PROJEKTDETAILS

• Auftraggeber: NORVENTO
• Termin: 2023
• Technologie: HVAC-Analyse. CFD-Simulation und Optimierung von Systemen mit natürlicher Konvektion, erzwungener Konvektion und Fußbodenheizung.

EINFÜHRUNG

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 eine CFD-Simulation durchgeführt. 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 Simulationen der Belüftung und der Klimatisierung werden durch die Modellierung der Wände mit den für das Gebäude entworfenen Schränken durchgeführt. Außerdem 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:

• Heizlüftersystem
• Düsensystem
• Fußbodenheizungssystem
• Deckenstrahlungssystem
• Strahlendes Wandsystem

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

CFD-MODELLDEFINITION UND VORDIMENSIONIERUNG

In der ersten Phase wird eine analytische Berechnung auf der Grundlage des Wärmelastenheftes durchgeführt. Auf diese Weise wird den Klimaanlagen eine Anfangsgröße zugewiesen. Diese Vordimensionierung erfolgt unter Berücksichtigung der Anforderungen und Einschränkungen des Kunden und der Daten der Geräte von spezialisierten Lieferanten. Auf diese Weise erhält man eine Schätzung der Anzahl der Heizlüfter und Düsen, die in jedem Vorschlag zu installieren sind, sowie der Leistung, die die Strahlungselemente erbringen müssen, um die Zieltemperatur zu erreichen. Parallel zur Vordimensionierung wird ein CAD-Modell erstellt, das die Hauptgeometrie des Gebäudes unter Berücksichtigung der interessierenden externen und internen Elemente enthält. Es wird auch eine Studie über die vom CFD-Modell vorhergesagten Infiltrationen durchgeführt, damit ihre Auswirkungen auf das Modell an die Realität angepasst werden können. Ausgehend von diesem Basismodell werden die fünf Modelle für jedes zu simulierende Klimatisierungssystem erstellt. Die folgenden Bilder zeigen die Geometrie des Gebäudes und eine Innenansicht mit dem vorläufig modellierten Düsensystem.  

CFD-SIMULATION VON HVAC-ANLAGEN

In der ersten Simulationsphase gehen wir von der Vorplanung aus und berechnen die fünf vorgeschlagenen HLK-Systeme. Diese Art der Analyse ermöglicht es uns, Karten der Betriebstemperatur, der Luftgeschwindigkeit, der Oberflächentemperatur und der PMV (Predicted Mean Vote) neben vielen anderen Ergebnissen zu erhalten. Die CFD-Simulationen berücksichtigen die Auswirkungen der Wärmeübertragung durch Konvektion, Leitung (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 die thermische Behaglichkeit unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Luftströmungen umfassend bewertet werden kann. Um die thermischen 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 zu erfassen. In dieser ersten Phase zeigt sich, dass einige der vorgeschlagenen Systeme bei weitem keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefern. Das bedeutet, dass in der nachfolgenden Optimierungsphase nur die Systeme verglichen werden, die die besten Ergebnisse erzielt haben. Die folgende Abbildung zeigt die Ergebnisse der Betriebstemperatur in einem vertikalen Schnitt eines der untersuchten Systeme.   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.  

SYSTEMOPTIMIERUNG

Bei den ersten Analysen wurde 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 die warme 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 Heizlüftersystem und eine Erhöhung der Ausblasgeschwindigkeit bei Düsen in Betracht gezogen. Einige Beispiele für Destratifizierer sind in der folgenden Abbildung dargestellt.   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.   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 die Leistung des Systems mit zusätzlichen Informationen besser bewertet werden. Die optimierte Lösung, für die man sich schließlich entschied, zeigt sehr zufriedenstellende Ergebnisse in Bezug auf Wirksamkeit und Effizienz. In den folgenden Bildern sehen Sie die mit diesem System erzielten Betriebstemperaturkarten in einem vertikalen Schnitt und die PMV in einer Draufsicht.  

STUDIE ZUM THERMISCHEN KOMFORT – MODELLE ZUR MENSCHLICHEN THERMOREGULATION

In der letzten Phase der Studie zur Klimatisierung wird eine Reihe von Simulationen mit einem menschlichen Thermoregulationsmodell durchgeführt. Diese werden auf der Grundlage der Alternativen ausgewählt, die sich in Bezug auf den thermischen Komfort und die Energieeffizienz als am vorteilhaftesten erwiesen haben. Das verwendete Modell, 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.   Für die Studie wird eine Reihe von Dummys an verschiedenen Positionen auf dem Schiff platziert und das Modell als Ganzes simuliert. Drei Beispiele für die Ergebnisse der Hauttemperatur in verschiedenen Szenarien sind unten dargestellt. Diese Daten sind ein guter Indikator für das wahrgenommene Wärmeempfinden und den tatsächlichen Wärmekomfort der Insassen.