Prototyp – Natürlicher Belüftungskamin
Projekt für ein Gebäude mit natürlicher Belüftung durch Schornsteine
EOLIOS Engineering wurde von einem Architekturbüro beauftragt, die natürliche Belüftung eines zukünftigen Gebäudes zu untersuchen. Das Gebäude wird Büroräume umfassen, die mittels Windkaminen belüftet werden. Bei dieser Art der natürlichen Belüftung ist nicht der thermische Zugeffekt, sondern die Wirkung des Windes von primärer Bedeutung.
In dieser Studie untersuchte EOLIOS verschiedene Schornsteintypen und ermittelte, welcher den besten Luftdurchsatz bietet.
Prototyp – Natürlicher Belüftungskamin
Jahr
2024
Kunde
Lokalisierung
Rennes
Typologie
Klimatechnik
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Numerische Simulation der natürlichen Belüftung durch einen Windkamin
Allgemeine Projektbeschreibung
Eolios hat eine detaillierte Studie zu einem zukünftigen Architekturprojekt durchgeführt, das zwei Hauptkomponenten umfasst: einen Wohnbereich und einen für Geschäftsräume . Unser Fokus liegt dabei insbesondere auf dem zweiten Bereich , da die Geschäftsräume von einem natürlichen Belüftungssystem profitieren werden.
Klimastudie
Für diese Studie zur natürlichen Belüftung führen wir zunächst eine Klimaanalyse des zukünftigen Standorts durch, um möglichst realistische Simulationen zu erstellen. Die Klimaanalyse ergab, dass der Wind in diesem Projekt hauptsächlich aus Südwesten weht . Ein zweiter vorherrschender Wind kommt aus 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 Geschwindigkeiten, um Extremfälle zu untersuchen.
Eine Studie zu den Temperaturen im Jahresverlauf wurde ebenfalls durchgeführt, wird aber in diesem Abschnitt nicht vorgestellt . Im Folgenden präsentieren wir Ergebnisse für einen Südwestwind mit einer Geschwindigkeit von 6 m/s , der laut dieser Klimastudie der häufigste Wind ist.
3D-Modell
Für die Untersuchung der natürlichen Belüftung eines Gebäudes ist es entscheidend, benachbarte Gebäude als Luftbarrieren zu berücksichtigen. Diese umgebenden Strukturen können die Luftströmung um und durch das untersuchte Gebäude erheblich beeinflussen. Die Anwesenheit benachbarter Gebäude kann Bereiche mit unterschiedlichem Druck und Turbulenzen erzeugen, die Windrichtung und -geschwindigkeit beeinflussen. Daher ist eine genaue Modellierung dieser Nachbargebäude unerlässlich für eine realistische Bewertung der natürlichen Belüftung.
Die Modellierung benachbarter Gebäude ermöglicht es uns, die Auswirkungen von Hindernissen auf die Luftströmung zu simulieren. Dazu gehört die Identifizierung von Windschatten , wo die Luftströmung reduziert oder unterbrochen wird, und von Windkanälen , wo sie beschleunigt wird. Diese Phänomene können die Raumluftqualität , den thermischen Komfort und die Energieeffizienz des untersuchten Gebäudes beeinflussen. Eine effektive Modellierung hilft dabei , die optimalen Standorte für Lüftungsöffnungen wie Fenster und Lüftungsschlitze zu ermitteln, um die Frischluftzufuhr und den Abtransport verbrauchter Luft zu optimieren.
Größenangaben
Die korrekte Dimensionierung von Lüftungskanälen ist für eine effektive Belüftung unerlässlich. Eolios bietet seine Expertise in der Dimensionierung und Optimierung von natürlichen Lüftungssystemen an. Die anschließende CFD-Simulation ermöglicht die Überprüfung dieser Dimensionierung . Der Vorteil von CFD liegt in der Möglichkeit, verschiedene Systeme und Konfigurationen zu testen . Tatsächlich lassen sich Lüftungssysteme während der Simulationsphase leichter modifizieren als nach der Installation.
