Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

CFD na ústavu techniky prostředí

Simulační programy nacházejí stále větší uplatnění při optimalizaci a přesnosti řešení. Užívají se pro simulace dynamického chování budov, energetických bilancí objektu nebo pro simulaci proudění.

1. Úvod

Se zvyšující se výkonností počítačů jsou simulační metody stále více využívané. K řešení jednotlivých případů je díky současné počítačové technice třeba stále kratšího strojového času, což byla v minulosti jedna z hlavních překážek ke všeobecnému rozšíření. V případě CFD modelování, tam, kde bylo v minulosti pro zpracování úlohy zasíťované cca 1 000 000 buněk třeba zhruba 3 měsíců čistého strojového času 1), dnes je tato doba podstatně kratší. Kromě časové úspory lze model zasíťovat i mnohem větším počtem buněk, což ve výsledku přináší i přesnější řešení.

Počítačové simulace v oboru TZB lze podle oblasti řešení rozdělit do tří hlavních skupin. Jsou to:

  • Počítačová simulace dynamického chování soustav. Typickým představitelem na Ú12116 je komerční program TRN-SYS. Program provádí výpočet chování systému jako celku a určuje vzájemné závislosti a vlivy mezi jeho jednotlivými prvky a počasím. Jako jednoduchý příklad se může uvést výpočet deního (týdeního, atd.) průběhu teploty vody v akumulační nádobě (se zahrnutím stratifikace teploty) natápěné kapalinovými kolektory slunečního záření se současným odběrem užitkové vody (detaily).

  • Výpočet energetické bilance objektu (programy ESP-r, ECOTECT). Například program ESP-r, který není komerční a je volně k dispozici se zejména zaměřuje na stanovení energetické bilance objektu jako celku. Výsledkem může být znalost chování objektu během celého roku a určení optimálního výkonu zdroje tepla pro zimní období, nebo určení optimálního výkonu zdroje chladu pro letní období. Řešení konkrétního případu bylo prezentováno v časopise VVI 6),

  • Počítačové simulace proudění - CFD (programy FLOVENT, FLUENT) umožňují detailní stanovení teplotních a rychlostních polí v prostoru. FLOVENT je určen zejména pro řešení obytných prostor. Oproti tomu FLUENT je zcela univerzální program.

2. CFD

Při návrhu technických zařízení je často velice nákladná fáze výroby prototypu. Je jasné, že počítačová simulace nemůže v plném rozsahu nahradit experiment na hotovém díle, její pomocí se však může dosáhnout optimalizace okrajových podmínek. Oproti experimentu jsou CFD programy výhodné při případné analýze vlivu změny tvaru či okrajových podmínek na změnu funkce zařízení. Hledání vhodného řešení se tak značně urychlí a umožní zkrácení jednotlivých návrhových cyklů.

FLUENT je jedním z představitelů programů skupiny "CFD", který se na Ú12116 používá od roku 1995. Řeší externí a interní aerodynamiku, je možné modelovat laminární i turbulentní proudění nestlačitelných i stlačitelných tekutin se zahrnutím přenosu tepla i chemických reakcí. Přímo pro obor TZB se využívá pouze jen část jeho možností. FLUENT umožňuje řešit:

  • 2D a 3D úlohy
  • Stacionární a nestacionární případy
  • Laminární a turbulentní proudění
  • Přenos tepla nucenou i přirozenou konvekcí, vedením a radiací
  • Proudění vzduchu pórezními materiály a filtry 2)

V oboru klimatizace a větrání tak lze například řešit vnitřní mikroklima při různých okrajových podmínkách - rozložení teplotního a rychlostního pole v místnosti, dosah proudu vzduchu, stanovení součinitelů místních odporů, atd.

