Home >Documents >Teza Doctorat Cristiana CROITORU

Teza Doctorat Cristiana CROITORU

Date post:28-Dec-2015
Category:
View:55 times
Download:0 times
Share this document with a friend
Transcript:
  • 1

    UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII

    BUCURETI Facultatea de Inginerie a Instalaiilor

    Catedra de Instalaii Hidraulice,Termice i Protecia Atmosferei

    TEZ DE DOCTORAT STUDII TEORETICE I EXPERIMENTALE REFERITOARE

    LA INFLUENA TURBULENEI AERULUI DIN NCPERILE CLIMATIZATE ASUPRA CONFORTULUI

    TERMIC

    Doctorand Ing. Cristiana Verona Popescu (cstorit Croitoru)

    Conductor tiinific Prof. univ. dr. ing. Iolanda Colda

    BUCURETI 2011

    Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti

  • 2

    Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe ntreaga perioad a stagiului de pregtire doctoral de burs atribuit prin proiectul Burse doctorale pentru ingineria mediului construit, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB, proiect derulat n cadrul Programului Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul Naional i cofinanat de ctre UTCB.

  • 3

    Motto: The cure for boredom is curiosity. There is no cure for curiosity!, Ellen Parr

  • 4

  • 5

    Rezumat

    n contextul economic mondial actual, eficiena energetic n toate aspectele sale trebuie s fie parte a contiinei noastre. Astfel, orientarea ctre noi strategii ce conduc la economie de energie n general, dezvoltarea de noi metode de evaluare a parametrilor sistemelor sau elementelor ce le compun sau actualizarea celor existente a devenit o necesitate absolut. Scopul principal al acestei teze de doctorat este analiza influenei turbulenei aerului asupra confortului termic. Acest parametru este prea puin luat n considerare n evaluarea confortului termic cu ajutorul diverselor modele i indici de confort termic, preconizai de standarde i normative internaionale unele dintre nefiind actualizate de mai mult de dou decade. n prima parte a tezei, trecem n revist principalele concepte utilizate ulterior n capitolele de rezultate. Capitolul bibliografic reprezint sinteza reperelor din literatura de specialitate ce ne-au permis s ne orientm ctre un anumit tip de studiu numeric i s alegem o anumit validare experimental, n funcie de rezultatele existente i de mijloacele puse la dispoziie.

    Am prezentat n continuare configuraia dispozitivului experimental ce include celula experimental, manechinul termic i sistemul de msurare. Cea mai important parte din cadrul acestei campanii experimentale este conceperea unui manechin termic, care poate simula i cuantifica comportamentul organismului uman din punct de vedere termic. Prototipul Thermal Boy 1 are ase circuite electrice distincte pentru fiecare parte a corpului, care reproduc temperaturile locale fiziologice ale regiunilor corpului uman.

    n ceea ce privete partea numeric din cadrul acestei teze, am pornit prin a construi un model geometric ce reproduce fidel celula experimental i manechinul termic. Odat ce a fost aleas i validat discretizarea final a domeniului de calcul, am validat modelul de turbulen ales iniial - k- SST - prin compararea cmpurilor mrimilor specifice ale aerului (vitez i temperatur) cu rezultatele obinute pentru apte modele de turbulen i datele de referin din msurri PIV i termografie IR. n ultimul capitol este propus un studiu numeric aprofundat al influenei intensitii turbulenei aerului asupra strii de confort termic percepute ce reprezint principala contribuie original n ceea ce privete abordarea numeric. Patru strategii de ventilare (amestec cu refulare n partea superioar, i n partea inferioar, deplasare i piston) sunt analizate din punctul de vedere al indicilor clasici de confort termic sau a unor corelaii ntre gradul de turbulen local i fluxul de cldur cedat prin convecie de ctre corpul uman. Pentru fiecare caz, se observ o intensificare a transferului de cldur prin convecie, exprimat printr-o cretere medie de 14% a fluxului de cldur convectiv, remarcnd chiar o cretere maxim de aproape 18% pentru strategia de ventilare prin amestec cu refulare n partea inferioar a ncperii studiate.

    Variind doar intensitatea turbulenei aerului impuse la nivelul dispozitivului de introducere a aerului am obinut diferene semnificative privind transferul de cldur prin convecie la nivelul corpului, i indirect o schimbare a strii de confort termic. n concluzie, putem spune c analiza distribuiilor fluxului convectiv pe suprafaa manechinului termic relev importana unui studiu detaliat al dinamicii curgerilor convective n jurul corpului uman n cadrul analizei confortului termic. Aceast constatare este ntrit de existena unor corelaii puternice ntre fluxul convectiv local i intensitatea turbulent local.

  • 6

    Abstract

    Looking through the current global economic context, energy efficiency in all its aspects should be part of our consciousness. Thus, the orientation towards new strategies that lead to energy savings in general, development of new methods for evaluating the system parameters or elements or upgrading existing ones become an absolute necessity. The main objective of this PhD thesis is to analyze the influence of air turbulence on thermal comfort. This parameter is rarely taken into account in assessing thermal comfort using different models and thermal comfort indices, international standards, some of them still remaining unchanged for more than two decades. In the first part of the thesis, we review the main concepts used in results chapters. Bibliographic chapter is the synthesis of the concepts in the literature that allowed us to get directions to a particular type of numerical study and to choose a specific experimental validation, according to existing results and available resources.

    In the next part, we presented the experimental device configuration that includes experimental cell, thermal manikin and measuring system. The most important part of this experimental campaign is designing a thermal manikin that can simulate and quantify human behavior in terms of heat transfer. The prototype Thermal Boy 1 has six separate electrical circuits for each body part that reproduce physiological local temperatures of the human body's regions.

    Regarding the numerical part of this thesis, we started by building a geometric model that reproduces the experimental cell and thermal manikin. Once the final mesh was chosen and validated for the numeric domain, we validated the turbulence model initially chosen - k- SST - by comparing specific fields of air velocity and temperature with the results obtained from seven turbulence models and reference data of PIV measurements and IR thermography. In the last chapter we proposed a numerical study of the influence of air turbulence intensity on the perceived thermal comfort being the main original contribution in terms of numerical approach. Four ventilation strategies (mixing ventilation with inlet at the upper and lower part of the room, displacement and piston) are analyzed in terms of the classic thermal comfort indexes or correlations between the degree of local turbulence intensity and convection heat flux released by the human body. For each case, we find an intensification of convective heat transfer expressed as an average increase of 14% of convective heat flux, even a maximum increase of almost 18% for mixing ventilation strategy with the inlet at the lower part of the studied the room.

    Varying only the air turbulence intensity, imposed at the inlet device we obtained significant differences on the convection heat transfer of by the body, and indirectly a change in state of thermal comfort. In conclusion, we can say that the analysis of convective heat flux distributions on the surface of the thermal manikin reveals the importance of a detailed study of the dynamics of convective flows around the body in the study of thermal comfort. This finding is reinforced by the existence of strong correlation between local convective flux and local turbulent intensity.

  • 7

    Rsum

    Dans le contexte conomique actuel, lefficacit nergtique dans tous ses aspects doit rentrer dans notre conscience. Lorientation vers des nouvelles stratgies conduisant en gnral une conomie dnergie, le dveloppement des nouvelles mthodes dvaluation des paramtres des systmes ou de leurs lments composants, ou lactualisation des mthodes existantes, se sont imposs comme une ncessit. Lobjectif principal de cette thse a t danalyser linfluence de la turbulence sur le confort thermique. Ce paramtre est aujourdhui trop peu pris en considration par les modles existants utiliss pour lvaluation du confort thermique prconiss par des rglementations et standards dont certains restent inchangs depuis plus dune dcennie.

    Dans la premire parte de la thse, nous passons en revue les principaux concepts que nous avons utilis et analyss ultrieurement dans les chapitres dtudes exprimental et numrique. Ltude bibliographique propos reprsente la synthse des principaux repres dans la littrature de spcialit qui nous ont permis de nous orienter vers un certain type dtude numrique et choisir la validation exprimentale, en fonctions des rsultats des prcdents tudes et des moyens que nous avons eu disposition.

    Nous avons prsent par la suite, la configuration du dispositif exprimental, incluant la cellule test, le mannequin thermique et le systme de mesure. La plus importante partie de cette campagne exprimentale est reprsente par la conception dun mannequin thermique qui peut simuler et quantifier le comportement de la surface du corps humain du point de vue thermique. Le prototype, appel Thermal Boy 1, a six circuits lectriques distinctes qui chauffent six rgions du corps pour reproduire leurs tempratures physiologiques.

    En ce qui concerne la partie numrique de cette thse, nous avons commenc par la construction du modle gomtrique qui reproduit fidlement la cellule exprimentale et le mannequin thermique. Une fois choisi et valid, le maillage final du domaine de calcul, nous avons aussi valid le modle de turbulence choisi initialement - k- SST - par comparaison des champs de vitesse et temprature numriques avec des donnes exprimentales obtenues par mesure PIV et thermographie IR. Dans le dernier chapitre, nous proposons une tude numrique approfondie de linfluence de lintensit turbulente des coulements dair autour du corps humain sur ltat de confort et sur les changes thermiques de celui-ci. Quatre stratgies de ventilation (mlange avec introduction de lair en partie suprieure et en partie infrieure, dplacement et piston) ont t analyses du point de vue des index classiques de confort et des corrlations entre les valeurs locales de lintensit turbulente et des flux convectifs locaux. Pour chaque cas nous avons observ une intensification du transfert convectif, en moyenne de 14%, avec des valeurs maximales de 18%, enregistres pour la ventilation par mlange avec introduction en partie infrieure de la pice.

    En variant lintensit turbulente au soufflage nous avons obtenu des diffrences significatives entre les flux convectifs changs par le corps humains indiquant une variation de ltat de confort, pour une mme stratgie de ventilation et mme conditions limites de tempratures et vitesses. En conclusion, nous pouvons affirmer que lanalyse des distributions du flux convectif sur la surface du mannequin thermique relve de limportance dune tude dtaille de la dynamique des coulements convectifs autour du corps humain dans le cadre de lanalyse du confort thermique. Cette constatation est renforce par lexistence des parfaites corrlations entre le flux convectif local et lintensit turbulente locale.

  • 8

  • 9

    Cuvnt nainte

    Aceast tez de doctorat a fost elaborat pe parcursul perioadei septembrie 2008 - iulie 2011,

    n cadrul Catedrei de Instalaii Hidraulice Termice i Protecia Atmosferei, din Universitatea Tehnic

    de Construcii Bucureti.

    Doresc s mulumesc pe aceast cale domnului prof. dr. ir. Walter Bosschaerts, domnului conf. dr.

    ing. Gilles Notton, domnului prof. dr. ing. Corneliu Blan i doamnei prof. dr. ing. Rodica Frunzulic

    pentru disponibilitatea de face parte din comisia de susinere a tezei i pentru timpul acordat analizei

    acesteia.

