¿Utiliza métodos CFD para estudiar la humedad interior y la distribución del agua de condensación?
Palabras clave: CFD condensación simulada CFD condensación simulada humedad ventilación
1. Introducción
El problema del ambiente de humedad es diferente de otros problemas de contaminación interior. La humedad también lo es. Las ciudades pequeñas tienen graves repercusiones en el rendimiento de los edificios y en la salud de sus ocupantes. Si la humedad es demasiado baja, las personas experimentarán molestias como sequedad, lo que provocará grietas en las paredes y deformación de las tablas. Además, según investigaciones de estudiosos nórdicos, la tasa de supervivencia de los gérmenes de la gripe aumenta significativamente en condiciones de baja humedad; Por un lado, la humedad excesiva provocará grietas en las paredes y deformación de los tableros. La condensación en la superficie y en el interior de la pared reduce la fractura térmica y la durabilidad de la pared, afectando la vida útil del edificio [1]. La humedad supera el 70%, provocará la multiplicación de una gran cantidad de moho (hongos) y provocará alergias, asma y otras enfermedades que afectarán la salud de los residentes [2-5]. Debido al vasto territorio de nuestro país, el ambiente de humedad interior en diferentes regiones tiene características diferentes. Por lo tanto, es de gran importancia realizar una investigación en profundidad sobre la humedad ambiental interior.
Con el rápido desarrollo de las funciones informáticas, la tecnología de simulación CFD se utiliza cada vez más en el campo del entorno construido, como la distribución del campo de temperatura interior, la eficiencia del intercambio de aire y el microambiente alrededor del cuerpo humano. Sin embargo, hasta ahora, pocos investigadores nacionales y extranjeros han utilizado la tecnología CFD para analizar y estudiar la distribución de la humedad interior [6, 7], y no se han realizado investigaciones sobre la formación y el desarrollo de la condensación interior a este respecto.
2. Modelo de corrección CFD considerando cálculos de humedad y condensación.
Este estudio utiliza el modelo estándar de turbulencia k-ε. Sin embargo, considerando que los cambios en la densidad del aire cuando el contenido de vapor de agua es grande afectarán el cálculo de la flotabilidad, el modelo se modificó de acuerdo con el método propuesto por Kondo et al [8] y se introdujo βx en el término de flotabilidad. Los modelos de cálculo de CFD de humedad y agua de condensación corregidos se muestran en la Figura 1, y el modelo de cálculo de CFD de agua de condensación se muestra en la Tabla 1. Dado que la formación de condensación es un proceso dinámico, se proponen dos indicadores que cambian con el tiempo: a partir del tiempo t, 1) la cantidad de condensación por unidad de área de pared CON(s,t 2) la cantidad total de condensación en la pared SUMCON); (t). El método de cálculo y su integración con el modelo CFD se muestran en la Figura 1.
Además, las fuentes de humedad en los edificios, como baños y cocinas, tienen grandes superficies de agua libre. La temperatura del agua es generalmente mucho más alta que la temperatura del aire circundante. Las moléculas de vapor de agua van acompañadas de calor. proceso de difusión intercambiado al mismo tiempo. Si no se tiene en cuenta esta transferencia simultánea de calor y humedad, se producirán grandes errores en los resultados de los cálculos de la distribución de la temperatura y la humedad interior y del flujo de aire. Dado que hay pocos estudios en esta área [9], encontramos que las cantidades de humedad y transferencia de calor m y qm de la superficie del agua libre están determinadas por las siguientes fórmulas, y luego el flujo ascendente de humedad y calor se utiliza como límite interno condición y se sustituye en el cálculo CFD:
Fig. 1 Proceso de cálculo de condensación en el modelo de cálculo CFD de condensación húmeda
Fórmula de cálculo del modelo Tabla 1 Ecuación de continuidad:
Ecuación de movimiento:
Ecuación de transmisión:
Ecuación de transferencia de calor:
Ecuación de transferencia de vapor de agua:
Ecuación:
Coeficiente de viscosidad del vórtice y otros términos relacionados:
(1)
(2)
En la fórmula, el número de interiores cambios de aire, h-1
-corresponde a la presión de vapor saturado de la temperatura del agua,
-presión parcial de vapor del aire circundante,
; -Temperatura del agua, ℃;
-Temperatura del aire ambiente, ℃;
-El calor inerte de evaporación del vapor de agua, kJ/kg; Calor específico constante del aire, kJ/(kgK).
