通風模式

不論何種通風方式，其通風量與對室內溫度、濕度及空氣品質的影響可藉 由通風模式來評估。而計算室內風場及其傳輸現象的通風模式可分為：區塊模 式和全域模式，以下分述之：

(1) 多 區 塊 模 式 (Multi-zone model) ： 將 室 內 空 間 依 照 其 隔 間 分 為 數 個 區 塊 (Zone)，將每一個區塊當成一個完全混合(Fully mixed)的控制容積。依據質 量不滅定律，區塊內某物質濃度的變化必定是因為該物質流入（或流出）區 塊或是因為該物質發生反應所造成的。因此計算在一段時間 t 之內，流入 和流出區塊的風量和物質總量便可得區塊內物質平均濃度和溫度的變化，譬 如 CONTAM、COMIS 模式(Feustel, 1999; Dascalaki et al., 1999; Ren and Stewart, 2003)。其優點為計算簡單，但缺點為無法得知各個區塊內的風場和 濃度、溫度的分佈。

多區塊模式常用孔口方程式(Orifice equation)來計算受風力驅動，通過建築 物開口的通風量Q：

d

Q C A 2ΔP

= ρ (1)

式中A 為開口的截面積，P 是室內外之壓力差，是空氣密度，C_d是流量係數 (Discharge coefficient)，流量係數範圍介於 0.60 ~ 0.65。此式是利用伯努利方程 式在無黏滯性和不可壓縮流的條件下所導出的公式。此式應用於通風量計算時 有幾個問題，室外壓力與風向、建築物外型、周遭建物有關，而室內壓力與室 內隔間有關，不易求得。

Chu et al. (2009)利用孔口方程式和連續方程式導出一個可以預測風力驅動 的貫流通風模式：

 

₂ TAIVENT (Taiwan Natural Ventilation Model)，模式結合了台灣中央氣象局 26 個 氣象觀測站 1961~2008 年的氣象資料（平均風速、盛行風向、氣溫、濕度）可 計算各種建築物座向、室內隔間、開口位置、大小及是否有裝紗窗或百葉窗的 風壓通風量和換氣率。通風模式所需之建築物表面風壓則利用內政部建築研究 所的風洞實驗室及多頻道壓力掃瞄計量測得之，再使用二維的立方弧線法(Cubic Spline)內插求得建築物表面任意一點的壓力。此外 TAIVENT 模式利用牛頓-拉 福森(Newton-Raphson)法求取各個房間的室內壓力及各開口的通風量，研究結果 顯示若建築物表面的風壓係數為已知，可以利用 TAIVENT 模式計算多區間 (Multi-zone)建築物的風壓通風量。台灣的建築師可利用 TAIVENT 模式找出最 能配合當地氣候條件的建築通風設計，充分地利用自然通風來維持舒適的室內 環境。

(2) 全域模式(Field model)：又稱為計算流體動力學模式(CFD model)，先將室內 空間格網化，依據連續方程式、那維爾–史托克方程式和擴散方程式，採用 數值方法計算各個格網點上的風速和濃度。其優點為可以計算出流場的細部 變化，但缺點為模式較為複雜，且計算量龐大(Chen, 2010)。

以下針對近年來關於建築物通風重要的研究文獻做一個回顧，其研究方法 可分為：(1)計算流體動力學；(2)風洞實驗；(3)實場監測三種方式(Chen, 2008)，

第二章 文獻回顧

茲分述如下：

(1)計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)：

近年來，紊流模式已成功地應用於建築通風問題。此種應用計算流體動力 學於風工程的方式又稱為計算風工程(Computational Wind Engineering)或數值風 洞(Numerical Wind Tunnel)。因為數值模擬所需經費較低，因此廣泛應用於各種 工程問題。然而，Tominaga et al. (2008) 建議建築物風場模擬必須遵守的基本要 求，這些要求包括計算網格、計算域、邊界條件、數值方法、收斂準則和 CFD 模型驗證。其中，基於風洞實驗的相關研究，其計算域的大小阻塞比應小於3%。

對於網格的設定，靠近建築物的網格應小於建築物高度的十分之一，才能準確 計算在建築物周遭的紊流流場。本研究亦利用Tominaga et al. (2008)的建議設定 相關數值模式參數，以數值方法求解流場控制方程式的數值解，配合上適當的 邊界和初始條件，且計算結果須與相同流況之實驗數據比對以驗證其正確性。

室內通風最常使用的數值模式為 k - 紊流模式，此模式乃 Launder &

Spalding (1974)首先提出，他們建議紊流流場中，紊流黏滯係數為紊流動能 k 及 動能消散率

^

的函數：

模式常數c = 0.09，c = 1.3，c1 = 1.44，c2 = 1.92，c = 1.0 皆是經由模式計算 結果與實驗數據比對而得。三維流場中此模式有 7 個控制方程式，利用數值方 法可求得7 個未知數(3 個流速 Ui，壓力P，紊流動能 k，動能消散率

^

，



T)。

k - 模式雖可用於計算非均質性(Inhomogeneous)紊流，但不適用於非等向 性(Non-isotropic)紊流。譬如十分靠近邊壁處，垂直於邊壁之紊流速度受到抑制 而變小，水平向的紊流速度則不受影響，屬於非等向性紊流。故在計算邊界層 流時，邊壁處需使用邊牆函數(Wall function)。k - 模式的缺點為：此模式假設 動能消散率與大尺度渦流有關，而與最小渦流無關，但這假設與紊流能量消散 的理論並不相符。此外，使用數值模式計算建築物周遭風場必須注意所使用的 紊流模式、計算格網(Computational grid)及模式參數，方能得到正確的計算結果 (Tominaga et al., 2008)。且建築物開口處往往有紗窗、百葉窗等，計算模式若不 能準確地模擬其阻滯氣流的效應，則計算結果將無法應用於實際的室內風場。

在文檔中 集合式住宅對建築物自然通風的影響 (頁 19-22)