Interferencia entre chorro de entrada de aire y superficies en una habitación ventilada: estudio de un modelo a escala

JUSTIFICACIÓN En los países desarrollados hasta el 95% del tiempo se pasa en lugares cerrados, viviendas edificios de oficinas, hospitales, centros comerciales, cines, industrias... Estos lugares cerrados son los lugares en los que trabajamos comemos tomamos un café y en general vivimos. El desarrollo de los sistemas de ventilación para edificios se desarrollo de manera intensa a partir de los 70 y la aparición en Suecia y otros países nórdicos de problemas respiratorios en las edificaciones de bajo consumo energético. Con sellados casi herméticos que no permitían la transpiración del edificio y bajos niveles de ventilación apareció el S.B.S. (Sick Building Syndrome). Los síntomas del edificio enfermo según el Dr. P. König´s son los siguientes. 1.- Tendencia a crear corrientes que provocan reumatismos fríos. 2.- Irritación en membranas mucosas, el tracto superior respiratorio, ojos y sensación de sequedad. 3.- Fiebre, dificultad, para respirar dolor en articulaciones y fatiga . 4.- Fatiga, falta de concentración, mareo, dolor de cabeza. 5.- Pobre calidad del aire. El primer síntoma se debe a una ventilación cuyas velocidades máximas son superiores a las adecuadas. El segundo se debe a una cantidad elevada de polvo, microbios alérgenos y esporas por una ventilación ineficiente que no consigue expulsar las partículas e introducir aire limpio. El tercer síntoma se debe a problemas tóxicos microbianos que se reproducen en los sistemas de humidificación. El cuarto y el quinto síntomas se deben a una insuficiente o ineficiente ventilación que no consigue renovar el aire de la habitación y por tanto los contaminantes que se producen en su interior se acumulan. ENTORNO El proyecto presentado se realizó en “El laboratorio para la ventilación y la calidad del aire de la KTH”. Este laboratorio ubicado en la ciudad de Gávle cuenta con un número elevado de investigadores dedicados al estudio de la ventilación en edificios. En este centro se realizan estudios sobre ventilación en Catedrales, Edificios de viviendas, aulas de escuelas, en modelos reales o a escala y mediante simulaciones por ordenador. En este centro de investigación una de las lineas de investigación llevada por el Dr. Taghi Karimipanah, consiste en el estudio del movimiento del aire en habitaciones mediante el uso de modelos a escala con el objetivo de diseñar en el futuro sistemas que permitan renovar el aire de habitaciones y edificios de forma eficiente. El estudio que yo realicé se hizo a partir de una maqueta que el centro de investigación acababa de construir para simular la ventilación por chorro en habitaciones. Queremos estudiar el movimiento general de aire en varios casos y llegar a conclusiones sobre si la ventilación es adecuada desde el punto de vista de la renovación de aire y el confort térmico. Queremos saber si el chorro de aire permite la renovación del aire en la habitación o si las partículas contaminantes se acumulan porque el sistema por chorro no permite la mezcla correcta del aire. Además queremos controlar y medir en que zonas el aire de la habitación se mueve a mayores velocidades. EJECUCIÓN Para hacer esto en el proyecto se realizan tres tareas consecutivas. 1) La primera es la observación directa del modelo a escala con técnicas de visualización de fluidos tipo PSV y PSP. Estas técnicas consisten en la medida de la velocidad del aire por grupos de partículas y por partículas individuales. Los grupos de partículas se visualizan mediante humo que proveniente de una máquina e introducido en el modelo. Las partículas individuales se visualizan mediante burbujas jabón y helio con una densidad similar a la del aire. Con la ayuda de un haz de luz plano y una habitación oscura, veremos qué configuraciones de ventilación por chorro son más adecuados y cuáles menos y que ocurre al variar el caudal de ventilación. 2) Conocidas estas primeras conclusiones sobre el movimiento del aire realizaremos medidas in situ sobre el modelo para llegar a conclusiones sobre qué caudales son los más adecuados para las distintas configuraciones del modelo. Estas medidas se realizan con la ayuda de los sistemas antes explicados de visualización y equipos de medida 3) Se realizarán medidas con un anemómetro “Láser Doppler” para confirmar las conclusiones iniciales sobre el movimiento del aire y el modo en que afecta el caudal a la velocidad del aire en distintos puntos que definiremos como críticos del modelo. El anemómetro Láser Doppler permite medir la velocidad del aire en sus coordenadas x e y mediante la medición de miles partículas individuales que pasan por el punto de medida del aparato en el tiempo de muestreo. CONCLUSIONES Las conclusiones de este proyecto nos permitirán entender de una manera más concisa cómo deben instalarse y configurarse los sistemas de ventilación para conseguir resultados eficaces más allá de caudales mínimos o máximos pues el objetivo de la ventilación no es introducir y extraer aire, sino renovar el del interior para mejorar la salud de los ocupantes. Específicamente en el proyecto se concluye que para el modelo en cuestión el valor de Reynolds (calculado según apéndice) del Chorro debe ser mayor de 2600 para conseguir una mezcla correcta y que la orientación del chorro hacia paredes laterales produce corrientes fuertes en la zona ocupada

Análisis Energético de una Iglesia Histórica, Iglesia de los Marineros (Gävle - Suecia)

