Hvordan målinger av trykkfall og friksjon i ventilasjonssystemer kan optimalisere design og ytelse

For å sikre pålitelige og nøyaktige målinger av trykkfall i ventilasjonssystemer, er det viktig å følge strenge prosedyrer og standarder, som de som er angitt i GOST R ISO 5725-6-2002 (2024). Denne metoden innebærer gjentatte målinger over en tidsperiode på 30 sekunder for å bestemme stabiliteten og presisjonen til instrumentene. Ved hver måling tas tre separate lesninger ved hvert testpunkt, og det beregnes et gjennomsnitt av disse verdiene. Når verdiene ligger innenfor en definert toleransegrense, er gjennomsnittet av de tre målingene tilstrekkelig som sluttresultat. Dersom variasjonene overskrider denne grensen, gjennomføres flere målinger for å sikre nøyaktighet. Hvis den fjerde målingen viser at trykkområdet er innenfor de kritiske grensene, tas gjennomsnittet av alle fire målingene som sluttsvar.

En viktig del av målingene er beregningen av friksjonstap i systemet, som kan ha stor betydning for det totale trykktapet i ventilasjonen. Friksjonstapene måles ved å vurdere trykkfallet mellom spesifikke punkter i systemet, og friksjonskoeffisienten blir deretter beregnet ved hjelp av en standardisert formel. Denne koeffisienten gir informasjon om hvor mye luftstrømmen mister energi på grunn av friksjon med kanalveggene. Når man har en nøyaktig måling av disse tapene, kan man gjøre nødvendige justeringer for å forbedre systemets ytelse, for eksempel ved å optimalisere kanalens utforming eller justere luftstrømmen.

Det er også avgjørende at systemet er tett for å oppnå pålitelige målinger av luftstrøm og trykk. Eventuelle lekkasjer i systemet kan føre til feilaktige resultater, og derfor gjennomføres en grundig tetthetskontroll før målingene utføres. Dette innebærer å sammenligne luftstrømmen på inntaksgrener med luftstrømmen etter sammenslåing av grener oppstrøms for viften. Når lekkasjer oppstår i systemet, kan det føre til en økning i den målte luftstrømmen, og dette kan resultere i unøyaktige beregninger av trykktapene. For å minimere lekkasjer er det viktig at alle koblinger i systemet er forsvarlig forseglet.

I tillegg til å forstå de tekniske målingene og beregningene som er involvert i studien, er det avgjørende å ha en god forståelse av hvordan disse faktorene påvirker ventilasjonens overordnede ytelse. For eksempel kan tilstedeværelsen av friksjonstap i systemet bety at mer energi kreves for å opprettholde ønsket luftstrøm, noe som kan føre til høyere driftskostnader. Det er derfor viktig å implementere designstrategier som reduserer disse tapene og samtidig opprettholder et jevnt og stabilt lufttrykk gjennom hele systemet.

Gjennom denne grundige analysen kan man ikke bare forbedre nøyaktigheten av målingene, men også oppnå en mer effektiv og økonomisk drift av ventilasjonssystemer. Effektivitet i design og drift er nøkkelen til å maksimere ytelsen til systemet samtidig som man reduserer unødvendige kostnader for energiforbruk og vedlikehold.

Hvordan påvirker strømforholdene ytelsen til en formet T-kobling?

I studier av væskestrømning gjennom T-koblinger, særlig i tilfeller med sammenslåing av tilførsel og eksos, har det blitt tydelig at strømforholdene, spesielt forholdet mellom strømningshastighetene, har stor betydning for tapene og trykkfallene som oppstår. Dette gjelder spesielt når T-koblingen ikke har en ideell, uniform form. Når strømforholdene mellom hovedkanalen og sidegrenene er asymmetriske, forårsaker dette betydelige variasjoner i strømningen, noe som videre påvirker systemets effektivitet.

Det er imidlertid viktig å merke seg at selv små endringer i strømningshastigheten kan føre til store endringer i strømmen bak T-koblingen. Dette skyldes at de turbulente områdene, som kan være korte i lengde, ofte påvirker strømningen mye lenger enn deres fysiske størrelse skulle tilsi. Dette er et resultat av at de forstyrrende elementene, som virvelsoner og trykkvariasjoner, kan ha effekter som strekker seg langt utenfor deres umiddelbare område.

Ved å undersøke T-koblinger av ulik geometri, som for eksempel formede T-koblinger, kan vi forstå hvordan forskjellige geometrier påvirker motstanden som oppstår i systemet. Dette er viktig for å optimalisere både energieffektivitet og strømningens stabilitet. Det er nemlig mulig å designe en T-kobling som gir minimal drag for både rettstrøm og sidegrenstrøm, uavhengig av strømforholdene. Dette oppnås ved å bruke geometrier som reduserer virvelsonene og stabiliserer strømningen.

