Διερεύνηση του φυσικού αερισμού κτιρίων με υπολογιστική και εργαστηριακή προσομοίωση: επιρροή στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό

Abstract

The purpose of the doctoral thesis is the investigation of natural ventilation of buildings with computational and laboratory simulation, as well as the investigation of its impact on architectural design. In this work natural ventilation due to buoyancy assisted by wind and natural ventilation due to buoyancy is investigated. For the computational simulation a computational fluid dynamics software is used. The problem is solved by solving the unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations in conjunction with the energy equation, and the turbulence model RNG k-ε. In the laboratory simulation, an open channel is used for the investigation of natural ventilation due to buoyancy assisted by wind, and a water tank for the investigation of natural ventilation due to buoyancy. The interior of the model is filled with solution of ethanol at conditions of normalized gravity, but also with solution of salted water at conditions of inversed gravity. The following factors affecting ventilation are analyzed: the position of the outlet opening (cross ventilation with variable h, comparison of cross ventilation with single-sided ventilation), the number of openings, the Froude number (through changes to density difference or air velocity), the position of the inlet opening (comparison of displacement ventilation and mixing ventilation), the effect of wind, form, and local heat source. As far as the impact on architectural design is concerned the following parameters are analyzed: architectural synthesis including floor plan – section - façade, space use and functionality, inspiration and analogical transfer, prime conception and main idea’s generation by using computational fluid dynamics (digital design), main idea’s development through an investigational process concerning building form’s optimization, form, shape’s investigation and other morphogenetic prospects. The doctoral thesis gives conclusions and information that affect, form and improve natural ventilation. This information also affects architectural design, both in design process and in final result.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση του φυσικού αερισμού κτιρίων με υπολογιστική και εργαστηριακή προσομοίωση, καθώς επίσης και η ανάλυση της επιρροής που ασκείται μέσω της διερεύνησης αυτής στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Στην παρούσα εργασία, διερευνάται το φαινόμενο του φυσικού αερισμού σε συνεργατική δράση ανωστικών δυνάμεων και ανέμου, αλλά και σε αποκλειστική δράση ανωστικών δυνάμεων. Για την υπολογιστική προσομοίωση του φυσικού αερισμού κτιρίων χρησιμοποιείται πρόγραμμα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD) και το πρόβλημα επιλύεται σε μη μόνιμη κατάσταση. Γίνεται επίλυση των εξισώσεων Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS), της εξίσωσης της ενέργειας, καθώς επίσης και χρήση του μοντέλου τύρβης RNG k-ε για τον υπολογισμό των τυρβωδών τάσεων. Στην εργαστηριακή προσομοίωση χρησιμοποιείται κανάλι ροής νερού για την διερεύνηση του φυσικού αερισμού λόγω συνεργατικής δράσης ανωστικών δυνάμεων και ανέμου και δεξαμενή νερού για την διερεύνηση του φυσικού αερισμού λόγω ανωστικών δυνάμεων. Για την πλήρωση του εσωτερικού του πειραματικού μοντέλου γίνεται χρήση διαλύματος αιθυλικής αλκοόλης σε συνθήκες κανονικής βαρύτητας, αλλά και διαλύματος αλατόνερου σε συνθήκες αντίστροφης βαρύτητας. Στην διερεύνηση του φυσικού αερισμού κτιρίων γίνεται μελέτη της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στον φυσικό αερισμό όπως: επίδραση της θέσης του ανοίγματος εξόδου (διαμπερής αερισμός μεταβλητού h, σύγκριση διαμπερούς αερισμού με μονόπλευρο αερισμό), επίδραση του αριθμού των ανοιγμάτων, επίδραση του αριθμού Froude (λόγω μεταβολής της διαφοράς πυκνότητας Δρ – που αντιστοιχεί σε διαφορά θερμοκρασίας ΔΤ – ή λόγω μεταβολής της ταχύτητας του ανέμου), επίδραση της θέσης του ανοίγματος εισόδου (σύγκριση αερισμού μετατόπισης και αερισμού ανάμιξης), επίδραση του ανέμου, επίδραση της ογκοπλασίας, και επίδραση σημειακής πηγής θερμότητας. Όσον αφορά την επιρροή της διερεύνησης του φυσικού αερισμού στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό αναλύονται διάφοροι παράμετροι όπως: επιρροή στην αρχιτεκτονική σύνθεση κάτοψης, τομής και όψης, επιρροή σε χρήσεις χώρου και λειτουργικές συσχετίσεις, επιρροή σε επίπεδο έμπνευσης και αναλογικής μεταφοράς, επιρροή σε επίπεδο πρωταρχικής σύλληψης της κεντρικής ιδέας με χρήση υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (ψηφιακός σχεδιασμός), επιρροή σε επίπεδο εξέλιξης της κεντρικής ιδέας μέσω διερευνητικής διαδικασίας στην κατεύθυνση βελτιστοποίησης του κτιριακού όγκου, επιρροή σε επίπεδο ογκοπλασίας, διερεύνησης του θέματος του «προβλήματος της μορφής» και άλλων μορφογενετικών αναζητήσεων. Από την διερεύνηση της παρούσας διατριβής προκύπτουν συμπεράσματα που αφορούν πληροφορίες και στοιχεία που επιδρούν, διαμορφώνουν και βελτιώνουν τον φυσικό αερισμό κτιρίων. Οι πληροφορίες και τα στοιχεία αυτά επηρεάζουν τον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό τόσο σε επίπεδο σχεδιαστικής διαδικασίας όσο και σε επίπεδο τελικού αποτελέσματος.