Celem artykułu jest przybliżenie projektantom kompleksowego podejścia do projektowania systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz przedstawienie możliwości i dostępnych narzędzi symulacyjnych.
Celem artykułu jest przybliżenie projektantom kompleksowego podejścia do projektowania systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) oraz przedstawienie możliwości i dostępnych narzędzi symulacyjnych.
Współczesne budownictwo stanowi znakomity przykład poszukiwania odpowiedzi na wciąż rosnące wymagania użytkowników. Kwintesencją proklienckiego podejścia do budynku staje się dążenie do tworzenia szeroko rozumianego komfortu ich użytkownikom. Zapewnienie właściwych warunków komfortu dla użytkowników pomieszczeń staje się domeną inżynierów odpowiedzialnych za systemy HVAC. Ponieważ efekt końcowy w postaci zadowolenia użytkowników wnętrz stanowi wypadkową wielu cech, niezbędne staje się poszukiwanie wspólnych rozwiązań i właściwa koordynacja prac już na etapie projektowym [1].
Narzędzia komputerowego wspomagania projektowania systemów HVAC
Projektant systemów wentylacji i klimatyzacji korzysta z wielu narzędzi komputerowego wspomagania projektowania. Ich zakres stosowania obejmuje przede wszystkim programy wspomagające opracowanie dokumentacji rysunkowej, aplikacje obliczeniowe, programy wymiarujące systemy, urządzenia i elementy systemów oraz zestawienia materiałów. Ich wybór i sposób wykorzystania jest ściśle związany z bieżącymi potrzebami projektantów i możliwościami biura projektów.
Projektowanie systemów klimatyzacji staje się poszukiwaniem rozwiązań technicznych odpowiadających na złożone wymagania użytkownika pomieszczeń lub realizowanego procesu technologicznego. Oznacza to uwzględnienie wiedzy związanej z komfortem użytkowników, jakością powietrza w pomieszczeniach, wymianą ciepła, zjawiskami termicznymi i wilgotnościowymi w budynku, akustyką, aerodynamiką. Dodatkowo zakres projektu ulega stałemu poszerzaniu. Obecnie oczekuje się od projektanta oszacowania energetycznego i finansowego przygotowywanego systemu na etapie inwestycji oraz eksploatacji. Należy poszukiwać narzędzi pozwalających na precyzyjną ocenę obciążeń cieplnych i wilgotnościowych w budynku, realizacji procesów wymiany masy i energii w urządzeniach i systemach, rozdziału powietrza w pomieszczeniach, oszacowań energetycznych zużycia energii w budynku, obliczeń akustycznych, a także szczegółowych analiz, takich jak analizy wykorzystania energii pierwotnej przez budynek. Do wykonania takich analiz konieczne jest coraz szersze wykorzystanie aplikacji tworzonych z reguły przez zespoły związane z ośrodkami akademickimi – programów symulacyjnych. Prace badawcze prowadzone przez środowiska akademickie owocują powstawaniem nowych modeli i programów symulacyjnych, ale ich wykorzystanie przez projektantów jest nadal szczątkowe [2].
Zakres stosowania symulacji komputerowych
Programy symulacyjne mogą stać się nieocenioną pomocą projektanta w następujących zadaniach projek-towych [2]:
Obliczenia dynamiki wymiany ciepła przez przegrody budowlane.
Obliczenia zysków i strat ciepła w budynku.
Modelowanie rozdziału powietrza w pomieszczeniach.
Modelowanie komfortu użytkowników pomieszczeń.
Oszacowania zużycia energii i symulacji energetycznych przez budynek i systemy wewnętrzne.
Analizy funkcjonowania systemów klimatyzacyjnych.
Modelowanie systemów automatycznej regulacji i sterowania.
Modelowania wentylacji grawitacyjnej.
Modelowanie migracji zanieczyszczeń.
Modelowanie pożarów.,
{mospagebreak}
Rynek aplikacji symulacyjnych
Liczba dostępnych obecnie aplikacji symulacyjnych jest olbrzymia, jedynie w ramach szeroko pojętych analiz energetycznych budynku – ponad 350 aplikacji komputerowych [3]. Jednym ze sposobów podziału aplikacji jest pokazanie ich na tle złożoności obliczeniowej wyrażanej przez liczbę równań przypadających na dane zagadnienie i obliczeniową jednostkę czasu, czyli czasowy podmiot analiz.
