2006:036 HIP EXAMENSARBETE Projektering av ventilationen till studio Acusticum CONNY BRÄNNSTRÖM HÖGSKOLEINGENJÖRSPROGRAMMET Maskinteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik Maskin- och materialteknik Avdelningen för Energiteknik 2006:036 HIP ISSN: 1404-5494 ISRN: LTU - HIP - EX - - 06/36 - - SE
Sammanfattning Arbetet handlar om Piteås nya konserthus studio Acustikum som skall byggas vid musikhögskolan. En studie är gjord på stora konsertsalen. Ett bra inomhusklimat är ej lätt att uppnå eftersom hårda ljudkrav gör det svårt att tillföra luft i tillräcklig omfattning. Det finns vissa krav avseende luftflöden, men bara för att de är uppfyllda så är det ändå inte säkert att det blir ett bra klimat. För att kunna förutse lufttemperaturen i salen så användes CFD simulering. Programmet heter Fluent. Med hjälp av detta program har simuleringar gjorts och intressanta resultat erhållits. Det blir ett relativt bra inomhusklimat inne i konsertsalen. Det är endast på läktaren, den bakersta raden mitt i rummet där det blir för varmt. Men eftersom tiden inte är medtagen i beräkningarna så går det inte att förutse om temperaturen hinner stiga så pass mycket under en enstaka konsert, vidare arbete bör därför genomföras.
Abstract This Works is about Piteå s new concert house, studio Acustikum, who will be buildt at the music school. Studies have been done on the big concert room. Because of sound requirement a good indoor climate is not easy to fulfil. To know the airtemperature in the room CFD simulations has been used. The program that have been used was Fluent. Whit that program has simulations been done with some interesting results. It will be a good indoor climate in the concert room, it is only up on the grandstand on the back line in the middle of the room where the air temperature will be to high. The timeparameter is not included in the simulations so the temperature maybe not reach the high levels under a concert.
Förord Examensarbetet har gjorts hos ett företag i Piteå som heter PeLator VVS projektering AB. Min uppgift var att titta på ventilationen till musikhögskolan Acusticum i Piteås nya konserthus. Men eftersom det är ett stort projekt så var jag tvungen att begränsa det. Tillsammans med min examinator Lars Westerlund på energi teknik vid LTU så bestämdes att arbetet skulle begränsas till själva konsertsalen och att med hjälp av CFD simulering studera hur luftströmmarna och temperaturen ändras beroende på hur tilluft tillförs salen. Jag vill tacka min handledare Peter Olsson och övriga på PeLator VVS projektering AB för att jag fick möjlighet att göra detta examensarbete hos dem och för all den hjälp dem ställt upp med och Lars Westerlund som har hjälpt mig genom detta arbete. Conny Brännström Luleå, augusti 2006
Innehållsförteckning 1 Inledning... 2 2 Metod... 3 2.1 Kraven som ställs på studio Acusticum... 3 2.2 Beräknat luftflöde... 3 2.2.1 Beräkningar görs på CO 2 koncentrationen... 4 2.2.2 Beräkningar görs på personer och arean... 4 2.2.3 Beräkningar görs på avgiven effekt... 5 2.3 CFD Simulering... 5 2.3.1 Test volym med ostrukturerat mesh nät... 6 2.3.2 Test volym med blandat mesh nät... 7 2.3.3 Test volym med högre tillufts hastighet... 7 2.3.4 Test volym med värmeavgivning från sits och rygg... 7 2.3.5 Test volym med grövre mesh nät... 8 2.3.6 Fullskalig simulering på konsert salen utan innertak... 9 2.3.7 Fullskalig simulering på konsertsalen med innertak... 11 3 Resultat... 12 3.1 Beräknat Luftflöde... 12 3.1.1 Beräkningar avsende CO 2 koncentrationen... 12 3.1.2 Beräkningar görs på personer och arean... 12 3.1.3 Beräkningar utifrån avgiven värme... 12 3.2 CFD Simulering... 13 3.2.1 Test volym med ostrukturerat mesh nät... 13 3.2.2 Test volym med blandat mesh nät... 14 3.2.3 Test volym med högre tillufts hastighet... 15 3.2.4 Test volym med värmeavgivning från sits och rygg... 16 3.2.5 Test volym med grövre mesh nät... 17 3.2.6 Fullskalig simulering av konsertsalen utan innertak... 18 3.2.7 Fullskalig simulering av konsertsal med innertak... 19 4 Diskussion och slutsats... 21
1 Inledning Arbetet började med att först studerar kulturhuset i Luleå samt hur de löst tilluften in till stora konsertsalen. Men eftersom Luleås sal är byggd i betong och Piteås skall byggas i trä, så kan man inte lagra lika mycket energi i denna lättare byggnads konstruktionen. Trots det kunde vissa lösningar användas. Därefter studerades vilka lagar och regler som gäller för konserthus. 2
2 Metod Det finns vissa lagar som ställs på ventilation. Enligt BBR (Boverkets byggregler) så finns det två krav, CO 2 halten får inte vara för hög och det andra kravet är ett givet luftflöde per person plus ett givet flöde per m 2 golvarea. Det är de enda krav som ställs. Men det är inte säkert att klimatet är trivsamt bara för att dessa villkor uppfylls. För att förhindra att inte temperaturen skall bli för hög, har även effekten som alstras från belysningen och folket inne i salen tagits med i beräkningarna. 2.1 Kraven som ställs på studio Acusticum Eftersom konsertsalen som ska byggas ska bli norra Europas modernaste studio, är kraven hårda på ljudnivån från ventilationen. Musikinspelningar ska kunna göras i salen. Kraven på ljudnivån är 20 db(a), jämför man med ett kontor så är kravet 35 db. För att klara detta ljudkrav så får det inte vara en högre hastighet på tilluften i kanalerna än 2 m/s. De don som används är så kallade låghastighetsdon. Ett låghastighetsdon är ett don som med låg hastighet släpper in luften till rummet. 2.2 Beräknat luftflöde Det största volymflödet som fås fram för att uppfylla kriterierna blir den dimensionerade faktorn. Det kommer att kunna vara 680 personer inne i konsertsalen För att se planritningarna över konsertsalen, se bilaga 1. 3
2.2.1 Beräkningar görs på CO 2 koncentrationen Enligt det första krav som ställs enligt BBR, får inte koncentrationen av koldioxid vara högre än 1000 ppm. När en människa andas avges 11,5 l/h koldioxid, och den tilluft som kommer in till salen har redan en koncentration av koldioxid på 360 ppm. Ekvationen nedan användes för att beräkna volymflödet på tilluften. Se Ekv.1 V& M 3,6 V = 680 Cr( τ ) Cs & Ekv.1 V & M =Volymflödet en människa andas ut [l/h] Cr (τ ) =Den tillåtna CO 2 gränsen [ppm] Cs =Tilluftens CO 2 halt [ppm] 2.2.2 Beräkningar görs på personer och arean Det andra kravet som ställs enligt BBR är att varje person som vistas inne i salen ska tillföras med 5 l/s tilluft plus att 0,35 l/s skall tillföras per m 2 golv area. Arean på golvet är 768 m 2. Ekvationen nedan användes för att beräkna volymflödet på tilluften. Se Ekv.2 ( 5 680 0,35 A) V& + = 1000 A = Golv arean Ekv.2 4
2.2.3 Beräkningar görs på avgiven effekt Den tredje beräkningen är på hur mycket luft som behövs om man ska klara följande krav. Eftersom takhöjden på konsertsalen är så pass hög så kan ett antagande göras att frånluftens temperatur är 30 C och tillufts temperaturen är 18 C. Varje människa avger en värmeeffekt som är på 102 W och en belysnings effekt på 35 kw. Max belysnings effekt är på 85kW men under en konsert antas en medel effekt på 35kW. Beräkningarna bygger på att tilluften värms upp från 18 C till 30 C. Luftens densitet ρ= 1.2 kg/m 3 och värmekapaciteten Cp= 1010 J/kg, C, de värdena räknas som konstanta. På så sätt kan ett volymflöde fås fram så att all avgiven värme förs bort med ventilationen. Ekvationen nedan användes för att beräkna volymflödet på tilluften. Se Ekv.3 V& 680 Pm + Pb = 1000 ρ Cp ( t ut t in ) Ekv.3 Pm = Avgiven effekt från människan [W] Pb = Avgiven effekt från Belysningen [W] ρ = Luftens Densitet [kg/m 3 ] Cp = Luftens specifika värmekapacitet [J/kg, C] t ut = Frånluftens temperatur [ C] t in = Tilluftens temperatur [ C] 2.3 CFD Simulering Nu när luftflödet är beräknat teoretiskt vet vi hur mycket luft som behövs för att klara dessa krav. Men det intressanta är vad temperaturen blir i vistelse zonen. För att kunna ta reda på detta så användes CFD simulering. CFD står för Computational Fluid Dynamics. Programvaran som använts heter Fluent. För att rita upp geometrin för konsertsalen så användes programmet Gambit. Eftersom konsertsalens volym är så pass stor, utnyttjades en mindre testvolym för att undersöka vilka parametrar som var viktiga. Även vilket mesh nät som skulle användas och hur stora maskorna på mesh nätet skulle vara kontrollerades. På en så pass stor volym som konsertsalen är så tar en simulering ett par dygn, så när simuleringen är klar så är de bra om resultatet som fås fram är trovärdig. Alla simuleringar avser fortvarighet, dvs. oberoende av tiden. 5
2.3.1 Test volym med ostrukturerat mesh nät Testvolymens storlek var 3 m lång, 3 m hög och 1 m djup. I volymen finns två stolar med ett tilluftsdon under varje stol och ett frånluftsdon uppe vid taket i bakväggen. Detta gäller för alla testvolymer för att kunna studera vilka parametrar som kan styras. Istället för att rita människor på stolarna så har en förenkling gjorts, värmeavgivningen från människorna har förenklats så att det är stolsitsen som avger värmen. I Figur 1 har ett ostrukturerat mesh nät införts. Som synes så är volymen uppdelad i tre olika delar. Volymen har 313 286 celler. Vid stolarna och vid frånluftsdonet så är mesh nätet finare eftersom det händer mycket just där. Storleken på tilluftsdonen är 330*90 mm och hastigheten är 0.354 m/s, det ger ett volymflöde på 10,5 l/s. Temperaturen på tilluften är 18 C. Värmeavgivningen från sitsen är 453.4 W/m 2 vilket motsvarar en människa som sitter på stolen. Figur 1: Testvolymen med ett ostrukturerat mesh nät 6
2.3.2 Test volym med blandat mesh nät Denna volym har samma hastighet och temperatur på tilluften som föregående. Det enda som är ändrat är mesh nätet. Här har ett nät som är ostrukturerat nere runt stolarna och strukturerat mesh nät för resten av volymen utnyttjats. Detta för att se vilket som är mest praktiskt eftersom det är stora volymer så vill man ha så få celler som möjligt men med ett så trovärdigt resultat som möjligt. Volymen har 283 551 celler. Figur 2 visar mesh nätet. Värmeavgivelsen från sitsen, lufthastigheten och lufttemperaturen är densamma som tidigare fall. Figur 2: Testvolymen med blandat mesh nät 2.3.3 Test volym med högre tillufts hastighet I denna volym har tilluftshastigheten ökats till 0,7 m/s vilket ger ett volymflöde på 20,8 l/s. Detta gjordes för att undersöka vad som händer med lufttemperaturen under stolarna. De andra värdena är lika som förra volymen. Mesh nätet är lika som föregående volym, så antal celler är 283 551 st. Se Figur 2 2.3.4 Test volym med värmeavgivning från sits och rygg Denna volym har en värmeavgivning från sits och ryggstödet. Det är mer likt verkligheten, eftersom en människa avger värme från hela kroppen. Värmeavgivningen blir 177,4 W/m 2. Värdet är mindre än tidigare men det är för att en större yta utnyttjas. Den totala effekten för stolen är densamma. Mesh nätet är lika som förut, så antal celler är 283 551 st se Figur 2. Tilluftshastigheten för luftflödet är 0,354 m/s. De övriga värdena är detsamma som föregående. 7
2.3.5 Test volym med grövre mesh nät Ett grövre mesh nät har utnyttjats för att se om resultatet blir detsamma. Volymen har 57 733 celler. Färre antal celler innebär kortare beräkningstid. För att se mesh nätet, se Figur 3. Figur 3: Testvolymen med ett grövre mesh nät 8
2.3.6 Fullskalig simulering på konsert salen utan innertak När testerna är gjorda så kan simuleringen genomföras på den fullskaliga salen. Konsert salens mått är 31 m lång, 21 m bredd och 19,5 m hög. Det är invändiga mått. Inne i salen kommer det att vara ett löst innertak, vilket bortses ifrån då det underlättar simuleringarna. Eftersom det är symmetri på konsertsalen så går det att endast rita upp volymen på halva byggnaden. Volymen blir då 31*10,5*19,5. Dvs. bara halva volymen behöver beräknas. Se bilaga 1 För att kunna simulera värmen som avges från belysningen till scenen så har en förenkling gjorts på så sätt att tre volymer som är 0,45*0,45*18 meter har installerats på 8 meters höjd över scengolvet. Värmeavgivningen är 355,65 W/m 2 vilket totalt ger 35kW Värmeavgivningen från människorna är satt som förut till sits och rygg. Men nu är stolarna lite större. Måtten på sitsen är 0.55*0,45 meter och ryggstödet är 0,55*0,7. Värmeavgivningen är satt till 161,3 W/m 2. Vilket ger per stol 102 W, dvs. vad en människa i vila avger. De don som har använts är låghastighets don från Swegon och textil don. Under huvudläktaren görs en så kallad gradäng likaså på läktaren i bakkanten. En gradäng är en trycklåda, alltså luften blåses in i lådan och fördelar sig jämnt ut genom donen. På så sätt slipper man en massa rör kanaler. I huvudgradängen kommer det att sitta ett gradäng don under varje stol från Swegon som heter DRGa 330*90 och på läktargradängen kommer det att på de två första raderna sitta likadana don, men på den översta raden kommer det att sitta ett don som heter DCCb 100 detta don ser ut som en burk som sticker upp från golvet. I hörnen bak i salen på entréplanet och på läktarplanet så kommer det att sitta don som heter DRIf 200*600. De kommer att vara infällda i hörnen. Framme på körläktaren på långsidorna sitter det också don som heter DRIf 200*600. Nere på scenen, på långsidorna under själva sidoläktaren kommer de att sitta runda textildon som ser ut som långa slangar. För att se mer detaljerade information om donen se bilaga 2. Mesh- nätet och strukturen för den slutgiltiga simuleringen visas i Figur 4. Volymen har 1 220 221 celler. 9
Tabell 1. visar de totala luftflödet som kommer att användas i fortsatta beräkningar. Flöde/don Don typ [l/s] Antal Totalt DRGa 330*90 10 420 Huvudgradäng DFIf 200*600 300 2 4800 Läktargradäng DRGa 330*90 10 42 DCCb 100 11,5 19 DFIf 200*600 300 2 1239 Körläktare DFIf 200*600 300 2 Scen Textil 350 500 2 1600 7639 Tabell 1: Volymflöden för de olika donen samt det totala luftflödet Det totala luftflödet in i konsertsalen är 7639 l/s. Figur 4:Meshnät tvärs konsertsalen 10
2.3.7 Fullskalig simulering på konsertsalen med innertak När simuleringen fungerade utan innertak infördes ett tak. Innertaket kommer att kunna röra sig upp och ner, varierar mellan 10 m till 15 m över golv. Innertaket är en halv meter tjockt och hänger i vajrar ner från det fasta taket. Innertaket kommer att vara uppdelat i fem sektioner, det är en luftspringa på fem centimeter mellan varje sektion och runt vägarna. Ventilationsluften kommer att strömma mellan springorna upp till frånluftdonen. För beräkningarna placeras innertaket på den lägsta nivån, 10 meters höjd över golv. Det är det känsligaste läget eftersom taket är nära läktaren. Risken finns att värmen inte hinner stiga genom springorna utan blir kvar under tak på läktaren, vilket resulterar i att temperaturen stiger uppe på bakläktaren. Frånluftdonen är placerade en halvmeter ner från de fasta taket. I övrigt är förutsättningarna detsamma som föregående simulering utan innertak Figur 5 visar hur meshnätet är uppbyggt och innertakets placering. Volymen har 1 278 286 celler. För fler bilder på hur volymen ser ut se bilaga 3. Figur 5: Mesh nätet i tvärs konsertsalen med innertak 11
