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研究生: 蘇志勳
Su, Chih-Hsun
論文名稱: 一般居室空間改造為負壓隔離病房之換氣效能檢測與預測分析—以高雄SARS篩選觀察中心為例—
A Study on the Ventilation Performance of a General Single Room Reconfigured by the Push-Pull HVAC System— A Case Study of Kaohsiung Fever Screening & Evaluation Hospital —
指導教授: 江哲銘
Chiang, Che-Ming
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 建築學系碩士在職專班
Department of Architecture (on the job class)
論文出版年: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 62
中文關鍵詞: 數值模擬負壓隔離病房嚴重急性呼吸道症候群一般居室空間換氣效能
外文關鍵詞: negative-pressure room, numerical simulation, Air Chang Rate., a general single room, Severe acute respiratory syndrome (SARS)
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  • 在2003年造成全球恐慌的新病毒---嚴重急性呼吸道症候群(SARS), SARS疫情之所以會在如此短暫的時間迅速擴散,除了人員的移動所造成的傳播外,氣流的流動也可能有一定的影響力。基於以上「健康」議題,本研究針對負壓隔離病房之室內環境因子,包括通風路徑、污染物的移除等方面進行探討,並將如何的有效確保醫護人員之健康,提高負壓隔離病房通風換氣效率,作為本研究的主要課題。以改造之負壓隔離病房為實驗場所,透過儀器做一檢測,針對所得數據透過交叉分析比較,及數值模擬解析與可視化的煙流示蹤模擬系統,提出更新改善模式之機制,作為未來舊有空間改造為負壓隔離病房操作更新操作模式之參考。本研究之評估標準參考AIA(The American Institute of Architects)提出之負壓隔離房通風換氣建議值12ACH,負壓空間之排氣大於供氣,內外靜壓差≧8Pa(≒0.032in-WG),排氣量採用美國疾病管制局(CDC)建議應達供氣量之1.2倍。
    本研究主要可歸納以下結論:
    1. 改造後負壓隔離病房,經室內通風環境性能診斷的結果:溫度為24.7℃~26.2℃,符合IEI指標基準22~28℃;濕度為64.9% ~68.6%;風速方面,隔離病房內介於1.2 m/s~ 2.4 m/s,平均風速為1.7 m/s,門下入風處之風速則為2.94 m/s~4.50 m/s,平均為3.89 m/s;室內機械排風量平均為687.8 cfm,室內入風量平均為511.8 cfm。內外壓差部分,平均內外壓差為-0.157 mm-Hg(相當於-20.92 Pa、-2.13 mm-Ag)。室內抽風量與進風量之比值為1.34,超過美國疾病管制局建議值,換氣次數經換算後達24.96ACH,高於一般負壓隔離病房規定之12ACH,內外壓差高於一般隔離房8Pa標準。
    2. 根據CFD數值模擬流場與溫度場的分布狀況,模擬結果與實際狀況近似
     模擬之氣流分佈情況,可以發現入風口與出風口處的氣流明顯較強。
     從模擬結果,在頭部附近受到排風機牽引,能將排出之污染物流向出口處,印證機械排風機對於排氣有實質效果,但超過1公尺不明顯。
     從室內溫度分佈斷面圖顯示頭部上方溫度較高,因熱浮力影響,人體發熱有助於氣流上升排氣,室內溫度會因氣流流動方向而些微變化。
     由現況氣流模擬狀況發現室內有部分渦流情形,在床下增加擋板截斷此循環渦流,另利用數值解析方法(CFD)預測室內流場,藉以修正設計,使室內氣流場呈現逐漸上升之置換式流動方式,避免病人頭部區域的渦流現象。
    3. 本研究操作,所提出之一般居室空間改造為負壓隔離病房改造操作流程,可提供設計者預測室內流場以進行通風設計。負壓隔離病房理想之設計應確保病人呼出之污染物能迅速有效地排除,而不迴流至空間內其他區域。

    In 2003, a viral respiratory illness- Severe acute respiratory syndrome (SARS) caused the global scare. The illness of SARS was thought to be transmitted most readily and broadly by the primary spread of close person-to-person contact and the movement. In addition, it is a possible incidence of airflow or by other ways. On the base of occupant-health, the study was mainly focused on improving the ventilation performance of a reconfigured room. The issues included indoor environment factors such as the airflow path, pollutants elimination and so on etc. The experimental field was a general single room that adopted the measurement via smoke generation and numerical simulation by CFD techniques. Proposed a standard procedure by compared the measured and simulated results. Air Change Rate was 12ACH referred to the proposed criterion of AIA (The American Institute of Architects), the outlet air was greater than the inlet air in a negative-pressure room, the static pressure (sp) difference between indoor and outdoor≧8Pa (closed to 0.032in-WG), and outlet air was 1.2 multiple of the inlet air that was referred to the proposed benchmark of The Centers for Disease Control (CDC). Our major findings were as below:
    1. The Ventilation measurement of a Reconfigured General Single Room by the Push-Pull HVAC System: the indoor temperature was 24.7℃~26.2℃ was conformed to the benchmark, 22~28℃, of IEI; indoor relative humidity was 64.9% ~68.6%; indoor air velocity was 1.2 m/s~2.4 m/s, the average air velocity was 1.7 m/s, the inlet air wind-speed was 2.94 m/s~4.50 m/s at the lower part of the door, the average the inlet air wind-speed was 3.89 m/s; the average outlet air was 687.8 cfm by an air exhauster, the average the inlet air was 511.8 cfm. The average static pressure (sp) difference was -0.157 mm-Hg(closed to -20.92 Pa、-2.13 mm-Ag). The outlet air was 1.34 multiple of the inlet air that beyond the proposed benchmark of The Centers for Disease Control (CDC). Air Change Rate was 24.96ACH beyond the proposed criterion, 12ACH, of AIA, the static pressure (sp) difference between indoor and outdoor exceeded 8Pa.