3. Fluent na Ú12116

FLUENT se na Ú12116 využívá ke konzultacím pro praxi a také, a to zejména, k výzkumu a výuce. Z konzultační činnosti byly vybrány následující úlohy:

  • Řešení vnitřního mikroklimatu v kostele sv. Anny
  • Studie zajištění mikroklimatických podmínek obrazů Slovanské epopeje od Alfonse Muchy 3)
  • Počítačové simulace vnitřního mikroklimatu v kancelářském prostoru Luxembourg Plaza
  • Počítačová simulace vnitřních podmínek ve skladu vyhořelého paliva
  • Stabilizace teploty v komoře RICH1

Z výzkumné činnosti byly vybrány pouze úlohy, které byly řešeny v rámci diplomových a disertačních prací:

  • Určení teplotního pole v klimatizované vstupní hale objektu EUNED PARK, PRAHA 6 VOKOVICE
  • Chladící stropy
  • Větrání automobilového tunelu
  • Čisté prostory; jednosměrné proudění v experimentální komoře

4. Konzultace pro praxi

1.1. Řešení vnitřního mikroklimatu v kostele sv. Anny

Cílem simulace bylo stanovení rozložení teploty s výškou objektu. Hodnoty povrchových teplot jednotlivých částí konstrukce byly převzaty z výsledků předchozí energetické simulace, získané v programu ESP-r. Teplota venkovního vzduchu byla zadána dle klimatické databáze te = - 7,15 °C. Výsledkem simulace je komplexní 3D obraz teplotního a rychlostního pole (popř. vektorů rychlosti) v libovolných řezech. Na obrázku 1 je vidět vytvořený model. Viditelné rozdělení modelu je dáno využitím čtyř paralelních procesů k urychlení výpočtu. Na obrázku 2 je vidět rozložení teplotního pole v podélném a příčném řezu objektu kostela sv. Anny. Na obrázku 3 je vidět rozložení rychlostního pole v příčném řezu. Na obrázku, znázorňující rychlostní i teplotní profil je jasně patrné proudění venkovního vzduchu spodními otvory do objektu. Vnitřní vzduch je vydechován do okolního prostředí otvory ve střeše. Toto proudění je dáno rozdílnými teplotami uvnitř a vně objektu - aerace.


Obrázek 1 - Vytvořený model kostela sv. Anny



Obrázek 2 - Rozložení teploty v kostele sv. Anny v podélném a příčném řezu



Obrázek 3 - Rychlostní pole
v kostele sv. Anny v příčném řezu

1.2. Počítačové simulace vnitřního mikroklimatu v kancelářském prostoru Luxembourg Plaza 4)

Hlavním účelem bylo pomocí počítačového modelu a simulací předpovědět rychlosti proudění a teploty vzduchu ve vnitřním prostředí a na základě získaných výsledků posoudit vliv obvodových konvektorů na tepelnou pohodu v místnosti s plně prosklenou fasádou v zimním období. Simulace byly zpracovány pro typický kancelářský modul v 5. NP na východní fasádě budovy. Výsledky byly získány pro případ s konvektorem nebo bez konvektoru při dvou referenčních teplotách venkovního vzduchu v zimě -0.5°C a -12°C. Uvažovány byly vnitřní zisky od lidí a technologie. Uvnitř sousedních místností se předpokládaly vnitřní teploty shodné s teplotou v modelované kanceláři. Model zahrnoval zjednodušené prvky nábytku, zdrojů tepla a klimatizačního zařízení. Případ byl vzhledem ke své povaze řešen ve 2D. Na obrázku 4 je vidět výchozí geometrie modelu:

  1. přívod chladicího vzduchu;
  2. přívod čerstvého vzduchu;
  3. počítač;
  4. podlahový konvektor;
  5. odváděcí otvor;
  6. prosklená fasáda

Výsledky simulace jsou v tomto článku prezentovány pouze pro teplotu venkovního vzduchu -12 °C. Na obrázku 5 je vidět případ bez instalace podlahového konvektoru. Jasně patrná je oblast chladnějšího vzduchu u podlahy v místě prosklené fasády. Na obrázku 6 je vidět případ s podlahovým konvektorem. Rozložení teploty v kanceláři je příznivější.


Obrázek 4 - Výchozí geometrie modelu


Obrázek 5 - Rozložení teploty vnitřního vzduchu v místnosti
bez použití podlahového konvektoru


Obrázek 6 - Rozložení teploty vnitřního vzduchu v místnosti
s použitím podlahového konvektoru

1.3. Určení teplotního pole v klimatizované vstupní hale

Simulace, provedená v rámci diplomové práce, se zabývala určením teplotního pole v klimatizované vstupní hale objektu EUNED PARK v Praze 6. Přívod klimatizovaného vzduchu je řešen tryskami, které jsou instalovány nad sebou, vždy pod každé podlaží, jak je pomocí vektorů znázorněno na obrázku 7. Povrchové teploty obalové konstrukce byly převzaty z předchozí simulace v programu ESP-r.


