Az épületek körül kialakuló szélnyomás hatása

A következőkben bemutatott eredmények alapja az a vizsgálat, amelyet a BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszékén végeztünk a FŐGÁZ Földgázelosztási Kft. megbízásából az épület és épületcsoport körül a szél hatására kialakuló nyomáseloszlás szemléltetésére [4].

A gázkészülékek levegőellátásának és égéstermék–elvezetésének méretezési alapjai

A nyitott égésterű, gravitációs elven alapuló levegőellátással és égéstermék–elvezetéssel működő gázfogyasztó készülékek – amelyek leggyakrabban alkalmazott változata [5] alapján a „B11” alcsoportba sorolható – a helyiségbe lépő szellőzőlevegő belépési pontján és az égéstermék kilépési pontján közvetlen kapcsolatban vannak a külső környezettel.

Az égéstermék–elvezető berendezés bekötési pontján („A” pont) az égéstermék elvezetésére rendelkezésre álló nyomáskülönbséget (PZ) a függőleges szakaszokban a sűrűségkülönbség hatására létrejött természetes huzat, az égéstermék–járat áramlási ellenállása és a kitorkollásnál fellépő nyomás különbsége határozza meg. Az MSZ EN 133384–1 [6] ábrájával szemléltetve (1. ábra):

1. ábra. A B11 alcsoportba sorolt készülék levegőellátásának és égéstermék–elvezetésének méretezésénél figyelembe vett nyomásértékek

A nyomásfeltétel a [6] jelű szabványnak megfelelően:
PZ = PH – PR – PL PW + PFV + PB

A nyomásfeltétel szerint az „A” pontban rendelkezésre álló nyomáskülönbségnek elegendőnek kell lennie a levegő bevezetés és az összekötő elem (más elterjedt megnevezésével füstcső) áramlási ellenállásának legyőzésére, továbbá a tüzelőberendezés üzeméhez szükséges legkisebb huzatigény fedezésére. Az egyenletben szereplő jelölések magyarázata:

PH – az égéstermék–elvezető berendezésben az égéstermék és a környező levegő sűrűségkülönbsége hatására keletkező huzat,
PR – az égéstermék–elvezető berendezés áramlási ellenállása, amely a járat súrlódási és alaki ellenállásából számítható,
PL – az égéstermék–elvezető berendezés kitorkollásánál fellépő nyomáskülönbség, amelyet a méretezés során – a kitorkollás elhelyezkedésétől függően – 0 Pa vagy 25 Pa, esetleg 40 Pa túlnyomás értékkel kell figyelembe venni,
PW – a tüzelőberendezés üzeméhez szükséges legkisebb huzatigény,
PFV – az összekötő elem („füstcső”) tényleges áramlási ellenállása,
PB – a szellőzőlevegő–térfogatáram bejutásához szükséges nyomáskülönbség a külső és a belső tér között.

Hasonló nyomásfeltételi egyenlet írható fel a nem kiegyenlített, szétválasztott égéstermék–elvezetésű és levegő–bevezetésű, a C5 csoportba gázfogyasztó készülékekre, amelyeknél az égési levegő belépés és az égéstermék kilépés nem azonos nyomású térben helyezkedik el (2. ábra).

2. ábra. A C53 alcsoportba sorolt készülék levegőellátásának és égéstermék–elvezetésének nyomásfeltételi egyenlete

Az ábrán látható nyomásfeltételi egyenletben az előző magyarázatokon túl:
PWO – a tüzelőberendezésben rendelkezésre álló maximális nyomáskülönbség [6].

Mindkét ábra szemléletesen mutatja, hogy az égési levegő belépés és az égéstermék kilépés között a szél hatására kialakuló nyomáskülönbségnek szerepe van a nyomásfeltételek teljesülésében. Tekintettel arra, hogy a szellőzőlevegő belépési pontja és az égéstermék kilépési pontja között a szél okozta nyomáskülönbség több tíz pascal nagyságú is lehet, ami a gravitációs huzat okozta nyomáskülönbséget lényegesen meghaladja, a B típusú készülék égéstermékének visszaáramlása következhet be. A szél okozta nagy nyomáskülönbség még a ventilátoros készülékek munkapontjában is jelentős változást idézhet elő.

A szakmai gyakorlat, továbbá a gázfogyasztó készülékek létesítésére kidolgozott és évente felülvizsgált műszaki–biztonsági szabályzat (GMBSZ) alkalmazásának tapasztalatai felvetették az épületek körül kialakuló nyomáseloszlás részletesebb vizsgálatának és további modellezésének igényét, annak érdekében, hogy a B és C típusú gázkészülékek elhelyezésének tervezése megfeleljen a műszaki–biztonsági követelményeknek.

