CFD Computational Fluid Dynamics Het simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellen
CFD Colofon Redactie Bas de Bont Koos Melse Jort de Bosch Kemper Uitgave April 2011 ZRi adviseurs en ingenieurs Balistraat 1 2585 XK Den Haag T 070 361 55 59 E visie@zri.nl Niets uit deze uitgave mag zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van ZRi verveelvoudigd en/of openbaar worden gemaakt. 2
Simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellen Het simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellen gebeurt al lange tijd in de vliegtuigbouw en ruimtevaart. Maar ook in de bouwwereld wordt deze techniek steeds vaker ingezet. De techniek wordt aangeduid met CFD (Computational Fluid Dynamics), hiermee is het mogelijk stromingen van vloeistoffen, gassen en energie modelleren en te simuleren. Bij een CFD-simulatie wordt een 3D-grafisch model gemaakt van de te berekenen situatie, bijvoorbeeld een gebouw of een ruimte in een gebouw. Alle voor de stromingen relevante informatie wordt in het model opgenomen. Eigenschappen van lucht of andere gassen (zoals rook), materiaaleigenschappen en randvoorwaarden worden ingevoerd. Randvoorwaarden worden in veel gevallen ontleend aan richtlijnen, soms ook betreft het statistische gegevens over heersende windsnelheden, buitentemperaturen enz. Vervolgens wordt een rekengrid aangemaakt binnen het materiaal waarvan men informatie wil hebben. Meestal is dit een rekengid van de lucht in of om het gebouw, maar dit kan ook een rekengrid zijn van een vloeistof of vaste stof. Binnen het rekengrid worden voor alle cellen de vergelijkingen van massa, energie en impuls opgelost. Deze berekeningen vergen een bovengemiddeld uitgeruste computer en een rekentijd, variërend van een paar uur tot een paar dagen, afhankelijk van de complexiteit en grootte van het model. Nadat de berekening is afgerond kunnen resultaten worden gegenereerd. Dit kan zowel numeriek als visueel of door middel van een combinatie van beide. Bij de resultaten kunnen alle eigenschappen van de materialen inzichtelijk worden gemaakt. Veelal is men geïnteresseerd in bijvoorbeeld: luchtsnelheden, temperaturen, stromingsrichting, drukken en concentraties (vervuiling of rookgas). ZRi voert deze berekeningen uit met het softwarepakket FloEFD. De resultaten worden geanalyseerd en vertaald naar concrete adviesrapporten, bijvoorbeeld bestemd voor indiening bij een bouwaanvraag of ten behoeve van optimalisatie van het ontwerp van gebouw en installaties. Toepassingsgebieden De CFD-techniek is op een breed scala aan vraagstukken toepasbaar. Binnen de bouw zijn dit veelal stromingen van lucht of rook. Dit kunnen echter ook stromingen van energie (temperatuurverloop) of vloeistoffen zijn. Bij windsimulaties wordt als het ware een digitale windtunnel opgezet, waarbij het gedrag van de wind rond gebouwen wordt geanalyseerd. Er worden berekeningen uitgevoerd voor een groot aantal windrichtingen. Op deze manier worden CFD 3Computational Fluid Dynamics
CFD Computational Fluid Dynamics Windsimulatie met CFD van een dicht stedelijk gebied, posities met windhinder en windgevaar zijn inzichtelijk te maken de probleemgebieden rond gebouwen opgespoord en wordt gezocht naar maatregelen ter verbetering en optimalisatie. In de gebouwde omgeving wordt dit onderzoek veelal uitgevoerd conform de norm NEN 8091:2006 Windhinder en windgevaar in de gebouwde omgeving. Deze norm bevat zowel de voorwaarden voor de uitvoering van het CFD-onderzoek als de criteria waarop de onderzoeksresultaten worden beoordeeld. Het onderzoek kan voor één enkel gebouw worden uitgevoerd (meestal hoogbouw), of voor een groter stedelijk gebied. In het laatste geval betreft het vaak gebieden met veel voetgangers en fietsers, bijvoorbeeld winkelgebieden, stadscentra of een universiteitscampus. Bij simulaties van het binnenklimaat kan met CFD onderzoek worden verricht naar ventilatiestromen ten gevolge van de klimaatinstallatie of ten gevolge van koudeval of andere luchtstromingsverschijnselen. Hiermee kunnen bijvoorbeeld tochtklachten worden onderzocht of mogelijk voorkomen. Daarbij is het ook mogelijk om bronnen van koude of warmte, zoals radiatoren en koude