    Toate cercetrile din aceast tez au fost realizate sub directa ndrumare a doamnei prof. dr. ing.

    Iolanda Colda, conductorul tiinific al acestei teze i iniiatorul acestui subiect pasionant i complex,

    creia i mulumesc pentru ncrederea acordat i pentru sprijinul tiinific i moral.

    With regard to excellence, it is not enough to know, but we must try to have and use it. (Aristotel,

    Etica Nicomahica )sunt doar cteva cuvinte care pot transpune nsufleirea cu care colega mea,

    doamna ef lucr. dr. ing. Ilinca Nstase, m-a inspirat i mi-a dat avnt atunci cnd m credeam fr

    aripi. i mulumesc.

    mi exprim gratitudinea domnului prof. dr. ir. Walter Bosschaerts, pentru susinerea acordat pe toat

    perioada stagiului de specializare n metode numerice, n cadrul Departamentului de Mecanic al

    Academiei Militare Regale din Bruxelles. Tot aici, mulumesc pentru rbdarea i disponibilitatea de

    care au dat dovad, ori de cteori le-am cerut prerea domnilor capt. ir. Bart Janssens i ing. Rolf

    Wagemakers, din cadrul aceluiai departament.

    Mulumesc d-lui asist. dr. ing. Florin Bode si asist. dr. ing. Costin Ioan Cooiu pentru rbdarea i

    sfaturile preioase ce m-au ajutat s evit capcanele modelrii CFD pentru a evita pierderea unui timp

    preios n demersuri inutile.

    Mulumesc pentru ajutorul dat domnilor asist. ing. Alexandru Iatan, ing. Andrei Rou i asist. dr. ing.

    Florin Anton, n clipe n care totul prea un haos cu circuite electrice.

    Mulumesc domnului conf. dr. ing. Vlad Iordache pentru ajutorul acordat pe parcursul campaniei de

    msurri.

    Mulumesc colii Doctorale pentru sprijinul financiar i moral acordat n formarea mea ca cercettor,

    pe tot parcursul celor trei ani de studiu.

    Mulumesc domnului conf. dr. ing. Ctlin Lungu pentru completarea infrastructurii de cercetare

    utilizate n cadrul prezentei teze.

    Mulumesc colegilor din Facultatea de Inginerie a Instalaiilor n cadrul creia mi desfor activitatea,

    pentru atmosfera de colegialitate i prietenie, fiind unul din factorii care m-au ajutat s duc la bun

    sfrit aceast lucrare.

  • 10

  • 11

    Cuprins

    1. INTRODUCERE ............................................................................................................ 13

    2. STAREA ACTUAL A CERCETRII N DOMENIUL PREDICIEI CONFORTULUI TERMIC 19

    2.1 Scurt istoric al evalurii experimentale a confortului termic ..................................................... 19

    2.1.1 Indici de confort i modele utilizate ................................................................................... 19

    2.1.2 Manechine termice ............................................................................................................ 32

    2.2 Modelarea numeric i limitele ei n domeniul confortului ....................................................... 36

    2.2.1 Aspecte generale ale metodelor numerice cu aplicaie la studiul curgerilor de aer din cldiri .................................................................................................................................................. 36

    2.2.2 Ecuaii i modele matematice ............................................................................................ 39

    2.2.3 Modelarea turbulenei ....................................................................................................... 40

    2.2.4 Modelarea stratului limit................................................................................................. 62

    2.2.5 Discretizarea domeniului de calcul .................................................................................... 65

    2.2.6 Aplicaii ale modelelor CFD n domeniul confortului ...................................................... 79

    3. DISPOZITIVUL EXPERIMENTAL, PRINCIPII I ECHIPAMENTE DE MSUR FOLOSITE 91

    3.1 Celula experimental ............................................................................................................... 91

    3.2 Concepia manechinului termic i realizarea acestuia ............................................................... 92

    3.3 Principii de msur i echipamente utilizate ........................................................................... 101

    4. ALEGEREA I VALIDAREA MODELULUI NUMERIC ........................................... 115

    4.1 Generarea modelului geometric ............................................................................................. 115

    4.2 Alegerea discretizrii spaiale i studiul dependenei soluiei n funcie de calitatea discretizrii .................................................................................................................................................... 119

    4.3 Alegerea modelului de turbulen pentru cazul conveciei naturale n ncpere fr aport de aer din exterior .................................................................................................................................. 126

    4.4 Validarea modelului de turbulen pentru cazul cu jet de aer ................................................. 131

    4.5 Validarea final a geometriei corpului uman - comparaie cu dou modele simplificate ......... 136

    4.7 Parametrii finali ai modelului numeric .................................................................................. 145

    5. STUDIU NUMERIC APROFUNDAT AL FENOMENELOR STUDIATE .................. 147

    5.1 Descrierea cazurilor studiate .................................................................................................. 147

    5.2 Cazul ventilrii prin amestec cu refulare n partea superioar ................................................. 149

    5.3 Cazul ventilrii prin amestec cu refulare n partea inferioar .................................................. 177

    5.4 Cazul ventilrii prin deplasare ............................................................................................... 190

    5.5 Cazul ventilrii de tip piston .................................................................................................. 196

  • 12

    6. CONTRIBUII PERSONALE ...................................................................................... 217

    7. CONCLUZII GENERALE I PERSPECTIVE ............................................................. 221

    REFERINE BIBLIOGRAFICE ....................................................................................... 225

  • Introducere

    13

    1. INTRODUCERE

    Sistemele de ventilare i climatizare a aerului trebuie s asigure puritatea aerului vehiculat i s

    contribuie la meninerea condiiilor interioare confortabile pentru utilizatori, dat fiind faptul c n

    rile industrializate, oamenii petrec mai mult de 90% din timpul lor la interiorul cldirilor sau al altor

    ambiane interioare [1]. n contextul crizei energetice actuale i al unei emergene a contientizrii

    problemelor de legate de mediul nconjurtor de ctre liderii puterilor europene, exist o presiune

    crescnd asupra membrilor Uniunii Europene cu privire la o eventual reducere a consumurilor

    energetice cu cel puin 20% pn n 2020 [2]. Acest lucru reprezint de fapt o adevrat dilem cu

    care se confrunt principalii actori - proiectanii i mai ales autorii normativelor i standardelor de

    proiectare - din domeniul ventilrii i al climatizrii. Acetia din urm sunt practic pui s aleag ntre

    a aciona n direcia meninerii calitii aerului interior i economia de energie. Ultima tendin n

    acest domeniu sunt cldirile low energy ce nu ar trebui s depeasc 10 W/m n consum de energie.

    n consecin, n acest tip de cldiri puterile termice injectate ar trebuie s fie reduse n comparaie cu

    cldirile clasice, existente. n acelai timp, nu trebuie s uitm c oamenii, materialele de construcie,

    mobilierul, echipamentele electronice, cele de birou etc., sunt generatoare de poluare interioar [3-7].

    Debitele de aer reduse ar trebui s poat asigura o distribuie optim a aerului proaspt i a sarcinilor

    termice de rcire i/sau nclzire transportate. Rspunsul acestor probleme legate de calitatea aerului

    interior const pe de-o parte n dezvoltarea de dispozitive inovante de introducere a aerului n ncperi

    nsoite de strategii adecvate de difuzie a aerului n aceste spaii [8]. Pe de alt parte dezvoltarea de

    astfel de mijloace i strategii trebuie s fie strns corelat cu integrarea i mbuntirea mijloacelor

    existente de evaluare i predicie a calitii ambianelor studiate. Astfel, o abordare tehnologic de

    mbuntire a echipamentelor terminale i a strategiilor de utilizare, trebuie s fie precedat de o

    mbuntire a cunotinelor legate de evaluarea confortului termic i de mbuntirea tehnicilor

    experimentale folosite n mod curent ce nu sunt ntotdeauna adecvate scopului urmrit [9, 10].

    n acest context, principalul obiectiv al tezei de doctorat este analiza influenei turbulenei

    asupra confortului termic. Prin acest studiu dorim s mbogim cunotinele asupra unui parametru ce

    este dup prerea noastr prea puin discutat la ora actual, n contextul modelelor i indicilor utilizai

    pentru estimarea confortului termic n cldiri. Acetia din urm sunt definii de o serie de standarde i

    normative internaionale unele dintre ele neschimbate de mai bine de un deceniu. ntr-un articol din

    2001 [11], reputatul profesor Fanger, ntemeietorul primei coli de cercetri n domeniul confortului

    i printele acestui domeniu tiinific, arta c aceste normative sunt deja depite i urmrirea

    prescripiilor lor nu poate s conduc ctre asigurarea unor condiii acceptabile pentru majoritatea

    utilizatorilor: Avem nevoie de o reconsiderare a concepiei noastre legate de confort pentru a atinge

  • Introducere

    14

    excelena n domeniul calitii ambientale. Scopul nostru esenial ar trebui s fie acela de a furniza

    aer proaspt, nsoit de o senzaie plcut, revigorant, fr nici un efect negativ asupra sntii i

    o ambian termic confortabil pentru toi utilizatorii., spunea profesorul n [11]. n acelai timp

    dac considerm dou articole de tip bibliografic la o distana de 20 de ani - [12] i [13] putem

    observa c nu s-a schimbat nimic n definirea i utilizarea acestor modele i indici de evaluare a

    confortului din ambiantelor interioare. Ne punem astfel ntrebarea, n ce msur intensitatea turbulent

    a curgerilor generate de diferite dispozitive de introducere a aerului n ncperi poate afecta senzaia

    de confort i de asemenea, care sunt consecinele unei evaluri incomplete propuse pe baza

    modelelor existente? Cum este afectat concepia sistemelor de ventilare i climatizare din cauza

    utilizrii acestor modele pentru pre-evaluarea parametrilor interiori?

    n prima sa parte, manuscrisul de tez este organizat n jurul studiului strii actuale a cercetrii,

    urmrindu-se cu precdere dou direcii, i anume: metode, modele i indici specifici pentru predicia

    a confortului termic n spaii interioare i tehnici numerice de simulare a curgerilor turbulente,

    utilizate n cazul studiului curgerilor de aer din cldiri. Astfel Capitolul 2, propune o trecere n revist

    a principalelor concepte i rezultate din literatura de specialitate viznd studiul numeric i

    experimental al confortului termic i ai principalilor si parametri. Acest capitol reprezint sinteza

    cutrilor noastre iniiale de repere din literatur ce ne-au permis s ne orientm ctre un anumit tip de

    studiu numeric i s alegem o anumit validare experimental, n funcie de rezultatele existente i de

    mijloacele puse la dispoziie.

    n cadrul acestui studiu, care sperm c va deschide calea unor noi perspective de abordare a

    cercetrilor din acest domeniu, nu am considerat util abordarea numeric cu ajutorul unui model

    termoregulator. Aa cum am putut constata pe baza studiilor existente n literatur, acest lucru ar fi

    revenit la o abordare similar cu aceea dat de utilizarea indicilor de confort termic i deci revenirea la

    o serie de ipoteze simplificatoare. Acest lucru nu ar fi corespuns cu natura nsi a ntrebrilor ridicate

    ce ine de comportamentul dinamic al curgerilor de aer. Am hotrt din acest motiv s ne orientm

    ctre modelele de tip CFD (Computational Fluid Dynamics) i studiul experimental. ntr-adevr,

    studiul aprofundat al relaiei dintre rspunsul sistemelor, al corpului uman i al parametrilor de

    dimensionare sau de funcionare necesit un numr foarte mare de experimente. n acest context,

    modelele de tip CFD au ctigat o mare popularitate n domeniul nostru pe parcursul ultimei decade.

