WUFI-POL - PROGRAM DO CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWEGO PROJEKTOWANIA PRZEGRÓD BUDOWLANYCH W POLSCE

Transkrypt

1 WUFI-POL - PROGRAM DO CIEPLNO-WILGOTNOŚCIOWEGO PROJEKTOWANIA PRZEGRÓD BUDOWLANYCH W POLSCE KÜNZEL Hartwig HOLM Andreas RADOŃ Jan GAWIN Dariusz Dr inż. Hartwig Künzel Kierownik naukowy grupy zajmującej się badaniami cieplnowilgotnościowymi w Instytucie Fraunhofera Fizyki Budowli oddział w Holzkirchen (Niemcy) Tematyka zainteresowań: Modelowanie, badania laboratoryjne i poligonowe zjawisk cieplno-wilgotnościowych. kuenzel@hoki.ibp.fhg.de Dr inż. Andeas Holm Kierownik działu zajmującego się modelowaniem zjawisk cieplno-wilgotnościowymi w Insty-tucie Fraunhofera Fizyki Budo-wli oddział w Holzkirchen Tematyka zainteresowań: Modelowanie zjawisk cieplnowilgotnościowych w budynku i jego elementach. holm@hoki.ibp.fhg.de Dr inż. Jan Radoń Adiunkt w Katedrze Budownict-wa Wiejskiego w Akademii Roliczej w Krakowie Tematyka zainteresowań: modelowanie i komputerowa symulacja procesów wymiany masy i energii w budynku oraz jego elementach, rmradon@cyf-kr.edu.pl Dr hab. inż. Dariusz Gawin, adiunkt w Katedrze Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej. Tematyka zainteresowań: modelowanie procesów wymiany masy i energii w budynku, higro-termo-chemo-mechanika i trwałość materiałów budowlanych. gawindar@ck-sg.p.lodz.pl WUFI-POL SOFTWARE FOR HYGROTHERMAL DESIGNING OF BUILDING ENVELOPE COMPONENTS IN POLAND ABSTRACT In this paper a new, Polish version of the world-wide known computer code WUFI for hygro-thermal simulations of building envelope components has been presented. Modifications of the basic version of the code, to take into account specific Polish conditions, available weather data, material databases, have been briefly described. An example of application of the WUFI-POL software for hygro-thermal analysis of the building wall has been discussed. Different possible representations of the results, both graphical and numerical, have been presented. 388

