TWI785928B - 廠房通風散熱方法 - Google Patents

Abstract

一種廠房通風散熱方法主要包括下列步驟：廠房整體參數設計步驟，其以理論估算並調整需求總風量、窗戶總面積、窗戶出氣速度、室內外壓差；出氣管道幾何設計步驟，其先以流體力學基本原理做初步設計，再以電腦程式計算，設計管道幾何尺寸，以使各出風口最大風速或流量不均勻度達到滿意的低值；以及廠房管道位置配置設計步驟，其以電腦程式估算並調整廠房內流場、溫度場、濃度場，藉以調整管道安裝水平位置、高度與窗戶高度，以使廠房內的風速、溫度、濃度達到要求的數值：藉以阻擋粉塵飄入廠房內，並降低廠房內的溫度與污染物濃度。

Description

廠房通風散熱方法

本創作係有關一種廠房通風散熱方法，尤指一種可有效阻擋粉塵飄入廠房，又可降低廠房內的溫度，甚至污染物濃度者。

對於一般的工廠作業廠房而言，若是廠房內的作業人員數量很多，機器發熱且排出的熱氣無法移除至廠房外時，這些「熱」將會造成廠房內之溫度上升。當廠房內需要保持低粉塵時，若是使用一般的吸氣通風方法，將會讓粉塵容易從敞開的窗、門被吸入室內。

例如：對於製造塑膠袋的廠房而言，其內有發熱機台，因需要保持低粉塵狀態以免沾黏在塑膠袋上，所以會關閉所有窗戶，只剩牆上方設有百葉氣窗，如此一來，會導致廠房內高溫，個別塑膠袋不易分開，且粉塵難以避免。另如製造球鞋與皮帶的廠房而言，其內有發熱機台，需要保持低粉塵狀態，以免在「上膠壓合」時沾黏在球鞋與皮帶上。廠方關閉左右側牆所有窗戶，但為了通風與避免廠內高溫，會在後端窗戶裝設多部抽風扇，並敞開前端牆面的門窗，但除了前端牆面的門窗附近有風之外，廠內大部分區域幾乎無風，所以更會在廠內上方裝設許多部「中繼風扇」，直覺以為如此可使氣流順暢的從前端牆面的門窗流往後端窗戶的抽風扇，結果大量粉塵會從前端牆面的門窗被吸入廠房內，廠房內仍然高溫。而若是在窗、門上裝設濾網以過濾粉塵，由於濾網的阻塞所引致的壓損，則會 大為降低軸流風扇的流量並增加耗能，不但在清潔濾網與維修保養上相當耗時、耗力，而且也不能很有效的阻擋粉塵進入廠房內。因此，在每個敞開的窗、門設置濾網，有實務上確有窒礙難行之處。

另欲處理上述「熱」與「粉塵」的問題，常會使用「稀釋增壓法」，其係以風機供應經過濾的「冷」、「暖」或「常溫」乾淨空氣至廠房內，與室內原有的空氣混合(稀釋)，調整窗扉的開度，使氣流溢出窗扉開口時造成足夠的壓力損失(阻力)，藉以阻擋粉塵飄入廠房，又可降低廠房內的溫度，甚至污染物濃度。然而，傳統通風課本與手冊基本稀釋法原理，其基本假設為：任何瞬間房間內污物染濃度的空間分佈是「均勻」的。但是在實際工廠的複雜情況並不能套用。

有鑑於此，為了提供一種有別於習用技術之結構，並改善上述之缺點，創作人積多年的經驗及不斷的研發改進，遂有本創作之產生。

本創作之一目的在解決習用通風散熱技術在實際運用上，仍無法有效阻擋粉塵飄入廠房內與降低廠房內溫度、污染物濃度之問題，而能提供一種可以使廠房內達到正壓效果，讓廠房內的壓力比廠房外的大氣壓力高，而可有效阻擋粉塵飄入廠房，又可降低廠房內的溫度，甚至污染物濃度的廠房通風散熱方法。

為達上述之目的，本創作之一種廠房通風散熱方法係包括下列步驟：A.廠房整體參數設計步驟，其以理論估算並調整需求總風量、至少一窗戶總面積、至少一窗戶出氣速度、室內外壓差；B.至少一管道幾何設計步驟，其先以流體力學基本原理做初步設計，再以CFD電腦程式計算， 設計至少一管道幾何尺寸，以使複數個出風口最大風速或流量不均勻度達到滿意的低值；C.廠房之至少一管道位置配置設計步驟，其以CFD電腦程式估算並調整廠房內流場、溫度場、濃度場，藉以調整至少一管道安裝水平位置、高度與至少一窗戶高度，以使廠房內的風速、溫度、濃度達到要求的數值。

實施時，本創作更在步驟A之後包括一管道高度與出風口幾何設計步驟，其係以一資料庫選擇並調整至少一管道之管道安裝最小高度、出風口長、寬、間距比、出風口數量、出風口平均風速。

