Hoe Vortexventilatie bijdraagt aan energie-efficiëntie in ventilatiesystemen

Vortexventilatie is een innovatieve benadering voor het optimaliseren van ventilatiesystemen, die zich richt op het gebruik van vortexzones en de toepassing van numerieke stromingsdynamica. Deze technieken zijn van cruciaal belang voor het creëren van energie-efficiënte ontwerpen van luchtkanalen en ventilatieonderdelen. Door de vortexzones binnen deze systemen te begrijpen en correct te modelleren, kunnen ontwerpprocessen worden geoptimaliseerd, wat leidt tot lagere energiekosten en een beter werkend systeem.

Deze benadering maakt het mogelijk om kleinere ventilatoren te gebruiken, wat leidt tot lagere kapitaalkosten voor het hele systeem. Naast de voordelen van kostenbesparing, biedt het ontwerp ook de mogelijkheid om de efficiëntie van ventilatiesystemen op lange termijn te verhogen, wat belangrijk is voor duurzame toepassingen en het verlagen van de ecologische voetafdruk.

Het boek bespreekt verschillende methoden die zijn ontwikkeld om vortexzones te identificeren en te modelleren. Het combineert numerieke simulaties met experimentele studies om de effecten van vortexzonemodellen op de efficiëntie van luchtkanalen en ventilatieonderdelen te testen. Dit resulteert in nauwkeurige gegevens die kunnen worden gebruikt voor het verbeteren van de prestaties van systemen en het behalen van significante energiebesparingen.

Deze technieken zijn niet alleen belangrijk voor de ontwerpers van ventilatiesystemen, maar ook voor onderzoekers en studenten die zich bezighouden met de optimalisatie van luchtstromingen in technische systemen. Door een diepgaande kennis van vortexzonemodellering kunnen ingenieurs en wetenschappers effectievere en duurzamere oplossingen ontwikkelen voor ventilatiesystemen, die bijdragen aan de vermindering van de operationele kosten en het verbeteren van de energie-efficiëntie.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat het ontwikkelen van energie-efficiënte ventilatiesystemen verder gaat dan alleen het kiezen van de juiste ventilatoren en kanalen. De vormgeving van de elementen binnen het systeem, zoals de inlaatsecties van afzuigkanalen, speelt een cruciale rol in het verminderen van luchtweerstand en het optimaliseren van de algehele prestaties. Het identificeren van vortexzones en het afstemmen van de geometrie van de luchtkanalen kan helpen om deze verliezen te minimaliseren en de energie-efficiëntie te verbeteren, wat uiteindelijk leidt tot een duurzamer en economischer systeem.

Daarnaast moeten ontwerpers niet alleen focussen op de primaire vortexzones, maar ook rekening houden met de interacties tussen de verschillende componenten van het systeem. Het is essentieel om de invloed van secundaire vortexzones, evenals mogelijke verontreinigingseffecten, in overweging te nemen bij het ontwerpen van ventilatiesystemen. Deze factoren kunnen de prestaties van het systeem aanzienlijk beïnvloeden, wat betekent dat de focus niet alleen ligt op de initiële ontwerpkeuzes, maar ook op hoe deze keuzes zich ontwikkelen tijdens de werking van het systeem.

Hoe kunnen plotselinge uitbreidingen van luchtkanalen de drukverliezen beïnvloeden?

In de studie van luchtstromen in ventilatiesystemen zijn plotselinge uitbreidingen van luchtkanalen al lange tijd een belangrijk onderwerp van onderzoek. Een van de eerste experimenten, uitgevoerd door Gibson in 1908, ging over het bepalen van de luchtweerstand bij een plotselinge uitbreiding in een rond kanaal, met een verhouding van de dwarsdoorsnede van F/F = 10,96. De resultaten toonden een goede overeenstemming met de theoretische formule, hoewel er enige afwijking was door de ongelijke drukverdeling over de dwarsdoorsnede. Naast studies naar luchtweerstand zijn er verschillende andere onderzoeken uitgevoerd die zich richten op de analyse van de afscheidingszones van de luchtstroom bij plotselinge uitbreidingen, een belangrijk testprobleem voor het ontwerpen van turbulentiemodellen.

Naast experimenten zijn er ook verschillende numerieke studies uitgevoerd naar luchtstromen door plotselinge uitbreidingen, waaronder het onderzoeken van de overgang van laminaire naar turbulente stroming. Zo werd in een werk door Fomin en Fomina (2017) numerieke simulatie toegepast om de eigenschappen van vortexvorming achter een achterwaarts gerichte stap te bepalen. De lengte van de afscheidingszone bij een Reynolds-getal van 10.000 werd geschat op 9,5 keer de hoogte van de stap.

Er zijn ook studies die zich richten op het verbeteren van het ontwerp van ductfittingen om de drukverliezen in ventilatiesystemen te minimaliseren. Bae en Kim (2014) hebben bijvoorbeeld een numerieke zoektocht uitgevoerd naar de optimale overgang van een smalle naar een brede dwarsdoorsnede, waarbij verschillende snijdhoeken en vormen werden getest. Het k-ε turbulentiemodel werd als geschikt beschouwd voor simulaties, waarbij specifieke functies werden ontwikkeld om de optimale hoek en lengte van de overgang te bepalen, waarbij de luchtweerstand geminimaliseerd werd.

De drukverliezen in luchtkanalen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: "functionele" verliezen en "niet-functionele" verliezen. Functionele verliezen zijn moeilijk te elimineren, omdat ze inherent zijn aan het ontwerp van de luchtkanaalelementen, zoals bochten, vernauwingen of splitsingen. Niet-functionele verliezen zijn het gevolg van aerodynamische imperfecties, zoals scherpe randen die de vorming van vortexen veroorzaken. Deze vortexen leiden tot aanzienlijke energieverliezen om de wervelingen te behouden, evenals verliezen door de luchtstroom die de vortex omzeilt.

Om niet-functionele verliezen te verminderen, kunnen technieken zoals het afronden van scherpe randen worden toegepast. Dit heeft het voordeel dat de afmetingen van de elementen niet toenemen, in tegenstelling tot andere methoden die de fabricagecomplexiteit verhogen. Het afronden langs de omtrek van een cirkel met een voldoende grote straal kan de vortexvorming verminderen zonder de afmetingen van het element aanzienlijk te vergroten. In dit opzicht biedt de voorgestelde methode, het vormgeven langs de contouren van de vortexzone, voordelen. Dit kan worden bereikt door het gebruik van een inlage of door het aanpassen van de wand van de fitting zonder dat de afmetingen van het systeem toenemen. Het elimineert de energieverliezen die gepaard gaan met de vortexvorming, maar kan de druk verliezen aan de constrictie- en expansiepunten van de fitting. Dit kan worden gemitigeerd door het verplaatsen van het vormgegeven gebied naar buiten, zodat de drukverliezen niet onaanvaardbaar worden.

Desondanks zijn er technische uitdagingen verbonden aan de verbetering van de ductfittingen in ventilatiesystemen. Het blijft een uitdaging om de geometrie van de elementen optimaal te ontwerpen om de drukverliezen te verminderen, vooral wanneer de aerodynamische inefficiënties zoals scherpe randen de stroming verstoren. Het onderzoeken van de dynamica van vortexen en hun relatie met geometrieën en stromingsparameters biedt waardevolle inzichten voor de optimalisatie van ductontwerpen.

Hoe beïnvloedt de vortexzone de stroming in een niet-gevormde aftakking?

De experimentele bevindingen zijn met een bevredigende nauwkeurigheid benaderd door de volgende formules (weergegeven met rode lijnen in Figuur 7.6):

Deze formules vertonen een goede overeenstemming met de bekende data (Idel'chik, 1992), evenals met numerieke studies.

In de context van het probleem van exhaust tees zonder vorm, zijn de contouren van de vortexzone (VZ) getraceerd (Figuur 7.7). Dit werd gedaan binnen de grenzen van de eerder opgeloste problemen, waarbij de verhouding tussen de doorlaat naar de zijvertakking varieerde, zodat de verhouding $G / G_{BM}$ binnen 0.1-0.9 lag. Dit werd bereikt door de procedure beschreven in Sectie 2.2.4 toe te passen. In dezelfde grafiek worden gegevens getoond uit Figuur 1.23 (Štigler et al., 2012), die zowel numerieke (gestreepte rode lijn) als experimentele (digitale tracer visualisatie – stippelgroene lijn) stroomlijnen bevatten, inclusief een deel van de stromingsscheidingszone in de tee bij $G / G_{BM} = 0.4$. Er is een behoorlijke overeenkomst te zien tussen de numerieke berekeningen en de gegevens van Štigler et al. (2012) (ongeveer 20%) en een iets grotere afwijking met de respectieve experimentele gegevens (verschil van ongeveer 35%).

De volgende relaties kunnen worden gebruikt om de coördinaten van de karakteristieke punten van de vortexzone te bepalen:

Het effect van een invloedzone (IZ), die door de tee als een verstorend element wordt gecreëerd, wordt gedemonstreerd in Figuur 7.10, waarin kanalen met een tee zijn opgedeeld in verschillende secties. IZ’s worden gedefinieerd volgens de procedure die in Sectie 2.2.6 wordt besproken. Figuur 7.11 toont de drukverdeling (PT voor totale druk, PST voor statische druk, en PDYN voor dynamische druk) langs een uitlaatkanaal met een tee voor het probleem bij $y* = 53$ en $G / G_{BM} = 0.588$. De totale drukcurves in de rechte tak en bij de confluentie onthullen locaties van drukverliezen door wrijving, die verschijnen als lineaire gebieden, evenals de IZ van de tee als een verstorend element. Het is ook duidelijk dat de totale druk in de zijvertakking toeneemt, wat het gevolg is van de uitwerping van lucht uit de tak door de rechte stroming.

