Indoor airflow characteristics under increased heat load conditions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-12-21
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
87 + app. 93
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 233/2018
Abstract
A healthy, comfortable and intelligent indoor environment is a key objective in comprehensive well-being. This is also a main target of advanced HVAC-technology. The major challenge in indoor air distribution is to provide occupants with clean air for breathing and maintain their thermal comfort. Consequently, a careful study based on systematic understanding and critical awareness of knowledge has been carried out to recognize main characteristics of indoor airflows under different heat load conditions. The research methods were experimental and modeling methods. The motivation was to improve knowledge on airflow characteristics and indoor air movement. The main objective was to create a physical basis for characterizing indoor airflows and to investigate the effects of heat load strength and distribution on the airflow field. The diffuse ceiling ventilation enabled locally a low-momentum supply airflow field that disturbs little the buoyancy driven flows from heat sources. The airflow characteristics can be used to assess dependencies, regularities and relations from the experimental and numerical data. In this way, novel mathematical models can be investigated and new indicators can be developed. The study adds to the knowledge on airflow characteristics by conducting the laboratory measurements and the field studies. The numerical modeling was used to provide detailed data from indoor airflow field under the given boundary conditions. The experiments indicate that the average of mean air speeds, the spatial deviation of mean air speeds and the temporal deviation of instantaneous air speeds increase with heat load strength. The asymmetric heat load distribution generated a circulating airflow pattern that was not found with the symmetric heat load distribution. Hence, the results show a clear cause-effect relationship between the heat sources and the indoor airflow field. Furthermore, the significance on reducing heat loads has been realized while minimizing the draught discomfort. It was found that the category A for thermal environment is difficult to achieve according to standard EN ISO 7730. In the multipurpose arena, the large-scale air movement was considerably affected by the ventilation airflow rates, the air temperature differences, retractable stand position and share of lower and the upper air distribution. In the small ice rink, the indoor air movement was quiescent in the ice rink zone compared to the upper zone, in which the air movement occurred. The airflow characteristics offer parameters for assessing indoor airflows, thermal conditions and draught. Those parameters are necessary when controlling indoor environmental quality (IEQ) by combining the measured, modeled and perceived data in the future. Thus, airflow characteristics is an essential part of human well-being and performance indoors. Further targets for healthy, comfortable and intelligent indoor environment can be evolved by using an artificial intelligence.

Terveellinen, viihtyisä ja älykäs sisäympäristö on keskeinen tavoite kokonaisvaltaisessa hyvinvoinnissa. Tämä on myös kehittyneiden LVI-järjestelmien tavoite. Ilmanjaossa tärkeä asia on se miten ihmisille tuotetaan puhdasta sisäilmaa ja ylläpidetään lämpöviihtyvyyttä. Sen takia tässä väitöskirjassa tarkastellaan sisäilman virtauskentän ominaispiirteitä erilaisilla lämpökuormilla. Käytetyt tutkimusmenetelmät ovat kokeellinen tutkimus ja numeerinen mallinnus. Tutkimuksen motivaationa oli löytää uutta tietoa virtauskentän ominaispiirteistä ja ilman liikkeestä suurissa tiloissa. Tutkimuksen tärkeä tavoite oli luoda fysikaalinen perusta sisäilman virtauskentän ominaispiirteille ja tarkastella lämmönlähteiden voimakkuuden ja lämmönlähdejaon vaikutusta virtauskenttään oleskeluvyöhykkeellä. Tasaisesti jaettu alakattoilmanjako mahdollisti paikallisesti pienellä liikemäärällä virtaavan tuloilman