CFD w praktyce: efektywne zarządzanie temperaturą w biurze

W poniższym artykule dowiesz się, jak przeprowadzić analizę komfortu cieplnego dla osób pracujących w zimę w biurze. W tym celu została przeprowadzona analiza CFD na platformie 3DEXPERIENCE.

Aby ocenić komfort termiczny odczuwany przez osoby przebywające w środowisku biurowym, należy rozważyć następujące kwestie:

Optymalny zakres temperatur dla komfortu cieplnego w biurze wynosi 20℃ – 24℃

Temperatura powietrza wewnątrz biura powinna być jednolita, bez obszarów o niższej lub wyższej temperaturze

Prędkość powietrza w strefie przebywania osób nie powinna przekraczać 0,3 m/s, aby uniknąć dyskomfortu

Straty ciepła występujące przez elementy biurowe (takie jak ściany, okna, drzwi i dachy) zależą od przewodności cieplnej wybranych obiektów i temperatury płynu, który znajduje się z dala od ścianki

Opis problemu

W badanym przypadku przeprowadzono symulację przepływu powietrza w stanie ustalonym dla przestrzeni biurowej, której trzy ściany przylegają do magazynu o temperaturze 12°C, natomiast pozostałe są ścianami zewnętrznymi przy temperaturze otoczenia wynoszącej 1°C. System HVAC dostarcza ciepłe powietrze przez dwa otwory wentylacyjne z prędkością 2 m/s i temperaturą 30°C. Symulacja uwzględnia również straty ciepła przez przegrody budowlane, przy czym wartości współczynników przenikania ciepła przedstawiono w tabeli.

Rys. 1 Badana geometria

Komponent | Współczynnik przenikania ciepła
Ściany | 10 W/m2/℃
Okna | 12 W/m2/℃
Dach | 15 W/m2/℃

Cel symulacji

Celem analizy jest utrzymanie jednolitej temperatury 22°C w biurze, w którym pracuje pięć osób. Część z nich siedzi, a część stoi. Wszyscy mają jednakowy wskaźnik metabolizmu (1,1). Pierwsza grupa osób jest ubrana w koszule z długim rękawem lub swetry. Taka odzież gwarantuje izolację termiczną równą 1,01 clo. Druga grupa, nosząca spodnie i bluzy dresowe, charakteryzuje się izolacją na poziomie 0,74 clo. Te wartości są istotne ze względu na wpływ ubioru na odczuwanie temperatury.

Analiza numeryczna

Symulacja CFD została przeprowadzona jako analiza ustalona w czasie z wykorzystaniem modelu turbulencji Realizable k-ε. Uwzględniono siłę grawitacji działającą w kierunku -Y, aby poprawnie odwzorować konwekcję naturalną. Dodatkowo aktywowano model komfortu cieplnego oraz przyjęto wilgotność względną na poziomie 50%.

Kryteriami zatrzymania obliczeń były: względna zmiana residuum poniżej 0,1% oraz względna zmiana błędu między iteracjami nieprzekraczająca 1%. Jeżeli warunki te nie zostaną spełnione, solver przeprowadzi maksymalnie 1500 iteracji. W celu stabilizacji obliczeń zastosowano współczynniki podrelaksacji.

Żeby przyśpieszyć czas trwania obliczeń przypisano warunek początkowy, przyjmując temperaturę 22℃ w całym biurze wynosi. Następnie przypisano warunki brzegowe:

Klimatyzacja, oznaczona pomarańczowymi strzałkami, posiadała wlot powietrza z parametrami 2 m/s i 30°C.

Drzwi prowadzące do magazynu (różowe strzałki) były otwarte, stanowiąc wylot o ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze 12°C.

Ścianom, oknom oraz dachowi przypisano wartości współczynnika ciepła zgodnie z tabelą znajdującą się na początku artykułu, a temperatura powietrza w magazynie wynosiła 12°C, natomiast powietrze na zewnątrz miało temperaturę – 1°C.

Ściany zaznaczone kolorem ciemnoniebieskim stykają się z magazynem, a pozostałe ściany są ścianami zewnętrznymi.

Podłoga została potraktowana jako powierzchnia adiabatyczna.

Wewnątrz biura znajdowały się osoby o różnych poziomach izolacji cieplnej, oznaczone na czerwono (1,01 clo) i niebiesko (0,74 clo).

Rys. 2 Przypisanie warunków brzegowych do geometrii

Rys. 3 Zaznaczenie dwóch grup osób- ubrani cieplej (kolor czerwony) oraz ubrani chłodniej (kolor niebieski)
Po zdefiniowaniu wszystkich warunków brzegowych, zdefiniowano żądania wyjściowe. Poza domyślnymi żądaniami wyjścia zdefiniowano sumę strumienia ciepła, który przedostaje się poprzez ściany, okna oraz dach. Kolejnym żądaniem było poznanie strumienia ciepła, który wpływa do domeny poprzez wlot. Ostatnimi żądaniami wyjściowymi było poznanie wartości PMV oraz PPD.

Po zdefiniowaniu tego wszystkiego, wygenerowano siatkę, składającą się przeważnie z elementów heksagonalnych. Maksymalny rozmiar elementu jest równy 90 mm, a minimalny jest równy 15mm. Dodatkowo dodano warstwę przyścienną składającą się z 5 elementów, a grubość pierwszego elementu jest równa 2 mm. Dodatkowo zagęszczono siatkę w okolicach wylotu, gdzie zdefiniowano rozmiar elementów równy 30 mm. Dla takiej definicji całkowita liczba elementów była równa 6 791 000. Wygląd siatki został umieszczony poniżej.

