Hur bestäms påverkningszonens längd i ventilationssystem?

När man bestämmer LDC (längd på dragkoefficienten) för sammansättningar av enheter (komponenter, noder) som består av flera sådana element, är det avgörande att känna till längden på den så kallade "påverkningszonen" (IZ). I sammansättningar där avståndet mellan ventilationskomponenterna överstiger längden på påverkningszonen, kan den totala LDC beräknas genom att helt enkelt addera LDC-värdena för de olika komponenterna. Att känna till längden på påverkningszonen är också viktigt när man väljer lägen för mätsektioner. Enligt GOST 12.3.018-79 (ett ryskt statligt standarddokument för arbetsmiljösystem) och UNI EN 12599:2012 (Ventilation för byggnader – provningsprocedurer och mätmetoder för luftkonditioneringssystem) specificeras metoder för aerodynamiska tester av ventilationssystem och var mätsektioner bör placeras, även om dessa positioner beskrivs ganska vagt som "minst två gånger mätskala före punkt för flödesstörning och minst sex gånger mätskala nedströms från denna".

En preliminär studie av flödet i en skarp 2D 90° böj ger följande bild av hastighetsfördelningen i kanalens tvärsnitt. Denna metod gör det möjligt att bestämma påverkningszonen för en fitting som orsakar en asymmetrisk flödesdeformation i förhållande till kanalens mittlinje, som i böjar, asymmetriska utvidgningar/nedskärningar eller när flöden sammanfogas/omfördelas (exempelvis i T-stycken eller sidotillförsel/avsug). I fallet med symmetriska störande element (symmetriska smalningar eller expansioner, symmetriska inloppsområden för lokala avluftssystem som fläktar, öppningar etc.), ger denna metod inte information om längden på påverkningszonen, vilket gör att den är mindre effektiv i vissa tillämpningar. Dessutom är metoden ganska komplex ur ett tekniskt perspektiv. Inga av dessa nackdelar uppstår när fördelningen av det totala trycket används för att bestämma längden på påverkningszonen.

Vid en T-koppling är det även viktigt att beakta hur trycket förändras vid olika sektioner av kanalen. Exempelvis, vid gränserna AB och EF, där övertryck är noll, kan sektionerna KM, NQ och QK visa de gränser där flödet börjar störas. Genom att analysera tryckförlusten (R) och dess förändring (ΔR) längs olika sektioner kan man få en mer exakt bild av IZ och de påverkningszoner som bildas av flödesstörningar i kanalen.

Det är också viktigt att förstå att påverkningszonen inte är en statisk enhet utan förändras beroende på olika faktorer såsom flödeshastighet, kanalens geometri, och elementens specifika utformning. Därför bör ingen modell betraktas som en definitiv lösning; istället bör metoder för att fastställa IZ-längder användas som ett verktyg för att förstå dynamiken i det aktuella ventilationssystemet och därmed optimera systemets effektivitet och säkerhet.

Hur beräknas luftflödesdynamik och virvelströmmar i komplicerade frånluftsfläktar?

Genom att använda en utvecklad beräkningsmetod och datorprogram för att modellera luftflöden har vi kunnat bestämma den dimensionslösa axiella flödeshastigheten $v/v_0$ för luftflödet och separationslinjen vid inloppet till en rektangulär frånluftskanal med skarpa kanter. Dessa simuleringar och experimentella data bekräftar metoden som en tillförlitlig lösning för att förstå luftflödets beteende i komplexa ventilationssystem.

Resultaten från de beräknade flödeshastigheterna visade en mycket god överensstämmelse med redan etablerade metoder som Fletcher-formeln och CFD-simuleringar utförda med STAR-CCM+-programvaran. Specifikt visade våra resultat att metoden tenderade att något överskatta hastigheten i förhållande till andra metoder vid den totala frånluftsflödet, en observation som kan relateras till specifika egenskaper hos de numeriska beräkningsmodeller som används.