實施時，複數個側牆包括依序連續設置之一第一側牆、一第三側牆、一第二側牆及一第四側牆，且第一側牆平行第二側牆。

實施時，第一側牆及第二側牆上分別具有至少一窗戶，供分別向外排氣。

實施時，至少一管道之一端連接第一側牆，至少一管道之另一端連接第二側牆，供至少一管道分別垂直第一側牆及第二側牆。

實施時，本創作更提供至少一隔板，至少一隔板與至少一管道位於同一高度之水平位置上。

實施時，至少一隔板為具有高隔熱係數之平板，供阻絕屋頂所向下散發的幅射熱。

實施時，步驟A係從室外供應過濾空氣至廠房內，供稀釋廠房內的高溫與污染物濃度，並使廠房內成為正壓狀態。

實施時，任一管道具有一上游端及一下游端，管道從上游端至下游端之間分成複數個漸縮之區段，複數個區段上分別具有至少一出風 口。

實施時，步驟B之任一管道之複數個出風口之速度或流量，係經由調整任一管道截面積與出風口總截面積之比例以取得。

為進一步了解本創作，以下舉較佳之實施例，配合圖式、圖號，將本創作之具體構成內容及其所達成的功效詳細說明如下。

1:廠房

11:屋頂

12:第一側牆

13:第三側牆

14:第二側牆

15:第四側牆

16:室內空間

17:管道

170:區段

171:出風口

18:窗戶

19:隔板

〔圖1〕係為本創作之較佳實施例之廠房外觀示意圖。

〔圖2〕係為圖1之側視圖。

〔圖3〕係為本創作步驟A之廠房整體參數設計流程圖。

〔圖4〕、〔圖5〕係為本創作步驟A之廠房整體參數之設計參數表。

〔圖6〕係為本創作步驟B之廠房管道高度與出風口幾何與配置設計參數示意圖。

〔圖7〕~〔圖9〕係為本創作步驟B之廠房管道高度與出風口幾何設計流程圖。

〔圖10〕係為本創作步驟B之50%不均勻度界定圖。

〔圖11〕、〔圖12〕係為本創作步驟B之部分資料庫。

〔圖13〕係為本創作步驟C之具有噴流方向控制的吹氣管道示意圖。

〔圖14〕係為本創作步驟C之方法(A)之管道設計流程圖。

〔圖15〕係為本創作步驟C之將管道從上游至下游分成數段之側面示意圖。

〔圖16〕係為本創作步驟C之一出氣管道原始設計圖。

〔圖17〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整後之管道內部與出風口外部速度場圖。

〔圖18〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整後之管道內部靜壓分佈圖。

〔圖19〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整前後之各出風口最大風速u _jm,i 統計表。

〔圖20〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整前後之各出風口流量Q _j,i 統計表。

〔圖21〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整前後之出風口最大風速總體不均勻度η _t改善百分比。

〔圖22〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整前後之管道各段截面積A _duct,i 統計表。

〔圖23〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整前之原始管道設計參數表。

〔圖24〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整後之管道設計參數表。

〔圖25〕係為本創作步驟C之方法(A)在調整前後之出風口調整器之設計參數表。

〔圖26〕、〔圖27〕係為本創作步驟C之方法(B)之管道設計流程圖。

〔圖28〕係為本創作步驟C之方法(B)之管道設計圖。

〔圖29〕係為本創作步驟C之方法(B)之案例A之管道設計圖。

〔圖30〕係為本創作步驟C之方法(B)在調整前後之各出風口最大風速ujm,i統計表。

〔圖31〕係為本創作步驟C之方法(B)在調整前後之各出風口流量Qj,i統計表。

〔圖32〕係為本創作步驟C之方法(B)之H_duct=2.0m在調整前後之管道內部與出風口外部速度場圖。

〔圖33〕係為本創作步驟C之方法(B)之H_duct=2.0m在調整後之管道內部靜壓分佈圖。

〔圖34〕係為本創作步驟C之方法(B)在調整前後之出風口總體不均勻度η _t改善百分比圖。

〔圖35〕係為本創作步驟D之設計流程圖。

〔圖36〕係為本創作步驟D之追蹤氣體分佈圖。

〔圖37〕、〔圖38〕係為本創作步驟D之案例之廠房設計參數表。

〔圖39〕係為本創作步驟D之四種不同管道配置方式圖。

〔圖40〕係為本創作步驟D之案例以CFD電腦程式分析計算結果之廠房作業區速度、溫度、濃度、壓力統計表。

〔圖41〕係為本創作具有隔板之另一案例之廠房外觀示意圖。

〔圖42〕係為圖41之側視圖。

〔圖43〕、〔圖44〕係為本創作步驟D之另一案例之廠房設計參數表。

〔圖45〕係為本創作步驟D之另一案例在側視立面y=3m之截面中之速度向量與流線分佈圖。

〔圖46〕係為本創作步驟D之另一案例在側視立面y=3m之截面中之溫度場分佈圖。

〔圖47〕係為本創作步驟D之另一案例在側視立面y=3m之截面中之濃度場分佈圖。

〔圖48〕係為本創作步驟D之另一案例在端視立面y=3m之截面中之速度 向量與流線分佈圖。

〔圖49〕係為本創作步驟D之另一案例在端視立面y=3m之截面中之溫度場分佈圖。

〔圖50〕係為本創作步驟D之另一案例在端視立面y=3m之截面中之濃度場分佈圖。

〔圖51〕係為本創作步驟D之另一案例在俯視水平面z=1.8m之截面中之速度向量與流線分佈圖。

〔圖52〕係為本創作步驟D之另一案例在俯視水平面z=1.8m之截面中之溫度場分佈圖。

〔圖53〕係為本創作步驟D之另一案例在俯視水平面z=1.8m之截面中之濃度場分佈圖。

〔圖54〕係為本創作步驟D之另一案例之廠房作業區速度、溫度、濃度、壓力統計表。

〔圖55〕係為本創作步驟D之無隔板與有隔板二個案例在平均速度方面與原始廠房之比較圖。

〔圖56〕係為本創作步驟D之無隔板與有隔板二個案例在溫度方面與原始廠房之比較圖。

〔圖57〕係為本創作步驟D之無隔板與有隔板二個案例在濃度方面與原始廠房之比較圖。

〔圖58〕係為本創作步驟D之無隔板與有隔板二個案例在壓力方面與原始廠房之比較圖。

請參閱圖1、圖2所示，本創作之廠房1主要包括一屋頂11及設於屋頂11下方且依序連續環繞設置之一第一側牆12、一第三側牆13、一第二側牆14及一第四側牆15，第一側牆12與第二側牆14相互平行。四個側牆框圍成長方形，並與屋頂11共同框圍成一室內空間16，室內空間16上方具有至少一個管道17，在本實施中，四個管道17間隔並列，並與第三側牆13、第四側牆15相互平行。任一管道17依據空氣之流向而具有一上游端及一下游端，任一管道17從上游端至下游端之間分成複數個漸縮之區段170，各管道17之各區段170的下半部分別具有間隔排列之至少一個出風口171，供分別送出下吹氣流；第一側牆12與第二側牆14上分別具有複數個水平間隔排列之窗戶18，供分別向外排氣。

