Análisis mediante Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) del confort ambiental en el laboratorio de Termotecnia generado por el sistema de climatización centralizado y la ventilación natural

Abstract

En el presente trabajo se ha medido la capacidad de ventilación del laboratorio de Termotecnia de la Universidad de Almería (1.04 del Edificio Científico Técnico II-A con una superficie de 46,9 m2) mediante mediciones experimentales y modelos numéricos. Del mismo modo se ha analizado el nivel de confort generado mediante ventilación natural y con el sistema de climatización centralizado existente en el laboratorio. Para ello se han comparado los valores medios de velocidad, temperatura, humedad relativa y concentración de CO2 del aire interior con los valores recomendados para centros educativos. Además, la medida del nivel de CO2 se puede utilizar como elemento de control del riesgo para la transmisión de Sars-CoV-2 transportado por el aire. Para visualizar el movimiento de aire en el laboratorio se ha desarrollado un modelo numérico de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), validado mediante mediciones experimentales en cinco casos, con tres configuraciones diferentes de entradas y salidas de aire a través de las ventanas y puerta del laboratorio, respectivamente. Las simulaciones se han realizado con el programa de CFD ASNYS-FLUENT versión 2021. Los ensayos experimentales consistieron en la medida de la velocidad del aire en las ventanas y en la puerta mediante anemómetros de hilo y de esfera caliente. Simultáneamente se midieron los valores de temperatura, humedad absoluta y concentración de CO2 del aire. Para establecer las condiciones de contorno del modelo de CFD se midieron las temperaturas superficiales con un sensor de infrarrojos. Mediante las mediciones experimentales realizadas se ha podido observar cómo el nivel de ventilación ha variado entre 14,6 y 83,4 renovaciones de aire por hora (correspondiendo a caudales en la puerta de 0,56 y 3,21 m3/s, para un volumen del aula de 138,4 m3). Estos valores se sitúan muy por encima de los valores recomendados de 5-6 renovaciones de aire por hora para la reducción de la transmisión del SARS-CoV-2 en aulas de enseñanza. Con una ocupación de 3 personas (15,6 m2/persona) las temperaturas han estado en todos los casos en el rango adecuado entre 21 y 26 °C y la humedad relativa entre 45 y 60% y las concentraciones de CO2 por debajo de 500 ppm. Los patrones de aire simulados mediante CFD permitieron detectar la existencia de zonas de estancamiento de aire a baja velocidad, principalmente en la zona entre las dos ventanas de entrada del aire. También se pudo visualizar la interacción del aire respirado por las personas que expulsan CO2 y la humedad. De igual forma se observó cómo mediante ventilación natural se genera una difusión por desplazamiento, en la que el aire se mueve horizontalmente desde las ventanas por las que entra el aire situadas en la pared oeste hacia la puerta situada en la pared este. Mediante el sistema de climatización centralizada con una entrada de aire en el centro del techo y dos salidas de retorno en las esquinas, se genera un movimiento principalmente vertical del aire. Se produce en este caso una ventilación por mezcla mediante la cual el aire que inicialmente desciende en el centro del laboratorio se calienta desplazándose hacia la parte superior, evacuando el calor y las sustancias contaminantes hacia el techo. In the present work, the ventilation capacity of the laboratory of Thermotechnic of the University of Almería (1.04 of the Technical Scientific Building II-A with an area of 46.9 m2) has been measured by means of experimental measurements and numerical models. In the same way, the level of comfort generated by natural ventilation and with the centralized air conditioning system existing in the laboratory has been analysed. To this end, the average values of velocity, temperature, relative humidity, and CO2 concentration of indoor air have been compared with the recommended values for educational centres. In addition, the measurement of the CO2 level can be used as a risk control element for the transmission of airborne Sars-CoV-2. To visualize the movement of air in the laboratory, a numerical model of Computational Fluid Dynamics (CFD) has been developed. The model was validated by experimental measurements in five cases, with three different configurations of air inlets and outlets through the windows and door of the laboratory, respectively. The simulations have been carried out with the CFD program ASNYSFLUENT version 2021. Experimental tests consisted of measuring the air velocity in the windows and door using wire and hot sphere anemometers. Simultaneously, the values of temperature, absolute humidity and CO2 concentration of the air were measured. To establish the boundary conditions of the CFD model, surface temperatures were measured with an infrared sensor. Through the experimental measurements carried out, it has been possible to observe how the level of ventilation ranged between 14.6 and 83.4 air renewals per hour (corresponding to airflows at the door of 0.56 and 3.21 m3/s, for a classroom volume of 138.4 m3). These values are well above the recommended values of 5-6 air renewals per hour for the reduction of SARS-CoV-2 transmission in classrooms. With an occupancy of 3 people (15.6 m2/person) temperatures have in all cases been in the appropriate range between 21 and 26 °C and relative humidity between 45 and 60% and CO2 concentrations below 500 ppm. The air patterns simulated by CFD allowed to detect the existence of areas of air stagnation low speed, mainly in the area between the two air intake windows. It was also possible to visualize the interaction between the air breathed by people who expel CO2 and humidity. In the same way, it was observed how through natural ventilation a diffusion is generated by mixture by means of which the air moves horizontally from the windows through which the air enters on the west wall to the door located on the east wall. Through the centralized air conditioning system with an air intake in the centre of the roof and two return outlets in the corners, a vertical movement of the air is generated. In this case, a displacement ventilation occurs by means of which the air that initially descends in the centre of the laboratory is heated by moving towards the top, evacuating heat, and polluting substances to the ceiling.