Napjainkban az egyre növekvő átlaghőmérsékletek hatására a lakóépületek és irodaházak nyári hőterhelése is egyre jelentősebbé válik. Tekintettel az energiafelhasználás költségeinek emelkedésére és az energiatudatosságra és fenntartható fejlődésre való törekvésekre, a fogyasztás csökkentése kiemelkedő jelentőségű feladatnak bizonyul. Ebből adódóan az épületgépészeti tervezésben is egyre nagyobb figyelmet kap a hűtéstechnikai rendszerek méretezése és optimalizálása. Gyakori megoldás, hogy a biztos kényelem elérése érdekében túlméretezik a hűtő és fűtőberendezéseket, ezáltal a beszerelt kazánok, hőszivattyúk, klíma- és légtechnikai rendszerek az év jelentős részében nagyon alacsony kihasználtságon üzemelnek, ezzel rontva a hatásfokukat. Ezáltal jelentős többlet energiafogyasztást eredményeznek, amik jelentősen megnövelik a „rezsiköltségeket”. Emellett a világ energiafogyasztásának legnagyobb részét az épületek teszik ki. A European Commission adatai alapján Magyarország gázfogyasztásának több mint 50 százalékáért, valamint a villamosenergia fogyasztás megközelítőleg 40 százalékáért felelősek. Ennek fényében magától értetődőnek tűnhet, hogy ha lehet, mindenképp törekedjünk a pazarlás és ezzel az ökológiai lábnyomunk és költségeink minimalizálására.

Mivel a lakóépületek és irodaházak a bennük lévő bútorokkal, emberekkel, számítógépekkel egy összetett geometriát alkotnak, illetve a napfényből, klímarendszerekből, radiátorokból vagy akár munkagépekből eredő hőmérséklet- és levegő sebességeloszlás, egy még komplexebb rendszert alkot, így az ezt leíró hő- és áramlástani egyenletrendszerek megoldása hagyományos, analitikus módszerekkel gyakorlatilag lehetetlen. Éppen ezért a tervezőmérnökök már régóta a jól bevált egyszerűsítéseket alkalmazzák ezek tervezéséhez, amik ugyan megfelelően működnek, viszont hajlamosak túlbecsülni a terheléseket a konzervatív szemléletmód, azaz a biztonság felé való eltérés érdekében.

Erre nyújt megoldást a numerikus áramlástani szimuláció, másnéven CFD (Computational Fluid Dynamics) szimuláció, aminek segítségével pontosabban modellezhetjük a komplex rendszereket.

Ennek bemutatására használtuk a Solid Edge Startup csomagon belüli Solid Edge CAD és Simcenter FLOEFD for Solid Edge szoftvereket, amelyeknek a CAD moduljával felépítettük az irodánkat a virtuális térben majd a CFD modul segítségével megvizsgáltuk, hogy egy egyszerű beavatkozás -minthogy a sötétítőket az ablakon kívülre vagy belülre helyezzük-, hogyan befolyásolja az iroda levegőjének hőmérsékletét, illetve az emberek komfortérzetét. A modell a következő képeken látható.

A szimuláció beállításai

A számításainkhoz egy meleg nyári napot vettünk számításba, 35°C külső hőmérséklettel és déli napsütéssel. A napsütést először egy állandósult állapotú szimulációval vizsgáltuk meg a FLOEFD Monte-Carlo hősugárzás modelljének segítségével, majd az így kapott eredményeket hőterhelésként illesztettük az iroda külső falára, illetve a sötétítőkre. Amint az a fentebbi képeken is látható az irodában található 2 db split klíma is, amik a hűtési feladatokat látják el. Ezeket a klímákat mindkét esetben 20°C-ra állítottuk be ugyanakkora teljesítménnyel.

Eredmények

Az eredmények közül két fő értéket vizsgáltunk: az egyik a hőmérséklet eloszlás az irodában a második pedig az úgynevezett PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied), azaz a kedvezőtlen hőérzet várható százalékos mennyisége. Ez azt mutatja meg, hogy az adott pontban lévő komfortparaméterek mellett az emberek hány százalékának lenne diszkomfort érzete, az adott térrész hőmérséklete és a levegő áramlási sebessége alapján. Erről bővebben az [1]-es forrásban található információ.

Abban az esetben amikor a sötétítő belül volt a következő hőmérséklet-eloszlások alakultak ki a felületeken és a szimulációs tér „közepén”:

Abban az esetben amikor a sötétítő kívül volt a következő hőmérséklet-eloszlások alakultak ki a felületeken és a szimulációs tér „közepén”:

A következő ábrákon a PPD eloszlása látható úgy, hogy a sötétítő belül és kívül volt.

Mint látható a fenti képeken, ha a sötétítőket bentre helyezzük, abban az esetben az ablak mellett ülőknek a hőérzete sokkal kedvezőtlenebb lesz, mint azoknak, akik az ajtóhoz közel ülnek. Ez azt eredményezheti, hogy ezek az emberek nem fogják jól érezni magukat, ezáltal csökken a produktivitásuk, vagy más esetben magasabb fokozatra kapcsolják a klímát, ami többlet energiafogyasztást, azaz többlet költségeket, környezetszennyezést eredményez. Lehetséges, hogy a magasabb fokozatban már egyeseknek túl hideg lesz, ami szintén elégedetlenséghez vezethet. Míg a jobb oldali ábrán láthatjuk, hogy egy ilyen szimpla, olcsó és egyszeri befektetéssel -minthogy kívülre helyezzük el a sötétítőket-, sokkal egyenletesebb és összességében alacsonyabb átlaghőmérsékletet érhetünk el a klímaberendezések ugyanolyan teljesítménye mellett.

A szimulációkat és a blogbejegyzést a Karman Mechanics készítette. Cégünk műszaki szolgáltatásokat nyújt numerikus szimulációk és gépészeti fejlesztés területén, emellett egy egyedi acélszerkezetek gyártásával is foglalkozunk. Elsősorban gépészmérnökökből álló lelkes csapatunk 2018 óta dolgozik együtt. Cégünkről további információt, illetve hasonló rövid szakmai cikkeket a honlapunkon találhat.

Zádeczki Zalán
zalan.zadeczki@karman-mechanics.hu

Források:
[1] https://www.beszab.hu/beszabalyozas-szolgaltatas.html

Karman Mechanics honlapja és elérhetősége:
https://karman-mechanics.hu/
info@karman-mechanics.hu