證明本研究模擬結果正確。
本研究考慮X:3.6m,Y:3.0m,Z:3.0m所形成之長方體建築物,風向為(+y)方向時,在XZ平面(迎風面)開窗,就各平面比較而言,則側風面可以得到最佳的通風效果。若風向為(+y)方向時,開窗位置在XZ平面中央時,側風面有最大之通風效果。若風向為(-X)軸方向時,就各平面比較而言,YZ平面(迎風面)開窗可以得到最佳通風效果。若風向為(-X)方向時,YZ平面開窗位置向左偏0.6m時(即距Z軸0.9m處),其迎風面有最大之通風效果。


Abstract

This research was based on health, energy saving, comfortable perspective to simulate the residential unit as the main simulation object by using the method of computational fluid dynamics (CFD) to study , the single-sided ventilation for indoor air quality ventilation effect and impact for different window positions , wind directions and other factors. This doing is to improve indoor air quality and to achieve the comfort level and health needs.
In this study , the indoor ventilation effects were studied for the case of single-sided opening on the windwards side, lateral side and back windwards side respectively for a fixed wind direction.
From the results of the simulation data, it showed that the window openings on the lateral side for all cases had the most obvious of variations for turbulence kinetic energy, turbulence dissipation and turbulent viscosity. This result is consistent with the previous study for which the low-rise building has the best air ventilation for the opening on the lateral side. It showed that the simulations in this study are correct.
In this study, a cuboid building formed by X=3.6m,Y=3.0m,Z=3.0m was considered. If the wind is in the positive Y-axis direction, the window opening at the XZ plane (windward plane) had the best ventilation effect in the lateral plane(YZ plane).If the wind is in the same direction the window opening at the center of the XZ plane , the ventilation is the best in the lateral YZ plane among the three locations of the opening.
If the wind is in the negative X-axis direction , the YZ plane window opening received the best ventilation among the all planes. If the wind is in the same direction , the window opening is shifted to left by 0.6m(i.e. 0.9m from Z-axis),the windward plane (YZ plane) had the best ventilation.


目錄
摘要 II
Abstract III
誌謝 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
第一章 緒論 12
1.1研究動機 13
1.1.1研究目的 15
1.2 研究範圍與內容 15
1.3研究方法與流程 16
1.3.1研究方法 16
1.3.2 研究流程 17
1.4 研究限制 17
第二章 文獻回顧 23
2.1 自然通風定義 23
2.1.1 自然通風原理 23
2.1.2 通風換氣之目的 24
2.1.3 自然通風與人體舒適度之關係 25
2.2自然通風設計工具 25
2.2.1 計算流體力學(CFD) 25
2.2.2 數學模型 26
2.3相關研究摘要 27
2.3.1 自然通風與室內環境品質之關係 27
2.3.2 通風之評價方式 28
2.3.3 室內空氣通風換氣評估基準 29
2.4小結 30
第三章 理論介紹與說明 37
3.1計算流體力學應用及操作 37
3.1.1 CFD 基本控制方程式 38
3.1.2 CFD 的求解步驟 39
3.1.3 渦黏模型介紹 39
3.2模擬方法及基本設定 44
3.2.1 軟體之應用與解析過程 44
3.3邊界設定 45
3.3.1邊界條件設定 46
3.3.2網格系統設定 47
3.4模擬變數 48
第四章 案例分析 57
4.1模擬前置檢驗: 57
4.2研究案例 57
4.2.1 XZ開窗位置之模擬 58
4.2.2 YZ開窗位置之模擬 60
4.3模擬結果 63
第五章 結果與討論 96
5.1開窗位置在XZ平面之模擬結果 96
5.1.1小結 97
5.2 YZ平面開窗位置模擬之結果 97
5.2.1小結 99
第六章 結論與建議 107
6.1本研究之結論 107
6.2建議 108
參考文獻 110
作者簡介 113

