Analiza CFD sprawności systemów rozdziału powietrza dla biura

Opis analizy i dane wejściowe

Celem przeprowadzonej analizy było obliczenie jakości oraz sprawności wentylowanego powietrza dla różnych systemów jego rozdziału w pomieszczeniu biurowym. Ze względu na symetrię analizowana była połowa powierzchni biura (5×6×3,6 m). Ilość powietrza wentylującego wyznaczono, zakładając 10 l/s/osobę oraz 2 l/s/m2 podłogi, co dało razem 110 l/s. Temperatura powietrza nawiewanego wynosiła 15°C (oszacowano na podstawie bilansu ciepła). Straty ciepła do otoczenia występowały tylko przez jedną ścianę. Temperatura zewnętrzna wynosiła 10°C. Ciepło wydzielane było przez komputery, ludzi oraz oświetlenie. Sufit, podłoga i pozostałe ściany traktowane były jako powierzchnie zaizolowane.

Na rys. 1 przedstawiono warunki brzegowe analizy. Na rys. 2 pokazano usytuowanie nawiewów i wywiewów dla każdego z analizowanych systemów wentylacji.

Wyniki przeprowadzonych symulacji

System wentylacji wyporowej

Rozkład linii strumieni powietrza przedstawiono na rys. 3. W systemie tym powietrze nawiewane z dołu było rozprowadzane w strefie przypodłogowej, tworząc wiry wokół przegród. Następnie porywane było przez słup ciepłego powietrza nad źródłami ciepła. Na końcu po wietrze kierowało się do wywiewów zlokalizowanych na środku sufitu.

Prędkość w strefie przebywania ludzi nie przekraczała 0,2 m/s. Temperatura wzrastała w kierunku pionowym w całym obszarze biura, osiągając wartości od 16°C w strefie przypodłogowej do 31°C przy suficie. Temperatura 16°C mogłaby powodować dyskomfort – należałoby nawiewać powietrze o temperaturze 19°C.

Żeby odebrać zyski ciepła bez nadmiernego wzrostu temperatury powietrza, trzeba byłoby zwiększyć nawiewany strumień o ok. 55%, do 0,17 m³/s. Średnia temperatura wzdłuż linii referencyjnej w strefie przebywania ludzi znajdującej się na wysokości 1,5 m wyniosła 24,8°C (rys. 4).

Jeśli chodzi o rozkład stężenia dwutlenku węgla, zarysował się podział biura na dwie strefy – górną, bardziej zanieczyszczoną i dolną – mniej (rys. 5). Średnia wartość stężenia CO₂ wzdłuż linii referencyjnej w obszarze przebywania ludzi wyniosła 410 ppm. Największe stężenia występowały w okolicy źródeł CO₂. System charakteryzował się skuteczną asymilacją dwutlenku węgla.

Powietrze w strefie przypodłogowej przebywało krótki czas (3–4 min). Im wyżej, tym było bardziej zużyte . Najdłuższy czas przebywania powietrza w pokoju wyniósł 19,3 min – znajdowało się ono w górnym rogu ściany krańcowej (rys. 6). Średnia wartość wzdłuż linii referencyjnej w strefie przebywania ludzi wyniosła 9,6 min.

Zaobserwowano wysoką sprawność wymiany powietrza w strefie przypodłogowej oraz nad źródłami ciepła (η > 1). Występowały również strefy o niskiej sprawności (poniżej η = 0,7), ale były to miejsca poza strefą przebywania ludzi (rys. 7). Średnia wartość wzdłuż linii referencyjnej w obszarze przebywania ludzi wyniosła 1,1.

System wentylacji mieszającej

Struga nawiewana z podsufitowych nawiewników, mieszając się z powietrzem wewnętrznym, opadała w przeciwległym rogu pomieszczenia. Następnie powietrze kierowało się do strefy przebywania ludzi w dolnych warstwach biura. Stosunkowo duży pęd strugi nawiewnej powodował zawirowanie w całym pomieszczeniu. Prędkość w strefie przebywania ludzi wyniosła poniżej 0,3 m/s (rys. 8).