Obrázek 6 - Pohled na architektonickou studii objektu,
jehož součástí je i řešená vstupní hala


Obrázek 7 - Axonometrický pohled na 3D
model vstupní haly


Obrázek 8 - Rychlostní profil vstupní haly - řez veden středem

1.4. Čisté prostory

Jedná se o analýzu jednosměrného proudění v experimentální komoře. Na obrázku 9 je číslem 1 označená bezpečnostní zóna pracovníka. Číslem 2 je označený zdroj znečištění v pracovní zóně. Vzduch je do komory přiváděn tak, aby bylo zabráněno šíření škodlivin z pracovní zóny do bezpečnostní zóny.


Obrázek 9 - Výchozí geometrie modelu a rychlostní pole v komoře

1.5. Větrání automobilového tunelu

V diplomové práci byl řešen odvod a přívod vzduchu v místě strojovny tunelu Blanka v Praze. Úkolem bylo ověření rovnoměrnosti odsávání znehodnoceného vzduchu štěrbinami, které byly pro rovnoměrné odsávání navrženy. Řešený úsek tunelu je součástí souboru tří staveb městského okruhu v úseku Myslbekova - Pelc Tyrolka. Trasa městského okruhu je vedena převážně v tunelech, ražených či hloubených a část trasy je na trojském nábřeží Vltavy vedena povrchově. První část okruhu je stavba č. 9515 Myslbekova - Prašný most, druhá část je stavba č. 0080 Prašný most - Špejchar a třetí část je stavba č. 0079 Špejchar - Pelc Tyrolka. Studie se zabývala řešením kritických částí 3. stavby Špejchar - Pelc Tyrolka a to konkrétně v oblasti strojovny Letná, kde je řešen uzel odvodu znehodnoceného vzduchu a přívodu větracího vzduchu severního tunelového tělesa.


Obrázek 10 - Axonometrický pohled na tunelové těleso
s vyznačením řešeného místa

  1. Hranice řešeného úseku
  2. Hranice řešeného úseku
  3. Přívod větracího vzduchu do tunelového tělesa
  4. Odvod znehodnoceného vzduchu do strojovny
  5. Odsávací štěrbiny
  6. Náběhové klapky


Obrázek 11 - Rychlostní pole -
a) řez veden ve vyznačeném uzlu komorou pro odvod vzduchu,
b) řez veden ve vyznačeném uzlu ve výšce 1 m nad vozovkou



Poznámky:

1) Případy se zahrnutím modelu turbulence, přenosu tepla a vztlakových sil

2) Dále lze pomocí FLUENTU řešit stlačitelné proudění, proudění s volnou hladinou, spalování, vícefázové proudění, změnu fáze,
pohyb částeček, kapek a bublin, proudění za rotace nebo vzájemného pohybu oblastí, mísení chemických směsí a chemické reakce

3) Případ byl podrobně prezentován v časopise VVI 2005
Schwarzer, J. - Barták, M. - Drkal, F. - Lain, M. - Počítačová simulace proudění chladného vzduchu podél svislé stěny
In: Vytápění, větrání, instalace. 2004, roč. 13, č. 5, s. 209-211. ISSN 1210-1389.

4) Případy budou podrobně popsány v časopise VVI

5) Případ bud podrobně popsán na 17. Konferenci Klimatizace a větrání 2006

6) Barták, M. - Drkal, F. - Lain, M. - Hensen, J. - Počítačové simulace pro návrh klimatizace pavilonu Indonéská džungle Zoo Praha
In: Vytápění, větrání, instalace. 2003, roč. 12, č. 1, s. 43-45. ISSN 1210-1389.

Lain, M. - Barták, M. - Drkal, F. - Hensen, J. - Využití počítačové simulace při návrhu klimatizace nové galerie v objektu Sovových mlýnů
In: Vytápění, větrání, instalace. 2002, roč. 11, č. 2, s. 68-70. ISSN 1210-1389.