    O problem cu care ne confruntm n cazul studiilor ce folosesc o astfel de abordare este legat de

    faptul c nc nu se acord o importan suficient curgerilor convective generate de sursele de

    cldur cum ar fi corpul uman, curgeri ce pot ele nsele s afecteze distribuia aerului din ncperi

    [14]. n general, atunci cnd este vorba de studii ce realizeaz simulri ale comportamentului termo-

  • Introducere

    15

    aeraulic al spaiilor ventilate, atenia investigatorilor este captat de curgerile de aer generate de

    dispozitivele de introducere a aerului. Aa cum este artat de ctre Kosonen et al. [14] zona sau zonele

    de localizare a valorilor vitezei maxime a aerului ntr-o ncpere este influenat de intensitatea

    surselor de cldur i de distribuia acestora n ncpere. n consecin, interaciunea dintre diferitele

    tipuri de curgere (cureni de convecie, curgeri uniforme i/sau jeturi de aer) ar trebui luat n

    considerare atunci cnd un studiu se ndreapt ctre estimarea confortului pornind de la aceste

    simulri. n acelai timp, rezultatele obinute din simulrile CFD trebuie s fie validate pornind de la

    msurri experimentale realizate n condiii ct mai apropiate de cele reale, pentru a permite apoi

    exploatarea lor n cadrul unor studii parametrice. Campaniile experimentale ce folosesc subieci umani

    sunt costisitoare, dureaz mult i prezint un caracter subiectiv, fiind greu de validat. Uneori,

    abordarea experimental poate s ridice probleme de siguran (cum ar fi cazul msurrilor de viteze

    PIV (Particle Image Velocity) ce nu pot fi fcute direct n jurul unei persoane din cauza riscului

    asociat radiaiei laser). n acest caz, un bun compromis const n utilizarea manechinelor termice

    descrise n Capitolul 2 ce pot reprezenta un corp uman ntr-o form mai mult sau mai puin realist

    [15]. Ca noutate, n ultimul timp ncepe s i fac timid apariia n literatura de specialitate ideea

    folosirii de modele CFD cuplate cu modele nodale adaptive pentru simularea sistemului termo-

    regulator uman [16-18]. Acestea ar trebui s-i gseasc corespondena pentru validare n studiile

    experimentale ce utilizeaz manechine termice cu algoritmi de reglare adaptivi.

    n ceea ce privete studiul nostru, am decis s abordm subiectul ales pe cale numeric fr

    cuplarea modelului CFD cu un model de termoreglare, principalul avantaj constnd ntr-o economie

    semnificativ a resurselor de calcul. Considerm de altfel c, dat fiind originalitatea acestui studiu de

    cercetare, abordarea noastr poate fi o prim etap de analiz ce deschide perspective interesante de

    studiu. n acest context, am decis s investigm n ce msur turbulena generat de dispozitivele de

    refulare, n diferite configuraii afecteaz confortul termic, folosind att indicii clasici (PMV, PPD,

    DR) dar i alte abordri originale (de exemplu - corelaii ntre turbulen i fluxul de cldur

    convectiv dintre corpul uman i mediul su ambiant).

    n cadrul acestor lucrri am decis s ne orientm direct ctre un model geometric de corp uman

    realist, o astfel de abordare fiind motivat de dezvoltarea n paralel a unei alte idei - aceea de a realiza

    un manechin termic de laborator cu forme i capabiliti apropiate de cele ale manechinelor termice

    comerciale. Pe de o parte, lucrrile cele mai recente din literatura de specialitate demonstreaz ntr-

    adevr, importana formei realiste a suprafeelor ce compun corpul uman ca manechin termic virtual

    [19, 20]. Pe de alt parte, aceste lucrri se regsesc ntr-un numr relativ redus ceea ce ne-a ncurajat

    n demersul de a ncepe acest studiu prin construcia unui manechin termic virtual.

  • Introducere

    16

    Bazndu-ne de asemenea pe lucrri din literatura recent, modelul de turbulen k-omega

    SST se dovedete cel mai fiabil dintre modelele cu dou ecuaii atunci cnd este dorit reproducerea

    unor curgeri relativ complexe, caracterizate de valori ale numrului Reynolds relativ mici, aa cum

    este cazul curentului de convecie generat de corpul uman sau al unui jet de aer utilizat pentru

    ventilare [21]. Am ales deci acest model pentru abordarea noastr numeric, iar studiul ulterior

    realizat pentru discretizarea spaial a grilei de calcul a fost realizat pentru acest model de turbulen.

    Odat aleas grila de discretizare final, am validat aceast alegere a modelului de turbulen

    comparnd cmpurile de vitez i temperatur a aerului cu rezultatele obinute pentru apte modele de

    turbulen i datele de referin din msurri PIV i termografie IR (Infra-Red). Din cauza faptului c

    panaul convectiv generat de ctre corpul uman este curgerea ce ridic cele mai multe probleme ntr-

    un astfel de studiu [8, 14], aceast comparaie a fost realizat n cazul de baz, cel in care nu avem

    alt curgere dect cea convectiv. Aa cum vom vedea n Capitolul 4, alegerea modelului k-omega

    SST s-a dovedit judicioas, regsind pentru acesta cele mai apropiate profile de vitez i temperatur

    comparate cu rezultatele experimentale.

    Odat realizat aceast confruntare dintre modelele de turbulen cele mai puin costisitoare

    din punct de vedere al resurselor de calcul i disponibile n codul comercial CFD Fluent, am decis s

    verificm cum se comport modelul k-omega SST n cazul n care pe lng curentul de convecie

    generat de corpul uman este introdus o curgere de aer controlat. n cazul acestor lucrri de cercetare

    am investigat mai multe configuraii de curgeri ntlnite n situaii reale corespunztoare sistemelor de

    ventilare a ncperilor. Am ales cazul unor sisteme cu introducere concentrat a aerului (strategie cu

    refulare la partea superioar a ncperii i aspiraie la partea inferioar i strategie cu refulare la

    partea inferioar a ncperii i aspiraie la partea superioar), cu introducere distribuit a aerului

    printr-o suprafa perforat ce simuleaz un sistem de ventilare prin deplasare i un sistem de

    distribuie de tip piston. Primele dou cazuri menionate corespund posibilitii reale de validare

    experimental, celula test din laboratorul Facultii de Inginerie a Instalaiilor fiind prevzut cu un

    sistem de distribuie a aerului ce permite realizarea acestor dou strategii. Modelul numeric geometric

    al celulei test reproduce celula test experimental utilizat n cadrul campaniei experimentale de

    validare. Astfel un al doilea set de validri a cuprins compararea pe de-o parte a profilelor de vitez i

    turbulen ntr-un jet izoterm obinute din msurri PIV i din simulri numerice utiliznd modelul k-

    omega SST, iar pe de alt parte a cmpurilor de vitez i temperatur n panaul convectiv n cazul

    prezenei aceluiai jet. Acest al doilea set de validri dovedindu-se satisfctor, am dorit s verificm

    o alt problem ce ne-a preocupat de la nceputul acestei lucrri i anume: pentru un model de

    turbulen dat, cum influeneaz rezultatele obinute alegerea geometriei mai mult sau mai puin

    realiste a corpului uman. Am fi putut realiza o economie n termeni de resurse de calcul, alegnd o

  • Introducere

    17

    geometrie de corp uman mai simpl i o discretizare mai simpl? Ar fi putut o astfel de geometrie s

    produc rezultate similare cu cele obinute n cazul manechinului termic virtual (MTV) realist?

    Aceast ntrebare ne-a motivat s realizm o comparaie ntre trei tipuri de MTV i discretizri

    corespunztoare nainte de a merge mai departe. Aceste rezultate au fost comparate la sfritul

    Capitolului 4 nainte de abordarea studiului numeric propriu zis din Capitolul 5. Analiza lor ne-a

    reconfortat cu privire la alegerea modelului geometric realist i a motivat studiul aprofundat ulterior.

    Am considerat necesar nainte de a trece mai departe la prezentarea rezultatelor numerice

    obinute i a demersului prealabil necesar pentru alegerea i validarea modelelor utilizate, s trecem n

    revist metodele i principiile de msur folosite la validarea experimental realizat. Astfel n

    Capitolul 3 am prezentat mai nti celula experimental i condiiile de msur dat fiind importana

    acesteia n modelul numeric ce a fost dezvoltat avnd la baz caracteristicile geometrice ale standului

    existent, dorind posibilitatea validrii experimentale. Am continuat prin prezentarea principalei

    contribuii originale n realizarea standului experimental din cadrul acestui studiu, i anume

    concepia i construcia unui manechin termic experimental cu ase zone distincte. Pe parcursul

    primului an dedicat acestui studiu, am realizat faptul c putem concepe i realiza un dispozitiv

    experimental robust cu mult mai puine mijloace materiale, ns principalul avantaj al unui astfel de

    manechin este dat de posibilitatea de a controla concepia i realizarea precum i a mbuntirii

    ulterioare n funcie de necesitai i dezvoltarea cunoaterii. Prototipul de manechin termic Thermal

    Boy 1 dezvoltat i utilizat n cadrul acestei teze de doctorat este primul sperm noi dintr-o serie de

    astfel de dispozitive dezvoltate la Facultatea de Inginerie a Instalaiilor i deschide noi perspective de

    cercetare i de cooperare cu alte Universiti Europene. Thermal Boy 1 are ase segmente

    reprezentate de circuite electrice ce corespund braelor, picioarelor (cte un circuit pentru fiecare

    picior i bra), capului i trunchiului. Acestea sunt realizate dintr-o band de cupru foarte subire

    folosit n mod normal pentru realizarea planeelor nclzitoare. Fiecare circuit este controlat de ctre

    un micro-controller cuplat cu cte doi senzori de temperatur. Prototipul este dotat cu o plac de

    achiziie a semnalelor de temperatur i cu un software dedicat ce permite nregistrarea semnalului de

    temperatur de la diferiii senzori precum i impunerea unei temperaturi a suprafeei segmentului sau

    de putere electric injectat. Strategia de control poate fi modificat tot prin intermediul acestui

    software. Capitolul 3 se ncheie prin prezentarea metodelor i principiilor de msur de cmp a

    vitezelor i temperaturilor curgerilor de aer studiate i a echipamentelor de msur utilizate.

