Projekt: CFD-Simulation eines HVAC-Systems

Einführung: HVAC-Analyse

Dieses von ICEMM durchgeführte Projekt zielt darauf ab, eine vergleichende Analyse von fünf verschiedenen HLK-Systemen für ein großes Industriegebäude durchzuführen. Zu diesem Zweck wird die CFD-Simulation eingesetzt. In dem Gebäude gibt es thermische Anforderungen sowohl für den menschlichen Komfort als auch für die im Inneren durchgeführten Prozesse, die einige Materialien erfordern, deren Temperatur über einem Mindestwert gehalten werden muss. Aus Gründen der Vertraulichkeit handelt es sich bei den bereitgestellten Ergebniskarten lediglich um Beispiele ohne quantitative Daten oder Bezug zu den untersuchten realen Fällen.

Die HLK-Simulationen werden durch die Modellierung der Wände mit den für das Gebäude entworfenen Verkleidungen durchgeführt. Ebenso werden die Luftinfiltrationen im Modell angepasst, um diese zusätzliche thermische Belastung zu berücksichtigen, die im realen Gebäude auftreten wird. Diese Bedingungen werden in allen thermischen Analysen gleich sein, um einen echten Vergleich zwischen den Systemen zu ermöglichen. Die Alternativen, die in den HLK-Simulationen verglichen werden, sind:

  • Aerotherm-System
  • Düsensystem
  • Unterflur-Strahlungssystem
  • Deckenstrahlungssystem
  • Strahlungswand-System

Diese Studie wurde mit der Software ScStream von MSC Cradle durchgeführt.

Vordimensionierung und Erstellung des CFD-Modells

In der ersten Phase wird eine analytische Berechnung auf der Grundlage des Wärmelastenheftes durchgeführt. Auf diese Weise wird den HLK-Anlagen eine Anfangsgröße zugewiesen. Diese Vorauslegung basiert auf den Anforderungen und Einschränkungen des Kunden und auf den Daten der Anlagen spezialisierter Anbieter.

Daraus ergibt sich eine Schätzung der Anzahl der Heizlüfter und Düsen, die in jedem Vorschlag zu installieren sind, und der Leistung, die die Strahlungselemente erbringen müssen, um die Zieltemperatur zu erreichen.

In parallel to the pre-dimensioning, a CAD model is created containing the main geometry of the building, considering the external and internal elements that are of interest. A study of the infiltrations predicted by the CFD model is also carried out so that their effect on the model is adjusted to reality.

Ausgehend von diesem Basismodell werden die fünf Modelle für jedes zu simulierende HLK-System erstellt. Die folgenden Bilder zeigen die Geometrie des Gebäudes und eine Innenansicht mit dem vorläufig modellierten Düsensystem.

Grundlegende Geometrie des mit der HLK-Simulation analysierten Gebäudes

CFD-Simulation von HVAC-Systemen

Die erste Stufe der Simulation basiert auf der Vorplanung. Die fünf vorgeschlagenen HLK-Systeme werden berechnet. Diese Art der Analyse ermöglicht es uns, Karten der Betriebstemperatur, der Luftgeschwindigkeit, der Oberflächentemperatur und der PMV (Predicted Mean Vote) zu erhalten, neben vielen anderen Ergebnissen.

Die CFD-Simulationen berücksichtigen die Auswirkungen der Wärmeübertragung durch Konvektion, Konduktion (z. B. Wärmeverluste an den Boden) und Strahlung, die bei einigen der vorgeschlagenen Systeme besonders relevant sind. Sie lösen auch die Strömungsgeschwindigkeitsfelder auf, so dass der thermische Komfort unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Luftströmungen umfassend bewertet werden kann.

Um thermische Effekte korrekt zu simulieren, müssen die Vernetzung und die physikalischen Modelle für das zu betrachtende Problem geeignet sein. In dieser Studie werden Netze mit 15 bis 25 Millionen Elementen (Zellen) verwendet, um die interessierenden Phänomene gut zu erfassen.

In dieser ersten Phase wird festgestellt, dass einige der vorgeschlagenen Systeme bei weitem keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern. Dies bedeutet, dass in der nachfolgenden Optimierungsphase nur die Systeme verglichen werden, die günstige Ergebnisse geliefert haben. Die folgende Abbildung zeigt die Ergebnisse der Betriebstemperatur in einem vertikalen Schnitt eines der untersuchten Systeme.