本創作廠房通風散熱方法包括下列步驟：

A.廠房1整體參數設計步驟，其以理論估算並調整需求總風量Q_total、窗戶18總面積A_win、窗戶出氣速度V_win、室內外壓差△P_win。

B.管道17高度與出風口171幾何設計步驟，其以資料庫(Data Bank)選擇並調整至少一管道17之管道安裝最小高度h、出風口171長d_j、寬w_j、間距比s_j/d_j、出風口171數量N_j、出風口171平均風速u_j。

C.出氣管道17幾何設計步驟，其先以流體力學基本原理做初步設計，再以Computational Fluid Dynamics(CFD)電腦程式計算，設計管道17幾何尺寸(長L_duct，寬W_duct，高H_duct)，以使各出風口171最大風速或流量不均勻度達到滿意的低值。

D.廠房1管道17位置配置設計步驟，其以CFD電腦程式估算並調整廠房1內流場、溫度場、濃度場，藉以調整管道17安裝水平位置、高度與窗戶18 高度，以使廠房1內的風速、溫度、濃度達到要求的數值。

在冷氣或暖氣房裡，或者旅館、公共設施的廳堂經常遇到的情況：在某些位置常常被冷氣、暖氣或常溫的高速氣流直接吹拂頭部，在某些位置幾乎無風，在某些位置太冷或太熱，使得人體不舒服，甚至造成疾病。這些問題都是因為使用熱力學原理進行「製冷」、「製熱」，但是沒有使用流體力學原理進行「配氣」，以導引與分配氣流所造成。

步驟A之廠房整體參數設計步驟是以熱力學原理，以整體性參數初步估算需求風量的方法；其廠房1整體參數設計流程圖係如圖3所示。整體參數之設計目的在於從室外供應過濾空氣或冷氣至廠房1內，稀釋廠房1內的高溫、污染物濃度，並使廠房1內為正壓。如此可降低、稀釋廠房1內的溫度與污染物濃度，並可降低廠房1外的粉塵從門、窗、開口、縫隙進入廠房1內的機會

廠房1整體參數設計方法在設計空氣進氣量時，須考量因為人體與機器的「發熱率」造成的影響。若機器表面做好隔熱措施、機器排放熱氣以及散發的污染物經由「局部通風設施」移除，則僅考慮人體發熱即可，但需將「局部通風設施」的吸氣量加入以下計算出來的「需求空氣進氣量」中)。

「需求空氣體積流率」估算法包括：

1.熱力學估算法：如果廠房中存在「過熱」的問題時，假設在供氣過程，廠房內的空氣維持Homogeneous與Equilibrium狀態，使用「熱力學」的原理，估算「理論需求空氣體積流率」Q _theory。若廠房內人體、機器的總發熱率為q，空氣在常溫時的比熱為c _p，密度為ρ，空氣在工廠內吸熱而上升的溫度是 △T，「理論需求空氣質量流率」是m，「理論需求空氣體積流率」是Q _theory。則根據「熱力學」原理，以上參數之間的關係可以寫成：

q=mc _p△T=(ρ Q _theory)c _p△T，

因此Q _theory=q/(ρ c _p△T)若設定「容許升溫」△T，則可依上式計算出「理論需求空氣體積流率」Q _theory。[註：設定室內空氣容許上升的溫度△T(例如：0.1℃、0.2℃或0.3℃)，若供氣風機之上游有裝設「冷卻器」，則廠房內可達到比外氣溫度低的溫度；若無裝設「冷卻器」，則廠房內的溫度最低只能與外氣溫度差不多]。通常「實際需求空氣體積流率」Q _total會將「理論需求空氣體積流率量」Q _theory乘上一個安全因子k(

1)：

Q _total=kQ _theory若設定「容許升溫」△T，則可依上頁公式計算出「實際需求空氣體積流率」Q _total。而若Q _total的數值太大，超出合理範圍，則可選擇以下三種方式調整，以降低Q _total的需求量：

(a).加大△T至可接受的數值以降低Q _total；

(b).在供氣風機上游裝設「冷卻器」。若「冷卻器」是空調冷氣，則可使用旁通的方式將少量「冷氣」混入供應空氣中，僅需將供應空氣的溫度降低一些，即可使△T有足夠裕度可以調整Q _total。若「冷卻器」是其他型式也可得到相同效果；

(c).在發熱機器加裝「局部通風設施」以降低Q _total值(但必須記得將「局部通風設施」的吸氣量加入最後計算出來的「需求進氣量」Q _total中)。

2.污染物質量濃度需求上限估算法：如果廠房中存在「污染物濃度過高」 的問題時，假設在供氣過程，廠房內的空氣維持同質(Homogeneous)與平衡(Equilibrium)狀態，利用污染物質量濃度[質量分率(mass fraction)]需求上限值f _p以及污染物的質量產生率m _p，估算「理論需求空氣質量流率」m：

f _p=m _p /(m+m _p)，因此m=m _p(1-f _p)/f _p再將「理論需求空氣質量流」率m除以供應空氣的密度ρ，即可得到「理論需求空氣體積流率」Q _theory：

Q _theory=m/ρ再以方程式Q _total=kQ _theory計算「實際需求空氣體積流率」Q _total。

3.藉著調整廠房「窗戶開口總面積」A _win，以改變空氣「從窗戶流出室外的風速」V _win以及廠房內的「正壓」(廠房內壓力比外氣壓力高出的數值)△P _win大小。從窗戶流出廠房外的氣流速度V _win：

V _win=Q _total/A _win廠房內的「正壓」△P _win：假設窗戶的壓損係數C ₀

0.5~0.6，

△P _win=C ₀(ρV _win ²)/2

4.需反覆嘗試計算數次廠房窗戶開口總面積A _win，甚至調整△T，以使Q _total與室內的正壓△P _win與風速V _win達到適當可行的數值。

廠房整體參數設計例：一座製造塑膠袋的廠房，(長L×寬W×高H)=(15m,12m,15m)。有4部發熱機台(總發熱量q=5kW)，須保持低粉塵狀態以免沾黏在塑膠袋上。希望廠房內溫度與外氣溫度差△T<0.5℃，以維持產品品質。請以稀釋增壓法的[步驟A]設計方法，設定「容許升溫」△T=0.2℃，計算：(1)「實際需求總進氣量」Q _total、(2)窗戶開度總面積A _win、 (3)從窗戶流出廠房外的氣流速度V _win、(4)廠房內的「正壓」△P _win。