Vidare bekräftar de experimentella och numeriska resultaten från Kulmala och Saarenrinne (1996) en hög grad av överensstämmelse med våra egna simuleringar, vilket gör att vi kan anta att den utvecklade metoden är tillförlitlig även för bredare ventilationssystem med rektangulära kanaler. Kulmala och Saarenrinne ansåg att medelvärdet av hastigheten vid inloppet till kanalen var lika med ansiktshastigheten, men våra beräkningar visade att denna ansats inte är helt korrekt. Den verkliga ansiktshastigheten är ofta något högre, vilket förklaras av bildandet av virvelströmmar (VZ) och jetkompression i kanalen.

För att ytterligare validera metoden utfördes en jämförelse mellan de beräknade och experimentella hastighetsfält, där vi observerade en stark korrelation mellan de två uppsättningarna data, med ett Pearson-korrektionskoefficient på $r = 0,996$, vilket indikerar en mycket hög noggrannhet i den utvecklade metoden.

Den fria strömlinjen, som beskriver flödet i systemet, visade en märkbar skillnad i dess form beroende på typen av frånluftsfläkt. För rektangulära kanaler med förhållandet mellan sidornas dimensioner 2:1, 4:1 och 6:1, visade resultaten att det inte fanns någon större förändring i flödesmönstret efter ett visst kritiskt bredd/höjd-förhållande. Den största skillnaden i form uppstod när vi jämförde en slitsad fläkt med en rund kanal.

Det är också viktigt att förstå att den största delen av flödesförändringarna sker vid ingången till kanalen, där högre hastigheter leder till en mer intensiv virvelbildning. För att fullt förstå dessa dynamiska effekter måste man beakta hur hastigheten påverkar turbulensen och flödets stabilitet, särskilt vid högre Reynolds-tal där strömmar blir mer komplexa och icke-linjära.

Ytterligare observationer och experiment behövs för att noggrant kartlägga hur dessa virvelströmmar påverkar det långsiktiga beteendet hos ventilationssystem, och därmed optimera utformningen av frånluftsfläktar för mer effektiva och hållbara system.

Hur påverkar kanalens förhållande mellan bredd och höjd separationenszonens form?

Vid A = B (figur 6.8) kan man notera att separationenszonens maximala tjocklek observeras vid mitten av kanalinloppet. Mot hörnen minskar den avsevärt – strömlinjen som byggs från hörnet rör sig bort mot den minsta avståndet från de fasta väggarna. Det kan också noteras att väggens påverkan på VZ:s kontur i kanalens centrum försvagas – VZ:s konturer i de longitudinella sektionerna Z/A = 0.2 och 0 (på axeln) sammanfaller nästan helt. Den effektiva sugområdet har formen av en kurvlinjärt rektangel med sidor som är konkava mot dess centrum. När man jämför fria ytor för strömmen vid olika förhållanden mellan kanalens höjd och bredd, märks en viss regelbundenhet. Strömmens yta som bryts av från sidoväggen i den rektangulära kanalen (i longitudinella sektioner, figur 6.12a) förändras praktiskt taget inte vid en ökning av kanalens bredd. Endast positionen för strömlinjen som kommer från hörnet ändras något (Z/A = 1). Den separerade strömyta som bildas på den övre eller nedre väggen i den rektangulära kanalen (i tvärgående sektioner, figur 6.12b), beroende på bredden, förändras däremot avsevärt, förutom den som kommer från hörnet (X/B = 1).

Dessa observationer om separationenszonernas form är viktiga för att förstå hur kanalens dimensioner påverkar flödesmönstret. En förändring i bredden påverkar flödet på olika sätt beroende på var i kanalen man befinner sig. I kanaler med olika förhållanden mellan bredd och höjd är väggens inflytande på strömlinjerna påtagligt i vissa sektioner, medan det i andra sektioner blir mindre avgörande. Detta är en väsentlig insikt för alla som arbetar med kanalsystem och ventilation, eftersom det hjälper till att förutsäga var i systemet flödet kan vara mest påverkad av väggen och var flödet är mer fritt.