    Capitolul 5 prezint studiul numeric al influenei turbulenei asupra confortului termic i

    reprezint contribuia noastr original din punct de vedere al abordrii numerice. Cele patru

    strategii de ventilare (sus/jos, jos/sus, deplasare i piston) sunt studiate cu ajutorul indicii clasici de

  • Introducere

    18

    confort i al unor corelaii originale ntre gradul de turbulen local i fluxul convectiv schimbat ntre

    corpul uman i ambiana sa. O contribuie important a acestui studiu este constituit de evidenierea

    unor corelaii ntre turbulen i fluxul de cldur convectiv dintre corpul uman i mediul su ambiant

    i gsirea unor legi de variaie pe de-o parte a fluxului convectiv, iar pe de alt parte a indicelui PMV

    n funcie de intensitatea turbulent local.

    Capitolul 6 prezint pe scurt o trecere n revist a tuturor contribuiilor originale realizate pe

    parcursul acestor lucrri de cercetare ce constituie teza de doctorat.

    Manuscrisul se ncheie cu Capitolul 7 ce prezint concluziile generale ale lucrrii precum i

    perspectivele pe termen scurt i mai ndeprtat ale acestui studiu.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    19

    2. STAREA ACTUAL A CERCETRII N DOMENIUL PREDICIEI CONFORTULUI TERMIC

    2.1 Scurt istoric al evalurii experimentale a confortului termic

    2.1.1 Indici de confort i modele utilizate

    Atunci cnd ne gndim la o cldire, aceasta trebuie s ndeplineasc dou condiii: s fie

    confortabil i funcional, n conformitate cu cerinele ocupanilor. Cldirea trebuie s i protejeze pe

    acetia de condiiile exterioare nefavorabile i s le asigure o ambian i o calitate a aerului interior

    agreabile. Confortul termic este o noiune subiectiv definit printr-un cumul de senzaii i este

    asigurat de totalitatea factorilor ce influeneaz starea termic resimit de ocupantul unei incinte, de

    aceea o definiie universal a acestei noiuni este dificil de dat. Confortul termic uman este uneori

    definit a nsemna totalitatea condiiilor pentru care o persoan nu ar prefera un mediu diferit [22]. O

    alt definiie prevzut de standardul american ASHRAE 55 [23] explic confortul termic ca fiind o

    noiune subiectiv corelat cu starea de bine fizic i psihologic n acord cu mediul nconjurtor.

    Deoarece, fiinele umane sunt diferite, aceasta noiune se refer de obicei la un set de parametri optimi

    pentru care, dintr-un grup de persoane, cel mai mare procent posibil dintre ele, resimt o senzaie

    confortabil cu privire la mediul nconjurtor [24].

    Starea de confort termic proprie fiecrui individ este legat de metabolismul acestuia, de

    activitate, de mbrcminte i de starea de sntate, acestea jucnd un rol important n percepia ei. Pe

    de alta parte, cldirea poate influena, din punct de vedere termic starea de confort prin :

    Temperatura aerului i suprafeelor interioare;

    Viteza aerului i gradul de turbulen;

    Suprafee radiante (radiatoare i panouri radiante, soare );

    Natura suprafeelor n contact cu corpul uman (suprafee reci, suprafee calde);

    Umiditatea relativ a aerului;

    Confortul termic poate fi atins prin diferite combinaii ale acestor parametri [25]. Aportul

    pozitiv sau negativ al unui parametru poate fi sporit sau contrabalansat de un alt parametru.

    mbrcmintea este unul dintre parametrii cei mai uor de modificat pentru meninerea confortului

    termic. Micarea aerului n jurul corpului poate influena, de asemenea, confortul pentru c intervine

    n transferul convectiv de cldur intensificndu-l. Vitezele mari de micare a aerului determin

    creterea ratei de evaporare a transpiraiei/perspiraiei nsoite de apariia senzaiei de rece sau reduc

    efectul de disconfort corelat cu umiditatea ridicat.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    20

    O privire de ansamblu asupra modalitilor prin care se poate atinge confortul termic uman este

    dat de echilibrul termic al corpului uman care reprezint bilanul ntre cldura produs ca rezultat al

    metabolismului i cldura schimbat cu mediul exterior (termoliza) prin convecie, conducie, radiaie

    i evaporare (Fig. 1).

    Fig. 1 Repartiia schimburilor de cldur la o persoan sedentar, n funcie de temperatura ambiant, considerata omogen, dup [26]

    Activitatea metabolic a corpului const n transformarea alimentelor ingerate n energie i alte

    componente necesare corpului cu eliminarea apei, a dioxidului de carbon i a deeurilor diverse.

    Energia asigur funciile vitale ale organismului i activitatea muscular, rezultnd o degajare de

    cldur cu meninerea temperaturii interne n jurul valorii de 37C. Producia de cldura (numit i

    termogenez) este rezultatul activitii metabolice. Aceasta din urm este direct influenat de nivelul

    activitii fizice.

    Pentru atingerea echilibrului termic, corpul uman variaz permanent raportul ntre cldura

    cedat i produs. Meninerea acestui echilibru este prima condiie pentru a atinge o senzaie neutr

    din punct de vedere termic. Fanger [24] arta c sistemul termoregulator al omului este destul de

    eficient i tinde mai nti s realizeze un echilibru termic aproximativ fr s existe cu adevrat

    confort pentru a ajusta apoi reacia s la stimulii exteriori.

    Ecuaia de bilan termic a corpului uman poate fi exprimat sub forma urmtoare [24]:

    M-W= E +C+R+(Cres+Eres) (1)

    Unde :

    M: cldura produs prin metabolism [W];

    W: fluxul de energie consumat de om pentru realizarea unei activiti, n general acesta este

    neglijat [W];

    E: cldura cedat prin difuzia vaporilor de ap prin piele i prin evaporarea

    perspiraiei/transpiraiei [W];

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    21

    Cres: cldura sensibil cedat prin respiraie [W];

    Eres: cldura latent cedat prin respiraie [W];

    R: pierderea radiativ de cldur de la suprafaa exterioar a mbrcmintei [W];

    C: cldura cedat mediului ambiant prin transfer convectiv [W];

    Din aceast relaie putem observa cu uurin c evaporarea transpiraiei este mecanismul

    propriu principal de ajustare termic a corpului uman. ntr-adevr, n demersul su de a gsi mijloace

    de predicie a situaiilor pentru care se poate ajunge la senzaia de confort termic, Fanger a investigat

    procesele fiziologice ale corpului i a determinat c doar rata de transpiraie i temperatura medie a

    pielii influeneaz bilanul de cldur, ambele fiind o funcie a nivelului de activitate [24].

    Privit n mod global, organismul uman este homeoterm, adic sistemul su termoregulator

    poate menine o temperatur intern stabil (constant), fr ca aceasta s fie influenat de variaia

    parametrilor mediului sau nconjurtor, n anumite limite de supravieuire. Aceast temperatur este

    de obicei mai mare dect cea a mediului nconjurtor. Analiznd corpul uman la nivel intern, de fapt

    acesta prezint o parte heteroterm (cu temperatura variabil n anumite limite) care presupune

    extremitile i o parte homeoterm compus din organele cu un metabolism ridicat i cu o

    temperatur constant - organele interne, capul etc. [27] .

    Reglarea termic a corpului necesit c hipotalamusul s fie n continuu informat despre variaia

    condiiilor exterioare. Acest lucru este posibil cu ajutorul termoreceptorilor localizai n piele, n

    anumite organe interne i n sistemul nervos central [27]. Sensibilitatea termic se rezum n mare la

    dou tipuri de senzaii opuse: senzaia de rece i senzaia de cald. n funcie de aceste informaii,

    corpul uman reacioneaz n concordan pentru a crea starea de echilibru.

    Termoreceptorii cutanai sunt terminaii nervoase sensibile la variaiile de temperatur la nivelul

    pielii i transmit informaii ctre hipotalamus declannd mecanismul de rcire sau nclzire a

    acestuia. Aceti senzori de temperatur sunt de dou tipuri, n funcie de informaiile captate. Astfel

    terminaiile nervoase sensibile la rece sunt localizate n stratul de celule de baz al epidermei, spre

    deosebire de cele sensibile la cald localizate mai departe de suprafaa pielii i anume n derm.

    Repartiia acestor senzori pe suprafaa corpului este diferit astfel nct exist regiuni mai sensibile

    la rece dect altele. De asemenea, numrul celor dou tipuri de termoreceptori difer, terminaiile

    nervoase sensibile la rece fiind mult mai numeroase dect cele sensibile la cald. Astfel pe un

    centimetru ptrat, se gsesc aproximativ de 3 pn la 12 ori mai muli termoreceptori sensibili la

    rece dect la cald [27].

    Reglarea schimburilor de cldur se realizeaz incontient. Dac posibilitile de reglare ale

    corpului sunt depite, atunci n mod contient omul intervine asupra restabilirii strii de echilibru

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    22

    termic: ajustarea mbrcmintei, crearea unor cureni de aer, apropierea sau deprtarea de o surs de

    cldur sau frig etc.

    Cnd corpul nu mai poate ceda cldur suficient, intervin dou procese: vasodilataia care duce

    la irigarea abundent a pielii i procesul de transpiraie/perspiraie. Cnd temperatura intern ncepe s

    scad, se declaneaz vasoconstricia i crete producerea de cldur intern prin activarea muchilor,

    ceea ce duce la tremurat. Transpiraia/perspiraiasudaia presupune evaporarea unei cantiti de ap la

    suprafaa pielii. Eficiena acestui proces depinde de temperatura mediului ambiant, de umiditatea

    relativ i de viteza aerului.

    Cel mai folosit model de estimare cantitativ a confortului termic a fost sugerat de ctre Fanger

    [24]. El a realizat un studiu n care subieci mbrcai cu haine standardizate i care depuneau o

    activitate standardizat erau expui la diverse condiii termice. n concordan cu ceea ce resimeau,

    subiecii evaluau aceast stare utiliznd scala ASHRAE [23] cu apte valori. n alte studii subiecilor li

    s-a cerut s i ajusteze hainele, temperatura ambiant etc. pentru a obine starea termic neutr.

