Dynamik procesów wymiany ciepła i naturalnej wymiany powietrza w budynkach o różnej strukturze materiałowej przegród

• Autorzy: Bzowska D.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca dotyczy nieustalonych procesów wymiany ciepła i naturalnej wymiany powietrza w obiektach budowlanych o różnej strukturze materiałowej przegród zewnętrznych, której cel i zakres omawiany jest w rozdziale 1. W praktyce inżynierskiej ilości powietrza wentylacyjnego wyznaczane są z prostych zależności, które wyprowadzono m.in. eksperymentalnie. Opisują one stany ustalone wymiany powietrza. Rozdział 2 zawiera przegląd literaturowy tych prostych modeli oraz stan badań nad stosowaniem w budynkach systemu wentylacji hybrydowej. Uzupełnieniem rozdziału są modele wykorzystywane w zaawansowanych badaniach procesu wymian powietrza oraz próby badania bezpośredniego wpływu struktury materiałowej przegród budynku na komfort cieplny pomieszczenia. Początkowo, polem zainteresowania badaczy były procesy wymiany ciepła w budynkach, przy stałym strumieniu objętości powietrza wentylacyjnego. Badania te prowadzone były głównie w kontekście zapotrzebowania energii na cele grzewcze. Natomiast wymiana powietrza, w budynkach z naturalną wentylacją, przebiega ze zmienną intensywnością, gdyż podlega dobowym wahaniom parametrów klimatu. Stąd też modelowanie omawianego procesu wymaga rzetelnych danych klimatycznych dla danej lokalizacji. Niezbędna więc była identyfikacja danych meteorologicznych, w tym także prędkości i kierunku wiatru. Te informacje zawiera rozdział 3. Pełny zestaw uśrednionych, po roku i miesiącu, danych klimatycznych, w tym wiatru gradientowego, pozwolił prześledzić zmiany w ilości i charakterze przepływu powietrza na poszczególnych piętrach budynku, który wyposażono w system wentylacji grawitacyjnej - rozdział 4. W rozdziale 5 omówiono i przetestowano modele naturalnej wentylacji w budynkach jedno i dwustrefowych, które stworzyli Y. Li i A. Delsante. Oba modele, na potrzeby przedstawianej pracy, zostały zmodyfikowane. Modyfikacja polegała na aproksymowaniu uzyskanych rozwiązań funkcjami harmonicznymi parametrów klimatu. W modelu matematycznym budynku jednostrefowego przepływ powietrza wentylacyjnego opisany jest równaniem trzeciego stopnia. Wynikiem rozwiązania analitycznego jest jeden pierwiastek rzeczywisty. Do rozwiązania równań w budynku dwustrefowym wykorzystano własny algorytm numeryczny. Rozwiązanie równań tworzących model budynku dwustrefowego, przy przyjętych warunkach początkowych, umożliwia otrzymanie wielu pierwiastków rzeczywistych. Wyniki rozwiązania tworzą wówczas histerezę przepływu. Poprawne wyznaczanie ilości powietrza wentylacyjnego, przepływającego przez budynek, nie jest możliwe bez jednoczesnego modelowania procesu wymiany ciepła pomiędzy budynkiem a jego otoczeniem. Doświadczenie, nabyte we wcześniejszych pracach o tematyce cieplno-przepływowej, pozwoliło na stworzenie własnego modelu, który opisuje te procesy w obiekcie z naturalną wentylacją. Model jednowymiarowej, nieustalonej wymiany ciepła i naturalnej wymiany powietrza przez budynek, powstał przy założeniu, że badane procesy są wynikiem zmiennych w czasie doby, a stałych - w miesiącu oddziaływań parametrów klimatu. W celu badania tej relacji zostały stworzone autorskie programy komputerowe dla obiektów: jednosiretowego i