WSPARCIE PROJEKTANTA W ZAKRESIE FIZYKI BUDOWLI

Zagadnienia z fizyki budowli często są traktowane w procesie projektowania w sposób marginalny. Skutkuje to pojawianiem się wielu usterek w obiektach budowlanych. Usterki te wpływają głównie na trwałość, komfort użytkowania i zdrowie. Wykorzystanie odpowiednich narzędzi informatycznych wspomagających projektowanie w tym zakresie może pomóc w ich eliminacji.

Znajomość zagadnień dotyczących fizyki budowli jest wymagana, aby projektować zgodnie z wytycznymi zawartymi w Warunkach Technicznych [8]. Dotyczy to problematyki oszczędności energii (wskaźnik EP), izolacyjności cieplnej przegród (współczynnik przenikania ciepła U), ochrony przed zawilgoceniem i korozją biologiczną (kondensacja międzywarstwowa, czynnik temperaturowy frsi) oraz ochrony przed hałasem i drganiami. W artykule autorzy przedstawili wybrane narzędzia informatyczne z tego zakresu.

Obliczenia cieplno-wilgotnościowe dla przegród budowlanych i ich połączeń

Podstawowe wymagania dotyczą współczynnika przenikania ciepła U, czynnika temperaturowego frsi oraz braku przyrostu wilgoci w przegrodzie budowlanej. Obecnie do ich wyznaczania projektant może wykorzystać szereg programów komputerowych, których dobrymi przykładami mogą być Audytor OZC [9] oraz ArCADia TERMOCAD [10]. Oprócz tego możemy spotkać wiele programów sygnowanych przez producentów wyrobów budowlanych w formie prostych kalkulatorów, często dostępnych w trybie online. Ponadto istnieje wiele arkuszy kalkulacyjnych (Excel) realizujących powyższe obliczenia.

Wybór konkretnego programu powinien być poprzedzony rozpoznaniem, czy wykonuje on obliczenia zgodnie z normami PN-EN ISO 6946 [1], PN-EN ISO 13788 [2], PN-EN ISO 12831 [3]. Bardzo często w programach z tego zakresu uwzględniony jest uproszczony algorytm obliczeniowy, który nie pozwala na prawidłowy przebieg procesu projektowania. Wymienione powyżej programy pozwalają na:

• wybór rodzaju analizowanej przegrody (ściana zewnętrzna, strop, dach, stropodach itd.);
• wprowadzenie informacji, czy przegroda posiada warstwy niejednorodne;
• podanie informacji o warunkach brzegowych (strefa klimatyczna, warunki cieplno-wilgotnościowe pomieszczenia).

Korzystanie z przedstawionych programów ułatwia i przyspiesza proces projektowania dzięki integracji modułu obliczeniowego z bazami danych, które zawierają:

• niezbędne informacje podane w normach PN-EN ISO 6946 [1], PN-EN ISO 13788 [2], PN-EN ISO 12831 [3];
• współczynniki materiałowe;
• dane klimatyczne;
• informację o wilgotności względnej w pomieszczeniu w zależności od jego klasy;
• kryteria z warunków technicznych [8] odnoszące się do zagadnień cieplno-wilgotnościowych.

Rezultatem prowadzonych obliczeń są wartości współczynnika przenikania ciepła, rozkład temperatury i ciśnienia pary wodnej w przegrodzie, kondensacja powierzchniowa (frsi) i międzywarstwowa, porównanie z wymaganiami warunków technicznych [8].

Obliczenia strat ciepła i zapotrzebowania na energię grzewczą dla obiektu wymagają uwzględnienia liniowych mostków cieplnych. Zgodnie z normą PN-EN ISO 12831 [3] obliczenie współczynnika strat ciepła przez przenikanie z przestrzeni ogrzewanej na zewnątrz wymaga znajomości współczynnika przenikania ciepła liniowego mostka cieplnego ψk. Istnieją dwie metody jego wyznaczenia. Pierwsza z nich polega na wyborze odpowiedniej wartości ψk z normy PN-EN ISO 14683 [4], zawierającej jego skatalogowane wartości dla większości typowych mostków liniowych. Przyjmowane z normy wartości często znacznie odbiegają od rzeczywistości, zatem prawidłowym podejściem powinno być przeprowadzanie kalkulacji zgodnie z normą PN-EN ISO 10211-2 [5]. Omawia ona warunki, których spełnienie umożliwia wykonywanie dwuwymiarowych numerycznych obliczeń współczynnika ψk, stanowiących zadowalające przybliżenie obliczeń trójwymiarowych. Dostępnych jest szereg programów komputerowych realizujących takie obliczenia, między innymi Psi-Therm, AnTherm, pakiet Physibel. Ciekawą propozycję stanowi program THERM [11]. Jest to program komputerowy opracowany w Lawrence Berkeley National Laboratory. Za jego pomocą można modelować dwuwymiarowe efekty przenoszenia ciepła w elementach budynku, takich jak okna, ściany, fundamenty, dachy i drzwi, w których występują mostki termiczne. Pozwala ocenić jakość mostka cieplnego oraz zapoznać się z lokalnym rozkładem temperatury. Program THERM umożliwia dwuwymiarową analizę przewodzenia ciepła opartą na metodzie elementów skończonych. Geometria analizowanego układu wprowadzana jest w sposób graficzny, dzięki czemu można modelować skomplikowane geometrycznie wyroby budowlane i połączenia przegród. Ułatwienie stanowi możliwość importowania podkładu graficznego w formacie DXF lub bitmapy. Każdy element budowlany jest reprezentowany przez kombinację wielokątów. Użytkownik definiuje właściwości materiału dla każdego wielokąta, a następnie wprowadza warunki brzegowe wymiany ciepła, które oddziałują na analizowany komponent. Po utworzeniu modelu generowana jest siatka MES oraz realizowane są obliczenia numeryczne. Wyniki obliczeń można przeglądać w formie graficznej – izotermy, wektory strumienia ciepła i temperatury lokalne oraz postaci liczbowej, w tym jako współczynniki przenikania ciepła U [11]. Na rys. 1 przedstawiono przykładowy mostek cieplny wprowadzony do programu oraz efekty działania programu.

Rozbudowane obliczenia wilgotnościowe przegród

Jednym z częściej pojawiających się problemów w budownictwie jest zawilgocenie przegród. Wśród wielu przyczyn problemu często występują błędy projektowe. Nieprawidłowe uwzględnianie migracji wilgoci w elementach budowlanych może generować problemy zagrażające zdrowiu i bezpieczeństwu osób, a także trwałości samego budynku. Dlatego konieczne jest, aby w projektowaniu przegród uwzględniać zjawisko migracji wilgoci. Często obliczenia wymagane w Warunkach Technicznych [8] mogą się okazać niewystarczające w tym zakresie. Analiza przepływu wilgoci jest zadaniem trudnym z uwagi na sprzężony charakter zjawiska z wymianą ciepła. Jedyną drogą do znalezienia prawidłowych rozwiązań w tym zakresie jest wykorzystanie metod numerycznych. Projektant ma do dyspozycji kilka narzędzi wspomagających jego pracę. Są to między innymi programy WUFI [12, 13] oraz THERM [11]. Najbardziej rozpowszechniony jest program WUFI. Składa się z kilku modułów, charakteryzujących się wspólną cechą prowadzenia obliczeń, jako dynamiczna, sprzężona symulacja transportu ciepła i wilgoci. Obliczenia prowadzone są, poczynając od modeli jednowymiarowych do rozbudowanych trójwymiarowych. Jednowymiarowa analiza nie zawsze może być stosowana. W szczególności analizy dwuwymiarowe są konieczne w przypadku skomplikowanych geometrii, takich jak połączenia przegród, zabudowa okien i połączenia fundamentów, a także gdy istnieją zróżnicowane źródła i absorbery ciepła i wilgoci.

