Guide: Sådan designer du til naturlig ventilation med vores beregnere

Case

Denne case viser, hvordan WindowMaster’s beregnere kan hjælpe i designfasen med at give et indledende estimat af det naturlige ventilationsdesign. Vi tager udgangspunkt i et enkelt rum med 2 ventilerede zoner for at sammenligne det nødvendige åbningsareal og antal vinduer baseret på forskellige ventilationsprincipper og designkriterier.

Design baseret på ensidig ventilation vil give en betydeligt lavere ydelse end tvær- eller opdriftsventilation. Det er derfor vigtigt at afstemme sine forventninger med det anvendte ventilationsprincip.

Om sommeren kan naturlig ventilation resultere i et meget behageligt indeklima med høje luftskifte og luftbevægelse eller effektiv natkøling. Men på grund af udetemperaturen om sommeren er det teoretiske kølepotentiale begrænset. Når man designer ud fra et kølebehov, bør man derfor sætte forventningerne derefter. Ellers kan resultatet blive et utilsigtet stort åbningsareal.

Hvis man udelukkende designer ud fra det minimale ventilationsbehov, kan det resultere i et begrænset design, der er utilstrækkeligt til sommerperioden.

Generelt anbefaler vi derfor, at man dimensionerer de oplukkelige vinduer, så man opnår et meget alsidigt design. En af fordelene ved at bruge automatisk styrede vinduer er, at det er billigt at øge ventilationskapaciteten ud over det daglige standardbehov. Det kan være relevant i scenarier, hvor der er behov for ekstra ventilation.

Designløsninger

Til denne case overvejes to forskellige designkoncepter.

Løsning 1 (simpel)

Alle automatisk styrede vinduer har samme størrelse. De vil blive designet til at håndtere både ventilation og køling.

Løsning 2 (avanceret)

De automatisk styrede vinduer vil bestå af to forskellige størrelser. Mindre vinduer i højt niveau og større vinduer i lavt niveau. Brug af forskellige vinduestyper kan give brugerne et højere niveau af kontrol. Ved at reducere størrelsen på de højtsiddende automatiske vinduer reduceres risikoen for træk, og små højtsiddende vinduer er også gode til natkølingsstrategier.

Vi vil dykke ned i det følgende

1. Identificér zoneoplysninger

2. Bestem designkriterier for udeforhold

3. Find det nødvendige åbningsareal

4. Bestem vinduesdimensionerne og antallet af vinduer

5. Bekræft dit design

1. Zoneoplysninger

For denne case vil det nødvendige åbningsareal og antal vinduer blive fundet for følgende zone.

2. Designkriterier

Det er grundlæggende for et vellykket design af naturlig ventilation at specificere passende designkriterier for dimensionering af det automatisk styrede vinduer. Mens mekaniske ventilationssystemer ofte designes ud fra minimumskravene til luftkvalitet, er dette sjældent et godt grundlag for naturlig ventilation, medmindre designet udnytter forskellige vindueskonfigurationer.

Det er også vigtigt at forstå, at kølepotentialet af naturlig ventilation er begrænset om sommeren ved høje udetemperaturer, og at man skal sætte forventningerne derefter, når man specificerer kølebehovet.

Udeforhold

Luftstrømmen gennem vinduerne vil afhænge af udetemperaturen og vindforholdene. De passive kræfter, der driver luftstrømmen for naturlig ventilation, vil generelt være lavest om sommeren, hvor der også er behov for den højeste ventilationsrate på grund af termisk komfort. Sommerscenariet bruges derfor ofte som designkriterium for den maksimale kapacitet for de vinduer/spjæld, der kan åbnes. Følgende udeforhold er et godt udgangspunkt for dimensionering af automatisk styret vinduer til naturlig ventilation i dagtimerne.

