Numerical Study of the Indoor Thermo-Hygrometric Behaviour of a new HVAC System for the Baroque Joanina Library of the University of Coimbra

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Main Author: Couto, Francisco Jorge Martins do
Publication Date: 2024
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/118001
Summary: Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Numerical Study of the Indoor Thermo-Hygrometric Behaviour of a new HVAC System for the Baroque Joanina Library of the University of CoimbraEstudo Numérico do Comportamento Termo-Higrométrico de um novo Sistema AVAC para a Biblioteca Joanina da Universidade de CoimbraCultural Heritage PreservationHVAC IntegrationComputational Fluid Dynamics (CFD)Multicomponent Hygrothermal ModellingLinear Slot DiffusersConservação de Património CulturalIntegração de Sistemas AVACCálculo Numérico de Escoamentos (CFD)Modelação Higrotérmica MulticomponenteDifusores de Bocal LinearDissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA Conservação do Património Cultural requer um planeamento cuidadoso ao integrar sistemas modernos em edifícios históricos. Este estudo examina os desafios técnicos da instalação de um sistema AVAC no Piso Nobre da Biblioteca Joanina da Universidade de Coimbra, do século XVIII, com um espólio de cerca de 60,000 obras literárias, madeiras exóticas e frescos. A recente monitorização da qualidade do ar interior revelou que os níveis de T e HR frequentemente se encontram fora do recomendado pela ASHRAE (2023) para a conservação de obras de arte em edifícios históricos, seguindo o tipo de controlo Classe A2, onde a T e HR devem variar entre 15-25°C e 35-75%, respetivamente. Um modelo de Cálculo Numérico de Escoamentos (CFD) através da abordagem RANS para resolver as equações de Navier-Stokes com o modelo de turbulência Shear-Stress Transport k-ω foi desenvolvido e validado com dados experimentais de CO₂. Um primeiro modelo transiente isotérmico avaliou as localizações propostas e os parâmetros operacionais para os ventiloconvectores e difusores de ar. A interação dos jatos com o ambiente envolvente e a formação de estruturas de vorticidade foram observados perto do bocal do difusor, com influencia no padrão de escoamentos locais, capaz de causar instabilidades no comportamento do jato, afetando negativamente o alcance. Duas soluções foram desenvolvidas e avaliadas numericamente com sucesso de forma que qualquer uma pode ser adotada. Modelos multicomponente com energia térmica em regime transiente foram desenvolvidos para avaliar o desempenho em aquecimento e arrefecimento através da dos padrões de escoamento do ar, distribuições de T e HR e com CO₂ como Gás Traçador. Verifica-se que as infiltrações desempenham um papel crucial tanto na dinâmica dos escoamentos do ar no interior, como na humidade. Este estudo identificou configurações do sistema AVAC potencialmente prejudiciais à conservação, incluindo velocidades do ar elevadas perto de regiões críticas, alcance excessivo, subida do jato devido à impulsão térmica e regiões de estagnação não desejadas.Para abordar estas questões, foi desenvolvido um conjunto de soluções sem comprometer a integridade do património, após o qual foram realizados mais estudos numéricos para avaliar as suas contribuições e estabilidade, com o objetivo de otimizar a estratégia de ventilação enquanto se preserva o valor cultural e histórico da BJUC. Dois difusores de bocal linear foram testados numericamente e o desempenho do não ajustável foi considerado inaceitável para operação em aquecimento, já que o ângulo de insuflação revela necessitar de ajuste por regulação térmica. Finalmente, foram desenvolvidos dois modelos em regime estacionário para determinar a Eficácia da Renovação de Ar (ACE) avaliando a Idade do Ar. Esta abordagem numérica demonstra que o sistema AVAC proposto pode ser integrado em harmonia estética no Piso Nobre, mesmo em ambientes culturais delicados e limitados. Embora o sistema possa corrigir os valores absolutos de T e HR para cumprir as recomendações da ASHRAE, as conclusões relativas às flutuações de T e RH não são inteiramente conclusivas devido às limitações da escala de tempo e à falta de um esquema de controlo de funcionamento do sistema. Consequentemente, para abordar plenamente as necessidades de conservação do importante património cultural que a BJUC representa, estudos adicionais mais detalhados sobre as flutuações induzidas pelo sistema AVAC e a sua resposta a flutuações externas como ocupação, iluminação e taxas de infiltração, particularmente em código de Simulação Energética de Edifícios, onde se podem definir esquemas de controlo, podem ser úteis para prever o comportamento a longo prazo.Cultural heritage preservation requires careful planning when integrating modern systems into historic buildings. This study examines the technical challenges of installing an HVAC system on the Noble Floor of the 18th-century Joanina Library of the University of Coimbra, housing close to 60,000 literary works, exotic woods, and frescoes. A recent indoor air quality monitoring revealed that temperature and relative humidity levels often fall outside ASHRAE (2023) guidelines for artwork preservation in heritage buildings following Class A2 control type where T & RH should vary between 15-25°C and 35-75%, respectively. A Computational Fluid Dynamics (CFD) model using RANS approach to solve the Navier-Stokes equations with the Shear-Stress Transport k-ω turbulence model was developed and validated against experimental CO₂ decay data. A first transient isothermal model assessed the proposed locations and operational parameters for the fan coil units and linear slot diffusers. Jet entrainment with surrounding air and the formation of vorticity structures were observed near the diffuser nozzle, influencing local flow patterns which are prone to cause instabilities in jet behaviour, negatively affecting throw. Two solutions were successfully designed, numerically evaluated, and both can be adopted. Multicomponent transient thermal energy models were developed to evaluate heating and cooling performance through airflow dynamics, temperature, and relative humidity distribution with CO₂ as Tracer Gas. Infiltration flows were found to play a crucial role in both airflow and moisture dynamics. The study identified potentially harmful HVAC settings, including high indoor air speeds near critical regions, excessive throw, jet rising due to thermal buoyancy and unwanted stagnation regions.To address these issues, a set of solutions was developed without compromising heritage integrity after which some more numerical studies were conducted to assess their contributions and stability, aiming to optimize the ventilation strategy while preserving the library's cultural and historical value. Two linear slot air diffuser devices were numerically tested and the performance of the non-adjustable was found to be not acceptable for heating operation as the supply jet angle needs thermal regulation. Finally, two steady-state models are developed to determine the Air Change Effectiveness (ACE) by evaluating the Age of Air. This numerical approach demonstrates that the proposed HVAC system can be seamlessly integrated in the Noble Floor, even in complex and constrained heritage settings. Although the system can correct absolute T & RH values to comply with ASHRAE guidelines, the insights provided regarding fluctuations are not entirely conclusive because of time scale limitations and the lack of a system control scheme. Consequently, to fully address the preservation needs of this significant cultural heritage site, further detailed studies on both fluctuations induced by the HVAC system and its response to external fluctuations as occupancy, lights and infiltration rates, particularly in Building Energy Simulation code where control schemes can be defined, may be useful to predict long-term behaviour.2024-09-302026-09-30T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/118001https://hdl.handle.net/10316/118001TID:203829352engCouto, Francisco Jorge Martins doinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-05-06T01:16:26Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/118001Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:11:52.970474Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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