Investigations of Indoor Thermal and Air Flow Conditions in a Tobacco Warehouse

Abstract

This study investigates the thermal performance and indoor environment conditions of naturally and hybrid ventilated industrial buildings. Numerical analyses and experimental measurements were conducted in a tobacco warehouse in İzmir, Turkey. Parametric analyses were performed with three different approaches: i) 15 architectural design strategies are evaluated by using a sensitivity analysis. It is found that roof insulation thickness, shading projection factor, and shading angle have significant impact on heating and cooling requirements. In addition, the most influential factors on operational CO2 emissions are thickness of insulation material and conductivity of thermal insulation material. ii) Vertical and volumetric temperature gradients, crucial for stored product quality, are assessed through field measurements and CFD simulations. Ceiling-mounted radiant cooling systems reduced indoor temperatures by 3°C, while floor heating systems increased temperatures by 7°C, ensuring a consistent range of 21- 25°C by providing a range at defined indoor temperature values. Maximum loads are determined as 12.9W/m2 for cooling and 39.6W/m2 for heating. iii) The air change effectivenesses of different ventilation conditions are analysed. Four additional fans improved air exchange quality and decreased the volumetric mean age of air (AoA) from 1230 to 525 seconds. It is indicated that, while additional fans may decrease the mean AoA, maximizing the fan operation capacities is not obligatory to achieve increased air change effectiveness. Besides, the analysis of various fan operation scenarios significantly improves indoor environment conditions and energy efficiency. This thesis emphasizes the importance of design parameters in influencing indoor environmental conditions and energy consumption. The investigation of thermal air mixing and conditioning strategies underscores the need for a combined experimental and numerical approach. The findings contribute to effective solutions for warehouses storing temperature-sensitive products, ensuring optimal storage conditions and mitigating temperature variations during logistics operations.

Bu çalışma, doğal ve hibrit havalandırmalı endüstriyel binaların ısıl performansını ve iç ortam koşullarını araştırmaktadır. Sayısal analizler ve deneysel ölçümler İzmir'de bulunan bir tütün deposunda gerçekleştirilmiştir. Üç farklı yaklaşımla parametrik analizler yapılmıştır: i) 15 mimari tasarım stratejisi duyarlılık analizleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Çatı yalıtım kalınlığı, gölgeleme projeksiyon faktörü ve gölgeleme açısının ısıtma ve soğutma gereksinimlerini önemli ölçüde etkilediği bulunmuştur. Ayrıca işletme CO2 emisyonlarını en çok etkileyen faktörler yalıtım malzemesi kalınlığı ve ısı yalıtım malzemesinin iletkenliğidir. ii) Depolanan ürün kalitesi için çok önemli olan dikey ve hacimsel sıcaklık gradyanları, saha ölçümleri ve CFD simülasyonları aracılığıyla değerlendirilmiştir. Tavana monte radyant soğutma sistemleri, iç ortam sıcaklıklarını 3°C düşürürken, yerden ısıtma sistemleri sıcaklıkları 7°C artırarak, 21-25°C'lik tutarlı; tanımlı iç ortam sıcaklık değerlerinde bir aralık sağlamaktadır. Maksimum yükler soğutma için 12,9W/m2, ısıtma için 39,6W/m2 olarak belirlenmiştir. iii) Farklı havalandırma koşullarının hava değişim etkisi analiz edilmiştir. Dört ek fan, hava değişim kalitesini iyileştirmiş ve havanın ortalama yaşını 1230 saniyeden 525 saniyeye düşürmüştür. Ek fanlar havanın ortalama yaşını düşürebilirken, artan hava değişim etkinliği elde etmek için fan çalışma kapasitelerinin maksimize edilmesinin zorunlu olmadığı ortaya çıkmıştır. Ayrıca, çeşitli fan çalışma senaryolarının analizi, iç ortam koşullarının ve enerji verimliliğinin iyileştirilmesinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu tez, iç ortam koşullarını ve enerji tüketimini etkilemede tasarım parametrelerinin önemini vurgulamaktadır. Termal hava karıştırma ve şartlandırma stratejilerinin araştırılması, birleşik bir deneysel ve sayısal yaklaşıma duyulan ihtiyacın altını çizmektedir. Bulgular, sıcaklığa duyarlı ürünleri depolayan ambarlar için etkili çözümlere katkıda bulunurken, optimum depolama koşulları sağlamakta ve lojistik operasyonlar sırasında oluşan sıcaklık değişimlerini azaltmaktadır.