TWI814319B - 出風管道及其出風均勻度調整方法 - Google Patents
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Abstract
一種出風管道，係供安裝於一廠房內，出風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，以提供複數個下吹氣流。而出風管道之出風均勻度調整方法主要包括：至少一出風管道高度與出風口幾何設計步驟、至少一出風管道幾何設計步驟，以及廠房之至少一出風管道位置配置設計步驟，藉以降低廠房內的溫度與污染物的濃度。
Description
本創作係有關一種出風管道及其出風均勻度調整方法，尤指一種可有效降低廠房內的溫度與污染物濃度者。
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，仍無法有效降低廠房內溫度、污染物濃度之問題，而能提供一種出風管道及其出風均勻度調整方法，藉以降低廠房內的溫度與污染物濃度。
為達上述之目的，本創作之出風管道係供安裝於一廠房內，出風管道具有一上游端及一下游端，出風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，供分別輸出下吹氣流。
本創作之出風管道之出風均勻度調整方法，其中之出風管道
係供安裝於一廠房內，廠房包括一屋頂及設於屋頂下方且依序連續設置之複數個側牆，屋頂及複數個側牆共同框圍一室內空間，室內空間上方具有至少一出風管道以提供複數個下吹氣流，至少一側牆上具有供排氣之至少一窗戶。而出風管道之出風均勻度調整方法係包括下列步驟：A.至少一出風管道高度與出風口幾何設計步驟，其以一資料庫(Data Bank)選擇並調整至少一出風管道之管道安裝最小高度h、出風口長dj、寬wj、間距比sj/dj、出風口數量Nj、出風口平均風速uj；B.至少一出風管道幾何設計步驟，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，設計至少一出風管道幾何尺寸(長Lduct，寬Wduct，高Hduct)，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；以及C.廠房之至少一出風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，藉以調整至少一出風管道安裝水平位置、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，複數個側牆包括依序連續設置之第一側牆、第三側牆、第二側牆及第四側牆，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，至少一出風管道之一端連接第一側牆，至少一出風管道之另一端連接第二側牆，供至少一出風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。
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。
10:出風管道
101:上游端
102:下游端
103:區段
104:出風口
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:窗戶
18:隔板
〔圖1〕係為本創作出風管道之較佳實施例安裝於廠房內之立體外觀示意圖。
〔圖2〕係為圖1之側視圖。
〔圖3〕係為本創作之廠房整體參數設計流程圖。
〔圖4〕係為本創作步驟A之廠房出風管道高度與出風口幾何與配置設計參數示意圖。
〔圖5〕~〔圖7〕係為本創作步驟A之廠房出風管道高度與出風口幾何設計流程圖。
〔圖8〕係為本創作步驟A之50%不均勻度界定圖。
〔圖9〕、〔圖10〕係為本創作步驟A之部分資料庫。
〔圖11〕係為本創作步驟B之具有噴流方向控制的吹氣管道示意圖。
〔圖12〕係為本創作步驟B之方法(A)之出風管道設計流程圖。
〔圖13〕係為本創作步驟B之將出風管道從上游至下游分成數段之側面示意圖。
〔圖14〕係為本創作步驟B之一出風管道原始設計圖。
〔圖15〕係為本創作步驟B在調整後之出風管道內部與出風口外部速度場
圖。
〔圖16〕係為本創作步驟B在調整後之出風管道內部靜壓分佈圖。
〔圖17〕係為本創作步驟B在調整前後之各出風口最大風速u jm,i 統計表。
〔圖18〕係為本創作步驟B在調整前後之各出風口流量Q j,i 統計表。
〔圖19〕係為本創作步驟B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20〕係為本創作步驟B在調整前後之出風管道各段截面積A duct,i 統計表。
〔圖21〕係為本創作步驟B在調整前之原始出風管道設計參數表。
〔圖22〕係為本創作步驟B在調整後之出風管道設計參數表。
〔圖23〕係為本創作步驟B在調整前後之出風口調整器之設計參數表。
〔圖24〕係為本創作步驟C之設計流程圖。
〔圖25〕係為本創作步驟C之追蹤氣體分佈圖。
〔圖26〕、〔圖27〕係為本創作步驟C之案例之廠房設計參數表。
〔圖28〕係為本創作步驟C之四種不同出風管道配置方式圖。
〔圖29〕係為本創作步驟C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30〕係為本創作具有隔板之另一案例之廠房外觀示意圖。
〔圖31〕係為圖30之側視圖。
〔圖32〕、〔圖33〕係為本創作步驟C之另一案例之廠房設計參數表。
〔圖34〕係為本創作步驟C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35〕係為本創作步驟C之另一案例在側視立面y=3m之截面中之溫度場分佈圖。
〔圖36〕係為本創作步驟C之另一案例在側視立面y=3m之截面中之濃度場分佈圖。
〔圖37〕係為本創作步驟C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38〕係為本創作步驟C之另一案例在端視立面y=3m之截面中之溫度場分佈圖。
〔圖39〕係為本創作步驟C之另一案例在端視立面y=3m之截面中之濃度場分佈圖。
〔圖40〕係為本創作步驟C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41〕係為本創作步驟C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42〕係為本創作步驟C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43〕係為本創作步驟C之另一案例之廠房作業區速度、溫度、濃度、壓力統計表。
〔圖44〕係為本創作步驟C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45〕係為本創作步驟C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46〕係為本創作步驟C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47〕係為本創作步驟C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，本創作之出風管道10係供安裝於一廠房1內，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上方具有至少一個出風管道10。在本實施中，四個出風管道10間隔並列，並與第三側牆13、第四側牆15相互平行。任一出風管道10依據空氣之流向而具有一上游端101及一下游端102，任一出風管道10從上游端101至下游端102之間分成複數個漸縮之區段103，各出風管道10之各區段103的下半部分別具有間隔排列之至少一個出風口104，供分別輸出下吹氣流；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17，供分別向外排氣。
本創作出風管道之出風均勻度調整方法包括下列步驟：
A.至少一出風管道10高度與出風口104幾何設計步驟，其以資料庫(Data Bank)選擇並調整至少一出風管道10之管道安裝最小高度h、出風口104長dj、寬wj、間距比sj/dj、出風口104數量Nj、出風口104平均風速uj。
B.至少一出風管道10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，設計出風管道
