CFD-Studie für die klimatische Beherrschung unter extremen Bedingungen einer Fabrik zur Produktion von Windkraftanlagen: Komfort, Luftqualität und Beherrschung der Luftfeuchtigkeit.
Die Ingenieure von EOLIOS haben die CFD-Studien einer Fabrik zur Produktion von Windkraftanlagen (Werkstatt zur Herstellung von Rotorblättern) in Dänemark durchgeführt, um die klimatische Beherrschung unter extremen Bedingungen sicherzustellen.
Das Luftverteilungssystem bestimmt den Erfolg der Anlage: es beeinflusst die Komfortwahrnehmung (warm/kalt) und die Innenraumluftqualität (Abfuhr der Schadstoffe). Es ist zugleich eine der ersten Quellen des Energieverbrauchs. Die Luftverteilung und der thermische Komfort werden durch die Norm ISO 7730 geregelt.
Das Ziel: das thermisch-aeraulische Verhalten der Phänomene des künftigen Entwurfszentrums für Windkraftanlagen durch numerische Berechnung zu simulieren und dabei die Luftgeschwindigkeiten in den Aufenthaltszonen auf Werte unter 0,2 m/s zu begrenzen.
Das Wesentliche. CFD-Studie zur klimatischen Beherrschung einer Fabrik für Windkraftanlagen-Rotorblätter in Dänemark, unter extremen Bedingungen. EOLIOS simuliert das thermisch-aeraulische Verhalten der Werkstatt, um den Verteilungskomfort im Sinne der ISO 7730 zu halten (Luftgeschwindigkeiten unter 0,2 m/s auf 4 m) und entwickelt eine eigene Methodik für die Verdunstung und die Aufrechterhaltung der vom Prozess geforderten relativen Luftfeuchtigkeit.
Ein Windkraft-Rotorblatt ist ein sehr langes Verbundbauteil, geformt durch Harzinfusion über Verstärkungen aus Glas- oder Kohlefaser. Die Qualität des Laminataufbaus und die Aushärtung des Harzes hängen eng von Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Werkstatt ab: eine Abweichung von wenigen Grad oder Feuchtigkeitspunkten verändert die Viskosität des Harzes, die Gelierzeit und letztlich die mechanischen Eigenschaften des Blatts.
Zu diesen Prozessanforderungen kommen Auflagen der Gesundheit (Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen bei der Infusion, Schleifstäube), der Sicherheit und vor allem der Dimension: eine Rotorblatthalle überschreitet üblicherweise mehrere Dutzend Meter Länge und Höhe. Dieses Volumen macht die Umgebung sehr empfindlich gegenüber thermischer Schichtung und Zugluft, die nur Werkzeuge wie die CFD fein vorhersagen können.
Vakuum-Formverfahren, bei dem das flüssige Harz einen trockenen Faserstapel durchtränkt. Der Erfolg hängt von einer beherrschten Viskosität und Gelierzeit ab, also von einer stabilen Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt.
Chemische Reaktion, die das Harz härtet und die mechanischen Eigenschaften des Bauteils festlegt. Ihre Kinetik hängt von der Temperatur ab: eine unbeherrschte Umgebung mindert die Homogenität und Wiederholbarkeit der Produktion.
Zu merken. Das Verarbeitungsfenster eines Harzes ist eng. Temperatur und Feuchtigkeit trotz der Höhe in der gesamten Halle zu halten, bestimmt direkt die Qualität der gefertigten Rotorblätter.
Um den Anforderungen an die Luftqualität, den thermischen Komfort, die Energieeffizienz und die Beherrschung der Luftfeuchtigkeit gerecht zu werden, muss man die Mechanismen verstehen, die die Struktur der Strömung prägen, und die physikalischen Phänomene beherrschen, die den Wärme- und Feuchtigkeitstransporten zugrunde liegen.