2 STRESZCZENIE W pracy przedstawiono nową, polską wersję znanego programu WUFI do analiz cieplnowilgotnościowych elementów budowlanych. Krótko opisano modyfikacje podstawowej wersji programu, aby przystosować go do warunków polskich, uwzględniając dostępne dane pogodowe i bazy danych materiałowych. Przedstawiono także przykład zastosowania programu WUFI-POL do cieplno-wilgotnościowej analizy ściany zewnętrznej. Omówiono dostępne reprezentacje wyników obliczeń, w postaci graficznej i numerycznej. 1. WSTĘP Współczesne metody normowych obliczeń cieplno-wilgotnościowych stosowane podczas projektowania przegród budowlanych bazują najczęściej na uproszczonym modelu Glasera, [1]. Jest on stosowany już od ponad 25 lat, a ostatnio, po pewnych udoskonaleniach, został także przyjęty w normie europejskiej EN-ISO13788, [2]. Model ten nie opisuje w pełni przebiegu zjawisk cieplno-wilgotnościowych w elementach konstrukcji budowlanych, [3], dlatego też norma EN-ISO w załączniku G dopuszcza stosowanie programów komputerowych opartych na bardziej złożonych modelach procesów cieplno-wilgotnościowych w materiałach budowlanych. W ostatnim dwudziestoleciu opublikowano wiele prac teoretycznych i eksperymentalnych z tego zakresu, np. [4-9], dlatego też Międzynarodowa Agencja Energii pod koniec lat 90-tych zainicjowała program badawczy Annex 24 [10], w ramach którego wszechstronnie porównano kilkanaście różnych modeli matematycznych zjawisk higro-termicznych w konstrukcjach budowlanych. Przedmiotem porównań były nie tylko podstawy fizyczne i teoretyczne tych modeli, ale także metody wyznaczania ich parametrów i funkcji materiałowych, a także ich weryfikacja eksperymentalna. Także w Polsce od ponad 40 lat są prowadzone badania z tego zakresu, np. [11-22]. Jednak podstawowym brakiem polskich badań jest stosunkowo skąpa, z praktycznego punktu widzenia, baza danych materiałowych, co wynika głównie z przyczyn ekonomicznych i braku odpowiedniego zaplecza badawczego. Drugim istotnym mankamentem jest brak odpowiednio przygotowanego zestawu danych meteorologicznych do obliczeń wilgotnościowych w postaci tzw. Wilgotnościowego Projektowego Roku Odniesienia - WPRO (ang. Moisture Design Reference Year - MDRY), [23]. Stąd często obliczenia i analizy prowadzone były dla danych uproszczonych, np. średnich miesięcznych itp., danych pogodowych, którymi dysponowali badacze, np. [22], lub wręcz danych z innych krajów, np. [24,25], choć dane pogodowe istotnie wpływają na wyniki symulacji [26]. W ostatnim czasie daje się zauważyć w Europie tendencja do wprowadzenia do praktyki projektowej bardziej zaawansowanych modeli i bazujących na nich programów komputerowych do analizy zjawisk cieplno-wilgotnościowych. Ze względu na łatwość obsługi, wygodną reprezentację wyników obliczeń w formie graficznej, bogatą bazę danych materiałowych oraz wszechstronną weryfikację eksperymentalną, rolę taką zaczyna pełnić niemiecki program WUFI [8], opracowany w Instytucie Fraunhofera Fizyki Budowli w Holzkirchen (Niemcy), który jest jedną z największych placówek badawczych w tej dziedzinie w Europie i na świecie. Ostatnio program WUFI został odpowiednio zmodyfikowany i wprowadzony jako jedno z podstawowych narzędzi do obliczeń projektowych w 389

3 Finlandii i we Francji (mimo wieloletnich badań prowadzonych w tych krajach), a także w Stanach Zjednoczonych, [27]. W roku ubiegłym Katedra Fizyki Budowli Politechniki Łódzkiej, we współpracy z Instytutem Fraunhofera Fizyki Budowli w Holzkirchen, w ramach projektu KBN i umowy bilateralnej między tymi placówkami, podjęły prace nad opracowaniem polskiej wersji programu, która została nazwana WUFI-POL. W niniejszym artykule omówiono w skrócie tę wersję, ze szczególnym podkreśleniem różnic w stosunku do podstawowej wersji programu, a także omówiono wyniki przykładowych obliczeń wykonanych przy jego pomocy. Przedstawiono je graficznie, w postaci różnorodnych wykresów, które są standardowo generowane przez program. 2. PODSTAWOWE INFORMACJE O PROGRAMIE WUFI-POL Program WUFI-POL powstał poprzez modyfikację i całkowite spolszczenie jednowymiarowej wersji programu WUFI [8] na poziomie kodu źródłowego, w wyniku czego wprowadzono polskie komunikaty, instrukcję i pomoc doraźną do programu, polskie terminy techniczne i nazwy materiałów, Rys.1-4. Na potrzeby programu zakupiono i opracowano polskie dane pogodowe w postaci Typowego Roku Meteorologicznego TRM [28] (do analizy zachowania elementów budowlanych podczas normalnej eksploatacji) oraz trwają prace nad danymi Wilgotnościowego Projektowego Roku Odniesienia - WPRO (do analizy w niesprzyjających, ekstremalnych warunkach) [28] dla Warszawy. Zweryfikowano i uzupełniono bazy danych materiałowych i typowych przegród, a także przetestowano program Rys. 1. Sposób definiowania danych materiałowych w programie WUFI-POL. 390