10幾何尺寸(長Lduct，寬Wduct，高Hduct)，以使各出風口104最大風速或流量不均勻度達到滿意的低值。
C.廠房1之至少一出風管道10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，藉以調整出風管道10安裝水平位置、高度與窗戶17高度，以使廠房1內的風速、溫度、濃度達到要求的數值。
在步驟A之前，本實施更提供了廠房整體參數設計步驟，其是以熱力學原理，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。
步驟A、B、C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A為至少一出風管道高度與出風口幾何設計步驟，其至少一管道高度與出風口幾何設計目的在於：
1.氣流從出風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.至少一出風管道的[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*)。至少一出風管道裝設的高度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A]獲得出風管道數量N duct、出風管道安裝最小高度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B]設計出風管道幾何尺寸(L duct,W duct,H duct)，以使出風口風速均勻度符合需求。如圖4所示，其為廠房至少一出風管道高度與出風口幾何與配置設計參數示意圖。
圖5~圖7為廠房出風管道高度與出風口幾何設計流程圖。
圖8為50%不均勻度界定圖。
圖9、圖10為部分資料庫(Data Bank)。
廠房之至少一出風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A]設計方法，設計：出風管道安裝最小高度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，選取一個合適的出風管道數量N duct，計算單支出風管道流量Q duct=Q total/N duct：由[步驟A]得到Q total=1536CMM，假設「出風管道數目」N duct=4，得到
Q duct=1536/4=384CMM。
2.選定人頭的高度h p=1.8m：
選擇預定架設的出風管道最小高度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u’
=0.31為可接受。
6.計算s j：
s j=(s j/d j)×d j=5×0.3=1.5m。
7.計算出風管道出風口數目N j：
出風管道長度L duct=15m(與廠房長度相同)，設定靠近出風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u’
=0.25→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
/u j=0.4。
10.設定在人頭處欲獲得之
，計算w j=Q duct/[
/(
/u j)×d j×N j]：
設定人頭處欲獲得之氣流平均速度
=1.0m/s，計算
w j=Q duct/[
/(
/u j)×d j×N j]=384/60/(1.8/0.4×0.3×9)=0.53m，取w j=0.5m→可接受。
重新計算
=[Q duct/(w j×d j×N j)]×(
/u j)=[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.使用獲得的出風管道安裝最小高度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B]設計出風管道幾何尺寸。
步驟B為出風管道幾何設計步驟，其出風管道幾何設計目的在於：將空氣送入出風管道，再從沿著出風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)，若出風管道流量、出風管道尺寸、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，因為出風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」。
出風管道出風口速度方向調整方法：如圖11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。出風管道出風口速度或流量均勻度調整方法為出風管道截面積A duct從上游至下游漸縮法。其方法係使出風管道截面積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。
如圖12所示，其為出風管道截面積A duct從上游至下游漸縮法之出風管道設計流程圖。如圖13所示，在初始設計時，係將出風管道10從上游端101至下游端102分成數個區段103，假設各出風口104速度均為u j=Q duct/A j,total，且出風管道10各區段103速度皆為出風管道入口速度u duct，再依質量守恆定律，決定各區段103的初始截面積A duct,i 。
假設氣流為理想流體，在出風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)，若出風管道各段速度皆為u duct，則動壓P v在出風管道各段相等，所以靜壓P s在管內各段也會相等(亦即：出風管道各段全壓相等)；再考慮一次柏努利定律於出風口：當管內各段靜壓或出風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，令出風管道各段速度皆為u duct且各出風口速度均為u j=Q duct/A j,total，由此可以決定出風管道各段的初始截面積。
一段同一截面積的出風管道安排一個出風口是較適當的。若出風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出風管道；但如此安排時，在同一段同一截面積的出風管道數個出風口中，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，流經出風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出風管道截面積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，在出風管道上、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 )，即可提高整條出風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出風管道，則同一段同一截面積的出風管道數個出風口中，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出風管道改
為往下游逐漸縮小。另，使用某一個Q duct值，依設計完成出風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。出風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出風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出風管道(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(%)：出風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，出風管道各段截面積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：一出風管道原始設計如圖14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，出風管道內部與出風口外部速度場如圖15所示，各出風口速度分佈較均勻；出風管道內部靜壓分佈如圖16所示，出風口上方區域靜壓較均勻。
3.圖17、圖18為調整過程統計表，其中，圖17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出風管道尺寸(上游出風管道減小尺寸、中下游出風管道增加尺寸)，即可以有效修正初始設計的瑕疵，其比較η t,u0=40.0%。