Rys. 4 Widok siatki

Rys. 5 Siatka w pobliżu ludzi

Rys. 6 Siatka w okolicy biurek

Dla tak zdefiniowanej symulacji, wykonano obliczenia.

Wyniki

Temperatura

Obszary oznaczone na zielono są optymalne pod względem komfortu termicznego, natomiast obszary oznaczone na szaro są identyfikowane jako termicznie niekomfortowe. Chociaż większość powierzchni biurowej ma komfortowy zakres temperatur od 20℃ do 24℃, różnica temperatur 4° sugeruje , że temperatura nie jest jednolita. Zamknięta przestrzeń o jednolitej temperaturze zapewnia lepszy komfort termiczny dla osób w niej przebywających.

Rys. 7 Wykres temperatury. Kolor szary świadczy o wartościach spoza przedziału 20-24℃

Prędkość

Na poniższym wykresie niektóre biurka znajdują się w strefie czerwonej, bądź szarej. Wynika stąd, że należałoby zmienić ułożenie biurek, które znajdują się w górnej części rysunku.

Rys. 8 Wykres prędkości. Kolor szary świadczy o wartościach spoza przedziału 0-0,3 m/s
Linie przepływu potwierdzają poprzednie stwierdzenie. Należałoby zmienić ustawienie biurek, które znajdują się blisko klimatyzacji, ponieważ osoby przebywające w okolicy klimatyzacji będą odczuwać podmuchy.

Rys. 9 Linie przepływu w widoku izometrycznym

Rys. 10 Linie przepływu w widoku z góry

PMV

Zgodnie z normą, żeby człowiek czuł się komfortowo z daną temperaturą to parametr PMV powinien być z przedziału od -0,5 do +0,5. Wszystkie wartości, które nie mieszą się w tym przedziale świadczą, że człowiek będzie czuł dyskomfort. Innymi słowy, każdy obszar, który jest zaznaczony na poniższym rysunku, który ma inną barwę niż kolor zielony, świadczy o obszarze, w którym człowiek będzie czuł dyskomfort. Wartości mniejsze niż -0,5 świadczą o miejscach, gdzie człowiek będzie odczuwał chłód, a obszary, gdzie PMV jest większe niż +0,5 świadczą o miejscach gdzie będzie odczuwany gorąc.

Rys. 11 Wykres PMV (Predicted Mean Vote)

PPD

Poniższy wykres pokazuje ile procent ludzi będzie nie zadowolonych z warunków panujących w danym miejscu. Jak widać osoba, która siedzi przy wyjściu będzie czuła dyskomfort w okolicach głowy. To samo się dotyczy osoby, która rozmawia ze swoim współpracownikiem.

Rys. 12 Wykres PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied)

Sensory

Po przejrzeniu wykresów, zdefiniowano także sensory, które wyliczyły wartości średnie poszczególnych parametrów. Ich wartości zostały zawarte w poniższej tabeli.

PMV all human | -0,12
PMV human cold | -0,50
PMV human hot | 0,14
PPD all human | 20,59%
PPD human cold | 24,88%
PPD human hot | 17,66%
heat loss | -11123,65 W
heat in | 528815,38 W

Jak widać z powyższej tabeli, średnia wartość parametru PMV jest bliska 0. Świadczy to o fakcie, że całościowa grupa ludzi, którzy znajdują się w biurze będzie czuć się komfortowo. Jednakże warto zwrócić uwagę, że osoby, które są chłodniej ubrane będą odczuwać lekki chłód.

Dodatkowo wartość parametru PPD równa 20% świadczy, że jedna piąta pracowników będzie odczuwała dyskomfort w trakcie pracy. Należałoby rozważyć zmianę położenia biurek, zmniejszenie prędkości napływu gorącego powietrza bądź zmianę ubioru na cieplejszy.

Parametr heat loss świadczy o tym, ile oddawanego jest ciepła na zewnątrz z przestrzeni biurowej, natomiast parametr heat in świadczy ile ciepła zostało dostarczone do biura.

Na sam koniec zdecydowano się policzyć jaka jest procentowa strata ciepła z biura. W celu poznania tej wartości skorzystano z poniższego wzoru:

Procentowa strata ciepła = -100 ∙ Ciepło, które uciekło przez elementy biurowe/Ciepło, które wpłynęło poprzez klimatyzację ≈ 2,1%
Jak widać, ta strata jest równa 2%. Świadczy to o fakcie, że większość dostarczonego ciepła pozostaje w pomieszczeniu, co jest skutkiem dobrej izolacji.

Podsumowanie

Przeprowadzona analiza CFD pozwoliła na ocenę warunków cieplnych w biurze i wskazanie obszarów wymagających optymalizacji. Dostosowanie rozmieszczenia biurek, zmiana parametrów systemu HVAC oraz dodatkowa izolacja niektórych stref mogłyby poprawić komfort użytkowników i zwiększyć efektywność systemu ogrzewania. Wyniki symulacji stanowią cenne narzędzie do projektowania ergonomicznych i komfortowych przestrzeni biurowych.

Post: CFD w praktyce: efektywne zarządzanie temperaturą w biurze