4D modelltervezési eljárás az épületgépészetben

2014/4. lapszám | Virág Zoltán Kristóf Gergely Péter Norbert |  3457 |

Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Az általunk megtapasztalt világot évezredek óta jobbára három- dimenziósnak tartjuk: a tárgyakat szélességük, hosszúságuk és magasságuk határozza meg. A téridő, amelyben élünk, négydimenziós, hiszen háromdimenziós a tér és a negyedik dimenzió az idő. A tér egy bizonyos pontjából fel/le, balra/jobbra és előre/hátra vagyunk képesek elmozdulni. Az időt egy negyedik dimenziónak lehet tekinteni.

Kicsit eltér a másik háromtól, mivel csupán egy létezik belőle, valamint látszólag csak egy irányban lehet benne haladni. Majdnem az összes fizikai folyamat, azaz az egyenletek, melyek leírják ezeket a folyamatokat, függenek az idő irányától. A negyedik dimenzió nem a térbeli kiterjedésnek az iránya, hanem időbeli kiterjedést jelent. Ebből következik, hogy a köznapi értelemben vett világ három- és négydimenziós is lehet, attól függően, hogy az idő dimenzióját beleszámítjuk-e. A mérnöki világban a 3D tervezés teljes mértékben elterjedt eljárás.

A tervezői munka során a tervező egy létesítmény megvalósításán dolgozik, mégpedig az épület születése előtti időszakban. Ezt úgy éri el, hogy munkáját és feladatát – a valós életben végezve – először a virtuális világban oldja meg. A mérnöki virtuális világ nagyon komoly világ, hiszen itt válik a gondolatból megvalósítható terv, amely alkalmas a megvalósításra, a létesítmény megszületésére.

A tervezés nagy felelősséget jelent az emberek jó közérzetének kialakítása érdekében, ezért mindenképpen ki kell használni a modern technika minden lehetőségét. Az emberi környezet sokszínűsége és különlegessége igazi kihívást jelent az épületgépészeti tervezés számára. A megfelelő környezet és emberi közérzet biztosítása mellett több tényezőt is figyelembe kell venni. A következőkben röviden ismertetjük az épületgépészet tervezése során alkalmazott megoldásunkat, az épületgépészeti tervezés 4D modelltervezési eljárását.

A rendszerelvű tervezés alapja a 3D tervezés. Ebben az esetben alkalmazni lehet már az elméleti tervezés során a kivitelezési metódusokat. Egy-egy ilyen rendszer kiépítése esetén egyértelműen bebizonyosodik a projekt optimális megépítésének lehetősége. A virtuális térben, ahol a tervezés történik, figyelembe kell venni az építészeti adottságokat és a társtervezői igényeket is.

Háromdimenziós tárgyakat, épületeket tervezőik gyakran csak vetületi képeikkel és metszeteikkel ábrázolják. Ezek a vetületek és metszetek nélkülözhetetlenek a kivitelező munkájához, mivel lehetővé teszik a pontos méretezést, de nem keltenek térbeli hatást. Ha látni vagy láttatni akarjuk a formák valódi karakterét, a térbeli tárgyak ábrázolásához érdemes a perspektivikus vagy az axonometrikus ábrázolási rendszert választani. Aki ezekben az ábrázolási rendszerekben jártas, annak nem jelenthet gondot egy ilyen szemléletes ábrázolás létrehozása.

Az épületgépészeti tervezésnél 4D modelltervezési eljárásunkban lehetőség nyílik arra, hogy a tervezés virtuális világában szimulálni tudjunk egyes áramlási és hőtechnikai eseteket az idő függvényében is. Az épület gépészeti rendszereit a tervezési munkánk során úgy kell, hogy felépítsük, hogy azok kiszolgálják a komplex létesítmények működésekor jelentkező általános és különleges igényeket. A nagyobb létesítmények tervezése 4D modelltervezési eljárással csapatmunkát igényel. Tervezőműhelyünk tagjai a saját munkájuk alapján – mivel a gépészeti tervek és látványtervek 3D modellben készültek – azon szerencsések közé tartoznak, akik már a tervezési időszakban „sétálhatnak” az általuk felépített virtuális térben.

A felépített modellel már könnyebben lehet szimulálni a valóságban előforduló egyes üzemállapotokat. A 4D modelltervezési eljárás nemcsak a teljes modell kiépítésére előnyös, hanem az egyes részletek kidolgozása szempontjából is fontos. Tulajdonképpen a modell az egyes részletek összerakásából áll össze. Ennek megfelelően alkalmas úgy az egész, mint az egyes részletegységek kidolgozására, vizsgálatára és elemzésére.