dwustrefowego, które umożliwiają jednoczesne modelowanie obu tych procesów, tj. zarówno wymiany ciepła, jak i powietrza wentylacyjnego. Wynikiem symulacji są przebiegi: strumienia objętości powietrza wentylacyjnego, temperatury we wnętrzu pomieszczenia, całkowitej akumulacji ciepła w całym obiekcie oraz poszczególnych przegrodach, strat i zysków ciepła przez ściany, strop i okna, przebiegi temperatury w poszczególnych warstwach ścian oraz strat ciepła do gruntu. Program umożliwia ponadto wizualizację niektórych z symulowanych wielkości, tj. temperatur w poszczególnych przegrodach budynku. Program jest prostym w obsłudze narzędziem, który pozwala wykazać różnice w dynamice cieplno-przepływowej obiektów o różnej strukturze materiałowej ścian. Założenia oraz możliwości obliczeniowe programu zamieszczono w rozdziale 6. W rozdziale 7 przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych dla pięciu budynków jednostrefowych i dwustrefowych o różnej strukturze materiałowej przegród zewnętrznych. Symulowane numerycznie procesy cieplno-przepływowe, w analizowanych budynkach, wykonywane były przy różnych wymuszeniach zewnętrznych. Budynek podlegał oddziaływaniu całkowitego promieniowania słonecznego lub tylko rozproszonego. Symulowano procesy bez udziału wiatru, a także te, które uwzględniały jego działanie na budynek w dwóch trybach; wspomagającym przepływ powietrza wentylacyjnego oraz tłumiącym lub odwracającym. We wszystkich symulacjach składową wymuszenia była temperatura otoczenia. Dla budynków, o skrajnej pojemności cieplnej przegród zewnętrznych, wykonano obliczenia przy różnej powierzchni i orientacji okien. Symulacje numeryczne, we wszystkich typach budynków, przeprowadzono zarówno, z wewnętrzną masą akurnulującą ciepło, jak i bez niej. Badanie procesów cieplno-przepływowych przeprowadzono dla lipca, rozszerzając materiał porównawczy o maj i wrzesień dla budynku o konstrukcji szkieletowej zaizolowanego wełną mineralną i po termomodernizacji. W rozdziale 8 przeanalizowano różnice w wynikach obliczeń otrzymanych z rozwiązania równań bilansowych zmodyfikowanego modelu Li, Delsante i symulacji autorskiego programu komputerowego. Rozdział 9 podsumowuje wyniki badań i podaje wnioski. Praca zawiera dodatki do rozdziałów drugiego, trzeciego i szóstego. Przeprowadzone symulacje pozwoliły na wyciągnięcie istotnych wniosków dotyczących zagadnienia pomijanego przez współczesnych projektantów wolnostojących obiektów budowlanych. Obecnie zwracają oni uwagę na okresy roku, w których istotnym czynnikiem utrzymania ergonomicznych warunków w pomieszczeniach jest minimalizacja strat ciepła do otoczenia poprzez konstruowanie ścian domów o bardzo wysokiej izolacyjności cieplnej, konstruowanie szczelnych okien, ograniczających w znacznym stopniu przepływ powietrza wentylacyjnego. Budynki takie pozwalają na utrzymywanie poprawnych temperatur w okresach chłodu, przy obniżonym zapotrzebowaniu na energię, w stosunku do budynków tradycyjnych. W okresie letnim, by sprostać oczekiwaniom mieszkańców, staje się często niezbędne instalowanie energochłonnych klimatyzatorów. W okresach przejściowych budynki te wymagają dogrzewania, gdyż ściany w minimalnym stopniu absorbują zyski słoneczne. Nie są to jedyne problemy, jakie występują w tego typu budynkach. Można zatem stwierdzić, że są to budynki tylko sezonowo energooszczędne.

