Modelowanie elementów mikroklimatu w otoczeniu obiektów zabytkowych

Transkrypt

1 Budownictwo i Architektura 12(3) (2013) Modelowanie elementów mikroklimatu w otoczeniu obiektów zabytkowych Dariusz Heim 1, Katarzyna Klemm 2 1 Katedra Procesów Cieplnych i Dyfuzyjnych, Wydział In ynierii Procesowej i Ochrony rodowiska, Politechnika Łódzka, e mail: dariusz.heim@p.lodz.pl 2 Instytut Architektury i Urbanistyki, Wydział Budownictwa, Architektury i In ynierii rodowiska, Politechnika Łódzka, e mail: katarzyna.klemm@p.lodz.pl Streszczenie: W pracy omówiono elementy mikroklimatu lokalnego maj cego bezpo redni wpływ na oddziaływanie rodowiska zewn trznego na obiekty budowlane o bogatych walorach historycznych i architektonicznych. Problem opisano w skali globalnej kompleksu urbanistycznego budynków zabytkowych oraz lokalnej elementów zdobniczych przegród zewn trznych. Skoncentrowano si na zagadnieniach przepływu powietrza w otoczeniu budynków i detali oraz oddziaływania promieniowania słonecznego na elewacje. Poszczególne zagadnienia omówiono na przykładach. Dla lepszego zilustrowania zagadnienia przedstawiono przykład kompleksu budynków historycznych poddanych rewitalizacji. Słowa kluczowe: mikroklimat, promieniowanie, przepływ, oddziaływanie, ochrona, ciana, detal. 1. Wprowadzenie Rewitalizacja zabytkowych obiektów stała si w okresie ostatnich lat niezwykle popularna, lecz przyniosła jednocze nie wiele problemów m.in. z zakresu Fizyki Budowli. Cz modernizowanych budynków to budynki pofabryczne, które cz sto przez wiele lat nie były u ytkowane zgodnie z ich przeznaczeniem. Jednym z podstawowych efektów wynikaj cych z dostosowania budynków do nowych potrzeb jest zmiana sposobu ich eksploatacji, co z kolei jest silnie powi zane z obci eniami cieplno-wilgotno ciowymi elementów obudowy zewn trznej. Obci enia te wywoływane s zarówno zmian parametrów rodowiska wewn trznego jak i modernizacj samej przegrody, np. jej ociepleniem lub chocia by napraw fragmentów elewacji. Skutkiem poszczególnych działa mog by m.in. dodatkowe zaburzenia i efekty wynikaj ce z nieco innego oddziaływania termicznego obudowy budynku, a tak e znacznych ró nic temperatur w poszczególnych fragmentach cian, szczególnie w budynkach o nierównomiernej, rozbudowanej pod wzgl dem geometrycznym powierzchni elewacji. Ocena efektu oddziaływania klimatu lokalnego zwartej struktury zabudowy na budynek, a w szczególno ci na jego fragmenty, mo e mie istotne znaczenie w przypadku destrukcyjnego charakteru oddziaływa. Dotyczy to w szczególno ci obiektów zabytkowych. Analiz parametrów mikroklimatu w otoczeniu mo na rozpatrywa w skali globalnej dla całego kompleksu urbanistycznego oraz lokalnej, dla pojedynczej przegrody b d jej fragmentu. W przypadku rozwa a w skali globalnej istotny jest układ urbanistyczny, wzajemne odległo ci pomi dzy budynkami oraz ich geometria. W przypadku skali lokalnej wa niejszymi aspektami b dzie ukształtowanie powierzchni przegród, ilo ci i wielko detali oraz rozmieszczenie przegród o ró nych charakterystykach, np. pełnych i transparentnych. Przykładem kompleksu obiektów poddanych gruntownej modernizacji jest zespół Manufaktura, zlokalizowany w centralnej cz ci miasta Łodzi (rys. 1). Poza odrestaurowaniem obiektów historycznych wprowadzono dodatkowe elementy zabudowy maj ce bezpo redni wpływ na mikroklimat w s siedztwie obiektów ju istniej cych [1].