• Indetemperatur setpunkt: 23 °C
• Temperaturforskel mellem inde og ude: 3 K
• Vindhastighed: 2 m/s
• Udstrømningskoefficient: 0,61 (CIBSE AM10)

Det kan også være relevant at undersøge luftmængden under koldere forhold, f.eks. en temperaturforskel mellem inde og ude på 10-15 K. Dette skyldes natkøling samt den pulsstrategi, der ofte bruges i de koldere årstider, hvor vinduerne kun er åbne en lille procentdel af tiden, men stadig skal kunne give den gennemsnitlige luftmængde der kræves for frisk luft.

Ventilations- og kølebehov

Designkriterierne for åbningsarealet afhænger af, hvor mange forskellige vindueskonfigurationer der bruges i designet. Hvis en zone kun har én type automatisk styret vindue, anbefales det at designe det maksimale åbningsareal af disse baseret på termisk komfort om sommeren. Her er det vigtigt at sætte rimelige forventninger til sommerluftens kølepotentiale. Derfor er et godt udgangspunkt for et design 20 W/m². Dimensioneringsværktøjet inkluderer ikke effekten af natkøling eller andre kølefunktioner, og kølebehovet skal derfor justeres herefter. 20 W/m² er derfor kun køleeffekten direkte fra tilførselsluften.

• Løsning 1: Vinduerne er designet til at opnå et kølepotentiale på 20 W/m².
• Løsning 2: De mindre højt placeret vinduer er designet til at opnå en acceptable luftkvalitet med 1 L/s/m². De større lavt placeret vinduer er designet til at opnå et kølepotentiale på 20 W/m² i kombination med de mindre vinduer.

For at disse løsninger skal være holdbare, anbefales det også at implementere effektiv udvendig solafskærmning.

3. Find det samlede åbningsareal

Projekteringsværktøjet kan bruges til at finde det samlede åbningsareal til ventilation og/eller køling i en zone eller et rum. Dette vil afhænge af ventilationsraten, designet og ventilationsprincippet. Det er vigtigt for succesen af et naturligt ventilationssystem at vælge passende kriterier, når du dimensionerer det maksimale åbningsareal for dit design. Hvis designets maksimale kapacitet kun er baseret på ventilationskravet for frisk luft, kan du ende med et utilstrækkeligt åbningsareal til f.eks. termisk komfort.

Geometrisk og effektivt åbningsareal

Projekteringsværktøjet viser både det geometriske og det effektive åbningsareal. Det effektive åbningsareal er det geometriske åbningsareal ganget med udstrømningskoefficienten. Udstrømningskoefficienten for et automatisk styret vindue er typisk mellem 0,6-0,7 og repræsenterer tryktabet af luftstrømmen gennem åbningen og potentielle forhindringer som f.eks. insektnet. Det effektive åbningsareal bruges ofte som krav til et design, da dette er en retvisende værdi for, hvor meget luft der vil strømme gennem åbningen inklusive forhindringer.

Løsning 1 (simpel)

Figur 4 viser det effektive åbningsareal som en procentdel af det ventilerede gulvareal baseret på forskellige kølebehov. Baseret på udekriterierne, der er nævnt ovenfor, kan der opnås 20 W/m² med et effektivt åbningsareal svarende til ca. 2% af gulvarealet med tværventilation. Hvis det kun er muligt med ensidet ventilation, er der behov for et betydeligt større åbningsareal (ca. 3 gange så meget). Hvis dette ikke er muligt, kan der foretages potentielle ændringer. Den ene er at øge vinduernes højde (se infoboksen nedenfor for en forklaring). En anden er at placere åbningerne i facaden på forskellige niveauer for at skabe en opdriftseffekt (svarende til løsning 2). Selvom det ikke er lige så effektivt som ovenlysvinduer, vil det stadig have en positiv effekt.

Da det maksimale åbningsareal i denne løsning er baseret på køling om sommeren, er det sikkert at antage, at alle automatisk styret vinduer vil være åbne samtidigt, og vi kan forvente at der vil være tværventilation. Derfor vil det samlede effektive åbningsareal for løsning 1 være 2 m² svarende til 2% af det ventilerede gulvareal.