Rys. 1. Dostępne aplikacje symulacyjne [4]
Można wskazać (rys. 1), które z przedstawionych aplikacji pozwalają wspomagać projektanta na poziomie bardzo szczegółowych analiz (np. programy CFD znajdujące się w prawym dolnym rogu zestawienia), które zaś pomogą dokonać analizy funkcjonowania całego budynku wraz z systemami wentylacji i klimatyzacji (analizy dotyczące rocznego zużycia energii zajmujące górną część wykresu).
Zaprezentowane programy wspomagające wybór i wymiarowanie systemu oraz całoroczne analizy zużycia energii zawierają różny poziom dokładności obliczeniowej. Do najprostszych należą aplikacje bazujące na wymaganiach będących bezpośrednim przełożeniem założeń wykorzystywanych np. w Dyrektywie w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [5]. Nieco bardziej złożone aplikacje należące do drugiej grupy stanowią znakomity przykład podejścia inżynierskiego pozwalając na obliczenia obciążeń cieplnych oraz zwymiarowanie systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji. Trzecią grupę aplikacji stanowią programy o znacznej złożoności obliczeniowej. Wymagają znacznie dokładniejszych danych, uwzględniają złożone procesy wymiany masy i energii w opisywanym zagadnieniu pozwalając na uzyskanie najdokładniejszych wyników, przez co najprecyzyjniej opisując projektowaną rzeczywistość.
Przegląd aplikacji symulacyjnych
Jedną z najczęściej wykorzystywanych grup aplikacji są programy do obliczenia zysków i strat ciepła. Cennym modułem tych aplikacji jest moduł wyznaczający charakterystykę przegród budowlanych (wyznaczenie współczynników przenikania ciepła, charakterystyki akumulacyjnej przegrody, rozkładu ciśnienia cząstkowego pary wodnej). Oszacowanie charakterystyki cieplnej dokonywane na podstawie danych projektowych stanowi obecnie najszerzej poszukiwaną przez projektantów grupę programów.
Rys. 2. Symulacja zysków ciepła w pomieszczeniach
Symulacje są także bardzo częstym elementem analizy rozdziału powietrza w pomieszczeniu. Do tego celu wykorzystuje się obecnie wiele programów wspomagających dobór urządzeń nawiewnych i wywiewnych. Pozwalają one na symulację ukazującą wielkość i kształt strumienia nawiewnego i wywiewnego [2].
{mospagebreak}
W niektórych przypadkach niezbędne staje się jednak poszukiwanie odpowiedzi na pytanie o przepływ powietrza w pomieszczeniu lub przepływ powietrza w układzie wielostrefowym. Na te pytania najpełniej odpowiedzą symulacje wykorzystujące metody CFD (Computational Fluid Dynamics), czyli komputerowo wspomaganą mechanikę płynów. Wykorzystanie modeli bazujących na programach CFD pozwala, przy właściwej ich weryfikacji, na uzyskiwanie wyników znacznie dokładniejszych od innych grup aplikacji. Aplikacje te bazują na podstawowych równaniach mechaniki płynów wynikających z zasad zachowania masy, energii, ciągłości, pędu itp. oraz złożonych modelach opisu występujących zjawisk, np. turbulencji. Programy te wykorzystywane są zazwyczaj do modelowania szczególnych przypadków wentylacji, np. rozdziału powietrza, rozpływu powietrza w instalacjach o skomplikowanej geometrii, opisu warunków wymiany ciepła i innych. Istotną wadą jest z reguły konieczność wpisywania dużej liczby danych wejściowych oraz precyzyjnego określenia warunków brzegowych i początkowych niezbędnych do przeprowadzenia obliczeń. Wymaga to od osób dokonujące tych obliczeń głębokiej wiedzy [2].
