Prototyp – Schornstein für natürliche Belüftung
Entwurf eines Gebäudes mit natürlicher Belüftung durch Schornsteine
EOLIOS Ingénierie wurde von einem Architekturbüro kontaktiert, um die natürliche Belüftung eines zukünftigen Gebäudes zu untersuchen.
Es handelt sich um Büroräume, die mit Hilfe von Windkaminen belüftet werden sollen.
Bei dieser Art der natürlichen Belüftung steht nicht der Wärmezug im Vordergrund, sondern die Windwirkung.
In dieser Studie untersuchte EOLIOS verschiedene Arten von Kaminen und ermittelte denjenigen mit dem besten Luftstrom.
Prototyp - Schornstein für natürliche Belüftung
Jahr
2024
Kunde
Lokalisierung
Rennes
Typologie
Klimatechnik
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Numerische Simulation der natürlichen Belüftung durch Windkamine
Allgemeiner Überblick über das Projekt
Eolios führte eine gründliche Studie über ein zukünftiges Architekturprojekt durch, das zwei Hauptkomponenten umfasst: einen Abschnitt für Wohnungen und einen für Geschäftsräume. Wir konzentrierten uns auf den zweiten Teil, da die Firmenräume von einem natürlichen Belüftungssystem profitieren werden.
Klimastudie
Um diese Studie zur natürlichen Belüftung durchzuführen, führen wir zunächst eine Klimaanalyse des zukünftigen Standorts durch, um möglichst realistische Simulationen durchführen zu können.
Für dieses Projekt ergab die Klimaanalyse, dass der Wind hauptsächlich aus dem Südwesten weht.
Ein zweiter Hauptwind kommt aus dem Nordosten.
Nachdem wir diese vorherrschenden Winde identifiziert haben, messen wir ihre Intensität, d.h. die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in diesen Richtungen, sowie die minimalen und maximalen Gesch windigkeiten, um Extremfälle zu untersuchen.
Es wurde auch eine jahreszeitliche Temperaturstudie durchgeführt, die in diesem Abschnitt jedoch nicht dargestellt wird.
Im Folgenden werden wir die Ergebnisse für einen Südwestwind mit einer Geschwindigkeit von 6 m/s präsentieren.
3D-Modell
Bei der Untersuchung der natürlichen Belüftung eines Gebäudes ist es von entscheidender Bedeutung, die benachbarten Gebäude zu berücksichtigen, die als Luftmasken fungieren.
Diese umliegenden Strukturen können einen erheblichen Einfluss auf den Luftstrom umund durch das untersuchte Gebäude haben. Das Vorhandensein von Nachbargebäuden kann zu unterschiedlichen Druckzonen und Turbulenzen führen, die die Windrichtung und -geschwindigkeit beeinflussen.
Daher ist die genaue Modellierung dieser benachbarten Gebäude für eine realistische Bewertung der natürlichen Belüftung von entscheidender Bedeutung.
Die Modellierung benachbarter Gebäude ermöglicht es, die Auswirkungen von Hindernissen auf die Luftströme zu simulieren.
Dies beinhaltet die Bestimmung von Windschatten, in denen der Luftstrom reduziert oder gestört wird, und von Windkanälen, in denen der Luftstrom beschleunigt wird.
Diese Phänomene können die Qualität der Raumluft, den thermischen Komfort und die Energieeffizienz des untersuchten Gebäudes beeinflussen.
Eine gute Modellierung hilft, die besten Positionen für Lüftungsöffnungen wie Fenster und Lüftungsschächte zu identifizieren, um die Zufuhr von Frischluft und den Abtransport von verbrauchter Luft zu optimieren.
Dimensionierung
Die richtige Dimensionierung von Lüftungskanälen ist für eine effektive Belüftung von entscheidender Bedeutung. Eolios hat Erfahrung mit der Dimensionierung und Verbesserung von natürlichen Belüftungssystemen.
Anschließend kann die Dimensionierung mit Hilfe von CFD-Simulationen überprüft werden. Der Vorteil von CFD liegt in der Möglichkeit, verschiedene Systeme und Konfigurationen zu testen.
Es ist einfacher, Lüftungssysteme in der Simulationsphase zu ändern, als wenn sie bereits installiert sind.
Versuch mehrerer Schornsteine in CFD
Es wurden Studien zu verschiedenen Schornsteinen durchgeführt:
- Eine mit einem 4 m hohen rechteckigen Schacht und einer flachen Haube.
- Zwei mit einem 4 m hohen zylindrischen Kanal: einer mit einer festen halbkugelförmigen Haube und der andere drehbar .