oleskeluvyöhykkeelle, joka häiritsee vähän lämmönlähteiden nostevoimavirtauksia. Virtauskentän ominaispiirteitä voidaan käyttää arvioimaan virtauskentän ominaisuuksia, säännönmukaisuuksia ja suhteita, joita voidaan tunnistaa mitatusta ja mallinnetusta datasta. Näin matemaattisia malleja voidaan tutkia ja kehittää uusia mittareita. Sisäilman ominaispiirteitä tarkastellaan laboratoriomittauksissa ja kenttämittauksissa. Laskennallista virtausdynamiikkaa käytetään ennakoimaan todennäköisiä virtausolosuhteita yksityiskohtaisesti annetuilla reunaehdoilla. Kokeellinen tutkimus viittaa siihen, että suurempi lämpökuorma kasvattaa keskimääräistä ilman nopeutta, paikallisten keskinopeuksien välistä keskihajontaa sekä hetkellisten nopeuksien keskihajontaa. Epäsymmetrinen lämmönlähdejako aiheutti ilman kiertoliikkeen tilan toiselle puolelle mitä ei havaittu symmetrisellä lämmönlähdejaolla. Tulokset osoittivat siten selkeän syy-seuraus suhteen lämmönlähteiden ja sisäilman virtauskentän välillä. Lisäksi lämmönlähteiden pienentämisen merkitys on tärkeää, kun tavoitteena on vedontunteen minimointi. Siten lämpöympäristön A-luokka on hyvin vaikea saavuttaa EN ISO 7730 standardin mukaisesti. Monitoimiareenassa sisäilman primäärivirtauksiin vaikuttivat merkittävästi ilmanvaihtokoneiden tuloilmamäärät, sisäilman lämpötilaerot, liikuteltavan katsomo-osan asento sekä ala- ja yläilmanjaon osuudet. Pienessä jäähallissa ilma oli lähes paikallaan kaukalossa ja merkittäviä virtauksia havaittiin jäähallin ylemmässä vyöhykkeessä. Sisäilman virtauksen ominaispiirteet tuottavat parametreja ilmavirtausten, lämpöolojen ja vetoriskin arviointiin. Näitä parametreja tarvitaan tulevaisuudessa, kun arvioidaan sisäympäristön laatua yhdistämällä mitattua, mallinnettua ja koettua tietoa. Näin sisäilman virtauskentän ominaispiirteet ovat osa ihmisten hyvinvointia ja suorituskykyä sisäympäristössä. Tulevaisuuden tavoitteet terveellisestä, viihtyisästä ja älykkäästä sisäympäristöstä voidaan saavuttaa hyödyntämällä tekoälyä.
Description
Supervising professor
Kosonen, Risto, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Keywords
indoor airflows, thermal environment, airflow characteristics, convection flows, airflow interaction, heat load, air distribution, sisäilman virtaukset, lämpöolosuhteet, virtauskentän ominaissuureet, konvektiiviset virtaukset, virtausten vuorovaikutus, lämpökuorma, ilmanjako
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Lestinen, Sami; Kilpeläinen, Simo; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha; Koskela, Hannu; Melikov, Arsen. Flow characteristics in occupied zone – An experimental study with symmetrically located thermal plumes and low-momentum diffuse ceiling air distribution. Building and Environment, 2018, Vol 128, pp. 77–88.
    DOI: 10.1016/j.buildenv.2017.11.020 View at publisher
  • [Publication 2]: Lestinen, Sami; Kilpeläinen, Simo; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha; Koskela, Hannu. Experimental study on airflow characteristics with asymmetrical heat load distribution and low-momentum diffuse ceiling ventilation. Building and Environment, Vol 134, pp. 168-180.
    DOI: 10.1016/j.buildenv.2018.02.029 View at publisher
  • [Publication 3]: Lestinen, Sami; Kilpeläinen, Simo; Kosonen, Risto; Jokisalo, Juha; Koskela, Hannu; Li, Angui; Cao, Guangyu. Experimental study on airflow characteristics with symmetrical and asymmetrical heat load distributions and diffuse ceiling ventilation. Submitted to the Building and Environment 2018.
  • [Publication 4]: Lestinen, Sami; Koskela, Hannu; Jokisalo, Juha; Kilpeläinen, Simo; Kosonen, Risto. The use of displacement and zoning ventilation in a multipurpose arena. International Journal of Ventilation, 2016, Vol 15, issue 2, pp. 151-166.
    DOI: 10.1080/14733315.2016.1203622 View at publisher
  • [Publication 5]: Toomla, Sander; Lestinen, Sami; Kilpeläinen, Simo; Leppä, Lauri; Kosonen, Risto; Kurnitski, Jarek. Experimental investigation of air distribution and ventilation efficiency in an ice rink arena. International Journal of Ventilation, 2018.
    DOI: 10.1080/14733315.2018.1437881 View at publisher
Citation