    2. Simulated results of airflow and thermal comfort approximated to the truth. From the airflow simulated result, it was obviously strong in the path of the outlet air and the inlet air. Besides beyond the 1-meter scope of the head zone, pollutants could be eliminated efficiently by the exhauster. From the thermal comfort simulated result, it was a high temperature nearby the head zone. Indoor temperature showed slight variations for changing the path of the airflow. It also showed eddy current from simulated results of the indoor airflow. Using CFD techniques could predict the indoor airflow, revise the reconfigured design, and avoid eddy current surrounding the head zone.
    3. From the procedure, proposed a practical evaluation by the numerical simulation performed before the renovation on the ventilation performance of a general single room reconfigured by the push-pull HVAC system. A negative-pressure room should be assured of eliminated efficiently by the exhauster, and avoided to come back to the other zone.

    目錄 中英文摘要 i 誌謝 iii 表圖目錄 vii 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 相關文獻回顧 3 1-3 研究範圍 6 1-4 研究架構與流程 7 第二章 負壓隔離病房通風換氣設置標準 9 2-1 負壓隔離病房之通風需求及系統介紹 9 2-1-1 隔離病房之通風需求 9 2-1-2 隔離病房之通風系統介紹 9 2-1-3 傳染隔離病房防護措施 10 2-1-4 保護隔離病房防護措施 11 2-2 隔離病房室內通風換氣標準探討 12 第三章 負壓隔離病房單元空間性能診斷分析 15 3-1 負壓隔離病房設定 15 3-2 量測儀器系統 17 3-2-1 溫濕度量測系統 17 3-2-2 風速與通風量量測系統 17 3-2-3 室內外壓差量測系統 21 3-3 量測結果分析 22 3-3-1 實驗場所溫濕度量測結果分析 22 3-3-2 病床使用者呼吸之高度風速量測結果分析 24 3-3-3 實驗場所出入口門扇下方開口部風速量測結果分析 25 3-3-4 實驗場所出風口通風量量測結果分析 26 3-3-5 實驗場所入風口通風量量測結果分析 27 3-3-6 實驗場所內外壓差量測結果分析 28 3-4 小結 29 第四章 負壓隔離病房單元空間CFD數值模擬解析 31 4-1 計算流體力學運用在建築與室內流場之應用 31 4-2 CFD數值解析方法 33 4-3 負壓隔離病房單元空間之流場模擬 34 4-3-1 解析計算域之假設 34 4-3-2 CFD數值解析步驟說明 35 4-3-3 空間單元幾何與邊界條件設定 35 4-4 CFD數值解析結果 37 4-4-1 氣流場模擬結果分析 37 4-4-2 溫度場模擬結果分析 40 4-5 小結 41 第五章 負壓隔離病房單元空間性能評估與檢討 43 5-1 負壓效果檢討 43 5-2 CFD數值模擬結果交互評估探討 45 第六章 結論與建議 49 6-1 結論 49 6-2 後續研究與建議 50 附錄 53 參考文獻 61 著者簡歷 著作權聲明 表目錄 表1 肺結核隔離病房及治療室之通風等級 9 表2 各類醫療空間換氣標準 13 表3 實驗場所區域溫度統計表 22 表4 實驗場所區域風速統計表 24 表5 實驗場所出入口門扇下方開口部風速統計表 25 表6 實驗場所出風口通風量統計表 單位:cfm 26 表7 實驗場所入風口通風量統計表 單位:cfm 27 表8 實驗場所內外壓差量測統計表 28 表9 近代計算流體力學之發展 31 表10 CFD近代流體力學運用在建築與室內之發展 32 表11 電腦模擬流場之基本假設 34 表12 工作空間CFD數值解析步驟說明 35 表13 各物件設定值說明 36 表14 水平切面CFD數值模擬解析結果 37 表15 縱剖面CFD數值模擬解析結果 38 表16 橫剖面CFD數值模擬解析結果 39 表17 溫度模擬解析結果 40 表18 實驗場內入風與出風風量比較表 單位:cfm 43 表19 內外壓差平均值比較表 44 表20 實驗場所區域溫濕度統計比較表 44 表21 現況與修正方案模型設定 45 表22 修正方案氣流場模擬 46 表23 現況與修正方案不同斷面氣流場比較 47 表24 現況與修正方案縱斷面氣流場比較 