Prüfung mehrerer Schornsteine mittels CFD
Es wurden Untersuchungen an mehreren Schornsteinen durchgeführt:
- Eine mit einem rechteckigen, 4 m hohen Kanal und einer flachen Haube
- Zwei mit einem zylindrischen Kanal von 4 m Höhe: einer mit einer festen halbkugelförmigen Haube und der andere mit einer drehbaren
- Und eine 4 m hohe Fassade mit zwei Ausrichtungen
Ziel der Studie ist es, die optimale Form für das Projekt zu ermitteln , indem der von den Schornsteinen in verschiedenen Konfigurationen abgesaugte Luftstrom verglichen wird. Die Sammelflächen und die Größe der Rauchrohre sind in jeder Studie gleich, um ausschließlich die Effizienz des natürlichen Zuges zu vergleichen .
Luftgeschwindigkeiten über die 4 verschiedenen Schornsteinkonfigurationen
Studien belegen, dass Schornsteine mit drehbaren Aufsätzen den stärksten Zug erzeugen . Ihr Abgasstrom ist etwa doppelt so hoch wie der von Schornsteinen mit festen Aufsätzen , unabhängig von Windrichtung oder Störungen durch umliegende Gebäude. Darüber hinaus sorgt die Drehung des Aufsatzes für optimale Bedingungen und damit für einen verbesserten Zug .
Fassadenkamine können trotz einiger Einschränkungen eine interessante Lösung darstellen . Sie sind stark von der Windrichtung abhängig ; je nach Windrichtung und Ausrichtung des Kamins kann er entweder als Lufteinlass oder als Luftauslass fungieren, was sowohl ein Vorteil als auch ein Nachteil sein kann.
Im Rahmen dieser Studie wird zur Erzielung eines optimalen Zuges ein Kamin mit drehbarer Haube bevorzugt .
Simulationen und Ergebnisse
Dieser Abschnitt präsentiert die Ergebnisse von CFD-Simulationen mit einzelnen Kanälen und beweglichen zylindrischen Schornsteinen . Wie die ersten Simulationen zeigen, ist diese Art von Schornstein tatsächlich am effizientesten .
Die nachfolgend dargestellten Simulationsergebnisse beziehen sich auf einen Südwestwind von etwa 6 m/s . Dies ist die vorherrschende Windrichtung im Projektgebiet . Es sei darauf hingewiesen, dass auch andere Windrichtungen und -geschwindigkeiten getestet wurden, die jedoch in diesem Artikel nicht aufgeführt sind .
Die roten Bereiche zeigen an, welche Schornsteine am stärksten vom Südwestwind betroffen sind . Schornsteine, bei denen diese roten Bereiche nicht zu sehen sind, sind aufgrund der Anwesenheit anderer Schornsteine stromaufwärts weniger stark von diesem Wind betroffen .
Zum Vergleich von festen und beweglichen Schornsteinen wurden für jeden Fall zwei Studien durchgeführt, die im Folgenden vorgestellt werden.
Geschwindigkeitsverteilung in einzelnen Kanälen von mobilen Schornsteinen – Vorstudie zur Dimensionierung
Auf den ersten Blick sind die Luftgeschwindigkeiten in den Rauchrohren beweglicher Schornsteine höher als in denen feststehender Schornsteine . Darüber hinaus lässt sich ein Unterschied zwischen den Rauchrohren feststehender Schornsteine feststellen . So weist der Schornstein mit dem längsten Rauchrohr (1. Stockwerk) eine Luftwechselrate von 0,7 pro Stunde (AV/h) auf , deutlich unter den erwarteten 5 AV/h . Nur das kürzeste Rauchrohr (5. Stockwerk) erreicht diesen Zielwert von 5 AV/h annähernd , und die Luftwechselrate steigt mit jedem Stockwerk .
Die folgende Tabelle fasst die Durchflussmengen pro Etage und pro Schornsteintyp zusammen :
Diese Tabelle zeigt, dass die Belüftung mit feststehenden Schornsteinen im Durchschnitt nur halb so effektiv ist wie die mit beweglichen Schornsteinen . Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass das erste Obergeschoss bei einem feststehenden Schornstein praktisch keine Belüftung erhält .
In dieser Studie befinden sich die untersuchten Fassadenöffnungen in einer hohen Position und öffnen sich einmal alle zwei Bilder , wie in der Abbildung unten zu sehen ist.
Es fällt auf, dass die dem Wind direkt ausgesetzten Schornsteine (rot eingekreist in der obigen Abbildung) deutlich höhere Durchflussraten aufweisen als der Durchschnitt der übrigen Schornsteine . Für diese Schornsteine wird das Ziel von 5 Vol.-%/h im mobilen Fall erreicht, im stationären Fall jedoch noch nicht.