    -3 foarte rece

    -2 rece

    -1 rcoros

    0 neutru zona acceptabil

    +1 cldu

    +2 cald

    +3 foarte cald

    Fig. 2 Scala de valori ale opiunilor de senzaie termic medie [23]

    Analiznd relaiile legate de termoreglare i de bilanul de cldur la nivelul corpului, Fanger

    propune indicele PMV- Votul Mediu Previzibil (Predicted Mean Vote) [24] (sau Opiunea Medie

    Previzibil [28]), n concordan cu scala ASHRAE. Introducnd n relaia de echilibru termic al

    corpului uman mrimile fizice exterioare acestuia care influeneaz fenomenele de transfer de cldur

    (temperatura aerului, temperatura medie radiant, presiunea parial a vaporilor de ap i viteza

    relativ aerului) i variabilele individuale (rezistena termic a mbrcmintei, nivelul de activitate i

    temperatura medie a pielii), se obine relaia urmtoare :

    = 3,96 10 [( + 273) ( + 273)

    ] + ( ) + 3.05[5.73

    0.007( ) ] + 0.42[( ) 58.15] + 0.0173(5.87 ) + 0,0014(34

    ) (2)

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    23

    Unde :

    = 35.7 0.0275( ) {( ) 3.05[5.73 0.007( ) ]

    0.42[( ) 58.15] 0.0173(5.87 ) 0,0014(34 )} (3)

    M: cldura produs prin metabolism [W/m2] (Tabel 1);

    W: lucrul mecanic efectuat [W/m2];

    tcl: temperatura corpului uman (C);

    pa: presiunea vaporilor de ap (mm Hg);

    ta: temperatura mediului ambiant (C);

    tcl: temperatura la suprafaa mbrcmintei (C);

    Icl: gradul de izolare (rezistenta termic) a mbrcmintei (indic, n general, capacitatea de a

    reduce transferul de cldur);

    fcl: factorul mbrcmintei (indic creterea relativ de cldur a corpului n raport cu corpul

    nembrcat);

    tmr: temperatura radiant medie (C);

    hc: coeficientul transferului convectiv de cldur (Wm/C);

    Tabel 1: Valori ale ratei metabolice n funcie de activitate

    Activitate M [W/m2]

    Sedentar ~60

    Activitate uoar ~80

    Activitate medie ~100

    Activitate grea >170

    Atunci cnd ecuaia de echilibru termic propus de Fanger este satisfcut, cldura generat de

    corpul uman este astfel disipat nct nu exist o cretere sau o scdere a temperaturii corpului [24].

    Revenind la indicele PMV, definit n ISO-7730 [29], acesta este descris de ecuaia:

    = (0.303. + 0.028){( ) 3.05[5.73 0.007( ) ] 0.42[(

    ) 58.15] 0.0173(5.87 ) 0,0014(34 ) 3,96 10 [( + 273)

    ( + 273)] ( )} ( 4)

    Unde este temperatura la nivelul hainelor din ecuaia (3).

    Valorile indicelui PMV sunt cuprinse ntre -3 i 3 ca i cele ale scrii ASHRAE. Ele cuantific

    prerea medie a unui grup de subieci cu privire la starea de confort. Asociat acestui parametru este

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    24

    indicele PPD (Predicted Percent of Dissatisfaction) ce indic procentul din ocupanii unei incinte

    aflai n disconfort termic (Fig. 3):

    = 100 95[(0.03353 + 0.2179)] ( 5)

    O valoare de 10% a indicelui PPD corespunde unui interval de valori PMV cuprins ntre -0.5 i

    +0.5. Chiar i pentru PMV = 0, aproximativ 5% din ocupanii incintei sunt n disconfort (Fig. 3).

    Fig. 3 Relaia ntre procentajul de persoane nemulumite de ambian (PPD) i votul mediu previzibil (PMV) (dup [24])

    Pentru precizarea condiiilor ambientale n termeni de confort termic se folosesc diferii

    parametri (factori). Unii dintre acetia sunt direci (temperatura termometrului uscat, temperatura

    punctului de rou, temperatura termometrului umed, umiditatea relativ sau presiunea parial a

    vaporilor de ap, viteza relativ a aerului), alii sunt derivai (temperatura medie de radiaie,

    temperatura operativ sau de lucru, efortul termic, intensitatea turbulenei aerului sau scara de

    turbulen).

    Temperatura operativ reprezint temperatura aerului i cea distribuit uniform pe suprafaa

    unei anvelope imaginare cu care o persoan va schimba aceeai cantitate de cldur prin radiaie i

    convecie ca cea din mediul considerat.

    Temperatura medie de radiaie depinde de temperatura suprafeelor nconjurtoare i

    reprezint temperatura distribuit uniform pe suprafaa unei anvelope negre imaginare cu care o

    persoan schimb aceeai cantitate de cldur prin radiaie ca cea din mediul considerat.

    Umiditatea relativ a aerului nu are dect o mic influen asupra senzaiei de confort, atta

    timp ct este cuprins n intervalul 30% - 70%.

    Intensitatea turbulenei aerului reprezint abaterea mede ptratic a semnalului de vitez

    pentru un interval de timp fa de valoarea vitezei mediate pe acel interval.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    25

    Scara de turbulen reprezint lungimea caracteristic a unui vrtej considerat.

    Fig. 4 red temperatura operativ optimal, adic cea care d un PMV nul n funcie de activitate

    i mbrcminte, pentru o vitez a aerului sczut i o umiditate relativ normal. Poriunile umbrite

    specific ecartul acceptat n jurul temperaturii ideale, astfel nct PMV este cuprins ntre -0.5 i +0.5,

    pentru un nivel de activitate specific.

    Fig. 4 Temperatura operativ ideal n funcie de mbrcminte i metabolism (dup[30] i [31])

    Ecuaia lui Fanger pentru calculul PMV este utilizabil n urmtorul domeniu :

    ambian interioar controlat;

    metabolism ntre 46 i 230 W/m2 (0.8 .. 4 met);

    mbrcminte cu rezistena termic ntre 0 i 0,31 m2K/W (0 .. 2 clo);

    temperatura operativ a aerului ntre 10 i 30 C;

    viteza relativ a aerului mai mic de 1 m/s;

    umiditatea relativ ntre 30 i 70%;

    n normativul european EN ISO 7730 [30] se propun trei categorii sau clase de confort,

    corespunznd unor exigene ridicate, medii sau minime : A, B, respectiv C.

    innd cont de activitatea uzual n diverse tipuri de cldire, se pot defini temperaturile

    interioare de confort, respectiv vitezele de aer maxime, pentru categoriile de confort desemnate (EN

    ISO 7730), dup cum putem vedea n tabelul urmtor:

    Act

    ivit

    ate

    Act

    ivit

    ate

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    26

    Tabel 2: Clase de confort pentru diverse tipuri de cldiri i parametrii interiori recomandai

    Tip de cldire Activitate [W/m2]

    Categoria cldirii

    Temperatura operativ

    [C]

    Vara Iarna

    Valoarea maxim a

    vitezelor medii [m/s]

    Vara Iarna

    Birou Sala de conferin Auditoriu Restaurant/Cafenea Sala de clasa

    70

    A 24.51.0 22.01.0 0.12 0.1

    B 24.51.5 22.02.0 0.19 0.16

    C 24.52.5 22.03.0 0.24 0.21

    Grdini 81 A 23.51.0 20.01.0 0.11 0.1 B 23.52.0 22.02.5 0.18 0.15 C 23.52.5 22.03.5 0.23 0.19

    Supermarket/Mall 93 A 23.01.0 19.01.5 0.16 0.13 B 23.02.0 19.03.0 0.2 0.15 C 23.03.0 19.04.0 0.23 0.18

    Astfel, pentru cldirile din domeniul comercial ct i rezidenial, unde activitatea este n medie

    de 1.1 met, temperatura operativ ideal iarna (mbrcminte 1 clo) este cuprins ntre 18 i 24C, iar

    vara (mbrcminte 0,5 clo) este cuprins ntre 22 i 26C.

    Factori de disconfort local

    Ecuaia lui Fanger nu ine cont de diveri factori de inconfort suplimentari cum ar fi : gradientul

    vertical de temperatur, temperatura solului, asimetria de radiaie sau senzaia de cureni reci. Chiar

    dac din calcul reiese un PMV n jurul valorii 0, exista posibilitatea ca procentul de persoane care se

    simt inconfortabil s fie mai mare fa de valoarea PPD calculat, din cauza acestor senzaii de

    disconfort local. Astfel valoarea PPD se mrete, limita acceptat n aceste condiii fiind de 20%

    (valoare acceptat n rile n care este utilizat metoda Fanger).

    Senzaia de curent (Draft Sensation) este caracterizat prin procentul de persoane deranjate de

    curentul de aer, acesta trebuind s fie mai mic de 15% ( EN ISO 7730) [29]. Aceasta este definit ca

    fiind o rcire nedorit a corpului uman cauzata de micarea aerului de ctre ASHARE [32] i

    reprezint o problem des ntlnit n domeniul teriar [33-36]. Procentul de persoane nemulumite

    cauzat de acest fenomen este definit prin indicele de curent Draft Rate (DR), exprimat de urmtoarea

    ecuaie:

    = (34 ) ( 0.05). (0.37 + 3.14) ( 6)

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    27

    n care:

    ta- temperatura medie a aerului;

    av

    - viteza medie a aerului;

    Tu- intensitatea turbulenei, fiind raportul ntre abaterea medie ptratic a componentei

    turbulente a vitezei i viteza medie;

    Acest model este aplicabil pentru urmtoarele condiii:

    metabolism 60 W/m2 activitate sedentar;

    mbrcminte cu rezistena termic de 0.75 clo;

    temperatura aerului 20.. 26 C;

    viteza medie a aerului ntre 0.1 i 0.4 m/s;

    intensitatea turbulenei ntre 10 i 70%;

    Pentru cele trei clase de confort se propun urmtoarele valori pentru PMV, PPD i DR:

    Tabel 3: Valori recomandate ale indicilor PMV, PPD, DR pentru cele trei clase de confort

    Clasa de confort

    Starea de echilibru termic a corpului

    Inconfort local - procentul de persoane nemulumite

    PPD PMV Cureni de aer rece

    Gradient vertical de

    temperatura

    Temperatura solului

    Asimetria de temperatura

    [C]

    A (ridicat)

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    28

    pardoseal. Percepia disconfortului depinde de nclmintea purtat, dar i de caracteristicile termice

    ale pardoselii. Dac temperatura solului este ntre 19C i 29C, procentul de nemulumii este mai mic

    de 10% - EN ISO 7730 [29].

    Asimetria de radiaie este dat de diferena ntre temperaturile a dou suprafee. Este de

    remarcat faptul c un plafon rece va fi mai bine suportat fa de un plafon cald, pe cnd un perete cald

    este preferat unuia rece.

    O alt modalitate de evaluare a confortului termic rezult din utilizarea criteriului temperaturii

    efective pentru senzaia de curent de aer EDT (Effective Draft Temperature) [37] i a unei limite de

    minim 80% de satisfacie a ocupanilor[38]. Indicele EDT este dat de urmtoarea formul:

    = ( ) 8( 0.15) ( 7)

    Unde: Tx temperatura local [C];

    Tr temperatura medie a ncperii [C];

    vx viteza local considerat de maxim 0.35 m/s [m/s];

    Valorile obinute n urma calculelor indexului EDT ar trebui s se ncadreze ntre 1.1 K (indic

    o senzaie de cald) i -1.7 (indic o senzaie de rece) pentru o ambian confortabil. Aceste valori

    sunt luate n calcul pentru o activitate sedentar (de birou).

    n urma criteriilor considerate, a fost realizat o procedur de analiz bazat pe valorile de

    vitez i temperatur msurate n puncte echidistante situate n zona ocupat sau n planul median al

    grilei de refulare. Numrul de puncte n care EDT-ul calculat se afl ntre limitele precizate mai sus,

    raportat la numrul total al punctelor, este definit ca fiind un index de performan a difuziei aerului,

    ADPI (Air Diffusion Performance Index). Cercettori ai Universitii din Kansas [39] au artat

    dependena indicelui ADPI i de tipul dispozitivului de refulare, de sarcina termic a ncperii, de

    debitul de aer vehiculat i de geometria spaiului locuit. Aceast dependen a ADPI-ului de factori

    externi l exclude totui ca indice universal de evaluare a confortului termic.