- Und eine 4 m hohe Fassade mit 2 Ausrichtungen
Das Ziel der Studie ist es, die relevanteste Form für das Projekt zu bestimmen, indem die Abluftmengen der Schornsteine in den verschiedenen Konfigurationen verglichen werden.
Die Einzugsflächen und die Größe der Schächte sind für jede Studie gleich, um nur die Effizienz des natürlichen Zuges zu vergleichen.
Luftgeschwindigkeiten bei 4 verschiedenen Schornsteinkonfigurationen
Studien zeigen, dass der Schornstein mit der rotierenden Haube den stärksten Zug erzeugt.
Die Austrittsleistung ist etwa doppelt so hoch wie bei Schornsteinen mit fester Haube, unabhängig von der Windrichtung oder Störungen durch umliegende Gebäude.
Außerdem dreht sich die Haube unter optimalen Bedingungen, was zu einem besseren Zug führt.
Fassadenkamine können eine interessante Lösung sein, wenn auch mit Einschränkungen. Je nach Windrichtung und Ausrichtung des Schornsteins kann er entweder als Zuluft- oder Abluftkamin betrieben werden, was sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil sein kann.
Um den bestmöglichen Zug zu erzielen, wird in dieser Studie der Schornstein mit drehbarer Haube bevorzugt.
Simulationen und Ergebnisse
In diesem Abschnitt werden die Ergebnisse der CFD-Simulationen mit einzelnen Kanälen und beweglichen zylindrischen Schornsteinen vorgestellt.
Wie die ersten Simulationen gezeigt haben, ist diese Art von Schornstein am effizientesten.
Die unten dargestellten Simulationsergebnisse beziehen sich auf einen Südwestwind mit einer Geschwindigkeit von 6 m/s.
Dies ist der vorherrschende Wind in der Projektregion.
Es ist anzumerken, dass andere Windrichtungen und -geschwindigkeiten getestet wurden, aber in diesem Artikel nicht dargestellt werden.
Die roten Flächen zeigen an, welche Schornsteine am stärksten vom Wind aus Südwesten betroffen sind.
Diejenigen, bei denen diese roten Flecken nicht zu sehen sind, sind weniger stark von diesem Wind betroffen, weil andere Schornsteine stromaufwärts liegen.
Um stationäre und mobile Schornsteine zu vergleichen, wurden für jeden Fall zwei Studien durchgeführt, die im Folgenden dargestellt werden.
Geschwindigkeitsverteilung in den einzelnen Schächten von mobilen Kaminen
Auf den ersten Blick sind die Geschwindigkeiten in den Schächten von mobilen Kaminen höher als in den Schächten von stationären Kaminen.
Außerdem kann man den Unterschied zwischen den Schächten von festen Schornsteinen erkennen.
Tatsächlich hat der Schornstein mit dem längsten Rohr (1. Stock) bei den festen Schornsteinen einen Durchfluss von 0,7 Volt/h, also weit unter den erwarteten 5 Volt/h. Nur der kürzeste Schornstein (5. Stock) erreicht fast die angestrebten 5 Vol/h und dieser Wert steigt mit jedem Stockwerk.
Die folgende Tabelle zeigt eine Zusammenfassung der Luftströme pro Etage und Schornsteintyp:
Diese Tabelle zeigt, dass die Belüftung durch feste Schornsteine im Durchschnitt nur halb so gut funktioniert wie die Belüftung durch mobile Schornsteine.
Es ist auch wichtig zu beachten und daran zu erinnern, dass bei einem festen Kamin die erste Etage praktisch nicht belüftet wird.
In dieser Studie sind die untersuchten Fassadenöffnungen in der oberen Position und einmal in jedem zweiten Raster geöffnet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Es fällt auf, dass die Schornsteinreihen, die direkt dem Wind ausgesetzt sind (in der obigen Abbildung rot eingekreist), deutlich höhere Volumenströme aufweisen als der Durchschnitt der anderen Schornsteine.
Für diese Schornsteine wird das Ziel von 5 Volt/h im mobilen Fall gut erreicht, im stationären Fall jedoch noch nicht.
Wir können anhand dieser ersten Ergebnisse feststellen, dass die natürliche Belüftung im Fall des Schornsteins mit beweglicher Haube gut funktioniert.
In diesem Fall wurden die Schächte korrekt dimensioniert, um eine Lüftungsrate von 5 Volt/h zu erreichen.
Videozusammenfassung der Studie
Videozusammenfassung der Studie
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