Binalarda CFD - CFD in buildings - Wikipedia

CFD duruyor hesaplamalı akışkanlar dinamiği (ve ısı transferi). Bu tekniğe göre, bir akış sisteminin veya termal sistemin yönetim diferansiyel denklemleri şu şekilde bilinir: Navier-Stokes denklemleri, termal enerji denklemi ve uygun bir hal denklemi ile tür denklemi.[1] Son birkaç yılda, CFD, sektörde giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. Bina tasarımı, çeyrek asrı aşkın süredir devam eden gelişimini takiben. CFD tarafından sağlanan bilgiler, bina egzozlarının çevreye olan etkisini analiz etmek, binalardaki duman ve yangın risklerini tahmin etmek, iç ortam kalitesini ölçmek ve doğal havalandırma sistemlerini tasarlamak için kullanılabilir.

Başvurular

Son zamanlarda CFD, bilim ve mühendisliğin farklı alanlarında çok geniş bir uygulama bulmaktadır; bazı örnekler:[2]

Önceden, çoğu bina havalandırma analizi, rüzgar yükü, rüzgar ortamı vb. ile ilgili konular kullanılarak incelenmiştir. rüzgar tüneli testleri, ancak bugün tüm bu testler CFD ile etkin bir şekilde yapılabilir. CFD, yukarıda belirtilen tüm sorunları nispeten kısa bir süre içinde çözebilir ve daha ekonomik olmasının yanı sıra eskisine göre daha güçlü bir yaklaşımdır (deneysel).[3] Şu anda, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, gelişmiş bir hava akışı modelleme yöntemi olarak kullanılmaktadır ve binalar içinde ve çevresinde hava akışı, ısı transferi ve kirletici taşınmasını tahmin etmek için kullanılabilir. CFD, bina tasarımında, termal olarak uyumlu, sağlıklı ve enerji açısından verimli bir bina tasarlarken önemli bir rol oynar. CFD, farklı bileşenlerin tipini ve yerini, besleme havası koşullarını ve sistem kontrol programlarını kolayca değiştirerek çeşitli ısıtma havalandırma ve iklimlendirme (HVAC) sistemlerinin etkinliğini ve verimliliğini inceleyebilir. Ayrıca, CFD, bina saha planlarını ve iç mekan yerleşimlerini modelleyerek ve optimize ederek pasif ısıtma / soğutma / havalandırma stratejileri (örneğin doğal havalandırma) geliştirmeye yardımcı olur.[4] Küresel olarak, bina sektörü toplam enerji tüketiminin yaklaşık% 40'ının kaynağıdır.[5]

Günümüzde, büyük bir boşluk var. enerji tüketimi ve enerji üretimi. İnşaat sektörü toplam tüketimin büyük bir kısmını oluşturduğundan, binaların enerji kullanımını azaltmak için binaların optimum konfigürasyonunu araştırmak çok önemlidir. Bunu başarmak için CFD önemli bir rol oynayabilir. Bina performans simülasyonu (BPS) ve CFD programları önemlidir Bina tasarımı termal konfor, iç mekan hava kalitesi mekanik sistem verimliliği ve enerji tüketimi dahil olmak üzere bina performansının değerlendirilmesinde kullanılan araçlar.[6]

Binalardaki CFD esas olarak aşağıdaki amaçlardan biri veya daha fazlası için kullanılır:

  1. Isı analizi: binaların duvarları, çatısı ve zemininden
  2. Havalandırma analizi.
  3. Yerel coğrafi ve çevresel koşullara göre binaların oryantasyonu, saha ve lokasyon seçimi.