    Studii privind viteza i turbulena aerului n literatura de specialitate

    Cercetri realizate ntre anii 1960 i 1970 au analizat influena vitezei aerului asupra strii de

    confort [40]. Iniial a fost studiat efectul asupra cedrii de cldur la nivelul corpului uman, pentru ca

    apoi s se concentreze asupra inconfortului local produs. S-a ajuns la concluzia c disconfortul

    ocupanilor crete cu mrirea vitezei aerului i descreterea temperaturii.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    29

    n 1977 Fanger i Pedersen [40] au studiat efectul temperaturii aerului, vitezei i a unei fluctuaii

    bine stabilite a curgerii de aer. S-a constatat c senzaia de disconfort produs de curentul de aer este

    perceput mai mult n cazul unei curgeri fluctuante.

    n general, n cldiri se constat o fluctuaie aleatorie a curgerii aerului. Aceasta poate fi

    caracterizat prin intensitatea turbulenei aerului (deviaia standard a vitezei raportat la viteza medie

    a aerului). Astfel, n 1986, Fanger i Christensen [33] au studiat relaia ntre turbulena aerului i

    senzaia de curent de aer. Pe baza rezultatelor, autorii au realizat o hart a senzaiei de curent de aer

    rece.

    n 1988, Fanger et al. [34] propun o relaie care s exprime senzaia de curent de aer. Concluzia

    studiului lor a fost: un curent de aer cu intensitatea turbulenei mare este resimit ca fiind neplcut

    de mai multe persoane fa de un curent de aer cu o intensitate turbulent sczut. Pentru un anumit

    procentaj de persoane care sunt deranjate de senzaia de curent, o vitez medie semnificativ poate fi

    resimit ca fiind acceptabil atunci cnd curentul de aer are o intensitate turbulent sczut.

    Aceste rezultate i-au permis lui Fanger s formuleze modelul de predicie a procentului de persoane

    nemulumite cu privire la senzaia de curent (DR).

    n 1994, Oseland [41] a boservat c majoritatea studiilor se axeaz pe aspectul negativ al

    senzaiei de curent, iar Arens [42] a remarcat faptul c viteze de pn la 1m/s pot fi utilizate fr

    probleme la cureni de aer cu temperaturi de cel puin 29 C. Studii similare susin acest lucru,

    ajungnd la concluzia c o curgere turbulent poate avea un efect perceput ca plcut al curentului de

    aer n anumite condiii de temperatur [43].

    O serie de alte studii au analizat influena a diveri factori asupra aprecierii procentajului de

    persoane nemulumite. n [44] este studiat influena temperaturii i direciei aerului. Comparativ cu

    un jet vertical, un jet orizontal produce o senzaie de disconfort mai accentuat. n 2001 [35] aceiai

    autori verific ipotezele c senzaia de curent de aer crete cu viteza, cu scderea temperaturii aerului

    i c senzaia de disconfort scade cu intensificarea activitii, senzaia neplcut general de curent de

    aer fiind invers proporional cu aceasta. La nivel local, senzaia de curent de aer este accentuat. n

    2001, Griefahn i Kunemund [45] studiaz efectul genului, vrstei i strii de oboseal asupra

    disconfortului local cauzat de curenii de aer. Studiile de laborator au indicat c vrsta nu are nici o

    influen, ns este specificat c n situaiile uzuale vrstnicii au o activitate metabolic mai redus i

    deci sunt mai sensibili la curent, iar acest lucru trebuie luat n considerare. Femeile sunt de asemenea

    mai sensibile i resimt mai mult senzaia de disconfort. Un alt parametru interesant este starea de

    oboseal, observndu-se c aceasta influeneaz semnificativ percepia disconfortului cauzat de

    curentul de aer.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    30

    Validitatea modelului de Draft Rate al lui Fanger a fost pus la ndoial de mai muli cercettori,

    n cazurile n care parametrii considerai nu corespund limitelor menionate pentru ecuaia (6). Astfel,

    n 1991, pe baza studiilor sale, Fountain [12] arta c expunerea repetat a subiecilor n curentul de

    aer le afecteaz sensibilitatea, acetia fiind influenai de experimentul care l precede pe cel curent.

    Toftum [46] introduce o corecie n formula propus de Fanger, adugnd un termen ce ine cont de

    metabolism i activitatea depus. Pentru aceasta, propune ca temperatura pielii s fie exprimat n

    funcie de metabolism (M) i de nivelul de activitate (W):

    = 32.3 + 0.079 0.019( ) ( 8)

    Ceea ce conduce la urmtoare formulare a lui DR:

    = ( ) ( 0.05). (0.37 + 3.14) [1 0.013(

    70)] ( 9)

    Modelul lui Fanger pentru senzaia de curent de aer a fost totui puin dezbtut i corectat. n

    general, disconfortul produs de curenii de aer a fost luat n considerare mai puin, confortul termic

    fiind legat n principal de temperatur i umiditatea aerului.

    n formula pentru evaluarea draft rate, din ecuaia (6), apare intensitatea turbulenei aerului,

    Tu. Acest parametru influeneaz foarte mult transferul termic convectiv i de aceea trebuie studiat

    efectul asupra senzaiei de disconfort produse. Exist doar cinci studii care au abordat acest parametru.

    n 2002, Griefahn, Kunemund et al. [36] analizeaz importana vitezei aerului i intensitii

    turbulenei n aprecierea senzaiei termice produse de un jet orizontal izoterm de 23 C. Scopul acestui

    studiu a fost, pe lng demonstrarea importanei vitezei i turbulenei aerului, s se verifice dac

    ponderea vitezei aerului este adecvat n modelul de draft rate propus de Fanger. 17 persoane cu o

    activitate sedentar au fost observate n cadrul unor sesiuni de o or n care jeturi orizontale erau

    ndreptate ctre acestea, n aceleai condiii n care Fanger a realizat studiul n care determin modelul

    de draft. Viteza medie a avut patru valori: 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 m/s, iar intensitatea turbulenei a avut 4

    trepte: 70%. Au fost colectate rspunsurile subiecilor n legtur cu starea de

    disconfort produs, n paralel fiind msurate n permanen temperaturile la nivelul antebraelor i

    gtului. S-a observat creterea disconfortului la nivel local sau la nivelul ntregului corp odat cu

    creterea vitezei i intensitii turbulenei. Descreterea temperaturii pielii a fost determinat doar de

    creterea vitezei i nu neaprat a turbulenei (fapt explicat de McIntyre n 1979 [47] prin abilitatea

    limitat a organelor termo-receptoare de a se adapta la stimuli variabili, pe cnd la stimuli constani -

    flux laminar, sensibilitatea scade). Comparnd rezultatele obinute experimental cu valorile obinute

    cu modelul DR, acestea din urm sunt mai mici pentru cazul n care viteza medie este mai mic de 0.3

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    31

    m/s i mai mari pentru 0.4 m/s. Astfel, pentru o activitate sedentar s-a ajuns la concluzia c senzaia

    de curent de aer la 23 C este tolerat atta timp ct vitezele medii nu depesc 0.2 m/s i intensitatea

    turbulenei este mai mic de 30%.

    Fig. 5 Dispozitivul de refulare cu cele dou intensiti turbulente [48]

    Pentru un sistem de ventilare personalizat (PV), un grup de cercettori asiatici au analizat

    performana termic a unui sistem de acest tip pentru dou intensiti turbulente diferite. Astfel n

    2007, Sun et al. [48] au comparat voturile termice a 24 de subieci cu rezultatele gsite (pierderea de

    cldur zonal) cu ajutorul unui manechin termic cu respiraie, alctuit din 26 de segmente. Modulul

    de refulare al ventilrii personalizate a fost echipat cu dou dispozitive pentru a reda o intensitate

    turbulent (Tu) redus (15%) i una ridicat (40%), Fig. 5. n urma analizei rezultatelor, s-a ajuns la

    urmtoarea concluzie: la 15 cm de fa, dispozitivul cu Tu redus menine un cmp de viteze mai mare

    la nivelul feei i realizeaz o rcire mai eficient la nivelul capului i o senzaie termic facial mai

    pregnant, ceea ce poate duce la un risc de senzaie de curent de aer. O intensitate turbulent mai mare

    face ca aerul refulat s se amestece mai rapid cu aerul interior i, deci, s i schimbe temperatura mai

    repede.

    Confortul termic n zonele ventilate depinde, dup cum am vzut mai sus, de temperatura

    aerului, vitez i intensitatea turbulenei. Modulul vitezei, numit generic vitez medie, este n general

    msurat cu senzori omnidirecionali tip sfer, n timp ce vectorul vitez medie este rezultat din

    msurrile direcionale i simulrile CFD.

    n ceea ce privete scara turbulenei, studiile din literatura de specialitate au fost realizate

    analiznd curgerea unui curent de aer n jurul unor forme geometrice: sfer, cilindru etc. n 2002, F.

    Peyrin i A. Kondjoyan [49] studiaz efectul scrii integrale turbulente asupra transferului de cldura

    n jurul unui cilindru plasat ntr-o curgere de aer. Efectul intensitii turbulente este foarte mare n

    procesul de schimb de cldur convectiv. n acest studiu, intensitatea turbulenei este meninut la

    14%, iar scara de turbulen are valorile de 0.05 i 0.10 m, determinnd variaia coeficienilor de

    transfer n jurul cilindrului. Scara de turbulen a variat cu diametrul perforaiilor dintr-un panou de

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    32

    distribuie a aerului i cu distana locului de refulare. Se ajunge la concluzia c dublnd scara de

    turbulen la o intensitate turbulent de 14%, intervin anumite schimbri n distribuia coeficienilor de

    transfer la suprafaa cilindrului. Totui, pentru acest caz, autorii consider c efectul scrii turbulenei

    asupra mediei coeficienilor de transfer este foarte redus, mai ales comparativ cu efectul intensitii

    turbulenei asupra fluxului convectiv.

    Am trecut n revist pn acum principala categorie de determinri experimentale ce au stat la

    baza determinrii principalilor indici de confort amintii n acest sub-capitol. Un alt tip de experimente

    utilizate n domeniul studiului confortului termic utilizeaz manechinele termice. Acestea din urm

    acoper o gam larg de instrumente de la abordri simplificate ale corpului uman pn la modele

    sofisticate ce sunt n acelai timp i instrumente de msur. De aceea am considerat necesar

    prezentarea lor n capitolul urmtor.