En numerisk studie utført på forskjellige former av T-koblinger har vist at den mest universelle eller optimale geometrien for å minimere motstand er den som ble funnet med et forhold på G / G = 0.511. Denne formen oppnår lavest drag uavhengig av strømforholdene i sidegrenen og hovedkanalen. Dette resultatet er viktig, da det indikerer at for best mulig ytelse må en formet T-kobling designe seg slik at forholdene mellom hovedkanalen og sidegrenen balanseres, selv om det i utgangspunktet er asymmetri i strømningene.

I tillegg, mens strømforholdene i en vanlig T-kobling kan føre til forskjellige nivåer av motstand i sidegrenen og hovedkanalen, vil en formet T-kobling kunne eliminere denne asymmetrien. Strømmen gjennom både sidegrenen og hovedkanalen vil ha lik drag, noe som gir en mer effektiv og forutsigbar ytelse.

Videre er det viktig å forstå at den optimale geometrien ikke nødvendigvis er universell for alle typer strømninger, men den gir en god basis for videre design. Ved å variere strømforholdene og justere geometrien kan man finne den beste løsningen for et spesifikt system.

Hvordan forme kanalsystemer for å redusere energiforbruket: Aerodynamisk design og LDC-beregning

I dagens ventilasjonssystemer, spesielt i offentlige bygninger og industrielle anlegg, er det en økende interesse for å forbedre energieffektiviteten gjennom optimalisering av kanalfittings. Denne prosessen innebærer utforming av kanalens geometri for å redusere trykktap og luftmotstand, som igjen fører til betydelige energibesparelser. En av metodene som har fått økt oppmerksomhet, er bruken av formede kanalfittings med redusert luftmotstand, som kan oppnås ved å bruke spesialtilpassede innsatser i kanalens struktur.

For å begynne utformingen av slike fittings, starter man med de geometriske dimensjonene til kanalene, som bestemmes ved hjelp av diagrammer eller skaleringsfaktorer for spesifikke åpninger, som eksosåpninger. Når man har identifisert vortex-sonene som dannes i kanalen, kan disse benyttes til å forme fittingene på en måte som reduserer luftmotstanden. For å gjøre dette, benyttes lokal drag-koeffisienter (LDC) som beskriver den spesifikke luftmotstanden til forskjellige kanaltilpassede geometriske former. Disse LDC-ene bestemmes basert på strømningsberegninger og simuleringer av fluiddynamikk.

Etter at LDC-ene er beregnet, kan designet av kanalene overføres til et CAD-format (som DWG eller DXF), som deretter brukes til å styre plasma-skjæringsmaskiner som lager de formede fittingene. Et patent for en oppfinnelse relatert til slike formede fittings har blitt tildelt (Ziganshin et al., 2014a), og dette gjelder spesielt tilfeller med brå utvidelser i kanalsystemet.

Som vist i figur 9.2, kan en vanlig flowmønster etter beregning av fluidbevegelse i kanaler med variabel tverrsnitt skape vortex-soner nedstrøms av skarpe kanter. Ved å bruke formede innsatser kan disse vortex-sonene reduseres, noe som bidrar til å minimere tapet av trykk i systemet. Formingen av kanalene kan skje ved å bruke konvekse overflater på innsatser som er plassert i de kritiske områdene av kanalens ekspansjonsvinkler. Dette kan enten gjøres ved å feste de formede innsatser med lim eller mekaniske festemidler for å unngå at de forskyves under drift.

For produksjonen av disse formede innsatser benyttes ofte plastmaterialer, spesielt i mindre strenge brannsikkerhetssituasjoner, mens mer robuste materialer som metall kan benyttes når brannmotstand er et krav. En annen fremgangsmåte kan være å produsere kanalene med buede vegger allerede i produksjonsprosessen, noe som er enklere og billigere enn å installere separate innsatser. Denne metoden er spesielt nyttig ved nybygg, mens formede innsatser er mer relevante for oppgradering av eksisterende kanalsystemer.

For å forenkle prosessen med beregningene som er nødvendige for å anvende de oppdagede LDC-forholdene på energieffektive formede fittings, har det blitt utviklet et nettbasert verktøy, kalt Online LDC Calculator. Dette verktøyet er gratis tilgjengelig via nettstedet til Kazan State University of Architecture and Engineering, og gjør det mulig for ingeniører å raskt beregne LDC-er for forskjellige kanaltyper og tilpassede fittings. Dette programmet gir en praktisk måte å beregne trykktap og andre nødvendige parametere på for å optimalisere ventilasjonssystemet.