Słowa kluczowe

PL

wymiana ciepła; wymiana powietrza

EN

heat exchange

• Wydawca: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Czasopismo: Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Rocznik: 2007
• Tom: nr 2
• Strony: 3--212
• Opis fizyczny: Bibliogr. 110 poz., rys.

Twórcy

autor

Bzowska D.

Bibliografia

• 1. Allard F., Natural ventilation in buildings: a designed handbook, James & James, 1998,
• 2. Andersen K. T., Theory for natural ventilation by thermal buoyancy in one zone with uniform temperature, Building and Environment 38, 1281-1289, 2003,
• 3. Andersen K., Theoretical considerations on natural ventilation by thermal buoyancy, ASHRAE Transaction, 1995, 101(2), 1103-17,
• 4. ASHRAE Fundamentals Handbook, Ch. 14, Airflow around buildings, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, 1985,
• 5. ASHRAE Fundamentals Handbook, Ch. 23, Infiltration. and ventilation, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA, 1989,
• 6. ASHRAE Fundamentals Handbook, Ch. 26, Ventilation. and infiltration, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, 2001,
• 7. ASHRAE, Ventilation for acceptable indoor air quality, ANSI/ASHRAE Standard 62-1999, 1999,
• 8. Asynsley R. M., Melburn W., Vickery W., Architectural aerodynamics, Applied Science Publishers, 1977,
• 9. AUDYTOR OZC 3.0. Program komputerowy do obliczania sezonowego zapotrzebowania ciepła do ogrzewania budynków,
• 10. Awbi H. B., Ventilation of buildings, Chapman & Hall, 1991,
• 11. Awbi H. B., Air movement in naturally-ventilated buildings, Proc. WRECI, 241-247, 1996,
• 12. Awbi H. B., Application of computational fluid dynamics in room ventilation, Building and Environment, 24, 73-84,
• 13. Axley J., Introduction to the design of natural ventilation system loop equation, Proc. 19th AIVC Conf. Ventilation Technologies Urban Areas, 47- 56, 1998,
• 14. Bains W. Turner, J., Turbulent buoyant convection from a source in a confined region, J. Fluid Mech., 51-80, 1969,
• 15. Bakers P. H., Sharples S., Ward I. C., Air flow through crakes, Building and Environment, 22, 293-304, 1987,
• 16. Batchelor G. K., An introduction to fluid dynamics, Cambridge University Press, 1980,
• 17. Brohus H., Frier., Heiselberg, Stochastic single multizone models of a hybrid ventilated building-a Monte Carlo simulation approach, Technical Report, Aalborg University, Annex 35, 2002,
• 18. Brown B. G., Katz R. W., Murphy A. H., Time series models to simulate and forecast wind speed and wind power, J. Clim. Apple. Meteor. 23, 1184- 1195, 1984,
• 19. Bruce J. M., Natural convection through openings and its application to cattle building ventilation, J. of Agricultural Engineering Research, 23, 151- 67, 1978,
• 20. BS 5925, Code of practice for design of buildings: ventilation principles and designing for natural ventilation, British Standards Institution, London, 1980,
• 21. Bzowska D., Energy demand profile for natural ventilation. Case study, Archives of Civil Engineering, 47, 1, 91-108 1, 2001,
• 22. Bzowska D., Heating load demand for a room under weather conditions, Archives of Thermodynamics, Vol. 21, No. 1-2, 43-52, 2000,
• 23. Bzowska D., Kossecka E., Analiza probabilistyczna danych pogodowych dla Warszawy, Prace IPPT 10/1992,
• 24. Bzowska D., Kossecka E., Analiza promieniowania słonecznego w Warszawie w aspekcie energetyki słonecznej, Prace IPPT, 4/1993,
• 25. Bzowska D., Mechanika przepływu strumienia powietrza w pomieszczeniu z naturalna wentylacją, Materiały Konferencyjne, ŁÓDŹ’2001, 36-43,
• 26. Bzowska D., Natural ventilation induced by weather parameters in two-zone building, Archives of Civil Engineering, LI, 1, 135-151, 2005,
