Virtauslaskennan hyödyt teollisuusilmanvaihdon suunnitteluprosessissa

Abstract

Virtauslaskennalla voidaan simuloida sisäilmastoa ja siinä tapahtuvia monimutkaisia virtausilmiöitä jo suunnitteluvaiheessa. Sillä pystytään tutkimaan kokemusperäisten kaavojen toimivuutta, välttäen pelkkään oletukseen perustuvien järjestelmien rakentamista. Tietokoneiden laskentatehon yhä halventuessa ja laskentakyvyn nopeutuessa, on virtaussimuloinnista kehittynyt luotettava ja kustannustehokas työkalu haastavien virtausongelmien ratkaisemisessa. Teollisuusilmanvaihdon suunnittelua on tehty pitkälti kuitenkin perustuen sekä kokemusperäisiin kaavoihin että ”yritys ja erehdys” -periaatteella kerättyyn kokemusperäiseen tietoon, ilman varmuutta järjestelmien toimintakyvystä.

Opinnäytetyössä selvitettiin virtaussimuloinnin hyötyjä teollisuusilmanvaihdon suunnitteluprosessissa. Tavoitteena oli tutkia virtaussimuloinnin hyödyntämistä sekä suunnitteluratkaisun tarkentamisessa että lopputuloksen optimoinnissa. Kirjallisuusselvityksessä tutkittiin teollisuusilmassa olevia epäpuhtauksia, kohdeilmanvaihtomenetelmiä ja virtauslaskentaa. Suunnitteluprosessien vertailu suoritettiin tapaustutkimuksena osana todellista teollisuuden tuotantotilan ilmanvaihdon suunnitteluprojektia.

Tapaustutkimuksessa havaittiin, ettei pelkkien kokemusperäisten menetelmien käyttäminen antanut riittävää kuvaa sisäilmaston laadusta, epäpuhtauksien kerrostumisesta tai niiden liikkeestä. Virtaussimuloinnilla pystyttiin tarkentamaan alkuperäistä suunnitteluratkaisua ja optimoimaan ilmavirtoja, havainnollistaen fysikaalisten ilmiöiden vaikutusta oleskeluvyöhykkeen virtauskenttään ja epäpuhtauspitoisuuteen. Virtaussimuloinnin tuloksena pystyttiin pienentämään ilmavirtoja ja epäpuhtauspitoisuuksia.

Virtaussimuloinnin kokonaistaloudellinen käyttö edellyttää kuitenkin aina laadukkaan alkuarvauksen, perustuen ilmanvaihtosuunnittelijan kokemusperäisiin laskelmiin ja näkemyksiin. Virtaussimulointi ei poista kokemusperäisten menetelmien tarvetta, vaan sitä tulisikin käyttää aina ilmanvaihtosuunnittelun tukena, kun suunnitellaan tavanomaisesta poikkeavia tiloja tai vaaditaan tietoa sisäilmaston ominaisuuksista. Näin voidaan saavuttaa kokonaistaloudellisesti ja toiminnallisesti paras tulos.

Computational fluid dynamics (CFD) has become a reliable and cost-efficient tool in many flow design problems. With many demanding flow problems, CFD can also be used in industrial indoor climate design. Despite the several advantages of using CFD as a design tool, industrial ventilation design is still mainly done with simplified assumptions and “trial and error” -methods. This often leads to system designs without proper knowledge of its performance until it is built.

The objective of this study was to gather information about possible advantages of using CFD as a design tool in industrial ventilation design processes. This was done by studying how CFD might give further information about design parameters and how it could be used to optimize system performance. The theoretical section explored different pollutants in industrial environment, industrial ventilation methods and computational fluid dynamics. The empirical part consisted of real-life industrial ventilation design project where CFD was used as a design tool.

The results showed that design methods based designer experience and trial and error did not provide enough data on indoor climate or distribution of pollutants. With CFD, the original ventilation design plan can be made more precise because CFD takes into account the physical impact of the environment on the indoor climate. As part of the design project, the original ventilation system design of an industrial building was optimized with CFD. The optimization led to reduction in the required air flow rate and contaminant concentration.

The results show that on overall cost-effective use of CFD requires a good quality initial boundary conditions, which usually is done by using previous industry best practices and simplified calculation methods. Using CFD does not remove the need for design and calculation methods based on previous experience. It rather serves as a design tool used hand in hand with other methods during a design process when non-ordinary spaces are being designed, or specific information of indoor climate is needed. The most cost-effective and functional results can be achieved by combining empirical simplifications and CFD.