Beregning af NSHEV Free Flow arealer med CFD Simuleringer

Et valideret CFD-værktøj kan benyttes til beregning af det såkaldte “free flow area” i NSHEV (Natural smoke and heat exhaust ventilation) systemer. Formålet med NSHEV systemer er at fjerne varme og røg i tilfælde af brand.

NSHEV simulering: Pakhus 54

Hos Aerotak har vi udviklet en valideret CFD model, som kan genskabe de eksperimentielle resultater specificeret i EN 12101-2. Modellen kan således bruges til at beregne det totale free flow areal af NSHEV systemer i henhold til “Bygningsreglementets vejledning til kapitel 5 – Brand”. For at demonstrere processen, gennemgås en specifik NSHEV simuleringscase nedenfor. Figur 1a og 1b viser Pakhus 54, hvor tagvinduerne udgør NSHEV systemet.

Som det ses på figur 1b, er vinduerne ikke identiske (forskellige typer), og de kan både være åbne og lukkede. Disse forhold er der taget højde for i CFD modellen

CFD Setup

CFD modellen består af en 1:1 skala model af vinduesmodulet vist i Figur 2a, som er placeret i en virtuel vindtunnel. Ved vindtunnellens indløb specificeres 10 m/s, og ved trykindløbet under vinduerne specificeres 8.5 Pa overtryk. Det er vist i Figur 2b.

Da vinden kan komme fra forskellige retninger, bliver flere forskellige retninger testet ved at rotere vinduesmodulet i vindtuennel. I dette tilfælde blev 5 forskellige vindretninger simuleret - det er vist i Figur 3.

Masseflow raten gennem vinduet er afhængig af vindretningen. Baseret på de beregnede masseflow rater ved hver vindretning, kan en Cv koefficient beregnes jævnfør EN 12101-2 som viser herunder:

Resultater

Resultaterne består først og fremmest af koefficienterne ved hver vindretning, som vist i Figur 4.

The results consist of a discharge coefficient calculation for each wind direction. This is shown in Figure 4.

Som vist på Figur 4, er ventilationskoefficienten negativ ved lave vindvinkler. Det betyder at luft bliver ‘skubbet’ ind i bygningen, fremfor suget ud gennem åbningerne. Det er en bekymrende situation, idet røgen ikke kan undslippe bygningen i brandtilfælde. Ved at benytte CFD-modellen, kan man dog undersøge forskellige kompensationsmetoder. I dette tilfælde kan der anvendes en sensor, som måler vindretningen. Ved at koble sensoren til en mekanisme som kan åbne- og lukke vinduerne, kan man sørge for at de problematiske vinduer altid er lukkede. Ved andre omstændigheder kunne man have opnået de samme fordele ved at ændre designet af vinduerne (størrelse og design) eller ved at opstille læ for lave vindretninger.

En betydelig fordel ved CFD simuleringer er, at man får mulighed for at undersøge strømningerne, ved at benytte visualiseringer som vist på figur 5. På billedet til venstre bliver luften skubbet ind igennem vinduet, og på billedet til højre skabes det ønskede sug. Disse visualiseringer kan hjælpe med at danne forståelse for eventuelle problemstillinger, så de effektivt kan løses.

Konklusion

I dette projekt blev NSHEV free flow arealet godkendt, fordi de negativt bidragende vinduer automatisk blev lukket, mens de positivt bidragende vinduer automatisk blev åbnet.

I andre cases viste resultaterne af CFD simuleringerne et tilstrækkeligt “free flow area”, selvom den simplificeret metode i EN 12101-2 resulterede i et ikke tilstrækkeligt “free flow area”.

For mere information kontakt:

Referencer

Chen, Q. and Srebric, J. 2002. “A procedure for verification, validation, and reporting of indoor environment CFD analysis”, HVAC&R Research, 8(2), 201-216.