Isı analizi

Binalarda, ısı transferi tüm modlarında yer alır, yani iletim, konveksiyon ve radyasyon. Binalardan ısı kayıplarını azaltmak için, optimum konfigürasyon için CFD analizi yapılabilir. kompozit duvarlar, çatı ve zemin. Genel taşıma denkleminin diferansiyel formu aşağıdaki gibidir:[7]

(1)

Yukarıdaki denklemin sayısal çözümü şu şekilde elde edilebilir: sonlu fark yöntemi (FDM), sonlu hacim yöntemi (FVM) ve sonlu eleman yöntemi (FEM). Binalarda, ısı transferi analizi için, denklem (1) 'deki skaler fonksiyon ф yerine Sıcaklık (T), difüzyon katsayısı Γ, termal iletkenlik k ile değiştirilir ve kaynak terimi ısı üretimi terimi e veya herhangi bir ısı radyasyon kaynağı ile değiştirilir veya her ikisi tarafından (mevcut kaynağın yapısına bağlı olarak) ve farklı durumlar için farklı denklem formları vardır. Basitlik ve kolay anlaşılması için sadece 1 Boyutlu vakalar tartışılmıştır.

Binalarda ısı transferi analizi, binaların tüm bölümleri (duvarlar, çatı ve zemin) için aşağıdaki iki şekilde yapılabilir.

  1. Kararlı Durum Termal Analizi
  2. Geçici Termal Analiz

Kararlı hal termal analizi

Kararlı hal termal analizi, aşağıdaki yönetim diferansiyel denklem türlerini içerir.

Dava 1: Genel kararlı hal ısı iletim denklemi.

Bu durum için geçerli diferansiyel denklem (GDE) (1) aşağıdaki gibi olur:

Case-2: Kararlı hal ısı iletim denklemi (ısı oluşumu yok)

Bu durum için geçerli diferansiyel denklem (GDE) (1) aşağıdaki gibi olur:

Case-3: Kararlı hal ısı iletim denklemi (ısı üretimi ve taşınım yok)

Bu durum için geçerli diferansiyel denklem (GDE) (1) aşağıdaki gibi olur:

Geçici termal analiz

Geçici termal analiz, aşağıdaki yönetim diferansiyel denklem tiplerini içerir.

Dava 1: Geçici ısı iletimi

Bu durum için geçerli diferansiyel denklem (GDE) (1) aşağıdaki gibi olur:

Vaka-2: Geçici ısı iletimi (ısı oluşumu yok)

Bu durum için geçerli diferansiyel denklem (GDE) (1) aşağıdaki gibi olur:

Case-3: Geçici ısı iletimi (ısı üretimi ve konveksiyon yok)

Bu durum için geçerli diferansiyel denklem (GDE) (1) aşağıdaki gibi olur:

Yukarıda belirtilen bu yönetim diferansiyel denklem (GDE) denklemlerini CFD tekniğini kullanarak çözebiliriz.

Havalandırma analizi

Binalarda havalandırma çalışması, iç hava parametrelerini (hava sıcaklığı, bağıl nem, hava hızı ve havadaki kimyasal tür konsantrasyonları) düzenleyerek kabul edilebilir iç hava kalitesine sahip termal olarak rahat ortamı bulmak için yapılır. CFD, binalardaki havalandırma performansını tahmin etmek için iç mekan hava parametrelerinin düzenlenmesinde önemli bir rol bulur. Havalandırma performans tahmini, bir odadaki veya bir binadaki iç hava parametreleriyle ilgili bilgileri daha binaların inşaatından önce sağlar.[8]

Bu hava parametreleri, hem konforlu bir iç mekan tasarımı hem de binanın dış ortama iyi bir şekilde entegre edilmesi için çok önemlidir. Bunun nedeni, uygun havalandırma sistemlerinin tasarımı ve kontrol stratejilerinin geliştirilmesinin aşağıdaki parametrelerle ilgili ayrıntılı bilgiye ihtiyaç duymasıdır;

  • Hava akımı
  • Kirletici dispersiyon
  • Sıcaklık dağılımı

Yukarıda belirtilen bilgiler, bir mimarın bina konfigürasyonunu tasarlaması için de yararlıdır. Son otuz yıldan beri, CFD tekniği binalarda hatırı sayılır bir başarı ile yaygın olarak kullanılmaktadır.[9]

