HLK-Simulation mit CFD. Tutorial mit Sc-Stream.

In diesem Beitrag zeigen wir ein Beispiel für die Simulation eines HLK-Systems mit Computational Fluid Dynamics (CFD). In dem Beispiel analysieren wir ein Gehäuse mit einigen internen Elementen, wie auf dem Bild zu sehen ist. Wir vergleichen ein Heizlüftersystem mit einem Fußbodenheizungssystem. Wir werden die Hauptaspekte aufzeigen, die aus unserer Erfahrung mit HLK-Simulationen zu berücksichtigen sind.

Diesem Beitrag wird eine ausführlichere Anleitung in unserem Download-Bereich folgen, in der Sie die einzelnen Schritte in der Cradle ScStream-Software nachvollziehen können.

Vorbereitung des CFD-Modells

Nach dem Importieren der Geometrie ist der nächste Schritt die Zuweisung der Materialien zu den Gehäusen und Objekten. Bei Solids genügt es, das Material aus der Cradle-Bibliothek zuzuweisen, da dort bereits alle thermischen Eigenschaften beschrieben sind. Bei plattenförmigen Elementen muss für thermische Zwecke eine Dicke zugewiesen werden. Mit dieser Option bleibt die Genauigkeit der thermischen Studie erhalten, während die Anzahl der Elemente reduziert und die Berechnungsgeschwindigkeit verbessert wird.

Um die Konvektion mit der Umgebung zu berücksichtigen, wurde das Gebiet über die Wände hinaus erweitert. Für die seitlichen und oberen Ränder wird der Lufteintritt auf 10oC festgelegt. Für den Boden gilt eine konstante Temperatur, die von der der Außenluft abweichen kann.

Für die Vernetzung bei dieser Art von Simulationen ist es zweckmäßig, einen inneren Bereich innerhalb des Schiffes zu definieren, in dem wir eine feine Elementgröße verwenden, und einen äußeren Bereich mit einem gröberen Netz, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Insgesamt werden für dieses Beispiel etwa 500.000 Elemente verwendet.

CFD-Netzblöcke zur Erfassung der gewünschten Effekte in der Simulation

Definition von HLK-Systemen

Bei der Fußbodenheizung kann man, ausgehend vom Flächenelement, die Leistung in W/m2 oder eine feste Temperatur einstellen, die dem Betrieb des Systems entspricht. Je nach den verfügbaren Angaben des Herstellers kann das eine oder das andere gewählt werden.

Bei Heizlüftern werden die Geometrien definiert und die Lufteintritts- und Luftansaugflächen zugewiesen. In diesem Fall haben wir die Zuluft waagerecht platziert, aber sie könnte problemlos geändert werden, um ihr einen Winkel zu geben, ohne die Geometrie zu ändern. Dieses System ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Modell des Heizlüftersystems für Simulationszwecke

CFD-Simulation und Ergebnisse

Der beste Indikator dafür, dass bei diesen Simulationen ein stabiler Zustand erreicht wurde, ist die durchschnittliche Temperatur im Inneren des Schiffes. Diese muss zusammen mit anderen numerischen Indikatoren analysiert werden, um eine Simulation als gültig anzuerkennen.

Nach Abschluss der Simulation können Ergebniskarten für eine große Anzahl von Variablen in Bezug auf die Energieeffizienz der Systeme und den thermischen Komfort, den die Alternativen bieten, erstellt werden. Als Beispiel zeigen wir die Betriebstemperatur und die vorhergesagte mittlere Stimmzahl in zwei repräsentativen Ebenen.

Links sehen wir die Ergebnisse des Heizlüftersystems und rechts die Ergebnisse der Fußbodenheizung, zunächst für die Temperatur.

Und dann für den vorhergesagten Mittelwert der Stimmabgabe (PMV):

Aus der HLK-Simulation kann geschlossen werden, dass das Fußbodenheizungssystem eine bessere Alternative für den thermischen Komfort darstellt, wenn man die Leistungen für jeden Vorschlag berücksichtigt.

In späteren Phasen einer Klimatisierungsstudie sollten die Ursachen für diesen Unterschied analysiert und Änderungen an den dimensionierten Geräten vorgeschlagen werden. Am Ende der Optimierungsphasen sollten auch die wirtschaftlichen und effizienzbezogenen Aspekte der Alternativen bewertet werden, und die gewonnenen Informationen werden eine bessere Entscheidung darüber ermöglichen, welches System am besten geeignet ist.

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