表目錄
表2-1通風換氣之目的 31
表2-2自然通風與人體舒適之關係 31
表2-3建築規則有關住居室內空氣循環說明 32
表2-4自然通風之相關條文 32
表2-5標準狀態下住宅居室換氣次數 33
表 3-1 通用控制方程中各符號的具體形式 48
表3-2 ANSYS CFX 內定參數值 48
表 3-3 k-ε 模型的控制方程 49
表 3-4 國民住宅臥室型尺寸表 49
表 3-5 外部風速考量表 50
表3-6 模擬變數 50
表4-1案例模擬數據 63
表4-2示範案例之結果數值表 63
表4-3 本研究之模擬參數 63
表4-4 Case1-0-A邊界參數設定 63
表4-5 Case1-0-A模擬結果 63
表4-6 Case1-0-B邊界參數設定 64
表4-7 Case1-0-B模擬之結果 64
表4-8 Case1-0-C邊界參數設定 64
表4-9 Case1-0-C 模擬之結果 64
表4-10 Case1-R-A邊界參數設定 65
表4-11 Case1-R-A模擬之結果 65
表4-11 Case1-R-B表邊界參數設定 65
表4-12 Case1-R-B模擬之結果 65
表4-13 Case1-R-C邊界參數設定 65
表4-14 Case1-R-C 模擬之結果 66
表4-15 Case1-L-A邊界參數設定 66
表4-16 Case1-L-A 模擬之結果 66
表4-16 Case1-L-A 模擬之結果 66
表4-17 Case1-L-B邊界參數設定 67
表4-18 Case1-L-B模擬之結果 67
表4-19 Case1-L-C邊界參數設定 67
表4-20 Case1-L-C 模擬之結果 67
表4-21 Case2-0-A邊界參數設定 67
表4-22 Case2-0-A模擬之結果 68
表4-23 Case2-0-B邊界參數設定 68
表4-24 Case2-0-B模擬之結果 68
表4-25 Case2-0-C邊界參數設定 68
表4-26 Case4-C模擬之結果 68
表4-27 Case2-L-A邊界參數設定 69
表4-28 Case2-L-A模擬之結果 69
表4-29 Case2-L-B邊界參數設定 69
表4-30 Case2-L-B模擬之結果 69
表4-31 Case2-L-C邊界參數設定 69
表4-32 Case2-L-C 模擬之結果 70
表4-33 Case2-R-A邊界參數設定 70
表4-34 Case2-R-A 模擬之結果 70
表4-35 Case2-R-B邊界設定參數 70
表4-36 Case2-R-B 模擬之結果 70
表4-37 Case2-R-C模擬參數設定 71
表4-38 Case2-R-C 模擬之結果 71
表4-39 本研究模擬案例之結果 71
表5-1 本研究模擬之結果數值(XZ平面) 99
表5-2本研究模擬之結果數值(YZ平面) 99