Son zamanlarda havalandırma ve ilgili alanlar rüzgar mühendisliğinin önemli bir parçası haline geldi. Rüzgar tüneli araştırması (deneysel olarak) veya CFD modellemesi (teorik olarak) kullanılarak bir havalandırma çalışması yapılabilir. Hem fan enerjisi hem de ilk maliyet tasarrufu sağlayabilen mekanik havalandırma sistemini ortadan kaldırdığı veya azalttığı için bazı uygulamalarda zorunlu havalandırma sistemine göre doğal havalandırma sistemi tercih edilebilir. Günümüzde, birçok CFD yazılımının ve diğer bina performans simülasyon yazılımlarının geliştirilmesi nedeniyle, bir binada doğal / zorunlu havalandırma sistemi olasılığını değerlendirmek daha kolay hale gelmiştir. CFD analizi deneysel yaklaşımdan oldukça kullanışlıdır çünkü burada işlem sonrası değişkenler arasındaki diğer ilgili ilişkiler bulunabilir. Deneysel veya sayısal olarak elde edilen veriler iki şekilde faydalıdır:[10]

  1. Daha iyi kullanıcı konforu
  2. Binaların ısı dengesi hesaplamasında girdi olarak kullanılan verileri sağlar.

Oryantasyon, site ve konum seçimi

Şekil-1 (a): Bir binanın etrafındaki akış (havanın yüksekte toplanması ve yer seviyesinde verilmesi)
Şekil-1 (b): Bir binanın etrafındaki akış (ön yüzün merkezi)

Daha önce, konut yeri seçimi su ihtiyacı göz önünde bulundurularak yapıldı, bu nedenle daha önceki gelişmelerin çoğu vadi bölgesinde başladı. Günümüzde, bilim ve teknolojideki ilerlemeden dolayı, yerel coğrafi ve çevresel koşullara bağlı olarak binaların uygun bir yönünü, yerini ve yerini seçmek kolaylaşmaktadır. Şantiye ve yer seçiminde rüzgar yükü oynar ve önemli rol oynar. Bir yerde iki binanın yan yana olması ve bir miktar boşluk olması durumunda, rüzgar Boşluktan binanın uçlarını çevreleyen darbeler, ilk anda her binanın etrafındaki akışın toplamıdır, ardından hızı, basınç kaybı pahasına tek bir binanın sonundaki hızın üzerine çıkmalıdır.

Böylece, boşluğa giren ve binaların yanlarında daha yüksek rüzgar yüklerine neden olacak bir basınç inşa edilecektir. Yüksek katlı bir binanın yüzeyinden rüzgar estiğinde, ön yüzde aşağıya doğru akışla bir girdap oluşur (Şekil-1'de gösterildiği gibi). Yer seviyesine yakın ters yöndeki rüzgar hızı, referans rüzgar hızının yüzde 140'ına sahip olabilir. Dolayısıyla, bu bölgede herhangi bir bina varsa, bu hasar görebilir (özellikle binanın çatısı ciddi hasar görebilir). Bir binanın inşaatının ilk aşamasında rüzgar yüklemesinin etkileri dikkate alınırsa, binalara bu tür zararlar başarıyla yasaklanabilir. İnşaatın erken çağında, tüm bu rüzgar yükü etkileri rüzgar tüneli testi ile belirlendi, ancak bugün tüm bu testler CFD analizi ile başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilir. Binalara hoş bir ortam sağlamanın önemi artıyor. Mimarlardan ve rüzgar mühendislerinden, binaların biçimlendirme aşamasında ve inşaatın planlama aşamasında genellikle tasarımı (yönlendirme, alan, konum ve çevredeki binalar arasındaki boşluklar) incelemeleri istenir.[10] Dolayısıyla, CFD analizini kullanarak, binaların oryantasyonu, saha ve yer seçimi için uygun bilgileri (yerel rüzgar hızı, konvektif katsayılar ve güneş radyasyonu yoğunluğu) bulmak mümkündür.

