A kinti vízszintes esőt nézve nehéz elképzelni, hogy a napsugárzás figyelembevételével készített épület aerodinamika szimuláció hasznos lehet. De az igazság az, hogy az időjárás nem hagyható ki az épített környezet tervezési szempontjai közül. A Magyarországnál melegebb éghajlatú országokban már régóta elengedhetetlen a szerkezetek felületi hőmérsékletének figyelembevétele a tervezési paraméterek között. És sokkal hamarabb, mint szerettük volna, Magyarország egyes részein is elengedhetetlen lesz. Ebben a tanulmányban a budapesti és dubaji nyárban épületek gyűrűjében elhelyezett acél árnyékoló szerkezetet használunk a különböző éghajlati hatások összehasonlítására. Megmutatjuk, hogy az árnyékoló formája hogyan befolyásolja a felszíni hőmérsékletet, és ami Budapesten még jó lehet, az Dubajban biztosan nem lesz megfelelő.
Minden nyáron melegebb van, mint 40ºC
És a tendencia aggasztó, mert például a kültéri hőcserélő berendezéseket úgy tervezik, hogy 36°C-ig a hűtési teljesítmény csökkenése nélkül működjenek. Az is tény, hogy a hagyományos ipari gépek felületi hőmérséklete nem haladhatja meg a 60ºC-ot, hogy biztonságos legyen az azokat üzemeltetők számára. De mi a helyzet egy szabadtéri acél árnyékoló szerkezettel, amely a már 40°C-os levegőben, a tűző júniusi napsütésben áll majd? Egyáltalán biztonságos lesz hozzáérni, akár csak véletlenül is?
Árnyékolók a parkban
A napsugárzás szimulációhoz általam készített modell hat olyan acél oszlopból áll, amelyeknek magassága 4 m, 5 m és 6 m. Minden magasságú változatból két-két árnyékoló van elrendezve úgy, hogy a legmagasabbak középen legyenek. Az árnyékoló felület ugyanaz a nyolcszög, amely egy 6 m átmérőjű körbe illeszkedik. Az összes árnyékoló felület 10°-kal meg van döntve, és attól függően, hogy miként helyeztem el őket, ezek közül néhány egymástól eltérő, néhány ugyanabba az irányba néz. Célom az volt, hogy a nap minden órájában a vetített árnyék mérete a legnagyobb legyen.
A cél egy kis városi terület modellezése volt, különböző alakú és méretű épületekkel és néhány fával.
Egy városi kis parkhoz, egy egyetemhez, vagy egy technológiai parkhoz hasonlót szerettem volna. Valami általánost akartam, ami szinte bárhol megtalálható a világon. Méghozzá azért, hogy ugyanazon a modellen a különféle talajtípusok, építőanyagok és tájolások vizsgálatának legyen értelme.
A környezeti levegő modelljének óriásinak kell lennie
A szimulációs geometriának sokkal nagyobbnak kellett lennie, mint az összes épület és a park területe. Volt egy 300 méter átmérőjű, 5 méter vastag talaj tárcsa, amelyen az épületeket és a parkot helyeztem el. Ezután az egész modellt egy 700 m x 700 m x 120 m (H x Sz x M) térfogatba helyeztem, hogy szimulálni tudjam a szelet.
A hasáb alakú környezeti levegő négy szélirány szimulációját is meglehetősen egyszerűvé tenné, mivel a háló ugyanaz lehet. Csak a bemeneti-kimeneti és peremfelületeket kell felcserélnünk az irányváltáshoz.
Néhány, a témában született publikációban hatszögletű levegő térfogatot használnak, ahol három oldal beömlő, a másik három pedig kiömlő felület. Szerintem ez egy nagyszerű módja annak, hogy a környezeti levegőt több, mint négy szélirány vizsgálatára is alkalmassá tegyék. Óvatos lennék azonban olyan peremfeltétel rendszer használatakor, ahol egy sebesség (beömlő) és egy nyomás (kiömlő) peremfeltétel közvetlenül egy vonal mentén érintkezik. Ez instabilitást okozhat a szimulációban.