• 27. Bzowska D., Prediction of natural ventilation rates induced by weather parameters, Archives of Civil Engineering, 48, 4, 473-492, 2002,
• 28. Bzowska D., Stochastic modelling of thermal performance for a heated building, Archives of Civil Engineering, XLIII, 4, 1997,
• 29. Bzowska D., The influence of temperature, solar radiation and wind on thermal behaviour of domestic dwellings, VII Internationales Symposium „Warmeaustausch und Erneuerbare Energiequellen”, Szczecin-2000, 85-92,
• 30. Bzowska D., Thermal behaviour of a heated building under random weather condition in Warsaw, Building and Environment, 37, 677-689, 2002,
• 31. Bzowska D., Wind speed characteristics with regard to wind direction, Archives of Civil Engineering, 47, 1, 75-89, 1, 2001,
• 32. Chen Z., Delsante A., Li, Y., Rowe d., Hybrid ventilation in office and educational buildings, Proc. 1st International HybVent Forum, 1999,
• 33. Chikamoto T., Kato S., Murakami S., Study on hybrid air-conditioning system using natural ventilation in office space, ROOMVNT’98, 181-188,
• 34. Chwieduk D., Modelowanie i analiza pozyskiwania oraz konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego w budynku, Prace IPPT, 2006,
• 35. Chwieduk D., Pluta Zb., Wnuk R., Wybrane aspekty wykorzystania energii promieniowania słonecznego w projektowaniu, Centralny Ośrodek Informacji Budownictwa, Warszawa 1994,
• 36. CIBSE Guide, Air infiltration and natural ventilation, The chartered initiation of building services engineering, 1999,
• 37. Calderaro V., Agnoli S., Passive heating and cooling strategies in an approaches of retrofit in Rome, Energy and Buildings, 39, 875-885, 2007,
• 38. Clifford M. J. et al., Using computational fluid dynamics as a design tool for naturally ventilated buildings, Building and Environment, 32(4), 305-312, 1997,
• 39. Clifford M., Hand J., Clarke R., Riffat S., Using computational fluid dynamics as a tool for naturally ventilated buildings, Building and Environment, 32(4), 305-312, 1997,
• 40. Condradsen K., Nielson L. B., Praham L. P., Review of Weibull statistics for estimation of wind speed distribution, J. Clim. Appl. Meteor., 23, 1173- 1183, 1984,
• 41. Cooper P., Hunt G., Linden P.F., The filling box containing a vertically distributed source of buoyancy − private communication,
• 42. Davenport A.G., The application of statistical concepts to the wind loading of structures, Proc. Inst. Civ. Eng. 12, 1961a,
• 43. Davenport A.G., The dependence of wind loads on meteorological parameters, WEBS, Ottawa, 1967,
• 44. Descalaki E., Santamouris M., Natural ventilation of buildings - a design handbook, James & James Ltd, London UK, 1998,
• 45. Design of hybrid ventilation in existing, chosen objects, Proc. of workshop, Gliwice, 2004,
• 46. Duffie J. A., Beckman W. A., Solar engineering of thermal processes, J. Wiley & Sons, 1991,
• 47. Dzieniszewski W., Procesy cieplno-przepływowe w budynkach, Podstawy modelowania matematycznego, KILiW, Lódź 2005,
• 48. EN 13465, Ventilation for buildings – Calculation methods for the determination of air flow rates for dwellings,
• 49. Epstein M., Buoyancy-driven exchange flow through small openings in horizontal partitions, J.Heat Transfer, 11, 980-987, 1989,
• 50. Ernst D. R., Predicting wind-induced air motion, occupant comfort and cooling loads in naturally ventilated buildings, University of California at Berkeley, 1991,
• 51. Etheridge D. W., Crack flow equation and scale effect, Building and Environment, 12, 181-189, 1977,
• 52. Etheridge D., Nondimensional methods for natural ventilation design, Building and Environment, 37, 1057-1072, 2002,
• 53. Etheridge D., Sandberg M., Building ventilation: theory and measurement, John Wiley & Sons, 1996,