• Typowe problemy rozwiązywane przez program WUFI to obliczenia [12, 13]: higrotermiczne dla mostków cieplnych, szczególnie jeśli warunki wilgotnościowe muszą być oceniane wewnątrz elementu, a nie tylko na powierzchni;
• odpowiedzi higrotermicznej dla krawędzi elementu, narożników, lekkich konstrukcji z wieloma warstwami izolacji (obejmujących takie elementy jak np. krokwie, belki);
• higrotermiczne obejmujące komponenty z materiałami o właściwościach kierunkowych;
• dla symetrycznych źródeł i absorberów liniowych, zapewniające trójwymiarowe wyniki higrotermiczne. Wyniki uzyskiwane w programie WUFI [W12, 13]:
• animacja czasowych i przestrzennych rozkładów temperatury, wilgotności względnej, zawartości wody, strumienia ciepła i wilgoci itp.;
• zawartość wody we wszystkich komponentach w celu jakościowej oceny bilansu wilgoci (np. przyrost wilgotności zimą, suszenie latem) oraz oceny zagrożenia rozwoju pleśni i gnicia;
• profile wilgotności dla określonego czasu (np. mroźna zima).

Dołączone narzędzie ewaluacyjne WUFI Graph ułatwia wykreślanie i eksportowanie pożądanych wartości – por. rys. 2.

Podobne obliczenia można również zrealizować w najnowszej wersji programu THERM [11]. Program modeluje migrację wody, wilgoci i powietrza przez rozpatrywany element wraz z uwzględnieniem przepływu ciepła. Jako że migracja wilgoci i powietrza zależy od temperatury i odwrotnie, pole temperatury będzie zależeć od zawartości wody i powietrza, a zatem nie można ich rozpatrywać i obliczać oddzielnie. Ponadto zawartość wody może zmieniać swoją fazę podczas procesu, co jeszcze bardziej utrudnia znalezienie rozwiązania dla modelu. Aby wykonać tak skomplikowane obliczenia, należy wprowadzić uproszczenia sprowadzające się do „rozbicia” elementu na kilka mniejszych struktur, które będą obliczane iteracyjnie w każdym kroku czasowym – por. rys. 3.

Parametry okien

Współczesne trendy architektoniczne preferują stosowanie wielkopowierzchniowych przeszkleń w budynkach. Okna i podobne w konstrukcji przegrody przezroczyste stanowią wyzwanie w obliczeniach cieplnych budynków energooszczędnych. Związane jest to często z brakiem rzetelnych informacji na temat parametrów cieplnych oraz optycznych elementów przeszklonych, w szczególności w powiązaniu ze sposobem ich osadzenia w przegrodzie budowlanej. Parametry te można uzyskać, wykorzystując odpowiednie oprogramowanie. Jedną z opcji jest program WINDOW [14]. Dysponuje on wbudowanymi bibliotekami komponentów systemu okiennego (systemy oszklenia, wypełnienia gazowe, ramy i szprosy) oraz dostępem do bazy danych Optics5, zawierającej charakterystyki widmowe dla wielu popularnych materiałów oszklenia, jest również zintegrowany z bazą klimatyczną – por. rys. 6, 7.

Program WINDOW oferuje następujące możliwości [14]:

• analizowania produktów wykonanych jako dowolna kombinacja warstw zestawów szybowych, ram, ramek dystansowych i szprosów w dowolnych warunkach środowiskowych i przy dowolnym nachyleniu;
• obliczenia współczynników przenikania ciepła U, przepuszczalności całkowitego promieniowania słonecznego g, przepuszczalności promieniowania widzialnego oraz odbicia systemu oszklenia;
• modelowania systemów oszklenia z uwzględnieniem elementów zacieniających;
• wyznaczania wskaźnika odporności na kondensację zgodnie ze standardem NFRC 500;
• sporządzania mapy temperatury powierzchni;
• współpracy z programem THERM, Optics;
• określenia jakości oddania barw, dominującej długość fali;
• określenia wilgotności względnej powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, dla której kondensacja wystąpi odpowiednio na wewnętrznej i zewnętrznej powierzchni oszklenia.

