Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5025
Main Title: Density effects of gaseous contaminants in low velocity indoor environments
Translated Title: Auswirkungen der Dichteunterschiede von gasförmigen Kontaminationen in Innenräumen mit niedrigen Luftgeschwindigkeiten
Author(s): Sagheby, Seyed Hossein
Advisor(s): Kriegel, Martin
Müller, Birgit
Referee(s): Müller, Birgit
Kriegel, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The effective design and selection of low velocity ventilation concepts requires detailed knowledge of the contaminant distribution behavior. A simplifying assumption often made in ventilation engineering is that as far as the spreading of gaseous substances is concerned, the bulk air movement and turbulent diffusion are the dominant mechanisms of transport while density differences and molecular diffusion play minor roles. It can be assumed, however, that in low velocity ventilated areas, densities of released gases may have an important impact on their distribution behavior. In this work a fundamental experimental design is used to take a step towards a direct comparison of the inertial force in the air flow and the buoyancy force resulting from the density differences due to a gas release. The study then investigates a case where such density effects may have an important impact on the functionality of a displacement ventilation system. The most important findings in the fundamental experiment in this thesis is the very perception that ignoring the possible density effects of the emitted gases could be a source of erroneous results if the velocities are lower than certain limits. 82 % of the main experiments carried out at the velocity levels of 0.04, 0.06 m/s and 0.08 m/s showed a notable result of the downward density effects of gases heavier than air, at least down to a distance of 43 cm. This phenomenon occurred even when the average inertial force of the air flow was adjusted upwards. At these low velocities the assumption of a ‘passive’ gaseous contaminant should be avoided. The non-dimensional group Πz and the methodology applied demonstrated how the dispersion behavior of a heavier gas in air may be effectively modeled using a basic dimensional analysis and a specified hypothesis. Also, it was concluded that when using model gases to simulate a contaminant, care should be taken to correctly adjust the dosage amount for the tracer gas. Using a similar methodology, a further study discussed the possible contamination of the lowest fresh air reserve in a displacement ventilated room due to the presence of an unheated point source. It was clearly observed that the contaminants will not flow into the upper exhaust layer of displacement ventilation. The findings were consistent with the previous reports about the uncharacteristic behavior of displacement ventilation in the presence of unheated contaminant sources. It was seen that the downward motion of gases may result in a local pollution of the fresh air layer which in turn could impair the advantage of having a fresh air source for several heat sources in the room. A functional relation was sought between the values of the contamination level (μ) in the lowest fresh air area underneath the source and the proposed group Ψ resulting from the dimensional study. In 27 of the 30 measurement cases, the correlation was able to predict whether the contamination load in the target area assumed a value higher than 1, indicating gas concentrations higher than that of exhaust air. The applied methodology with dimensional analysis proved to be a suitable research instrument for such studies. Given a simulation of the temperature and velocity fields which is accurate enough, an additional numerical study was able to reproduce the effect of the downward falling of the emitted gas from the unheated point source as measured in the experiments. Qualitatively, the multi-component model used in the numerical investigations was able to predict the general downward distribution of a heavy gas as well as possible contamination of the fresh air layer. Quantitatively, an over-prediction of the amount of this pollution was observed. All in all, the performance of the model which takes the density differences into consideration was considerably better than of a solution model which assumes a passive tracer behavior. Displacement ventilation’s low velocity flow field leads to a highly non-homogenous spatial distribution of contaminants in the room. The area in the vicinity of the emission source demonstrates particularly high concentrations and a large part of the room assumes concentrations close to that of exhaust concentration. This was observed in the simulations as well as in the experiments. It implies that in displacement ventilation there may be a risk of exposure to high concentrations if the occupant is in the direct vicinity of the emission source or on the path of its dispersion. Due to the lack of local advective transport, high gas concentrations could also occur close to the emission source in cases in which the gas density effect is not high enough to result in a direct pollution of the lowest fresh air layer. Ideal mixing ventilation, on the other hand, results in a more homogenous spread of the contaminants and so may offer a “safer” choice for providing most of the occupants with air quality as low as the exhaust air, but not lower. This can gain importance when the contaminant sources are predominantly unheated.