• 54. Foit H., Lubina P., Określanie sezonowych wentylacyjnych potrzeb cieplnych budynków mieszkalnych, Materiały Konferencyjne, ŁÓDŹ’99, 86-93,
• 55. Foster M.P., Down M.J., Ventilation of livestock buildings by natural convection, J. Agric. Engling. Res., 37, 1-13, 1987,
• 56. Fracastaro G., Mutani G., Perino M., Experimental and theoretical analysis of natural ventilation by window openings, Energy and Buildings, 34, 817- 827, 2002,
• 57. Garcia A., Torres J.L., Prieto E., De Francisco A fitting wind speed distributions: case study, Solar Energy, Vol. 62, No. 2, 139-144, 1998,
• 58. Gawin D., Kossecka E., Typowy rok meteorologiczny do symulacji wymiany ciepła i masy w budynkach, P. Łódzka, 2002,
• 59. Gladstone Ch., Woods A. W., On buoyancy-driven natural ventilation of a room with a heated floor, J. Fluid Mech., 293-314, 2001,
• 60. Gladstone Ch., Woods A., The natural ventilation of a room with an areal source of heat and two openings, Proc. of ROOMVENT 2000,
• 61. Heiselberg P., Principles of hybrid ventilation, Annex 35, Aalborg Univ., Denmark, 2002,
• 62. Hennessy J. P., Jr., Some aspects of wind power statistics, J. Appl. Meteor., 16, No 2, 1977,
• 63. Hokoi S, Matsumoto M., An analysis of stochastic properties of the heating load in a intermittently air-conditioned building, Energy and Buildings, 11, 259 – 263, 1988,
• 64. Hopkowicz M., Sul A., Analiza wpływu obciążeń termicznych pochodzących od środowiska zewnętrznego na komfort cieplny budynku wielorodzinnego, Materiały Konferencyjne, Kazimierz Dolny, 1997,
• 65. Hunt G. R., Linden P. F., Steady-state flows in an enclosure ventilated by buoyancy forces assisted by winds, J. of Fluid Mechanics, Vol. 426, 355- 386, 2001,
• 66. Hunt G. R., Linden P. F., The fluid mechanics of natural ventilationdisplacement ventilation by buoyancy-driven flows assisted by wind, Building and Environment, 34, 707-720, 1999,
• 67. Johnson N. L., Katz S. and Balkrishnan N. Continuous unvaried distributions, 1, 2nd, Wiley Interscience, N. Y. 1994,
• 68. Kato S. et al, Hybrid air-conditioning based on natural and mechanical ventilation in office building, 8th Inter. Confer. on Indoor Air Quality, Edinburgh, 1999,
• 69. Kisilewicz T., Stateczność cieplna budynków pasywnych, Materiały Konferencyjne, ŁÓDŹ’2003,
• 70. Kisilewicz T., Wpływ właściwości dynamicznych na długookresowe zapotrzebowanie na energię, Materiały Konferencyjne, ŁÓDŹ’2001,
• 71. Klemm K., Warunki wietrzności w wybranych strukturach urbanistycznych i wybór optymalnych rozwiązań, Praca doktorska, Politechnika Łódzka 1998,
• 72. Kossecka E., Bzowska D., Estimation of Solar Radiation on Inclined Surfaces − The Clearness Indices Method, Archives of Civil Engineering, 11, 1, 105-120, 1994,
• 73. Li Y., Delsante A. el, Some examples of solution multiplicity in natural ventilation, Building and Environment, 36, 851-858, 2001,
• 74. Li Y., Delsante A., Natural ventilation induced by combined wind and thermal forces, Building and Environment, 36, 59-71, 2001,
• 75. Liddament M., Air infiltration calculation techniques − An application guide, Air Infiltration and ventilation Centre, Coventry, UK, 1986,
• 76. Limam K., Innard C., Allard F., Etude experimentale des transferts de masse et de chaleur a travers les grandes ouvertures verticals, Con. Groupe d’Etude de la Ventilation et du Renouvellement d’Air, INSA, Lyon, 98-111, 1991,
• 77. Linden P., Lane-Serff G., Smeed D., Emptying filling boxes: the fluid mechanics of natural ventilation, J. Fluid Mech., 212, 309-335, 1990,
• 78. Linden P., The fluid mechanics of natural ventilation, Annual Review of Fluid Mechanics, 31, 201- 238, 1999,
