Elewacje wentylowane – porównanie numeryczne w zakresie termicznym

Wiele światowych organizacji w związku z coraz to bardziej postępującymi zmianami w środowisku naturalnym dąży do ograniczania zużycia energii. Na podstawie danych z Eurostatu z 2017 r. [1] sektor budynków odpowiada za 24,8% konsumpcji energii całkowitej, a sektor usług za 13,5% konsumpcji energii całkowitej w Unii Europejskiej. Łącznie stanowi to 39,2% konsumpcji energii całkowitej w UE na sektor związany z budową oraz użytkowaniem budynków, co przedstawiono na RYS. 1.

Na potrzeby oceny budownictwa zrównoważonego powstały różne systemy oceny wielokryterialnej budynków, m.in. BREAAM i LEED. Certyfikacja wymienionych organizacji dotyczy etapu projektowania, realizacji i użytkowania obiektów budowlanych. Na RYS. 2 pokazano całkowitą konsumpcję energii w Unii Europejskiej w podziale na poszczególne lata.

Pomimo ciągłego rozwoju w Unii Europejskiej poziom konsumpcji energii w sektorze budownictwa waha się w obrębie kilku punktów procentowych. Jest to zasługą m.in. większej popularności budownictwa zrównoważonego propagowanego przez inwestorów i przyszłych użytkowników.

Bardzo ważnym elementem budownictwa zrównoważonego są elewacje budynków. Są to elementy, które mają największą powierzchnię „styku” ze środowiskiem naturalnym i powinny zabezpieczać budynek przed niskimi i wysokimi temperaturami, nasłonecznieniem, opadami oraz wiatrem. Bardzo korzystną formą elewacji, zapewniającą ochronę przed oddziaływaniami ze strony środowiska naturalnego, są elewacje używające kanałów wentylacyjnych, czyli pustek powietrznych pomiędzy zewnętrzną a wewnętrzną częścią przegrody pionowej. Elewacje te nazywane są elewacjami wentylowanymi.

Elewacje wentylowane (z ang. ventilated façade) pozwalają na kształtowanie zewnętrznych paneli z różnych materiałów, struktur, faktur czy kolorów.

Analizując kompletny system elewacji wentylowanej od strony środowiska naturalnego, pierwszą warstwę stanowi okładzina elewacyjna (nazywana również okładziną zewnętrzną), która to jest przymocowana za pomocą podkonstrukcji i łączników do części nośnej ściany. Pomiędzy warstwą zewnętrzną i warstwą nośną znajduje się pustka powietrzna, jej szerokość wynosi 20–50 mm [2–3], niektóre źródła podają również większe wartości, np. 40–100 mm [4].

Ze względów technologicznych wyróżnia się dwa typy elewacji wentylowanych:

• z otwartymi złączami, określane jako nieprzezierne (z ang. close-joint ventilated façade/opaque ventilated façade)
• i zamkniętymi złączami (z ang. close-joint ventilated ­façade).

Przykłady takich elewacji wentylowanych zaprezentowano na RYS. 3–4 [4].

Pomimo wielu zalet elewacje wentylowane są mało znanym zestawem wyrobów budowlanych. Szczególnie słabo rozeznana i zbadana jest tematyka związana z zagadnieniami ich termodynamiki. Autorzy niniejszego artykułu podjęli próbę przybliżenia tego zagadnienia.

Przegląd literatury

Istnieją opracowania dotyczące elewacji z komorą wentylacyjną, lecz większość z nich odnosi się do tzw. double skin façade, czyli elewacji ze szklanymi przegrodami, stosowanych w znacznej większości w budynkach wysokościowych o przeznaczeniu usługowym lub biurowym.

Oczywiście część rozeznanych tam zagadnień, w tym niebezpieczeństwa rozwoju pożaru, przepływu powietrza w komorze wentylacyjnej, można adaptować do typowych elewacji wentylowanych w zakresie korzyści energetycznych, przewodnictwa materiałów i konstrukcji ścian.