Løsning 2 (avanceret)

At bruge forskellige konfigurationer af automatisk styrede vinduer kan være en god løsning. For eksempel ved at kombinere små, højt placeret vinduer med store, lavt placeret vinduer. Den store fordel ved mindre vinduer er, at de reducerer risikoen for træk under kølige forhold. I denne løsning kan de mindre vinduer designes ud fra et ventilationsbehov for god luftkvalitet og de større vinduer for at give det ekstra åbningsareal, der er nødvendigt for termisk komfort. Vinduer i forskellige niveauer kan desuden skabe en lille opdriftseffekt ved lave vindforhold, eller når kun ensidet ventilation er muligt.

Figur 5 viser det effektive åbningsareal som en procentdel af gulvarealet baseret på forskellige ventilationskrav. De små vinduer kan dimensioneres ud fra 1 L/s/m² for at opretholde en CO₂-koncentration på under 1000 ppm ved fuld personbelastning. På grund af mere uforudsigelig vinduesdrift i ventilationstilstand kan det ikke altid sikres, at vinduer på begge facader er åbne på samme tid, og det kan være en fordel at designe de mindre vinduer baseret på ensidet ventilation. I dette tilfælde skal de små vinduer derfor have et effektivt åbningsareal svarende til ca. 1% af gulvarealet.

De større vinduer vil blive designet til at opnå den ønskede køleeffekt (20 W/m²) i kombination med de mindre vinduer. Når køling er nødvendig, er det meget mere forudsigeligt, at alle vinduer vil være åbne, da det typisk er en varm sommerdag, og det er rimeligt at designe den samlede åbning, der kræves, baseret på tværventilation. For at opnå en kølende effekt i henhold til figur 4, vil de små vinduer udgøre 0,5 % af gulvarealet, og det effektive åbningsareal af det større vindue skal udgøre det resterende effektive åbningsareal svarende til ca. 1,5 % af gulvarealet.

4. Antal vinduer

Actuator Finder kan bruges til at finde det præcise geometriske åbningsareal for et automatisk styret vindue baseret på vinduets og rammens dimensioner. En af de mest almindelige faldgruber, når man beregner åbningsarealet for et automatisk styret vindue, er, at man ikke tager korrekt højde for forhindringer i rammen. I Actuator Finder kan du angive detaljerede oplysninger om vinduesprofilerne og meget nøjagtigt beregne åbningsarealet for hver vindueskonfiguration.

Tabel 2 viser antallet af vinduer, der kræves til løsning 1 og 2 for at opnå det åbningsareal, der blev fundet med projekteringsværktøjet i det foregående afsnit.

5. Bekræft dit design

Med Lufskifteberegneren kan du undersøge, hvilket luftskifte dit ventilationsdesign kan opnå ved forskellige udeforhold, ventilationsprincipper eller ventilationsstrategier.

For at bruge dette værktøj skal du tilføje en eller flere vinduesgruppe(r) til en zone. Hver gruppe vil bestå af alle de automatisk styrede vinduer de sidder i samme facade og højde. Åbningsarealet svarer derfor til det samlede åbningsareal for disse vinduer.

Figur 7 viser en graf genereret af Lufskifteberegneren for kombineret opdrift- og tværventilation. Du kan hurtigt analysere, hvordan luftskiftet påvirkes, når vindhastigheden og temperaturforskellen øges.

Løsning 1

For løsning 1 i casen ovenfor kan vi se på, hvordan det endelige design vil fungere baseret på forskellige vejrforhold og ventilationsprincipper. Figur 8 viser ventilationsydelsen for løsning 1 baseret på tværventilation i rummet, som udelukkende er baseret på vindtryk.

I praksis, når vindhastigheden er meget lav, kan ventilationsflowet effektivt fungere som ensidet ventilation, især når udetemperaturen er lav. Figur 9 viser luftskiftet i rummet med ensidet ventilation. Hvis man sammenligner ydelsen med tværventilation i figur 9, vil luftskiftet være højere med ensidet ventilation, når temperaturforskellen er ca. 10 °C, og vindhastigheden er under 2 m/s.

Det kan også være relevant at se på ydeevnen som ensidet ventilation for at undersøge, om der potentielt kan implementeres vægge til at opdele zonerne i fremtiden.