Simulación HVAC mediante CFD. Tutorial con Sc-Stream.

En este post mostraremos un ejemplo de simulación de un sistema HVAC mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). En el ejemplo analizaremos un recinto con algunos elementos internos, como puede verse en la imagen. Compararemos un sistema de aerotermos con uno de suelo radiante. Mostraremos los aspectos principales a tener en cuenta desde nuestra experiencia en simulación HVAC.

Esta entrada contará con un tutorial más detallado en nuestra sección de Descargas donde pueden verse los pasos a seguir en el software Cradle ScStream.

Preparación del modelo CFD

Tras importar la geometría, el siguiente paso es asignar los materiales a los cerramientos y objetos. En el caso de sólidos es suficiente con asignar el material de la librería de Cradle, ya que todas las propiedades térmicas se encuentran ya descritas en ella. Para elementos de tipo panel se debe asignar un espesor a efectos térmicos. Esta opción mantiene la precisión del estudio térmico a la vez que reduce el número de elementos y mejora la velocidad de cálculo.

Para tener en cuenta la convección con el exterior se ha extendido el dominio más allá de las paredes. Para las fronteras laterales y superior se fija que el aire entre a 10oC. En el terreno se coloca una condición de temperatura constante, que puede diferir de la del aire exterior.

Para el mallado en este tipo de simulaciones conviene definir una zona interior a la nave donde tomemos un tamaño de elemento fino y una zona exterior con mallado más grueso como muestra la siguiente imagen. En total para este ejemplo se usan unos 500.000 elementos.

Bloques del mallado CFD para captar los efectos deseados en la simulación

Definición de los sistemas HVAC

En el caso de suelo radiante, partiendo del elemento panel podemos fijar la potencia en W/m2 o colocar una temperatura fija correspondiente al funcionamiento del sistema. Según los datos de fabricante disponibles puede escogerse una u otra.

Para los aerotermos se definen las geometrías y se asignan las superficies de entrada y captación de aire. En este caso hemos colocado la impulsión horizontal, pero podría cambiarse sin problema para darle un ángulo sin modificar la geometría. Este sistema se muestra en la siguiente imagen.

Modelo del sistema de aerotermos para su simulación

Simulación CFD y Resultados

El mejor indicador de que se ha alcanzado el estado estacionario en estas simulaciones es la temperatura media en el interior de la nave. Este debe ser analizado junto con otros indicadores numéricos para aceptar una simulación por válida.

Una vez concluida la simulación, pueden obtenerse mapas de resultados de gran cantidad de variables relacionadas con la eficiencia energética de los sistemas y el confort térmico que proporcionan las alternativas. Como ejemplo mostraremos la temperatura operativa y el Predicted Mean Vote en dos planos representativos.

A la izquierda vemos los resultados del sistema de aerotermos y a la derecha los de suelo radiante en primer lugar para la temperatura:

Y a continuación para el Predicted Mean Vote (PMV):

Mediante la simulación HVAC puede concluirse que el sistema de suelo radiante es una mejor alternativa a efectos de confort térmico con las potencias colocadas para cada propuesta.

En posteriores etapas de un estudio de climatización deberían analizarse las causas de esta diferencia y valorar modificaciones en los equipos dimensionados. Tras finalizar las etapas de optimización, valorando también los aspectos económicos y de eficiencia de las alternativas, la información obtenida permitirá tomar una mejor decisión sobre qué sistema es el adecuado.

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