Thermisch behaglich durch CFD

Transkript

1 Thermisch behaglich durch CFD Conrad Voelker, Oliver Kornadt Bauhaus-Universität Weimar Dipl.-Ing. C. Völker 1 1

2 Thermische Behaglichkeit wenn der Mensch Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftbewegung und Wärmestrahlung in seiner Umgebung als optimal empfindet und weder wärmere noch kältere, weder trockenere noch feuchtere Raumluft wünscht [DIN 1946] "Thermal Comfort is the state of mind that expresses satisfaction with the thermal environment" [ASHRAE Standard 55] Dipl.-Ing. C. Völker 2 2

3 Belagerung von Ofen [Wilhelm Busch] Dipl.-Ing. C. Völker 3 3

4 Beschwerde-Ranking [nach IFMA] Dipl.-Ing. C. Völker 4 4

5 Folge: geringere Produktivität, SBS / BRI ng [%] 90 Leistu 85 [nach Seppanen] θ [ C] Dipl.-Ing. C. Völker 5 5

6 Thermische Behaglichkeit Intermediär Körperlich Physikalisch Konstitution Körperliche Verfassung Geschlecht Alter Ethnische Einflüsse Nahrungsaufnahme Kleidung Tätigkeitsgrad Adaption Tages- und Jahreszeitenrhythmus Raumbesetzung Psychosoziale Faktoren PMV Lufttemperatur Oberflächentemperatur Luftfeuchte Luftbewegung Luftdruck Luftzusammensetzung Akustische Bedingungen Lichttechnische Bedingungen [nach FRANK] Luftelektrizität Dipl.-Ing. C. Völker 6 6

7 Thermische Behaglichkeit [nach FRANK] Dipl.-Ing. C. Völker 7 7

8 Thermische Behaglichkeit [nach LEUDSEN/FREYMARK] Dipl.-Ing. C. Völker 8 8

9 Thermische Behaglichkeit [nach ROEDLER] Dipl.-Ing. C. Völker 9 9

10 PMV/PPD DIN EN ISO 7730 & ASHRAE 55 basiert auf der Wärmebilanz des menschlichen Körpers 1300 Probanden +3 hot +2 warm +1 slightly warm 0 neutral -1 slightly cool 80 PPD [%] cool 10-3 cold PMV Dipl.-Ing. C. Völker 10 10

11 PMV/PPD vs. Realität PMV: Annahme eines homogen Klimas Inhomogene Bedingungen Vielschichtige Temperaturfelder Strahlungsasymmetrie Strömungsverhältnisse Nutzerspezifische Parameter Dipl.-Ing. C. Völker 11 11

12 PMV/PPD vs. Realität jedes Körperteil unterscheidet sich bzgl. der physiologischen/geometrischen Eigenschaften der Thermosensivität der Wärmeübergangskoeffizienten der Bekleidungssituation Mikroklima durch Interaktion via Strahlungsaustausch Konvektion, Konduktion Respiration Evaporation Verwendung PMV nur bedingt ausreichend Dipl.-Ing. C. Völker 12 12

13 Neuer Ansatz CFD & thermophysiologische Modellierung CFD simuliert Randbedingungen Luft- & Strahlungstemperaturen Luftgeschwindigkeiten (Luftfeuchte) UC Berkeley Comfort Model Dipl.-Ing. C. Völker 13 13

14 UCB Comfort Model 16 Segmente Jedes Segment definiert z.b. Kopf: A = m² m = 4 kg c = 2.9 KJ/kgK 17 W 45 l/h Durchblutung 4 Schichten + Kleidung Dipl.-Ing. C. Völker 14 14

15 UCB Comfort Model Wärmeabgabe Konvektion, Konduktion Strahlung Respiration Evaporation Fehlerfunktion Thermorezeptoren senden Signale Wärmeproduktion / -abgabe werden kontrolliert Durchblutung, Schwitzen, Zittern Körpertemperaturen Dipl.-Ing. C. Völker 15 15

16 UCB Comfort Model: Komfort - Empfinden Local Sensation 4 warm [Zhang] -2-3 cold -4 Err(i,j) Beispiel: Thermisches Empfinden der Füße Dipl.-Ing. C. Völker 16 16

17 UCB Comfort Model: Komfort - Empfinden sehr unkomfortabel kalt unkomfortabel kühl etwas unkomfortabel etwas kühl komfortabel neutral Komfort Empfinden [Gagge] θ skin,m Dipl.-Ing. C. Völker 17 17

18 CFD & UCB Initial conditions θ s CFD θ a,local, v a,local UCB θ s,local no Convergence? Local sensation/comfort Overall sensation/comfort Dipl.-Ing. C. Völker 18 18

19 Flächenkühlung - Raumgeometrie Dipl.-Ing. C. Völker 19 19

20 Flächenkühlung 50% der Kühllast via Strahlung Wärmeaustausch durch elektromagnetische Strahlung abhängig von Temperaturen Einstrahlzahl Koeffizienten thermisch behaglich bei niedrigem Energieverbrauch Fußbodenkühlung Einstrahlzahl größer Solarenergie trifft auf Boden keine Zugerscheinungen g Nachteil: Temperaturschichtung, Bedeckung Dipl.-Ing. C. Völker 20 20

21 Flächenkühlung - Behaglichkeit Room Operative Vertical Floor Asymmetric radiation category temperature difference temperature [ C] (cooling [ C] [ C] period) Cool wall Cool ceiling A 24.5 ± 1.0 < < 10 < 14 B 24.5 ± 1.5 < < 10 < 14 C 24.5 ± 2.5 < < 13 < 18 Anforderungen nach ISO Dipl.-Ing. C. Völker 21 21

22 Mesh Dipl.-Ing. C. Völker 22 22

23 Ergebnisse ohne Lüftung mit Lüftung 0,36 Komfort 0,9 1,02 Empfinden 0, Dipl.-Ing. C. Völker 23 23

24 Lokale Behaglichkeit Brust Kopf ,7 3 r Fuß ohne Lüftung mit Lüftung Becken Rücken 1,8 1,1 1,7 0, ,0 0,9 2,1 0,9 2,1 l Fuß 2,3 r Unterschenkel 0,7 0,4-2 1,5-3 l Oberarm 19 1,9 0, ,5 23 2,3 l Unterschenkel r Oberarm 1,9 2,5 0,8 2,1 1,2 0,6 04 0,4 2,0 2,0 2,0 2,0 r Oberschenkel l Unterarm 1,8 2,0 2,0 l Oberschenkel r Unterarm r Hand l Hand Dipl.-Ing. C. Völker 24 24

25 Vielen Dank! Dipl.-Ing. C. Völker 25 25