Assessment of Air Contaminant Behavior in VAV-HVAC Air-Conditioned Space Under Varying Thermal Loads. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Afolabi_New _Thesis_Main_Latest_Final.pdf - Other Restricted to Repository staff only until 23 January 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

تلعب التهوية دورًا حاسمًا في الحفاظ على جودة الهواء الداخلي وتنظيم متطلبات الطاقة للمباني. التهوية الكافية ضرورية لخلق بيئات معيشية وعمل صحية ومريحة. يمكن أن تؤدي التهوية السيئة إلى تراكم مفرط لثاني أكسيد الكربون (CO₂) في الداخل، مما ثبت أنه يضعف قدرات اتخاذ القرار لدى شاغلي المبنى وأدائهم العام في العمل. تقيم هذه الدراسة سلوك ثاني أكسيد الكربون كملوث للهواء تحت أحمال حرارية متفاوتة في مساحة مكيفة بنظام HVAC بحجم هواء متغير (VAV). لتحقيق هذه الغاية، أجريت تجربة غاز تتبع باستخدام ثاني أكسيد الكربون كبديل للتحقق من صحة نموذجين حسابيين (CONTAM-W و ANSYS). تم تطوير نموذج المبنى رقميًا باستخدام Design Builder (برنامج قائم على EnergyPlus) وتم محاكاته على نظام VAV-HVAC. تم الحصول على مخرجات التصميم الرئيسية، مثل سرعات الهواء المتغيرة ودرجات الحرارة، وتم دمجها في النماذج الحسابية المعتمدة. وقد أنتجت برامج تصميم البناء تدفق الهواء الحجمي من نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، واستُخدم برنامج CONTAM-W بشكل فعال لتوليد سلوك الملوثات ومراقبته، بينما أنتج برنامج ANSYS Fluent (برنامج ديناميكا الموائع الحسابية) تشتت الاضطرابات والتفاعل بين الملوثات وتدفق الهواء داخل العلبة. وقد أظهرت نتائج تجربة الغاز المتتبع أن وضع المستشعر داخل المنطقة التجريبية يؤثر بشكل كبير على معدل اضمحلال الملوثات الملحوظ، مما يشير إلى مدى فعالية إزالة الملوثات الجوية من المساحة. وعلاوة على ذلك، أثبتت الدراسة وجود علاقة خطية بين الظروف الجوية والأحمال الحرارية ومعدلات زفير ثاني أكسيد الكربون البشري ومعدل إمداد الهواء لنظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء VAV-HVAC في تخفيف الملوثات وإزالتها. وبالنسبة لمناخ حار مثل الظهران، فمن الآمن أن نقول إن إزاحة الملوثات وإزالتها فعالة خلال أشهر الصيف، ويجب اعتماد نظام هواء خارجي مخصص (DOAS) في أشهر الشتاء. وكشفت النتائج أيضًا أن حتى الحد الأدنى لسرعة تدفق الهواء البالغة 3.085 متر/ثانية خفف بشكل فعال تركيزات ثاني أكسيد الكربون ضمن الحدود الموصى بها في معيار ASHRAE 62.1 لجودة الهواء الداخلي المقبولة. وتؤكد هذه الدراسة على أهمية تصميم نظام التهوية وديناميكيات تدفق الهواء ووضع المستشعر في تحقيق جودة الهواء الداخلي المثلى وتسلط الضوء على دور أدوات المحاكاة المتقدمة في إعلام استراتيجيات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الموفرة للطاقة

English Abstract

Ventilation plays a critical role in maintaining indoor air quality and regulating the energy demands of buildings. Adequate ventilation is essential for creating healthy and comfortable living and working environments. Poor ventilation can lead to excessive carbon dioxide (CO₂) accumulation indoors, which has been shown to impair occupants' decision-making abilities and overall work performance. This study evaluates the behavior of CO₂ as an air contaminant under varying thermal loads in a space conditioned by a Variable Air Volume (VAV) HVAC system. To achieve this, a tracer gas experiment using CO₂ as a surrogate was conducted to validate two computational models of (CONTAM-W and ANSYS). The building model was digitally developed using Design Builder (an EnergyPlus-based software) and simulated on a VAV-HVAC system. Key design outputs, such as variable supply air velocities and temperatures, were obtained and incorporated into the validated computational models. Has design builder software produces the volumetric air flow from the HVAC system, CONTAM-W software was effectively used to generate and monitor the contaminant behavior, while ANSYS Fluent (a CFD software), produces the turbulence dispersion and interaction between the contaminant and the airflow within the enclosure. Results from the tracer gas experiment demonstrated that sensor placement within the experimental zone significantly influences the observed contaminant decay rate, which indicates how effectively air contaminants are removed from the space. Furthermore, the study established a linear relationship between weather conditions, thermal loads, human CO₂ exhalation rates, and the VAV-HVAC system's air supply rate on pollutant dilution and removal. For a hot climate like Dhahran, it is safe to say that contaminant displacement and removal are effective during the summer months, and a dedicated outdoor air system (DOAS), should be adopted at the winter months. The findings also revealed that even the minimum airflow velocity of 3.085 m/s effectively diluted CO₂ concentrations within the limits recommended by ASHRAE Standard 62.1 for acceptable indoor air quality. This study underscores the importance of ventilation system design, airflow dynamics, and sensor placement in achieving optimal indoor air quality and highlights the role of advanced simulation tools in informing energy-efficient HVAC strategies.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Architectural Construction Civil Engineering Mechanical
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Budaiwi, Ismail Muhammad
Committee Members:	Muhammad, Muhammad Alhaj and Ali Arshad, Hafiz Muhammad
Depositing User:	OLADAYO AFOLABI (g202102950)
Date Deposited:	26 Jan 2025 06:07
Last Modified:	26 Jan 2025 06:07
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143268