Indoor climate with personalized and centralized room systems

Thumbnail Image

Files

isbn9789526403496.pdf (5.11 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2021-05-26
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

2021

Department

Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

78 + app. 98

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 55/2021

Abstract

The indoor climate has a significant impact on occupant satisfaction, wellbeing, and health. For the existing design practice, there is a demand to design novel ventilation systems to create an excellent indoor climate in an energy-efficient manner. More generally, a paradigm shift from a uniform indoor environment to a non-uniform indoor environment accommodating various individual preferences is needed. There also is a need to introduce more advanced systems where users can influence their own local micro-environment. Thus, the objective of the thesis is to investigate the performance of convective and combined convective and radiant cooling systems with personalized control by experimental laboratory studies. The indoor climate in this study was assessed by analyzing the thermal comfort and indoor air quality in a simulated office space with physical measurement and subject tests. This thesis studies different air distribution methods. The studied diffuse ceiling ventilation is similar to fully mixed ventilation. With the former, the strength, distribution, and type of heat gain have a significant influence on air distribution and thermal comfort. The movement of a person decreased the vertical temperature gradient and created different micro-environments close to workstations compared to close to the moving area with the diffuse ceiling ventilation. Compared with diffuse ceiling ventilation alone, the combination of convective cooling and local radiant cooling systems created a lower air temperature and higher air change efficiency in the micro-environment near the workstation with less draught risk. With the micro-environment system, the local low velocity unit and personalized ventilation air terminal device can supply the outdoor air directly to the breathing zone. The radiant cooling panels were installed over the workstation to cover the cooling load. Therefore, the air quality and local thermal comfort near the workstation can be maintained at the same time. Furthermore, with the personalized control of the local airflow rate, the perceived air quality and thermal sensation are more acceptable for the subjects under various activity levels. In particular, the subjects preferred the personalized ventilation air terminal device as it is closer to the breathing zone. This research illustrates that there is significant variation between human subjects in the micro-environment control preferences, and this emphasizes the need for personalized control to ensure that all occupants are satisfied with the indoor conditions.

Sisäilmastolla on merkittävä vaikutus työntekijöiden tyytyväisyyteen, hyvinvointiin ja terveyteen. Hyvän sisäilmaston ylläpitäminen edellyttää uusia ilmanvaihtoratkaisuja, joilla on mahdollista taata erinomaiset olosuhteet energiatehokkaasti. Nykyiseen suunnittelukäytäntöön tarvitaan paradigman muutos, jolloin keskimääräisten sisäympäristöstä siirrytään paikalliseen sisäympäristön hallintaan, joka mahdollistaa erilaiset yksilöllisten olosuhteiden toteuttamisen. Näin ollen on tarpeen ottaa käyttöön edistyneempiä järjestelmiä, joissa käyttäjät voivat vaikuttaa omaan paikalliseen mikroympäristöönsä. Tämän kokeellisen tutkimuksen tavoitteena on ollut tutkia konvektiivisten sekä yhdistettyjen konvektiivisten ja säteilevien jäähdytysjärjestelmien toimintaa henkilökohtaisella ohjauksella. Sisäilmasto arvioitiin analysoimalla lämpöviihtyvyyttä ja sisäilman laatua simuloidussa laboratorio-olosuhteissa fysikaalisilla mittauksilla ja koehenkilötesteillä. Tässä työssä tutkittiin erilaisia ilmanjakotapoja. Tutkittu puhalluskattoratkaisu sekoittaa huonetilan tehokkaasti ja toimii kuten täysin sekoittava ilmanjakotapa. Puhalluskattoratkaisulla lämpökuorman suuruudella, sijainnilla ja sen tyypillä on merkittävä vaikutus ilmanjakoon huonetilassa ja lämpömukavuuteen. Tällä järjestelmällä henkilön liikkuminen vähensi pystysuoraa lämpötilakerrostumaa ja loi erilaisen mikroilmaston lähellä työpisteitä kuin lähellä aluetta, jossa henkilö liikkui. Paikallinen konvektio- ja säteilyjäähdytysjärjestelmien yhdistelmä loi alhaisemman ilman lämpötilan, korkeamman ilmanvaihdon tehokkuuden ja pienemmän vetoriskin työympäristön lähellä olevassa mikroympäristössä kuin täysin sekoittava puhalluskattojärjestelmä. Henkilökohtaisilla mikroilmastoratkaisuilla voidaan puhaltaa ulkoilmaa suoraan hengitysvyöhykkeelle. Työpisteiden yläpuolelle asennetulla säteilypanelilla voidaan kattaa tarvittava jäähdytystehon tarve. Näin voidaan samanaikaisesti ylläpitää hyvä ilmanlaatu ja paikallinen lämpöviihtyvyys lähellä työpistettä. Lisäksi paikallisen ilmavirran henkilökohtaisen ohjauksen avulla voidaan ylläpitää koettu ilmanlaatu ja lämpöviihtyvyys hyväksyttävällä tasolla eri aktiivisuustasoilla. Erityisesti koehenkilöt pitivät hengitysvyöhykkeen lähelle asennetusta tuloilmalaitteesta. Tämä tutkimus osoittaa, että eri henkilöiden tavoiteolosuhteilla on huomattavia eroja, joka korostaa henkilökohtaisen ohjauksen tarvetta, kun halutaan taata kaikille työntekijöille viihtyisät olosuhteet.