Az épület aerodinamika szimuláció lesz a kezdeti feltétel
A napsugárzás hőmérsékletet növelő és a szél hűtés hatásának együttes vizsgálata egy épület aerodinamika szimuláció peremfeltételeit igényelte a napsugárzás paramétereivel kombinálva.
Mivel a napsugárzás szimuláció peremfeltételei időben változóak (a Nap bejárja az égboltot, ahogy az idő múlik), úgy döntöttem, hogy először az időben állandó épület aerodinamika szimulációt futtatom le, majd ennek eredményeit a napsugárzás szimuláció kezdeti feltételeként használom tovább.
Szélsebességként az elég gyakori 10m/s-ot választottam, ez fújt egész nap 10m-es magasságban. Ebből számítottam ki a logaritmikus szél profilt a talajtól mért magasság függvényében, majd ezt raktam be peremfeltételként a környezeti térfogatnak arra az oldalára, ahol a fák voltak.
A hely és a hőmérséklet napon belüli változása nagyon is számít
Amint az első áramlástani szimuláció kiszámította a szél sebességének tulajdonságait, itt volt az ideje annak, hogy beállítsuk azokat a paramétereket, amelyek ezt a modellt Budapestté, vagy akár Dubajjá tették.
Ebben a példában a 9:00 és 17:00 közötti időszakot választottam, de a grafikon bármely része felhasználható a szimuláció során. Ezenkívül ez a grafikon több napra is kiterjedhet, így modellezhető a szilárd objektumok, például az épületek és a talaj napi hőmérsékletének ciklikus változása.
Mivel az állandósult állapotú szimulációból már készen volt az inicializált sebesség mező, csak az időfüggő hőmérsékleteket kellett hozzáadnom a szél bemeneti peremfeltételéhez, és rögtön folytathattam is a szimulációt a tranziens napsugárzás résszel.
A többi paraméter a hely és a helyspecifikus napsugárzási értékek voltak. A helyszín könnyű volt, csak a koordináták kellettek. A CFD modell tájolását is beállíthatom a koordináta rendszer és a valódi észak közötti szög megadásával. Eltartott még néhány pillanatig, amíg kiderítettem, hogy mekkora a normál idő hosszúsági foka, de találtam egy térképet, amely az időzónákat órában és fokban is megmutatta. A CFD szoftverhez a fok kellett (15 Pesten, 60 Dubajban), nem az óra (GMT-től +1 Pesten és +4 óra Dubajban).
A napsugárzás teljesítménye a helytől és évszaktól függ
A napsugárzás paraméterei azonban trükkösek lehetnek. A sugárzási teljesítménye egyértelmű, mert ez a Nap által kibocsátott energia mennyisége, mielőtt az elérné a Föld légkörét. A CFD kód az 1330W/m2 napenergia- és egyéb állandókat (légköri transzmissziót és ennek havi állandóját) használja a közvetlen napsugárzás, az égbolt napsugárzás és a reflexiós sugárzás kiszámításához az adott időpontra.
A légköri transzmisszió hely- és évszakfüggő. Megmutatja, hogy mennyire átlátszó a légkör. Az értéke nyáron általában alacsonyabb (0,6-0,7 tartományban), télen pedig magasabb (0,78-0,8). Mindkét helyhez 0,7-et választottam tiszta levegőt feltételezve, de egy homokvihar ezen sokat ronthat. Mivel a felszíni hőmérséklet tekintetében a legrosszabb forgatókönyvre törekedtünk, a tiszta levegő azt jelenti, hogy több közvetlen napsugárzás éri a szilárd tárgyakat.
Minden más, amit a szoftver használt a Nap pozíciójának kiszámításához a szimulációhoz választott dátumból (2023. június 22.) következett.
A szél hűti, a Nap melegíti
A napsugárzás és az épület aerodinamika szimuláció a reggel 9 és délután 5 óra közötti időszakot ölelte fel. Ahogy a nap felkel és halad az égbolton, a besugárzott energia nagysága minden szilárd felületet elérve ezzel együtt változik.