Die CFD liefert eine numerische Lösung der Gleichungen, die die Physik der Strömung bestimmen, und untersucht das Verhalten der Fluide sowie den Wärme- und Feuchtigkeitstransport. Der Verteilungskomfort in der Aufenthaltszone wird gekennzeichnet durch: das Fehlen einer ausgeprägten Temperaturschichtung, eine gute Innenraumluftqualität und das Fehlen von Zugluft (Ziel < 0,2 m/s unter 4 m). Das Aufsteigen der warmen Luft in diesen großen Volumina gehört zum thermischen Stack-Effekt.
Die internationale Norm, die den thermischen Komfort in moderaten Umgebungen regelt. Sie verknüpft Temperatur, Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit und Aktivität mit den Komfortindizes (PMV/PPD) und legt die Grenzwerte fest, darunter die Zugluftgrenze in der Aufenthaltszone.
Die Luftverteilungssysteme (Umwälzer, Zuluft) werden in der CFD „untermodelliert“, um originalgetreu in die Werkstatt integriert zu werden, dann gibt die Simulation die klimatischen Bedingungen in der Produktionswerkstatt wieder.
Vereinfachte Darstellung eines Geräts (Umwälzer, Zuluftauslass) durch seine aeraulischen Wirkungen statt durch seine detaillierte Geometrie. Sie integriert die Verteilung originalgetreu in das Gesamtmodell, ohne die Berechnung zu überlasten.
Eine Werkstatt dieser Größe zu modellieren verlangt eine strenge Methode: jede Annahme (Volumenströme, Zulufttemperaturen, interne Lasten) wird nachverfolgt und validiert, bevor die Ergebnisse genutzt werden. Die Simulation ersetzt nicht die Vor-Ort-Aufnahme, sie verlängert sie, indem sie Szenarien erkundet, die in echter Größe nicht testbar sind.
Zerlegung des Luftvolumens in Rechenzellen. Ein feines Netz gibt die Gradienten nahe Auslässen und Wänden besser wieder, zum Preis einer höheren Rechenzeit; die Kunst besteht darin, es dort zu verfeinern, wo es zählt.
An den Modellgrenzen vorgegebene Werte (Volumenströme, Temperaturen, Drücke, Wärmeströme). Sie bilden den realen Betrieb der Systeme ab und bestimmen direkt die Treue der Ergebnisse.
Die Aufrechterhaltung eines Niveaus spezifischer relativer Luftfeuchtigkeit ist für den Herstellungsprozess der Windkraftanlagen unerlässlich. EOLIOS hat eine eigene Methodik entwickelt, die die thermische Berechnung (Zugewinne / Verluste) mit den simulierten Werten des Projekts aufgreift.
Hypothesen: keine andere Feuchtigkeitsquelle als die Systeme; null Gradient der spezifischen Feuchtigkeit (undurchlässige Oberflächen); für die Dampfmigration undurchlässige Wände; Dampf-Flüssigkeits-Grenzfläche im thermodynamischen Gleichgewicht (Phasenwechsel bei Sättigung, 100 % rF). Die relative Luftfeuchtigkeit wird aus der Temperatur, dem Druck und der spezifischen Feuchtigkeit berechnet.
Verhältnis zwischen dem in der Luft enthaltenen Wasserdampf und der Höchstmenge, die sie bei einer gegebenen Temperatur aufnehmen kann. Zu niedrig schadet sie dem Prozess; zu hoch begünstigt sie Kondensation. Ihre Aufrechterhaltung ist ein Kernziel der Studie.
Die CFD-Simulationen halfen, den Entwurf der Werkstatt zur Produktion von Rotorblättern zu optimieren, indem sie die klimatischen Bedingungen für verschiedene Ingenieurszenarien vorhersagten. Sie ermöglichten es, die Gesamteffizienz der Prozesse zu verbessern und die Kosten zu senken, indem sie die Dynamik der Fluide in der Werkstatt sichtbar machten und Belüftung, Kühlung und Abfuhr der Schadstoffe simulierten.
