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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝佳蒨
研究生(外文):Chia-ChienHsieh
論文名稱:運用熱浮力驅動地下預冷系統效益評估研究
論文名稱(外文):The Assessment Study on Efficiency of Pre-cooling System Underground by Thermal Buoyancy Driven
指導教授:江哲銘江哲銘引用關係
指導教授(外文):Che-Ming Chiang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:建築學系碩博士班
學門:建築及都市規劃學門
學類:建築學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:143
中文關鍵詞:CFD數值模擬地下預冷系統室內環境品質
外文關鍵詞:CFDunderground pre-cooling systemIEH
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本研究利用CFD數值模擬分析,主要探討運用熱浮力驅動地下預冷系統於台灣夏季氣候之可行性與對室內環境品質之影響。地下預冷系統之基本概念是由進風口引入外氣並利用地層之土壤溫度之將外氣預冷,以期降低引入外氣時造成之額外熱負荷,進一步利用溫差以及壓差驅動進氣與排氣,藉以達到自然通風,降低環境負荷。在本研究之操作上,以台灣實際應用地下通風系統之建築空間為模擬對象,針對通風塔驅動地下預冷系統對室內環境品質之影響進行討論,依據實際案例所處之外環境氣候條件做為邊界設定,案例空間作為室內模擬空間之建構基礎,以CFD模擬進行分析,模擬不同通風塔尺度與使用模式變因設定下,通風塔驅動地下預冷系統於確保室內環境品質之探討。模擬結果可作為自然通風下驅動地下預冷系統實際應用到建築上時之參考,以期建立該系統在台灣氣候環境下適當的設計及使用模式,作為將來建築物外氣引入的選擇之一。
本研究之研究目的與方法分述如下:
■ 研究目的
一. 討論地下預冷系統應用於熱浮力驅動於台灣夏季氣候之可行性。
二. 討論配置地下預冷系統之建築體在熱浮力通風塔不同變因驅動下對室內環境品質的影響。
三. 討論配置地下預冷系統之建築體在不同使用模式下對室內環境品質的影響。
四. 綜合各項變因,討論自然通風驅動地下預冷系統適當的設計模式。
■ 研究方法
一. 本研究之地下風道系統模型以高雄市下水道養工處辦公室建築空間為其建構基礎及模擬討論對象。
二. 分析歸納高雄地區近年之逐月平均氣候資料及土壤熱擴散係數資料,模擬高雄地區之夏季氣候,對案例空間使用地下預冷系統的狀況進行模擬分析。
三. 以CFD數值穩態模擬方式對室內環境之溫度場、氣流場及汙染物濃度場進行解析,討論熱浮力驅動地下預冷系統於室內環境中之舒適與健康情形。
四. 透過統計分析方法,評估配置地下預冷系統之建築體在自然力驅動下對確保室內環境品質之效益,建立配置地下預冷系統較佳之建築體的設計模式。
■ 研究結果
一. 全開窗模式在溫熱環境之舒適度及空氣環境之健康性表現較全關窗模式佳,在氣流環境之舒適度表現上則略遜,但仍屬於人體感受舒適之範圍內。
二. 室內活動區域之人體舒適指標落在+1.2~+1.73間,屬稍熱感受,較實際案例可降低8%~14%之室內活動區域溫度。通風塔尺度對室內活動區域之人體舒適指標表現:高度以10m最佳為+1.2~+1.72,8m次之為+1.33~+1.72,5m再次之為+1.33~+1.73。但其表現僅呈微幅調整,整體差異並不明顯;寬度與深度越大表現越好,寬度y(10m)〉x(5m),深度I(1.8m)〉E(1m)〉 A(0.5m)。
三. 室內活動區域之風擊不滿意度落在ASHRAE規範A級與B級,屬舒適感受,。通風塔塔寬與室內活動區域之風擊不滿意度無明顯關聯,通風塔高度與深度越小室內活動區域之風擊不滿意度越低:高度以5 m最佳為4%~14%,8m次之為4%~14%,10m再次之為4%~15%;深度A(0.5m)最佳為4%~8%,E(1m)次之為7%~10%,I(1.8m)再次之為9%~15%。
四. 室內活動區域之CO2濃度與通風塔高度增加無明顯關聯,通風塔截面積Ax組合室內活動區域之平均CO2濃度為1585ppm~1670ppm間,其餘截面積組合均低於725ppm,顯示過小的通風塔截面積易產生污染物濃度累積的現象。
五. 整體而言,在不同使用模式下對驅動地下預冷系統之室內活動區域環境品質以模組10Ix表現最佳,降溫效益達14%,而通風塔模組設定以5Ax、8Ax及10Ax表現為最差,降溫效益僅有8%。

This research studied on the pre-cooling system assisted by underground labyrinth and driven by thermal buoyancy to indoor environment quality in the climate of Kaohsiung, Taiwan. The concept of underground pre-cooling system is to use the constant temperature of superficial ground layer to pre-cool outdoor air before drawn to indoor spaces. The CFD model is based on the existed building equipped with underground labyrinth system in Kaohsiung. Furthermore, analyses on the CFD simulation on the performances of different scale-type of wind towers and usage patterns of the users. The results could be a reference for natural ventilation design in the future.
 Purpose
1. Discussing the feasibility of underground pre-cooling system driven by the thermal buoyancy in the climate of summer in Taiwan.