Description

Defence is held on 26.5.2021 12:00 – 14:30. Zoom; https://aalto.zoom.us/j/64753697447

Supervising professor

Kosonen, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Melikov, Arsen, Prof., Technical University of Denmark, Denmark

Keywords

indoor climate, dynamic condition, personalized system, human response, convective and radiant cooling, centralized room systems, sisäilmasto, dynaaminen kunto, henkilökohtainen järjestelmä, ihmisen vaste, konvektiivinen ja säteilevä jäähdytys, keskitetyt huonejärjestelmät

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Zhao Weixin, Lestinen Sami, Kilpeläinen Simo, & Kosonen Risto. (2020). Comparison of the effects of symmetric and asymmetric heat load on indoor air quality and local thermal discomfort with diffuse ceiling ventilation. International Journal of Ventilation, 1-16.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020584
    DOI: 10.1080/14733315.2020.1839243 View at publisher
  • [Publication 2]: Zhao Weixin, Lestinen Sami, Kilpeläinen Simo, & Kosonen Risto. (2020). An experimental study of the influence of a moving person on airflow characteristics and thermal conditions with diffuse ceiling ventilation. Indoor and Built Environment, 29(6), 860-880.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006254143
    DOI: 10.1177/1420326X20917202 View at publisher
  • [Publication 3]: Zhao Weixin, Kilpeläinen Simo, Kosonen Risto, & Jokisalo Juha. (2020). Experimental comparison of local low velocity unit combined with radiant panel and diffuse ceiling ventilation systems. Indoor and Built Environment, 29(6), 895-914.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202006254170
    DOI: 10.1177/1420326X20918398 View at publisher
  • [Publication 4]: Zhao Weixin, Kilpeläinen Simo, Kosonen Risto, Jokisalo Juha, Lestinen Sami, & Mustakallio Panu. (2021). Thermal environment and ventilation efficiency in a simulated office room with personalized micro-environment and fully mixed ventilation systems. Building and Environment, 188, 107445.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020113020574
    DOI: 10.1016/j.buildenv.2020.107445 View at publisher
  • [Publication 5]: Zhao Weixin, Kilpeläinen Simo, Kosonen Risto, Jokisalo Juha, Lestinen Sami, Wu Yuxin, Mustakallio Panu. (2021). Human response to thermal environment and perceived air quality in an office with individually controlled convective and radiant cooling systems. Building and Environment, 195, 107736.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202103102249
    DOI: 10.1016/j.buildenv.2021.107736 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0349-6

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG