PERFORMANCE ANALYSIS OF DEMAND-CONTROLLED DISPLACEMENT VENTILATION: BALANCING ENERGY ECONOMY AND CONTAMINANT CONTROL IN HIGH-DENSITY CLEANROOMS

Автор(и)

  • Юрій Олександрович Бурда Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова, Україна https://orcid.org/0000-0003-3470-1334
  • Юрій Іванович Чайка Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова, Україна https://orcid.org/0000-0003-1021-4662
  • Юрій Олександрович Півненко Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова, Україна https://orcid.org/0000-0002-6675-2649
  • Олександр Анатолійович Логвіненко Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0000-0002-5731-7995
  • Ігор Олександрович Редько Український державний університет залізничного транспорту, Україна https://orcid.org/0009-0005-1556-0830

DOI:

https://doi.org/10.18664/1994-7852.216.2026.362588

Ключові слова:

Demand-controlled ventilation, displacement airflow, cleanroom, contaminant removal, energy efficiency, thermal stratification, regression analysis

Анотація

This study investigates the performance of demand-controlled displacement ventilation in cleanrooms with high internal activity and dense equipment arrangement, focusing on the simultaneous management of energy consumption and contaminant removal. A simplified mathematical model was developed to relate supplied airflow, fan power, and contaminant concentration, forming a structured framework for scenario-based evaluation. Experimental measurements in Kharkiv Oblast using anemometric, thermal, and particle sensors validated model assumptions and provided realistic operating data. Ten operating states were analysed, revealing non-linear interactions: initial airflow increases substantially reduced contaminant concentration, while further increases offered diminishing environmental improvement at disproportionately higher energy cost. A three-dimensional regression surface quantified the coupled influence of airflow and fan power on contaminant concentration, highlighting operational intervals where cleanliness is maintained efficiently with minimal energy expenditure. The results identify intermediate airflow ranges as optimal for balancing environmental performance and electrical demand. The proposed methodology integrates modelling, experimentation, tabulated data, and regression analysis, providing a practical tool for optimizing ventilation strategies in controlled environments with intensive internal loading.

Біографії авторів

Юрій Олександрович Бурда, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

кандидат технічних наук,  доцент кафедри теплогазопостачання і вентиляції

Юрій Іванович Чайка, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

кандидат технічних наук,  в.о. завідувача кафедри теплогазопостачання і вентиляції

Юрій Олександрович Півненко, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

кандидат технічних наук, асистент кафедри теплогазопостачання і вентиляції

Олександр Анатолійович Логвіненко, Український державний університет залізничного транспорту

кандидат технічних наук, доцент  кафедри механіки і проектування машин

Ігор Олександрович Редько, Український державний університет залізничного транспорту

доктор технічних наук, професор кафедри ТТДЕМ

Посилання

Almtuly, O. S., Wahid, M. A., Hussen, H. M., Ardani, M. I., Wong, K. Y. & Hatif I. H. (2025). Enhancing building cooling efficiency with water-active PCM panels and displacement ventilation in hot climates. Energy and Buildings, 337, 115688. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.115688

Assaad, D. A., Sengupta, A. & Breesch, H. (2022). Demand-controlled ventilation in educational buildings: Energy efficient but is it resilient? Building and Environment, 226, 109778. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109778

Bhattacharya, A., Tak, M. S. N., Shoai-Naini, S., Betz, F. & Mousavi, E. (2023). A Systematic Literature Review of Cleanroom Ventilation and Air Distribution Systems. Aerosol and Air Quality Research, 23(7), 220407. https://doi.org/10.4209/aaqr.220407

Burda, Y., Redko, I., Pivnenko, Y., Chaika, Y. & Pryimak, O. (2025, December 19). Thermophysical investigations of ventilation systems in the context of energy management and quality assurance in modern construction. Scientific Bulletin of Construction, 113, 51-57. https://svc.kname.edu.ua/index.php/svc/en/issue/view/41 [in English].

Makris, R., Kopic, C., Tawackolian, K., Schumann, L. & Kriegel, M. (2024). Experimental comparison of aerosol transmission in displacement ventilation and mixing ventilation in a meeting scenario. International Journal of Ventilation, 24(1), 53–75. https://doi.org/10.1080/14733315.2024.2406153

Niu, D. & Zhang, S. (2023). Outdoor thermal condition based-segmented intermittent demand-controlled ventilation for constant-air-volume system. Building and Environment, 244, 110815. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2023.110815

Osman, O., Madi, M., Ntantis, E. L. & Kabalan, K. Y. (2022). Displacement ventilation to avoid COVID-19 transmission through offices. Computational Particle Mechanics, 10(3), 355–368. https://doi.org/10.1007/s40571-022-00492-8

Ozelame, K. & Maffessoni, D. (2024). Commissioning-based analysis of heating, ventilation, and air conditioning systems in biopharmaceutical cleanrooms: enhancing energy efficiency and reducing cost. Revista Brasileira De Ciências Ambientais, 59. https://doi.org/10.5327/z2176-94782036

Pryimak, O., Burda, Y., Redko, I., Pivnenko, Y. & Gvozdetskii, O. (n.d.). Integrated Approach to Energy Certification and Quality Control of Microclimate Formation in Modern Construction. Academic Journals and Conferences, 11(2), 79-84. https://science.lpnu.ua/jeecs/all-volumes-and-issues/volume-11-number-2-2025/integrated-approach-energy-certification-and [in English].

Sheng, S., Yamanaka, T., Kobayashi, T., Choi, N. & Chou, N. (2023). Performance of all-air wall induction unit for displacement ventilation in a four-bed hospital ward during the cooling period. Building and Environment, 248, 111101. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2023.111101

Tognon, G. & Zarrella, A. (2024). Displacement ventilation: A systematic review of the interactions with indoor environment and simplified modelling approaches. Journal of Building Engineering, 96, 110474. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110474

Zhang, W., Zhang, W., Zhang, W., Zhang, W., Bai Y. & Wen S. (2023). Enhancing indoor environmental quality: Personalized recommendation method for demand-oriented indoor ventilation strategy. Sustainable Cities and Society, 101, 105061. https://doi.org/10.1016/j.scs.2023.105061

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-05-29