2 48 Dariusz Heim, Katarzyna Klemm Rys. 1. Przykładowy obszar zrewitalizowany wraz z obiektami zabytkowymi 2. Skala globalna Z uwagi na zło ony charakter problemu autorzy ograniczyli si do analiz wpływu struktury zabudowanej na nast puj ce parametry mikroklimatu: przepływu wiatru poprzez okre lenie zmiany jego pr dko ci i kierunku w odniesieniu do warto ci w terenie otwartym, penetracji bezpo redniego promieniowania słonecznego oraz oddziaływania cieplnego promieniowania na pionowe przegrody zewn trzne. Rozpatrywane parametry maj istotny wpływ na procesy fizyczne zachodz ce na zewn trznych powierzchniach przegród, jak i w ich strefach przypowierzchniowych. Mi dzy innymi determinuj wielko : wymiany energii na drodze konwekcji, absorpcji i emisji [2]; wymiany wilgoci w efekcie absorpcji wilgoci i jej odparowywania [3]. Wymienione powy ej procesy maja charakter sprz ony i w zale no ci od sytuacji mog wywoływa nast puj ce efekty: odparowanie wody deszczowej z powierzchni ciany na skutek oddziaływania bezpo redniego promieniowania słonecznego lub/i opływu powietrza; akumulacja energii promieniowania słonecznego przez przegrody zewn trzne; wymiana ciepła pomi dzy budynkiem a otoczeniem na drodze konwekcji i promieniowania. Rys. 2. Widok obszaru analizowanego w skali globalnej

3 Fizyka Budowli Modelowanie elementów mikroklimatu Głównym problemem wyst puj cym w układzie globalnym zabudowy jest wzajemne oddziaływanie budynków na siebie poprzez zmian kierunku i pr dko ci przepływaj cego powietrza (rys. 3) oraz zacienianie si elewacji (rys. 4). a) b) Rys. 3. Rozkład pr dko ci wiatru przy napływie z kierunku a) zachodniego i b) południowo wschodniego zacieniona nasłoneczniona 73,1 Temperatura maksymalna [ o C] ,3 17,5 41,8 33,4 60,5 39,2 10 7,6 a) 0 Stycze Marzec Maj Lipiec 15 zacieniona nasłoneczniona 12,2 13,0 10 Temperatura minimalna [ o C] ,1-2,4 2,0 2, ,6-9,2-15 Stycze Marzec Maj Lipiec b) Rys. 4. Ekstremalne warto ci temperatur obliczonych dla zacienionych i nasłonecznionych fragmentów elewacji, warto ci a) maksymalne, b) minimalne Analizuj c wyniki zamieszczone na rysunku 3 zaobserwowa mo na strefy o obni onych pr dko ciach przepływu powietrza w s siedztwie przegród pionowych budynków. Obni enie warto ci pr dko ci b dzie miała bezpo redni wpływ procesy wymiany ciepła na drodze konwekcji oraz intensywno oddziaływania zacinaj cego deszczu. Porównuj c ekstremalne warto ci temperatur (rys. 4) nale y podkre li du e ró nice warto ci maksymalnych, zarejestrowanych w ci gu dnia i wynikaj cych z konwersji docieraj cej energii promieniowania słonecznego.

4 50 Dariusz Heim, Katarzyna Klemm 3. Skala lokalna Analiza na poziomie oddziaływa lokalnych pomi dzy rodowiskiem zewn trznym a powierzchni przegród jest interesuj ca dla elementów o rozbudowanej ornamentyce i ciekawym detalu architektonicznym (rys. 5). Rys. 5. Przykładowe detale architektoniczne na zabytkowym obiekcie ceglanym Procesy wymiany ciepła dla powierzchni o rozbudowanej geometrii maj zło ony charakter i zale od pr dko ci ruchu powietrza i wła ciwo ci emisyjnych powierzchni. Poza zjawiskami konwekcji wymuszonej, wyst puje dodatkowo konwekcja swobodna na skutek ruchów mas powietrza wynikaj cych z ró nych temperatur poszczególnych fragmentów powierzchni. Intensywno oddawania ciepła do otoczenia uwarunkowana jest izolacyjno ci ciepln samej przegrody jak i pr dko ci opływaj cego powietrza. W strefach stagnacji oraz w miejscach pomniejszonej grubo ci obserwowana jest znacznie wy sza temperatura powierzchni ni na pozostałych fragmentach elewacji. a) b) Rys. 6. a) obraz termowizyjny fragmentu elewacji o ró nej intensywno ci oddawania ciepła, ró nej warto ci temperatury powierzchni, b) rozkład pr dko ci w poszczególnych fragmentach detalu architektonicznego (symulacja)

5 Fizyka Budowli Modelowanie elementów mikroklimatu a) b) Rys. 7. Wektory pr dko ci w warstwie przypowierzchniowej elementu dla pr dko ci napływu a) V=0,5m/s i b) 5m/s oraz intensywno ci turbulencji 5% Efekt ten wywołany jest m.in. ró n intensywno ci przepływu powietrza i wyst powaniem lokalnymi stref o ró nych pr dko ciach. Analiz numeryczn przepływu strugi powietrza wokół detalu budowlanego o zło onej geometrii zaprezentowano na rysunku 7. Poza ró nymi warto ciami uzyskanymi w poszczególnych punktach, istotne s strefy o niewielkiej pr dko ci przepływu zarejestrowane w cz ci spodniej detali, rys. 6b. Na rysunku 8 przedstawione chwilowe moce strat ciepła dla przegród o ró nych charakterystykach termicznych w wybranym okresie zimy. Ró nice otrzymanych warto ci mog przekracza 50 W co wynika zarówno z du ej ilo ci pochłanianej energii promieniowania słonecznego jak i nierównomiernego oddawania ciepła do otoczenia.

6 52 Dariusz Heim, Katarzyna Klemm Rys. 8. G sto strumienia oddawanego ciepła przez przegrody pełne i transparentne o ró nej izolacyjno ci termicznej dla wybranego okresu zimy 4. Podsumowanie O zagro eniach obiektów zabytkowych od strony oddziaływania klimatu lokalnego wiadcz obserwacje istniej cych obiektów, potwierdzone wynikami uzyskanymi z analiz symulacyjnych. Na przebieg procesów destrukcyjnych maj równie istotny wpływ, zjawiska transportu ciepła i wilgoci w warstwach przypowierzchniowych przegród zewn trznych. Dodatkowe efekty, uwzgl dniaj ce zdolno do odparowania wilgoci z powierzchni cian, zostały uwzgl dnione w analizach nasłonecznienia i przepływu powietrza w bliskim otoczeniu przegród. Zło ony charakter oddziaływania ró nych czynników kształtuj cych warunki pogodowe, jak i zło ono procesów zachodz cych na granicy przegroda rodowisko zewn trzne wymaga zastosowania odpowiednich metod. Zaprezentowana droga post powania winna by dalej rozwijana w celu uwzgl dnienia szerszej liczby elementów decyduj cych o procesach destrukcyjnych warstw powierzchniowych. Wybór najkorzystniejszego rozwi zania b dzie miał znaczenie przy d eniu do zachowania jak najwi kszej trwało ci warstw powierzchniowych przegród i samych obiektów [4]. Literatura 1 Klemm K., Heim D. Wind flow aspects in the renovated, post-industrial urban area, Proceedings of World Sustainable Building Conference SB05, Tokyo September Liu, Y., Harris, D.J. Full-scale measurements of convective coefficient on external surface of a low-rise building in sheltered conditions, Building and Environment, vol. 42(7), s , Janssen, H., Blocken, B., Roels, S., Carmeliet, J. Wind-driven rain as a boundary conditions for HAM simulations: analysis of simplified modelling approaches, Building and Environment, vol. 42(4), s , 2007.Taylor I., Vezza M. Prediction of unsteady flow around square and rectangular section cylinders using a discrete vortex method. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 82 (1999) Metoda wska nikowa oceny oddziaływania klimatu na obiekty zabytkowe, (red. P. Klemm), seria monografie Fizyka Budowli Ochrona Zabytków, Politechnika Łódzka, Łód, 2009.