En este trabajo se estima el balance energético de un edificio singular, la Iglesia de los Marineros de Gävle (Suecia). Se calculan tanto sus pérdidas como sus ganancias energéticas y, tras analizarlas, se realizan una serie de medidas de ahorro tanto a nivel constructivo como de mantenimiento o comportamiento en el uso de los elementos eléctricos

Unsteady CFD simulations for prediction of airflow close to a supply device for displacement ventilation

Modern diffusers applied in the field of ventilation of rooms are often complex in terms of geometry, including perforated plates, dampers, guide rails, curved surfaces and other components inside the diffuser, with the intention to create satisfying thermal comfort for the occupants. Also connecting ducts can be different for the same diffuser in different situations, affecting the supply velocity profile. It is obvious that simulation of airflow and air temperature particularly in rooms with displacement ventilation is very troublesome, particularly if the near-zone of the diffuser is of interest. Experiments commonly indicate very high turbulence intensities in the near-zone of displacement ventilation supply devices, especially close to the floor where high mean flow gradient occurs. This indicates that the air flow from inlet devices designed for displacement ventilation might be very unstable; the position of the stream leaving the diffuser and entering the room is changing with time, hence diffusion of momentum and temperature are increased. This effect is not captured in RANS simulations, since it is performed with the assumption of time-independent conditions. In this paper URANS simulations were performed for prediction of velocity and temperature distribution close to a complex air supply device in a room with displacement ventilation. The presented study show that unsteady simulations with the realizable turbulence k-ε model generates too high eddy viscosity and therefore damps out the unsteadiness of the flow especially inside the diffuser

Investigation of flow pattern for a confluent-jets system on a workbench of an industrial space

A new air supply terminal based on confluent jets was installed on a workbench, in vicinity of a CNC machine, of an industrial space. The flow pattern and temperature field was carried out by CFD calculations and infrared camera imaging technique. A main goal of this technique is to save energy therefore the jet should distribute the air where it is desired. This is possible because the confluent jets system uses the benefits of both mixing (high momentum for better spreading of the air jet) and displacement (cleaner air in occupied zone). The results show that thermal comfort and air quality analysis relies on consistent facts and is in good agreements with the existed standards. It was shown that the supply terminal is able to spread the fresh air to the needed work area. This is an advantage of the high momentum air distribution system used in this investigation

Experimental Investigation of the Ventilation Performance of Different Air Distribution Systems in an Office Environment—Cooling Mode

The performance of a newly designed corner impinging jet air distribution method with an equilateral triangle cross section was evaluated experimentally and compared to that of two more traditional methods (mixing and displacement ventilation). At nine evenly chosen positions with four standard vertical points, air velocity, turbulence intensity, temperature, and tracer gas decay measurements were conducted for all systems. The results show that the new method behaves as a displacement ventilation system, with high air change effectiveness and stratified flow pattern and temperature field. Both local air change effectiveness and air exchange effectiveness of the corner impinging jet showed high quality and promising results, which is a good indicator of ventilation effectiveness. The results also indicate that there is a possibility to slightly lower the airflow rates for the new air distribution system, while still meeting the requirements for thermal comfort and indoor air quality, thereby reducing fan energy usage. The draught rate was also lower for corner impinging jet compared to the other tested air distribution methods. The findings of this research show that the corner impinging jet method can be used for office ventilation

Experimental Investigation of Ventilation Performance of Different Air Distribution Systems in an Office Environment—Heating Mode

A vital requirement for all-air ventilation systems are their functionality to operate both in cooling and heating mode. This article experimentally investigates two newly designed air distribution systems, corner impinging jet (CIJV) and hybrid displacement ventilation (HDV) in comparison against a mixing type air distribution system. These three different systems are examined and compared to one another to evaluate their performance based on local thermal comfort and ventilation effectiveness when operating in heating mode. The evaluated test room is an office environment with two workstations. One of the office walls, which has three windows, faces a cold climate chamber. The results show that CIJV and HDV perform similar to a mixing ventilation in terms of ventilation effectiveness close to the workstations. As for local thermal comfort evaluation, the results show a small advantage for CIJV in the occupied zone. Comparing C2-CIJV to C2-CMV the average draught rate (DR) in the occupied zone is 0.3% for C2-CIJV and 5.3% for C2-CMV with the highest difference reaching as high as 10% at the height of 1.7 m. The results indicate that these systems can perform as well as mixing ventilation when used in offices that require moderate heating. The results also show that downdraught from the windows greatly impacts on the overall airflow and temperature pattern in the room

Energy saving, indoor thermal comfort and indoor air quality evaluation of an office environment using corner impinging jet ventilation

The performance of a corner based impinging jet ventilation system (CIJV) in an office environment was evaluated numerically. The evaluation was done both in terms of the local thermal comfort and the local indoor air quality. Three different inlet configurations were tested for a range of outdoor temperatures that included both winter and summer conditions. In terms of indoor air quality, the results showed that CIJV performed better than a traditional mixing system. The study also revealed that CIJV creates a stronger temperature stratification in summertime compared to wintertime. When evaluating the energy saving potential the results showed a possible reduction of 7% for the ventilation flowrate when the outdoor temperatures were between −15 °C and −5 °C, 8% when the outdoor temperatures were between 0 °C and 10 °C and 9% when the outdoor temperatures were between 15 °C and 25 °C