Binalarda ısı transferi analizi için CFD yaklaşımı

CFD tekniği, bir binanın her bölümündeki ısı transferinin analizi için kullanılabilir. CFD tekniği çözümü aşağıdaki yollarla bulur:

  1. Sayısal yöntemler kullanılarak yöneten diferansiyel denklemin ayrıklaştırılması (Sonlu farklar yöntemi tartışılmıştır).
  2. Yüksek performanslı bilgisayarlarla denklemin ayrı versiyonunu çözün.

Kararlı hal ısı transferi analizi için geçerli diferansiyel denklemlerin ayrıklaştırılması

Kalınlığı L, ısı oluşumu e ve sabit ısı iletkenliği k olan bir düz duvara sahip bir bina düşünün. Duvar, M eşit kalınlık bölgelerine bölünmüştür. = X yönünde X / T ve bölgeler arasındaki bölünmeler şekil-2'de gösterildiği gibi düğüm olarak seçilir.

Şekil-2: Bir düzlem duvarda 1-D iletiminin sonlu fark formülasyonu için düğüm noktaları ve hacim elemanları

X yönündeki tüm duvar alanı, şekilde gösterildiği gibi elemanlara bölünmüştür ve tüm iç elemanların boyutu aynı iken, dış elemanlar için yarıdır.

Şimdi iç düğümler için FDM çözümünü elde etmek için, komşu düğümler m-1 ve m + 1 tarafından çevrelenmiş düğüm m tarafından temsil edilen öğeyi düşünün. FDM tekniği, sıcaklığın duvarlarda doğrusal olarak değiştiğini varsayar (şekil-3'te gösterilmiştir).

FDM çözümü (0 ve son düğüm hariç tüm iç düğümler için):

Şekil-3: Sonlu fark formülasyonunda doğrusal sıcaklık değişimi

Sınır şartları

Yukarıdaki denklem yalnızca iç düğümler için geçerlidir. Dış düğümler için çözüm elde etmek için, aşağıdaki gibi sınır koşullarını (uygulanabilir olduğu şekilde) uygulamamız gerekir.[11]

1. Belirtilen ısı akısı sınır koşulu

Sınır yalıtıldığında (q = 0)

2. Konvektif sınır koşulu

3. Radyasyon sınır koşulu

4. Birleşik konvektif ve radyasyon sınır koşulu (Şekil-4'te gösterilmiştir).

veya radyasyon ve taşınım ısı transfer katsayısı birleştirildiğinde, yukarıdaki denklem aşağıdaki gibi olur;

Şekil-4: Bir düzlem duvarın sol sınırında birleşik konvektif ve radyasyonun FDM formülasyonu için şematik

5. Birleşik konvektif, radyasyon ve ısı akısı sınır koşulu

6. Arayüz sınırı koşulu: bir arayüz olduğunda (kompozit duvarlarda) farklı termo-fiziksel özelliklere sahip farklı duvarların (kompozit duvarlarda), iki farklı katı ortam A ve B'nin mükemmel temas olduğu ve bu nedenle m düğümündeki arayüzde aynı sıcaklığa sahip olduğu varsayılır (Şekil-5'te gösterildiği gibi).

Şekil-5: Mükemmel termal temasa sahip iki ortam A ve B için arayüz sınır koşulunun FDM'si için şematik

Yukarıdaki denklemlerde q_0 = belirtilen ısı akısının içinde olduğunu gösterir , h = konvektif katsayı, = kombine konvektif ve radyasyon ısı transfer katsayısı, = Çevreleyen yüzeyin sıcaklığı, = Ortam Sıcaklığı, = İlk düğüm noktasındaki sıcaklık Not: Duvarın iç tarafı için uygun sınır koşulunu yukarıdan (uygun olduğu şekilde) uygulayabiliriz, bu durumda ile değiştirilecek (Oda sıcaklığı), = ile değiştirilecek (Son düğümün sıcaklığı).

