Úterní seminář
NÁSTROJ PRO SIMULACI TEPELNÉHO KOMFORTU V NEHOMOGENNÍCH PROSTŘEDÍCH Pokorný Jan, Fišer Jan, Jícha Miroslav
Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Odbor termomechaniky a techniky prostředí
Brno 16. 8. 2010
Úvod ► Motivace
► V čem pracuji ► PMV-PPD model
► Vícesegmentové modely ► Modifikovaný Tanabeho model ► Zhang model ► Propojení modelů ► Závěr Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
2
Motivace ► Vytvořit disertační práci na téma: Svázaný 1D/3D inteligentní simulační systém na řízení klimatizace v kabině automobilu
► Plnit projekty ► Simulovat vnitřní klima v kabině automobilu • •
Asymetrické působení okolního prostředí (sluneční záření, kontakt řidiče se sedadlem, apod.) Větší rozdíly teplot oproti vnitřnímu prostředí v budovách (léto, zima)
léto Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
zima 3
V čem pracuji Dymola / Modelica Modelování
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
Simulace
4
PMV – PPD Model Střední předpokládaný tepelný pocit: PMV (0,303 e0,036M 0,028) L Kde L je tepelná zátěž (rozdíl mezi vnitřní produkcí tepla a tepelnými ztrátami)
Předpokládaný podíl nespokojených lidí
Stupnice tepelných pocitů dle Ashrae: +3 horko +2 teplo +1 mírně teplo 0 neutralně -1 mírně chladno -2 chladno -3 zima
PPD 100 95 exp( 0,03353 PMV 4 0,2179 PMV 2 ) [%]
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
5
Vícesegmentové modely Fyziologie člověka
Tepelné pohody
Wissler
Nilsson (ISO 14502)
Stolwijk
Zhang
Kohri Tanabe Huizenga Fiala
(Nilsson, 2004)
(Wissler, 1964)
(Tanabe, 2002)
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
(Fiala v THESEUS-FE®, 2007)
(Zhang , 2010)
6
Modifikovaný Tanabeho model ► součinitelé přestupu tepla – empirické vzorce (Nilsson, 2004) ► žilní a tepenná teplota pro jednotlivé segmenty ► protiproudá výměna tepla krví Vrstva jádra Vrstva svalů Vrstva tuku
Vrstva kůže Krevní zásobište
dT (i,1) Q(i,1) B(i,1) D(i,1) RES (2,1) [W ] dt dT (i,2) C (i,2) Q(i,2) B(i,2) D(i,1) D(i,2) [W ] dt dT (i,3) C (i,3) Q(i,3) B(i,3) D(i,2) D(i,3) [W ] dt dT (i,4) C (i,4) Q(i,4) B(i,4) D(i,4) Qt (i,4) E (i,4) [W ] dt
C (i,1)
16
16
i 1
i 1
Tpo BF (i) Tve, x (i) BF (i) [C ]
Zákon zachování hmoty pro krev v cévách a protiproudá výměna tepla krví
c BF (i) (Tpo Tar (i, j )) c BF (i) (Tve, x (i) Tve(i)) hx (i) (Tar (i) Tve(i)) [W ] Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
7
Zhang model
fyziologie: Tskin,local ; Tskin,mean ; Tcore
lokální tepelný pocit
lokální tepelný komfort
celkový tepelný pocit
celkový tepelný komfort nepohodlně
-4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4
-4
velmi
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
pohodlně -0 +0
právě
+4
velmi
8
Propojení modelů Ta Tr M* Icl ϕ v
Tsk Tsk Tco Tco
Pocit
Komfort
lokální
lokální
Pocit
Komfort
celkový
celkový
Ta Teplota vzduchu [°C]
ϕ Relativní vlhkost [-]
Tr Střední radiační teplota [°C]
v Rychlost vzduchu [m/s]
M Činnost člověka [met]
Tsk Teplota pokožky [°C]
Icl Oděv člověka [clo]
Tco Teplota jádra [°C]
* Označuje celkový parametr, ostatní jsou lokální
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
9
Testovací scénáře 1. Neměnné neutrální prostředí (30°C) 2. Měnící se prostředí a) Na chladné (28-18-28°C) b) Na horké (28-48-28°C) Výsledky jsou porovnány s daty: Střední teplota pokožky ► Fialův model – hodnoty z disertační práce (10 segmentů) ► Theseus–FE – hodnoty z komerčního softwaru (15 segments) ► Experiment Celkový tepelný pocit ► Index DTS dle Fialy Celkový tepelný komfort (neporovnán) Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
10
Neutrální prostředí Vstupní parametry: Ta = Tr = 30°C; v = 0,05 m/s; ϕ = 40%, M = 0,8 met; Icl = 0 clo
Porovnání výsledků: Veličina M Tsk Tmu Thy Tre hc hr Qc Qr E R Qtot
Fiala Theseus-FE 87,1 87,13 34,4 34,42 36,2 36,02 37 36,89 36,88 36,79 2,7 2,66 5 4,5 21,5 21,83 38,9 36,94 18,1 19,43 8,5 8,93 87,0 87,13
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
BUT 87,06 34,06 35,26 36,89 36,99 2,83 4,77 22,17 35,67 22,56 6,66 87,06
Jed. W °C °C °C °C W / m2∙K W / m2∙K W W W W W
Popis Bazální metabolismus Střední teplota pokožky Střední teplota svalů Teplota hypotalamu Rektální teplota Střední s.p.t. konvekcí Střední s.p.t. radiací Tepelný tok konvekcí Tepelný tok radiací Tepelný tok vypařováním, Tepelný tok dýcháním Celkové tepelné ztráty 11
Měnící se prostředí Vstupní parametry: v = 0,1 m/s; ϕ = 40%, Icl = 0 clo
Stabilizační Neutrální Chladné Neutrální
čas čas Ta = Tr [min] [min] [°C] -60 0 22 0 60 28 60 180 18 180 240 28
M [met] 2,50 1,15 1,15 1,15
Tsk [°C]
Prostředí
Střední teplota pokožky
Experiment Fiala Theseus-FE BUT model čas [min]
Střední teplota pokožky
Prostředí Stabilizační Neutrální Horké Neutrální
čas čas Ta = Tr M [min [min [°C] [met] -60 0 29 2 0 60 28 1,15 60 180 48 1,15 180 240 28 1,15
φ [%] 43 43 27 44
Tsk [°C]
Vstupní parametry: v = 0,1 m/s; Icl = 0 clo
čas [min]
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
12
Měnící se prostředí Celkový tepelný pocit a komfort
Index DTS (z [3])
pocit komfort
čas [min]
Celkový tepelný pocit a komfort
čas [min]
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
čas [min]
Index DTS (z [3])
čas [min]
13
Co dál? Diskuze
► Odstranit nedostatky modelu… ► Propojit model se CFD Vytvoření shellu…, propojení shellu s modelem, jaké jsou možnosti? Propoji
► Zkušenosti řidičů s tepelnou pohodou v autě (Co vadí, a naopak co oceňujete…)
Pokorný Jan, VUT Brno, FSI, Ottp
14