Prawidłowa analiza warunków w pomieszczeniu pozwala na modelowanie przepływu powietrza oraz zjawisk termicznych. Tak przygotowane dane mogą z kolei stać się podstawą pełniejszej analizy komfortu użytkowników w pomieszczeniu. Możliwe staje się wykorzystanie programów CFD posiadających rozbudowane modele komfortu cieplnego oraz wyznaczających parametry opisujące komfort użytkownika [2].
Rys. 3. Modelowanie przepływów wewnątrz pomieszczenia przy użyciu programów CFD
Zjawiska związane z użytkowaniem pomieszczeń kierują nas ku modelowaniu zjawisk związanych z jakością powietrza w pomieszczeniach. W tej grupie znajdują się aplikacje zawierające modele rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń.
Praktyka projektowa wskazuje na szerokie wykorzystanie narzędzi symulacyjnych do modelowania systemów wentylacji mechanicznej. Znacznie bardziej złożonym problemem staje się analiza pracy wentylacji grawitacyjnej. Zmienność warunków zewnętrznych ma ogromny wpływ na działanie systemów wentylacji naturalnej, a zatem niezbędna staje się możliwość modelowania działania systemów wentylacji naturalnej w ciągu całego roku. Ponieważ istnieją modele matematyczne opisujące działanie układów wentylacji naturalnej, cenne wydaje się wykorzystanie aplikacji pozwalającej na modelowanie przepływów w budynku wyposażonym w ten system wentylacji.
Od połowy lat 80. należy wskazać na dynamiczny rozwój narzędzi symulacyjnych umożliwiających opis charakterystyki cieplnej budynku. Programy te pozwalają na opis funkcjonowania całego budynku, jego strefy, poszczególnych pomieszczeń, a także poszczególnych elementów tych pomieszczeń, np. obudowy, ścian.
{mospagebreak}
Najciekawszym, a zarazem najbardziej złożonym sposobem symulacji jest próba modelowania całej struktury budynku wraz z jego instalacjami wentylacyjnymi, klimatyzacyjnymi i grzewczymi. Tak kompleksowe podejście pozwala na optymalny wybór systemu HVAC dla całego budynku, właściwe zwymiarowanie poszczególnych elementów systemu oraz wyznaczenie zużycia energii przez budynek wraz z systemem HVAC. W tej grupie aplikacji można wyodrębnić dwie główne grupy programów. Pierwszą reprezentują aplikacje przeznaczone dla inżynierów, wspomagające prace związane z projektowaniem i eksploatacją systemów. Druga grupa ma bardziej charakter konsultingowy pozwalając na nieco bardziej złożone, lecz i bardziej pracochłonne i czasochłonne analizy [6].
Rys. 4. Modelowanie migracji zanieczyszczeń wraz z określeniem stężeń w pomieszczeniach
Do programów wykorzystywanych na świecie przez inżynierów zaliczyć można przede wszystkim programy HAP firmy Carrier i Trace 700 firmy Trane, pozwalają one na wprowadzenie danych o budynku – geometria, architektura, materiały.
Na podstawie szczegółowych danych dotyczących poszczególnych pomieszczeń możliwe jest określenie kompleksowego bilansu cieplnego pomieszczenia.
Kolejnym krokiem jest zdefiniowanie stref będących grupą pomieszczeń, które są obsługiwane przez wybrany system HVAC.
Dla poszczególnych stref wybierany jest system wentylacyjny i klimatyzacyjny. Ogromną zaletą powyższych aplikacji jest możliwość wyboru systemu z bogatej biblioteki dostępnych systemów HVAC oraz precyzyjne opisanie jego założeń ilościowych i jakościowych.
Systemy zostają połączone w grupy systemów wraz z określeniem instalacji związanych, np. źródłem ciepła, źródłem chłodu, instalacją chłodniczą i instalacją ogrzewania.
Dla tak kompleksowo opisanego systemu przeprowadzane zostają symulacje i obliczenia wymiarujące, pozwalające na uzyskanie pełnej informacji o zużyciu energii przez poszczególne urządzenia, elementy i całe systemy.
