CFD az épülettervezésben: légáramlás, hőeloszlás és beltéri komfort optimalizálása

Bevezetés

Jelenleg a fosszilis tüzelőanyagok továbbra is meghatározó szerepet játszanak az emberi tevékenységekben, de a növekvő népesség és gazdasági fejlődés miatt az energiaigény folyamatosan nő. A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) szerint a CO₂-kibocsátás 2023-ban 1,1%-kal emelkedett, elérve a 37,4 milliárd tonnát, ami történelmi rekord. A fosszilis tüzelőanyagok égetése az üvegházhatású gázok 73,7%-áért felelős (IEA, 2024).

A globális felmelegedés miatt egyre több ember használ klimatizációs és légkondicionáló rendszereket, amelyek már nem luxuscikkek, hanem alapvető szükségletté váltak. Ezek a rendszerek azonban jelentős energiafogyasztók: az épületekhez kapcsolódó kibocsátás 8,5 milliárd tonnát tett ki 2023-ban, az összes kibocsátás 23%-át (IEA, 2024).

Az energiaigény 150%-kal nőtt 1971 óta, és még mindig több mint 80%-a fosszilis forrásokból származik. Bár a megújuló energiaforrások terjednek, az átállás lassan halad (IEA, 2024). Az EU Zöld Megállapodása (2019) és az EPBD (2023) célja, hogy 2027-től minden új épület közel nulla energiaigényű (nZEB) legyen, és a meglévő épületek kibocsátását 2050-re csökkentsék (EPBD, 2023).

A tudományos közösség ezért aktívan dolgozik az épületek energiafogyasztásának csökkentésén. Az olyan modellezési eszközök, mint a Számítógépes Folyadékdinamika (CFD) és az épületenergetikai szimulációk, lehetővé teszik az energiahatékonyabb épülettervezést, a hőterhelés csökkentését és a fenntartható városi környezet kialakítását.

Az építészek számára ezért a légáramlás és hőeloszlás optimalizálása nemcsak az energiahatékony tervezés alapja, hanem elengedhetetlen a komfortos és egészséges beltéri környezet kialakításához is.

Mit jelent a CFD?

A számítógépes áramlástani modellezés (Computational Fluid Dynamics, CFD) a folyadékmechanika egyik ága, amely numerikus módszerekkel és számítógépes szimulációkkal vizsgálja a folyadékok és gázok áramlását. A CFD megoldja a Navier–Stokes-egyenleteket, amelyek leírják az áramló közeg mozgását, nyomását, hőmérsékletét és egyéb fizikai jellemzőit. (A folyadékmechanika a folyékony és gáznemű anyagok mozgásának és viselkedésének fizikájával foglalkozó tudományág, amely magában foglalja az áramlástant és a nyugalomban lévő folyadékok vizsgálatát, más néven hidrosztatikát.)

A CFD alkalmazásával pontosan modellezhetők olyan jelenségek, mint hőátadás, turbulencia, légáramlás és szennyezőanyagok terjedése, ezért széles körben használják az épületgépészetben, aerodinamikában, autóiparban és környezeti modellezésben. Az építészeti és mérnöki tervezésben a CFD lehetővé teszi az energiahatékony rendszerek optimalizálását, a komfortos beltéri klíma biztosítását és a szélterhelés vizsgálatát különböző építészeti struktúrákban.

Alkalmazási területei széleskörűek, kezdve az építési telek tervezésétől az egyes helyiségek kialakításáig, az aktív HVAC-rendszerek optimalizálásától a passzív szellőzés modellezéséig, valamint a beltéri levegőminőség (IAQ) ellenőrzésétől a tűzfüst és szennyezőanyagok terjedésének elemzéséig.

Az épületen belüli levegő sebessége, hőmérséklete és páratartalma meghatározzák a Predicted Percentage Dissatisfied (PPD) mutatót, amely egy alapvető index a hőkomfort megítélésében. A CFD segítségével ezek a paraméterek optimalizálhatók, hogy minimalizálják a kellemetlen beltéri körülményeket és javítsák az épületek használhatóságát.