計算程序如下：

<1>使用Q _theory=q/(ρ c _p△T)估算「理論需求進氣量」Q _theory：

q=5kW，ρ=1.164kg/m³，c _p=1.007kJ/kg*K，

假設△T=0.2℃，代入上式，可得

Q _theory=5/[1.164×1.007×0.2]×60=1280CMM

以安全因子k=1.2計算「廠房實際供應總風量」Q _total，則

Q _total=kQ _theory=1.2×1280=1536CMM

<2>假設「窗戶開口總面積」A _win=6m²，使用V _win=Q _total/A _win估算「從窗戶流出廠房外的氣流速度」V _win：

V _win=[1536/60]/6=4.27m/s

<3>假設窗戶的壓損係數C ₀

0.5，使用△P _win=C ₀(ρV _win ²)/2估算「廠房內外的壓力差」△P _win：

△P _win=0.5×(1.164×4.27²)/2=5.31Pa依照以上的計算程序，假設數個不同的A _win，計算相對應的(V _win，△P _win)，結果如下表所列：

由上表的計算結果可知：若取(A _win、V _win、△P _win)=(5m²、5.12m/s、7.63Pa)或(6m²、4.27m/s、5.31Pa)的組合，則：

1.A _win不會太大，(寬0.6m×高0.7m)窗戶12個或者(寬0.625m×高0.8m)的窗戶12個，可以適當安排在廠房兩端壁面。

2.從窗戶射出廠房外的氣流速度V _win恰當(3m/s<V _win<6m/s)。

3.廠房內外壓力差△P _win足夠有效阻擋粉塵逸入廠房內(4Pa<△P _win<8Pa)。

經由以上的計算結果，可得其廠房整體參數之設計參數表如圖4、圖5所示。

步驟B、C、D是導引與分配氣流的技術，需要「流體力學」的細節，其中之步驟B為管道高度與出風口幾何設計步驟，其管道高度與出風口幾何設計目的在於：

1.氣流從管道多個並排的出風口噴出之後，到達人頭部時，需要一段距離衍化，以減小「氣流到達人頭部時的氣流平均速度

」與「氣流速度空間分佈不均勻度u‘/

」至目標值，才不致於使人感覺不舒服：

(1).人頭部長期被高速氣流吹拂(尤其是冷氣)，應盡量使人頭高度的氣流平均速度

1.5~2.5m/s

(2).若「氣流速度空間分佈不均勻度u‘/

」太大，則在出風口下方，噴流速度太大；在偏離出風口下方的區域，氣流速度太小。應盡量使人頭高度的氣流速度空間分佈不均勻度u’/

50%(亦可自訂不均勻度容許值)。

2.管道的[出風口平均風速u _j、出風口幾何(長d _j、寬w _j、間距比s _j/d _j)]會影響「多重噴流衍化距離」的大小。因此，需要使用CFD計算分析，建立一個資料庫(Data Bank)，用以設計在選定的人頭高度欲達到之氣流平均速度比

/u _j以及可接受的空間分佈不均勻度u’/

衍化距離(亦即：出風口至 人頭頂的最小距離y*)。管道裝設的高度h應等於或大於人的身高h _p加出風口至人頭頂的最小距離y*，亦即：h

h _p+y*。

3.依本[步驟B]獲得管道數量N _duct、管道安裝最小高度h、出風口長d _j、寬w _j、間距比s _j/d _j、出風口平均速度u _j之後，進入[步驟三]設計管道幾何尺寸(L _duct,W _duct,H _duct)，以使出風口風速均勻度符合需求。

4.若遇一些情況，例如：不需要或不想考慮噴流空間分佈不均勻度u’/

以及不需要或不想擔心有高速噴流直接衝擊人頭部等等情況，則本[步驟B]可以不須執行，直接設定合適的管道數量N _duct、出風口平均風速u _j、出風口長d _j、寬w _j、間距比s _j/d _j、風管安裝最小高度h，然後進入[步驟C]。

如圖6所示，其為廠房管道高度與出風口幾何與配置設計參數示意圖。

圖7~圖9為廠房管道高度與出風口幾何設計流程圖。

圖10為50%不均勻度界定圖。

圖11、圖12為部分資料庫(Data Bank)。

廠房管道高度與出風口幾何設計例：於步驟A的設計例中，已獲得(長L×寬W×高H)=(15m,12m,15m)的塑膠袋廠房欲達到△T=0.2℃時需要的Q _total=1536CMM。請以稀釋增壓法的[步驟B]設計方法，設計：管道安裝最小高度h、出風口長d _j、寬w _j、間距比s _j/d _j、出風口數量N _j、出風口總面積A _j、出風口平均風速u _j，以使人頭高度的氣流平均速度

1.5~2.0m/s、氣流速度空間分佈不均勻度u’/

50%。

計算程序如下：

1.依[步驟A]所估算之需求風量Q _total，選取一個合適的管道數量N _duct，計算單支管道流量Q _duct=Q _total /N _duct：

由[步驟A]得到Q _total=1536CMM，假設「管道數目」N _duct=4，得到

Q _duct=1536/4=384CMM。

2.選定人頭的高度h _p=1.8m：

選擇預定架設的管道最小高度h=7m，則y*=h-h _p=7-1.8=5.2m。

3.選擇「出風口長」d _j=0.3m，計算y*/d _j：

y*/d _j=5.2/0.3=17.33。

4.由50%不均勻度界定圖，找出s _j/d _j的可用範圍：

得出s _j/d _j

5.84。

5.選擇一個s _j /d _j值，依據d _j、y*/d _j、h/d _j的數值，在資料庫(Data Bank)A中確認氣流速度空間分佈不均勻度u’/

：

選擇「出風口間距比」s _j/d _j=5，依據d _j、y*/d _j、s _j/d _j的數值，於資料庫A中確認氣流速度空間分佈不均勻度

為可接受。

6.計算s _j：

s _j=(s _j/d _j)×d _j=5×0.3=1.5m。

7.計算管道出風口數目N _j：

管道長度L _duct=15m(與廠房長度相同)，設定靠近管道兩側壁面的出風口距離牆壁2m。計算N _j=[(15-2×2-0.3)/1.5]+1=8.13。選擇N _j=9→可接受。