Az ember megfelelő környezetének kialakítása szempontjából számos fontos feladatot kell megoldani. Az energiafelhasználás csökkentése, alternatív energiaforrások felhasználása, valamint az üzemeltetési költségek figyelembevételével a rendszereinket úgy kell kialakítanunk, hogy az épület használata során biztosíthatók legyenek az emberek által használt élettérben a megfelelő funkcionális és komfortparaméterek értékei.

Minden esetben törekednünk kell arra, hogy a majdan üzemelő létesítmény a lehető legkevesebb fosszilis és elektromos energiát vegye ki a közműhálózatból. A fenntartható épület igényének megfelelően az üzemeltetés költségein túl a környezetet terhelő szennyezőanyag-kibocsátást is csökkentenünk kell. Az építészeti, statikai és épületgépészeti tervezés kiemelten fontos célja az épületek alacsony energiafelhasználásának elérése. Szintén fontosnak tartjuk, hogy az egyes helyiségek, irodák, tárgyalók felhasználási módja, hőterhelése, valamint a hőleadókkal szemben támasztott igény időbeli gyors változásának lekövetése lehetővé váljon.

Az épületgépész feladata, hogy az energia-mátrix felállítása után jól látható legyen, hogy a rendszerünket felkészítjük az alternatív energiaforrások alkalmazására, valamint a későbbi befogadására. Az energetikai rendszerekbe további hővisszanyerőket, korszerű energiaosztályú berendezéseket és távozó energia- és hulladékhő-visszaforgató berendezéseket építünk be. A gáz és az elektromos primerenergia-felhasználás csökkentése érdekében fel kell használni a napsugárzás és a levegő hőjét. A napelemek által termelt elektromos energiát az épületgépész berendezések ellátására lehet fordítani. Energiatároló alkalmazásával lehet biztosítani a különböző energiaforrások felhasználását az energetikai rendszer biztonságos működéséhez.

Minta

Példaként szeretnénk bemutatni egy bonyolult komfortteret, mely egy tudományos központ előcsarnoktere. Az alapterülete 650 m², átlagos belmagassága 17 m. A határoló szerkezet üveg, mely megfelelő árnyékoló szerkezettel van ellátva. A komfortteret bonyolítja, hogy a térben található egy elhatárolt, 200 főt befogadó konferenciaterem, valamint a térben különböző magasságokban könyvesboltok, ruhatár és különféle funkcionális helyiségek. Figyelembe kell venni az emberek számára a különböző térbeli pozíciókban a komfortérzet biztosítását, egyidejűleg az energiaracionalizálási, gazdaságossági, fenntarthatósági és egyéb fontos szempontokat.

A fenntartható épület keretében az előcsarnok kialakítása közös építész, elektromos, gépész, épületszerkezeti társtervezői egyeztetéseknek megfelelően történt. Az előcsarnok energetikai szempontból is igen fontos létesítménye az épület funkcionális egységeinek. A tervezés során figyelembevettük a fenntarthatóság és az energiaracionalizálás szempontjait. Az előcsarnok terében azonban helyi komforttereket biztosítunk a bent tartózkodó emberek részére. Tehát különleges térnek tekinthető az épületben található előcsarnok és konferenciaközpont, melynek megfelelő komfortérzeti kialakításához igen pontos, komfortelméleti alapokon nyugvó számítást kell elvégezni. Egyrészt figyelembe kell venni a külső üvegfelületeket, amelyek télen a hőveszteséget, nyáron a hőterhelést okozzák, másrész számolni kell a belső falak hőmérsékletével is. A felépített modellben dinamikus vizsgálatot végzünk el, a külső hőmérséklet, valamint a napsugárzási intenzitás figyelembevételével. A légállapotot úgy méretezzük, hogy mind az emberek számára fontos komfortérzet, mind az épület állagvédelme szempontjából megfelelő legyen. A fő cél, hogy a gépészeti berendezések optimális mennyiségű energiát használjanak fel a megfelelő belső légállapot kialakításához.

A fenntartható épület energetikai oldalát alaposan felülvizsgáltuk. Az energetikai koncepció a fosszilis energiafelhasználás ésszerűségén és a levegőbe jutó légszenynyezés csökkentésén alapul. Ennek elősegítése érdekében a létesítmény üzemeléséhez az optimális alternatív energiaforrásokat tervezzük beépíteni. Az alternatív energiafelhasználásnál a természetben előforduló, a környezetben rendelkezésre álló, valamint az épület igényeinek megfelelő energiaforrásokra támaszkodunk.