3 Resultat 3.1 Beräknat Luftflöde 3.1.1 Beräkningar avsende CO 2 koncentrationen Om tilluftflödet beräknas efter koldioxidhalten inne i salen så blir det totala flödet. V= 2,394 m 3 /s dvs. 4,99 l/s per person. 3.1.2 Beräkningar görs på personer och arean Om tilluftflödet beräknas utifrån personer och golv area så blir det totala flödet V=3.669 m 3 /s eller 5.4 l/s per person. 3.1.3 Beräkningar utifrån avgiven värme Tilluftflödet för att transportera bort värmen som avges från människor och belysningen ger ett totalt flödet V= 7,175 m 3 /s eller 10.6 l/s per person. Eftersom detta tilluftflöde är störst så blir det dimensionerande. 12
3.2 CFD Simulering 3.2.1 Test volym med ostrukturerat mesh nät Det första resultatet visar att det blir 25,0 C en meter upp från den bakre stolssitsen se Figur 6. Det är varmare närmast stolen, det beror bara på att värmeavgivningar är satt till ytan. Man vill inte att hastigheten på luften överstiger 0,2 m/s i vistelse zonen för att undvika drag upplevelser (kall tilluft). Det är ingen fara i denna volym, se Figur 7. Figur 6: Lufttemperaturen Figur 7: Lufthastighet 13
3.2.2 Test volym med blandat mesh nät För denna volym ligger temperaturen en meter upp från den bakre stolssitsen på 25,4 C se Figur 8. Det är lite varmare än i föregående volym, men det är så pass liten skillnad så det är godtagbart. Lufttemperaturen är högre när man kommer ut en bit från tilluftsdonet, det borde inte vara så eftersom att värmen bör stiga uppåt från stolssitsen. Programmet klarar inte av att göra beräkningar i detta område när lufthastigheten är så pass låga. För övrigt ser resultatet bra ut. Även hastigheten anses som rimlig se Figur 9. Det skiljer sig lite mellan volymerna men enbart marginellt. Så även detta är godtagbart. Pga. praktiska skäl så är de mycket bättre att använda sig av ett blandat mesh nät. Figur 8: Lufttemperaturen Figur 9: Lufthastighet 14
3.2.3 Test volym med högre tillufts hastighet Fördubblad lufthastighet medför att luften blir kallare i volymen. Temperaturen en meter upp från den bakre stolssitsen är 21,7 C se Figur 10. Men värmen vill fortfarande sjunka neråt under stolen som i föregående försök. Programmet får svårigheter att beräkna när luftflödena är så pass låga. Men annars ser det bra ut. Hastigheten är högre i volymen så de stämmer bra se Figur 11. Figur 10: Lufttemperaturen Figur 11: Lufthastighet 15
3.2.4 Test volym med värmeavgivning från sits och rygg Värmeavgivning från både sits och ryggstödet medför att programmet hade mycket lättare att konvergera. Temperaturen en meter upp från den bakre stolssitsen är 24,8 C. Det är en liten skillnad, jämfört med tidigare simuleringar se Figur 108 och Figur 12 men den anses acceptabel. Även för hastigheten är skillnaden liten, se Figur 9 respektive Figur 13 I fortsättningen utnyttjas värmeavgivning på sits och rygg. Figur 12: Lufttemperaturen Figur 13: Lufthastighet 16
3.2.5 Test volym med grövre mesh nät Här syns en skillnad mot föregående volymer. En meter upp från den främre stolssitsen är det 25,5 C och en meter upp från den bakre stolssitsen är det 25,7 C, se Figur 14. Men temperaturen från stolsitsen och ner mot golvet är bättre än förut, värmen från stolssitsen sjunker inte neråt lika mycke. Det har skapats en större zon var hastigheten är högre, det är vid framväggen, se Figur 15. Det har alltid varit ett litet fält där hastigheten varit större, men nu har det ökat. Ökningen beror på att nätet är grövre. Nu när dessa tester är gjorde kommer detta mesh nät att användas. För att beräknings tiden är mycket kortare och resultatet med temperatur fördelningen anses vara bästa av alla tester. Figur 14: Lufttemperaturen Figur 15: Lufthastighet 17