Zu merken. In einem großen Industrievolumen erfordert es Abwägungen, einen Verteilungskomfort (< 0,2 m/s) zu halten und zugleich die relative Prozessluftfeuchtigkeit zu beherrschen. Die CFD testet die Verteilungsszenarien vor den Arbeiten, um Komfort, Luftqualität und Energie in Einklang zu bringen.
Ein sehr großes Volumen zu heizen, zu befeuchten und umzuwälzen hat einen Preis. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, die Sollwerte zu halten, sondern sie mit dem streng notwendigen Volumenstrom und Energieeinsatz zu halten. Die CFD, gekoppelt an die thermische Berechnung, erlaubt es, die Hebel zu vergleichen und sowohl Überlüftung als auch Unterdimensionierung zu vermeiden.
Das Aufbrechen der thermischen Schichtung eines großen Volumens, um die unter dem Dach angesammelte warme Luft wieder herabzuführen. Sie vereinheitlicht die Temperatur und senkt den Heizbedarf in der Aufenthaltszone.
Kühlung durch Außenluft, wenn diese kühler als die Umgebung ist, ohne mechanische Kälteerzeugung. Unter einem nördlichen Klima deckt es einen großen Teil des Jahres ab und senkt die Energierechnung stark.
Zu merken. In einer Rotorblatthalle werden Verteilungskomfort, Feuchtigkeitsbeherrschung und Energiesparsamkeit gemeinsam entschieden. Die Ströme durch Simulation zu objektivieren, erlaubt Abwägungen ohne Überdimensionierung.
Verteilungskomfort, Feuchtigkeit und Energieeffizienz: die Antworten auf die Fragen, die sich Industrie und Bauherren vor einer CFD-Studie stellen.
In einer Werkstatt dieser Größe schichtet sich die Luft und Zugluft ist schwer vorherzusehen. Die CFD simuliert Geschwindigkeiten, Temperaturen und Feuchtigkeit an jedem Punkt, um Komfort und Luftqualität zu halten, wie bei unserem Projekt eines medizinischen Lagers.
Sie regelt den thermischen Komfort in moderaten Umgebungen, indem sie Temperatur, Feuchtigkeit, Luftgeschwindigkeit und Aktivität mit den Indizes PMV/PPD verknüpft. Sie legt insbesondere die Zugluftgrenze in der Aufenthaltszone fest, hier angestrebt bei unter 0,2 m/s auf 4 Metern.
EOLIOS hat eine eigene Methodik entwickelt, die die thermische Berechnung (Gewinne und Verluste) mit den simulierten Werten koppelt, mit einem Phasenwechsel bei Sättigung. Die relative Luftfeuchtigkeit wird aus Temperatur, Druck und spezifischer Feuchtigkeit abgeleitet, um das vom Prozess geforderte Niveau zu halten.
Es ist eine vereinfachte Darstellung der Umwälzer und Zuluftauslässe durch ihre aeraulischen Wirkungen statt durch ihre detaillierte Geometrie. Sie integriert die Verteilung originalgetreu in das Gesamtmodell und hält zugleich die Berechnung beherrschbar.
Karten der Geschwindigkeiten, Temperaturen und Feuchtigkeit für verschiedene Ingenieurszenarien, die es ermöglichen, den Werkstattentwurf zu optimieren, die Prozesseffizienz zu verbessern und die Kosten vor dem Bau zu senken.
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CFD-Studie für die klimatische Beherrschung unter extremen Bedingungen einer Fabrik zur Produktion von Windkraftanlagen-Rotorblättern: Modellierung der Verteilungssysteme, Methodik der Verdunstung und der relativen Luftfeuchtigkeit, und Vorhersage der klimatischen Bedingungen für verschiedene Szenarien, im Dienste des Komforts (ISO 7730), der Luftqualität und der Energieeffizienz.
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