侯文祥臺灣大學：生物環境系統工程學研究所李君霞Lee, Chun-HsiaChun-HsiaLee2007-11-272018-06-292007-11-272018-06-292005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/56119台灣地屬西太平洋亞熱帶季風氣候區，悶熱之天氣條件使生長在溫室內之生物，需大量依賴機械設備去調節溫度，所以設計符合安全性、經濟性及室內氣候環境控制之生物生產用構造物，可以提昇農民從事相關生物作物栽培品質。 本研究運用STAAD-III結構軟體，分析模擬雙層單斜式構造物之結構安全性，並在結構安全前提下，進行經濟性管徑勁度設計，以達到節省成本之效益。構築單棟溫室時，最經濟性結構之應力分擔為設計分配，外層骨架ψ3/4”內層骨架ψ1”，單位面積用鋼量15.94 kg/m2，單位面積成本743元/ m2，單位體積用鋼量5.14 kg/m3，單位體積成本240元/ m3為經濟性設計。 在熱收支模擬方面，以FLUENT計算流體力學模式軟體，探討雙層單斜式被覆溫室室內的熱流場及輻射熱量散佈狀態，模擬單斜式溫室型態，對熱量流失及維持室內常溫之探討。夏季雙層單斜式被覆溫室，當出風口關閉時，室內熱量由兩側開口直接流出，是最好之排熱方式，故夏季節能最佳化模組為外壁PE膜高100~150cm開口、內壁PE膜高100~150cm開口、出風口關閉之模組。當屋頂內外出風口全開，對於冬季溫室室內空氣品質較能有良好的空氣交換，室內維持良好空氣氣流，故冬季節能最佳化模組為外壁PE膜關閉、內壁PE膜高150~200cm開口、出風口全開啟之模組。Abstract Taiwan, geographically located at West Pacific subtropical monsoon-climate area is in hot weather condition and the bio-production in structure greenhouse needs tremendous mechanical equipments for adjusting their living temperature. Therefore, designing a productive building which in compliance with the criteria of security, economic, and indoor climate environmental control, may uplift farmer’s efficiency of conducting a relative creatures business. This research adopts〝STAAD-III〞structural analysis software to simulate double layers structure. In the premise of structural security, we implement the economic design to reach the cost orientation purpose. To constructing an single greenhouse, the most economic structure is the design of physical stress contribution : outer skeleton 3/4’’ , inner skeleton 1’’, the steel consuming quantity per unit measure is 5.14kg/m3, the unit volume cost is NT＄240/m2. In the aspect of heat flux,〝 Fluent〞computational fluid dynamics model software to probe into double-layers shed cover greenhouse inner heat circulation and heat radiation status. By using such method to imitate monocline greenhouse model , the exploration of heat loss rate and maintaining the in-house temperature. In summer, Double-layers shed cover greenhouse, when an air vent was shut, the hot air flows out through both side outlets is the best way to drain out hot air. Thus, the most energy-saving optimization module in the summer is using outer wall PE film 100-150cm high , inner wall 100-150cm high, and outlet-off module. In winter, when an air vent was fully opened ,it offers better in house air quality and ventilation. Thus, the best module of energy-saving optimization in the winter is utilizing outer-wall PE film off , inner-wall film 150-200cm high and Outlet-On.目 錄 中文摘要………………………………………………..