48 圖目錄 圖1 風力與重力同時作用下之換氣量與風速的關係 1 圖2 研究範圍 6 圖3 研究架構與流程 7 圖4 傳染隔離病房負壓控制 10 圖5 保護隔離病房正壓控制 11 圖6 正負壓空間需求比較 12 圖7 高雄sars篩選觀察中心位置圖 15 圖8 高雄SARS篩選觀察中心1B區域平面設施配置圖說 15 圖9 隔離病房單元透視圖 16 圖10 病房室內空間裝修材料說明 16 圖11 隔離病房現況 16 圖12 隔離病房外部走廊現況 16 圖13 溫溼度檢測系統 17 圖14 溫溼度檢測點位置圖 17 圖15 風速檢測系統 18 圖16 病床使用者呼吸之高度風速檢測圖 18 圖17 病房門下方開口部風速檢測圖 18 圖18 病房門下方開口部風速檢測 19 圖19 通風量檢測系統圖 19 圖20 實驗場所出入口門扇下方開口部通風量檢測 20 圖21 實驗場所內部排風口通風量檢測圖 20 圖22 實驗場所內部排風口通風量檢測圖 20 圖23 壓差測定系統圖 21 圖24 實驗場所出入口門扇下方開口部內外壓差檢測圖 21 圖25 實驗場所區域溫度統計圖 23 圖26 實驗場所區域相對濕度統計圖 23 圖27 實驗場所區域風速統計圖 24 圖28 實驗場所出入口門扇下方開口部風速統計圖 25 圖29 實驗場所入風口與出風口通風量統計圖 28 圖30 實驗場所內外壓差統計圖 29 圖31 PHOENICS運算流程 33 圖32 CFD模型建構 35 圖33 CFD單元幾何設定 36 圖34 醫護人員活動範圍規劃 50 圖35 負壓病房理想室內流場(活塞流) 50 圖36 負壓隔離病房之改造操作流程 51 圖37 活動式遮罩改善方案 52 圖38 加大入風範圍改善方案 52

    一、中文文獻
    1. 江哲銘等,辦公建築室內空氣品質(CO2、CO、PM10)之研究,內政部建築研究所籌備處,1993。
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    3. 周伯丞,建築軀殼開口部自然通風效果之研究,成大博論,2000。
    4. 林振華,呼吸道傳染隔離病房通風換氣需求與系統結能之探討,北科大碩論,2002。
    5. 醫院空調規範與隔離病房空調系統設計,工研院能資所,2001。
    6. 陳若華,「建築群配置方式與自然通風效應之研究」,內政部建築研究所, 1999。
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    8. 廖崇文,「不同空調通風路徑對室內空氣與溫熱環境影響之研究」,樹德碩論,2003。
    9. 吳讓治、賴榮平、莊嘉文,建築設備概論,詹氏書局,1998。
    10. 林憲德等,建築節約能源基本教材,內政部建築研究所專題研究計劃,1996。
    11. 江哲銘,室內環境保健控制綜合指標研究,內政部建築研究所八十八年度建築研究計劃聯合研討會,1999。
    12. 陳念祖,高架地板置換式自然通風對室內通風效率之影響,成大碩論,2001。
    13. 江哲銘,建築技術規則有關通風條文增修訂之研究,內政部建築研究所,1997。
    14. 陳海曙,室內空氣品質不佳之案例研究,中華民國建築學會第三屆建築學術研究發表會論文集,1990。
    15. 涂玉峰,室內空氣環境綜合評估指標之探討-以台灣南部工業區辦公大樓為例,1999。
    16. 徐偉森,「住宅臥室自然通風效果之研究-濃度衰減法實驗與數值模擬之解析」,成大碩論.1997。
    17. 陳鵬宇,「住宅單元空間自然通風效果之研究-以集合住宅臥室空間為例」,成大碩論,1996。
    18. 蘇慧貞、江哲銘、李俊璋等,室內空氣品質標準於不同建築物之試行評估及管制策略研定,行政院環保署,2000。
    19. 內政部營建署委託研究,換氣與空氣調節設備技術規範,中華民國建築學會,1986。
    20. 吳照順,單一空間內空氣品質與熱舒適度之研究,中原機械所碩論1996。
    二、英文文獻
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    24. Turner, Fred, Achieving IAQ and Efficiency, ASHRAE Journal, Vol. 40, No. 12, pp. 8-16, 1998.
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    31. Ryouichi Kuwahara,etc,「An Experimental and Numerical Study of the Relationship Between Ventilation Efficiency and Air Supply/Exhaust System of an Atrium Space」,roomvent’2000,2000.
    32. T. Karimipanah,etc,「A Comparative Study of Different Air Distribution Systems in a Classroom」,roomvent’2000,2000.
    三、日文文獻
    33. リチャ-トA.ワツテソ﹑ビ-タ-A.ツェフ,室內空氣污染解析・予測・對策と人体影響デ-タ,井上書院,p.102-p.103,1990.4。

    下載圖示 校內:2007-02-03公開
    校外:2009-02-03公開
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