Natural ventilation induced by weather parameters in two-zone building

• Autorzy: Bzowska D.

Warianty tytułu

PL

Przepływy powietrza wentylacyjnego w dwustrefowym pomieszczeniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Application of numerical solution for calculating natural ventilation under certain simplification in two-zone is presented. The basic model of air flow that is taken from LI et al. is induced by wind and thermal forces that are generated by temperature difference together with internal heat sources assisted by solar radiation. The analysed phenomenon is expressed by heat balanced equations together with Bernoulli's equation and a power-law relation between pressure across windows and flow rates. The simple model constructed for engineering purpose employs, so called, air change parameters rate Alfa, Beta and Gamma. The first one measures the effect of the thermal buoyancy force on ventilation flow alone. The second, in turn, measures the effect of conductive heat out of a building through its envelope. The third one Gamma assesses the wind force. The effect of all the coefficients on ventilation air rate is defined separately. All weather parameters that are concerned in the analysed process are expressed by the harmonic functions. The functions describe the mean fluctuation throughout 24 hours. As regards calculation, the multiple solutions can be applicable to predict flow rates in natural ventilation for the steady state. The building to be examined is of lightweight construction, equipped with two ventilation openings and is characterised by simple geometry. Heat accumulation is not considered and it is assumed that indoor air is fully mixed.

PL

Rozpatrzono przepływ powietrza wentylacyjnego w stanie ustalonym, w dwustrefowym obiekcie o lekkiej konstrukcji. Wymiana powietrza, wynikająca z różnicy temperatur i oddziaływania wiatru, odbywa się przez otwory wentylacyjne, umiejscowione na przeciwległych ścianach budynku. Otwór wlotowy znajduje się przy podłodze w pierwszej strefie obiektu, a wylotowy, pod sufitem, w strefie drugiej. Przepływ pomiędzy strefami odbywa się przez otwór w adiabatycznej przegrodzie, usytuowanej na wysokości 3,5 m. W strefie dolnej jest stałe źródło ciepła, w górnej także stałe ale niewielkie źródło ciepła, oraz zyski energetyczne pochodzące od Słońca, a pozyskiwane przez okno o wystawie południowej i powierzchni 24 m2. Dane meteorologiczne takie jak promieniowanie słoneczne, oraz pozostałe parametry pogody, tj. temperatura zewnętrzna oraz prędkość wiatru, dla wybranego do obliczeń kierunku, są funkcjami trygonometrycznymi. Funkcje te opisują stały w obrębie miesiąca dobowy rozkład parametru. Wentylacyjny otwór, od strony nawietrznej, znajduje się na tej samej ścianie, co okno. W przypadku wiatru przeciwnego otworem nawietrznym staje się otwór górny, stąd funkcja, użyta w obliczeniach, opisuje wiatr napływający z kierunku północnego. Obliczenia przeprowadzono dla budynku gospodarczego, o gabarytach 30 m x 15 m x 7 m. Ściany baraku nie akumulują ciepła, wykonano je z paneli aluminiowych, pomiędzy którymi znajduje się styropian o grubości 20 cm i 2 cm. Metoda, wykorzystana do uzyskania przedstawionych w artykule wyników, oparta jest na numerycznych rozwiązaniach nieliniowego równania bilansu ciepła dla powietrza wewnętrznego. Poprawność opisu badanego zjawiska zweryfikowano eksperymentalnie. Matematyczny model, opisujący proces wentylacji w dwustrefowym budynku, wprowadza trzy parametry naturalnej wymiany powietrza Alfa, Beta i Gamma. Pierwszy z nich określa oddziaływanie wyporu termicznego, drugi Beta - wpływ strat ciepła przez przegrody, a Gamma - wpływ wiatru, który ze względu na prędkość i kierunek może intensyfikować lub tłumić przepływ powietrza w budynku. Oblizono dla 12 miesięcy wydatki powietrza wentylacyjnego, dla trzech typów przepływu, które tworzą się przy wiatrach wspomagających i przeciwnych, oraz temperatury, w obu strefach budynku, w lutym i lipcu. Otrzymane przebiegi parametrów aproksymowane są funkcjami temperatury otoczenia, prędkości wiatru, oraz promieniowania słonecznego. Ściany baraku scharakteryzowane są następującymi współczynnikami przenikania ciepła U20cm = 0,217 W/m2K, U2cm = 0,781W/m2K, co odpowiada wartościom współczynników Beta w strefie dolnej, 0,0465 m3/s i 0,150 m3/s oraz 0,0440m3/s i 0,250 m3/s, w strefie górnej. Wykorzystywany w obliczeniach model uwzględnia nieliniowe interakcje, powstające pomiędzy siłami wyporu termicznego, a wiatrem. W wyniku rozwiązania można otrzymać dla danych warunków początkowych i brzegowych wielokrotne pierwiastki zerowe. Pozostaje kwestia weryfikacjiwyników, ponieważ nie wszystkie zdarzenia są stabilne, bądź nie zachodzą w rzeczywistości. Weryfikację umożliwiają badania laboratoryjne. Modyfikacja wprowadzona przez autora, w formie aproksymacji otrzymanych wyników funkcjami parametrów pogody, pozwoliła urealnić przewidywane w obrębie doby wydatki powietrza, oraz rozkłady temperaur wewnętrznych, w dolnej i górnej strefie budynku. Opisywane w literaturze metody obliczania wydatku powietrza wentylacyjnego w pomieszczeniach dotyczą głównie obiektów z określoną temperaturą wewnętrzną, niezależną od warunków pogodowych środowiska, natomiast metoda analizowana w artykule znajduje zastosowanie np. w budynkach gospodarczych lub przemysłowych, w których temperatura wewnętrzna kształtowana jest warunkami eksploatacyjnymi, oraz izolacyjnością jego przegród budowlanych. Wzrost zainteresowania wentylacją naturalną wiąże się z tym, że w ostatnim dziesięcioleciu coraz większą popularność zyskuje wentylacja hybrydowa. W tym skojarzonym układzie, systemem wentylacji mechanicznej wspomaga naturalną wymianę powietrza w sytuacjach, w których wiatr i temperatura nie są w stanie zapewnić założonych reżimów. Jak na razie, programy CFD nie mogą sprostać kompleksowej analizie systemu hybrydowego. Można jedynie symulować niezależnie działanie systemu wentylacji naturalnej i mechanicznej. Dlatego też pożądane są wszelkie inne badania i analizy prowadzące do lepszego i głębszego zrozumienia procesów generowanych naturalnym przepływem powietrza.