4 Rys. 2. Sposób definiowania przegród budynku w programie WUFI-POL. pod względem numerycznym (stabilność i zbieżność rozwiązania) dla polskich danych pogodowych dla istniejącej bazy materiałów budowlanych. Dane przegrody, dla której chcemy wykonać obliczenia cieplno-wilgotnościowe, definiuje się korzystając z bazy danych materiałowych, Rys.1, lub przez bezpośredni wybór z bazy danych przegród typowych, Rys.2. W pełnej wersji programu dane w obu bazach można dowolnie modyfikować oraz wprowadzać do nich nowe elementy. Klimat zewnętrzny definiowany jest poprzez wybór miejscowości, w której zlokalizowany jest analizowany obiekt, Rys.3. Dla każdej lokalizacji w bazie danych pogodowych (w aktualnej wersji w Polsce, Niemczech, Finlandii i USA) program posiada wszystkie niezbędne do obliczeń dane pogodowe TRM i WPRO: chłodnego i gorącego. Możliwe jest uwzględnienie w obliczeniach wpływu zacinającego deszczu. Klimat wewnętrzny może uwzględniać zmiany temperatury i wilgotności względnej powietrza, w tym także zgodnie z normą EN-ISO (w aktualnej wersji zaimplementowana jest odpowiadająca jej norma niemiecka), Rys.4. Program pozwala ingerować użytkownikowi w model matematyczny zjawisk cieplno-wilgotnościowych (np. eliminacja przepływu wilgoci w postaci cieczy, pominięcie ciepła przemian fazowych), a także parametry sterujące obliczeniami numerycznymi. Podczas obliczeń na ekranie pokazywane są graficznie zmiany rozkładu temperatury, wilgotności względnej i zawartości wilgoci w analizowanej przegrodzie budowlanej, Rys.5, które można nagrać do późniejszego odtworzenia. Wyniki obliczeń przedstawiane są głównie w postaci graficznej, Rys. 6. Program podaje też w postaci tabelarycznej całkowite zawartości wilgoci w poszczególnych warstwach przegrody w wybranych chwilach czasu (w wersji demonstracyjnej na początku i końcu obliczeń), Rys

5 Rys. 3. Sposób definiowania danych pogodowych w programie WUFI-POL. Rys. 4. Sposób definiowania klimatu wewnętrznego w programie WUFI-POL. 392

6 Rys. 5. Sposób przedstawienia wyników (zmian rozkładu temperatury, wilgotności względnej i zawartości wilgoci) podczas obliczeń programem WUFI-POL. 3. PRZYKŁAD OBLICZENIOWY Aby zademonstrować praktycznie możliwości programu WUFI-POL, wykonano za jego pomocą obliczenia dotyczące wysychania z wilgoci technologicznej, tradycyjnej, nie otynkowanej od zewnątrz, ściany z cegły pełnej, ocieplonej 12 cm warstwą wełny mineralnej, Rys.2. Ściana ta była położona na elewacji zachodniej i podczas obliczeń uwzględniono wpływ zacinającego deszczu. Analizowano okres 3-letni, podczas którego przyjęto 3- krotnie powtórzone, dane pogodowe TRM dla Warszawy. Otrzymane w wyniku obliczeń, zmiany zawartości wilgoci w ścianie oraz jej poszczególnych warstwach, a także zmiany gęstości strumienia ciepła na powierzchniach ściany przedstawiono na Rys.6. Jak widać, brak tynku zewnętrznego i zachodnia orientacja elewacji (dominujący kierunek wiatrów w Warszawie) powodują, że zewnętrzna warstwa cegły narażona jest na silne zawilgocenie od opadów atmosferycznych i jej zawilgocenie tylko w nieznacznym stopniu zmniejsza się podczas eksploatacji budynku, podlegając okresowemu wzrostowi podczas deszczu, któremu towarzyszy wiatr z kierunków zachodnich. Chwilowe profile temperatury, wilgotności względnej i zawartości wilgoci w analizowanej ścianie w dniu 6 stycznia pokazano na Rys.5. Zaznaczono na nim także kierunki strumieni ciepła i wilgoci na powierzchniach zewnętrznych i na styku poszczególnych warstw, co bardzo ułatwia analizę zjawisk fizycznych zachodzących w przegrodzie. Opcja 393

