Hvordan Optimalisere Ventilasjonssystemer gjennom Vortex-soner og Fluiddynamikk

Vortex Ventilasjon: Formede Enheter i Energisparende Ventilasjonssystemer presenterer nyskapende metoder for å optimalisere ventilasjonssystemer gjennom vortex-sone og beregningsfluiddynamikk (CFD)-analyse. Forskningen undersøker separerte strømninger i ventilasjonselementer, og gir innsikt til både studenter og profesjonelle. Arbeidet introduserer CFD-metoder for kartlegging av vortex-soner i kanalfittings, som gjør det mulig å designe mer energieffektive systemer. Ved å strategisk forme disse sonene reduseres aerodynamisk motstand, noe som fører til lavere energiforbruk og reduserte driftskostnader. Denne tilnærmingen åpner muligheter for mindre vifteutstyr og reduserte kapitalkostnader for hele systemer.

De viktigste trekkene ved denne metoden inkluderer numeriske og eksperimentelle forskningsalgoritmer, diskret vortex-metode-applikasjoner og geometriske likheter i mønstrene for vortex-soner. Det er også utviklet “universelle” former for spesifikke kanaltilkoblinger som kan tilpasses ulike behov og utfordringer. Fremtidige utviklingsmuligheter inkluderer forbedrede elementer for fittings, utvidelse av systemkomponenter og utforskning av sekundære vortex-soner og forurensningseffekter.

Vortex-soneanalyse, i kombinasjon med CFD, gjør det mulig å designe kanalfittings som reduserer energiforbruket ved å forme komponentene langs disse sonene. Dette betyr at luftstrømmene kan styres mer effektivt, og at det kreves mindre energi for å oppnå ønsket luftutveksling. Forskningen viser at formen på fittingene kan ha en stor effekt på strømningens adferd, og at dette igjen påvirker hele systemets effektivitet. Ved å redusere friksjon og turbulens i ventilasjonskanalene, oppnås lavere motstand, som igjen gjør at viftene kan jobbe mer effektivt med mindre strømforbruk.

Utviklingen av metoder for å analysere og forbedre luftstrømmer i ventilasjonssystemer er ikke bare teoretisk, men også praktisk. Resultatene fra eksperimentene og de numeriske simuleringene gir innsikt i hvordan ulike utforminger av kanalfittings og ventilasjonselementer kan optimaliseres for å møte energikravene i moderne bygninger. Det er tydelig at denne typen forskning kan føre til konkrete forbedringer, som lettere implementeres i eksisterende systemer for umiddelbare gevinster.

Videre har undersøkelsene som omhandler spesifikke komponenter som runde og spaltede eksoshetter gitt verdifulle innsikter i hvordan kontaminanter kan fanges mer effektivt samtidig som aerodynamisk motstand reduseres. Forskning på asymmetriske eksos-T-fittings og de utfordringer som oppstår i forbindelse med brå utvidelser av ventilasjonskanaler, bidrar til å utvikle løsninger som kan håndtere mer komplekse strømningsmønstre, og dermed forbedre systemets samlede effektivitet.

Videre forskning på hvordan design av fittings kan påvirke systemets ytelse under ulike strømningsforhold er nødvendig for å kunne tilpasse disse teknikkene til ulike typer bygg og behov. For eksempel, i steder med høy luftforurensning eller spesifikke krav til ventilasjon (som i industri- eller helsevesen-applikasjoner), vil forståelsen av hvordan sekundære vortex-soner og forurensningseffekter spiller en rolle være avgjørende.

I tillegg til de tekniske aspektene, er det også viktig å forstå de økonomiske og praktiske implikasjonene av å implementere slike avanserte design i eksisterende systemer. Mens de opprinnelige kostnadene kan være høyere for utvikling av tilpassede fittings og komponenter, vil de langsiktige besparelsene gjennom lavere energiforbruk og forbedret systemeffektivitet kunne rettferdiggjøre disse investeringene.

Forskningen gir også verdifulle metoder og algoritmer som kan brukes for fremtidige studier og applikasjoner i design av ventilasjonssystemer, og har potensial til å skape en grunnleggende endring i hvordan vi forstår og implementerer ventilasjonsteknologi i fremtiden. Enten man er en forsker, ingeniør, eller en praktiker i feltet, gir boken et solid grunnlag for videre utvikling og implementering av effektive ventilasjonssystemer.

