(Μαθιουλάκης.) Φυσικός Αερισµός Κτιρίων Φυσικό αερισµό κτιρίων ονοµάζουµε την είσοδο του ατµοσφαιρικού αέρα σε αυτά µέσω κατάλληλων ανοιγµάτων, χωρίς τη χρήση φυσητήρων, µε σκοπό τον έλεγχο της θερµοκρασίας και της ποιότητας του αέρα των εσωτερικών χώρων (π.χ. µείωση της συγκέντρωσης αέριων ρύπων, οσµών κτλ). Η είσοδος και έξοδος του αέρα από ένα κτίριο πραγµατοποιείται επίσης και µέσω διαφόρων σχισµών (infiltratinexfiltratin). Η παροχή του εισερχόµενου αέρα Q (m 3 /h) δίνεται συνήθως από τη σχέση: Q=V*I (1),όπου V (m 3 ) είναι ο εσωτερικός όγκος του κτιρίου, και I (h -1 ) οι ωριαίες αλλαγές του αέρα. Η ροή του αέρα προς το εσωτερικό του κτιρίου καθώς και η έξοδός του από αυτό συντελείται εφόσον η στατική πίεση εξωτερικώς του κτιρίου διαφέρει από την στατική πίεση στο εσωτερικό του i. Η διαφορά των πιέσεων i - προκαλείται κυρίως από δυο αίτια: α) λόγω της διαφοράς της θερµοκρασίας εξωτερικώς του κτιρίου T από την θερµοκρασία στο εσωτερικό του T i, και β) λόγω του πνέοντος ανέµου που προκαλεί ανισοκατανοµή της πίεσης στην εξωτερική επιφάνεια του κτιρίου, όπως για παράδειγµα υψηλές πιέσεις στην προσήνεµη πλευρά και χαµηλές στην υπήνεµη πλευρά του. ιαφορά πίεσης λόγω θερµοκρασιακής διαφοράς Αν ο αέρας ηρεµεί, η πίεση µειώνεται γραµµικά µε το ύψος σύµφωνα µε τη βασική εξίσωση της υδροστατικής: d/dz = -ρg () όπου z, η κατακόρυφη απόσταση από οριζόντιο επίπεδο αναφοράς. Αν ληφθεί ως επίπεδο αναφοράς εκείνο το ύψος στο οποίο οι πιέσεις εντός και εκτός του κτιρίου είναι ίσες, έστω H NPL (Neutral Pressure Level), τότε η διαφορά των πιέσεων σε ένα ύψος H δίνεται από τη σχέση: i - =(ρ ο -ρ i ) g(η-η NPL ) (3) Υπενθυµίζεται ότι ο δείκτης i αναφέρεται στο εσωτερικό του κτιρίου (internal) και ο δείκτης (uter) στο εξωτερικό του. Στο σχ.1 δείχνεται η κατανοµή των πιέσεων σένα πολυώροφο κτίριο.
Σχ.1 Κατανοµή στατικής πίεσης κατά το ύψος κτιρίου (µέσα-έξω) Στο παράδειγµα αυτό είναι προφανές ότι στους χαµηλούς ορόφους θα έχουµε είσοδο του αέρα στο κτίριο, λόγω της µεγαλύτερης εξωτερικής πίεσης, ενώ αντιθέτως στου υψηλούς ορόφους ο αέρας θα εξέρχεται. Αυτό συµβαίνει κυρίως τον χειµώνα που η θερµοκρασία των εσωτερικών χώρων είναι µεγαλύτερη από την θερµοκρασία περιβάλλοντος. Το αντίθετο συµβαίνει το καλοκαίρι δηλ ο αέρας εξέρχεται από το κτίριο στους χαµηλούς ορόφους και εισέρχεται στους υψηλούς ορόφους. ιαφορά πίεσης λόγω πνέοντος ανέµου Η κατανοµή της πίεσης στην εξωτερική πλευρά ενός κτιρίου λόγω πνέοντος ανέµου εξαρτάται από το σχήµα του κτιρίου, από τον προσανατολισµό του ως προς τον άνεµο, τα χαρακτηριστικά του ανέµου δηλ ταχύτητα, επίπεδο τύρβης, ανεµορριπές, τα οποία διαµορφώνονται κυρίως από το ανάγλυφο της περιοχής (δασώδης περιοχή, ορεινοί όγκοι), γειτνιάζοντα κτίρια κτλ. Στο σχ. δείχνεται το προφιλ της ταχύτητας του ανέµου και χαρακτηριστικές γραµµές ροής γύρω από ένα κτίριο. Σχ. Πεδίο ροής γύρω από κτίριο Το σηµείο ανακοπής δηλ το µέγιστο της πίεσης, εµφανίζεται στην προσήνεµη πλευρά του κτιρίου υψηλότερα από το κέντρο βάρους της επιφάνειας της πλευράς αυτής λόγω της ανισοκατανοµής της ταχύτητας του προσπίπτοντος ανέµου. Η ροή στην προσήνεµη πλευρά είναι προσκολληµένη ενώ αποκολλάται στις προσκείµενες προς