• 79. Lomas K., Cook M., Fiala D., Low energy architecture for severe US climate: Design and evaluation on a hybrid ventilation strategy, Energy and Buildings, 39, 32-44, 2007,
• 80. Lomas K., Architectural design of an advanced naturally ventilated building form, Energy and Buildings, 39, 166-181, 2007,
• 81. Lipska B., Quality control of the numerical prediction of buoyant plumes and their surroundings in displacement ventilation, Archives of Civil Engineering, 2006,
• 82. Lipska B., Trzeciakiewicz Zb., Popiołek Zb., Mierzwiński St., Praktyczne wykorzystanie numerycznego modelowania do prognozowania przepływów wentylacyjnych, COW, 11, 2001,
• 83. Liu B.Y.H., Jordan R.C., The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation, Solar Energy, Vol. 4, 4-19, 1960,
• 84. Lorenc H., Struktura i zasoby energetyczne wiatru w Polsce, IMGW, seria Meteorologia-25, 1996,
• 85. Maas J., Nighttime ventilation by stack effect, ASHRAE Transaction, 97(1), 516-524,
• 86. Melaragno M. G., Wind in architectural and environmental design, VNR, 1992,
• 87. Mierzwiński St., Wentylacja hybrydowa w budownictwie zrównoważonym, COW, 2003,
• 88. Morton B.R., Tylor G.I., Turner J.S., Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources, Proceeding of R. Society, A 234: 1-23, 1956,
• 89. Nfaoui H., Buret J., Sayigh A.A.M., Stochastic simulation of hourly average wind speed sequences in Tangiers (Marocco), Solar Energy, Vol. 56, No. 3, 301-314, 1996,
• 90. Nfaoui H., Buret J., Sayigh A.A.M., Wind characteristics and wind energy potential in Marocco, Solar Energy, Vol. 63, No. 1, 51-60, 1998,
• 91. Nowak H., Właściwości radiacyjne powłok stosowanych w zestawach szyb zespolonych, Materiały Konferencyjne, ŁÓDŹ 2001,
• 92. Orme M., Liddament M., Wilson A., An analysis and data summary of the AIVC’s numerical database, Technical Note 44, The Air Ventilation and Infiltration Centre, Coventry, U.K., 1994,
• 93. Pluta Z., Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, P.W., 2000,
• 94. Pluta Z., Słoneczne instalacje energetyczne, P.W., 2003,
• 95. PN-83/B-03430, Wentylacja w budynkach mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej, Wymagania,
• 96. PN-B-02025, Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego, lipiec 2001,
• 97. PN—EN 12831, Instalacje grzewcze w budynkach. Obliczenie zapotrzebowania na moc cieplną,
• 98. Recknagel-Sprenger, Ogrzewanie i klimatyzacja, Poradnik, Arkady, Warszawa 1976,
• 99. Rosiński M., Spik Z., Analiza kosztów zużycia ciepła na ogrzewanie i wentylację budynków jednorodzinnych w zależności od zastosowanego źródła ciepła i rodzaju paliwa, COW, 23-27, 2005,
• 100. Sodha M. S., Bansal N. K., Kumar A., Bansal P. K., Malik M. A. S., Solar passive building, Science and Design, Pergamon Press, 1986,
• 101. Staniszewski B., Wymiana ciepła − podstawy teoretyczne, PWN, Warszawa 1963,
• 102. Sutton O. G., Micrometeorology, McGrow Hill, 1953,
• 103. Thomas D. A., Dick J. B., Air infiltration through gasps around windows, JIHVE, 21, 85-97, 1953,
• 104. Troen N. G., Petersen E. L., European wind atlas, Riso National Lab. 1989,
• 105. Trzeciakiewicz Z., Energy supply for modern buildings, Summer School, Gliwice, 2004,
• 106. Voeltzel A., Carrie F.R., Guarracino G., Thermal and ventilation modelling of large highly-glazed spaces, Building and Environment, 121-132, 2001,
• 107. Walker I., Wilson D., Practical methods for improving estimates of natural ventilation rates, Air Infiltration Review, Vol. 16, 1994,
• 108. Wiśniewski S., Wymiana ciepła, PWN, Warszawa 1979,
• 109. Wouters P. et al., Classification of hybrid ventilation concepts, Research Project 2003, Aalborg University,
• 110. Zhai J., Chen Q., Performance of coupled building energy and CFD simulations, Building and Environment, 37, 333-344, 2005.