    2.1.2 Manechine termice

    Istoria consemneaz un prim model de manechin ca model al corpului uman n Florena-Italia la

    sfritul secolului al XV-lea, fiind utilizat ca model pentru schiele de desen. Primul manechin termic

    a fost manufacturat pentru armata SUA n prima jumtate a secolului XX, fiind alctuit dintr-un singur

    segment de cupru, fr cap i mini, nclzit intern de o aeroterm. n 1942 autorul a colaborat cu

    inginerii de la General Electric Co. i a construit un manechin cu exterior de cupru i circuite electrice

    ce asigurau o temperatur uniform a suprafeei. Minile i picioarele puteau avea temperaturi diferite,

    fiind apoi utilizat i n cercetri legate de ambiana interioar. Studiile din ce n ce mai aprofundate au

    dus la realizarea unor manechine cu mai multe suprafee controlate independent. De-a lungul timpului

    s-au folosit diverse materiale, cele din urm manechine fiind construite din aluminiu sau plastic, astfel

    nct manipularea acestora s nu pun probleme legate de sigurana utilizatorilor. Un alt pas

    semnificativ nainte a fost introducerea tehnicilor de automatizare i control, ducnd la msurri mult

    mai precise.

    Pentru c un manechin termic ce st numai n picioare limiteaz situaiile experimentale, au fost

    fabricate manechine cu articulaii ce au permis exploatarea diverselor posturi ale corpului uman. Apoi,

    aceste articulaii au dus la manechine termice mobile, fiind simulat un corp uman n micare.

    Majoritatea acestor manechine este utilizat pentru testarea hainelor. Istoria fabricrii acestor

    manechine este prezentat n Tabel 4.

    Manechinele termice au nceput s fie din ce n ce mai utilizate, acestea mbuntindu-se

    permanent, ajungnd s se comporte ct mai uman, avnd integrat un sistem de respiraie sau chiar

    de perspiraie la nivelul pielii.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    33

    Manechinele termice sofisticate 1 utilizate n cadrul studiilor de confort sunt instrumente

    costisitoare i delicate totodat, dar care prezint multe avantaje n cercetare, cum ar fi: simularea

    fidel a corpului uman, msurri ale transferului de cldur, metode de msurare a rezistenei termice

    a hainelor, msurri rapide, repetabile i corecte etc. Un manechin termic performant poate msura

    transferul de cldur prin convecie, radiaie i conducie pe toat suprafaa, fie c primete sau c

    cedeaz cldur. n funcie de numrul de segmente rezoluia spaial poate crete, manechinele de

    ultim generaie avnd mai mult de 100 de segmente individual reglate. Un manechin termic poate fi

    supus unor teste de lung durat, repetabile, sub condiii extreme sau chiar periculoase pentru corpul

    omenesc, fr ca aceste condiii s influeneze rezultatele n mod subiectiv.

    Odat cu definirea valorii de 1 CLO pentru rezistena termic a unui ansamblu de haine, a fost

    nevoie de o metod pentru determinarea acesteia. Primele manechine au fost construite n acest scop.

    Totodat s-a ajuns la concluzia c manechinele termice pot fi folosite pentru evaluarea

    ambianelor termice create de diverse sisteme de climatizare (HVAC). Aceasta metod a fost din ce n

    ce mai utilizat, odat cu necesitatea unei economii de energie cuplat cu necesitatea obinerii

    confortului termic interior, n special n industria auto [50, 51]. Pentru evaluarea distribuiei i

    temperaturii aerului n cldiri de locuit s-au folosit aceleai principii, fiind analizat comportamentul

    unui manechin termic plasat n diferite condiii ambientale [52-54]. Manechinele pot simula orice

    temperatur i distribuie a acesteia pe piele sau diferite fluxuri de cldur cedate (ca natur i

    intensitate). Astfel pot fi testate diverse ambiane, rezultatele fiind interpretate n termeni de confort

    termic. Pe lng aceste rezultate, manechinele termice ajut la evaluarea calitii aerului interior i a

    curgerii acestuia, a hainelor, distribuia unor poluani etc.

    Un pas important n simularea comportamentului uman a fost introducerea procesului de

    respirare la manechin ([55], [56]), deschizndu-se astfel noi direcii de cercetare n ceea ce privete

    curgerea aerului n ncperi.

    Manechinul Walter [57], mbuntit cu un sistem de producere a perspiraiei printr-un

    material textil umezit cu ajutorul unor pompe, i regleaz temperatura cednd cldura prin evaporare.

    Thermal Observation Manikin, sau prescurtat manechinul TOM [57], a fost creat pentru

    msurarea acumulrilor de cldura n condiii de expunere la surse de cldur n industria

    automobilelor. Aceste manechine incorporeaz un model termo-fiziologic de rspuns ce ine cont de

    traductorii de flux termic, de senzorii de temperatur i puterea sursei i care este transpus ntr-un vot

    de senzaie termic (thermal sensation vote).

    1 n sensul fidelitii reproducerii corpului uman i al posibilitilor de msur a confortului

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    34

    Interesul tot mai mare asupra confortului termic a dus la dezvoltarea unui nou tip de manechin

    termic ca parte component dintr-o suit de echipamente de evaluare a ambianelor din cabinele

    automobilelor [58].

    Tabel 4: Istoria manechinelor termice experimentale

    Denumire Alctuire Material Postura Tara de

    fabricaie/ anul

    SAM 1 segment cupru n picioare SUA 1942

    ALMAKIN 11 segmente aluminiu n picioare Anglia 1964

    CEPAT400 1 segment aluminiu n picioare Frana 1972

    HENRIK2 16 segmente plastic n picioare/eznd Danemarca 1973

    CHARLIE 16 segmente plastic n picioare/eznd Germania 1978

    SIBMAN 16 segmente plastic n picioare/eznd Suedia 1980

    VOLTMAN 19 segmente plastic n picioare/eznd Suedia 1982

    ASSMAN 36 segmente plastic n picioare/eznd Suedia 1983

    TORE 19 segmente plastic n picioare/eznd Suedia 1984

    CLOUSSEAU 7 segmente plastic n picioare/eznd Suedia 1987

    COPELIUS manechin care

    transpir

    plastic n picioare/eznd Finlanda 1988

    NILLE manechin

    femeie

    plastic n picioare/eznd Danemarca 1989

    HEATMAN 36 segmente plastic n picioare/eznd Suedia 1991

    WALTER manechin care

    transpir

    textil n picioare/eznd Hong Kong1991

    HEATMAN 36 segmente plastic n picioare/eznd Frana 1995

    NILLE manechin care

    respir

    plastic n picioare/eznd Danemarca 1996

    SAM manechin care

    transpir

    plastic n picioare/eznd Elveia 2001

    TOM 26 segmente cupru n picioare/eznd SUA 2003

    ADAM 126 segmente polimer n picioare/eznd SUA 2003

    Manechinul ADAM (ADvanced Automotive Manikin) are 126 de segmente metalice acoperite cu

    material compozit ce pot fi controlate independent ca temperatur, umiditate i flux de cldura

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    35

    eliberat. Manechinul este controlat prin cabluri sau wireless, avnd un transmitor pentru datele de

    ieire i pentru datele de intrare. Un ventilator intern simuleaz realist procesul de respiraie.

    Utilizarea manechinelor termice n cercetare i standardizare a crescut din ce n ce mai mult n

    ultimii ani. Pentru un studiu de cercetare, un manechin termic trebuie s redea rezultate precise,

    corecte i fiabile. Uneori, cerinele problematicii puse n discuie pot impune un anumit aspect, form

    i anumite performane. Astfel, manechinele nu trebuie s fie compatibile i comparabile unele cu

    altele. Pentru testare, dac valorile rezultate trebuie comparate cu cele ale altor laboratoare, atunci

    manechinul i metodologia utilizat ar trebui standardizate.

    n ceea ce privete complexitatea formei manechinului termic, n diferite studii, Topp et al. [59,

    60] arat c ntr-o ncpere, curgerea de aerului i distribuia de temperaturi nu sunt influenate de

    forma geometric a manechinului. Este recomandat o form mai detaliat atunci cnd sunt studiai

    parametrii din apropierea ocupanilor.

    Valorile obinute cu diferite manechine trebuie s fie comparabile doar atunci cnd au fost

    utilizate aceleai limite ale condiiilor testate. Impunerea anumitor condiii i cerine legate de

    manechinele termice conduc astfel ctre o standardizare a metodei de evaluare a diferitor parametri,

    procedur aplicabil destul de dificil avnd n vedere c n uz sunt deja mai mult de 100 de manechine

    termice.

    Toate aceste abordri experimentale, att cele ce utilizeaz manechine termice, ct i cele ce

    utilizeaz subieci umani, trebuie s in cont de dependena dintre rspunsul corpului uman i variaia

    independent a multitudinii de parametri evocai anterior. De aceea, pentru stabilirea unor concluzii

    pertinente, este necesar un numr mare de experimente. Acest lucru are drept rezultat un cost ridicat al

    studiilor experimentale att din punct de vedere al resurselor materiale ct i al timpului. n acest

    context, simulrile numerice cum ar fi cele de tip CFD (Computational Fluid Dynamics) au ctigat o

    popularitate crescnd n domeniul studiului calitii ambianelor interioare i al confortului termic n

    ultimele decenii. O problem major legat de acest domeniu de cercetare este reprezentat de faptul

    c o concepie judicioas a parametrilor implicai trebuie s in cont i de curenii de convecie

    generai de sursele de cldur, cum ar fi corpul uman, ce pot s schimbe dramatic configuraia

    curgerilor de aer studiate [14]. n general sunt luate n considerare doar de curgerile controlate

    generate de dispozitivele de refulare. Studii recente [14] arat c poziia zonei n care sunt localizate

    valori maxime ale vitezei aerului este influenat de repartiia i intensitatea surselor de cldur din

    ncpere. De aceea, interaciunile dintre curgerile de aer implicate sunt de o importan esenial

    atunci cnd se dorete studiul confortului termic. Am considerat necesar s realizm n sub-capitolul

    urmtor o descriere a problemelor implicate de modelarea numeric i a limitelor presupuse de aceast

    abordare, precum i a principalelor modele utilizate n domeniul nostru.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    36

    2.2 Modelarea numeric i limitele ei n domeniul confortului

    2.2.1 Aspecte generale ale metodelor numerice cu aplicaie la studiul curgerilor de aer din cldiri

    nelegerea n detaliu a curgerii aerului n ncperi este crucial n conceperea instalaiilor de

    nclzire, ventilare i climatizare (HVAC) a ncperilor locuite cu scopul de a obine maximul de

    confort termic i calitate ambiental. Cu toate acestea, trebuie inut cont n permanen de eficiena

    din punct de vedere energetic a sistemelor luate n calcul.