4.圖18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，進行調整各截出風管道截面積的設計程序，其比較η t,Q0=61.4%。
5.圖19為出風口最大風速總體不均勻度η t改善百分比。
6.圖20為出風管道各段截面積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21~圖23為出風管道設計參數整理表。其中，圖21為原始出風管道設計參數，圖22為調整後之出風管道設計參數，而圖23為出風口調整器之設計參數。
步驟C為廠房出風管道位置配置設計步驟，其設計流程圖如圖24所示。廠房出風管道位置設計目的在於：完成B、C各步驟之後，已經獲得需求總風量Q total、窗戶開口總面積A win、單支出風管道風量Q duct、出風管道數目N duct、出風管道幾何尺寸(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、出風管道安裝最小高度h。步驟C必需調整出風管道安裝水平位置、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。
廠房出風管道配置設計原則如下：
1.將出風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，與出風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。
2.將出風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。
3.將出風管道平均分布於廠房的配置方法與將出風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，但將出風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。
4.比較作業區的流場、溫度場、濃度場分布與數值，出風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。
5.降低發熱源附近出風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。
6.出風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。「窗戶裝設牆面與出風管道軸向垂直」與「窗戶裝設牆面與出風管道軸向平行」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「窗戶裝設牆面與出風管道軸向垂直」的局部濃度場與溫度場分布比「窗戶裝設牆面與出風管道軸向平行」好。
7.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)。
廠房出風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，(Q duct、A win、V win、△P win)=(1536CMM、6m2、4.27m/s、5.31Pa)；窗戶12個，每個窗戶(寬0.625m×高0.8m)。
以稀釋增壓法的步驟A、B設計方法獲得：
步驟A：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B：出風管道截面積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25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，且改變出風管道水平位置安排，此案例之廠房1設計參數表如圖26、圖27所示，而出風管道10配置方式(a)、(b)、(c)、(d)則如圖28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29所示。
請同時參閱圖30、圖31所示，其為具有隔板18之另一案例。
其中，屋頂11下方具有複數個間隔並列之隔板18，隔板18與出風管道10位於同一高度之水平位置上，且隔板18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32、圖33所示，而出風管道配置方式(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34所示；溫度場分佈圖係如圖35所示；濃度場分佈圖係如圖36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37所示；溫度場分佈圖係如圖38所示；濃度場分佈圖係如圖39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40所示；溫度場分佈圖係如圖41所示；濃度場分佈圖係如圖42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43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44~圖47所示，則是為無隔板18與具有隔板18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18或是具有隔板18，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。
10:出風管道
101:上游端
102:下游端
103:區段
104:出風口
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:窗戶
Claims (6)
- 一種出風管道之出風均勻度調整方法，該出風管道係供安裝於一廠房內，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該至少一出風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，該出風管道具有一上游端及一下游端，該出風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，供分別輸出下吹氣流；該出風管道之出風均勻度調整方法包括下列步驟：A.至少一出風管道高度與出風口幾何設計步驟，其係以一資料庫(Data Bank)選擇並調整該至少一出風管道之管道安裝最小高度h、出風口長dj、寬wj、出風口間距比sj/dj、出風口數量Nj、出風口平均風速uj，其中sj係為出風口間距；B.該至少一出風管道幾何設計步驟，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，設計該至少一出風管道幾何尺寸(長Lduct，寬Wduct，高Hduct)，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；以及C.該廠房之該至少一出風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，藉以調整該至少一出風管道安裝水平位置、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。
- 如請求項1之出風管道之出風均勻度調整方法，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。
- 如請求項2之出風管道之出風均勻度調整方法，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。
- 如請求項3之出風管道之出風均勻度調整方法，其中該至少一出風管道之一端連接該第一側牆，該至少一出風管道之另一端連接該第二側牆，供該至少一出風管道分別垂直該第一側牆及該第二側牆。
- 如請求項1之出風管道之出風均勻度調整方法，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。
- 如請求項5之出風管道之出風均勻度調整方法，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。
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