3.2.6 Fullskalig simulering av konsertsalen utan innertak Det blir en lufttemperatur 27-28 C en meter upp från stolssitsen på den bakre raden uppe på läktaren. Det är den varmaste platsen i salen. Orakats av att varmluften från belysningen på scenen stiger upp mot taket och följer taket bakåt, när luften når bakväggen så har den så pass hög hastighet att den trycks ner efter väggen. Därför blir värmen kvar på läktaren. Nere på huvudgradängen så fås en bra temperatur, se Figur 16. Figur 16: Lufttemperaturen i mitten av lokalen 18
3.2.7 Fullskalig simulering av konsertsal med innertak När innertaket tas med i simuleringen får vi fortfarande lika varmt uppe på läktaren. Även något varmare på scenen pga. att värmen inte hinner stiga upp till taket lika fort när innertaket är med. Framme uppe på orkester läktaren mot väggen erhålls en temperatur på 30 C och även på bakläktaren närmast väggen. Men på orkester läktaren en meter upp från översta raden ligger temperaturen på 27,0 C och bakläktaren en meter upp från bakersta raden ligger temperaturen på 27,6 C. se Figur 17. För att studera temperaturen på andra platser i konsertsalen, se bilaga 4. Luftmängden som tas in i lokalen går att genomföra dvs. donen klara av dessa luftflöden enligt tillverkan. Även ljudkravet uppfylls. Figur 17: Lufttemperaturen i mitten av lokalen 19
I Figur 18 ses temperaturen 1 meter in från väggen. Uppe på sidoläktaren är det 26.4 C. De är på gränsen att de blir för varmt. Nere i gången har vi en behaglig temperatur, 24,5 C. Figur 18: Lufttemperaturen 1 meter in från väggen I Figur 19 ses temperaturen horisontellt, 5 meter ovanför scen golvet. Som synes så är temperaturen relativt konstant över planet. I hörnen på bilen är de kallare pga. tilluft. Figur 19: Planet är horisontellt 5 meter ovanför scengolvet 20
4 Diskussion och slutsats Temperaturen inne i konsertsalen kommer att bli behaglig i stora delar av lokalen. De är endast uppe på läktaren på bakersta raden mitt i rummet det kommer att bli för varmt. Eftersom inte tiden är medtagen i beräkningarna så kan temperaturen undrestiga maximalt värde. En konsert kan antas pågå i en timme följt av en rast på 15 min när största delen av folket går ut i foajén, eventuellt hinner man sänka temperaturen innan folket kommer in igen och föreställningen fortsätter. Temperaturen stiger därmed inte så mycket som simuleringen visar. Beräkningarna bygger på fortvarighet. Man bör göra simuleringar med tiden medtagen, men pga. tidsskäl så kunde detta inte genomförs. Det går inte att sänka temperaturen på tilluften lägre än till 18 C, för då kommer publiken att uppleva obehag. För att undvika platser med för hög lufttemperatur kan man enkelt utnyttja simulering och undersöka hur olika lösningar påverkar klimatet i lokalen. Bästa lösningen appliceras i den verkliga konsertsalen. Värmeupptagningen i byggnadsmaterialet är ej inkluderade i simuleringarna då fortvarighet undersökts. I verkligheten kommer detta att reducera lufttemperaturen. 21
Bilaga 1 Planritning på entréplanet. Planritning på läktarplanet.
Ritning på sektionsplanet från gaveln. Ritning på sektionen från långsidan.
Bilaga 2 Bilder på gradäng don DRGa 330*90 Bilder på gradäng don DCCb 100 Bilder på don DFIf
Bilder på textil don som har använts i olika byggnader. De fina med dessa don är att dem går att formsys så att de passar in i lokalen. I bilden till vänster så sitter tilluftsdonen uppe i taket och i högra bilden sitter de efter väggen, från tak ner till golv. Tilluftsdonen uppe i taket.
Bilaga 3 Halva volymen.
Mesh nätet vid bakväggen.
Innertaket är uppdelat i fem sektioner.
Bilaga 4 Planet i linje med frånluft donet Planet längst med sidoläktaren Till vänster ses hastighets vektorer i symmetriplanet.
Planet mitt i bakersta raden på läktaren. Planet mitt i andar raden bakifrån räknat på läktaren. Planet mitt i främsta raden på läktaren.