αυτήν πλευρές, επηρεάζοντας την κατανοµή της πίεσης (βλ.σχ. 3). ηλ. στις περιοχές αποκολληµένης ροής η κατανοµή της πίεσης είναι γενικώς οµοιόµορρφη και χαµηλή, όπως για παράδειγµα στο πίσω µέρος ενός κτιρίου. Στο σχ. δείχνοναι οι κατανοµές της πίεσης για δυο διαφορετικές διευθύνσεις του ανέµου. Σχ.3 Πεδίο ροής γύρω από κτίριο για δυο διευθύνσεις ανέµου Η στατική πίεση στην επιφάνεια κτιρίων πρακτικώς προσδιορίζεται µέσω πειραµατικών µετρήσεων σε µοντέλα κτιρίων τοποθετούµενων σε αεροδυναµικές σήραγγες και δίνεται από τη σχέση: ρ = c U (4) όπου U, είναι η ταχύτητα του ανέµου και c ο συντελεστής πίεσης. Μετρηµένες τιµές του συντελεστή c πολλαπλασιασµένες επί 100 δείχνονται στο σχ.4, για διάφορες διευθύνσεις ανέµου. Σε κτίρια απλού ορθογωνικού σχήµατος, η πίεση στην προσήνεµη πλευρά µεταβάλλεται συνήθως από 0.5 έως 0.9 της πίεσης ανακοπής του U πνέοντος ανέµου, δηλ του αθροίσµατος + ρ, ενώ στην υπήνεµη πλευρά από -0. έως -0.7 της πίεσης ανακοπής. Στις άλλες πλευρές που είναι παράλληλες προς τον άνεµο µεταβάλλεται η πίεση από -1 έως 0. της πίεσης ανακοπής. Σχ.4 Ισοβαρείς στην επιφάνεια πλευράς κτιρίου για διάφορες διευθύνσεις ανέµου
Η µεταβολή της µέσης τιµής του c σε µια πλευρά του κτιρίου για γωνίες διεύθυνσης ανέµου από 0 0 έως 180 0 δίνεται στο σχ.5 για τρεις σχέσεις ύψους-πλάτους πλευράς κτιρίου. Σχ.5 Κατανοµή µέσης πίεσης σε πλευρά κτιρίου Στο σχ.6 δείχνεται η κατανοµή της πίεσης στη στέγη χαµηλού κτιρίου. Σχ.6 Κατανοµή της πίεσης στη στέγη χαµηλού κτιρίου. Παρατηρούµε στο σχήµα αυτό ότι παρουσιάζονται µεγάλες υποπιέσεις στην γωνία του κατακόρυφου τοίχου µε την οροφή (λόγω µεγάλων ταχυτήτων του αέρα στην περιοχή αυτή) στην περίπτωση µικρής κλίσης της στέγης, ενώ προς τα πίσω (κατάντι) οι πιέσεις αυξάνουν (δηλ µειώνονται οι υποπιέσεις). Συνδυασµός θερµοκρασιακής διαφοράς και πυκνότητας Η συνδυασµένη δράση της διαφοράς πυκνότητας λόγω θερµοκρασίας και του πνέοντος ανέµου µπορεί να εκτιµηθεί (σε πρώτη προσέγγιση) αθροίζοντας τις πιέσεις λόγω των δυο αυτών αιτίων. Στο σχ.7 δείχνεται κατά σειρά, από αριστερά, η επίδραση της θερµοκρασιακής διαφοράς, του πνέοντος ανέµου στην προσήνεµη
(windward) και υπήνεµη (leeward) πλευρά ενός κτιρίου, και τέλος η κατανοµή της πίεσης στις δυο αυτές πλευρές λαµβάνοντας υπόψη την θερµοκρασιακή διαφορά και τον άνεµο µαζί. Σχ.7 Επίδραση θερµοκρασίας και ανέµου στην κατανοµή της πίεσης ενός κτιρίου Ροή µέσω ανοίγµατος Η παροχή αέρα Q µέσω ενός ανοίγµατος (π.χ παραθύρου, ρωγµής κτλ) διατοµής Α, αποτελεί συνάρτηση της διαφοράς της στατικής πίεσης ( i ), της γεωµετρίας του ανοίγµατος και του µήκους του (π.χ. πάχος τοίχου). Αυτό οφείλεται στο γεγονός οτι οι υδραυλικές απώλειες, οι οποίες είναι ίσες µε την διαφορά ( i ) (όταν η ροή είναι από µέσα προς τα έξω), εξαρτώνται ως γνωστόν από τον συντελεστή τριβής λ, το µήκος του ανοίγµατος L και την υδραυλική διάµετρο D h, σύµφωνα µε τη σχέση: L ρ Q i = λ (5) D h A Όταν η ροή είναι στρωτή, η παροχή είναι γραµµική συνάρτηση της διαφοράς πίεσης, ενώ αν είναι τυρβώδης, µεταβάλλεται µε i. Η γενική έκφραση που προκύπτει είναι συνεπώς: n Q = c( ) (6) όπου = i. Ο συντελεστής n παίρνει τιµές κοντά στην µονάδα, για µικρά ανοίγµατα ή µεγάλα µήκη (στρωτή ροή), σε αντίθεση µε µεγάλα ανοίγµατα (δηλ µικρή αντίσταση) στα οποία τείνει στο (τυρβώδης ροή).