Effektive Auswahl und Planung der Lüftungskonzepte, bei denen niedrige Luftgeschwindigkeiten eine wichtige Rolle spielen, erfordert besonders detaillierte Kenntnisse über die Schadstoffe und ihre Ausbreitungsverhalten. Eine oft praktizierte vereinfachende Annahme in der Lüftungstechnik ist, dass, so lange es sich um gasförmige Substanzen handelt, der bestehende Luftstrom und die turbulente Diffusion die dominierenden Mechanismen des Transports sind während Gasdichteunterschiede und die molekulare Diffusion nur sekundäre Rollen spielen. Es kann jedoch sein, dass bei geringer Luftgeschwindigkeit bzw. geringer Trägheitskraft in der Strömung die Dichte eines freigesetzten Gases einen wichtigen Einfluss auf ihr Ausbreitungsverhalten ausübt. In dieser Arbeit wurde einen Grundlagenexperiment entworfen und ausgeführt, der einen direkten Vergleich zwischen der Trägheitskraft in der Luftströmung und der Auftriebskraft aufgrund von Dichteunterschieden der freigesetzten Gase ermöglicht. Die Arbeit beinhaltet zudem die Untersuchung der Schadstoffausbreitung in einem Fall, bei dem Dichteeffekte einen bedeutsamen Einfluss auf die Funktionalität einer Quelllüftung haben können. Ein wichtiges Ergebnis des Grundlagenexperiments ist die Erkenntnis, dass bei bestimmten niedrigen Luftgeschwindigkeiten die Vernachlässigung der Dichteeffekte von emittierten Gasen eine signifikante Fehlerquelle bei der Vorhersage des Ausbreitungsverhaltens darstellen kann. 82 % der Experimente, die bei Luftgeschwindigkeiten von 0,04, 0,06 und 0,08 m/s durchgeführt wurden, zeigten dominierende Effekte der Gasdichteunterschiede bei der Bestimmung des Ausbreitungsweges mindestens bis zu einer vertikalen Entfernung von 43 cm. Bei solchen niedrigen Geschwindigkeiten sollte die Annahme einer "passiven" gasförmigen Verunreinigung vermieden werden. Die verwendete experimentelle Methode und die dimensionslose Gruppe Πz demonstrierten, wie das Ausbreitungsverhalten eines schwereren Gases in der Luft effektiv mit Hilfe einer grundlegenden Dimensionsanalyse untersucht werden kann. Außerdem wenn Gase zur experimentellen Modellierung von Verunreinigungen verwendet werden, sollte darauf geachtet werden, die korrekte Dosierungsmenge für Modelgase einzustellen, die die gleiche Menge an Dichteeffekte wie die modellierte Verunreinigung mit sich bringt. Durch die Anwendung einer ähnlichen Methodik wurde die Möglichkeit der Verunreinigung des Frischluftsees in einer Quelllüftung durch eine unbeheizte Punktquelle untersucht. Die Ergebnisse stimmten mit denen der früheren Studien über das untypische Verhalten der Quelllüftung beim Vorhandensein von unbeheizten Schadstoffquellen überein. Es wurde festgestellt, dass eine Abwärtsbewegung von Gasen eine lokale Verunreinigung des Frischluftsees verursachen könnte, die wiederum zur Folge haben kann, dass die Frischluftversorgung mehrerer Wärmequellen im Raum beeinträchtigt wird. Eine Korrelation zwischen den Werten des Belastungsgrades (μ) im Frischluftsee unter der unbeheizten Quelle und der vorgeschlagenen dimensionslosen Gruppe Ψ wurde festgestellt. In 27 der 30 Messfälle war die Korrelation in der Lage, vorherzusagen, ob die Gaskonzentration im Frischluftsee die gleiche oder eine höhere Gaskonzentration wie die in der Abluft angenommen hat. Die Methode der Dimensionsanalyse erwies sich als ein geeignetes Forschungsinstrument für derartige Untersuchungen. Zusätzlich konnte eine numerische Fallstudie die beobachtete Ausbreitung der emittierten Gase nach unten reproduzieren. Qualitativ konnte das verwendete Multi-Component-Model eine allgemeine Abwärtsbewegung des Gases sowie eine mögliche Kontamination des Frischluftsees nachbilden. Quantitativ wurde jedoch eine Überschätzung der Kontaminationsstärke beobachtet. Insgesamt waren die Ergebnisse des Multi-Component-Models, bei dem die Gasdichteunterschiede berücksichtigt werden, deutlich besser als die eines Passive-Tracer-Models. Niedrige Luftgeschwindigkeiten in einer Quelllüftung können zu einer sehr inhomogenen räumlichen Verteilung der unbeheizten Schadstoffe im Raum führen. Der Bereich in der Nähe der Emissionsquelle zeigte besonders hohe Konzentrationen während ein großer Teil des Raumes Konzentrationen ähnlich der Abluftkonzentration aufwies. Das wurde sowohl in den Simulationen als auch in den Experimenten beobachtet. Eine ideale Mischlüftung verursacht im Vergleich dazu eine homogene Ausbreitung der Schadstoffe und kann somit eine "sicherere" Wahl darstellen, bei der die Luftqualität im Raum für alle Nutzer die der Abluft ist, aber nicht eine geringere. Dies kann an Bedeutung gewinnen, wenn die Schadstoffquellen überwiegend unbeheizt sind.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5340
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5025
Exam Date: 3-Sep-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 29-Feb-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): tracer gases
contaminant transport
displacement ventilation
Spurengase
Schadstoffausbreitung
Quelllüftung
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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