Hvordan Ventilasjonselementer Påvirker Strømningsdynamikk og Trykktap i Systemer

Eksisterende metoder for å redusere luftmotstand innebærer enten en økning i systemets og elementenes dimensjoner, som ved avrunding, eller de er komplekse å implementere, som de fleste andre teknikker. Når vi ser på tilpasningselementene i et ventilasjonsnettverk, kan vi identifisere to hovedgrupper basert på de spesifikke egenskapene ved VZ-dannelse (vortex zone) og mønstrene for deres omrissform: de som involverer strømningens deling og sammenfletting, og de som ikke gjør det. Hver av disse gruppene kan bestå av flere typiske ventilasjonskomponenter som vil bli diskutert i denne boken.

Målingene av disse komponentene og deres strømningsmønstre gir viktige innsikter i hvordan luftstrømmer samhandler med fysiske hindringer. I tilfeller der strømningen deles eller møtes, som i tee-forbindelser, kan trykktapet bli betydelig, noe som er kritisk for forståelsen av ventilasjonssystemers effektivitet. Disse sammenflettingspunktene er vanskelige å modellere, og må derfor studeres både eksperimentelt og numerisk for å forutsi deres atferd.

Fysikken bak disse prosessene er kompleks, da strømninger kan skape turbulens og virvler, som igjen påvirker både energitap og systemets ytelse. Strømninger som oppstår ved forskjellige typer åpninger, som flensede hetter eller plutselige utvidelser, kan resultere i forskjellige trykktap, avhengig av geometrien til åpningene og deres forhold til strømningens hastighet og retning. Derfor er det avgjørende å forstå ikke bare hvilke komponenter som brukes, men også hvordan disse elementene samhandler med omgivelsene for å forhindre unødvendige tap.

Tidligere forskning og eksperimentelle data fra blant annet Abbott og Kline (1962), samt Casetta og Bellia (1996), har vist hvordan trykkfall og hastighetsfelt kan analyseres for å forbedre designet av lokale avtrekkshettene og systemkomponentene. Disse studiene gir en dypere forståelse av hvordan ventilasjonselementer må utformes for å minimere trykktap og optimere luftstrømmen.

Modelleringen av slike strømninger krever både analytiske og numeriske tilnærminger. Forskning på aerodynamiske egenskaper ved bakovervendte trinn (Armaly et al., 1983) har for eksempel gitt verdifull innsikt i hvordan man kan forutsi turbulente strømninger i slike scenarioer. Samtidig har mer moderne studier som de av Bae og Kim (2014) påvisst hvordan skarpkantede utvidelser kan forårsake betydelige energitap i strømningssystemer. Disse innsiktene er fundamentale for designere som ønsker å forbedre ytelsen til ventilasjonssystemer.

For leseren som ønsker å få en dypere forståelse, er det viktig å forstå hvordan ulike geometriske former og åpninger i ventilasjonsanordninger kan skape forskjellige strømningsmønstre, og hvordan dette påvirker både effektivitet og sikkerhet i ventilasjonsdesign. Forskning på dette feltet fortsetter å utvikles, og nye teknikker som numerisk modellering og strømningsoptimalisering gir stadig bedre verktøy for å forutsi og forbedre systemenes ytelse. En nøkkel til å oppnå gode resultater i ventilasjonsteknikk er å forstå den komplekse dynamikken mellom luftstrøm og systemgeometri, og hvordan dette kan anvendes for å redusere energitap og forbedre arbeidsmiljøet.

Hvordan forbedre energieffektiviteten i ventilasjonssystemer ved hjelp av simulasjoner og forbedret design av luftkanaler

I tillegg til de åpenbare økonomiske fordelene ved å redusere energiforbruket, er det viktig å merke seg at all elektrisitet som genereres, innebærer miljøkostnader. Den største delen av strømproduksjonen er fortsatt basert på ikke-fornybare energikilder, som bidrar til utslipp av klimagasser og skade på naturen. I tråd med Parisavtalen, som ble ratifisert av Russland og trådte i kraft 6. november 2019, og G20 Energi-effektiviseringsplan, som påpeker at mer enn 30% av all generert energi går til drift av bygninger og deres ingeniørsystemer, er det klart at energisparing i byggsektoren direkte påvirker utslippene av drivhusgasser.

Blant de viktigste bidragsyterne til energiforbruket i ventilasjonssystemene er viftene og pumpemotorene, som står for 12–21% av det totale strømforbruket i offentlige bygg som kjøpesentre, hoteller og kontorbygg. Den største delen av energiforbruket til ventilasjonsviftene går med på å overvinne lokale luftmotstander i kanalsystemene. Det er dermed et stort potensial for å redusere dette forbruket ved å forbedre den aerodynamiske utformingen av kanaltilkoblingene og komponentene i systemet.