Temperaturkarte des Gebäudes als Ergebnis der CFD-Simulation des HVAC-Systems.

In der nächsten Abbildung sehen Sie die PMV-Karte, die mit den Wärmedämmwerten der Kleidung und der erwarteten körperlichen Aktivität der Arbeiter im Gebäude berechnet wurde. Dies ist in einem horizontalen Schnitt in der üblichen Arbeitshöhe dargestellt.

PMV-Karte im Gebäude als Ergebnis der CFD-Simulation der Klimatisierung.

Optimierung der Vorschläge

In den ersten Analysen wird festgestellt, dass Konvektionssysteme ein Effizienzproblem haben können, das durch die Luftschichtung in der Umhüllung verursacht wird, ein häufiges Phänomen in Hochhäusern. Dies bedeutet, dass sich heiße Luft im oberen Teil des Gebäudes ansammelt und den Aufenthaltsbereich mit einer niedrigeren Temperatur als erwartet verlässt.

Um diese Situation zu vermeiden, wird die Hinzufügung von Destratifier-Ventilatoren im aerothermen System und eine Erhöhung der Austrittsgeschwindigkeit bei Düsen in Betracht gezogen. Einige Beispiele für Destratifizierer sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

CFD-simulierte Destratifikationsventilatoren im Gebäude

Die HLK-Simulationsergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Destratifikationsventilatoren nur dann einen signifikanten Einfluss auf die Temperatur hat, wenn der Antrieb mit hoher Drehzahl erfolgt. Dadurch entstehen jedoch Zonen mit hohen Geschwindigkeiten, die den thermischen Komfort beeinträchtigen. Diese Effekte werden durch einige Korridore, die durch die festen Elemente des Gebäudes entstehen, noch verstärkt, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist.

Karte der Geschwindigkeiten am Gebäude, wenn die Entstauber mit maximaler Geschwindigkeit eingesetzt werden

Für Strahlungssysteme wurde beschlossen, andere äußere Bedingungen zu untersuchen, indem ein weniger ungünstiger Fall von Temperatur außerhalb des Gebäudes simuliert wird. Auf diese Weise kann das Verhalten des Systems mit zusätzlichen Informationen besser beurteilt werden.

Die optimierte Lösung, für die man sich schließlich entschied, zeigt sehr zufriedenstellende Ergebnisse in Bezug auf Effektivität und Effizienz. In den folgenden Bildern sehen Sie die mit diesem System erstellten operativen Temperaturkarten in einem vertikalen Schnitt und PMV in einer Draufsicht.

Temperaturkarte des Gebäudes als Ergebnis der optimierten HLK-Simulation der Klimaanlage.
PMV-Karte in der Halle als Ergebnis der optimierten HLK-Simulation der Anlage.

Detaillierte Studie mit Modell der menschlichen Thermoregulation

In der letzten Phase der HVAC-Studie wird eine Reihe von Simulationen durchgeführt, die auch ein menschliches Thermoregulationsmodell beinhalten. Diese werden auf der Grundlage der Alternativen ausgewählt, die sich im Hinblick auf den thermischen Komfort und die Energieeffizienz als am vorteilhaftesten erwiesen haben.

Das verwendete Modell mit der Bezeichnung JOS2 simuliert das thermische Verhalten des menschlichen Körpers und seine Interaktion mit der Umgebung. Es berücksichtigt Faktoren wie Kleidung, Alter und Grad der körperlichen Aktivität. Dadurch ist es möglich, den thermischen Komfort in Kombination mit der CFD-Simulation detailliert vorherzusagen. Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Modells, die von der Website der für die Analysen verwendeten Software stammt.

Schematische Darstellung des in Cradle enthaltenen Modells der menschlichen Thermoregulation

Für die Studie wird eine Reihe von Dummies an verschiedenen Stellen des Gebäudes platziert und das Modell als Ganzes simuliert. Nachstehend sind drei Beispiele für die Ergebnisse der Hauttemperatur in verschiedenen Szenarien dargestellt. Diese Daten sind ein guter Indikator für das gefühlte Wärmeempfinden und den tatsächlichen Wärmekomfort der Bewohner.

Hauttemperaturverteilung von Personen, simuliert mit dem JOS2-Modell und CFD in der Studie des HVAC-Systems.
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