圖目錄
圖1.1 2000 年 1 月至 2008 年 1 月 國際原油價格 18
圖 1.2研究範圍-自然通風形式下之單面通風 18
圖 1.3 研究範圍-通風效果評估因子 19
圖 1.4 研究範圍-CFD 數值模擬 19
圖 1.5 研究範圍-建築物類型 20
圖 1.6 圖研究流程圖 21
圖 2.1 重力(溫度差)換氣示意圖 34
圖 2.2 風力換氣示意圖 34
圖 2.3 混合(重力與風力)換氣示 34
圖 2.4 室內綜合環境因子指標權重 資料來源:[23] 35
圖3.1 CFD 求解步驟流程圖 51
圖3.2 ANSYS CFX解析過程 52
圖3.3模擬模型 52
圖3.4a開口部大小說明 圖3.4b 開口部大小說明 53
圖 3.5 開口方式示意圖(a.xz平面、b.yz平面) 53
圖3.6(a、b) 計算域尺寸示意圖 54
圖3.7 邊界條件示意圖 圖3.8 風對開窗相對位置示意圖 54
圖3.9 網格示意圖 55
圖4.1a ANSYS CFX(壓力場) 圖4.1b floVENT(壓力場) 73
圖4.2a ANSYS CFX(速度場) 圖4.2b floVENT(速度場) 73
圖4.3a XZ開口示意圖 圖4.3b YZ開口示意圖 73
圖4.4 Case1-0 開口示意圖 74
圖4.5a Case1-A(YZ速度場) 圖4.5b Case1-A(XY速度場) 74
圖4.6a Case1-A(YZ壓力場) 圖4.6b Case1(XY壓力場) 75
圖4.7a Case1-0-B(YZ速度場) 圖4.7b Case1-0-B(XY速度場) 75
圖4.8a Case1-0-B(YZ壓力場) 圖4.8b Case1-0-B(XY壓力場) 76
圖4.9a Case1-0-C(XZ速度場) 圖4.9b Case1-0-C(XZ速度場) 76
圖4.10a Case1-0-C(XZ壓力場) 圖4.10b Case1-0-C(XY壓力場) 77
圖4.11Case2開口示意圖 77
圖4.12a Case1-R-A(YZ速度場) 圖4.12b Case1-R-A(YZ速度場) 78
圖4.13a Case1-R-A(YZ壓力場) 圖4.13b Case1-R-A(XY壓力場) 78
圖4.14a Case1-R-B(YZ速度場) 圖4.14b Case1-R-B(YZ速度場) 79
圖4.15a Case1-R-B(YZ壓力場) 圖4.15b Case1-R-B(XY壓力場) 79
圖4.16a Case1-R-C(XZ速度場) 圖4.16b Case1-R-C(XZ速度場) 80
圖4.17a Case1-R-C(XZ壓力場) 圖4.17b Case1-R-C(XY 壓力場) 80
圖4.18 Case1-L開窗示意圖 81
圖4.19 Case1-L-A(XY速度場) 圖4.19 Case1-L-A(YZ速度場) 81
圖4.20a Case1-L-A(YZ壓力場) 圖4.20b Case1-L-A(XY壓力場) 82
圖4.21a Case1-L-B(YZ速度場) 圖4.21b Case1-L-B(XY速度場) 82
圖4.22a Case1-L-B(YZ壓力場) 圖4.22b Case1-L-B(XY壓力場) 83
圖4.23a Case1-L-C(XZ速度場) 圖4.23b Case1-L-C(XZ速度場) 83
圖4.24a Case1-L-C(XZ壓力場) 圖4.24b Case1-L-C(XY壓力場) 84
圖4.25a Case2-0-A(XZ速度場) 圖4.25b Case2-0-A(XY速度場) 84
圖4.26a Case2-0-A(XZ壓力場) 圖4.26b Case2-0-A(XY壓力場) 85
圖4.27a Case2-0-B(YZ速度場) 圖4.27b Case2-0-B(XY速度場) 85
圖4.28a Case2-0-B(XZ壓力場) 圖4.28b Case2-0-B(XY壓力場) 86
圖4.29a Case2-0-C(XZ速度場) 圖4.29b Case2-0-C(XY速度場) 86
圖4.30a Case4-C(XZ壓力場) 圖4.30b Case4-C(XY壓力場) 87
圖4.31 Case2-L開窗示意圖 87
圖4.32a Case2-L-A(XZ速度場) 圖4.32b Case2-L-A(XY速度場) 88
圖4.33a Case2-L-A(XZ壓力場) 圖4.33b Case2-L-A(XY壓力場) 88
圖4.34a Case2-L-B(YZ速度場) 圖4.34b Case2-L-B(XY速度場) 89
圖4.35a Case2-L-B(YZ壓力場) 圖4.35b Case2-L-B(XY壓力場) 89
圖4.36a Case2-L-C(XZ速度場) 圖4.36b Case2-L-C(XY速度場) 90
圖4.37a Case2-L-C(XZ壓力場) 圖4.37b Case2-L-C(XY壓力場) 90
圖4.38 Case2-R開窗示意圖 91
圖4.39a Case2-R-A(XZ速度場) 圖4.39b Case2-R-A(XY速度場) 91
圖4.40a Case2-R-A(XZ壓力場) 圖4.40b Case2-R-A(XY壓力場) 92
圖4.41a Case2-R-B(YZ速度場) 圖4.41b Case2-R-B(XY速度場) 92
圖4.42a Case2-R-B(YZ壓力場) 圖4.42b Case2-R-B(XY壓力場) 93
圖4.43a Case2-R-C(XZ速度場) 圖4.43b Case2-R-C(XY速度場) 93
圖4.44a Case2-R-C(XZ速度場) 圖4.44b Case2-R-C(XY壓力場) 94
圖5.1 case1-A(k、ε、μt之數值曲線) 100
圖5.2 case1-B(k、ε、 之數值曲線) 100
圖5.3 case1-C(k、ε、 之數值曲線) 100
圖5.4 case1-L-A(k、ε、 之數值曲線) 101
圖5.5 case1-L-B(k、ε、 之數值曲線) 101
圖5.6 case1-L-C(k、ε、 之數值曲線) 101
圖5.7 case1-R-A(k、ε、 之數值曲線) 102
圖5.8 case1-R-B(k、ε、 之數值曲線) 102
圖5.9 case1-R-C(k、ε、 之數值曲線) 102
圖5.10 case2-0-A(k、ε、 之數值曲線) 103
圖5.11 case2-0-B(k、ε、 之數值曲線) 103
圖5.12 case2-0-C(k、ε、 之數值曲線) 103
圖5.13 case2-L-A(k、ε、 之數值曲線) 104
圖5.14 case2-L-B(k、ε、 之數值曲線) 104
圖5.15 case2-L-C(k、ε、 之數值曲線) 104
圖5.16 case2-R-A(k、ε、 之數值曲線) 105
圖5.17 case2-R-B(k、ε、 之數值曲線) 105


參考文獻
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