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研究生:林志穎
研究生(外文):lin chih ying
論文名稱:噴泉用於改變半戶外廣場微環境 及熱舒適之電腦模擬及熱質傳分析
論文名稱(外文):Computer Modeling and Heat Mass Transfer Analysis on the Effects of Fountain to Micro-Environment and Thermal Comfort of Semi-open Square
指導教授:蔡尤溪蔡尤溪引用關係
口試委員:蘇水波施陽正
口試日期:2016-06-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:能源與冷凍空調工程系碩士班
學門:工程學門
學類:其他工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:104
語文別:中文
中文關鍵詞:半戶外、噴泉冷卻、熱舒適、計算流體力學
外文關鍵詞:semi-open spacefountaincoolingthermal comfortheat mass transfer
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現今世界各地越來越流行建立半戶外(semi-open)空間,提供一個結合室內環境與自然元素的休憩空間,由於半戶外結構的開放式設計使得空間內環境受到周圍外氣條件以及太陽輻射的影響,室內的熱舒適標準並不適用於半戶外空間,因此半戶外空調系統需考量其特殊的空間特徵,舉例來說利用其通風良好的特性設置噴泉作為冷卻物件取代空調系統,達到節省空調成本以及美觀的效果。
本文研究噴泉對於半戶外空間之熱舒適的影響比較,利用標準有效溫度SET*(Standard Effect temperature)與平均熱體感表決MTSV(mean thermal sensation vote)定義出半戶外空間的舒適。在噴泉模型的部分利用DPM(Discrete Phase Model)模型,模擬乾式噴泉的水滴軌跡與速度分佈,然後與周圍流場耦合計算出熱質傳效應,以量化出噴泉利用水滴蒸發的冷卻效果。利用半戶外通風的案例高雄車站下沉式廣場進行不同空調通風模式比較,包含自然通風模式、空調模式、噴泉降溫模式,結果發現在外氣條件最嚴苛的狀態下,利用噴泉降溫模式可以將使廣場之MTSV值平均下降至0.64,並且當外氣條件較為舒適時,廣場可以達到舒適狀態。
There are more and more semi-open spaces in the world nowadays. Semi-open spaces not only provide semi-indoor conditions for leisure activities but also integrated with the natural elements of the environment. However the effects of the ambient and solar radiation render the semi-open spaces unfit for the indoor thermal comfort. Therefore different standard of comfort levels would be needed to suit the characteristics of a semi-open space. For example the good ventilation characteristics would allow using fountain cooling effects instead of air-conditioning. By such doing air-conditioning will be saved with pleasing landscape.
This study has investigated and compared the influence of fountain on the thermal comfort of semi-open spaces. The indices of standard effective temperature and mean thermal sensation vote are used to evaluate the thermal comfort. Droplet trajectory and velocity distribution was simulated with discrete phase model (DPM). Coupling with the surrounding flow field heat and mass transfer can be calculated. Then the cooling effect of fountain can be quantified for the microenvironment. The semi-open squares of the Kaohsiung new station was taken as a case study. Three different types of cooling, namely, natural ventilation, air-conditioning and by fountain were simulated and compared. The simulation results show at most unfavorable condition fountain MTSV can decrease to 0.64 and reach the comfort range when surrounding was more favorable.
摘 要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻與技術回顧 2
1.2.1 廣場通風研究 3
1.2.2 廣場微氣候研究 5
1.2.3 噴泉周圍熱環境研究 7
1.2.4 噴泉模型研究 7
1.2.5 水珠運動模型 10
1.2.6 水珠與空氣熱質交換的耦合計算 11
1.3 研究方法與流程 13
1.1 研究目的 15
第二章 半戶外空間的熱舒適分析 16
2.1 前言 16
2.2 半戶外空間特徵 17
2.3 半戶外空間熱舒適範圍 19
2.4 半戶外空間的空調通風手法 20
第三章 下沉式廣場之通風空調模式 22
3.1 案例介紹 22
3.1.1 案例位置 22
3.1.2 空間樓層介紹 23
3.2 空間熱負荷分析 27
3.2.1 外氣負荷 27
3.2.2 人員負荷 32
3.2.3 輻射熱負荷 34
3.2.4 不同時間負載 36
3.3 不同空調通風模式比較 37
3.3.1 自然通風模式 37
3.3.2 空調模式 38
3.3.3 噴泉冷卻模式 39
3.4 小結 42
第四章 數值分析 43
4.1 統御方程式 43
4.1.1 基本假設 43
4.1.2 連續相模型 44
4.2 離散相(Discrete Phase model, DPM)模型 47
4.2.1 連續相與離散相之耦合階段 49
4.3 數值方法 51
4.3.1 對流-擴散方程式的差分形式 51
4.3.2 壓力-速度耦合關係的處理 53
第五章 幾何模型與邊界條件 56
5.1 半戶外廣場通風案例 56
5.1.1 計算域 56
5.1.2 網格獨立測試 57
5.1.3 邊界條件 59
5.1.4 入口風 60
5.1.5 物質特性 61
5.2 噴泉模型 61
第六章 模擬結果與討論 63
6.1 下沉式廣場模擬結果 63
6.1.1 外流場 64
6.1.2 自然通風模式 65
6.1.3 空調模式 71
6.1.4 噴泉冷卻模式 77
6.2 不同模式模擬結果比較 83
6.2.1 平均溫度比較 83
6.2.2 平均風速比較 84
6.2.3 熱舒適分析 85
第七章 結論 90
參考文獻 91
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【31】ASHRAE Standard 55,2004
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