7 ta może być bardzo przydatna podczas zajęć dydaktycznych oraz prac projektowych do analizy porównawczej różnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych. Na Rys. 7 podano zawartości wilgoci w poszczególnych warstwach ściany: wartości maksymalne i minimalne dla analizowanego okresu, oraz na początku i na zakończenie obliczeń, które standartowo są zamieszczane w raporcie końcowym. Jak widać, w zewnętrznej warstwie cegły pełnej zawartość wilgoci wzrosła podczas 3 pierwszych lat eksploatacji budynku. Rys. 6. Wybrane wyniki obliczeń analizowanej przegrody warstwowej z cegły, możliwe do uzyskania programem WUFI-POL: a) zmiany całkowitej zawartości wilgoci w poszczególnych warstwach; b) zmiany gęstości strumienia ciepła na powierzchniach ściany; c) zmiany całkowitej zawartości wilgoci w ścianie Rys. 7. Zmiany zawartości wilgoci [kg/m 3 ] w poszczególnych warstwach analizowanej przegrody z cegły podczas 3-letniego okresu wysychania z wilgoci technologicznej. 394

8 4. UWAGI KOŃCOWE Program WUFI-POL został już praktycznie przetestowany podczas zajęć dydaktycznych z Fizyki Budowli prowadzonych na Politechnice Łódzkiej. W pełni potwierdziły się jego zalety: wygoda i łatwość wprowadzania danych i prowadzenia obliczeń, przyjazny użytkownikowi interfejs, przejrzystość prezentowanych wyników w postaci graficznej i tabelarycznej. Sprzyja to szerszemu wprowadzeniu w Polsce tego programu do praktyki projektowej i dydaktyki na wyższych uczelniach technicznych. Zgodnie z polityką niemieckich autorów programu, jego wersja demonstracyjna, która może być bardzo przydatna w dydaktyce, będzie rozprowadzana w Polsce bezpłatnie poprzez internet, [29]. Istnieje więc szansa szerszej popularyzacji wśród inżynierów i osób nauczających Fizykę Budowli tego nowoczesnego, sprawdzonego narzędzia do praktycznych analiz zjawisk cieplno-wilgotnościowych w przegrodach budowlanych. 5. LITERATURA [1] GLASER H., Graphisches Verfahren zur Untersuchung von Diffusionvergangen, Kalttechnik, 11, , [2] EN-ISO 13788, Hygrothermal performance of building components and building elements. Estimation of internal surface temperature to avoid critical surface humidity and calculation of interstitial condensation, CEN, [3] WITCZAK K., Opracowanie programu komputerowego do obliczeń cieplno wilgotnościowych wg normy europejskiej EN Analiza zjawisk cieplno wilgotnościowych w przegrodach budowlanych przy pomocy programu WUFI (praca magisterska), promotor: dr hab. inż. D Gawin, Politechnika Łódzka, Łódź, [4] CRAUSSE P., BACON G., BORIES S., Etude fondamentale des transferts couples chaleur-masse en milieu poreux, Int. J. Heat Mass Trans., 24, , [5] KIESSL K., Kapilarer und dampfförmiger Feuchtetransport in mehrschichtigen Bauteilen. Rechnerische Erfassung und bauphysikalische Anwendung (Dissertation), Universität-Gesamthochschule Essen, Essen, 1983 [6] KOHONEN R., A method to analyze the transient hygrothermal behaviour of building materials and components (Ph.D. thesis), Technical Research Center of Finland, Publ.21, Espoo, [7] KARAGIOZIS A.N., Overview of the 2-D Hygrothermal Heat-Moisture Transport Model LATENITE, Internal NRC/BPL report, NRC of Canada, Toronto, 1993 [8] KÜNZEL H.M., Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components, IRB Verlag, [9] HÄUPL P., GRUENEWALD J., FECHNER H., STOPP H., Coupled heat, air and moisture transfer in building structures, Int. J. Heat Mass Trans., 40, , [10] HENS H., Annex 24 - an example of international cooperation in HAM-design, CIB Proc., Publication 173, KU-Leuven & CIB-Rotterdam, 1994 [11] PŁOŃSKI W., Problem wilgoci w przegrodach budowlanych, Arkady, Warszawa, 1968 [12] LEŚNIEWSKA M., POGORZELSKI J.A., Badania ruchu kapilarnego wody w niektórych materiałach budowlanych, Arch. Inż. Ląd., 22(2), (1976) 395