Systemy elewacji double skin façade, znacząco różnią się od elewacji wentylowanych. Elewacje wentylowane w swojej tradycyjnej odmianie, tzn. z zamkniętymi złączami i z otwartymi złączami, stosowane są w większości w budynkach niskich i średnio wysokich o przeznaczeniu głównie mieszkalnym, a w mniejszości – usługowym i hotelowym.

Niewielka jest również liczba opracowań naukowych dla elewacji wentylowanych (z zamkniętymi złączami i z otwartymi złączami) odnoszących się wynikami do elewacji bez zastosowania pustki powietrznej. Opracowania naukowe Griffith (2006) [5], Naboni (2007) [6], González [7] prezentują sposoby analizy elewacji wentylowanych w sposób analityczny wraz z objaśnieniem ich wszystkich elementów. Dodatkowo Naboni [6] przedstawił opis zależności termodynamiki w modelu numerycznym elewacji wentylowanej.

Na podstawie badań eksperymentalnych dokonano walidacji z numerem numerycznym oraz porównano otrzymane wyniki z wynikami elewacji standardowej (elewacji bez pustki powietrznej). Symulacje numeryczne wykonane przez Naboni [6] były przeprowadzone dla włoskiego miasta Mediolan. Reprezentacyjna była ściana południowa. Wykazano, iż korzyści są zarówno w zimie (wyższa temperatura na wewnętrznej powierzchni ściany), jak i latem (niższa temperatura na wewnętrznej powierzchni ściany).

Z kolei Sanjuan [3] poddał analizie zagadnienia termodynamiczne elewacji wentylowanej, odnosząc je do ściany trójwarstwowej z pustką powietrzną. Wyniki przedstawione w [3] pokazują bardzo pozytywne funkcjonowanie elewacji wentylowanych w stosunku do ścian trójwarstwowych z pustką powietrzą, ale bez możliwości wymiany znajdującego się w niej powietrza. Oszczędności w okresie letnim z dużym nasłonecznieniem wynoszą około 26%, a straty ciepła w przypadku strony północnej w okresie zimowym w oddziaływaniu nocnym przekraczają 50%. Model prezentował oddziaływanie dobowe temperatury zewnętrznej na ścianę zewnętrzną w ciągu okresu letniego i zimowego dla rejonu Madrytu w Hiszpanii.

Z kolei autorzy pracy [8] dokonali weryfikacji w zakresie oddziaływania termicznego, wykonując badania eksperymentalne elewacji wentylowanych z zamkniętymi złączami z różnymi wariantami okładzin zewnętrznych.

Ze względu na niewielką ilość artykułów przedstawiających porównania zachowania termicznego elewacji wentylowanych ze elewacjami standardowymi (m.in. ETICS) autorzy niniejszego opracowania zdecydowali zająć się tym zagadnieniem i wykorzystać do tego celu symulacje numeryczne reprezentacyjnych elewacji.

Utworzenie modelu numerycznego i przyjęcie założeń dla symulacji

Analizę numeryczną wykonano wykorzystując oprogramowanie CFD (z ang. Computational Fluid Dynamic) i moduł Ansys Fluent bazujący na równaniach Navier-Stokesa. Zasadność wyboru takiego oprogramowania potwierdzają artykuły [9–12], w których przedstawiono podobne zagadnienia rozwiązywane za pomocą tego właśnie oprogramowania. Ponadto w artykule [11] zaprezentowano rezultaty otrzymane dla przeprowadzonej walidacji modelu numerycznego wykonanej również tym oprogramowaniem.

Otrzymane wyniki potwierdziły istotną zgodność z badaniem eksperymentalnym. Jako numeryczny model przepływu przyjęto k-ε (RNG), omówiony przez Launder w pracy [13].

Z kolei Chen [14] wykazał, iż dokładność przyjętego modelu przepływu jest dobra i znajduje zastosowanie przy tego typu zadaniach. Model promieniowania cieplnego na podstawie opracowania Chui [15] został przyjęty jako DO (Discrete Ordinates), przedstawiony jako szybki i dokładny.

Założenia technologiczne i materiałowe modelu numerycznego

Dla porównania efektowności energetycznej elewacji utworzono trzy modele numeryczne, odwzorowujące następujące typy elewacji:

• elewację standardową ETICS (bez zastosowania pustki powietrznej),
• elewację wentylowaną z zamkniętymi złączami,
• elewację wentylowaną z otwartymi złączami.

Wszystkie modele zostały wykonane z jednakowych materiałów. Przyjęto, że ściana nośna została wykonana z bloczków silikatowych o grubości 240 mm, izolacja termiczna z poliuretanu o grubości 150 mm, a okładzina zewnętrzna z płyt włóknisto-cementowych w kolorystyce tzw. ciemnej o grubości 20 mm. Dla jak najlepszego odwzorowania globalnego działania wpływu temperatury zewnętrznej na wewnętrzną przyjęto model odpowiadający wysokości ściany równej 4 m. Charakterystyki wszystkich materiałów przedstawiono w TABELI.

Pierwszy model został przyjęty jako elewacja typu standardowego, gdzie płyty włóknisto-cementowe są umieszczone bezpośrednio na izolacji – ciała stykają się (oznaczone w pracy jako A), tak jak pokazano schematycznie na RYS. 5, RYS. 6 i RYS. 7.

Kolejne dwa modele zostały przyjęte jako elewacje wentylowane, w dwóch wariantach wykonania:

• elewacja wentylowana z zamkniętymi złączami (z ang. close-joint ventilated façade/opaque ventilated façade), oznaczona w pracy jako B,
• elewacja wentylowana z otwartymi złączami (z ang. open-joint ventilated façade), oznaczona w pracy jako C.

Modele elewacji wentylowanych (B i C) mają pustkę powietrzną o szerokości 50 mm pomiędzy izolacją a okładziną zewnętrzną płyty włóknisto-cementowej. W przypadku modelu z zamkniętymi złączami (model B) powietrze dostaje się do pustki powietrznej przez dwie szczeliny: na dole i na górze okładziny zewnętrznej, każda o szerokości 30 mm. W przypadku modelu z otwartymi złączami powietrze może dostawać się nie tylko wcześniej wspomnianymi szczelinami, lecz także przez szczeliny dodatkowe, odwzorowujące montaż płyt elewacyjnych, o szerokości 20 mm. Wszystkie przyjęte schematy pokazano na RYS. 5, RYS. 6 i RYS. 7.

Założenia klimatyczne modelu numerycznego

Założenia klimatyczne modelu numerycznego wykonano stosując normę PN-EN 1991-1-5:2005: Eurokod 1, „Oddziaływania na konstrukcje. Część 1–5. Oddziaływania ogólne. Oddziaływania termiczne” [2].

Przyjęto najbardziej niekorzystną sytuację obliczeniową związaną z oddziaływaniem temperatury i nasłonecznienia w trakcie okresu letniego.

Elewację zlokalizowano w Polsce i usytuowano ją na stronę południową ze względu na największe nasłonecznienie. Założono, że elewacja ta zostanie wykonana w tzw. kolorystyce ciemnej ze względu na największą pochłanialność promieni słonecznych. Parametry związane z takimi założeniami są następujące:

• temperatura na zewnątrz 38°C (311,15 K),
• temperatura wewnątrz 20°C (293,15 K),
• dodatkowa różnica temperatur spowodowana nasłonecznieniem 42°C,
• sumaryczna temperatura działająca na elewację w szczycie 38°C + 42°C = 80°C (353,15 K).

Model numeryczny

Symulacje numeryczne wykonano dwuwymiarowo (2D) w programie Ansys Fluent, module Ansys Workbench.

