Modelování klimatizačních systémů v Comsol Multiphysics

Využití klimatizačních systémů můžeme v zásadě rozdělit do dvou oblastí. V prvním případě jde o zajištění pohodlí osob ve vnitřních prostorech budov či dopravních prostředků. Základní funkcí těchto typů klimatizačních strojů je zajištění stálých teplotních a vlhkostních podmínek bez ohledu na vnější prostředí či vnitřní tepelné zdroje, stejně jako udržování čistoty ovzduší. Tento typ klimatizací je nezbytný především v místech, kde není možné dosáhnout dostatečné přirozené ventilace. Typickým příkladem mohou být dnes velice rozšířené open space kanceláře.

Klimatizace může plnit i funkci zdravotně hygienickou. Typickým příkladem jsou nemocnice, operační sály či vyhřívané inkubátory. V těchto případech se samozřejmě klade největší důraz na kvalitu a čistotu vytvářeného ovzduší, přičemž klimatizace může pomáhat redukovat nebezpečí rozšíření infekcí.

Obecně rozeznáváme dva typy ventilací – mísicí (mixing ventilation) a vytěsňovací (displacement ventilation). Mísicí ventilace má význam především v případech, kdy je nutné zachovat stabilní teplotní podmínky v  celém prostoru. Ventilační jednotka se instaluje zpravidla do výšky stropu a vhání do místnosti čerstvý vzduch, který se mísí s původním. V případě vytěsňovací ventilace se chladný vzduch do místnosti vhání v nižších polohách blízko podlahy a teplý, vydýchaný vzduch se odvádí jednotkou umístěnou ve výšce stropu.

Díky rozdílné rychlosti vháněného vzduchu v obou typech ventilace se výrazně liší charakter jeho proudění v klimatizované místnosti. V případě mísicí klimatizace, kdy se vzduch do místnosti přivádí vyšší rychlostí, dochází k mísení nejen díky difuzérům, ale i přirozenému víření rychle proudícího vzduchu. Při využití vytěsňovací ventilace je vzduch přiváděn výrazně pomaleji a v nižších polohách. Čerstvý vzduch je pak studenější, a má tudíž tendenci rozprostírat se v rovnoměrné vrstvě nad podlahou bez výraznějšího mísení se s teplejším vzduchem. Tak je původní vzduch nahrazován čerstvým, který zaujímá jeho místo a postupně se zahřívá. Ohřev a pohyb vzduchu je dán především rozdílem teplot, a proto ho urychlují tepelné zdroje v místnosti, jako je například topení, elektronika atd. Někdy nežádoucími důsledky tohoto procesu jsou tvorba horizontálních vrstev vzduchu s odlišnou teplotou a kolísání teploty v místnosti. Tyto jevy lze minimalizovat optimalizací umístění a výkonu jednotlivých prvků ventilačního systému. Na druhou stranu, výhodou vytěsňovací ventilace je pravidelná obměna celého objemu vzduchu, a tudíž vyšší čistota ovzduší v klimatizované oblasti. Také se s výhodami využívá ve vysokých místnostech, kde by použití mísicích typů ventilací bylo finančně i technologicky náročnější.

K simulacím a optimalizaci výkonu obou typů HVAC systémů lze využít program Comsol Multiphysics. Jedná se o simulační nástroj, který řeší fyzikální úlohy popsané parciálními diferenciálními rovnicemi pomocí metody konečných prvků. Specializované nadstavbové moduly jsou určeny k modelování úloh z různých profesních oborů a oblastí. V současné době existuje 17 specializovaných modulů, které umožňují řešit úlohy z oblasti elektromagnetismu, pružnosti a pevnosti, akustiky, proudění tekutin, přestupu tepla apod.

Velkou výhodou je variabilita programu, která z něj dělá velice silný nástroj při simulacích tak složitých a komplexních systémů, jako jsou klimatizace. Umožňuje řešit nejen proudění vzduchu v místnosti se současnou změnou jeho teploty, ale v dalších krocích je možné model doplnit o šíření znečištění v modelovaných oblastech, zahrnout dodatečná zařízení, jako jsou větráky, odsávání či topení. Nespornou výhodou využití simulačního nástroje je možnost otestovat řadu nastavení složitých HVAC systémů na počítači, což je časově i finančně výrazně méně náročné než provádění složitých měření fyzicky vytvořených konfigurací.