8.以選取的N _j，重新計算s _j：

以N _j=9計算s _j=[(15-2×2-0.3)/(9-1)]=1.338m，所以s _j/d _j=1.338/0.3=4.46。

以d _j、y*/d _j、s _j/d _j再次於Data bank確認相對應的氣流速度空間分佈不均勻 度

→可接受。

9.依據s _j /d _j、d _j、y*/d _j、h/d _j的值，在資料庫(Data Bank)B中尋找對應的平均氣流速度比

/u _j：獲得

。

10.設定在人頭處欲獲得之

，計算

：

設定人頭處欲獲得之氣流平均速度

，計算

=0.53m，取w _j=0.5m→可接受。

重新計算

=[384/60/(0.5×0.3×9)]×0.4=1.9m/s→可接受。

11.計算A _j=d _j×w _j=0.3×0.5=0.15m²。

12.計算A _j,total=N _j×A _j=9×0.15=1.35m²。

13.計算u _j=Q _duct/A _j,total=384/60/1.35=4.74m/s→可接受。

14.使用獲得的風管安裝最小高度h=7m、出風口長d _j=0.3m、寬w _j=0.5m、間距比s _j/d _j=4.46、出風口數量N _j=9、出風口平均風速u _j=4.74m/s於[步驟C]設計管道幾何尺寸。

步驟C為出氣管道幾何設計步驟，其出氣管道幾何設計目的在於：將空氣送入管道，再從沿著管道長度方向不同位置所設置的「出風口」噴出時(例如暖通空調中的應用：通風系統的補氣管道、將冷氣或暖氣送至各處的管道等等)，若管道流量、管道尺寸、出風口速度或流量均勻度未經適當設計，在大部份遞送足夠風量的應用例中，因為管道內靜壓分佈不均，從上游至下游遞增，導致出風口的噴流射出速度從上游至下游遞增，亦即不容易獲得「均勻分配」的吹出氣流，且噴流方向不易控制。因此， 需要有一套方法，以獲得可接受的「氣流分配」與「方向調整」。

管道出風口速度方向調整方法：如圖13所示，出風口噴流方向以空管或導葉片控制。使用CFD計算，調整導葉片長度、相鄰導葉片之間隙，使噴流方向達到目標值。管道出風口速度或流量均勻度調整方法包括：[方法(A)]管道截面積A _duct從上游至下游漸縮法，以及[方法(B)]管道截面積A _duct與出風口總截面積A _j,total比例法。其中之[方法(A)]係使管道截面積A _duct從上游至下游逐步縮減，以調整管內靜壓分佈，從而調整出風口速度或流量均勻度。[方法(B)]係調整管道幾何(寛W _duct、高H _duct)、流量Q _duct、數目N _duct以及出風口幾何(長d _j、寛w _j、間距s _j)、數目N _j，以提高管道內的靜壓分佈均勻度，從而改善各出風口噴流速度均勻度，此方法可以得到頗高的各出風口速度與流量均勻度。

如圖14所示，其為[方法(A)]管道截面積A _duct從上游至下游漸縮法之管道設計流程圖。如圖15所示，在初始設計時，係將管道從上游端至下游端分成數段，假設各出風口速度均為u _j=Q _duct /A _j,total，且管道各段速度皆為管道入口速度u _duct，再依質量守恆定律，決定各段管道的初始截面積A _duct,i 。

假設氣流為理想流體，在管道內流動時無壓損，則依柏努利定律(Bernoulli’s principle：無水靜壓P _hs=γh變化時，動壓P _v+靜壓P _s=常數)，若管道各段速度皆為u _duct，則動壓P _v在管道各段相等，所以靜壓P _s在管內各段也會相等(亦即：管道各段全壓相等)；再考慮一次柏努利定律於出風口：當管內各段靜壓或管道各出風口附近靜壓P _s相等時，各出風口速度u _j就相同。因此，初始設計依質量守恆定律與柏努利定律，令管道各段速度 皆為u _duct且各出風口速度均為u _j=Q _duct /A _j,total，由此可以決定管道各段的初始截面積。

一段同一截面積的管道安排一個出風口是較適當的。若管道太長或出風口太多，可以數個出風口安排在一段同一截面積的管道；但如此安排時，在同一段同一截面積的管道數個出風口中，較上游出風口的出氣速度會較下游出風口的出氣速度低。

再者，由於真實流體必有黏滯性，流經管道內各段必有壓損，所以必須修正。以CFD計算流場分佈，視流場計算結果調整各段管道截面積A _duct,i ，以使各出風口速度u _j均勻。通常使用初始截面積A _duct,i 所計算得到的流場分佈，在管道上、中游的出風口已具有一個程度的均勻度，但下游數個出風口的噴流速度比上、中游的出風口速度小。若再經調整A _duct,i (同時縮小上游的A _duct,i 與增大中下游的A _duct,i )，即可提高整條管道出風口的均勻度。

若數個出風口安排在一段同一截面積的管道，則同一段同一截面積的管道數個出風口中，較上游出風口的出氣速度會較下游出風口的出氣速度低。欲矯正此問題，可將該段同一截面積的管道改為往下游逐漸縮小。另，使用某一個Q _duct值，依[方法(A)]設計完成管道與出風口配置與幾何，得到滿意的出風口速度均勻度之後，若於一個範圍內改變Q _duct值，則出風口速度不均勻度只會些微改變。例如：以下之案例A，在原來之Q _duct值的0.4~5倍之內，不均勻度的變化大致可以忽略。