-El parámetro recientemente propuesto representa la relación entre la disipación de calor real causada por la difusión del vapor de agua y la disipación de calor máxima en el caso de un intercambio de calor total del vapor de agua. De hecho, dado que una parte del vapor de agua sólo sufre un intercambio de calor sensible sin cambio de fase, este valor debería estar entre 0 y 1. Mediante una simple derivación de fórmulas y un ajuste experimental, se puede resumir en la siguiente fórmula. Los detalles se pueden encontrar en la literatura [10].
(3)
3. Prueba del modelo
Para verificar la exactitud del modelo de cálculo CFD de condensación húmeda propuesto, el Instituto de Investigación Tecnológica de Tokyo Gas Company en Japón Se instaló una sala modelo en la sala de clima artificial, se realizaron pruebas del modelo y los resultados de la simulación se compararon con datos experimentales.
La apariencia del modelo se muestra en la Figura 2. La habitación modelo está hecha de paneles de polietileno. Se ajustan y simulan varias condiciones de humidificación en la habitación a través de un humidificador en el suelo y el control de la temperatura del agua. La cantidad de humidificación se obtiene midiendo los cambios en el peso del humidificador mediante una balanza electrónica. Hay aberturas en las partes superior e inferior de la pared exterior de la caja, y se puede conectar a la abertura un tubo de ventilación corto equipado con un pequeño ventilador axial, de modo que se pueden simular diferentes métodos de ventilación cambiando la posición del ventilador. . El flujo de aire dentro de la cabina se mide mediante un microanemómetro colocado en el conducto de ventilación. Además de la temperatura y humedad exterior, se colocaron 14 elementos de medición de temperatura y humedad (THP-B4, SHINYEI, Japón) en la parte central de la cámara de prueba para medir la distribución de temperatura y humedad.
Las condiciones de prueba y simulación se muestran en la Tabla 2. La condición 1 es un cálculo de estado estacionario, utilizado para verificar la distribución de temperatura y humedad en la caja. La condición 2 es un cálculo dinámico, utilizado para verificar la temperatura. Formación y desarrollo de agua condensada. El modo de ventilación es un modo de escape mecánico de abajo hacia arriba.
Tabla de condiciones de prueba 2
Número de condición
Condiciones meteorológicas interiores
Temperatura del agua del humidificador
(℃)
Volumen de humidificación
(g/h)
Volumen de ventilación
(m3/h)
Entrar Temperatura de salida del aire
Temperatura (℃) Humedad (%) )114.347.044.627.517.014.3219.445.068.1101.37.925.2
Figura 2 Descripción general de la prueba del modelo y disposición de la medición puntos
4. Comparación de los resultados de las pruebas y los cálculos
4.1 Verificación de la distribución de temperatura y humedad
La Figura 3 muestra la comparación de los cálculos de las pruebas y CFD en el Caso 1. . Comparación de cálculos CFD, donde los datos experimentales son el resultado cuando los valores medidos en todos los puntos de medición alcanzan un estado estable. En el valor simulado, qm=486W/m2 es la pérdida de calor por difusión de vapor de agua real calculada usando las ecuaciones 2) y 3) (Fm es aproximadamente 0,52 en este momento). Para facilitar la comparación, también asumimos que la evaporación del vapor de agua mantiene el estado de fase gaseosa sin cambio de fase, la disipación de calor por difusión se compone completamente de intercambio de calor sensible (qm=184W/m2) y la evaporación del vapor de agua es un caso de calor total. intercambio (q'= 1026W/m2). Se puede ver en la figura que la disipación de calor por difusión de vapor de agua tiene una gran influencia en la distribución de la temperatura interior. Por ejemplo, si se utiliza qm=1026W/m2, la temperatura cerca del techo es aproximadamente 2 grados más alta que la medida. valor. Algunos estudios [11] abogan por el uso del intercambio de calor total para estimar la disipación de calor por difusión de vapor de agua al calcular la carga de calor y humedad en el baño, lo que inevitablemente conducirá a grandes errores de cálculo. Por el contrario, dado que la humedad de una habitación pequeña está determinada principalmente por el balance de masa de vapor de agua, el valor de la disipación de calor difusa tiene poco impacto en el nivel de humedad promedio de la habitación pequeña. Sin embargo, el patrón de flujo de aire cerca de la superficie del agua. causará que la distribución de la humedad sea diferente debido al efecto de flotabilidad del haz de calor. Se producen cambios sutiles. En conjunto, independientemente de la temperatura y la humedad, los cálculos que utilizan q'=486W/m2 son más consistentes con las mediciones reales.