Geçici ısı transferi analizi için geçerli diferansiyel denklemlerin ayrıklaştırılması

Geçici termal analiz, sabit termal analizden daha önemlidir, çünkü bu analiz, zamanla değişken ortam koşullarını içerir. Geçici ısı iletiminde, sıcaklık ve konumla birlikte zamanla değişir. Geçici ısı iletiminin sonlu fark çözümü, şekil-6'da gösterildiği gibi, uzaya ek olarak zamanda ayrıklaştırma gerektirir.

Şekil-6: Zamana bağlı problemin FDM fotirmulation, zaman içinde olduğu kadar uzayda da ayrık noktaları içerir

Düz bir duvarda 1-D iletiminin geçici FDM formülasyonu için düğüm noktaları ve hacim öğeleri, Şekil-7'de gösterildiği gibi mevcuttur.

Şekil-7: Düzlem duvarda 1-D iletiminin geçici FDM formülasyonu için düğüm noktaları ve hacim öğeleri

Bu durumda denklem (1) için FDM açık çözümü aşağıdaki gibi olacaktır,

Yukarıdaki denklem, sıcaklık için açıkça çözülebilir vermek

nerede,

ve

İşte, Fourier no hücresini temsil eder, termal yayınımı temsil eder, sabit basınçta özgül ısıyı temsil eder, zaman adımını temsil eder, boşluk adımını temsil eder.

Yukarıdaki denklem tüm iç düğümler için geçerlidir ve ilk ve son düğüm için ilişkiyi bulmak için, kararlı hal ısı transferinde tartışıldığı gibi sınır koşullarını (uygun olduğu şekilde) uygulayın. Konvektif ve radyasyon sınırı için güneş radyasyonu verileri , içinde () mevcuttur ve soğurma-geçirgenlik sabiti K bilinmektedir, sıcaklık için ilişki aşağıdaki gibi elde edilir;

Not: Bir binanın çatısı ve zemini için termal analiz, duvarlar için tartışıldığı gibi aynı şekilde yapılabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Foluso, Ladeinde (1997), "HVAC & R'de CFD uygulaması", ASHRAE Dergisi, 39 (1): 44–48
  2. ^ Versteeg, H. (2009). Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine Giriş. Pearson Yayınları. ISBN  978-81-317-2048-6.
  3. ^ Lawson, Tom (2010). Bina Aerodinamiği. Imperial College Press. ISBN  978-81-7596-757-1.
  4. ^ Zhai, Zhiqiang (2005), "Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinin Bina Tasarımında Uygulanması: Yönler ve Eğilimler", Kapalı ve Yapılı Çevre, 15 (4): 305–313, doi:10.1177 / 1420326X06067336, S2CID  8513531
  5. ^ Berger, Leopolds (2011), "Gayrimenkul değerlemesine enerji vermek: enerji verimli binalara değer biçmek", Değerleme Dergisi, 79 (2): 115–125
  6. ^ Zhai, Zhiqiang John; Chen, Qingyan Yan (2005), "Birleştirilmiş bina enerjisi ve CFD simülasyonlarının performansı", Enerji ve Binalar, 37 (4): 333, doi:10.1016 / j.enbuild.2004.07.001
  7. ^ Versteeg, H. (2009). Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğine Giriş. Pearson Yayınları. ISBN  978-81-317-2048-6.
  8. ^ Chen, Qingyan (2009). "Binalar için havalandırma performansı tahmini: Bir yönteme genel bakış ve son uygulamalar". Bina ve Çevre. 44 (4): 848–858. doi:10.1016 / j.buildenv.2008.05.025.
  9. ^ Chen, Q .; Srebric, J. (2000), "İç ve Dış Ortam Tasarımı için CFD Araçlarının Uygulaması", Uluslararası Mimarlık Bilimi Dergisi, 1 (1): 14–29
  10. ^ a b Lawson, Tom (2010). Bina Aerodinamiği. Imperial College Press. ISBN  978-81-7596-757-1.
  11. ^ A. Çengel, Yunus (2008). Isı ve kütle transferi. Tata McGraw-Hills. ISBN  978-0-07-063453-4.

Dış bağlantılar