管道出風口各自最大速度u _jm,i 之不均勻度η _t定義：

u _jm,i ：出風口各自的最大速度

u _jm,ave：所有出風口最大速度的平均值

管道出風口各自流量Q _j,i 之不均勻度η _t定義：

Q _j,i ：出風口各自的流量

Q _j,ave：所有出風口的平均流量

例如：18m管道(共9個出風口，以Q _duct=5.4m³/s)改良設計後，若改變流量但維持同設計時，不均勻度η _t,u 的變化不大，如下二表所示。

最大差異度(%)：管道所有出風口出氣速度最大值與與最小值的差除以平均值。其中，管道各段截面積A _duct,i 調整原則如下：

1.增大A _duct,i 可以增加出風口最大速度u _jm,i ；減小A _duct,i 可以降低出風口最大速度u _jm,i 。

2.比較各出風口最大速度u _jm,i 與所有出風口最大速度平均值u _jm,ave，若u _jm,i <u _jm,ave→增加A _duct,i ；若u _jm,i >u _jm,ave→減小A _duct,i 。來回調整，直到獲得可接受的速度分佈。

案例A：一出氣管道原始設計如圖16之列表，原始管道管內與出風口外速度場經CFD分析後，各出氣口出氣速度極不均勻。請以方法(A)設計增加各出氣口出氣速度均勻度。

調整設計過程如下：

1.Lduct=18m，分成9段，每段1個出風口。

2.經過4次調整設計之後，管道內部與出風口外部速度場如圖17所示，各出風口速度分佈較均勻；管道內部靜壓分佈如圖18所示，出風口上方區域靜壓較均勻。

3.圖19、圖20為調整過程統計表，其中，圖19為各出風口最大風速u _jm,i 統計表，依據「質量守恆」與「柏努利定律」的初始設計，已經大幅改善了「直管」的「各出風口速度嚴重不均勻」問題，但出風口速度的分佈變成：上游的出風口速度比下游的大、管末數個出風口速度變成太小。而在接續根據初始設計來回調整管道尺寸(上游管道減小尺寸、中下游管道增加尺寸)，即可以有效修正初始設計的瑕疵，其比較η _t,u0=40.0%。

4.圖20為各出風口流量Q _j,i 統計表，其中，u _jm,i 與Q _j,i 的均勻度可能不能兼顧，最好是在設計前依據實際需求，選定以u _jm,i 或者Q _jm,i 作為均勻度的判斷標準，進行調整各截管道截面積的設計程序，其比較η _t,Q0=61.4%。

5.圖21為出風口最大風速總體不均勻度η _t改善百分比。

6.圖22為管道各段截面積A _duct,i 統計表，其中，A _duct,1~A _duct,3比初始設計A _duct,i (#0)小；而A _duct,4~A _duct,9比初始設計A _duct,i (#0)大。

7.圖23~圖25為管道設計參數整理表。其中，圖23為原始管道設計參數，圖24為調整後之管道設計參數，而圖25為出風口調整器之設計參數。

如圖26、圖27所示，其為方法(B)管道截面積A _duct與出風口總截面積A _j,total比例法之管道設計流程圖。如圖28所示，對於已經選取的L _duct，藉由調整管道幾何(W _duct、H _duct)、流量Q _duct、數目N _duct以及出風口幾何(d _j、w _j、s _j)、數目N _j，可以改變管道內靜壓分佈分佈的型態[從管道底層(出風口邊)往上層變化(出風口對向)]，因而改善各出風口噴流速度均勻度。其中，影響管道各出風口噴流速度均勻度的參數表列如下：

從[步驟A]獲得Q _total後，依據廠房尺寸決定L _duct，並設定初步的N _duct。接著考慮以下的參數調整：

1.令u _duct /u _j

1.2(亦即：A _duct /A _j,total

1.2)，一般可獲得可接受的均勻度。A _duct /A _j,total愈大，均勻度愈高；A _duct /A _j,total

1.6之後，各出風口速度均勻度通常頗高。

2.A _duct /A _j,total的臨界值與管長L _duct、出風口尺寸(d _j,w _j)、流量Q _duct有相關性。一般的規律是：

<1>管長L _duct越短→臨界A _duct /A _j,total較小。

<2>出風口寬度w _j越小→不均勻度η _t愈小。

<3>出風口長度d _j越小→不均勻度η _t愈小。

<4>流量Q _duct越小→臨界A _duct /A _j,total較小。

3.使用某一個Q _duct值，依[方法(B)]設計完成管道與出風口配置與幾何，得到滿意的出風口速度均勻度之後，若欲改變Q _duct值，則出風口速度不均勻度只會些微變，可以忽略。

4.出風口軸向長度d _j、橫向寬度w _j、相鄰出風口間距s _j /d _j、管長L _duct固定時，若管道截面積A _duct(亦即：H _duct×W _duct)愈大、流量Q _duct(亦即：u _duct)愈小，N _duct愈大，亦即：管道內風速u _duct愈小，各出風口速度愈容易均勻。

5.在管道高H _duct、寬W _duct以及單一管道流量Q _duct、管長L _duct固定下，若出風口面積A _j(=d _j×w _j)愈小、出風口數目N _j愈少，各出風口速度愈容易均勻。

使用[方法(B)]時，可以得到頗高的各出風口均勻度，且因為壓力分佈形式改變，所以u _jm,i 與Q _jm,i (亦即：平均速度)的均勻度可以兼顧。但常會得到過大的管道截面尺寸，製作與安裝有時不方便。而若經多次調整管道尺寸(W _duct、H _duct)、N _duct或出風口幾何(d _j、w _j、s _j)、N _s，結果仍然不盡理想[例如：(W _duct、H _duct)太大、(d _j、w _j、s _j)太小]，則採取較可接受的CFD設計，再於管道製作完成初步送風時，使用出風口風門或阻尼柵的機械控制方法以調整管道各出風口速度均勻度。