• W celu odwzorowania globalnych warunków przepływów i wymiany powietrza oraz przenikania ciepła przyjęto rozmiar modelu o wymiarach: szerokość 2390 mm i wysokość 4000 mm.
• W środkowym planie modelu zamodelowano ścianę, tak aby po jej prawej i lewej stronie znajdowała się przestrzeń na powietrze. Szczegóły przyjętych parametrów modelu przedstawiono na RYS. 8.

Zdaniem autorów tak przyjęty model umożliwia odtworzenie globalnych warunków przepływu powietrze (na zewnątrz) i wymiany ciepła. Napływ powietrza o zadanym parametrze prędkości równym 2,5 m/s i temperaturze 38°C symuluje wiatr. Dodatkowo zadano odpowiedną temperaturę równą 80°C na zewnętrznej krawędzi płyty włóknisto-cementowej, symulującą nasłonecznienie. Początkowa prędkość powietrza umożliwia odprowadzanie ciepłego powietrza z pustki powietrznej.

Przyjęto, iż warunki wewnątrz budynku są stałe, powietrze wewnątrz ma temperaturę wyjściową 20°C i nie ulega wymianie ani ochładzaniu. Do utworzenia siatki elementów skończonych użyto elementów trójkątnych 3-węzłowych, wymiary poszczególnych elementów skończonych dobrano w zależności od lokalizacji o wielkości 1–50 mm; szczegóły wskazano na RYS. 8. Schematy dla elewacji standardowej oraz elewacji wentylowanej z otwartymi złączami przyjęto analogicznie do przedstawionego schematu elewacji wentylowanej z zamkniętymi złączami na RYS. 8.

Wyniki symulacji numerycznych

Wyniki symulacji numerycznych zaprezentowano w postaci rozkładu map temperatur pokazanych na RYS. 9, RYS. 10 i RYS. 11. Na mapach temperatur wszystkich elewacji widać izolinie w różnych kolorach przedstawiające temperatury w ciałach stałych i gazach. Zewnętrzna część paneli okładzinowych w przypadku wszystkich elewacji A, B i C ma zbliżoną temperaturę, wywołaną głównie promieniowaniem cieplnym.

Jak można zaobserwować na rys. RYS. 9, RYS. 10 i RYS. 11, zastosowanie elewacji w technologii elewacji wentylowanych znacznie redukuje temperaturę po stronie wewnętrznej (chłodniejszy odcień kolorów na mapach temperatur). Spowodowane jest to ograniczeniem transportu ciepła w sposób bezpośredniego kontaktu ciał stałych i związane jest z ich przewodnictwem. W przypadku elewacji wentylowanej ciepło ze strony zewnętrznej jest przekazywane głównie przez promieniowanie cieplne.

W elewacji wentylowanej z otwartymi złączami zauważalne są aberracje w miejscach dodatkowych szczelni pozwalających na dostawanie się powietrza do pustki powietrznej.

Modele celowo nie uwzględniają pobierania energii przez wewnętrzną krawędź ściany i ochładzania jej przez zimniejsze powietrze znajdujące się wewnątrz pomieszczenia.

W celu dokładniejszego porównania otrzymanych wartości wyniki pokazane na RYS. 9, RYS. 10 i RYS. 11 przedstawiono po kolei w postaci wykresu. Należy wyjaśnić, że temperatura była kontrolowana w następujących miejscach:

• wewnątrz pomieszczenia – 6 punktów kontrolnych,
• wewnętrzna krawędź ściany nośnej,
• krawędź ściana nośna–izolacja,
• krawędź izolacja–okładzina zewnętrzna w przypadku elewacji standardowej,
• zewnętrzna krawędź izolacji w przypadku elewacji B i C,
• pustka powietrzna w przypadku elewacji B i C,
• zewnętrzna krawędź okładziny zewnętrznej.

