The impact of size in fenestration design on the airflow and temperature in natural cross ventilation, case study: A two-bedroom Polish multifamily home

• Autorzy: Mohammadi Mohammad Mahdi , Janowski Maciej

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0053.8994

Warianty tytułu

PL

Wpływ wielkości projektowanych okien na przepływ powietrza i temperaturę w naturalnej wentylacji krzyżowej. Studium przypadku: mieszkanie dwupokojowe w zabudowie wielorodzinnej w Polsce

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In countries with cold winters such as Poland, there is growing evidence for proliferating overheating in summer times due to climate change. Hence, buildings become more uncomfortable for their occupants during hot summers. To tackle this challenge, we use the passive strategies potential to adapt buildings in line with their experimental and engineering analysis of the indoor environment. This paper demonstrates the results of both thermal and airflow simulation of existing naturally ventilated in double-bedroom homes in Poland. Thermal and airflow simulation is used to improve the natural ventilation system and to address summer thermal comfort problems due to excessive hot airflow caused by climate change. In the first step of the research, over 300 multi-family home plans all over Poland were categorized by size, ventilation type, facade organization, and fenestration type. In the second part, computational fluid dynamics (CFD) analysis is used on 3D models to predict indoor airflow velocities for different levels of the building envelope airflow permeability. Then, a coupled thermal and airflow simulation with 2 different window size, fully open, and with 3 integrated shadings options (base model or no shadings, 30 cm overhang with side-fin, and 10 cm depth horizontal louvers) are done to investigate whether the more opened envelope reduces a summer overheating problem. The results for the optimized natural ventilation through fenestrations successfully address houses' summer discomfort problem by reducing the indoor temperature between 2-3ºC and in some cases up to 4ºC cooler than similar model with small windows.

PL

Z powodu zmian klimatu w krajach o mroźnych zimach, takich jak Polska, pojawia się coraz więcej dowodów na coraz częstsze przegrzewanie się pomieszczeń w okresie letnim. Dlatego budynki stają się bardziej niewygodne dla ich mieszkańców podczas upalnego lata. Aby sprostać temu wyzwaniu, wykorzystano potencjał strategii pasywnych do adaptacji budynków zgodnie z ich eksperymentalną i inżynierską analizą środowiska wewnętrznego. W artykule przedstawiono wyniki symulacji termicznej i przepływu powietrza w istniejących polskich mieszkaniach dwupokojowych z naturalną wentylacją. Symulacja termiczna i przepływu powietrza służy do poprawy systemu naturalnej wentylacji i rozwiązania problemów związanych z komfortem cieplnym w lecie, spowodowanych nadmiernym przepływem gorącego powietrza związanym ze zmianami klimatycznymi. Na pierwszym etapie badań ponad 300 projektów domów wielorodzinnych z całej Polski zostało skategoryzowanych pod względem wielkości, rodzaju wentylacji, organizacji elewacji i rodzaju okien. W drugiej części analiza obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) była wykorzystywana na modelach 3D do przewidywania prędkości przepływu powietrza w pomieszczeniach dla różnych poziomów przepuszczalności powietrza przez powłoki zewnętrzne budynku. Następnie przeprowadzano połączoną symulację termiczną i przepływu powietrza z dwoma różnymi rozmiarami okien, całkowicie otwartymi, i trzema zintegrowanymi opcjami zacienienia, aby zbadać, czy bardziej otwarta powłoka budynku zmniejsza problem przegrzania mieszkania w okresie letnim. Wyniki pokazują, że zoptymalizowana naturalna wentylacja przez okna skutecznie rozwiązuje problem dyskomfortu w domach latem, obniżając temperaturę wewnętrzną o 2-3°C, a w niektórych przypadkach nawet o 4°C w porównaniu do podobnych modeli ze standardowymi oknami.