實務上，調整管道各出風口風門或阻尼柵的方法係自管道最下游(管末)的出風口開始調整，先將最下游出風口的風速調整至u _j，再往上游依序調整各出風口的風速至u _j，直至最上游的出風口；再回至最下游出風口，微調至u _j，繼續往上游依序調整各出風口的風速至u _j。如此輪迴調整數次，即可使各出風口風速接近均勻。

案例A：管道設計如圖29所列，其中之原始管道管內與出風口外速度場經CFD分析後，各出氣口出氣速度極不均勻。請以方法(B)管道截面積A _duct與出風口總截面積A _j,total比例法設計以增加各出氣口出氣速度均勻度。

而經設計之後，其調整過程統計表如圖30、圖31所示，其中， 圖30為各出風口最大風速u _jm,i 統計表，原始管道(#0)之管道截面積A _duct與出風口總截面積A _j,total比例過小(A _duct /A _j,total=0.3)出風口速度均勻度低。而在調整之後，隨著管道H _duct提高管道截面積A _duct與出風口總截面積A _j,total比例亦同時提高(A _duct /A _j,total)，出風口速度均勻度也提高。而圖31為各出風口流量Q _j,i 統計表，其在調整之後，可以得到頗高的各出風口均勻度，且因為壓力分佈形式改變，所以u _jm,i 與Q _jm,i (亦即：平均速度)的均勻度可以兼顧。

圖32為H _duct=2.0m調整設計之後的管道內部與出風口外部速度場，顯示各出風口風速均勻度高。圖33為H _duct=2.0m調整設計之後的管道內部靜壓分佈，顯示靜壓分層分布[從管道底層(出風口邊)往上層變化(出風口對向)]。而圖34為調整設計前、後之出風口總體不均勻度η _t改善百分比，顯示在調整設計之後之出風口總體均勻度大幅提升。

步驟D為廠房管道位置配置設計步驟，其設計流程圖如圖35所示。廠房管道位置設計目的在於：完成步驟A、B、C之後，已經獲得需求總風量Q _total、窗戶總面積A _win、單支管道風量Q _duct、管道數目N _duct、管道幾何尺寸(L _duct,W _duct,H _duct)、出風口長d _j、寬w _j、間距比s _j/d _j、出風口數量N _j、管道安裝最小高度h。步驟D必需調整管道安裝水平位置、高度與窗戶配置/高度。由於管道安裝水平位置、高度與窗戶配置/高度會影響廠房內的氣流流動型態，連帶影響溫度、濃度的分布。若未經適當設計，廠房內的速度、溫度、濃度分布可能極不均勻。此步驟以CFD計算並調整廠房內流場、溫度場、濃度場，使廠房內的風速、溫度、濃度達到要求的分布與數值。

廠房管道配置設計原則如下：

1.管道下緣加裝隔板，可使作業區的流場、溫度場、濃度場比未加隔板的 狀況改善許多。

2.將管道集中分布於廠房一側的配置方法會使廠房內產生大迴流泡，與管道平均分布於廠房或集中分布於中央區域作業相較，作業區氣流有較高的平均速度，但會有較高、較不均勻的汙染物濃度分布。

3.將管道平均分布於廠房或集中分布於中央區域會使廠房內產生許多小迴流泡，與集中分布於廠房一側相較，作業區氣流有稍低的平均速度，但會有較低、較均勻的汙染物平均濃度。

4.將管道平均分布於廠房的配置方法與將管道集中分布於廠房一側或中央區域的配置方法所得到的作業區平均溫度相似，但將管道平均分布於廠房與集中分布於中央區域的配置方法比集中分布於廠房一側的作業區溫度場稍微均勻。

5.比較作業區的流場、溫度場、濃度場分布與數值，管道分布方式的優劣次序是：

<1>集中分布於中央區域。

<2>平均分布於廠房。

<3>集中分布於廠房一側。

6.降低發熱源附近管道出風溫度可使工作區平均溫度降低，亦可降低發熱機台的溫度。

7.管道與窗戶的相對方位配置會影響流場、溫度場、濃度場的型態。「窗戶裝設牆面與管道軸向垂直」與「窗戶裝設牆面與管道軸向平行」的作業區平均速度、溫度、濃度均與整體參數設計的理論值相近；但是「窗戶裝設牆面與管道軸向垂直」的局部濃度場與溫度場分布比「窗戶裝設牆 面與管道軸向平行」好。

8.窗戶高度若從牆面下方調整至上方，則作業區的流場、溫度場、濃度場均會稍微劣化(差異不大)。

9.設計時，相鄰窗戶之間隙盡量小。

廠房管道位置配置設計例：一座製造塑膠袋的廠房，(長L×寬W×高H)=(15m,12m,15m)。有4部發熱機台(總發熱量q=5kW)，須保持低粉塵狀態以免沾黏在塑膠袋上。希望廠房內溫度與外氣溫度差△T<0.5℃，以維持產品的品質。

其中，以稀釋增壓法的[步驟A、B、C設計方法獲得：

步驟A：(Q _duct、A _win、V _win、△P _win)=(1536CMM、6m²、4.27m/s、5.31Pa)；窗戶12個，每個(寬0.625m×高0.8m)。

步驟B：風管數目N _duct=4、每支風管流量Q _duct=384CMM、風管安裝最小高度h=7m、出風口長d _j=0.3m、寬w _j=0.5m、間距比s _j/d _j=4.46、出風口數量N _j=9、出風口平均風速u _j=4.74m/s。

步驟C之方法A：管道截面積A _duct從上游至下游漸縮法設計，使各出風口最大速度不均勻3.4%；各出風口出風量不均勻11.8%。

追蹤氣體釋放方式：

1.追蹤氣體：如圖36所示，計算濃度場時，在作業區內(z

3m)，平均配置105個格點(x方向5排，y方向7排，z方向3排)，每個格點產生2.85mg/s的一氧化碳(CO)作為追蹤氣體，共m _p=300mg/s。

2.供應空氣：Q _total=1536CMM=25.6m³/s，

P=101325Pa，T=29℃，ρ=1.159kg/m³，

rH=55%

→m=Q _total×ρ=29.67kg/s，

3.預期平均質量濃度f _p估算：

依據[步驟A]廠房整體參數設計的公式

f _p=m _p /(m+m _p)