A vizsgálat módszere

Az így felmerülő igény kielégítése érdekében két kiválasztott épületgeometria felvételével vizsgáltuk a nyomáseloszlás kialakulását az épület felületén és az épület környezetében. Az egyik sátortetős, családi ház jellegű épület, a másik többszintes lakóépület. A következőkben a családi ház modelljével kapott vizsgálatok eredményét mutatom be.

A szakirodalomból ismert, hogy a szél a támadott épület egyes felületein túlnyomást, más felületeken jelentős nyomáscsökkenést hoz létre. Egy kéménybalesettel kapcsolatban a BME Gépészmérnöki Kar Áramlástan Tanszékén Lajos Tamás professzor irányításával végzett szélcsatorna vizsgálatok eredményei azt is megmutatták, hogy a szomszédos épületeknek, a melléképületeknek és a fáknak is jelentős szerepük van. A 3. ábra a vizsgálatból származó egyik felvételt mutatja [7] alapján.

3. ábra. A szomszédos épület okozta áramlás szemléltetése szélcsatorna vizsgálattal

A vizsgálatunkhoz felvett családi ház modellt a 4. ábra szemlélteti. Az ábra mutatja, hogy a vizsgálat során feltételeztük: a kémény kitorkollás 0,4 m–rel a gerinc fölött helyezkedik el. A 4. ábrán az is látható, hogy az épületet nem egyedül állva, hanem másik két, hasonló geometriájú épület között vizsgáltuk, tehát a szomszédos épületek befolyásolják a szél hatását. A szél irányát a függőlegeshez képest (0°), 45°, 90° (vízszintes irány), illetve 135° és 180°–os szögekkel vettük fel. A nyomáseloszlást két szélsebesség, 3 m/s (10,8 km/h) és 15 m/s (54 km/h) mellett határoztuk meg.

4. ábra. A szimulációhoz felhasznált geometriai modell

A nyomáseloszlás modellezésére a numerikus szimuláció módszerét választottuk. A CFD felhasználásával a jelenségek virtuális, számítógépes környezetben vizsgálhatók.

A numerikus modellt alkotó differenciálegyenletek

A levegő mozgását a kontinuitási és a Navier–Stokes–féle differenciálegyenlet írja le. A terek hőegyensúlyát az energiaegyenlet, a koncentráció megoszlását az anyagmérleg differenciálegyenlete határozza meg. Turbulens áramlásokról lévén szó, az előzőeken kívül meghatározható az áramlás kinetikus energiájának és a disszipációnak (k–e) az aránya. Az ezekből az egyenletekből álló egyenletrendszert nevezzük a vizsgálat matematikai modelljének [4].

Összenyomhatatlan közeget feltételezve, a modellt alkotó egyenletek az alábbiakban bemutatott alakot veszik fel.

A kontinuitás egyenlete:

, (1)

ahol – a levegő sűrűsége, ui – a levegő sebességének komponense x, y, z irányban.

A mozgásegyenlet:

(2)

ahol – viszkozitás, – turbulens viszkozitás, p – nyomás, k – kinetikus energia, – az ún. Kronecker–delta.

Az energiaegyenlet:

(3)

ahol az előzőeken túl h – entalpia, Q – a térfogategységre vetített hőmennyiség, – a Prandtl– és a Schmidt–számtól függő tényező.

A turbulens viszkozitás:

(4)

ahol K – konstans, – a kinetikus energia disszipációja.

A turbulens kinetikus energia:

ahol – kinetikus energia tényező.

A turbulens kinetikus energia disszipációja

ahol

Standard k–e turbulencia modell

A turbulens áramlást a Navier–Stokes–egyenletek és a kontinuitási egyenlet írja le abban az esetben, ha minden fluktuációt (kisebb és nagyobb mértékű ingadozások, egyenetlenségek, hullámzások az áramlásban) figyelembe akarunk venni. A jelenlegi számítási eszközeink azonban nem képesek leírni az áramlásban létrejövő kisméretű fluktuációkat. Ezek a kis mérető változások pedig elengedhetetlenek a turbulencia jelenségének a szimulációjához.
A k– turbulencia modell lehetőséget biztosít arra, hogy a turbulencia–hatásokat transzportegyenletként kezeljük. Ez rendkívül nagy előny, hiszen a numerikus módszerek kezelni tudják a transzportegyenletet, s az ismert transzportfolyamatok mellett a turbulenciát is modellezni tudják.

