Otimização de um sistema de "Free-Cooling" de uma instalação de climatização: incluindo a definição de um algoritmo de controlo de funcionamento

A utilização de equipamentos de climatização é cada vez mais frequente, e surgem novas tecnologias para aumentar a eficiência do processo, e neste caso, a opção da instalação de um sistema de Unidade de Tratamento de Ar com Economizador é a fundamental temática deste trabalho de dissertação. O “Free-Cooling” baseia-se na utilização total ou parcial do ar exterior para proceder à climatização de um espaço, quando se verificam as condições ótimas para o processo, e quando o sistema apresenta um controlador que permita gerir a abertura dos registos face à temperatura exterior e interior medida. A análise das condições exteriores e interiores é fundamental para dimensionar um Economizador. É necessário determinar o tipo de clima do local para fazer a seleção do tipo de controlo do processo, e recolher também, o perfil de temperaturas exterior para justificar a utilização de “Free-Cooling” no local. A determinação das condições interiores como a quantificação da utilização da iluminação, ocupação e equipamentos, é necessária para determinar a potência das baterias de arrefecimento ou aquecimento, e no caso de ser utilizado “Free-Cooling”, determinar o caudal de ar exterior a insuflar. O balanço térmico das instalações explicita todas as cargas influentes no edifício, e permite quantificar a potência necessária para climatização. Depois, adicionando o Economizador no sistema e comparando os dois sistemas, verifica-se a redução dos custos de utilização da bateria de arrefecimento. O desenvolvimento de um algoritmo de controlo é fundamental para garantir a eficiência do Economizador, onde o controlo dos registos de admissão e retorno de ar é obrigatoriamente relacionado com a leitura dos sensores de temperatura exterior e interior. A quantidade de ar novo insuflado no espaço depende, por fim, da relação entre a carga sensível do local e a diferença de temperatura lida entre os dois sensores.

Valutazione del risparmio energetico conseguibile negli impianti di condizionamento estivo con l'adozione del free-cooling

Per la valutazione dei consumi energetici attribuiti alla climatizzazione estiva di un sistema edificio-impianto, operante in condizioni di regime termico dinamico, è stato realizzato un modello di simulazione, sviluppato in Excel, che si avvale del metodo delle funzioni di trasferimento per la determinazione dei carichi termici. Nel modello sono state implementate numerose varianti all'impianto di condizionamento di base, permettendo rapidi confronti sui risparmi enegetici conseguibili, in funzione delle diverse caratteristiche del sistema.

Co-optimisation of indoor environmental quality and energy consumption within urban office buildings

This study aimed to develop a multi-component model that can be used to maximise indoor environmental quality inside mechanically ventilated office buildings, while minimising energy usage. The integrated model, which was developed and validated from fieldwork data, was employed to assess the potential improvement of indoor air quality and energy saving under different ventilation conditions in typical air-conditioned office buildings in the subtropical city of Brisbane, Australia. When operating the ventilation system under predicted optimal conditions of indoor environmental quality and energy conservation and using outdoor air filtration, average indoor particle number (PN) concentration decreased by as much as 77%, while indoor CO2 concentration and energy consumption were not significantly different compared to the normal summer time operating conditions. Benefits of operating the system with this algorithm were most pronounced during the Brisbane’s mild winter. In terms of indoor air quality, average indoor PN and CO2 concentrations decreased by 48% and 24%, respectively, while potential energy savings due to free cooling went as high as 108% of the normal winter time operating conditions. The application of such a model to the operation of ventilation systems can help to significantly improve indoor air quality and energy conservation in air-conditioned office buildings.

Influência do caudal de ventilação no desempenho económico de um sistema AVAC de um edifício administrativo

Este estudo pretende analisar a influência do caudal de ar novo insuflado num edifício administrativo no desempenho energético do seu sistema AVAC. O RSECE determina os caudais mínimos de AN para renovação do ar interior e qualidade do ar aceitável em espaços em que não haja fontes atípicas de poluentes e sem fumadores. Existe uma tendência para se projectar sistemas AVAC insuflando o caudal mínimo de AN, para assim se poupar no consumo de energia. No entanto, em determinadas situações, com esse procedimento está-se a fazer precisamente o contrário. Nessas situações não se está a aproveitar a oportunidade de aumentar a QAI e, simultaneamente, reduzir o consumo de energia. Neste estudo calculou-se o consumo energético do sistema AVAC do edifício, inicialmente insuflando o caudal mínimo de AN, e depois repetiu-se o cálculo várias vezes aumentando esse mesmo caudal progressivamente. Este cálculo foi feito para dois tipos de sistemas de ar, CAV e VAV, e para três localizações diferentes do mesmo edifício. Foi também estudada a possibilidade do sistema funcionar em regime de “free cooling”, e também foram feitos cálculos para diferentes temperaturas de insuflação em situação de arrefecimento. Concluiu-se que, para as localizações do edifício em que este apresenta necessidades de arrefecimento anuais superiores às de aquecimento, o caudal de AN responsável pelo menor consumo energético do seu sistema AVAC é superior ao mínimo imposto pelo RSECE. Observou-se também que, quando se insufla no edifício o caudal mínimo de AN e o sistema está preparado para funcionar em regime de “free cooling”, conseguem-se poupanças no consumo energético anual do sistema bastante relevantes, independentemente do balanço entre as necessidades de aquecimento e arrefecimento anuais que o edifício apresenta. Em relação aos dois sistemas de ar estudados concluiu-se que, em qualquer das situações estudadas, o sistema VAV apresenta consumos energéticos inferiores.

Impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios

Este trabalho surgiu do âmbito da Tese de Dissertação do Mestrado em Energias Sustentáveis do Instituto Superior de Engenharia do Porto, tendo o acompanhamento dos orientadores da empresa Laboratório Ecotermolab do Instituto de Soldadura e Qualidade e do Instituto Superior de Engenharia do Porto, de forma a garantir a linha traçada indo de acordo aos objectivos propostos. A presente tese abordou o estudo do impacto da influência do ar novo na climatização de edifícios, tendo como base de apoio à análise a simulação dinâmica do edifício em condições reais num programa adequado, acreditado pela norma ASHRAE 140-2004. Este trabalho pretendeu evidenciar qual o impacto da influência do ar novo na climatização de um edifício com a conjugação de vários factores, tais como, ocupação, actividades e padrões de utilização (horários), iluminação e equipamentos, estudando ainda a possibilidade do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. O princípio partiu fundamentalmente por determinar até que ponto se pode climatizar recorrendo único e exclusivamente à introdução de ar novo em regime de “Free-Cooling”, através de um sistema tudo-ar de Volume de Ar Variável - VAV, sem o apoio de qualquer outro sistema de climatização auxiliar localizado no espaço, respeitando os caudais mínimos impostos pelo RSECE (Decreto-Lei 79/2006). Numa primeira fase foram identificados todos os dados relativos à determinação das cargas térmicas do edifício, tendo em conta todos os factores e contributos alusivos ao valor da carga térmica, tais como a transmissão de calor e seus constituintes, a iluminação, a ventilação, o uso de equipamentos e os níveis de ocupação. Consequentemente foram elaboradas diversas simulações dinâmicas com o recurso ao programa EnergyPlus integrado no DesignBuilder, conjugando variáveis desde as envolventes à própria arquitectura, perfis de utilização ocupacional, equipamentos e taxas de renovação de ar nos diferentes espaços do edifício em estudo. Obtiveram-se vários modelos de forma a promover um estudo comparativo e aprofundado que permitisse determinar o impacto do ar novo na climatização do edifício, perspectivando a capacidade funcional do sistema funcionar em regime de “Free-Cooling”. Deste modo, a análise e comparação dos dados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: Tendo em consideração que para necessidades de arrefecimento bastante elevadas, o “Free-Cooling” diurno revelou-se pouco eficaz ou quase nulo, para o tipo de clima verificado em Portugal, pois o diferencial de temperatura existente entre o exterior e o interior não é suficiente de modo a tornar possível a remoção das cargas de forma a baixar a temperatura interior para o intervalo de conforto. Em relação ao “Free-Cooling” em horário nocturno ou pós-laboral, este revelou-se bem mais eficiente. Obtiveram-se prestações muito interessantes sobretudo durante as estações de aquecimento e meia-estação, tendo em consideração o facto de existir necessidades de arrefecimento mesmo durante a estação de aquecimento. Referente à ventilação nocturna, isto é, em períodos de madrugada e fecho do edifício, concluiu-se que tal contribui para um abaixamento do calor acumulado durante o dia nos materiais construtivos do edifício e que é libertado ou restituído posteriormente para os espaços em períodos mais tardios. De entre as seguintes variáveis, aumento de caudal de ar novo insuflado e o diferencial de temperatura existente entre o ar exterior e interior, ficou demonstrado que este último teria maior peso contributivo na remoção do calor. Por fim, é ponto assente que de um modo geral, um sistema de climatização será sempre indispensável devido a cargas internas elevadas, requisitos interiores de temperatura e humidade, sendo no entanto aconselhado o “Free- Cooling” como um opção viável a incorporar na solução de climatização, de forma a promover o arrefecimento natural, a redução do consumo energético e a introdução activa de ar novo.