Naast het meten van de druk in een uitlaattee werd ook de drukverdeling in een aanvoertee onderzocht bij $G / G_{BM} = 0.5$. Bij een dergelijke verdeling is de dynamische druk constant en gelijk in beide vertakkingen. De totale druk in dit geval daalt langs de lengte van de takken en langs de hoofdleiding. Statische druk daalt ook langs de takken, aangezien er geen luchtuitwerping is. Net als bij de uitlaattee neemt de dynamische druk eerst sterk toe in het vernauwinggebied van de hoofdleiding vanwege de vortexzone, waarna de statische druk in dat gebied overeenkomstig daalt. Vervolgens daalt de dynamische druk naar zijn constante waarde, terwijl de statische druk stijgt, voordat deze lineair afneemt door wrijving. De invloedzone is in dit geval ook vrij kort stroomopwaarts, ongeveer één meetgauge.

Hoeveel energie kan worden bespaard door het toepassen van gevormde luchtkanalelementen?

De toepassing van gevormde elementen in ventilatiesystemen heeft een directe en meetbare invloed op zowel het energieverbruik als de kapitaalkosten van het systeem. Bij kleine en middelgrote installaties, tot 670 kW, bedraagt het elektriciteitstarief in de Republiek Tatarstan 0,07413 €/kWh. Een vermindering van het ventilatorvermogen met 1074 W levert een jaarlijkse besparing van 148 euro per systeem op, bij een standaard bedrijfsregime van 8 uur per dag gedurende 244 werkdagen.

In industriële omgevingen, waar systemen als ‘Exhaust-2’ worden toegepast, tonen de aerodynamische berekeningen dat de drukverliezen bij gebruik van standaard kanaalelementen 375 Pa bedragen, tegenover slechts 234 Pa bij gebruik van gevormde elementen. De jaarlijkse elektriciteitsbesparing bij enkelvoudige ploegendienst bedraagt 795,8 kWh, overeenkomend met een jaarlijkse OPEX-reductie van 59 euro per systeem. Voor een tweedelige ploegendienst wordt dit verdubbeld. Specifiek komt dit neer op een besparing van 31 €/kW/jaar ten opzichte van het oorspronkelijk opgenomen vermogen.

Minimale OPEX-waarden van 78 €/kW/jaar werden bereikt met een 21,1% verlaging van het energieverbruik. De bespaarde vermogenswaarden en energiekosten zijn rechtstreeks gekoppeld aan het aantal en type toegepaste gevormde elementen zoals asymmetrische T-stukken, geflensde afzuigkappen en tussenliggende zijopeningen.

Een representatief voorbeeld is een vijf verdiepingen tellend kantoorgebouw van 20.000 m² vloeroppervlak, voorzien van tien afzonderlijke toevoer- en afzuigsystemen. De totale initiële ventilatorvermogens bedragen 82,4 kW. Bij toepassing van gevormde elementen is een gemiddelde besparing van 21,1% realiseerbaar, ofwel 18,2 kW, waardoor het totaal opgenomen vermogen daalt tot 67,8 kW. Dit leidt tot een jaarlijkse exploitatiebesparing van 2640 euro, oftewel 0,176 €/m². Tegelijkertijd opent de afname van benodigde systeemcapaciteit de mogelijkheid tot downsizing van ventilatorunits, wat op zijn beurt een reductie van CAPEX impliceert.

De effectiviteit van de gevormde elementen is systematisch vastgesteld aan de hand van LDC-waarden (Local Drag Coefficients) die via eigen software berekend zijn. In de meeste onderzochte systemen is de bijdrage van LDC-verliezen dominant ten opzichte van wrijvingsverliezen – een patroon dat bevestigd werd in diverse gebouwtypes, waaronder bioscopen, werkplaatsen en kantoorgebouwen.

Belangrijk om te begrijpen is dat het potentieel van energiebesparing niet alleen afhankelijk is van het type gevormde elementen, maar ook van hun strategische plaatsing in het netwerk en hun frequentie. Hoe meer elementen vervangen worden door geoptimaliseerde varianten, hoe groter de impact op het totale systeemrendement. De betrouwbaarheid van extrapolatie naar andere systemen berust op de consistentie van verhoudingen tussen drukverliescomponenten, wat impliceert dat zelfs bij complexe of grote installaties vergelijkbare optimalisaties mogelijk zijn. Daarnaast maakt de vermindering in benodigde ventilatorcapaciteit het mogelijk om lichtere, goedkopere en efficiëntere systemen toe te passen, wat extra ruimte creëert voor integratie van aanvullende energie-efficiënte technologieën.