Poza zaprezentowanym wyżej przykładem analizy systemów HVAC programy te pozwalają na połączenie projektowanych systemów, źródeł w opis funkcjonowania całego budynku. Daje to inżynierską możliwość uzyskania pełnego obrazu budynku np. w kontekście całkowitego zużycia energii w budynku. Skrajnym przypadkiem przeprowadzanych analiz może być poszukiwanie opisu funkcjonowania poszczególnych elementów systemu HVAC. Poszukując precyzyjnych charakterystyk urządzeń i chwilowych parametrów pracy możemy posłużyć się programami symulacji o wyższym poziomie szczegółowości.
{mospagebreak}
Działanie systemu wentylacji i klimatyzacji jest ściśle związane z funkcjonowaniem układu automatycznej regulacji i sterowania. Ważna w tym kontekście staje się zatem możliwość symulowania projektowanego układu automatyki zastosowanego w konkretnym rozwiązaniu projektowym.
Rys. 5. Modelowanie zjawisk energetycznych w budynku
Za pomocą złożonych systemów możliwa staje się ocena funkcjonalna zarówno całego systemu, jak i warunków dotrzymania projektowanych parametrów w poszczególnych strefach czy pomieszczeniach. Należy podkreślić, że przedstawione programy tworzą kanon obliczeń inżynierskich w wielu krajach na świecie i dla potrzeb współczesnej inżynierii wentylacyjno-klimatyzacyjnej stanowią znakomite rozwiązanie wspomagające prace projektowe. Komplementarne zestawienie przedstawionych uprzednio modeli matematycznych w jednym programie wydaje się nadal niemożliwe, choć istnieją na świecie programy próbujące symulować cały budynek wraz z instalacjami, automatyką na podstawie precyzyjnych chwilowych danych pracy poszczególnych elementów systemów. Praktyczne wykorzystanie tak złożonych modeli ogranicza się nadal do środowisk akademickich, wiąże się z koniecznością dogłębnego poznania algorytmów, ogromnego doświadczenia symulacyjnego i pozyskaniem bardzo precyzyjnych danych, na co w projekcie najczęściej nie ma czasu i budżetu.
Tak szerokie podejście do modelowanego obiektu pozwala na wyznaczenie precyzyjnych ocen ilościowych i jakościowych całego budynku wraz z wykorzystanymi systemami ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji.
Praktyka wykorzystania symulacji na polskim rynku projektowania HVAC
Wielką zaletą stosowania programów symulacyjnych staje się możliwość ilościowej lub jakościowej analizy przyjętych rozwiązań już na etapie projektowania, a także otrzymania zwiększonej dokładności. Dodatkowo możliwość wyboru optymalnego rozwiązania poprzez sprawdzenie różnych przypadków i wybór odpowiedniego z nich stanowi pokusę stosowania programów symulacyjnych w projektowaniu.
Rys. 6. Modelowanie pracy poszczególnych urządzeń systemu wentylacji i klimatyzacji
Niestety, praktyczne wykorzystanie symulacji obarczone jest wieloma niedogodnościami. Do najważniejszej z nich w warunkach polskich należy ogólnie rozumiany wysoki koszt opracowania symulacji. Wykonanie symulacji wiąże się bowiem z koniecznością zakupu niekiedy bardzo drogiego oprogramowania i sprzętu komputerowego. Obliczenia symulacyjne wymagają na ogół ponadprzeciętnych mocy obliczeniowych i ogólnie zwiększonych wymagań sprzętowych. Bardzo kosztowny staje się także etap wdrożenia oprogramowania i szkolenia personelu. Wiele programów wymaga bowiem wąsko specjalistycznej wiedzy popartej wieloletnim doświadczeniem.
{mospagebreak}
Praktycznym problemem staje się ponadto konieczność budowania modelu, a zatem wprowadzania i przetwarzania dużej liczby danych wejściowych. Niejednokrotnie uzyskanie ich na wiarygodnym poziomie jest na etapie projektu po prostu niemożliwe. Podobnie ograniczenia czasowe zgłaszane w obecnej sytuacji branży projektowej stanowią, że czasochłonne złożone analizy wykonywane są stosunkowo rzadko.