……………I 英文摘要…………………………………………………..…………II 目錄………………………………………………………………..…III 表目錄………………………………………………………..………VI 圖目錄………………………………………………………..………VIII 第一章 緒論 1.1研究動機…………………………………………………………1 1.2研究目的…………………………………………………………2 1.3研究方法…………………………………………………………3 1.4研究流程架構……………………………………………………5 第二章 文獻回顧 2.1溫室結構經濟設計………………………………………………7 2.1.1單層溫室結構……………………………….……………7 2.1.1.1結構風力載重分析………………………...……….8 2.1.1.2結構撓度分析………………………………..……11 2.1.2雙層溫室結構……………………………………….……12 2.2溫室熱環境………………………………………………………13 2.2.1單層溫室熱環境…………………………………….……13 2.2.1.1太陽日射量分析…………………………………....14 2.2.2單層溫室熱模擬…………………………………….……17 2.2.3雙層溫室熱環境……………………………………….…19 2.2.3.1雙層構造物熱傳現象………………………………21 2.3電腦模擬熱收支………………………………………………...23 2.3.1單層溫室熱收支…………………………………………25 2.3.2連棟溫室熱收支…………………………………………26 第三章 軟體簡介及模組設定 3.1結構模組設定...…………………………………………………29 3.1.1理論與模式………………………………………….……29 3.1.2組織架構……………………………………………….…31 3.1.3模組設定……………………………………………….…33 3.2熱收支模組設定………………………………………………...35 3.2.1理論與模式…………………………………….………….35 3.2.2溫室熱收支分布理論………………………………..…….36 1.冬、夏季溫室之總熱傳量……………………………..………37 2.溫室總熱阻及總熱傳透率……………………………..………38 3.表面氣膜熱阻或表面熱對流傳遞率……………………………39 4.空氣層等效熱阻………………………………………………40 5.空氣層熱損耗………………………………………………...42 6.外殼熱輻射獲得量……………………………………………42 3.2.3分析流程……………………………………………….….44 1. 程式之組織架構……………………………………..….….44 2.軟體操作程序……………………………………...…….….45 3.2.4模組設定用參數………………………………………..…50 1.冬、夏季最大日射量參數值設定…………………………..…50 2.雙層單斜式被覆溫室模組內外壁開口位置及開口大小設定……54 3.被覆材料性質，比熱、密度、熱傳遞係數、輻射吸收率、材料厚度 等參數設定………………………………………………....56 4.冬、夏季初始溫度、風速參數值設定…………………….….57 第四章 模擬結果 4.1結構經濟性…………………………………………………..…61 4.2熱收支最佳化……………….……………………………….…66 4.2.1被覆膜熱傳分析………..…………………………….…67 4.2.2空氣層熱傳分析………………………………………...68 4.2.3構造物室內熱傳分析………………………………...…70 4.2.4溫室整體熱傳遞分析…………………………………...73 第五章 結論與建議 5.1結論…………………………………………………………..…79 5.2建議…………………………………………………………..…80 參考文獻 附錄一 外層骨架φ3/4” 內層骨架φ1” 結構模擬圖 表目錄 表2.1 風壓力、風速、風級換算表……………………...…..….9 表2.2 撓度限制…………………………………………….....….11 表2.3 構材之細長比……………………………………….....….12 表2.4 In0修正係數………………………..…………………...…16 表3.1 鍍鋅鋼管尺寸大小……………………………….……….30 表3.2 骨架管徑設計表…………………………………….…….34 表3.3 台灣緯度…………………………………………..………51 表3.4 節氣赤緯……………………………………………..……51 表3.5 冬季日射能量計算…………………………………..……51 表3.6 雙層單斜式被覆溫室之斜度設計與冬季日射能量關係52 表3.7 夏季日射能量計算…………………………………..……52 表3.8 雙層單斜式被覆溫室之斜度設計與夏季日射能量關係..53 表3.9 標準大氣基本性質…………………………………..……55 表3.10 PE膜及PVC板之輻射性質……………………….……56 表3.11 被覆材料之相關性質……………………………………56 表3.12 空氣層的熱傳導係數……………………………………58 表3.13 雙層單斜式被覆溫室熱收支夏季模組…………………59 表3.14 雙層單斜式被覆溫室熱收支冬季模組…………………60 表4.1 雙層單斜式被覆溫室斜度設計與風力係數關係………61 表4.2 平均分配應力分析表…………………………..…..……63 表4.2.1 設計分配應力分析表………………………..……….…64 表4.3 溫室結構經濟性比較表………………………..……..…65 表4.4 冬季雙層單斜式被覆溫室外殼熱輻射獲得量…………67 表4.5 雙層單斜式被覆溫室空氣層等效熱阻….