En av de mest lovende metodene for å redusere luftmotstanden i ventilasjonskanalsystemer er å forbedre utformingen av komponentene i kanalsystemene ved å følge konturene til de såkalte "vortex-sonene". Vortex-sonene er områder i luftstrømmen der det oppstår virvler og turbulens, som øker luftmotstanden. Ved å forme kanaltilkoblingene langs disse sonene kan man redusere motstanden betydelig, noe som fører til lavere energiforbruk. Dette kan oppnås ved å avrunde skarpe kanter på kanaltilkoblingene, noe som reduserer virvlene og dermed også luftmotstanden.

En utfordring som oppstår når man bruker denne metoden, er at avrundede komponenter nødvendigvis vil ha større dimensjoner enn de med skarpe kanter, noe som kan gjøre det vanskelig å bruke dem i plassbegrensede miljøer. Derfor er det vanlig å bruke komponenter med rette linjer, som T-forgreninger eller forlengelser. For å kompensere for dette, har forskere utviklet flere teknikker for å optimalisere utformingen av komponentene, inkludert bruk av ekstra enheter for å fjerne eller injisere grenselag, eller ved å bruke guidevinger og tverrfinning. Selv om disse metodene kan redusere luftmotstanden, kan de føre til betydelig økt kompleksitet i designet og høye kostnader, noe som kan gjøre dem økonomisk urealistiske for mange ventilasjonssystemer.

Studiene som er beskrevet i denne boken, fokuserer på å bruke numeriske og eksperimentelle metoder for å forbedre energieffektiviteten i ventilasjonssystemer ved å forme kanalkomponenter langs vortex-sonens grenser. Dette er et steg mot å utvikle mer effektive løsninger som kan brukes både i nye og oppgraderte ventilasjonssystemer. Videre har forskningen som er gjort, åpnet muligheter for å anvende denne teknikken på en rekke andre systemer som håndterer væskestrømmer og trenger å redusere eller undertrykke virvelsoneeffekter.

For å oppnå optimalt resultat, er det nødvendig å forstå ikke bare de grunnleggende prinsippene bak vortex-soneformer, men også deres potensielle anvendelser i et bredere spekter av tekniske systemer. Det er også viktig å være oppmerksom på at til tross for de positive effektene på energieffektivitet, kan implementeringen av slike teknikker være kompleks og kreve en balanse mellom designforbedringer og økonomiske realiteter. Nye studier og teknologiske fremskritt vil utvilsomt åpne for ytterligere forbedringer og muligheter innen dette området, og det er derfor viktig at forskningen på dette området fortsetter å utvikle seg.

Hvordan strømning og turbulens påvirker utmattede strømningseffekter i runde eksoshetter

I undersøkelsen av friksjons- og trykkreduksjoner i eksossystemer er et av de viktigste momentene å vurdere hvordan strømningstypene, som turbulens og flowseparasjon, påvirker de dynamiske egenskapene til eksossystemene. Å forstå disse fenomenene krever ikke bare teoretisk kunnskap, men også praktiske eksperimenter og numeriske modeller som kan simulere virkelige forhold.

Når vi ser på trykktapene i et eksossystem, kan vi definere trykket ved inngangen til kanalen som P0, som i utgangspunktet antas å være null. Trykket på utløpet av kanalen (ved KL-grensen) er definert som P, mens ΔP er friksjonsrelaterte trykktap i kanalen, som kan uttrykkes som ΔP = R·l. Dette representerer trykkreduksjonen på grunn av friksjon, hvor R er de spesifikke trykktapene i kanalen, og l er lengden på kanalen. Når man ser på disse verdiene, blir det tydelig at strømningens dynamiske trykk i kanalen også spiller en betydelig rolle i å bestemme effekten av turbulens og strømningstap i systemet.

Selv om det er betydelige utfordringer knyttet til å nøyaktig modellere strømningseffektene, viser dataene at for mesh med verdier av y+ under 10, stopper løsningen å reagere på endringer i cellestørrelsen, noe som betyr at man har eliminert mesh-avhengigheten i resultatene. Dette er et viktig skritt i retning av å kunne bruke numeriske simuleringer med større presisjon i praktiske applikasjoner. Den fine mesh-oppløsningen førte til at vortex-sonen (VZ) som dannes ved strømningens separasjon fra den skarpe kanten på eksoshodens inntak, ble modellert ganske nøyaktig, selv om de eksperimentelle dataene viser en litt mer utstrakt vortex-sone.