System mieszający zapewnił wyrównane wartości temperatury w całym obszarze biura (rys. 9). Wartość średnia wzdłuż linii referencyjnej w obszarze przebywania ludzi wyniosła 27,3°C. Jest to wartość zbyt wysoka. Żeby zapewnić odpowiedni komfort, należałoby obniżyć temperaturę powietrza nawiewanego o 3–4°C.

Stężenie CO₂, nie licząc okolic jego źródeł, było wyrównane. Różnica pomiędzy górną i dolną strefą pomieszczenia wyniosła zaledwie 35 ppm (rys. 10). Średnia wartość wzdłuż linii referencyjnej w strefie przebywania ludzi to 645 ppm.

Wiek powietrza był w obszarze biura wyrównany. Nie zaobserwowano powietrza starszego niż 12 min (rys. 11). Świadczy to o równomiernej jego wymianie w całym pomieszczeniu. Średni wiek wzdłuż linii referencyjnej w obszarze przebywania ludzi wyniósł 10,2 min.

Sprawność wymiany powietrza była równomierna w całym pomieszczeniu (rys. 12). Wartość średnia wzdłuż linii referencyjnej w strefie przebywania ludzi wyniosła 1,04.

System wentylacji strefowej (strumieniowej)

Powietrze nawiewane było z góry do strefy przebywania ludzi za pomocą strumienia pionowego. Po dotarciu do strefy przebywania ludzi w wyniku konwekcji naturalnej powietrze unosiło się ku górze w kierunku wywiewników (rys. 13).

Rozkład temperatury był uwarstwiony pionowo, podobnie jak w systemie wyporowym, ale miał mniejszy gradient. W strefie przypodłogowej temperatura wyniosła 23°C, a w strefie przysufitowej 28°C (rys. 14). Wartość średnia wzdłuż linii referencyjnej w obszarze przebywania ludzi wyniosła 24,8°C.

Jeśli chodzi o rozkład stężenia CO₂, można wyróżnić strefę górną, bardziej zanieczyszczoną i strefą dolną – mniej (rys. 15). Średnie stężenie CO₂ wzdłuż linii referencyjnej w strefie przebywania ludzi wyniosło 580 ppm.

Można zaobserwować strefy zalegającego zużytego powietrza, które znajdowały się w górnych warstwach, pośrodku między nawiewami i na ścianie krańcowej. Średni czas utrzymywania powietrza wzdłuż linii referencyjnej w strefie przebywania ludzi wyniósł 9,6 min (rys. 16).

Sprawność wymiany powietrza w strefie przypodłogowej była wyższa niż w strefie górnej (rys. 17). Wartość średnia wzdłuż linii referencyjnej w obszarze przebywania ludzi wyniosła 1,1.

Podsumowanie

System wyporowy charakteryzował się dużym gradientem temperatury – od 15 do 31°C. Temperatura w strefie przypodłogowej była zbyt niska. Żeby zapewnić komfort, należałoby podwyższyć temperaturę nawiewu do 19°C. Wiązałoby się to ze zwiększeniem strumienia powietrza nawiewanego do 0,17 m³/s. System ten zapewniał najniższe stężenie CO₂ – 410 ppm. Z kolei system mieszający charakteryzował się równomiernym rozkładem temperatury oraz stężenia CO₂ w całym pomieszczeniu.

Średnia temperatura w strefie przebywania ludzi osiągnęła wartość 27,3°C, a stężenie CO₂ 645 ppm. Były to najwyższe wartości wśród omawianych systemów. Warto zwrócić uwagę, że system zapewnił równomierną sprawność wymiany powietrza na poziomie η = 1,04. Jego zaletą było stabilne i równomierne wentylowanie całego pomieszczenia.

System strefowy (strumieniowy) zapewnił największy komfort dla założonych warunków brzegowych. Temperatura w strefie przebywania wyniosła 24,8°C, a stężenie CO₂ 580 ppm. System ten ma cechy systemu mieszającego i wyporowego. Nawiewana struga, zanim dotarła do strefy przebywania ludzi, ogrzewała się na skutek mieszania z powietrzem w pomieszczeniu. Po dotarciu do strefy przebywania ludzi powietrze było porywane przez słup ciepłego powietrza nad źródłami ciepła, tak jak w przypadku systemu wyporowego.

Parametry wszystkich analizowanych systemów rozdziału powietrza zamieszczono w tabeli.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!