La Figura 4 muestra los resultados de la simulación CFD del campo de flujo, el campo de temperatura y el campo de humedad en la sección de medición. Se puede ver en la figura que la columna de calor y humedad formada en la superficie del agua en esta sección apenas se ve afectada por la ventilación de la habitación pequeña, y el fenómeno de estratificación de temperatura y humedad es muy obvio.
Figura 3 Comparación de la distribución de temperatura y humedad medida y simulada (Caso 1)
Figura 4 Resultados del cálculo CFD (izquierda: campo de flujo de aire; medio: campo de temperatura; derecha: campo de humedad )
4.2 Verificación del proceso de formación y desarrollo de condensación
La Figura 5 muestra la comparación de los resultados de la prueba y del cálculo CFD del Caso 2. El tiempo de prueba y simulación es de unos 30 minutos. Para formar mejor la condensación en la superficie y evitar que la humedad del aire interior alcance el 100%, durante esta condición de prueba el aire en la entrada se calentó a 25,2 grados Celsius mediante un dispositivo de precalentamiento. Como se puede ver en la figura, tanto los resultados de la medición real como los resultados de la simulación muestran que la humedad en los puntos de medición del techo (P1-7 y P2-7) alcanza la saturación después de aproximadamente 20 minutos, lo que indica que se ha producido condensación. Esto muestra que, aunque hasta el momento no existe un buen método de medición directa para resolver el problema de la condensación, al comparar la distribución dinámica de la temperatura y la humedad en una habitación pequeña, los valores calculados y simulados cambian con el tiempo son básicamente consistentes. Se puede considerar que este método se puede utilizar para resolver el problema de condensación. Un modelo computacional es factible para analizar el problema de condensación.
Para la condición 2, utilizamos el modelo de cálculo CFD de Wet?Dew para realizar simulaciones dinámicas de condensación con un tiempo de simulación de 1 hora. La Figura 6 muestra la distribución del agua condensada en cuatro puntos temporales. Aproximadamente 20 minutos después del inicio de la prueba, el agua de condensación apareció por primera vez en la esquina superior trasera de la cámara y luego se desarrolló a mayor velocidad a lo largo del techo y las paredes laterales. Después de 45 minutos, el área de agua de condensación básicamente alcanzó la estabilidad, pero. la cantidad de agua de condensación siguió aumentando. A juzgar por la cantidad de condensación, hay más condensación en las dos paredes laterales y en el techo en la parte trasera de la cabina. Esto se debe a que las paredes laterales frontales y el piso están más cerca de las entradas de aire y el aire caliente aumentará la temperatura de estas paredes.
Figura 5 Comparación dinámica de temperatura y humedad medidas y simuladas (Caso 2)
Figura 6 Distribución de agua de condensado simulada por CFD a lo largo del tiempo
5. Efecto de ventilación Efectos de la condensación
La ventilación es uno de los medios más importantes para resolver los problemas de condensación, pero hasta ahora ha habido poco análisis cuantitativo en esta área. Utilizamos un modelo computacional de condensación húmeda CFD para abordar este problema. El modelo de cálculo de condensación húmeda CFD explora el impacto de diferentes volúmenes de ventilación y métodos de ventilación en la condensación a través de tres ejemplos.
Ejemplo 1: Situación 2;
Ejemplo 2: El volumen de ventilación aumenta de 7,9 m3/h a 9,4 m3/h, las demás condiciones permanecen sin cambios;
Ejemplo 3: El modo de ventilación se cambia al modo de escape mecánico de las filas superior e inferior, las demás condiciones permanecen sin cambios.
La Figura 7 muestra los resultados de la simulación de distribución de condensado para los Ejemplos 2 y 3 (t=60 minutos). En comparación con la Figura 6, debido al aumento de la ventilación, el área de condensación en el Ejemplo 2 se ha reducido en consecuencia, especialmente la condensación en el área inferior de la pared lateral básicamente ha desaparecido. En el Ejemplo 3, el volumen de ventilación es exactamente el mismo que en el Ejemplo 1, pero la forma de la distribución de la condensación es completamente diferente. Dado que el método de descarga desde arriba y desde abajo suprime el ascenso de vapor de agua causado por el efecto de flotabilidad cerca de la superficie del agua, se reduce la condensación en la parte superior del techo y las paredes laterales. La Figura 8 muestra los resultados calculados y la condensación total por pared para tres casos (t=60 minutos). Como puede verse en la figura, la cantidad total de condensación del Caso 2 y Caso 3 es solo el 26% y el 20% de la del Caso 1, respectivamente.