A modellezéssel kapott eredmények

Amint az előzőekben bemutattuk, a vizsgálatot öt szélirány esetén (a 4. ábrán 0°, 45°, 90°, 135° és 180°), mindegyik széliránynál két nézetben (a 4. ábra szerint alulról és felülről, azaz szemből és hátulról) végeztük el. Példaképpen a +45°–os szélirányhoz és 3 m/s szélsebességhez, valamint a 90°–os irányhoz és 15 m/s szélsebességhez tartozó eredményeket mutatjuk be.
Az 5. ábrán a 3 m/s sebességű szélhez, a +45°–os szélirányhoz tartozó nyomáseloszlás látható az épület felületén, az épületet elölről nézve.

5. ábra. A nyomáseloszlás az épület felületén, 3 m/s szélsebesség és 45°–os szélirány esetén.

Az épületet elölről nézzük

Az ábra azt mutatja, hogy már 3 m/s (10,8 km/h) szélsebesség esetén is az épület egyes felületein kb. 7 Pa túlnyomás jön létre, más felületeken ugyanakkor –5, – 6 Pa depresszió alakul ki.

Ugyanilyen szélsebesség és szélirány esetén az épületet hátulról nézve a 6. ábrán látható képet kapjuk.

6. ábra. A nyomáseloszlás az épület felületén, 3 m/s szélsebesség és 45°–os szélirány esetén.

Az épületet hátulról nézzük

Hátulról nézve az épületet, kitűnik, hogy nagy felületen 1…2 Pa depresszió alakul ki, de kisebb felületen a depresszió 5…6 Pa is lehet. Ez a nyomáskülönbség komolyan zavarhatja egy kéményes készülék levegőellátását és égéstermékének eltávozását.
A 7. ábra az előzőekben vizsgált esetben a nyomáseloszlást mutatja a kémény mentén haladó, az épület hossztengelyére merőleges, függőleges síkban.

7. ábra. A nyomáseloszlás az épület körül, 3 m/s szélsebesség és 45°–os szélirány esetén. Az épület hossztengelyére merőleges metszet síkja a kéményen halad keresztül Jól látható, hogy az épület támadott felületén csekély túlnyomás jön létre, míg az épület teteje felett egy buborék alakul ki, amelyben a nyomás –2…–3 Pa nagyságú. A kémény környezetében a nyomás –4…–5 Pa.

Ez a nyomáskülönbség kedvező is lehet, ha a levegő bevezető nyílás túlnyomásos felületre esik.
A következő ábrák (8 – 9 – 10. ábra) az épület felületén és a kémény körül kialakuló nyomáseloszlást mutatják abban az esetben, amikor a szélsebessége jelentős, 15 m/s (54 km/h), és a szél a szomszédos épület felől érkezik (iránya 90°), azaz vízszintes.

8. ábra. A nyomáseloszlás az épület felületén, 15 m/s szélsebesség és 90°–os szélirány esetén.

Az épületet elölről nézzük

A 8. ábra azt mutatja, hogy elölről nézve az épület délnyugati sarka közelében a falfelületen 30…40 Pa túlnyomás, ezzel szemben a nyugati oldalfal egyes részein ugyanilyen nagyságú depresszió alakul ki. Ez a depresszió megakadályozza az égési levegő beáramlását az épületbe, sőt, szinte „kiszívja” a levegőt az épületből az itt elhelyezett nyíláson – például levegőbevezető szerkezeten – keresztül.

Az épület hátsó oldalán, a felületeken kialakuló nyomáseloszlást a 9. ábra szemlélteti. Látható, hogy túlnyomásos és a távolabbi környezetnél lényegesen kisebb nyomású sávok váltják egymást.

9. ábra. A nyomáseloszlás az épület felületén, 15 m/s szélsebesség és 90°–os szélirány esetén.

Az épületet hátulról nézzük

A 10. ábra azt mutatja, hogy a szomszédos, a szél irányából megelőző épület hatására hatalmas, nagyon alacsony nyomású légbuborék alakul ki. A modellhez felvett kémény a nagyjából semleges nyomású zónába esik, ha azonban a tetőgerinc másik oldalán lenne, a kitorkollás környezetében erős depresszióval kellene számolni. Ez a kisnyomású tér éppen kedvező lenne, hiszen segítené az égéstermék kiáramlását.

10. ábra. A nyomáseloszlás az épület körül, 15 m/s szélsebesség és 90°–os szélirány esetén. Az épület hossztengelyére merőleges metszet síkja a kéményen halad keresztül A nyomástényező alkalmazása az épület felületén kialakuló nyomások leírására

A szakirodalomban található eredmények és saját vizsgálataink is azt mutatják, hogy a felületen kialakuló nyomás függ az épület jellegétől, a szél irányától, a szomszédos épület hatásától, de befolyásolják a nagyobb növények vagy a domborzati viszonyok is.