Towards topology-free optimization - An application to turbine internal cooling geometries

The application of automated design optimization to real-world, complex geometry problems is a significant challenge - especially if the topology is not known a priori like in turbine internal cooling. The long term goal of our work is to focus on an end-to-end integration of the whole CFD Process, from solid model through meshing, solving and post-processing to enable this type of design optimization to become viable & practical. In recent papers we have reported the integration of a Level Set based geometry kernel with an octree-based cut- Cartesian mesh generator, RANS flow solver, post-processing & geometry editing all within a single piece of software - and all implemented in parallel with commodity PC clusters as the target. The cut-cells which characterize the approach are eliminated by exporting a body-conformal mesh guided by the underpinning Level Set. This paper extends this work still further with a simple scoping study showing how the basic functionality can be scripted & automated and then used as the basis for automated optimization of a generic gas turbine cooling geometry. Copyright © 2008 by W.N.Dawes.

Experimental Investigation into the Free-Air Cooling of Air-Cooled Cylinders

This paper describes an experimental investigation into the surface heat transfer coefficient of finned metal cylinders in a free air stream. Eight cast aluminium alloy cylinders were tested with four different fin pitches and five different fin lengths. The cylinders and their fins were designed to be representative of those found on a motorcycle engine. Each electrically heated cylinder was mounted in a wind tunnel and subjected to a range of air speeds between 2 and 20 m/s. The surface heat transfer coefficient, h, was found primarily to be a function of the air speed and the fin separation, with fin length having a lesser effect. The coefficient increases with airspeed and as the fins are separated or shortened. It was also noted that a limiting value of coefficient exists, influenced only by airspeed. Above the limiting value the surface heat transfer could not be increased by further separation of the fins or reduction in their length.

Experimental investigation of the thermodynamical properties of steam : on the cooling of saturated steam by free expansion.

Mode of access: Internet.

Free convection in a triangular enclosure with fluid-saturated porous medium and internal heat generation

Unsteady natural convection inside a triangular cavity has been studied in this study. The cavity is filled with a saturated porous medium with non-isothermal left inclined wall while the bottom surface is isothermally heated and the right inclined surface is isothermally cooled. An internal heat generation is also considered which is dependent on the fluid temperature. The governing equations are solved numerically by finite volume method. The Prandtl number, Pr of the fluid is considered as 0.7 (air) while the aspect ratio and the Rayleigh number, Ra are considered as 0.5 and 105 respectively. The effect of heat generation on the fluid flow and heat transfer have been presented as a form of streamlines and isotherms. The rate of heat transfer through three surfaces of the enclosure is also presented.

Influence of Cooling Rate on the Enthalpy Relaxation and Fragility of a Metallic Glass

Structural relaxation behavior of a rapidly quenched (RQ) and a slowly cooled Pd40Cu30Ni10P20 metallic glass was investigated and compared. Differential scanning calorimetry was employed to monitor the relaxation enthalpies at the glass transition temperature, T-g , and the Kolrausch-Williams-Watts (KWW) stretched exponential function was used to describe its variation with annealing time. It was found that the rate of enthalpy recovery is higher in the ribbon, implying that the bulk is more resistant to relaxation at low temperatures of annealing. This was attributed to the possibility of cooling rate affecting the locations where the glasses get trapped within the potential energy landscape. The RQ process traps a larger amount of free volume, resulting in higher fragility, and in turn relaxes at the slightest thermal excitation (annealing). The slowly cooled bulk metallic glass (BMG), on the other hand, entraps lower free volume and has more short-range ordering, hence requiring a large amount of perturbation to access lower energy basins.