För att noggrant kunna optimera ventilation och kanaldesign, behöver ingenjörer och tekniker ta hänsyn till dessa förhållanden när de dimensionerar kanaler. Genom att analysera strömlinjer och separationens zoner kan man göra mer precisa antaganden om hur flödet kommer att utvecklas och var eventuella problem, som turbulens eller otillräcklig luftcirkulation, kan uppstå.

Hur kan formade luftkanalskomponenter förbättra energieffektiviteten i ventilationssystem?

För att optimera energieffektiviteten i ventilationssystem är det avgörande att förstå vikten av att minska tryckförluster och luftmotstånd i de olika delarna av luftkanalsnätverket. En av de mest effektiva metoderna för att uppnå detta är genom att använda formade luftkanalskomponenter som minskar den lokala luftdragkraften (LDC). Detta är särskilt relevant vid utformning av ventilerade system med olika typer av plötsliga expansioner eller sammansatta passager där flödet ständigt ändrar riktning eller dimension.

Vid själva formningssteget av komponenterna, kan det använda sig av datorstödd design (CAD) för att skapa modeller i format som DWG eller DXF. Dessa modeller kan sedan exporteras till plasmaskiner för att skära och tillverka de specifika komponenterna. En patentlösning för att förbättra luftflödet genom specifika formar i dessa komponenter har redan utvecklats och godkänts (Ziganshin et al., 2014). Exempelvis, vid en plötslig expansion av en kanal, kan dessa komponenter formas med hjälp av inserts som skapar en mer effektiv strömningsväg, vilket minskar turbulens och minimerar tryckförluster.

Dessa inserts kan vara konvexa och placeras i de områden där turbulens genereras, såsom efter skarpa kanter i en kanal. Genom att följa strömlinjerna i flödet kan dessa inserts utformas för att optimera kanalens aerodynamik. Dessa kan vara håliga eller solida, beroende på de specifika krav som ställs, till exempel brandklassificering eller viktrestriktioner. Den enklaste metoden är att skapa själva kanaldelen med en böjd vägg, vilket är en lösning som passar bäst för nybyggnationer. För äldre system kan inserts användas för att omforma redan installerade kanaler utan att behöva ersätta hela systemet.

För att underlätta användningen av de upptäckta LDC-relationerna har ett online-verktyg utvecklats för att beräkna dessa koefficienter på ett användarvänligt sätt. Denna programvara, som är tillgänglig gratis via Kazan State University of Architecture and Engineering, låter användare ange flödesdata och dimensioner på de luftkanalskomponenter som de arbetar med, för att snabbt få fram beräknade LDC-värden och tryckfall. Detta gör det lättare att implementera energioptimerade lösningar även för standardkomponenter som inte genomgått någon modifiering eller formning.

Ett konkret exempel på detta är det aerodynamiska designarbetet för ett ventilationssystem för offentliga byggnader, där tryckförluster i systemet minskade från 302 Pa till 152 Pa genom användning av formade komponenter istället för standardkanaler. Denna minskning innebär en betydande energibesparing, där årliga besparingar kan uppgå till 2096,5 kWh per år vid enkeltskiftsdrift. För dubbeltskiftsdrift fördubblas besparingen.

Det är viktigt att förstå att optimering av luftkanalskomponenternas form inte bara är en fråga om att minska motståndet. Det handlar också om att ta hänsyn till hela systemets balans. Det är en systematisk process där alla komponenter, från den största huvudkanalen till de minsta fästena, spelar en roll i att uppnå den mest effektiva lösningen. Eftersom dessa justeringar kan kräva specifik expertis och tekniska lösningar, är det avgörande att också använda rätt verktyg och resurser för att kunna implementera dessa lösningar på ett korrekt och kostnadseffektivt sätt.

Hur kan utformningen av ventilationssystem med formade kanalanslutningar minska energikostnader och förbättra prestanda?