Épületgépészeti megoldásként padlófűtés, padlókonvektor, hűtő-fűtő berendezés, valamint megfelelő időjárási viszonyok mellett gravitációs szellőzés is segíti a megfelelő komfortérzet biztosítását. A szimulációs elemzés első lépéseként az építészeti metszetrajzok alapján, Space Claim szoftver alkalmazásával felépítettük az aula és az ahhoz nagy keresztmetszetekkel kapcsolódó lépcsőház, valamint a négy irodai szint légtereinek háromdimenziós geometriai modelljét. Ennek során, a hálógenerálás megkönnyítése érdekében, elhagytuk a 30 cm-nél kisebb, áramlást nem befolyásoló részleteket, továbbá kialakítottuk a határfelületeken a hő- vagy légáram szempontjából eltérően paraméterezett részfelületeket, melyeket a későbbiekben a légbevezetések és -elszívások, légfüggönyök, szabad keresztmetszetek, hűtött-fűtött részfelületek, napsugárzás, humán és elektromos hőterhelések modellezésére használtunk fel. Az üvegkorlátokat és napárnyékoló membránokat vastagság nélkül, metszőfelületekkel vettük figyelembe.

A numerikus hálót ANSYS Work-bench Mesher szoftver alkalmazásával készítettük az oldalfalak, a padló és a mennyezet közelében, valamint az irodai szinteken hexaéder elemek alkalmazásával, egyéb térrészekben tetraéder elemekkel, mindenhol 30 cm-es vagy annál finomabb térbeli felbontást alkalmazva. Az oldalfalakon kialakuló cold-drop, a padló és a mennyezet hőátadásának pontosabb leírása érdekében sűrített, 5 cm-es felbontást alkalmaztunk a felületekre merőleges irányban, a felületek 30 cm-es környezetében. A numerikus háló teljes elemszáma 3,7 millió.

A szimulációs számítást ANSYS-FLUENT rendszerben végeztük realizable k- turbulenciamodell alkalmazásával. Áramlási sebesség (ki- és belépő térfogatáramok) előírásával modelleztük az elszívási és légbevezetési pontokat, légbevezetés esetében a hőmérséklet előírásával. Mivel a légbevezető fejek réseinek részletes geometriai leírására a teljes aula modelljében nem volt lehetőség, a modellben a légbevezetés a fizikai méreteknél nagyobb keresztmetszeteken történt, így szükséges volt a fúvókák realisztikus toló- erejének figyelembevétele is a légbevezető elem közvetlen környezetében. Ennek értékét részletszámításokkal határoztuk meg a befúvó geometriai adatok és légmennyiség alapján. Nyomás-peremfeltételt egyetlen nyílás esetében, az étkezde felé vezető keresztmetszetben alkalmaztunk. Szintén részletmodell alkalmazásával vizsgáltuk meg a légfüggönyözött fotocellás ajtók hő- és légforgalmát. A részletmodell teljes magasságában tartalmazta az aula légterét az ajtó közelében, továbbá a külső légtér ajtóhoz közeli részét. Az ajtók nyitását a tervezett forgalomnak megfelelő időközönként végzett nyitásokkal és légfüggöny-indításokkal modelleztük. E modellben az ajtó áteresztőképességét a tervezett működésnek megfelelő folytonos időfüggvények szerint változtattuk. A teljes aula elemzésében a légfüggönyöket és a fotocellás ajtókat az időben átlagolt légforgalommal vettük figyelembe, amit a mikromodell alkalmazásával a mértékadó téli és nyári állapotokra határoztunk meg.

Jelentős elektromos hőforrásnak tekinthető az aula légterébe függesztett „médiagömb”, melynek hőteljesítményét a felületen egyenletesen megosztva vettük figyelembe. A humán hőforrásokat egy konferencia esetében bent tartózkodó dolgozók és látogatók tervezett száma alapján a felületi hőterhelésként modelleztük az aula és az iroda földszinti padlóján, továbbá az aula galériaszintjének padlóján, a realisztikus felületi hőmérsékletek betartása érdekében maximálva a hőáramsűrűség értékét.

A napsugárzást az ANSYS-FLEUNT napterhelés modelljének alkalmazásával vettük figyelembe, mely a nap állásának megfelelő irányból, a láthatósági viszonyok szerint, a felületek közvetlen környezetében osztja szét a hőáramot. E módszer lehetővé teszi a határfelületi üvegekben elnyelt hő, továbbá a belső árnyékoló felületeken leadott és azokon áthaladó hő realisztikus modellezését is. A természetes áramlások jelenléte miatt konvergens numerikus megoldás csak tranziens (időben előrehaladó) szimulációval volt elérhető, melyet egy részlegesen bekonvergált stacionárius megoldással inicializálunk. A szimuláció időlépése 1 s volt, a tranziens elemzés eredményét az állandósult állapotnak megfelelő, 10 000 s áramlásidőhöz tartozó állapotban értékeltük ki. A szimulációs eredmények feldolgozása és kiértékelése után a kapott adatokat és eredményeket beépítettük a tervezési munkánkba, és így alakítottuk ki a virtuális térben és időben már működő modellünk alapján a helyiség és az épület épületgépész rendszereit. Számításaink alapján az irodai szellőzőgép szellőzési igénye megegyezik az előcsarnok szellőzési igényével. Egészségvédelmi szempontok nem akadályozzák meg, hogy az irodai rendszer távozó levegőjét az előcsarnok szellőzésére használjuk fel. Ezt a megoldást az is indokolja, hogy a két különböző funkciójú helyiségcsoport használati üzeme megegyezik.

Az irodák szellőzését VRV rendszerrel kiegészített légtechnikai rendszer látja el. A levegő-bevezetést az álmennyezetbe beépített beltéri egységekhez vezetjük, majd anemosz-tátokon keresztül jut be az irodák légterébe. Az elszívott levegő az álmennyezeti téren keresztül légcsatornákkal jut a szellőző gépházba. A távozó, de még megfelelően tiszta levegő kezelése nagyságrenddel kevesebb energiát igényel, mint a friss levegő használata. Ezt a levegőt vezetjük be a szükséges kezelés után padlócsatornán keresztül az előcsarnok légterébe. Az ablaknál kialakítottunk egy árnyékolóval ellátott homlokzatot, melynek átszellőztetését az ablaknál elhelyezett padlókonvektor-rácson keresztül befújt kezelt levegő szolgáltatja. A levegő egy része az üvegfal felső részén, nyitható ablakokon keresztül, természetes úton távozik.

Energetikai szempontból fontos, hogy bizonyos klimatikus viszonyok esetén a homlokzat átszellőztetésére felhasználhatók az üveghomlokzat alsó és felső területén elhelyezett légbevezető és füstelvezető nyílások, melyek méreteit a szimuláció alapján határoztuk meg. Így az üzemelési időszak egy jelentős részében az üvegfal és az árnyékoló közötti teret gravitációs úton szellőztetjük ki. Az előcsarnok területén belül kezelt levegő befúvásával biztosítjuk a megfelelő komfortérzetet. A légvezetési rendszer befúvó elemeinek elhelyezésére az előcsarnok szimulációval méretezett, megfelelő felületét használjuk fel.

A kialakított szellőztető rendszer energetikai szempontból igen kedvező, hiszen lényeges energiamegtakarítást érünk el, és a fenntarthatóság szempontjait vesszük figyelembe az üvegfelület mögötti légrés gravitációs szellőztetésével, valamint az irodai rendszer távozó levegőjének „újrahasznosításának” alkalmazásával. Mindezen épületgépészeti és energetikai rendszerekkel biztosítjuk az épületegyüttes korszerű energiafelhasználását. Környezetvédelmi meggondolásból csak olyan berendezést építünk be, amelyik teljesíti a szabványban rögzített, lakó- és középületekre vonatkozó imissziós zajhatárérték-követelményeket, valamint az érvényes nemzetközi és hazai szabványok által előírt értékeket.

A mérnöki munka során virtuális terünkben már régóta használjuk a három térdimenziót. Terveinket térben elkészítve, az x; y; z koordinátasíkokban elhelyezett térbeli elemekből építjük fel. Tulajdonképpen mindig is használtuk a negyedik dimenziót, hiszen az energetikai, a megtérülési, üzemeltetési költségszámítások és így tovább, mind-mind az idődimenzióban lezajló események előrejelzésére vonatkoznak. A tudomány fejlődésével lehetőségünk nyílt arra, hogy virtuális tervezői terünkben is olyan időben lefolyó és változó folyamatokat szimuláljunk, melyek befolyásolják a megvalósuló épületben a benntartózkodó emberek komfortérzetét és környezeti paramétereit. Az épületgépész mérnök az emberi komfortkörnyezet kellemessé tételén kell, hogy dolgozzon. Ennek a célnak az eléréséhez szükségünk van olyan gondolkodásbeli és technikai fejlődésre, melynek segítségével a mai igényeknek megfelelő különleges terek komfortméretezését már a négydimenziós virtuális térben is el tudjuk végezni.

Látható a fejlődés, hogy a tervezői virtuális világban is előreléphetünk, és megvalósíthatjuk a 4D modelltervezési eljárással azt a lehetőséget, hogy még közelebb kerülhessünk a való világ folyamatainak megismeréséhez és a komfort megvalósításához. Megjelent a 4. dimenzió a tervezés virtuális világában, már rajtunk múlik, hogy ezt használni tudjuk!

---