Modellering af naturlig ventilation og natkøling- ved hjælp af ringmetoden

De seneste årtiers fokusering på energieffektivitet og indeklima har betydet en genopfindelse af naturlig ventilation. Dagens byggeskik og fremkomsten af computeren har betydet at der har været og stadig er et stort behov for beregningsmodeller der hurtigt og præcist kan beregne konsekvenserne ved brug af naturlig og hybrid ventilation. I dag går mere end en tredjedel af det primære energiforbrug i de industrialiserede lande til opvarmning, køling og ventilation af bygninger (ECBCS 2000). For at fremme naturlig ventilation og derigennem mindske energiforbruget er to vigtige barrierer identificeret: • Mangel på tilgængelige ikke ekspert programmer til beregning af naturlig ventilation ved realistiske forhold • Usikkerhed i forhold til effekten af natkølingen På baggrund heraf er følgende to problemer opstillet • Udvikle let anvendelig computermodel til beregning af naturlig ventilation og samspillet med bygningens termiske forhold • Udvikle model til beregning af effekten ved natkøling med naturlig ventilation 1.1 Beregning af naturlig ventilation Da dette arbejde startede og stadig i dag er der kun ganske få bygningssimuleringsprogrammer der kan tage hensyn til både naturlig ventilation og bygningen termiske egenskaber. I Danmark benyttes det termiske simuleringsprogram BSim, udviklet af Statens Byggeforskningsinstitut (SBi) ved de fleste større byggesager. Programmet er udbredt og udgør dermed en de facto standard i Danmark. På den baggrund er det valgt at udvide BSim med en multizonemodel til beregning af naturlig ventilation. 1.2 Multizone model En gennemgang af litteraturen for beregning af naturlig ventilation blev gennemført med henblik på at opstille en multizone model. To forskellige måder til opstilling af ligningssystemet blev identificeret, Knudemetoden og Ringmetoden. Det viste sig at reguleringsmetoder for multizone modeller, så det er muligt at opfylde behovene i de enkelte zoner i bygningen var meget begrænsede. Behovet for en robust og fleksibel regulering førte til udarbejdelsen af en reguleringsstrategi for åbningerne. På denne baggrund blev en multizone model baseret på ringmetoden [Loop Equation Method] med tilhørende regulering blev implementeret i det termiske simuleringsprogram BSim. 1.3 Beregning af natkøling Ved beregning af effekten af natkøling benyttes primært simple overslagsmodeller eller termiske simuleringsprogrammer. Hvor de simple modeller er gode til at give et overslag i starten af byggefasen mangler de nøjagtighed til at kunne anvendes i designfasen. Her benyttes ofte termiske simuleringsprogrammer, men disse lider som ofte af at de bruger standard konvektive varmeovergangstal for fri konvektion og dermed ikke kan tage hensyn til strømningsbilledet eller en lokal temperatur ved fladerne. På den baggrund er det valgt at udvide BSim med en model til beregning af natkøling der kan tage hensyn til lokal hastighed og temperatur ved loftet. En omfattende litteraturgennemgang af målinger af konvektive varmeovergangstal for bygninger viste at de fleste udtryk byggede på forsøg med små plader. De få fuldskala forsøg der er blevet gennemført viste at resultater fra små plader skal benyttes med forsigtighed i bygninger, da strømningsforholdene er ganske forskellige. En gennemgang af de ganske få modeller til bestemmelse af et konvektive varmeovergangstal ved termisk bygningssimulering viste to forskellige tilgange. Ved den ene blev der benyttet viden fra strømningsteknikken, herunder strømningselementer til at beregne strømningsbilledet i rummet og bestemme det konvektive varmeovergangstal på den baggrund. Denne tilgang udnyttede den store viden der er om strømningsforhold i bygninger. Den anden tilgang bestod i at samle så mange udtryk for konvektive varmeovergangstal for forskellige strømningsmønstre som muligt og lave rutiner til at vælge det bedst egnede. Denne tilgang baseredes på tilstedeværelsen af tilstrækkeligt mange og nøjagtige udtryk for konvektive varmeovergangstal. På baggrund af ovenstående blev der udarbejdet en simpel model baseret på strømningselementer. Princippet i modellen var at bestemme, for hvor stor en del af loftet strømningen var tvungen (udeluft) og for hvor stor en del (resten) strømningen kunne anses for at være fri (rumluft). På baggrund af opdelingen af loftet blev energiudvekslingen mellem luften og loftet beregnet på baggrund af den lokale temperatur og et konvektive varmeovergangstal for den pågældende strømningstype. Endeligt blev der beregnet et fiktivt konvektive varmeovergangstal til brug i det termiske simuleringsprogram der medførte samme energiudveksling som beregnet for de to delflader. Modellen blev implementeret i BSim.