Dimensioning of air flow rate and potential for energy savings in the ventilation of a large scale parking space
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018-09-24
Department
Major/Subject
Energy Technology
Mcode
ENG21
Degree programme
Master's Programme in Energy Technology (EEN)
Language
en
Pages
83
Series
Abstract
Recent changes in the Finnish National Building Code have motivated the ordering of a master’s thesis by engineering and technical design bureau Ramboll Finland Ltd. The goal of the thesis is to research whether parking space ventilation is being over-dimensioned at present and how to best calculate optimal air flow rates for large scale parking space ventilation. Tampereen Kansi, a civil engineering project currently undergoing technical design at Ramboll, is used as a test case. The hypothesis started with is that using conventional dimensioning formulae leads to over-dimensioning and that savings can be made by basing the sizing of the ventilation system on known carbon monoxide load from a modern vehicle fleet. The master’s thesis is funded by Ramboll and carried out as an internal R&D project. Emission profiles of modern passenger vehicles are first researched. A MS Excel based Visual Basic Macro is created for modelling the flow field of air produced by the parking space air volume and ventilation components. The core of the calculation done in the macro is an implementation of the pressure correction method. Vehicles using the parking space are modelled as moving transient contaminant point sources. Once the flow field and vehicles are modelled, transient carbon monoxide concentration is solved for in the parking space, after which the adequacy of air flow rate can be assessed. Results produced by the Excel model are compared to results produced by Ansys Fluent CFD simu-lation and the Excel model is calibrated with pressure loss coefficients computed from Fluent simulations. As the main result, dimensioning of air flow rates for the ventilation system of Tampereen Kansi parking space, when based on simulated transient carbon monoxide load in -29 °C, is found to produce a total air flow rate 64 % times larger than a dimensioning computed by a conventional, up until now widely applied dimensioning formula. The result is in stark contrast with the hypothesis. The main explaining factor is that due to cold start extra emissions and the cold temperature hindering the performance of catalyzers, emissions from cold-driven vehicles are high, even though reported vehicle emission rates have declined significantly. Optimal air flow rates are graphed as a function of temperature and on that basis savings can be expected if the dimensioning scenario temperature is chosen to be higher than -20 °C. As a secondary result, Ansys Fluent simulation is found to suggest larger sizing for the ventilation system than transient Excel simulation, largely due to the difference in resolution of the two models and the inability of the Fluent calculation to model the intermittent leveling of CO concentration between impulses of traffic.Viimeaikaiset muutokset Suomen Rakennusmääräyskokoelmassa toimivat motivaationa insinööritoimisto Ramboll Finland Oy:n tilaamalle diplomityölle. Työn tavoitteena on selvittää, ylimitoitetaanko parkkihallien ilmanvaihtoja ja kuinka optimaaliset ilmamäärät on paras laskea suurikokoisten parkkitilojen ilmanvaihtoon. Tampereen Kansi, rakennusprojekti jonka teknistä suunnittelua Ramboll parhaillaan toteuttaa, toimii koekohteena. Hypoteesi työhön lähdettäessä on, että perinteisten mitoituskaavojen käyttö johtaa ylimitoitukseen ja että pohjaamalla mitoitus tunnettuun modernin autokannan tuottamaan hiilimonoksidikuormaan voidaan saavuttaa säästöjä. Työn rahoittaa Ramboll ja se toteutetaan sisäisenä tutkimus- ja kehitysprojektina. Aluksi nykyaikaisten henkilöautojen päästöprofiili tutkitaan. Parkkihallin ilmatilavuuden ja ilmanvaihdon muodostaman virtauskentän mallintamiseksi luodaan MS Excel pohjainen Visual Basic -ohjelma. Ohjelman toteuttaman laskennan ydin on implementaatio painekorjausmenetelmästä. Parkkihallia käyttävät ajoneuvot mallinnetaan liikkuvina pistemäisinä päästölähteinä. Kun virtauskenttä ja ajoneuvot on mallinnettu, ajasta riippuva hiilimonoksidipitoisuus parkkihallissa ratkaistaan, jonka jälkeen ilmanvaihdon määrän riittävyyttä voidaan arvioida. Excel –mallin tuottamia tuloksia verrataan Ansys Fluent CFD-simulaatioiden tuottamiin tuloksiin ja Excel –mallia kalibroidaan virtausvastuskertoimilla, jotka lasketaan Fluent -simulaatioista. Pääasiallisena tuloksena Tampereen Kannen parkkihallin ilmanvaihdon mitoituksen todetaan olevan 64 % suurempi toteutettuna tunnetun CO-kuorman simuloinnin pohjalta lämpötilassa – 29 °C, kuin toteutettuna perinteisellä, tähänasti laajasti käytetyllä mitoituskaavalla. Tulos on täysin ristiriidassa hypoteesin kanssa. Suurin selittävä tekijä saadulle tulokselle on, että johtuen autojen kylmäajon lisäpäästöistä ja katalysaattoreiden alentuneesta toimintakyvystä kylmissä olosuhteissa, päästöt kylmäajosta ovat yhä korkeat vaikka autokannan raportoidut päästöt ovat pudonneet huomattavasti. Optimaaliset ilmamäärät on kuvattu lämpötilan funktiona ja sen perusteella säästöjä voidaan odottaa jos ilmamäärien mitoitustilanteen lämpötilaksi valitaan korkeampi lämpötila kuin -20 °C. Toissijaisena tuloksena Ansys Fluent simulaatioiden pohjalta tehtävän mitoituksen todetaan olevan suurempi, kuin ajasta riippuvan Excel laskennan pohjalta tehtävä mitoitus, mikä selittyy suurelta osin mallien resoluution suurella erolla sekä Fluent simulaation kykenemättömyydellä mallintaa CO-pitoisuuden ajoittainen tasoittuminen liikennepulssien välissä.Description
Supervisor
Kosonen, RistoThesis advisor
Söderholm, NiklasKeywords
parking spaces, ventilation, dimensioning, pressure correction method, computational fluid dynamics