A fenti animáció a napsugárzásból származó hőterhelésre való tervezés fontos szempontjait mutatja be. Az első az, hogy a tárgy anyaga, színe és hőmérséklete számít, különösen Dubajban. Az árnyékolók acélból készültek, amelyeket ha nem políroznak, vagy festenek fényesre, akkor nagy mennyiségű energiát vesznek fel és utána bocsátanak ki (a mi esetünkben a 0,9-es magas emissziós tényező miatt). Ebben a példában az épületek téglából készülnek, melynek felülete durva és sötét színű is (0,88 emissziós tényező), így ismét nagy mennyiségű energiát képesek kibocsátani.
Ezek a tárgyak továbbá nem átlátszóak. A napenergiát vagy visszaverik, vagy elnyelik, nem továbbítják. Sötét és durva felület esetén az energia visszaverése nehéz. Az acél árnyékoló abszorpciós együtthatója 0.9, míg az épületeké 0.75. Tehát az energia nagy része a szilárd tárgyak melegítésére fordítódik (a tárgyak elnyelik a napsugárzást), nem a visszatükrözésre.
A másik fontos szempont az árnyékoló formája és tájolása. Míg Budapesten délután 2 óra után reménykedhetünk némi vetett árnyékban a napernyőktől távolabb is, addig Dubajban ezek az árnyékok alig nyúltak túl az árnyékolók alapterületén, és alapvetően meg sem mozdultak ebben a két órában. Ez azért volt, mert a nap nagyon magasan volt az égen, elég sokáig.
Ugyanez vonatkozik az épületekre is. Budapesten az épületek árnyékai meglehetősen hosszúak voltak, és a szimulált idő nagy részében lefedték az épületek közötti területeket. Dubajban azonban 11:30 és 13:00 között az épületek árnyéka csak nagyon kis területet takart.
A szél segíthet, vagy ronthat a hőmérsékleten
A szimulációban a szél fontos tényező. Segíthet vagy ronthat a hőmérsékleti helyzeten. A szél elviheti az acélszerkezet által elnyelt energiát, vagy konvekcióval még több hőt adhat hozzá. Ezt mutatják a következő grafikonok.
Budapesten a környezeti levegő hőmérséklete egész nap az árnyékoló átlagos felszíni hőmérséklete alatt madadt. Ez azt jelenti, hogy a szél képes volt egész nap csökkenteni a nap által melegített acélból készült árnyékolók felületi hőmérsékletét. Dubajban az az időszak, amikor a szél melegebb volt, mint a fémszerkezet csak 11:30-ig tartott. Viszont a napsugárzás olyan intenzív, hogy a relatíve hűvösebb levegő, amely még mindig 35°C felett volt, nem tudta kordában tartani az árnyékoló felszíni hőmérsékletét.
Dubajban azonban ugyanez a napernyő 16:30-ra elérheti az 52ºC-ot.
Dubajban a hatos napellenző felszíni hőmérséklete 13:00-ra meghaladta a 45 °C-ot, és 7 órán keresztül maradt e fölött.
A 6-os azért volt a legmagasabb hőmérsékletű, mert a nyolcszög tányérja déli tájolású volt, és ezért sok hőt gyűjtött össze. Ráadásul a többi napellenző szélárnyékában megbújva az áramló levegő hűtő hatása sem tudott érvényesülni.
Az épített környezet tervezése során az klimatikus viszonyokat figyelembe kell venni
A napsugárzás hatását is figyelembe vevő épület aerodinamika szimuláció a városi környezet tervezői számára lehetővé teszi, hogy a helyi időjárásnak megfelelő tereket hozzanak létre. A szél sebessége és iránya mellett az anyag, a felület simasága és színe is meghatározó tényező, és nem csak az árnyékolók esetében. Láttál-e már képeket a Vonalról (The Line) Szaúd-Arábiában, és gondolkoztál-e azon, hogy miért néz ki úgy, mint egy óriási tükör? Mert a tervezői tudják, hogy az éghajlat-specifikus tervezés kulcsfontosságú az élhető városi jövő szempontjából.
Dr. Dúl Róbert