Bruken av Online LDC Calculator gjør beregningsprosessen mer tilgjengelig og gir verdifulle data for luftstrømningsanalysen. Etter at systemdesignparametrene er lagt inn, kan man beregne trykktap og dermed justere systemkomponentene for å oppnå optimale resultater. For eksempel, i et eksosventilasjonssystem som er designet med både standard og formede fittings, ble trykktapet redusert med nesten 50 % ved bruk av de formede fittingsene. Dette kan innebære en betydelig energibesparelse over tid.

For leseren er det viktig å forstå at formingen av kanalsystemer ikke bare handler om å forbedre strømningshastigheten, men også om å implementere en helhetlig tilnærming der forskjellige faktorer som materialvalg, produksjonsmetoder og systemdesign spiller en viktig rolle. Mens formede fittings gir konkrete energibesparelser, kan også andre faktorer som riktig dimensjonering av ventilasjonsanlegg, valg av effektive vifter og optimering av luftstrømningsruter bidra til å oppnå et mer energieffektivt resultat. Å bruke verktøy som Online LDC Calculator kan forenkle denne prosessen, men det er fortsatt viktig å ha en grundig forståelse av fluiddynamikk og strømningsmekanikk for å gjøre informerte beslutninger i designprosessen.

Hvordan kan formede kanaldeler redusere energiforbruket i ventilasjonssystemer?

I en kontorbygning ble det dokumentert at det opprinnelige energiforbruket for ventilasjonssystemene var 160 845 kWh per år, tilsvarende 10,7 kWh/m²/år. Ved å benytte aerodynamisk formede deler i kanalsystemet ble det totale effektbehovet redusert fra 82,4 kW til 55,08 kW, altså en reduksjon på 33,2 %. Det tilsvarer en besparelse på 27,32 kW, eller 1,82 W/m². Disse tallene gir grunnlag for en årlig innsparing på 3950 euro for hele bygget, eller 0,26 €/m², som igjen tilsvarer 47,5 €/kW av det opprinnelige effektbehovet.

Disse verdiene bekrefter tidligere beregninger som indikerer at den laveste estimaterte lønnsomhetsgrensen for tiltak knyttet til elektrisitetsbesparelse (31,3 €/kW/år) er realistisk. I tillegg til direkte besparelser i strømforbruket, muliggjorde den reduserte effektbelastningen en nedskalering av dimensjoneringen for tilførsels- og avtrekksaggregater, noe som førte til ytterligere kapitalkostnadsreduksjoner (CAPEX) på 8900 euro.

For å overføre disse beregningene til bygninger med ulik funksjon, må man ta hensyn til type og bruksmønster. Ifølge tall fra EIA (2012) ligger spesifikt strømforbruk for offentlige bygninger i USA mellom 71 og 524 kWh/m²/år, med et gjennomsnitt på 157,2 kWh/m²/år. Av dette står viftemotorer for omtrent 11 % av forbruket, altså rundt 17,29 kWh/m²/år. Til sammenligning ligger forbruket for viftemotorer i det undersøkte kontorbygget på 10,7 kWh/m²/år, som viser at forbedringene bringer ytelsen nær de mest effektive referanseverdiene.

Når disse spesifikke besparelsene omregnes til økonomiske nøkkeltall, blir det klart at investering i formede kanalkomponenter er lønnsomt. Besparelsene i strømforbruk uttrykt i forhold til opprinnelig effektbehov ligger på omtrent 30,5 €/kW/år for offentlige bygninger i gjennomsnitt. Alle beregninger forutsetter drift i én arbeidsskift (8 timer), og må skaleres etter faktisk driftstid for andre bygg.

I tilfelle av større kjøpesentre med et samlet areal på 383 000 m² og et viftedrevet strømforbruk på 21,67 kWh/m²/år, gir de samme tiltakene en besparelse på 1,75 GWh årlig, som i økonomiske termer tilsvarer 130 000 euro. Disse eksemplene illustrerer tydelig hvor betydelige effektene av relativt enkle tiltak kan være, særlig når de implementeres på tidlig stadium i designfasen.

Det er viktig å merke seg at alle disse beregningene gjelder kanalsystemer laget av rektangulære kanaler og at friksjonstap knyttet til luftrensings- og behandlingsenheter ikke er inkludert. Verdiene kan dermed anses som konservative.

For leseren er det avgjørende å forstå at slike tiltak ikke bare reduserer strømforbruket, men også reduserer varmebelastningen og behovet for kjøling i ventilasjonsanlegg, noe som igjen gir ytterligere indirekte besparelser i klimaanlegg og