Beltéri légáramlás és hőeloszlás optimalizálásának jelentése

A CFD modellezés segítségével megérthető, hogyan mozog a levegő egy adott térben, hogyan oszlik el a hőmérséklet, és hol alakulhatnak ki kedvezőtlen körülmények, például huzat vagy hőpangás. Az alábbi fontos kifejezések tartoznak a területhez:

1. Termikus comfort
   • Az emberek szubjektív hőérzete egy térben, amelyet a hőmérséklet, páratartalom, légsebesség és sugárzó hőhatások befolyásolnak.
2. Beltéri levegőminőség (Indoor Air Quality, IAQ)
   • A beltéri térben lévő levegő tisztasága, amelyet a CO₂-szint, páratartalom, szennyeződések és friss levegőellátás határoz meg.
3. Hőmérséklet-eloszlás
   • Az épületen belüli hőmérséklet térbeli változása, amely a fűtés, hűtés és légáramlás hatására alakul ki.
4. Huzathatás
   • A túlzott légsebességből adódó kellemetlenség, amelyet gyakran az ablakok, ajtók vagy szellőzőrendszerek helytelen kialakítása okoz.
5. Légbeömlők és -kimenetek optimalizálása
   • A szellőzőnyílások elhelyezése és méretezése a megfelelő légáramlás érdekében.
6. Légszennyeződések modellezése
   • A levegőben terjedő részecskék (pl. por, allergének, vírusok) mozgásának szimulációja a megfelelő szellőzés és szűrés érdekében.
7. Predicted Percentage Dissatisfied (PPD)
   • A termikus komfort egyik fő mérőszáma, amely megmutatja, hogy egy adott térben a lakók hány százaléka érzi magát kellemetlenül a hőmérsékleti viszonyok miatt.
8. Szélcsatorna-elemzés
   • Az épület körüli és belső légáramlás vizsgálata a huzat és szennyeződés-terjedés csökkentése érdekében.
9. Passzív szellőzés
   • Energiatakarékos szellőzési mód, amely a természetes légmozgásokat használja ki az épület hűtésére és friss levegővel való ellátására.
10. Turbulencia
    • Az áramló levegő kaotikus mozgása, amely befolyásolja a szellőzés és hőeloszlás hatékonyságát.

CFD elemzés folyamata az építészeti tervezésben

Mielőtt a CFD elemzést elvégeznénk, pontosan meg kell határozni a vizsgálat célját, például:

• Termikus komfort javítása
• Huzathatás minimalizálása
• Szellőzési hatékonyság növelése
• Légszennyeződések terjedésének modellezése

Adatok, amelyeket be kell gyűjteni:

• Épület geometriája (CAD modellek)
• Külső és belső klimatikus viszonyok (hőmérséklet, szélirány, páratartalom)
• Anyagok és szerkezetek hőtechnikai tulajdonságai
• Szellőzési rendszer adatai

Geometriai modell létrehozása

A CFD elemzéshez először az épület vagy a vizsgált tér digitális modelljét kell elkészíteni. Ehhez általában CAD szoftvereket használnak, amelyekből az épület alakja és belső terei importálhatók a CFD programba.

Hálózás (Mesh Generation)

A CFD elemzés egyik kritikus lépése a háló létrehozása, amely a vizsgált tér diszkrét elemekre bontását jelenti. A háló finomsága befolyásolja az eredmények pontosságát:

1. Durva háló: Gyorsabb számítás, de kisebb pontosság
2. Finom háló: Nagyobb számítási idő, de részletesebb eredmények

Peremfeltételek és bemenő adatok meghatározása

A szimuláció elindítása előtt meg kell adni a peremfeltételeket, amelyek meghatározzák a rendszer viselkedését:

1. Külső környezeti tényezők: Szélsebesség, külső hőmérséklet
2. Belső hőforrások: Emberi jelenlét, elektronikai eszközök, fűtési és hűtési rendszerek
3. Szellőzési paraméterek: Légbeömlők és -kivezetők helye, légáramlási sebesség

CFD szimuláció futtatása

A CFD program numerikusan megoldja az áramlástan törvényeit (Navier-Stokes egyenletek) a megadott peremfeltételek alapján. Ez a lépés időigényes lehet, különösen nagyobb és részletesebb modellek esetén.

Eredmények elemzése és vizualizáció

A szimuláció elkészülte után az eredmények elemzése következik. A CFD szoftverek grafikus megjelenítéssel segítik az adatok értelmezését, például:

1. Sebességtérképek: Hol alakul ki huzat?
2. Hőmérsékleti eloszlás: Egyenletes-e a fűtés/hűtés?
3. Nyomáseloszlás: A szellőzés megfelelően működik-e?
4. Szennyezőanyag-terjedés: Hogyan terjed a CO₂, por vagy egyéb szennyeződés?

Tervezési módosítások és optimalizálás

Az elemzés eredményei alapján az építészeti vagy gépészeti terv módosítható:

• Szellőzők helyzetének és méretének változtatása
• Homlokzat vagy árnyékoló elemek áttervezése
• Belső terek és elrendezések optimalizálása

A tervezés tökéletesítése érdekében az elemzés iteratív módon ismételhető, azaz a módosításokat követően újra lefuttatható a CFD szimuláció.