Samozřejmostí je možnost zahrnout do komplexního modelu místnosti nebo celého objektu různé interní zdroje tepla, například elektronická zařízení. Model je možné vytvářet zjednodušeně ve 2D i komplexně ve 3D. Charakter proudění a průběh ochlazování ovzduší jsou závislé na množství, typu a umístění difuzérů. I tyto procesy lze v Comsolu jednoduše modelovat a připravit tak ideální návrh chlazení a klimatizace ještě před samotným fyzickým provedením.

Na obrázku 1 vidíme model jednoduchého HVAC systému, který byl vytvořen v programu Comsol Multiphysics. Jedná se o 2D řez místnosti. V dolní části levé stěny je vstup čerstvého vzduchu o teplotě 19 °C, rychlost je 0,3 m.s^-1. Výstup je v horní části pravé stěny. Počáteční teplota místnosti je 23 °C. Cílem je nasimulovat ochlazování místnosti během 15 minut. Na obrázcích 1 a 2 vidíme zobrazení teploty v místnosti po 1 a po 6,5 minutách, kdy už se chladný vzduch dostal do téměř všech pater místnosti. Velkou výhodou využití simulačního nástroje Comsol Multiphysics je možnost jednoduché změny jakéhokoliv nastavení modelu. Lze například zkoumat závislost výsledků na pozici výstupu, na rychlosti či teplotě proudícího vzduchu atd.

Kromě dnes již hojně rozšířených klimatizací v budovách se s HVAC systémy setkáváme také v řadě dopravních prostředků. Naprostá většina moderních vozidel je opatřena klimatizacemi, na něž jsou kladeny vysoké nároky z hlediska výkonu, efektivity či hlučnosti. S klimatizací se setkáme nejen v osobních automobilech, ale i v moderních vlacích, autobusech, lodích nebo letadlech. Zde se klade důraz na tělesné pohodlí pasažérů a kvalitu vzduchu uvnitř dopravního prostředku. Nevýhodou je často omezená možnost využití čerstvého vzduchu zvenčí. Proto mohou být fyzikální simulace v těchto ztížených podmínkách vhodným vodítkem.

Toho si je vědom tým výzkumníků ze sicilské univerzity v Catanii, kteří se problematikou ventilace v dopravních prostředcích dlouhodobě zabývají. Jeden ze svých příspěvků prezentovali na konferenci Comsol Conference 2008 Hannover pod názvem „Thermal and Fluid-dynamical Optimisation of Passengers Comfort in a Touring Bus Cabin“, kde předvedli výsledky simulace nejen standardních mísicích systémů, ale i jejich kombinace s vytěsňovacím typem.

Hlavní těžiště jejich práce spočívá v simulaci vlivu tepelných podmínek a proudění vzduchu v autobusu na pohodlí pasažérů. Optimalizace funkčnosti HVAC systémů a dosažení co nejlepších podmínek má v prostorech dopravních prostředků ještě vyšší prioritu než v budovách, neboť pasažéři v kabině stráví zpravidla řadu hodin bez možnosti pohybu. Z důvodu vysoké variability a možnosti jednoduchých úprav a doplnění vytvořených modelů využili výzkumníci program Comsol Multiphysics.

Komfort cestujících ovlivňuje řada proměnných, z nichž mezi ty nejdůležitější patří rychlost proudění vzduchu, jeho turbulence, dále teplota a její rozložení v rámci prostoru a v neposlední řadě i relativní vlhkost. Se všemi těmito faktory výzkumníci během svých testů počítali a do modelu je postupně zahrnuli.

Vědci vytvořili dva modely. Prvním byl standardně používaný mísicí systém, kde jsou klimatizační jednotky umístěny na stropě a do prostoru proudí čerstvý chladný vzduch rychlostí 5 m.s^-1. Druhá konfigurace obsahovala navíc další přívody čerstvého vzduchu, které byly umístěny po stranách pasažérů. Protože simulace byla prováděna za podmínek obvyklých v zimním období, kdy vnější teplota je 5 °C, tyto jednotky měly v rámci simulace význam topení. Cílem bylo dosáhnout rovnoměrného rozdělení teploty v kabině a podmínek příjemných pro pasažéry.