oppervlakken mee te nemen in de simulatie. Elders in deze brochure is een concreet voorbeeld van deze toepassing getoond (project Nederlands Kanker Instituut- Antoni van Leeuwenhoek Ziekenhuis te Amsterdam). Een andere toepassing is het optimaliseren van voorzieningen voor natuurlijke ventilatie in de gevel. CFD wordt momenteel in de bouwwereld veel ingezet bij brand- en rooksimulaties, bijvoorbeeld in parkeergarages en atria. Hierbij is het mogelijk om tijdsafhankelijk het verloop van temperaturen en de opeenhoping van gassen te simuleren. Bij het ontwerp van parkeergarages worden CFD-berekeningen ingezet ter onderbouwing van een gelijkwaardige oplossing voor grote brandcompartimenten (1.000-10.000 m 2 ). Indien aangetoond wordt dat in het geval van brand met gebruikmaking van een brandventilatiesysteem aan de door de brandweer vastgestelde eisen ten aanzien van temperatuur en rookdichtheid (zichtlengte) wordt voldaan, kan compartimentering van dit soort garages achterwege blijven. De uitgangspunten voor deze berekeningen zijn in normen en richtlijnen vastgelegd. Zie het voorbeeld elders in deze brochure van de parkeergarage in het project Vierhavenstrip te Rotterdam. 4
In het geval van atria in gebouwen kan een CFD-berekening meerder doelen hebben: - Aantonen dat het atrium gedurende langere tijd rookvrij blijft en dus veilig is om als vluchtweg te gebruiken. Het atrium wordt hierbij doorgerekend inclusief een voorziening voor rook- en warmteafvoer (RWA-installatie). - Aantonen dat er geen brandoverslag kan plaatsvinden vanuit het atrium naar omringende bouwdelen. Hiermee wordt voorkomen dat de gevels van deze bouwdelen die grenzen aan het atrium brandwerend moeten worden uitgevoerd. Elders in deze brochure is als voorbeeld van een CFD-berekening van een atrium het project Isala Klinieken te Zwolle opgenomen. Bij brand is het in sommige gevallen van belang om het temperatuurverloop binnen constructies te bepalen. Hiermee kan men bepalen of een constructie zal bezwijken en kan men voorspellen op welk tijdstip deze zal bezwijken. Het wordt dan mogelijk een constructie op brandwerendheid te toetsen. Soms kunnen hierbij kostbare maatregelen voor brandwerende bekleding of coatings worden vermeden. Een CFD berekening kan hierbij dienen als onderbouwing. Bij dergelijke berekeningen wordt CFD ingezet als tool voor Fire Safety Engineering. Op vergelijkbare wijze als bij brand is het ook mogelijk om te rekenen aan thermische isolatie. Hierbij kan de temperatuur in constructies of op oppervlakten van constructies worden bepaald als gevolg van bijvoorbeeld het temperatuurverschil tussen binnen- en buitenklimaat. Hieruit kan men desgewenst ook afleiden of condensatie zal optreden. Het verschil tussen CFD en veel bestaande rekenprogramma s is dat CFD dynamisch is en dus het temperatuurverloop over de tijd kan worden meegenomen. CFD Computational Fluid Dynamics Ook onderzoek naar luchtkwaliteit kan worden uitgevoerd met CFD. Hierbij kan luchtverontreiniging op stedenbouwkundig niveau, bijvoorbeeld ten gevolge van verkeer, of op gebouw niveau, ten gevolge van processen of mensen, worden gesimuleerd. Concentraties van fijnstof, gassen enz. worden bepaald en getoetst aan de voorschriften. Temperatuurverloop Temperatuur in een stalen kolom bij opwarming door brand. 5
Referentieprojecten Vierhavenstrip te Rotterdam brandsimulatie parkeergarage Impressie: Dura Vermeer Vastgoed Referenties Vierhavenstrip te Rotterdam In opdracht van Dura Vermeer Vastgoed is ZRi betrokken bij het ontwikkelen van het project Vierhavensstrip in Rotterdam. Het ontwerp van architecten Buzelaar en Van Son uit Amsterdam omvat in totaal: circa 23.000 m² bvo bebouwing met daarin kantoorruimte, non-profit, onderwijs, horeca, detailhandel en bijbehorende parkeervoorzieningen (ca. 800 plaatsen). Tevens circa 6.000 m² overdekte expeditiestraat, bestemd voor grootschalige en perifere detailhandel. Bij de zeer grote garage (> 5000 m 2 ) werd een CFD-simulatie door de brandweer vereist. De CFD-simulatie diende daarbij aan te tonen dat met gebruikmaking van het brandventilatiesysteem de zichtlengtes en temperaturen binnen gestelde normen blijven. 6