9 [13] LEŚNIEWSKA M., POGORZELSKI J.A., Wpływ porowatej struktury materiałów budowlanych na ruch kapilarny wody, Arch. Inż. Ląd., 27, (1981) [14] KUBIK J., Próba termodynamicznego opisu procesów obróbki termicznej betonu, Arch. Inż. Ląd., 32, , [15] WYRWAŁ J., Ruch wilgoci w porowatych materiałach i przegrodach budowlanych, Studia i Monografie, z.31, Wyższa Szkoła Inżynierska w Opolu, Opole, 1989 [16] R. WÓJCIK, Wpływ temperatury i wilgoci na współczynniki kinetyczne dyfuzji i termodyfuzji betonu komórkowego (praca doktorska), Politechnika Łódzka, Łódź, 1990 [17] H. GARBALIŃSKA, Ocena współczynnika dyfuzji wilgoci w izotermicznym procesie wysychania zapraw cementowych (praca doktorska), Politechnika Szczecińska, Szczecin, 1992 [18] GAWIN D., A numerical solution of coupled heat and moisture transfer problems with phase changes in porous building materials, Arch. Civil Engng, 39(4), , [19] GAWIN D., BAGGIO P., SCHREFLER B.A., Modelling heat and moisture transfer in deformable porous building materials, Arch. Civil Engng. Vol. 42, , [20] WYRWAŁ J., ŚWIRSKA J., Problemy zawilgocenia przegród budowlanych, Studia z Zakresu Inżynierii Nr.44, KILiW PAN, Warszawa, 1998 [21] KUBIK J., ŚWIRSKA J., WYRWAŁ J., Popowodziowe zawilgocenie budowli, Studia i Monografie z.107, Oficyna Wyd. Politechniki Opolskiej, Opole, 1999 [22] GAWIN D., Modelowanie sprzężonych zjawisk cieplno-wilgotnościowych w materiałach i elementach budowlanych, Rozprawy Naukowe z.279, Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź, [23] GAWIN D., KOSSECKA E., KONIORCZYK M., Wilgotnościowy projektowy rok odniesienia do analiz procesów cieplno-wilgotnościowych w elementach budowlanych, Mat. XLVIII Konf. Krynica 2002, t. 3, , Krynica, [24] BOBOCIŃSKI A., Symulacja stanu wilgotnościowego lekkich przegród zewnętrznych programem WUFI, Mat. 7 Konf. Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, 29-36, Łódź, [25] BOBOCIŃSKI A., POGORZELSKI J.A., Symulacja komputerowa wysychania ścian ceglanych i betonowych ocieplonych metodą lekką mokrą, Mat. 5 Konf. Energodom 2000, 33-40, Kraków Zakopane, [26] WITCZAK K., KOSSECKA E., GAWIN D., Wpływ doboru danych pogodowych na wyniki symulacji przepływu ciepła i wilgoci w ścianach budynków, referat zgłoszony na 9 Konf. Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, Łódź, [27] KARAGIOZIS A., WUFI-ORNL-IBP a North American hygrothermal model, Mat. Konf. Performance of Exterior Envelopes of Whole Buildings VIII: Integration of Building Envelopes, (na CD), Clearwater Beach, Florida, [28] GAWIN D., KOSSECKA E. (red.), Typowy Rok Meteorologiczny do symulacji procesów wymiany ciepła i masy w budynkach, Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź, [29] IBP, Wersja demonstracyjna programu WUFI, Powyższa praca została wykonana w ramach finansowanego przez Komitet Badań Naukowych projektu badawczego Nr 7 T07E