Oprócz programu WINDOW na rynku istnieje jeszcze szereg podobnych narzędzi, aczkolwiek o mniejszych możliwościach obliczeniowych. Przykładem może tu być program WIS – europejskie oprogramowanie wspomagające określanie charakterystyki cieplnej i słonecznej systemów oraz komponentów okiennych. Narzędzie zawiera bazy danych z właściwościami komponentów i algorytmy obliczania interakcji termicznych oraz optycznych pomiędzy komponentami w oknie.

Symulacje energetyczne obiektów budowlanych

Modelowanie i symulacja komputerowa to obecnie jedne z najpotężniejszych technik dostępnych dla inżynierów do przewidywania przyszłej rzeczywistości dla połączonych konfiguracji budynków i instalacji. Technika ta dojrzała z etapu badań i rozwoju do regularnej praktyki inżynierskiej.

W przeciwieństwie do tradycyjnych metod inżynierskich modelowanie komputerowe lepiej oddaje rzeczywistość, biorąc pod uwagę budynek jako integrację podsystemów – rys. 8. Symulacje komputerowe są znacznie bardziej wymagające pod względem informacji wejściowych i przetwarzania danych niż tradycyjne podejście projektowe. Z drugiej strony techniki symulacyjne umożliwiają szczegółową analizę szeregu rozwiązań w zakresie geometrii i konstrukcji budynku, a także działania systemów HVAC.

Aby zapewnić znaczną poprawę w zakresie zużycia energii i poziomu komfortu, koniecznie należy traktować budynki jako kompletną, zoptymalizowaną całość, a nie jako sumę wielu oddzielnie zoptymalizowanych komponentów. Symulacja jest do tego idealna, ponieważ nie ogranicza się do samej struktury budynku, lecz może obejmować środowisko wewnętrzne, zewnętrzne, systemy instalacyjne, konstrukcyjne oraz tradycyjne i odnawialne systemy zasilania energią.

Projektowanie budynków energooszczędnych nie powinno mieć miejsca bez przeprowadzenia symulacji funkcjonowania dla całego obiektu.

System ESP-r (Environmental System Performance – research) jest zaawansowanym, zintegrowanym środowiskiem symulacji energetycznej budynku i instalacji [15]. Umożliwia symulowanie zachowania się budynku w sposób najbardziej zbliżony do rzeczywistości, wspiera proces decyzyjny na wczesnym etapie projektowania oraz umożliwia zintegrowaną ocenę parametrów budynku. ESP-r integruje modelowanie numeryczne metodą MES z obliczeniami opartymi na dziesiątkach równań empirycznych. Główne funkcje programu obejmują [15]:

• modelowanie strefowe z uwzględnieniem przepływu powietrza, funkcjonowania systemów HVAC;
• uwzględnianie zależności pomiędzy strefami;
• możliwości obsługi niedeterministycznych danych wejściowych, takich jak zachowanie użytkownika i przypadkowe zyski ciepła i wilgoci;
• uwzględnianie zmiany właściwości materiałów w czasie;
• uwzględnianie wyposażenia strefy, takiego jak np. meble;
• obliczenia wydajności elektrycznej paneli fotowoltaicznych w zależności od ich temperatury;
• obliczenia przepływu powietrza metodą CFD;
• współpracę z programem Radiance w zakresie symulacji natężenia oświetlenia, której wyniki można powiązać z wewnętrznymi zyskami ciepła, oraz wyznaczania ryzyka olśnienia zgodnie z normą PN-EN 12464-1 [7];
• transport pary wodnej do materiałów porowatych w połączeniu z siecią przepływu powietrza i wydajnością HVAC;
• wyznaczenie temperatury i zawartości wilgoci w celu wskazania ryzyka rozwoju pleśni na powierzchni elementów budowlanych;
• uwzględnianie materiałów PCM i innych o dynamicznie zmieniających się właściwościach;
• określenie lokalnego komfortu cieplnego z uwzględnieniem asymetrii promieniowania, stratyfikacji termicznej, ryzyka przeciągu z podaniem wskaźników PMV i PPD, opisanych w PN-EN ISO 7730 [6];
• umożliwienie oceny wrażliwości i niepewności na podstawie analizy czynnikowej lub symulacji Monte Carlo;
• uwzględnianie trójwymiarowej wymiany ciepła pomiędzy obiektem a gruntem.

