Czym jest wentylacja naturalna?

Kontekst ogólny

Wentylacja naturalna w budynkach to metoda, która wykorzystuje naturalne siły wiatru i wyporu termicznego (różnica gęstości między powietrzem zimnym a ciepłym), aby wprowadzić świeże powietrze i skutecznie je rozprowadzić, zapewniając zdrowe, chłodne i komfortowe środowisko wewnętrzne.

Pozwala zapewnić dopływ odpowiedniej ilości powietrza do oddychania, usuwanie zanieczyszczeń, kondycjonowanie cieplne i odprowadzanie wilgoci, sprzyjając dobremu samopoczuciu. Aby była skuteczna, konieczny jest ścisły związek między architekturą budynku a układem przepływu powietrza: bryłą budynku, otoczeniem terenu i rozplanowaniem wnętrza.

Wentylacja naturalna korzysta z sił takich jak wiatr, temperatura zewnętrzna i promieniowanie słoneczne, aby wentylować i chłodzić przestrzenie. Pomaga ograniczyć ślad środowiskowy budynków, sprzyjając efektywnemu wykorzystaniu zasobów i zmniejszając zapotrzebowanie na energię.

Nadejście wentylacji mechanicznej sterowanej zepchnęło ją jednak stopniowo na drugi plan: układy mechaniczne dają precyzyjne panowanie nad strumieniami, ale wymagają dużego zużycia energii elektrycznej i nie są odpowiednie dla wszystkich budynków i klimatów.

Wobec tych wyzwań warto przemyśleć na nowo miejsce wentylacji naturalnej w nowych projektach. Czerpiąc z tradycyjnej wiedzy i dzisiejszego postępu technicznego, można tworzyć nowatorskie i trwałe rozwiązania łączące komfort, jakość powietrza i poszanowanie środowiska.

Wentylacja przez otwieranie okien

Oba przedstawione tu układy (jednostronny i przelotowy) opierają się na zasadzie konwekcji naturalnej: chłodne powietrze wpływa, zastępując ciepłe, co tworzy nieprzerwany ruch powietrza przez budynek.

Wentylacja jednostronna

Wentylacja jednostronna korzysta z jednej elewacji, aby wywołać ruch powietrza. Opiera się na różnicy temperatury i ciśnienia między wnętrzem a otoczeniem: okna lub panele w elewacji wystawionej na wiatry przeważające wpuszczają chłodne powietrze dołem, natomiast zużyte powietrze uchodzi górą (efekt wyporu termicznego).

Zaleca się zatem otwory rozmieszczone pionowo, aby powstała różnica jakości powietrza między dołem a górą. Zbyt duże przestrzenie nie są odpowiednie: zwykle zaleca się głębokość pomieszczenia ≤ 2 razy wysokość w świetle, aby efekty były odczuwalne (według AREC Île-de-France).

Jej główną wadą jest to, że silnie zależy od temperatur zewnętrznych: jej skuteczność spada w okresach upalnych i bezwietrznych, gdy różnice temperatury i ciśnienia są najmniejsze. Trzeba wtedy sięgnąć po wentylację mechaniczną. Stosowana często w budynkach mieszkalnych i handlowych, w których otwory w kilku elewacjach nie są możliwe, pozostaje na ogół mało skuteczna.

Wentylacja przelotowa

Wentylacja przelotowa wykorzystuje różnice ciśnienia między dwoma przeciwległymi otworami, aby wprowadzić chłodne powietrze i usunąć zużyte. Sprawdza się w klimatach, w których wiatry przeważające są regularne i silne, ponieważ zapewnia skuteczną wymianę, odprowadzając ciepło, wilgoć i zanieczyszczenia.

Budynki projektowane pod wentylację przelotową ustawia się tak, aby przechwytywały wiatry przeważające, a otwory rozmieszcza się strategicznie w przeciwległych elewacjach. Metoda ta potrafi utrzymać komfortowe wnętrze i zmniejszyć zależność od wentylacji mechanicznej, co daje oszczędność energii, ale jej skuteczność zależy od warunków meteorologicznych i cech budynku.

Zalety i wady

Wentylacja przez atrium i przez komin

Atrium

Atria to otwarte przestrzenie wewnętrzne, często na kilku kondygnacjach, pełniące rolę świetlika i miejsca spotkań. Ich wentylacja opiera się na zjawisku ciąg termiczny: ciepłe powietrze unosi się naturalnie do góry atrium dzięki różnicy gęstości i jest usuwane przez otwory położone wysoko, tworząc ciąg zasysający, który wciąga chłodne powietrze przez otwory dolne.

Wentylacja naturalna przez komin

Metoda dawna, ale skuteczna: kominy to przewody pionowe, które pozwalają ciepłemu powietrzu uchodzić w sposób naturalny, tworząc zasysanie , które wciąga chłodne powietrze przez otwory dolne. To właśnie ciąg termiczny. Gdy powietrze wewnętrzne się nagrzewa, staje się mniej gęste od zewnętrznego; chłodne powietrze wpływające dolnym otworem wypycha ciepłe przewodem do otworu położonego wyżej.

Kominy mogą być wbudowane w ściany zewnętrzne albo stanowić osobne elementy o różnych kształtach i wielkościach, dobranych tak, by osiągnąć największą skuteczność. Ich wykonanie musi być też zgodne z wymaganiami przeciwpożarowymi i akustycznymi.

Wieża wentylacji naturalnej i VNAC

Wieża wentylacji naturalnej

Wieże wentylacji naturalnej czerpią z tradycji architektonicznych Bliskiego Wschodu (badgiry w Iranie). W postaci wież lub kominów montowanych na dachu wykorzystują prądy powietrza na wysokości, gdzie prędkość wiatru jest większa: przechwytując to chłodne powietrze i kierując je do wnętrza, wywołują ruch powietrza sprzyjający naturalnemu i skutecznemu obiegowi.

Strona wieży zwrócona do wiatru przechwytuje chłodne powietrze, które rozprowadza się w budynku; ciepłe powietrze jest wypierane i uchodzi stroną zawietrzną. Dzisiejsze urządzenia są mniej okazałe niż badgiry: mówi się o nasadzie wentylacji naturalnej.

Zalety: zmniejszenie zależności energetycznej od urządzeń chłodzących (oszczędność energii, mniejszy ślad węglowy), stała wymiana powietrza oraz zdolność do przechwytywania wiatru niezależnie od jego kierunku. Ich skuteczność silnie zależy od prędkości i kierunku wiatru: na terenach o słabych lub nieregularnych wiatrach mogą nie działać optymalnie, a ich projekt musi uwzględniać zmiany ciśnienia i warunki miejscowe.

Wspomagana i sterowana wentylacja naturalna (VNAC)

VNAC łączy zalety wentylacji naturalnej i mechanicznej. Opiera się na inteligentnych czujnikach mierzących warunki zewnętrzne (wiatr, temperatura, ciśnienie, nasłonecznienie) i wewnętrzne (temperatura, CO₂, obecność ludzi). Gdy warunki są korzystne, wstrzymuje wentylację mechaniczną, aby skorzystać z wentylacji naturalnej; w przeciwnym razie włącza wentylację mechaniczną, aby zapewnić wymianę powietrza.

W Saint-Nazaire (Loire-Atlantique) wdrożono konkretny przykład VNAC: samoregulującą wentylację wywiewną z niezależnym wyciągiem dla każdego mieszkania. Zużyte powietrze usuwa się z pomieszczeń mokrych (kuchnia, łazienka, WC) przewodami indywidualnymi wyprowadzonymi na dach, przez duże kominy będące podstawą obrotowych nasad wentylacyjnych, które wykorzystują ciąg termiczny i energię wiatru. Nasady te działają również jako kominy solarne (przeszklone obudowy podnoszą temperaturę na wylocie i poprawiają ciąg), a układ regulacji w każdym mieszkaniu dostosowuje strumienie do potrzeb i klimatu.

Dobór i analizy CFD

Znaczenie analiz CFD

EOLIOS oferuje specjalistyczną wiedzę w zakresie doboru i analizy CFD przewodów i kominów wentylacji naturalnej. Nasze usługi, od projektu wstępnego przez ocenę parametrów po optymalizację istniejących układów, opierają się na zaawansowanych narzędziach modelowania numerycznego, aby optymalizować parametry i sprawność układów wentylacji.

Analiza różnych typów kominów

Oto przykład analiz CFD wykonanych, aby ustalić, który typ komina jest najskuteczniejszy. Po doborze przewodów (z uwzględnieniem strumienia powietrza do usunięcia i kubatury budynku) przebadano różne rodzaje wylotów powietrza. Przed każdą symulacją wykonuje się analizę klimatyczną terenu , aby oszacować najczęstsze kierunki wiatru i jego natężenie, co jest niezbędne do uzyskania wyników zgodnych z rzeczywistością.

Poszczególne wyloty kominów modeluje się w 3D, aby przebadać je metodą CFD: celem jest wskazanie najodpowiedniejszego kształtu przez porównanie strumieni wywiewanych w poszczególnych układach. Powierzchnie przechwytywania i wymiary przewodów są w każdej analizie takie same, aby porównać wyłącznie sprawność ciągu naturalnego.

W zależności od potrzeb projektu i warunków klimatycznych jedne kominy są odpowiedniejsze od innych. Rolą EOLIOS jest oszacowanie, który wylot powietrza będzie najwłaściwszy, wraz z doborem przewodów odpowiadającym potrzebom projektu.

Wentylacja naturalna przewodami indywidualnymi

W tej analizie EOLIOS dobrał przewody indywidualne, aby skutecznie wentylować każdą kondygnację. Poniższe ilustracje pokazują prędkości powietrza w budynku i w przewodach dla dwóch typów kominów (klasycznego stałego i obrotowego) oraz wentylację przelotową przez otwory w elewacji.

Podsumowanie

Wentylacja naturalna daje rozwiązania skuteczne i trwałe, które zapewniają właściwy obieg powietrza. Każdy układ ma swoje zalety i wady, ale wszystkie pomagają tworzyć zdrowe i komfortowe środowisko wewnętrzne. Poprawia jakość powietrza, pozostając energooszczędna, a więc przyjazna środowisku.

Wpisuje się w zrównoważone podejście do budownictwa, korzystając z dostępnych zasobów naturalnych i niemal nie wymagając obsługi; zmniejsza zależność od technologii elektrycznych i ślad węglowy budynków. Jej główną wadą pozostaje zależność od warunków klimatycznych (zwłaszcza od siły wiatru), stąd zmienna skuteczność w zależności od klimatu i położenia.

Dlatego EOLIOS wnosi swoją wiedzę w dobór i wdrożenie wentylacji naturalnej: symulacji CFD, łatwa do zastosowania już na etapie projektu, pozwala wybrać najskuteczniejszy układ.