Repositorio
Institucional

Tuninetti, Victor

Numerical and Experimental Analysis of Thermal Stratification in Locally Heated Residential Spaces

MDPI

BUILDINGS

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This study investigates the limitations of localized heating in a single-story dwelling, using a validated computational fluid dynamics (CFD) model to analyze thermal stratification and its impact on occupant comfort. A comparative evaluation of turbulence models (k-epsilon and k-omega SST) and equations of state (Soave-Redlich-Kwong and Peng-Robinson) identified the k-omega SST model with the Soave-Redlich-Kwong equation as the most accurate and computationally efficient combination for capturing temperature gradients and achieving rapid convergence. Experimental validation demonstrated strong agreement between simulated and measured temperature profiles, confirming the model's reliability. The results highlight a fundamental trade-off between localized thermal comfort and overall indoor temperature uniformity in conventionally heated spaces. While localized heating enhances comfort near the heat source, it generates vertical temperature disparities exceeding acceptable comfort thresholds at greater distances. Specifically, at 3 m from the heat source, the temperature difference between ankle and head height reached 6 degrees C, surpassing the 4 degrees C limit recommended by ASHRAE-55 for standing occupants. These findings underscore the need for alternative heating solutions that prioritize uniform heat distribution, energy efficiency, and optimized ventilation to improve indoor thermal comfort in residential buildings. This study provides critical insights to help develop and implement sustainable heating strategies and the design of energy-efficient dwellings.Este estudio investiga las limitaciones de la calefacción localizada en una vivienda de una sola planta, utilizando un modelo validado de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar la estratificación térmica y su impacto en el confort de los ocupantes. Una evaluación comparativa de modelos de turbulencia (k-epsilon y k-omega SST) y ecuaciones de estado (Soave-Redlich-Kwong y Peng-Robinson) identificó el modelo k-omega SST con la ecuación de Soave-Redlich-Kwong como la combinación más precisa y computacionalmente eficiente para capturar gradientes de temperatura y lograr una convergencia rápida. La validación experimental demostró una fuerte concordancia entre los perfiles de temperatura simulados y medidos, lo que confirma la fiabilidad del modelo. Los resultados ponen de manifiesto una disyuntiva fundamental entre el confort térmico localizado y la uniformidad general de la temperatura interior en espacios con calefacción convencional. Si bien la calefacción localizada mejora el confort cerca de la fuente de calor, genera disparidades de temperatura verticales que superan los umbrales de confort aceptables a mayores distancias. En concreto, a 3 m de la fuente de calor, la diferencia de temperatura entre el tobillo y la cabeza alcanzó los 6 °C, superando el límite de 4 °C recomendado por ASHRAE-55 para personas de pie. Estos hallazgos subrayan la necesidad de soluciones de calefacción alternativas que prioricen la distribución uniforme del calor, la eficiencia energética y la ventilación optimizada para mejorar el confort térmico en interiores de edificios residenciales. Este estudio proporciona información fundamental para el desarrollo e implementación de estrategias de calefacción sostenibles y el diseño de viviendas energéticamente eficientes.

artículo original

thermal stratification

computational fluid dynamics

localized heating

indoor thermal comfort

energy-efficient dwellings

ASHRAE-55 standards

residential heating optimization

turbulence models

numerical simulations

10.3390/buildings15142417

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INDOOR AIR-FLOW

CFD SIMULATION

COMFORT

VENTILATION

ENVIRONMENT

FIELD

SYSTEM

MODEL

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CFD SIMULATION

COMFORT

VENTILATION

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WOS:001535661500001

Numerical and Experimental Analysis of Thermal Stratification in Locally Heated Residential Spaces

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Construction & Building Technology

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