Wysokość, na jakiej kontrolowana była temperatura, to 2000 mm od podłogi, z kilkoma wyjątkami dla elewacji wentylowanej z zamkniętymi złączami. Aberracje wywołane przepływem powietrza w miejscach szczelin dodatkowych wymusiły kontrolę temperatury dla punków po stronie zewnętrznej i pustki powietrznej na wysokości 1505 mm. Punkty pomiarowe zilustrowano na RYS. 12, RYS. 13 i RYS. 14.

Na RYS. 15 pokazano wyniki dotyczące kontroli temperatury w danych punktach kontrolnych dla elewacji A, B i C.

• Linia wykresu elewacji standardowej znacząco się różni – wartości są dużo większe.
• Linie wykresu dla elewacji wentylowanych z otwartymi i zamkniętymi złączami typu B i C prezentują podobne wartości, z wyjątkiem temperatury wewnątrz pustki powietrznej.

Temperatura w pustce powietrznej pomiędzy izolacją a okładziną zewnętrzną w przypadku elewacji wentylowanych z otwartymi złączami jest większa o około 3°C. Spowodowane jest to prawdopodobnie większą liczbą szczelin wentylacyjnych, którymi dostarczane i odprowadzane jest powietrze.

Analiza krawędzi wewnętrznej ściany wykazuje, że temperatura w elewacji standardowej wynosi 69,6°C, co stanowi temperaturę o 46,92°C większą niż wewnątrz pomieszczenia, gdzie wynosi ona 20°C. W elewacjach wentylowanych jest to odpowiednio temperatura 41,6°C w przypadku elewacji z zamkniętymi złączami i 40,8°C w przypadku elewacji z otwartymi złączami. Różnica temperatur, jako korzystniejsze wskazująca stosowanie elewacji wentylowanych, wynosi około 28°C, co stanowi wartość o około 44% mniejszą niż temperatura w przypadku elewacji standardowej.

Można również zauważyć, iż pomimo wyższej temperatury w pustce powietrznej, w przypadku elewacji wentylowanej o otwartych złączach temperatura na wewnętrznej ścianie nośnej jest niższa, co prawdopodobnie spowodowane jest lepszym odprowadzaniem ciepła w pobliżu izolacji.

Wnioski

Elewacje wentylowane bardzo dobrze wpisują się we wzrastające wymagania stawiane budynkom w zakresie komfortu cieplnego i wygodny ich użytkowania. Elewacje te można stosować nie tylko w regionach świata z wysokimi temperaturami, lecz także w regionach z tzw. klimatem umiarkowanym.

Na podstawie przedstawionych w niniejszym artykule symulacji numerycznych wykazano, że temperatura na wewnętrznej krawędzi ściany jest niższa o około 28°C dla elewacji wentylowanych, czyli o około 44% niższa niż w przypadku elewacji standardowej. Wybór technologii elewacji wentylowanej w układzie zamkniętych czy otwartych złączy ma minimalny wpływ na efektywność termiczną całej przegrody – różnica wynosi niecałe 0,85°C.

Symulacje numeryczne stanowią bardzo dobrą i tanią metodę badań doświadczalnych i pozwalają kierunkować tendencje dla badanych elementów. Kierunek kolejnych symulacji numerycznych elewacji wentylowanych powinien zdaniem autorów zmierzać w kierunku badania wpływu prędkości przepływu powietrza w pustce powietrznej i wyjaśnienia aberracji w miejscach szczelin dodatkowych.