2. Discussing the effects of the indoor environment quality of different independent variables of the wind tower in the underground pre-cooling system by thermal buoyance driven.
3. Discussing the influence of different usage pattern of the users on the indoor environment quality in the underground pre-cooling system by thermal buoyance driven.
4. Discussing the appropriate design model of the natural ventilated underground pre-cooling system.
 Method
1. The study chose an existed building equipped with underground pre-cooling system located in Kaohsiung as CFD simulation model.
2. Simulating the interior space by using underground pre-cooling system without any ventilation facilities.
3. Analyzing the thermal, air flow condition and the density of pollution changes indoors, and utilizing computer visualize the ventilation condition in environment indoors.
4. Establishing an appropriate design reference for underground pre-cooling system driven by thermal buoyancy.
 Result
1. It is more comfortable for the indoor thermal environment and healthier for the indoor air quality in Open Window Model than Close Window model.
2. PMV showed +1.2~+1.73 which identified from slightly warm to warm, the effects of decreased temperature are 8% to 14% averaged. The height of wind tower for the indoor thermal comfort, model 10m is the most comfortable one, 8m is second, and 5m is the least one, but the differences are not obvious. The width and depth of wind tower showed bigger for better: the width of wind tower for indoor thermal comfort indicated that 10m is better than 5m; the depth, 1.8m the best, 1m second, 0.5m is the least.
3. DR showed levels from A to B of ASHRAE which is identified as comfort for human body. But the width of wind tower for indoor air-flow comfort was not clearly related. The heights and depths of wind tower showed smaller for more comfortable: the height of wind tower for indoor air-flow comfort showed 5m is better than 5m; the depth 0.5m is the best, 1m second, 1.8m is the least.
4. The height of wind tower has no clearly related trends with CO2 density indoor. Only the cross section model Ax is 1585ppm~1670ppm for indoor CO2 density, which is over standard; while others are under 725ppm, which showed the cross section of overly small setting may accumulate density of pollution.
Conclusion: The pre-cooling system underground by thermal buoyancy driven model 10Ix, in height10m, the cross section 1.8cmx5cm ,is the best performance in PMV、DR and CO2 density and the effect of decreased temperature is 14%, the worst performance of models in PMV、DR and CO2 density are 5Ax、8Ax and 10Ax, the effects of decreased temperature are 8%.

第一章 緒論 1-1
1-1 研究動機與目的 1-1
1-1-1 研究動機 1-1
1-1-2 研究目的 1-4
1-2 相關文獻回顧 1-5
1-2-1 通風型式相關文獻 1-5
1-2-2 CFD電腦模擬氣流場相關文獻 1-10
1-2-3 室內空氣環境評估指標相關文獻 1-11
1-2-4 地下通風系統應用相關文獻 1-11
1-2-5 土壤性質相關文獻 1-13
1-2-6 前期研究 1-15
1-3 研究範圍 1-18
1-4 研究流程與架構 1-21
第二章 研究方法 2-1
2-1 地區氣候環境條件 2-2
2-1-1 台灣地區室外氣候環境概況 2-2
2-1-2 實測案例空間外部空氣環境現況 2-4
2-1-3 台灣辦公空間室內空氣現況 2-5
2-1-4 自然通風策略 2-7
2-2 應用地下預冷系統空間之CFD模擬數值及變因設定 2-10
2-2-1 應用地下預冷系統之室內空間設定背景 2-10
2-2-2 外環境條件設定 2-12
2-2-3 受風室內空間開口模式設定 2-14
2-2-4 地下通風系統應用配置設定 2-15
2-2-5 室內空間條件設定 2-17
2-2-6 變因設定表 2-20
2-3 評估方式選定 2-21
2-3-1 室內人員溫熱環境舒適之評估原則 2-23
2-3-2 室內氣流環境舒適之評估原則 2-24
2-3-3 室內人員空氣環境健康之評估原則 2-25
第三章 地下預冷系統應用空間CFD數值模擬 3-1
3-1 建築流場之CFD數值模擬應用 3-1
3-1-1 近代流體力學於建築流場之發展與應用 3-1
3-1-2 CFD數值模擬電腦軟體使用流程 3-4
3-1-3 CFD數值模擬之解析方式 3-5
3-1-4 紊流模型選定 3-7
3-2 辦公室單元空間之流場模擬 3-10
3-2-1 解析計算域之假設 3-10
3-2-2 CFD數值解析步驟說明 3-11
3-2-3 數值模擬模型與邊界條件之設定 3-12
3-2-4 數值模擬模型格點系統設定 3-17
3-2-5 數值模擬鬆弛係數與收斂條件設定 3-19
3-3. 數值模擬解析結果 3-21
第四章 室內環境數值模擬結果分析 4-1
4-1 室內環境之溫度場、氣流場與污染物濃度場解析 4-1
4-1-1 解析方式分析架構流程 4-1
4-1-2 室內環境溫度場解析 4-2
4-1-3 室內環境氣流場解析 4-6
4-1-4 污染物濃度場解析 4-10
4-2 不同模式下對室內溫熱環境品質影響之探討 4-11
4-3 不同模式下對室內氣流環境品質影響之探討 4-15
4-4 不同模式下對室內健康環境品質影響之探討 4-18
4-5 小結 4-21
第五章 結論與建議 5-1
5-1 結論 5-1
5-2 後續研究建議 5-3
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