I Tatarstan är elpriserna för små och medelstora installationer (upp till 670 kW) 0,07413 €/kWh. Om man tar hänsyn till detta, kan den årliga besparingen i driftkostnader (OPEX) beräknas enligt formeln: OPEX = ΔN · 8 · 244 · R = 1,074 · 8 · 244 · 0,07413 = 148 €/år per system. Denna besparing uppstår genom optimering av ventilationssystemets effektivitet, där specifik ventilatorenergi (SFP) spelar en central roll. SFP definieras som den mängd effekt som ventilatorn förbrukar för att upprätthålla ett luftflöde på 1 m³/h i systemet.

Vid jämförelse mellan två ventilatoralternativ – ett med "standard" och ett med "formade" kanalanslutningar – visade det sig att den formade versionen konsumerar mindre energi. Det specifika energiuttaget för den formade ventilatorn var 0,1352 W/m³/h jämfört med 0,2068 W/m³/h för den standardiserade modellen, vilket innebär en besparing på 34,6%. Om man även tar hänsyn till investeringskostnader (CAPEX), som minskar med 1245 € för att byta till en mer energieffektiv ventilator, blir den totala besparingen över tid ännu större.

För ett industriellt ventilationssystem kan besparingarna bli betydande. I exemplet med ett lokalt utsugssystem (Exhaust-2) visade beräkningarna att tryckförluster minskade från 375 Pa till 234 Pa när formade kanalanslutningar användes istället för standardmodeller. Detta reducerade den årliga elförbrukningen med 795,8 kWh, vilket ledde till en besparing på 59 €/år per system.

En av de största fördelarna med att använda formade kanalanslutningar är att de inte bara minskar energiuttaget för ventilatorerna, utan också förbättrar luftflödet och minskar friktionsförluster i ventilationssystemet. Den aerodynamiska utformningen av de olika kanalanslutningarna, såsom asymmetriska tees eller flänshattar, har stor potential för att minska det lokala luftmotståndet, vilket är den största källan till tryckförluster i ventilationssystem.

För att verkligen förstå potentialen i formade kanalanslutningar är det viktigt att överväga hur dessa tekniska förbättringar påverkar hela systemets funktionalitet. Om till exempel ett system inkluderar nio kanalanslutningar och tryckförluster på 194,79 Pa från lokala luftmotstånd, minskar den totala tryckförlusten med över 100 Pa när formade anslutningar används. Detta minskar i sin tur den totala kraften som krävs för att driva ventilatorerna, vilket direkt påverkar både drift- och kapitalkostnader.

Vidare visar studier att designen av ventilationssystem och kanalanslutningar kan ha en stark inverkan på energibesparingar. Till exempel, i en femvånings kontorsbyggnad med ett golv på 20 000 m² och ett ventilationsbehov som ursprungligen kräver en effekt på 82,4 kW, kan användning av formade kanalanslutningar minska det totala effektbehovet till 67,8 kW. Detta skulle innebära en årlig besparing på 2640 € eller 0,176 €/m² av den tjänade golvytan.

Det är även relevant att notera att tryckförluster till stor del beror på antalet och typen av kanalanslutningar som används. För att maximera besparingarna är det inte bara viktig att använda formade anslutningar, utan också att noggrant välja de bästa komponenterna för varje systemdesign. Genom att fortsätta utveckla och förbättra ventilationssystemens komponenter, till exempel genom att använda asymmetriska tees, mittsidiga öppningar och flänshattar, kan man ytterligare minska tryckförlusterna och därmed energiförbrukningen.

En viktig aspekt som kan förbättras ytterligare är att ventilationssystemen kan optimeras med hjälp av avancerad mjukvara för att noggrant beräkna och justera de olika parametrarna. Med hjälp av aerodynamiska designberäkningar och LDC-värden kan systemet anpassas för att åstadkomma minsta möjliga energiförbrukning. Dessa verktyg gör det möjligt att skapa ventilationslösningar som inte bara är effektiva utan även ekonomiskt fördelaktiga.