Airflow fields analysis in bounded domains with CFD methods

In the current work the focus is on natural ventilation occurring in buildings. The first step is to discuss the potential of numerical models applied to determine building performance and air flow as part of a mixed mode building control scheme with respect to a test case. A dynamic simulation software (TRNSYS) is used to estimate the annual energy demand. An optimization program (GenOpt) changes iteratively the parameters regulating the airflow within the building model in order to minimize the whole year energy use. Elements which are considered in the analysis are outdoor climatic conditions and elements representing the building use, such as internal gains. The numerical results of this analysis have shown how a proper analysis of natural ventilation phenomena occurring in small premises can lead to energy saving while thermal comfort is not compromised. This has been tested in various Italian climates, by means of tuning different parameters handling the natural ventilation in a mixed mode office room. The natural ventilation to be effective has to be carefully designed and it may not just occur. On the other hand in large enclosures such as atria or churches, where much more complicated phenomena occur in the indoor air flow, the natural ventilation is not so straightforward to analyse. This fact pushes the application of numerical methods capable of higher resolution in order to catch the features of the streams, with the aim of achieving good levels of thermal comfort and indoor air quality. In particular, in the last years a growing attention has been paid on the analysis of building airflow, mostly due to the diffuse interest in reducing energy losses and optimizing the efficiency of heating systems. A nontrivial technical problem is the heating of churches, because nowadays they are used both for religious services and as cultural places. Such problem is still open and no solution has been so far found. In the course of the last century, with the installation of new heating systems, an increase in damage and the decay of valuable interior decoration have been noticed. Moreover in this kind of environments, because of the remarkable heights and the presence of great windows, relevant natural and mixed convection flows may show up and, on the other hand, stratification phenomena may occur, with hot air stagnation far from occupied zones. This can cause people discomfort or energy waste. Therefore it is not possible to design heating plants only to maximize energy efficiency, but the heating systems have to accomplish the best compromise between preservation of cultural property, economy, energy and comfort. For handling all these conflicting requirements at once, simplified or macroscopic models, which describe the real system only with a small number of temperature, pressure and flow rate values, are no more enough, but microclimate field flow models, based on computational fluid dynamics methods (CFD), provide a powerful and versatile tool to obtain a more reliable prediction of the air movement and temperature distribution within the built environment. The case of St. Marien’s church has been investigated to prove the utility of this kind of analysis. On the basis of experimental data collected during winter 2003-2004, a thermal model of St. Marien church has been produced and tuned. The results provided by this model have been used in this work to perform several simulations on St. Marien church with the commercial CFD software FLUENT, in order to find out a computational model which could be a good compromise between simplicity on geometrical representation, saving on computational resources, accuracy and reliability of the solution. Once the model was set up, it has been validated against some temperature values recorded during the monitoring period. Simulations have highlighted a shortcut of the flow from the inlet to the outlet, giving the reason why energy model of the church tuned on the experimental data are overestimating energy consumption. This would not have been possible with a macroscopic analysis, showing the need for large enclosure to carry on both the analyses together. This promising result pushed to test a more direct way to couple energy models and CFD models to predict energy consumptions in buildings or buildings components involving remarkable ventilation phenomena. It came out a method to estimate ventilated components performance on annual bases in a sensible amount of time. The method was applied to a ventilated roof. In this case the considered vented roof showed to increase energy saving with respect to the typical roof layout in climates with high solar radiation levels during a wide period of the year.