Słowa kluczowe

EN

architecture; multi-family building; fenestration; natural ventilation; passive solution; CFD simulation

PL

architektura; budynek wielorodzinny; rozmieszczenie okien; wentylacja naturalna; rozwiązanie pasywne; symulacja CFD

• Wydawca: BUILDER CORP Sp. z o.o.
• Czasopismo: Builder
• Rocznik: 2023
• Tom: R.27, nr 10
• Strony: 74--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Mohammadi Mohammad Mahdi

• Department of Architecture, Poznan University of Technology

• https://orcid.org/0000-0002-0192-8391

autor

Janowski Maciej

• Department of Architecture, Poznan University of Technology

• https://orcid.org/0000-0002-3290-208X

Bibliografia

• [1] Bugenings, L.A. and A. Kamari Bioclimatic Architecture Strategies in Denmark: A Review of Current and Future Directions. Buildings, 2022. 12, DOI: 10.3390/buildings12020224.
• [2] Marsh, R., V.G. Larsen, and M. Kragh, Housing and energy in Denmark: past, present, and future challenges. Building Research & Information, 2010. 38(1): p. 92-106.
• [3] Tao, Y., et al., Ventilation performance of a naturally ventilated double-skin façade in buildings. Renewable Energy, 2021. 167: p. 184-198.
• [4] Konstantinou, T. and A. Prieto, Environmental Design Principles for the Building Envelope and More: Passive and Active Measures, in Energy Resources and Building Performance. 2018, TU Delft. p. 147-180.
• [5] Al Shawa, B., The ability of Building Stock Energy Models (BSEMs) to facilitate the sector’s climate change target in the face of socioeconomic uncertainties: A review. Energy and Buildings, 2022. 254: p. 111634.
• [6] Liu, J., et al., Net-zero energy management and optimization of commercial building sectors with hybrid renewable energy systems integrated with energy storage of pumped hydro and hydrogen taxis. Applied Energy, 2022. 321: p. 119312.
• [7] Anna Dworakowska, M.Z., Łukasz Pytliński, Edyta Walczak, Piotr Pawlak and Piotr Siergiej, Energy Efficiency in Poland. 2015 Review. 2016.
• [8] Ferdyn-Grygierek, J. and K. Grygierek Multi-Variable Optimization of Building Thermal Design Using Genetic Algorithms. Energies, 2017. 10, DOI: 10.3390/en10101570.
• [9] Ferdyn-Grygierek, J., et al. Thermal Diagnostics of Natural Ventilation in Buildings: An Integrated Approach. Energies, 2019. 12, DOI: 10.3390/en12234556.
• [10] Attia, S., et al., Energy efficiency in the polish residential building stock: A literature review. Journal of Building Engineering, 2022. 45: p. 103461.
• [11] The Polish Ventilation Association 2001-2023 [cited 2023; Available from: https://www.wentylacja.org.pl/].
• [12] Ding, C. and K.P. Lam, Data-driven model for cross ventilation potential in high-density cities based on coupled CFD simulation and machine learning. Building and Environment, 2019. 165: p. 106394.
• [13] Ferrari, S. and V. Zanotto, Office Buildings Cooling Need in the Italian Climatic Context: Assessing the Performances of Typical Envelopes. Energy Procedia, 2012. 30: p. 1099-1109.
• [14] Foged, I. and A. Barbo, Window Design and the Design of Air Flow, in Conference for Passive and Low Energy Architecture. 2020: Coruna, Spain.
• [15] Sacht, H. and M.A. Lukiantchuki, Windows Size and the Performance of Natural Ventilation. Procedia Engineering, 2017. 196: p. 972-979.
• [16] WeatherSpark. The Weather Year Round Anywhere on Earth. 2023 [cited 2023; Available from: WeatherSpark.com].
• [17] Csoknyai, T., et al., Building stock characteristics and energy performance of residential buildings in Eastern-European countries. Energy and Buildings, 2016. 132: p. 39-52.
• [18] BPIE, et al., Financing building energy performance improvement in Poland, T. Antoniou, et al., Editors. 2018, Buildings Performance Institute Europe (BPIE): Belgium. p. 17-18.
• [19] Ramponi, R. and B. Blocken, CFD simulation of cross-ventilation for a generic isolated building: Impact of computational parameters. Building and Environment, 2012. 53: p. 34-48.
• [20] Autodesk. Auodesk CFD help center. 2019 [cited 2023 16.04.2023]; Available from: https://help.autodesk.com/view/SCDSE/2019/ENU/.
• [21] Tominaga, Y., et al., Accuracy of CFD simulations in urban aerodynamics and microclimate: Progress and challenges. Building and Environment, 2023. 243: p. 110723.
• [22] The impact of fenestration design: https://youtu.be/wmeThBDHXhU

Uwagi

Artykuł umieszczony w części "Builder Science"

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).