For eksperimentelle data ble strømningens separasjonsområde, som ble registrert ved hjelp av Discrete Vortex Method (DVM), sammenlignet med numeriske beregninger utført i Fluent-programvaren. Det ble observert at DVM-resultatene, som er nærmere eksperimentelle data, viste et litt større separasjonsområde enn de numeriske løsningene, som var mer kompakte. Dette viser at den numeriske metoden som benyttes i Fluent ikke alltid reflekterer virkeligheten på en tilstrekkelig nøyaktig måte, spesielt når det gjelder virkelige vortex-strukturer.

I tillegg, når man ser på hastighetsprofiler i både aksial og radial retning, blir det tydelig at den numeriske løsningen gir ganske gode resultater, spesielt når man bruker RSM-modellen sammen med EWT. Disse hastighetskomponentene er viktig å forstå når man designer eksossystemer, fordi de har direkte innvirkning på både energiforbruk og effektivitet i ventilasjonssystemene. Spesielt i tilfeller der eksosutløpet er utsatt for varierende vinkler og lengder på flensene, er det viktig å bruke en nøyaktig modell for å forutsi hastighetenes oppførsel og dermed systemets ytelse under ulike forhold.

Hvordan reduksjon av energiforbruk påvirker kostnadene i ventilasjonssystemer

I republikken Tatarstan er strømprisen for små og mellomstore installasjoner (opptil 670 kW) satt til R = 0,07413 €/kWh. Dette fører til at driftskostnadene (OPEX) for et system kan reduseres med 148 € per år, basert på en kalkulert verdi: OPEX = ΔN · 8 · 244 · R = 1,074 · 8 · 244 · 0,07413 = 148 €/år per system. For å bedre forstå hvordan disse besparelsene fungerer, er det også beregnet spesifikk fanneffekt (SFP) – energiforbruket som kreves av en vifte for å opprettholde en luftstrøm på 1 m³/h i et gitt system.

Kalkuleringen tar også hensyn til variasjonen i vifteeffektivitet mellom ulike modeller. For eksempel er fanneffekt (SFP) for en “unformet” vifte på 0,2068 W/m³/h (4,17 kW/m³/s), mens en “formet” vifte kan ha en betydelig lavere effekt på 0,1352 W/m³/h. Det gir en reduksjon i energiforbruket på 34,6 % (0,0716 kW/m³/s). En sådan besparelse reduserer de årlige OPEX med omtrent 59 € per system, og de spesifikke besparelsene per kW for årlig energiforbruk er på 31 €/kW/år.

Videre ble det utført aerodynamiske designberegninger for et eksosventilasjonssystem (Exhaust-2) som benytter trakten-formede utløpshetter Sovplim KUA-M-S. Disse er utstyrt med runde traktformede åpninger, og ved hjelp av designprogramvaren har man beregnet trykkfallene og de totale tapene i systemet. Det er påvist at bruk av formede kanaltilkoblinger kan redusere trykkfallene fra 375 Pa til 234 Pa, noe som resulterer i en betydelig reduksjon av energiforbruket.

I et praktisk eksempel ble det for et system som opererer én skift (fem dager i uken) beregnet en årlig energibesparelse på 795,8 kWh/år. Når den samme systemet opereres på to skift, dobles denne verdien, og de reduserte driftskostnadene (OPEX) for et enkelt system vil være 59 € per år. I tillegg vil den spesifikke besparelsen per kW være 31 €/kW/år.

Ytterligere beregninger viste at det potensielt kan oppnås en minimum reduksjon på 21,1 % i effektforbruket ved å benytte formede kanaldeler. For et kontorbygg med et areal på 20 000 m² kan en slik besparelse bety en reduksjon på 18,2 kW eller 1,2 W/m², og det totale strømforbruket kan reduseres til 67,8 kW. Denne besparelsen fører til en årlig reduksjon av OPEX på 2640 €, noe som representerer en betydelig økonomisk gevinst.

Ventilasjonsdesigner må derfor ikke bare fokusere på valg av riktig vifte, men også på hvordan luftstrømmen i systemet er optimert gjennom kanaldeler. Fremtidig utvikling bør fokusere på å utforske ytterligere muligheter for reduksjon av luftmotstand, spesielt ved å analysere og forbedre komponenter som skarpe albuer, symmetriske tees, og t-kors.

Ventilasjonsprosjekter er svært varierte, og effekten av formede kanaltilkoblinger vil avhenge av deres antall og plassering i systemet. For å gi et inntrykk av hvordan dette kan påvirke virkelige systemer, viser tabellene hvordan trykktapene varierer i ulike typer bygninger, fra kinoer til industrilokaler. Gjennomsnittlig andel av trykktapene som skyldes lokal luftmotstand utgjør 86,4 % i de fleste tilfeller, noe som understreker betydningen av å optimalisere kanalens design.