Diese ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die natürliche Belüftung im Fall des Schornsteins mit der beweglichen Kappe ordnungsgemäß funktioniert. Die Kanäle wurden in diesem Fall korrekt dimensioniert, um eine Belüftungsrate von 5 Luftwechseln pro Stunde (AV/h) zu erreichen.
Simulation der nächtlichen Entladung durch natürliche Belüftung
Quantifizierung der Vorteile natürlicher Belüftung durch Schornsteine
Nach Leistungsstudien verschiedener Schornsteintypen wurde eine Studie durchgeführt, um die nächtliche Wärmeabfuhr in diesem Gebäude unter Verwendung natürlicher Belüftung und dieser Schornsteine zu bewerten. Die nächtliche Wärmeabfuhr bezeichnet den passiven Kühlprozess , der den Temperaturabfall im Außenbereich während der Nacht nutzt, um die tagsüber angesammelte Wärme abzuführen . Dieses Phänomen beruht auf der natürlichen oder erzwungenen Luftzirkulation , wodurch die Innentemperatur gesenkt und der thermische Komfort verbessert wird , ohne auf eine mechanische Klimaanlage zurückgreifen zu müssen.
Ziel dieser Studie ist es, die Effektivität dieses Mechanismus in Abhängigkeit von klimatischen Bedingungen , Gebäudeeigenschaften und induzierten Luftströmungen zu quantifizieren.
Bedingungen für die nächtliche Entladung
Um eine nächtliche Entladung entsprechend einem realistischen Szenario zu modellieren, simulierten wir eine Temperaturdifferenz von 10 °C zwischen Innen- und Außenluft . Genauer gesagt betrachteten wir zwei charakteristische Situationen: eine Außentemperatur von 18 °C und eine Innentemperatur von 28 °C .
Diese Wahl beruht auf der Annahme, dass sich bei starker Hitze die Wärme im Gebäudeinneren staut und dadurch die Innentemperatur ansteigt, während der nächtliche Temperaturabfall im Außenbereich einen passiven Kühleffekt bewirkt. Dieser Temperaturunterschied fördert die natürliche Belüftung , indem er ein thermisches Gefälle erzeugt, das die Luftzirkulation durch die Schornsteine und Öffnungen des Gebäudes anregt.
Die Windverhältnisse wurden anhand einer vorangegangenen Klimastudie ermittelt. Für diese Studie wurde der am Standort vorherrschende Wind ausgewählt.
Ergebnisse von Klimaausflussstudien
Die Ergebnisse der nächtlichen Entladung ermöglichen es, gut belüftete Bereiche zu identifizieren , in denen die Innentemperaturen relativ nahe an der Außentemperatur liegen. Diese Bereiche profitieren von einer effizienten Luftzirkulation , die zur passiven Kühlung des Gebäudes beiträgt.
Umgekehrt werden auch schlecht belüftete Bereiche hervorgehoben. In diesen Räumen ist die Luftzirkulation eingeschränkt, was zu hohen Resttemperaturen von nahezu 28 °C führt. Die Identifizierung dieser Bereiche ist entscheidend für die Optimierung der natürlichen Belüftung , indem Öffnungen angepasst oder Lösungen zur Verbesserung des Luftaustauschs und zur Homogenisierung der Temperaturverteilung integriert werden.
Diese Studie identifizierte Wärmeinseln im Gebäude und analysierte deren Auswirkungen auf den thermischen Komfort . Insgesamt erwies sich der nächtliche Wärmeverlust als wirksam, um in weiten Teilen des Gebäudes angenehme Temperaturen aufrechtzuerhalten und so eine optimale passive Kühlung zu fördern.
Es wurde jedoch festgestellt, dass Gebiete mit geringer Wasserbewegung nicht von der nächtlichen Ableitung profitieren.
Darüber hinaus spielte diese Studie eine Schlüsselrolle bei der Optimierung der natürlichen Belüftung unseres Kunden . Dank der erzielten Ergebnisse konnten wir eine Liste bewährter Verfahren zur Maximierung der natürlichen Belüftung und damit zur Reduzierung des nächtlichen Wärmeverlusts erstellen. Diese Empfehlungen zielen insbesondere darauf ab, die Nutzung von Öffnungen zu optimieren, die Luftstromraten anzupassen und Temperaturunterschiede optimal auszunutzen, um die Effektivität der passiven Kühlung zu steigern.
Videozusammenfassung der Studie
Videozusammenfassung der Studie
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