Figura 7 El impacto de diferentes volúmenes y modos de ventilación en la distribución de la condensación (izquierda: ejemplo de cálculo 2; derecha: ejemplo de cálculo 3) Figura 8 Cambios en el volumen de condensación bajo diferentes volúmenes y modos de ventilación
p>6. Conclusión
Para utilizar la tecnología CFD para estudiar la distribución de la humedad interior y los problemas de condensación, este estudio estableció un modelo de cálculo CFD de la distribución de la humedad y la condensación de rocío, y luego utilizó la tecnología CFD. para establecer la distribución de la humedad interior y el modelo CFD de condensación. Modelo de cálculo CFD de rocío, a través de la verificación del modelo y cálculos de ejemplo, se pueden sacar las siguientes conclusiones:
1) Si se trata de un cálculo de estado estacionario que no considera el rocío y solo considera la distribución de humedad, o un cálculo inestable cálculo que considera la cantidad de rocío Los resultados del cálculo del estado y el modelo CFD concuerdan bien con los resultados experimentales. Esto muestra que el modelo se puede utilizar para análisis detallados de campos de humedad y condensación interiores. Especialmente para los problemas de condensación, debido a la actual falta de métodos de medición efectivos, la aplicación de CFD proporciona una herramienta de investigación muy importante;
2) Este estudio también involucra el tema de la transferencia simultánea de calor y humedad, lo que proporciona Se desarrolló y aplicó un nuevo método de cálculo a los cálculos de CFD.
3) Incluso si el flujo de aire es el mismo, los diferentes métodos de ventilación tienen un gran impacto en la distribución de la humedad interior y los niveles generales de humedad. En situaciones con alta humedad interior, la deshumidificación se puede resolver de manera más efectiva mediante la optimización. diseño de métodos de ventilación y problemas de condensación;
7. Referencias
[1] Straube JF. ASHRAE Journal 2002; (1):15-9.
[2] Sterling EM, Arundel A, Sterling TD. Criterios para la exposición humana a la humedad en edificios ocupados. Transacciones ASHRAE 1985;(91):
[3] Murray AB, Ferguson AC, Morrison BJ. Journal of Allergy and Clinical Immunology 1985; 76(1):108-12.
[4] Bates JM, Rorek DA, Ballantye MH Actas de la Sexta Conferencia Internacional sobre Calidad del Aire y Clima, 1993, vol. Página 33-8.
[5] Harving H, Korsgaard J, Dahl J, Beck HI, Bjerring P. Los ácaros del polvo doméstico y la dermatitis atópica 1990;65:25-31.
[6] Chao NT, Wang WA, Chiang CM. Investigación sobre estrategias de control para el uso del aire exterior para reducir la humedad interior en apartamentos taiwaneses en invierno, tomando como ejemplo el diseño de ventilación del baño. ASHRAE Transactions.1996; 102(1):
[7] Kolokotroni M, Saiz N, Littler J. Movimiento de humedad: un estudio que utiliza técnicas de gas trazador y modelado CFD. Ingeniería y tecnología de servicios de construcción. 1992; 13(2):
[8] Yasushi Kondo, Yasuhiro Nagasawa, Junichi Fujimura. Efecto de la flotabilidad de la humedad en la predicción del ambiente térmico interior (その1) Distribución espacial de la temperatura del vapor de agua en el aire interior. Actas del Departamento de Dibujo Arquitectónico Japonés. No.534, 57-62, 2000.
[9] ASHRAE.1997.Manual de ASHRAE - fundamentos, Capítulo 5, Atlanta.
[10] Aizawa, Yoshihiro y Yoshino. Estudio del comportamiento de la humedad interior (Parte 3) El calor y la humedad existen simultáneamente. La influencia de la diferencia de temperatura, la temperatura y la tasa de ventilación en la producción simultánea de humedad y la derivación de fórmulas de cálculo. Serie de conferencias del Instituto de Arquitectura de Japón. p.407-408.1996.
[11] Akai, Hitoshi, Kamada, Motoyasu y Ogawa, Masako Pérdida de calor en baños grandes. Air Conditioning and Hygienic Engineering.Vol.78(1), 53-64,1999.
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