CFD szoftverek és eszközök

Gyakran használt CFD szoftverek az építészetben:

• ANSYS Fluent (részletes szimulációkhoz)
• Autodesk CFD (építészeti tervezési integráció)
• ENVI-met (városi mikroklíma elemzésére)
• OpenFOAM (nyílt forráskódú, testreszabható megoldásokhoz)

Az Autodesk CFD használatával egy lakóépület hőmérséklet-eloszlása optimalizálható, hogy a téli időszakban is egyenletes hőmérsékletet biztosítson minden helyiségben.

Előnyök/Hátrányok

Előnyök

• Költséghatékony: Nem szükséges drága fizikai kísérleteket végezni.
• Részletes eredmények: Pontosan modellezi a légáramlást, hőeloszlást és szellőzést.
• Gyors módosítások: Könnyen tesztelhetők különböző tervezési változatok.
• Komplex környezet modellezése: Szimulálható a huzathatás, szennyeződések terjedése, hőkomfort és szellőzés.
• Energiahatékonyság növelése: Segíti a passzív hűtési és fűtési stratégiák optimalizálását.

Hátrányok

• Nagy számítási igény: Erőforrásigényes, hosszú futási idővel járhat.
• Szakértelmet igényel: A helyes peremfeltételek beállítása és az eredmények értelmezése jelentős szakmai tapasztalatot igényel.
• Validáció szükséges: gyakran mérési adatokkal vagy fizikai kísérletekkel kell összehasonlítást végezni, hogy biztosítsák a modell helyességét.
• Drága szoftverek: A kereskedelmi CFD programok magas költséggel járhatnak.
• Egyszerűsítések miatti hibák: A valós világot mindig bizonyos egyszerűsítésekkel kell modellezni (pl. turbulencia modellek, rácsfelbontás korlátai), ami hatással lehet az eredmények pontosságára.

Ajánlás

Az Equinox Iroda a CFD elemzések segítségével forradalmasítja az építészeti és mérnöki tervezést, biztosítva az energiahatékony, komfortos és fenntartható épületek kialakítását. Szolgáltatásaink révén pontosan modellezhető a légáramlás, hőeloszlás és szellőzés, lehetővé téve az épületek optimalizálását a legmodernebb technológiák segítségével.

Ha Ön olyan épületet tervez vagy fejleszt, ahol fontos a kellemes beltéri klíma, alacsony energiafogyasztás és hatékony szellőzés, az Equinox a tökéletes partner! Legyen szó ipari létesítményekről, irodaházakról, vagy lakóépületekről, a CFD modellezés segít a szellőzési rendszerek finomhangolásában, a huzathatás csökkentésében és az optimális hőeloszlás kialakításában.

Ajánlatkéréshez szükséges információk:

• Tervezett épület mérete és funkciója
• Specifikus igények (pl. természetes szellőzés, energiahatékonyság, beltéri komfort)
• Műszaki dokumentáció és tervrajzok

Keressen minket bizalommal, és dolgozzunk együtt az Ön energiahatékony, fenntartható és intelligens épületterveinek kialakításán!

Hivatkozott és további szakirodalom

Könyvek

• Mirzaei, P. A. (2023). Computational Fluid Dynamics and Energy Modelling in Buildings: Fundamentals and Applications. Wiley-Blackwell.
• Chitty, R., & Cao, C. (2014). Computational Fluid Dynamics in Building Design: An Introductory Guide. IHS BRE Press.
• Passe, U., & Battaglia, F. (2015). Designing Spaces for Natural Ventilation: An Architect's Guide. Routledge.
• Lawson, T. (2001). Building Aerodynamics. Imperial College Press.

Tudományos cikkek

• Zhai, Z.(. (2006). Application of Computational Fluid Dynamics in Building Design: Aspects and Trends. Indoor and Built Environment, 15, 305 - 313.
• Rodríguez-Vázquez, M., Hernández-Pérez, I., Xamán, J., Chávez, Y., Gijón-Rivera, M.Á., & Belman-Flores, J.M. (2020). Coupling building energy simulation and computational fluid dynamics: An overview. Journal of Building Physics, 44, 137 - 180.
• Chen, Q. (2009). Ventilation Performance Prediction for Buildings: A Method Overview and Recent Applications. Building and Environment, 44(4), 848–858.

Szakpolitikák

• American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). (2020). ASHRAE Standard 55-2020: Thermal environmental conditions for human occupancy. ASHRAE. Retrieved from https://www.ashrae.org
• American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). (2019). ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2019: Ventilation for acceptable indoor air quality. ASHRAE. Retrieved from https://www.ashrae.org
• International Organization for Standardization (ISO). (2005). ISO 7730: Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. ISO. Retrieved from https://www.iso.org
• Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE). (2015). CIBSE AM11: Building performance modelling. CIBSE. Retrieved from https://www.cibse.org
• International Code Council (ICC). (2021). International Green Construction Code (IgCC). ICC. Retrieved from https://www.iccsafe.org