Nel lavoro svolto in questa tesi l'attenzione è rivolta ai fenomeni di ventilazione naturale che avvengono negli edifici. Il primo studio ha riguardato il potenziale della modellazione numerica relativamente alle prestazioni dell'edificio come parte di uno schema di controllo della ventilazione mista in riferimento a un caso test. A tal fine è stato utilizzato un software di simulazione dinamica (TRNSYS) per valutare il fabbisogno annuale di energia accoppiato a un programma di ottimizzazione (GenOpt) in grado di modificare i parametri di interesse in maniera iterativa; i risultati dell’analisi hanno permesso di individuare la combinazione di parametri per cui il consumo energetico è minimo su base annuale. Sono state considerate nell'analisi le condizioni climatiche e gli elementi rappresentativi del tipo di utilizzo dell'edificio come i carichi interni. Dai risultati numerici di questa analisi è stato possibile mostrare come un’analisi dettagliata della ventilazione naturale all’interno di ambienti di piccole dimensioni possa portare a un risparmio di energia senza compromettere il comfort termico. Questo è stato provato per diverse regioni climatiche, tarando i diversi parametri che gestiscono la ventilazione naturale nella stanza adibita a ufficio soggetta a ventilazione mista. Il lavoro ha dimostrato come la ventilazione naturale per essere efficiente debba essere pianificata a priori sia per definire le aperture sia per stabilirne la gestione. D'altro canto, in ambienti interni di grandi dimensioni come atri o chiese, dove avvengono fenomeni molto più complessi nei campi di moto dell'aria, la ventilazione naturale non è così semplice da analizzare. Questo fatto spinge all'adozione di metodi caratterizzati da una maggiore risoluzione al fine di meglio definire le caratteristiche del deflusso, quando si studiando intende studiare il comfort termico e la qualità dell'aria. In particolare, negli ultimi anni, c'è stata una crescente attenzione riguardo allo studio dei campi di moto dell'aria all’interno degli edifici, dovuto al diffuso interesse nel ridurre le perdite di energia e a incrementare l'efficienza dei sistemi di riscaldamento. Un problema tecnico non banale riguarda il riscaldamento delle chiese, dal momento che queste oggi sono sempre più utilizzate sia per funzioni religiose che come centri culturali. Tale questione è tuttora aperta, non avendo ancora trovato una soluzione definitiva. Nel corso dell'ultimo secolo, a seguito dell'installazione dei sistemi di riscaldamento, si è manifestato un aumento di danni delle opere d’arte e delle preziose decorazioni all’interno delle chiese storiche. Inoltre in ambienti di questo tipo, a causa dell’accentuato sviluppo verticale e della presenza di grandi finestrature, si possono verificare importanti fenomeni di convezione naturale o fenomeni di stratificazione in cui l'aria calda tende a ristagnare in regioni lontane dalla zona occupata. Le conseguenze possono essere discomfort termico o spreco di energia. Pertanto non è possibile progettare impianti di riscaldamento secondo metodologie standard, quanto dal momento che gli impianti di riscaldamento devono realizzare il miglior compromesso fra conservazione dei beni culturali, costi di esercizio e di manutenzione, risparmio energetico e comfort. Per gestire queste esigenze spesso contrastanti, i modelli macroscopici o ingegneristici che descrivono il sistema reale con un numero ridotto di valori di temperatura, pressione e portata di massa, non sono molto spesso adeguati, mentre la fluidodinamica numerica è uno strumento potente e versatile per ottenere una previsione più affidabile del moto dell'aria e dei campi termici che avvengono negli edifici. Dopo aver illustrato il problema del riscaldamento delle chiese storiche e i principi della CFD, si è condotta un'analisi dettagliata della chiesa di St.Marien a Wismar per dimostrare l'utilità di questi metodi per questo tipo di applicazioni. Sulla base dei dati sperimentali raccolti durante l'inverno 2003-2004, è stato realizzato e tarato un modello energetico dinamico della chiesa. I risultati forniti hanno permesso di stimare le condizioni al contorno per una serie di simulazioni della chiesa di St.Marien basate sul codice commerciale FLUENT, per identificare un modello numerico che potesse essere un buon compromesso fra semplicità del dominio spaziale di calcolo, risparmio di risorse di calcolo, accuratezza e affidabilità della soluzione. Una volta realizzato, il modello è stato validato con alcuni valori di temperatura registrati durante il periodo di monitoraggio. Le simulazioni hanno evidenziato la presenza un cortocircuito in corrispondenza a un fan-coil installato a pavimento. Questo non sarebbe stato possibile con un'analisi basata su modelli semplificati, indicando la necessità, per i grandi ambienti, di portare avanti insieme sia le analisi macroscopiche che quelle di dettaglio con metodi CFD. Questo risultato ha spinto a provare in modo più stretto di accoppiare modelli energetici e CFD al fine di predire le prestazioni energetiche degli edifici. E’ stato quindi prodotto un metodo per stimare le prestazioni di componenti ventilati dell'involucro edilizio su base annuale. Il metodo è stato testato su un tetto ventilato. Si è quindi potuto verificare il miglior comportamento energetico del tetto ventilato rispetto a una equivalente copertura tradizionale.