Rys. 7. Kompleksowe modelowanie budynku wraz z instalacjami ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji
Warto podkreślić znaczenie symulacji w typowym procesie inwestycyjnym. W warunkach polskich możemy go przedstawić za pomocą przykładowego schematu. Oczywiście przedstawiona zasada posiada w praktyce wiele odstępstw, gdyż czas opracowania poszczególnych etapów bywa różny, choć presja czasowa jest chyba zjawiskiem powszechnym, fazy opracowania poszczególnych projektów często nakładają się lub zamieniają miejscami (np. dokumentacja przetargowa), część dokumentacji znajduje się jedynie w pobożnych życzeniach (dokumentacja eksploatacyjna).
Rys. 8. typowy proces inwestycyjny i ekspolatacja
Poszukując miejsca na złożone symulacje w przedstawionym (rys. 8.) schemacie, warto zainteresować się budowaniem modelu budynku od jak najwcześniejszego etapu. Wykonanie analizy bryły budynku na etapie koncepcji, uszczegółowienie jej do analizy funkcjonalnej na etapie projektu budowlanego pozwala na uzyskanie pierwszych informacji o wielkości systemu, zjawiskach cieplnych i przepływowych w budynku, a przede wszystkim pozwala na racjonalny wybór systemu. Wykonanie takiej analizy (która de facto podążałaby za pracami projektowymi) wydłużyłoby czas opracowania dokumentacji projektowej średnio o miesiąc. Skutki dobrze pojętego wdrożenia wyników symulacji owocowałyby w przedstawionym przypadku w czasie 30 lat eksploatacji budynku.
{mospagebreak}
Podsumowanie
Jako projektanci i wykonawcy nowoczesnych systemów HVAC w nowoczesnych budynkach powinniśmy szerzej wykorzystywać zaawansowane narzędzia symulacyjne. Pozwoli to na dokładniejsze oszacowania ilościowe i precyzyjniejsze dobory urządzeń i systemów (co ma wpływ na odpowiedzialność za projekt), a dodatkowo na pokazanie inwestorowi funkcjonowania budynku czy systemu już na etapie projektu. Jest to wiedza, która w krajach zamożniejszych staje się narzędziem pozwalającym znaleźć wspólny język między projektantami a właścicielami czy użytkownikami obiektów budowlanych. Praktyka krajowa wskazuje, że nasilająca się presja czasowa, a przede wszystkim finansowa na projekt nie pozwala na znalezienie w nim miejsca na precyzyjniejsze analizy. Warunkiem koniecznym jest wyższy poziom świadomości inwestorów. Należy mieć nadzieję, że liczba inwestorów rozumiejących złożoność zjawisk występujących we współczesnych budynkach będzie rosła i że budżety wyasygnowane przez nich na opracowanie niniejszych analiz będą uwzględniały wszystkie składowe nowoczesnych opracowań symulacyjnych. Tylko takie podejście może zapewnić wzrost znaczenia projektanta i konsultanta nowoczesnych systemów HVAC we współczesnych budynkach.
dr inż. Piotr Bartkiewicz
adiunkt
Instytut Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej
Literatura
1. Piotr Bartkiewicz, Znaczenie klimatyzacji we współczesnych budynkach komercyjnych – Wnętrza Komercyjne 2006, Wydawnictwo Murator.
2. Piotr Bartkiewicz, Symulacje jako kolejny krok rozwoju narzędzi komputerowego wspomagania projektowania, Chłodnictwo i Klimatyzacja, 2004.
3. Piotr Bartkiewicz, Projekt Wirtualna wentylacja, Kate Whitek – Spis aplikacji energetycznych, 2005.
4. Per Sahlin, Building Energy Simulation – an overview of methods and challenges, REHVA General Assembly, EQUA Simulation AB.
5. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
6. Piotr Bartkiewicz, Symulacje zużycia energii w budynku z uwzględnieniem instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Forum Wentylacji 2005.
7. Piotr Bartkiewicz, Przegląd komputerowych narzędzi symulacji zużycia energii w budynku z uwzględnieniem instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, Fizyka budowli w teorii i praktyce, Łódź 2005.
8. Piotr Bartkiewicz, Symulacje zużycia energii w budynkach – „Facility Manager” 12/2004.
9. Piotr Bartkiewicz, Programy symulacyjne jako zaawansowane narzędzia komputerowego warsztatu projektanta klimatyzacji, Instalacje, Poznań 2004.
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
kwiecień 2007.