Growth and extraction of flux free YBCO crystals

An improved flux draining technique for the extraction of grown YBCO crystals from its solvent is reported. This simple and efficient technique facilitates in-situ flux separation in the isothermal region of the furnace. Consequently, the crystals are spared from thermal shock and subsequent damage. Flux-free surfaces of these crystals were studied by optical microscopy. Transmission X-ray topographs of the crystals reveal the dislocations present in them as well as the stresses developed as a result of ferroelastic phase transition occurring during cooling.

Radiatively inefficient accretion flow simulations with cooling: implications for black hole transients

We study the effects of optically thin radiative cooling on the structure of radiatively inefficient accretion flows (RIAFs). The flow structure is geometrically thick, and independent of the gas density and cooling, if the cooling time is longer than the viscous time-scale (i.e. t(cool) greater than or similar to t(visc)). For higher densities, the gas can cool before it can accrete and forms the standard geometrically thin, optically thick Shakura-Sunyaev disc. For usual cooling processes (such as bremsstrahlung), we expect an inner hot flow and an outer thin disc. For a short cooling time the accretion flow separates into two phases: a radiatively inefficient hot coronal phase and a cold thin disc. We argue that there is an upper limit on the density of the hot corona corresponding to a critical value of t(cool)/t(ff)( similar to 10-100), the ratio of the cooling time and the free-fall time. Based on our simulations, we have developed a model for transients observed in black hole X-ray binaries (XRBs). An XRB in a quiescent hot RIAF state can transition to a cold blackbody-dominated state because of an increase in the mass accretion rate. The transition from a thin disc to a RIAF happens because of mass exhaustion due to accretion; the transition happens when the cooling time becomes longer than the viscous time at inner radii. Since the viscous time-scale for a geometrically thin disc is quite long, the high-soft state is expected to be long-lived. The different time-scales in black hole transients correspond to different physical processes such as viscous evolution, cooling and free fall. Our model captures the overall features of observed state transitions in XRBs.

Studies on rheocasting using cooling slope

In the present work, a cooling channel is employed to produce semi-solid A356 alloy slurry. To understand the transport process involved, a 3D non-isothermal, multiphase volume averaging model has been developed for simulation of the semi-solid slurry generation process in the cooling channel. For simulation purpose, the three phases considered are the parent melt, the nearly spherical grains and air as separated but highly coupled interpenetrating continua. The conservation equations of mass, momentum, energy and species have been solved for each phase and the thermal and mechanical interactions (drag force) among the phases have been considered using appropriate model. The superheated liquid alloy is poured at the top of the cooling slope/channel, where specified velocity inlet boundary condition is used in the model, and allowed to flow along gravity through the channel. The melt loses its superheat and becomes semisolid up to the end of cooling channel due to the evolving -Al grains with decreasing temperature. The air phase forms a definable air/liquid melt interface, i.e. free surface, due its low density. The results obtained from the present model includes volume fractions of three different phases considered, grain evolution, grain growth rate, size and distribution of solid grains. The effect of key process variables such as pouring temperature, slope angle of the cooling channel and cooling channel wall temperature on temperature distribution, velocity distribution, grain formation and volume fraction of different phases are also studied. The results obtained from the simulations are validated by microstructure study using SEM and quantitative image analysis of the semi-solid slurry microstructure obtained from the experimental set-up.

Growth of crack-free GaN films on Si(111) substrate by using Al-rich AlN buffer layer

GaN epilayers were grown on Si(111) substrate by metalorganic chemical vapor deposition. By using the Al-rich AlN buffer which contains Al beyond stoichiometry, crack-free GaN epilayers with 1 mum thickness were obtained. Through x-ray diffraction (XRD) and secondary ion mass spectroscopy analyses, it was found that a lot of Al atoms have diffused into the under part of the GaN epilayer from the Al-rich AlN buffer, which results in the formation of an AlxGa1-xN layer at least with 300 nm thickness in the 1 mum thick GaN epilayer. The Al fraction x was estimated by XRD to be about 2.5%. X-ray photoelectron spectroscopy depth analysis was also applied to investigate the stoichiometry in the Al-rich buffer before GaN growth. It is suggested that the underlayer AlxGa1-xN originated from Al diffusion probably provides a compressive stress to the upper part of the GaN epilayer, which counterbalances a part of tensile stress in the GaN epilayer during cooling down and consequently reduces the cracks of the film effectively. The method using the Al diffusion effect to form a thick AlGaN layer is really feasible to achieve the crack-free GaN films and obtain a high crystal quality simultaneously. (C) 2004 American Institute of Physics.