Drugim flagowym narzędziem w zakresie kompleksowej symulacji zachowania się obiektów budowlanych jest platforma open source o nazwie OpenStudio Software Development Kit (SDK) [16]. Wykorzystuje ona silniki symulacyjne EnergyPlus i, opcjonalnie, Radiance, zapewniając ramy do przeprowadzania zintegrowanej analizy energetycznej i oświetleniowej całego budynku. W wersji natywnej EnergyPlus i Radiance nie dysponują graficznym interfejsem użytkownika. W ramach platformy OpenStudio wprowadzono wtyczkę do programu Google SketchUp, umożliwiającą użytkownikom tworzenie geometrii budynku w trybie graficznym. Cała geometria budynku oraz parametry symulacji przechowywane są w jednym skoordynowanym pliku o rozszerzeniu .osm.

W zakresie możliwości obliczeniowych narzędzie to jest zbliżone do systemu ESP-r. Różnice obejmują głównie interfejs użytkownika oraz strukturę informatyczną.

Podsumowanie

Przedstawiony w artykule zestaw programów stanowi subiektywną propozycję autorów. Przy ich wyborze kierowali się po pierwsze dopasowaniem do zagadnień związanych z fizyką budowli występujących w Warunkach Technicznych [8]. Brano pod uwagę także koszty, które musi ponieść projektant, aby wyposażyć się w niezbędne narzędzia wspomagające projektowanie. Zainteresowani tą tematyką mogą zapoznać się z ciekawym, szerszym przeglądem programów z zakresu fizyki budowli na stronie internetowej Stowarzyszenia Symulacji Procesów Fizycznych w Budynkach IBPSA-POLAND [17].

Sięgając po narzędzia wspomagające projektowanie, należy zwracać uwagę, czy są one zgodne z normami przywołanymi w rozporządzeniu, jeśli dana problematyka jest nimi objęta. Dowolność wyboru programu występuje przy rozpatrywaniu wielu zagadnień z fizyki budowli, nieobjętych normalizacją. Jednakże wówczas należy zweryfikować jakość merytoryczną wybranego oprogramowania, bowiem ostatecznie to projektant, a nie autorzy programu, ponosi odpowiedzialność za wyniki zamieszczane w projekcie.

Bibliografia:

• [1] PN-EN ISO 6946 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metody obliczania.
• [2] PN-EN ISO 13788 Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku. Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacji międzywarstwowej. Metody obliczania.
• [3] PN-EN ISO 12831 Charakterystyka energetyczna budynków. Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego. Część 1: Obciążenie cieplne, Moduł M3-3.
• [4] PN-EN ISO 14683 Mostki cieplne w budynkach. Liniowy współczynnik przenikania ciepła. Metody uproszczone i wartości domyślne.
• [5] PN-EN ISO 10211 Mostki cieplne w budynkach. Strumienie cieplne i temperatury powierzchni. Obliczenia szczegółowe.
• [6] PN-EN ISO 7730 Ergonomia środowiska termicznego. Analityczne wyznaczanie i interpretacja komfortu termicznego z zastosowaniem obliczania wskaźników PMV i PPD oraz kryteriów miejscowego komfortu termicznego.
• [7] PN-EN 12464-1 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach.
• [8] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz.U. z 2022 r., poz. 1225.
• [9] http://pl.sankom.net/programy/audytor-ozc
• [10] https://www.intersoft.pl/cad/
• [11] https://windows.lbl.gov/software-tools#therm- -heading
• [12] https://wufi.de/en/software/product-overview/
• [13] https://wufi.de/en/software/wufi-2d/
• [14] ht tps:// win dows .l bl .g ov/ win dow – sof t wa re – -downloads
• [15] https://www.esru.strath.ac.uk/Courseware/ESP-r/ tour/
• [16] https://openstudiocoalition.org/
• [17] http://ibpsa-poland.org/