………..……69 表4.6 雙層單斜式被覆溫室等效空氣層熱傳透率及總熱傳透率 ……………………………………………………...……69 表4.7 夏、冬季雙層單斜式被覆溫室總得熱量…………...…71 圖目錄 圖1.1 構造物結構經濟性研究流程………………………….…3 圖2.1 平均風速與地面高度關係圖………………………….…10 圖2.2 溫室承受風力載重之變位………………………..…...…10 圖2.3 單斜雙層被覆溫室風力係數………………………….…10 圖2.4 節氣影響太陽角度位置圖………………………..…...…17 圖2.5 日光溫室示意圖………………………..…………………18 圖2.6 太陽能溫室乾燥系統構造示意圖…………………..……19 圖2.7 雙層充氣PE塑膠布溫室……………………….…..……20 圖2.8 韓國1-2W型溫室示意圖………………………..………20 圖2.9 韓國1-2W型溫室示意圖………………………..………21 圖2.10 雙層外殼內置流動空氣層構造之熱傳示意圖………….22 圖2.11 溫室各測點y-z向斷面圖………………………..………25 圖2.12多跨度隧道式溫室外觀圖………………………..………26 圖2.13多跨度隧道式溫室模擬圖…………………………..……26 圖2.14 PIV和CFD氣流模式模擬圖………………………..…27 圖2.15 連棟式六跨度溫室PIV粒子模擬和CFD氣流模擬.…27 圖2.16 西班牙鍍鋅鋼管輕型溫室………………………..….…28 圖2.17 西班牙最大自然通風之風場分布……………………...28 圖3.1 鍍鋅鋼管斷面圖…………………………………...……30 圖3.2 結構設計流程圖………………………..…………….…31 圖3.3 STAAD-III執行程序………………………..……….…32 圖3.4 雙層被覆單斜式溫室外觀示意圖…………………..…33 圖3.5 應力分配示意圖………………………..………………34 圖3.6 有限體積法示意圖………………………..……………36 圖3.7 熱傳遞示意圖………………………..…………………36 圖3.8 境界層溫度及速度梯度關係………………………..…39 圖3.9 表面熱對流傳遞率示意圖………………………..……39 圖3.10 溫室熱收支模擬分析流程………………………..……44 圖3.11 熱收支軟體操作流程………………………..…………46 圖3.12 溫室設定模組精確度分析流程……………………..…49 圖3.13 被覆溫室出入風口示意圖……………………………..57 圖3.14 被覆溫室面積計算示意圖…………………………..…57 圖3.15 雙層單斜式被覆溫室熱收支模組示意圖……………..57 圖4.1 雙層單斜式被覆溫室風力係數示意圖………………..61 圖4.2 硬質PVC板雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖………68 圖4.3 硬質PVC板雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖…68 圖4.4 冬季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖……………..…70 圖4.5 夏季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖………………. 70 圖4.6 冬季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖………………..72 圖4.7 冬季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖………………. 72 圖4.8 冬季雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖………..…73 圖4.9 冬季雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖…………..74 圖4.10 夏季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖……………..…74 圖4.11 夏季雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖…………..75 圖4.12 夏季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖………………..75 圖4.13 夏季雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖…………..76 圖4.14 夏季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖………………..76 圖4.15 夏季雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖………..…77 圖4.16 夏季雙層單斜式被覆溫室溫度模擬圖……………..…77 圖4.17 夏季雙層單斜式被覆溫室氣流速度模擬圖…………..781890325 bytesapplication/pdfen-US雙層被覆溫室熱收支經濟性設計節能.Double-layers cover greenhouseHeat fluxEconomic designEnergy-saving.[SDGs]SDG13thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/56119/1/ntu-94-R92622042-1.pdf