    Rezultatul dorit al unui sistem de distribuie a aerului ntr-o ncpere este acela de a aduce

    aerul proaspt, de a compensa necesarul de cldur sau frig i de a crea o ambian plcut n zona

    de ocupare. Percepia ocupanilor este influenat de diveri factori ce pot aprea ntr-o ncpere:

    viteza aerului, temperatura, umiditatea, turbulena aerului, precum i concentraia diverilor poluani,

    neuniformitatea ambianei, diverse mirosuri etc.

    Modalitatea n care circul aerul este n direct legtur cu geometria ncperii, existena

    oamenilor, poziionarea ferestrelor i a gurilor de refulare i extracie, precum i cu natura sistemelor

    de ventilare/climatizare.

    Msurrile legate de micarea aerului, de distribuia de temperatur i poluani pot caracteriza

    cu succes ambianele studiate, ns prezint dezavantajul timpului i al costurilor implicate.

    Efectuarea de studii experimentale la scara cldirilor este foarte complex, de aceea realizarea unui

    model experimental global cu toate fenomenele ce intervin este greu de realizat, dac nu cvasi-

    imposibil. Odat cu apariia sistemelor de calcul i cu perfecionarea acestora, au fost deschise noi

    perspective de studiu n toate domeniile fizicii inclusiv n ingineria civil datorit posibilitilor

    nelimitate de modelare numeric a fenomenelor implicate.

    n general, modelarea const n reprezentarea unui obiect sau fenomen (sau a unui ansamblu de

    obiecte i fenomene) sub diferite forme, plecnd de la realitatea iniial i utiliznd ipoteze

    simplificatoare. n multe domenii, dar mai ales n cadrul tiinelor inginereti, modelarea prin

    mijloace numerice este de nenlocuit n zilele noastre. n cadrul conceperii sistemelor, modelele

    numerice permit efectuarea de simulri i obinerea soluiei optime.

    n orice domeniu, un model numeric trebuie s satisfac pe ct posibil dou condiii eseniale:

    exhaustivitate i fiabilitate [61]. Aa cum este artat de ctre Teodosiu [61], exhaustivitatea

    reprezint capabilitatea modelului de a reprezenta toate aciunile ale cror efecte asupra fenomenelor

    nu pot fi neglijate. Acelai autor indic faptul c putem distinge ntre dou tipuri de fiabilitate cea

    fizic ce nseamn capabilitatea modelului de a reprezenta fenomenele reale (verificabil printr-o

    abordare experimental) i cea numeric care este dat de posibilitatea obinerii unei soluii

    numerice a modelului.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    37

    n cadrul oricrui proces de modelare numeric putem distinge trei etape principale: analiza

    fundamentului fizic, construcia modelului matematic i construcia modelului numeric.

    Construcia modelului fizic reprezint analiza fenomenelor ce trebuie a fi luate n considerare

    de ctre model, relevante pentru situaia studiat i adoptarea unor ipoteze simplificatoare. Cu alte

    cuvinte un anumit numr de mrimi fizice vor fi luate n considerare n timp ce altele vor fi

    considerate ca fiind neglijabile pentru evoluia modelului.

    Construcia modelului matematic reprezint transpunerea n limbaj matematic a modelului

    fizic conceput anterior, exprimnd totodat i gradul de complexitate a acestuia i precizia dorit

    pentru reproducerea fenomenului [62].

    Modelul numeric const n atribuirea valorilor pentru parametrii modelului matematic n

    vederea obinerii ecuaiilor modelului, dar variabilele problemei sunt necunoscute. Complexitatea

    modelului matematic este de obicei redus prin metode numerice specifice (de exemplu metoda

    diferenelor finite, elementelor finite i volumelor finite) sau prin reducia sa (nlocuirea modelului

    complex printr-un model de dimensiuni mult mai reduse i pentru care soluia reprezint o bun

    aproximare a modelului complet). Sintetiznd, etapa de modelare numeric propriu-zis permite

    transformarea problemei continue, matematice, ntr-o problem numeric discret.

    n procesele practice de modelare cele trei etape descrise mai sus nu sunt neaprat distincte,

    iar decurgerea lor depinde de cele mai multe ori de fenomenele modelate.

    n domeniul studiului termic, aeraulic i al calitii aerului n ambianele interioare din cldiri

    sau alte spaii ocupate de persoane, se folosesc n general ca i model matematic, ecuaiile de

    conservare a masei, micrii i energiei n structura unui sistem de ecuaii cu derivate pariale.

    Modelele numerice folosesc n general trei tipuri de metode i anume: metoda diferenelor finite,

    metoda elementelor finite, i metoda volumelor finite.

    n funcie de scara spaial a domeniului investigat (cldire, camer, zon restrns) i

    fenomenele investigate distingem modele nodale, zonale i de tip CFD (Computational Fluid

    Dynamics) (Fig. 6). Acestea din urm vor fi repertoriate i discutate n cele ce urmeaz pentru c ele

    reprezint alegerea noastr pentru studiul abordat n aceast lucrare.

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    38

    Fig. 6:Tipuri de modele utilizate pentru modelarea numeric a fenomenelor din ambianele interioare

    Orientarea ctre modelele CFD a fost motivat de posibilitile oferite de ctre acestea. Scopul

    dezvoltrii acestui tip de modele este acela de a nlocui mijloacele experimentale ntr-o serie de

    situaii n care abordarea experimental ar ridica probleme deosebite sau pentru studii parametrice ce

    ar necesita un timp ndelungat. Ele sunt bazate pe rezolvarea numeric a ecuaiilor Navier-Stokes

    Posibila cuplare ntre modele

    Modele de cmp

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    39

    pentru ansamblul punctelor de discretizare din domeniul studiat. Rezolvarea ecuaiilor de conservare

    a masei, cantitii de micare i a energiei permite cunoaterea n orice punct a distribuiei diferitelor

    variabile de stare. Particularitatea unei discretizri fine sau foarte fine (milioane de celule de control)

    permite simularea foarte fin a curgerilor de aer dintr-un domeniu, n cazul nostru la interiorul unei

    ncperi. Acest aspect constituie motivul principal pentru care ne-am orientat ctre acest tip de

    abordare numeric dat fiind c intenia este aceea de a studia influena unor parametri corelai cu

    dinamica fluidelor i cu rezolvarea fin i foarte fin a curgerilor de aer.

    2.2.2 Ecuaii i modele matematice

    Modelarea de tip CFD implic utilizarea unui sistem de ecuaii cu derivate pariale format din:

    Ecuaia de continuitate ce exprim conservarea masei de fluid.

    Ecuaiile de micare Navier-Stokes, ce exprim conservarea cantitii de micare.

    Ecuaia energiei Fourier-Kirchhoff ce exprim conservarea energiei.

    n cazul curgerilor i fenomenelor de transfer termic din domeniul nostru introducem i

    urmtoarele ipoteze simplificatoare: fluidul este considerat newtonian, de obicei monofazic,

    incompresibil, supus cmpului gravitaional i cu o viscozitate constant. n aceste condiii, ecuaiile

    enumerate mai sus pot fi exprimate n felul urmtor:

    Fie componenta vitezei definite ntr-un reper cartezian pe direcia (i=1,2,3), cu axele x, y, i z. Ecuaia de continuitate se poate scrie pentru un volum elementar de fluid n modul urmtor:

    +

    () = 0 ( 10)

    Iar ecuaia de conservare a cantitii de micare va avea forma :

    ()

    +

    =

    + ( 11)

    Unde : t este timpul, sunt coordonatele carteziene x, y, z (i=1,2,3), este componenta vitezei pe directia , p este presiunea, densitatea, viscozitatea dinamic, iar termenul ine cont de eventuale surse.

    Ecuaia de conservare a energiei pentru un volum elementar de fluid se scrie n modul urmtor:

    () +

    () =

    + ( 12)

    Unde = / este coeficientul de difuzie, = / este numrul Schmidt pentru fluid,

    viscozitatea dinamic, Cp cldura specific, conductivitatea termic, T temperatura i un termen surs.

    Modelarea de tip CFD se poate realiza cu diferite grade de finee i aproximare a variaiilor

    temporale i spaiale ale parametrilor fluidului, astfel putem distinge ntre modele DNS (Direct

  • Starea actual a cercetrii n domeniul prediciei confortului termic

    40

    Numerical Simulation), LES (Large Eddy Simmulation) i modele statistice tip RANS (Reynolds

    Averaged Navier- Stokes).

    2.2.3 Modelarea turbulenei

    Curgerile de fluide sunt prezente n jurul nostru fie c este vorba de natur sau de aplicaii

    tehnice. n cadrul acestora turbulena este o caracteristic dominant a curgerilor. Ea este o proprietate

    a curgerii, nu a fluidului n cauz. Turbulena nu are o definiie specific, ci se caracterizeaz mai

    degrab prin proprietile sale [63, 64].

    Atunci cnd o curgere este turbulent, mrimile fizice precum viteza i presiunea, variaz rapid

    i aleatoriu, iar temperatura i concentraia sunt caracterizate printr-o difuzivitate crescut.

    Mult vreme tiina nu a dat un rspuns concret dac turbulena este sau nu aleatorie. i dac

    nu, care este setul de ecuaii care caracterizeaz aceast curgere, cum se ntmpl n restul

    fenomenelor din natur. S-a ajuns apoi la concluzia c numai sistemele neliniare pot caracteriza o

    micare haotic i ntmpltoare [65]. Cu toate acestea, turbulena nu este pe deplin neleas, acest

    lucru rmnnd marea provocare a oamenilor de tiin.

    Turbulena este o stare a micrii unui fluid caracterizat de structuri spaiale ce se dezvolt n

    timp, denumite vrtejuri. Acestea au diferite mrimi caracteristice, cele mai mari dintre ele fiind de

    acelai ordin de mrime cu lungimea caracteristic a curgerii (de exemplu, diametrul unei conducte,

    nlimea unei ncperi, diametrul unui difuzor, etc.). Aceste vrtejuri au i o vitez caracteristic bine

    definit n funcie de scara lor spaial i de viteza curgerii. Cnd ntlnim un regim turbulent, acesta

    domin de obicei orice alte fenomene de curgere, rezultnd o cretere a disiprii energiei, a

    amestecului i transferului de cldur. Carac

of 231/231
1 UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI Facultatea de Inginerie a Instalațiilor Catedra de Instalații Hidraulice,Termice și Protecția Atmosferei TEZĂ DE DOCTORAT STUDII TEORETICE ȘI EXPERIMENTALE REFERITOARE LA INFLUENȚA TURBULENȚEI AERULUI DIN ÎNCĂPERILE CLIMATIZATE ASUPRA CONFORTULUI TERMIC Doctorand Ing. Cristiana Verona Popescu (căsătorită Croitoru) Conducător științific Prof. univ. dr. ing. Iolanda Colda BUCUREȘTI 2011 Universitatea Tehnică de Construcții București
Embed Size (px)
Recommended