Słowa kluczowe

EN

natural ventilation; thermal buoyancy; multiple steady states

PL

wentylacja naturalna; przepływ powietrza; pomieszczenie dwustrefowe; różnica temperatur; oddziaływanie wiatru; parametr pogody

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 51, nr 1
• Strony: 135--152
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., il.

Twórcy

autor

Bzowska D.

• Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences, Warszawa, Poland

Bibliografia

• 1. K. ANDERSEN, Theory for natural ventilation by thermal buoyancy in one zone with uniform temperature Building and Environment, 38, 1281-1289,2003.
• 2. D. BZOWSKA, Thermal behaviour of a heated building under random weather condition in Warsaw, Building and Environment, 37, 677-689, 2002.
• 3. D. BZOWSKA, Wind speed characteristics with regard to wind direction, Archives of Civil Engineering, 47, 1, 75-89, 1,2001.
• 4. D. BZOWSKA, Energy demand profile for natural ventilation. Case study, Archives of Civil Engineering, 47, 1, 91-108, 1,2001.
• 5. D. BZOWSKA, Prediction of natural ventilation rates induced by weather parameters, Archives of Civil Engineering, 48, 4, 473-492, 2002.
• 6. D. ETHERIDGE, M. SADBERG, Building ventilation: theory and measurements. Wiley, 1996.
• 7. E. KOSSECKA, D. BZOWSKA, Estimation of solar radiation on inclined surfaces - The clearness indices method, Archives of Civil Engineering, 40, 1, 105-120, 1994.
• 8. Y. LI, A. DELSANTE, Natural ventilation induced by combined wind and thermal forces. Building and Environment, 36, 59-71, 200l.
• 9. Y. LI, A. DELSANTE, Some examples of solution multiplicity in natural ventilation, Building and Environment, 36, 851-858, 200 l.
• 10. P. LINDEN, The fluid mechanics of natural ventilation, Annual Review of Fluid Mechanics, 31, 201-238, 1999.
• 11. P. LINDEN, G. LANE-SERFF, D. SMEED, Emptying filling boxes: the fluid mechanics of natural ventilation, J. Fluid Mech., 212, 309-335, 1990.
• 12. M. ORME, M. LIDDAMENT, A. WILSON, An analysis and data summary of the AIVC's numerical database, Technical Note 44. The Air Ventilation and Infiltration Centre, Coventry, U.K., 1994.