→f _CO=10.111ppm

請同時參閱圖1、圖2所示，此案例之窗戶在第一側牆12與第二側牆14之牆面上、無隔板，且改變管道水平位置安排，此案例之廠房1設計參數表如圖37、圖38所示，而管道17配置方式(a)、(b)、(c)、(d)則如圖39所示。基於上述實施例之結構，本創作以上述參數進行模擬測試，並以Computational Fluid Dynamics(CFD)的電腦程式分析計算結果，廠房作業區速度、溫度、濃度、壓力統計表如圖40所示。

請同時參閱圖41、圖42所示，其為具有隔板19之另一案例。其中，屋頂11下方具有複數個間隔並列之隔板19，隔板19與管道17位於同一高度之水平位置上，且隔板19為具有高隔熱係數之平板型天花板，藉以阻絕屋頂11所向下散發的幅射熱。其廠房設計參數表如圖43、圖44所示，而管道配置方式(a)、(b)、(c)、(d)與前案例相同。

經以CFD電腦程式分析計算結果，在側視立面y=3m之截面中，其速度向量與流線分佈圖係如圖45所示；溫度場分佈圖係如圖46所示；濃度場分佈圖係如圖47所示。在端視立面x=3m之截面中，其速度向量與流線分佈圖係如圖48所示；溫度場分佈圖係如圖49所示；濃度場分佈圖係如圖50所示。而在俯視水平面z=1.8m之截面中，其速度向量與流線分佈圖係 如圖51所示；溫度場分佈圖係如圖52所示；濃度場分佈圖係如圖53所示。經檢測結果，本案例之廠房作業區速度、溫度、濃度、壓力統計表如圖54所示。其中箭頭代表速度向量，沿著速度向量切線方向的黑色區線代表流線；彩色部分代表溫度的高低，屋頂指定一個溫度60℃，紅色為最高溫(屋頂內側溫度指定為60℃)，依次為棕、黃、淺綠、艷綠、淺藍至深藍(深藍色的溫度為大氣的溫度，指定為29℃)。另，如圖55~圖58所示，則是為無隔板19與具有隔板19之二個案例，在平均速度、溫度、濃度與壓力各方面，分別與原始廠房之比較圖，顯示無論是無隔板19或是具有隔板19，其在平均速度、溫度、濃度與壓力各方面皆優於原始廠房。

綜上所述，依上文所揭示之內容，本創作確可達到預期之目的，提供一種可以使廠房內達到正壓效果，讓廠房內的壓力比廠房外的大氣壓力高，而可有效阻擋粉塵飄入廠房，又可降低廠房內的溫度，甚至污染物濃度之廠房通風散熱方法，極具產業上利用之價值，爰依法提出發明專利申請。

1:廠房

11:屋頂

12:第一側牆

13:第三側牆

14:第二側牆

15:第四側牆

16:室內空間

17:管道

170:區段

171:出風口

18:窗戶

Claims (10)

1. 一種廠房通風散熱方法，該廠房包括一屋頂及設於該屋頂下方且依序連續設置之複數個側牆，該屋頂及該複數個側牆共同框圍一室內空間，該室內空間上方具有至少一管道以提供複數個下吹氣流，該至少一側牆上具有供排氣之至少一窗戶；該廠房通風散熱方法包括下列步驟：A.廠房整體參數設計步驟，其以理論估算並調整需求總風量Q_total、該至少一窗戶開口總面積A_win、該至少一窗戶出氣速度V_win、該室內空間之內外壓差△P_win；B.該至少一管道幾何設計步驟，其先以流體力學基本原理做初步設計，再以CFD電腦程式計算，設計該至少一管道幾何尺寸(長L_duct，寬W_duct，高H_duct)，以使複數個出風口最大風速或流量不均勻度達到滿意的低值；C.該廠房之該至少一管道位置配置設計步驟，其以CFD電腦程式估算並調整該廠房內流場、溫度場、濃度場，藉以調整該至少一管道安裝水平位置、高度與該至少一窗戶高度，以使該廠房內的風速、溫度、濃度達到要求的數值。
2. 如請求項1之廠房通風散熱方法，其在步驟A之後更包括一管道高度與出風口幾何設計步驟，其係以一資料庫(Data Bank)選擇並調整至少一管道之管道安裝最小高度h、出風口長d_j、寬w_j、間距比(出風口間距s_j/d_j)、出風口數量N_j、出風口平均風速u_j。
3. 如請求項1或2之廠房通風散熱方法，其中該複數個側牆包括依序連續設置之一第一側牆、一第三側牆、一第二側牆及一第四側牆，且該第一側牆平行該第二側牆。
4. 如請求項3之廠房通風散熱方法，其中該第一側牆及該第二側牆上分別具有該至少一窗戶，供分別向外排氣。
5. 如請求項4之廠房通風散熱方法，其中該至少一管道之一端連接該第一側牆，該至少一管道之另一端連接該第二側牆，供該至少一管道分別垂直該第一側牆及該第二側牆。
6. 如請求項1或2之廠房通風散熱方法，其更提供至少一隔板，該至少一隔板與該至少一管道位於同一高度之水平位置上。
7. 如請求項1之廠房通風散熱方法，其中該至少一隔板為具有高隔熱係數之平板，供阻絕該屋頂所向下散發的幅射熱。
8. 如請求項1之廠房通風散熱方法，其中該步驟A係從室外供應過濾空氣至該廠房內，供稀釋該廠房內的高溫與污染物濃度，並使該廠房內成為正壓狀態。
9. 如請求項1之廠房通風散熱方法，其中該任一管道具有一上游端及一下游端，該管道從該上游端至該下游端之間分成複數個漸縮之區段，該複數個區段上分別具有至少一出風口。
10. 如請求項1之廠房通風散熱方法，其中該步驟B之該任一管道之該複數個出風口之速度或流量，係經由調整該任一管道截面積A _duct與該出風口總截面積A _j,total之比例以取得。

Images