Literatura

1. Strona internetowa: https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Energy_statistics_-_an_overview#Final_energy_consumption (date of issue 17-02-2020).
2. EN 1991-1-5: Eurocode 1, „Actions onstructures. Part 1–5. General actions – Thermal actions”.
3. C. Sanjuan, M.J. Suárez, M. González, J. Pistono, E. Blanco, „Energy performance of an open-joint ventilated façade compared with a conventional sealed cavity façade”, „Solar Energy” 85/2011, p. 1851–1863, DOI:10.1016/j.solener.2011.04.028.
4. M. Ibañez-Puy, M. Vidaurre-Arbizu, J.A. Sacristán-Fernández, C. Martín-Gómez, „Opaque Ventilated Façades: Thermal and energy performance review”, „Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2017, vol. 79, p. 180–191, DOI: 10.1016/j.rser.2017.05.059.
5. B. Griffith, „A model for naturally ventilated cavities on the exteriors of opaque building envelopes”, Presented at Simbuild 2006 Conference, Cambridge-Massachusetts, USA.
6. E. Naboni, „Ventilated opaque walls – A performance simulation method and assessment of simulated performance”, „Seminar Notes at Lawrence Berkeley National Laboratory Environmental Energy Technologies Division Berkeley”, May 28 2007, California, USA.
7. M. González, E. Blanco, J.L. Río, J. Pistono, C. San Juan, „Numerical study on thermal and fluid dynamic behaviour of an open-joint ventilated façade”, PLEA 2008 – 25th Conference on Passive and Low Energy Architecture, 22–24 October 2008, Dublin, Ireland.
8. M.J. Suárez, C. Sanjuan, A.J. Gutiérrez, J. Pistono, E. Blanco, „Energy evaluation of an horizontal open joint ventilated façade”, „Applied Thermal Engineering” 37/2012, p. 302–313.
9. M. Chereches, N.C. Chereches, S. Hudisteanu, „Numerical modeling of solar radiation inside ventilated double-skin façades”, „International Journal of Heat and Technology” 2015, vol. 33, No. 4, p. 246–254.
10. M. Chereches, N.C. Chereches, S. Hudisteanu, „The influence of different flow velocities on the heat transfer inside a ventilated façade”, „Revista Romana de Inginerie Civila” 2014, Volumul 5, Numeral 1.
11. L. Cirillo, D. Di Ronza, V. Fardella, O. Manca, S. Nardini, „Numerical and experimental investigations on a solar chimney integrated in a building façade”, „International Journal of Heat and Technology” 2015, vol. 33, No. 4, p. 246–254, DOI: 10.18280/ijht.330433.
12. A. Gagliano, F. Nocera, S. Aneli, „Thermodynamic analysis of ventilated façades under different wind conditions in summer period”, Energy and Buildings” 122/2016, p. 131–139.
13. B.E. Launder, D.B. Spalding, „The numerical computation of turbulent flows. Computer Methods”, „Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering” 3/1974, p. 269–289, DOI: 10.1016/0045-7825(74)90029-2.
14. Q. Chen, „Comparison of different κ-ε models for indoor airflow computations”, „Numerical Heat Transfer”, Part B, 28/1995, p. 353–369.
15. E.H. Chui, G.D. Raithby, „Computation of radiant heat transfer on a non-orthogonal mesh using the finite-volume method”, „Numerical Heat Transfer” 1993, Part B 23, p. 269–288.
16. ANSYS Fluent Theory Guide.
17. ANSYS Fluent User’s Guide.
18. EOTA ETAG 034 Part 2: Cladding Kits comprising Cladding components, associated fixings, subframe and possible insulation layer.
19. M. Mahdavinejad, S. Mohammadi, „Ecological analysis of natural ventilated facade system and its performance in Tehran’s climate”, „Ukrainian Journal of Ecology” 8(1)/2018, p. 273–281, DOI: 10.15421/2018_212.
20. K. Schabowicz, „Elewacje wentylowane. Technologia Produkcji i metody badania płyt włóknisto-cementowych”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2018.
21. F. Stazi, G. Ulpiani, M. Pergolini, D. Magni, C. Di Perna, „Experimental Comparison Between Three Types of Opaque Ventilated Facades”, „The Open Construction and Building Technology Journal” 12/2018, p. 296–308. DOI: 10.2174/1874836801812010296.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!