A felületen kialakuló nyomásérték meghatározásánál az épület felületén kialakuló nyomást a zavartalan áramláshoz tartozó nyomáshoz viszonyítják [8], [9]:

(8)

Ezt a nyomáskülönbséget osztva a zavartalan térben uralkodó dinamikus nyomással, a nyomástényezőt kapjuk:

(9)

A (10) jelű egyenletből az épület felületén a zavartalan térhez képest kialakuló túlnyomás:

Ha tehát ismerjük a nyomástényező változását a felület mentén, valamint a szél sebességét a zavartalan térben, a felület minden pontjában meg tudjuk határozni a szél okozta túlnyomást.

A CFD modellezés eredményeinek felhasználásával az adott épület geometriára meghatároztuk a nyomástényező függvényét. Például az épület „nyugati”, 1 jelű oldalán a nyomástényező függvényére a 11. ábrán látható görbét kaptuk. A diagram azt mutatja, hogy a felületre vonatkozó átlagos nyomástényező az épület hossztengelyével közel párhuzamos szélirányoknál erősen negatív, tehát a felület átlagában jelentős depresszió uralkodik. Ezzel szemben kb. 35°– os és 145°–os szélirány között a nyomástényező értéke pozitív, tehát a felületen nem túl nagy túlnyomás alakul ki.

11. ábra. A nyomástényező változása az épület széllel támadott, „nyugati” oldalán

Az épület széllel szemközti oldalán a nyomástényező változását a 12. ábra mutatja. Látható, hogy itt csak egy nagyon keskeny szélirány–sávban pozitív a nyomástényező értéke, ebben a tartományban a felületen túlnyomás uralkodik. A szélirány nagy tartományában viszont a nyomástényező értéke negatív, azaz a felületen a nyomás kisebb, jórészt sokkal kisebb, mint a zavartalan áramlásban uralkodó nyomás. Ez nagyon kedvezőtlen lehet a levegő bevezetés szempontjából.

12. ábra. A nyomástényező változása az épület széltől védett „keleti” oldalán

Összefoglalás

A numerikus szimuláció, mint eszköz felhasználásával vizsgálatot végeztünk annak szemléltetésére, hogy a kiválasztott épület geometria – egy sátortetős családi ház – esetében a szélsebesség, a szélirány és a szomszédos épületek mennyire befolyásolják a modellépület felületén kialakuló nyomáseloszlást.
A vizsgálat eredményei azt mutatják, hogy a különböző szélirányok és szélsebességek esetén a nyomáseloszlás erősen megváltozik, mégpedig nagyobb szélsebességek esetén a nyomásváltozás olyan mértékű, ami a gravitációs égéstermék–elvezetés üzemét lehetetlenné teszi. A modellezés azt is megmutatta, hogy a szomszédos épületnek befolyásoló szerepe van a felületi nyomáseloszlás alakulásában.

A felületi nyomások nagyságának és eloszlásának ismerete segítséget ad a levegő bevezető és égéstermék kivezető nyílások elhelyezéséhez.

Irodalom

1. Gáz csatlakozó vezetékek és fogyasztói berendezések létesítési és üzemeltetési műszaki–biztonsági szabályzata, 2. módosítás (GMBSZ 2008), közzétéve: 2009. május 18.
2. 253/1997. (XII. 20.) Korm. rendelet (OTÉK) az országos településrendezési és építési követelményekről, illetve az ezt módosító 182/2008. (VII. 14.) számú Kormányrendelet.
3. MSZ–04–82–1:1985 Lakó– és közösségi épületek kéményei. Fogalommeghatározások és általános előírások
4. Épület és épületcsoport körül a szél hatására kialakuló nyomáseloszlás számítógépes modellezése. Kutatási részjelentés. BME Gépészmérnöki Kar Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék, 2008. november
5. MSZ CEN/TR 1749:2006 A gázkészülékeknek az égéstermék–elvezetés módja (típusok) szerinti európai osztályozási rendszere
6. MSZ EN 13384–1:2002+A2:2008 Égéstermék–elvezető berendezések. Hő– és áramlástechnikai méretezési eljárás. 1. rész: Egy tüzelőberendezést kiszolgáló égéstermék–elvezető berendezések.
7. Prof. Lajos Tamás, dr. Barna Lajos, Ambrózi Gergely: Kitorkollás–módosító szerkezetek vizsgálata. Magyar Épületgépészet, LIX. Évf. (2010) 3. szám, p. 3–6.
8. Lajos T.: Az áramlástan alapjai. 4. átdolgozott és bővített kiadás, Budapest, 2008
9. ASHRAE Handbook 2009 Fundamentals American Society of Heating, Refrigerating and Air–Conditioning Engineers, Inc. Tullie Circle/Atlanta

Dr. Barna Lajos PhD, BME Gépészmérnöki Kar Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék