Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Abstract

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Controlling the indoor air thermal conditions is an essential part of building services design. Thermal calculations are normally made for each wall cell separately and for room air only in one thermal node. Typically indoor air temperature is considered. This study presents the indoor air thermal simulation model based on the transient thermal calculation in wall constructions and steady-state indoor air flow field calculation at selected moment by computational fluid dynamics. The main result is detailed information of indoor air distribution, such as velocity and temperature, which parameters are required in building services design. The results of modeling were compared with measurements from test cells and the accuracy was sufficient for building services design. Test simulations were made for two cases, where accurate modeling was required. Comparative calculations were made by using different turbulence models, accuracy of discretisations and grid densities. The customer document with required information for design, was developed to clarify the simulation results. Additional information from the simulation model was especially indoor air temperature stratification, which is usually estimated empirically. As a background for the development of the simulation model, indoor climate, thermal conditions, calculation methods and suitable commercial modeling softwares were discussed. The simulation model can produce more accurate and detailed information for controlling the indoor air thermal conditions than earlier. The model includes however some problematic issues, such as duration of calculation, turbulence modeling, determination of accurate boundary conditions for supply air diffusers and convergence problems. The simulation model offer a good basis for future development and integration of the energy analysis softwares and computational fluid dynamics softwares.