Je známo, že lidé pociťují jako nepříjemné proudění vzduchu, které je rychlejší než 0,8 m.s^-1. Této rychlosti nebylo dosaženo ani pro jednu konfiguraci. Dále jsou pro pasažéry nepříjemné velké turbulence proudícího vzduchu. Jak je patrné z obrázku 3, k nadměrným turbulencím dochází pouze ve vrchní části kabiny, nad hlavami pasažérů. V této otázce je tedy standardní konfigurace HVAC systému také dostačující. Problém se objeví až při analýze teplotního pole kabiny. Proudící vzduch se totiž významně ochlazuje v blízkosti okénka a tato studená oblast zasáhne také cestujícího. Z tohoto důvodu vědci do modelu přidali další část ventilace, pomocí níž simulovali přívod teplého vzduchu postranními průduchy. Návrh je inspirován modelem vytěsňovací ventilace, kdy je teplý (v létě chladný) vzduch přiváděn ve spodní části sedadla. Rychlost přiváděného vzduchu musí být z výše uvedených důvodů velice nízká. V tomto rozšířeném modelu je výsledkem téměř rovnoměrné rozložení teploty kolem obou pasažérů, což výrazně zvyšuje pocit komfortu při přepravě.

Význam klimatizace nespočívá pouze v udržování teplotních podmínek, ale také v čištění vzduchu v klimatizovaných oblastech. Jedním případem tohoto využití jsou místa, která jsou znečištěna již z povahy svého využití. Jedná se například o kuřárny, výrobní haly nebo infekční oddělení nemocnic. Ale i na jiných místech, kde riziko není tak vysoké, může v důsledku špatné údržby klimatizačních zařízení dojít k přemnožení a rozšíření choroboplodných zárodků.

Problém kontaminace vnitřního prostředí, ať už různými viry, mikroby či prachem nebo kouřem, je velice aktuální záležitostí, neboť lidé tráví velkou část svého života v uzavřených prostorech – v kanceláři, v bytě, při cestování dopravními prostředky. Proto je případné čištění vzduchu důležitou součástí návrhu klimatizace a ventilace uzavřených prostor.

Oba druhy klimatizací, o nichž byla v tomto článku řeč, mají jiné vlastnosti z hlediska šíření kontaminace. Mísicí typ nečistoty roznese po celé klimatizované oblasti. V případě vytěsňovacího systému tomu lze zabránit, ale je nutné najít způsob, jak oddělit starý a kontaminovaný vzduch od čistého, který se vhání u podlahy. Řešením může být například dodatečné odsávání.

Problém kontaminace vnitřního mikroklimatu může nabývat na významu v případě klimatizací v dopravních prostředcích. Cestující s posádkou jsou uzavřeni v ohraničeném prostoru, což s sebou nese zvýšené riziko šíření infekce. Udržování kvality vzduchu v těchto uzavřených prostorech se tedy stává hlavní prioritou a požadavkem na instalované HVAC systémy.

Popsanou problematikou se opět zabývala skupina vědců ze sicilské univerzity v Catanii a svůj příspěvek prezentovali na konferenci Comsol Conference 2009 Milano pod názvem „Bio-Effluents Tracing in Ventilated Aircraft Cabins“. Studie se zabývá šířením znečištění v kabině letadla. Zkoumáno je několik nastavení ventilačního systému a jeho chování z hlediska pohodlí cestujících i kvality vzduchu.

Obr. 5. Obr_5.tif Trasování částice pro systém MAD

V současné době se v letadlech používá především mísicí typ ventilace (MAD, mixing air distribution), kdy je vzduch přiváděn nad hlavou cestujících, mísí se s již v prostoru obsaženým vzduchem a následně je odváděn průduchy umístěnými u podlahy. V případě využití tohoto typu ventilace je rozložení teploty téměř stejnoměrné a znečišťující látky rovnoměrně zaplňují celý prostor. Díky vysoké rychlosti vstupujícího čistého vzduchu je zde však potenciálně vysoké nebezpečí šíření infekčních látek mezi pasažéry. Další dva typy ventilace se standardně využívají v budovách, jejich využití v letadlech je však zatím spíše experimentální. Jedním z nich je vytěsňovací systém (UFD, under-floor displacement air distribution system), kdy je čistý vzduch přiváděn z míst v dolní části kabiny a kontaminovaný vzduch je odváděn u stropu. V posledním případě se čerstvý vzduch přivádí k pasažérům individuálně pomocí průduchů v sedadle (PAD, personalized air distribution system) a odvádí se opět u stropu. Tímto uspořádáním se vytváří oblast čerstvého, nekontaminovaného vzduchu, který pasažér vdechuje, a proto se zdá takovéto řešení jako optimální.

Aby vědci předběžné závěry potvrdili, vytvořili model v Comsolu. Jednalo se o 2D oblast, ve které byl zahrnut řez kabinou letadla obsahující pět řad sedadel s pasažéry. Modelováno bylo jak proudění vzduchu a rozložení teploty uvnitř kabiny, tak i koncentrace oxidu uhličitého, který reprezentuje potenciální infekční hrozbu. Součástí modelu byla funkce, která popisovala dýchání jednotlivých pasažérů.

Po provedení časově závislé studie se výzkumníci zaměřili na řadu důležitých aspektů obdržených výsledků. Z hlediska tělesného komfortu cestujících byla zkoumána hlavně rychlost proudícího vzduchu v okolí sedících postav. Zatímco v případě klasických typů ventilací (MAD a UFD) byla rychlost nízká (méně než 0,15 m.s^-1), v případě PAD ventilace byla rychlost kolem 0,3–0,4 m.s^-1, což již člověka může obtěžovat. Z hlediska kvality vzduchu, tedy koncentrace oxidu uhličitého v oblasti obličeje jednotlivých cestujících, nejlepších výsledků dosáhla varianta PAD. Nejhůře dopadl systém UFD z důvodu pomalého odvodu vydýchaného vzduchu z oblasti blízko nosu pasažéra (viz obrázek 4).

Protože důležitou otázkou je nebezpečí přenosu infekce mezi pasažéry, zaměřili se dále autoři článku na monitorování dráhy jedné částice, kterou vydechne cestující sedící ve třetí řadě, viz obrázky 5–7. V případě MAD systému se díky vzduchu, který proudí z horní části kabiny, částice dostane rovnou do odvodního systému pod sedadlem ve druhé řadě. Proces trvá 23 s. V případě UFD ventilace zase čerstvý vzduch, který proudí odspodu, částici odnese přímo do odvodního systému umístněného nad hlavou pasažéra. Tato cesta trvá částici 24 s. V případě PAD konfigurace je částice unesena v horizontálním směru směrem k zadnímu pasažérovi. V případě modelované rychlosti vzduchu se sice částice během 10 s odvede stropním systémem, ale je zde nejvyšší riziko šíření nákazy mezi cestujícími v případě změny nastavení systému. Z výše popsaných výsledků odvodili vědci závěr, že aktuálně nejrozšířenější systém MAD je nejlepším kompromisem mezi požadovanými vlastnostmi HVAC systémů v letadlech, a není tedy příliš mnoho důvodu pro změnu tohoto stavu.

Jak jsme si ukázali na představených příkladech, simulace jsou neocenitelným pomocníkem při řešení komplexních a složitých problémů. Instalace a optimalizace klimatizačních systémů je drahou a časově náročnou záležitostí, přičemž možnost namodelovat celý problém v programu Comsol Multiphysics, následně ho analyzovat a optimalizovat výkonnost celého systému může být velice rychlým a spolehlivým řešením. Klíčem k úspěchu je prozkoumání a analýza dostupných možností ve virtuální rovině a jejich následná aplikace v reálném prostředí.

Zuzana Záhorová
Humusoft
zuzanaz@humusoft.cz
www.humusoft.cz

Prezentaci firmy HUMUSOFT si můžete prohlédnout zde