Investigation of thermal comfort performance of radiant heating systems: comparisons of different heating surface configurations

Abstract

This thesis is an experimental-numerical study for the thermal comfort assessment of radiant heating system for different heating configuration such as from a wall, ceiling and combination of both that is installed in a test room with dimensions of 4m x 4m x 3m. Comfort evaluation was done by using the PMV (The Predicted Mean Vote) - PPD (Predicted Percentage of Dissatisfaction) index developed by Fanger [1]. In addition, for each heating scenario, human body exergy balance was calculated and the effect of exergy consumption rate on thermal comfort was evaluated. The data generated during the tests are used in numerical model for the validation of it. Numerical model is used to investigate the air temperature distribution, velocity fields for different cases. Three different heating configurations were evaluated in numerical model as same as experimental study. Wall heating, ceiling heating wall and ceiling heating scenarios were explored in terms of PMV thermal comfort index and human body exergy balance approach. All the numerical analysis studies were conducted using the Academic version of ANSYS 17.1, which is a commercial package program for numerical modelling. It contains special modules for different stages of the modelling process. After the three-dimensional room geometry was created in the Design Modeler module, the meshing module was subjected to decomposition using the finite volume method. Numerical solutions were made in Fluent, a widely used computational fluid dynamics module. The temperature and velocity fields were visually inspected using CFD-Post software as the final processor program. The natural convection was modelled using the Boussinesq approach, and the standard k-ε model which is a common numerical solution was picked to model turbulence. A Discrete Ordinates model with no scattering was used for radiative heat transfer. Numerical solution results were compared with different mesh numbers and mesh independence was observed. Radiant panels have been investigated to provide and maintain thermal comfort at different surface set temperatures. In the given set values, temperature distribution in the vertical and horizontal direction, mean radiant temperature and air velocity values in the room were examined. It has been observed that the exergy consumption values in the radiant heating system are close to the lowest values stated in the literature. Also, the temperature distribution in the room is considerably lower than all conventional systems. This demonstrates that radiant systems using low quality energy sources provide efficient, environmentally-friendly comfort solutions. It should be stated that it is a preliminary study for the location-based heating technologies and this method can be an innovative solution for heating / cooling industry. Therefore, it can be further evaluated in future research studies.

Bu tez çalışmasında boyutları 4m x 4m x 3m olan bir odanın duvar ve tavan radyant panellerle ısıtması ve ikisinin bir arada olduğu ısıtma konfigurasyonları için deneysel ve sayısal konfor değerlendirmesi yapılmıştır. Bu tezde Fanger [1] tarafından geliştirilen standart termal konfor değerlendirme ölçeği olarak kabul edilen Tahmini Ortalama Konfor Oylaması (PMV- The Predicted Mean Vote) ve Tahmini Memnuniyetsizlik Oranı (PPD- Predicted Percentage of Dissatisfaction) değerleri her bir durum için hesaplanmıştır. Ayrıca her senaryo için insan vücudunun ekserji dengesi hesaplanarak, vücudun tükettiği ekserji değerinin konfora olan etkisi araştırılmıştır. Sayısal model, test odasında oluşturulan deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Belirlenen senaryolar, PMV-PPD termal konfor indeksi ve insan vücudu ekserji dengesi yaklaşımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Sayısal model yardımıyla oda içerisinde farklı durumlar için hava sıcaklık dağılımı ve hava hızı dağılımı incelenmiştir. Sayısal analiz çalışmaları, dünya genelinde yaygın olarak kullanılan bir ticari paket program olan ve arayüzünde farklı modelleme araçları bulunan ANSYS 17.1'in akademik versiyonu kullanılarak yapılmıştır. Odanın geometrisi Design Modeler modülünde tasarlanmıştır. Sonrasında yazılımın Meshing modülünde sonlu hacimler metodu kullanılarak ayrıklaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yazılımı olan Fluent yazılımı kullanılarak sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen analizlerin sonuçları, CFD-Post yazılımında detaylı görseller ve hesap fonksiyonları ile birlikte incelenmiştir. Sıcaklık ve hız dağılımı, bu bölümde incelenmiştir. Doğal taşınımda Boussinesq yaklaşımı, türbülansın modellenmesinde standart k-ε modeli ve radyasyonla ısı transferi için Discrete Ordinates modeli saçılma dahil edilmeden kullanılmıştır. Sayısal çözüm sonuçları farklı mesh sayılarında kıyaslamıştır ve mesh bağımsızlığının olduğu gözlenmiştir. Panellerin ayarlanan yüzey sıcaklıklarında termal konforu sağlayıp sağlamadıkları incelenmiştir. Verilen set değerlerinde oda içerisinde düşey ve yatay yöndeki sıcaklık dağılımı, ortalama ışınımsal sıcaklık ve hava hızı değerleri incelenmiştir. Radyant ısıtma sisteminde ekserji tüketim değerlerinin literatürde belirtilen en düşük değerlere yakın olduğu gözlemlenmiştir. Bu da radyant sistemlerin düşük kalitede (low-ex) enerji kaynaklarını kullanarak, klasik sistemlere göre daha çevreci ve ekonomik bir iklimlendirme çözümü olduğunu ortaya koymaktadır. Bu tez içerisinde yer alan farklı konumlardan ışınım ile ısıtma yapılması hususu, gelecekte kullanıcıya sunulabilecek yenilikçi bir yöntemdir ve konum bazlı ısıtma-soğutma çözümleri için bir ön çalışma niteliğinde olduğu belirtilmelidir.