Brandsimulatie parkeergarage De brand is conform de richtlijnen gemodelleerd, waarbij de resultaten rook laten zien. De zichtlengte en temperatuur zijn geanalyseerd en de resultaten gerapporteerd waarmee in dit geval is aangetoond dat werd voldaan aan de eisen. Vierhavenstrip Voorgevel In dit geval ging het om een parkeergarage welke zeer langgerekt was. Door middel van mechanische ventilatie ondersteund door stuwdrukventilatoren wordt de warmte en rook bij brand afgevoerd. Daar het een zeer grote garage uit een reeks identieke elementen betrof, ook wat betreft de ventilatiestromingen, is in overleg besloten slechts één element te simuleren. Conform de richtlijn is een autobrand gemodelleerd waarbij 3 auto s betrokken waren. De positie van de brand is ongunstige gekozen, nabij een trappenhuis dat in dit geval een dode hoek veroorzaakte. Aangetoond is onder meer dat tijdens de brand de zichtlengte in de gehele garage meer dan 30 m bedraagt op een hoogte van 2,50 m. Algemene gegevens van het project Opdrachtgever: Type gebouw: Periode: Architect: Omvang: Dura Vermeer Vastgoed Kantoorruimte, non-profit, onderwijs, horeca, detailhandel en bijbehorende parkeervoorzieningen 2005 - heden Buzelaar en Van Son 23.000 m² bvo Referenties 7Vierhavenstrip te Rotterdam
Nieuwbouw Isala Klinieken te Zwolle brandsimulatie atria Impressie: AMI Voor de nieuwbouw van de Isala klinieken te Zwolle verzorgde ZRi o.a. het opstellen van het bouwfysisch programma van eisen en de integrale advisering van bouwfysica, akoestiek en specifieke brandveiligheidsvragen. Referenties Nieuwbouw Isala Klinieken te Zwolle De architect is Architecten Maatschap Isala waarin samenwerken: a/d amstel architecten, en Alberts en Van Huut B.V.. De nieuwbouw van circa 90.000 m 2 bvo, bestaande uit vier zogenaamde vlinders met elk 5 tot 6 bouwlagen verbonden door een patiëntengang, betreft een compleet ziekenhuis bestaande uit drie beddenhuizen, operatiekamers, intensive care, poliklinieken, radiotherapie met bestralingsbunkers, stafruimten, centraal entreegebied met patiëntenbalies en restaurant. Onder andere de brandveiligheid van de atria is door ZRi onderzocht naar aanleiding van een vraag van de brandweer of een ruimte liggend aan een atrium, op de bovenste bouwlaag, bij brand rookvrij zou blijven. Het atrium had een complexe vorm met veel openingen in het dak en één gevel. Het dak is losgehouden ( opgetild ) ten opzichte van de wanden waardoor een extra ventilatieopening ontstond bovenin de ruimte. Door de complexe geometrie was het niet mogelijk een eenvoudige berekening uit te voeren met een vultijdenmodel. Brandsimulatie atrium In de bovenstaande figuur is de rookdichtheid in het atrium weergegeven. De vraagstelling was of de rook voldoende zou worden afgevoerd. Vanwege de complexe geometrie van het atrium en de vorm en positie van de gevelopeningen was het niet mogelijk deze berekening met een eenvoudig vultijdenmodel uit te voeren. 8
Alle parameters, zoals de grootte en intensiteit van de brand en rookproductie, alsmede de geometrie van de ruimte, zijn in de simulaties meegenomen. Na interpretatie van de uitkomsten zijn de resultaten in een rapportage verwerkt, welke de goedkeuring kreeg van opdrachtgever en brandweer. Algemene gegevens van het project Opdrachtgever: Type gebouw: Periode: Architect: Omvang: Architecten Maatschap Isala Ziekenhuis 2006 - heden Architecten Maatschap Isala waarin samenwerken: a/d amstel architecten, en Alberts en Van Huut B.V.. 90.000 m² bvo NKI-AVL te Amsterdam bepaling verwarmingsvermogen ter voorkoming van koudeval Voor de bouwprojecten van het Nederlands Kanker Instituut/ Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis voert ZRi de integrale advisering uit van bouwfysica, en akoestiek, inclusief het opstellen van het bouwfysisch programma van eisen voor de nieuwbouw en renovatie. vervolg op 10 Referenties 9NKI-AVL te Amsterdam
vervolg van 10 Binnenklimaat Temperatuurverloop en stromingrichtingen ten gevolge van verwarming en koudeval van een glaspui. Onderzoek naar verwaringsvermogen voor voldoende thermisch comfort. De nieuwbouw van circa 20.000 m 2 BVO, in 7 bovengrondse bouwlagen en een dakterras, betreft een compleet ziekenhuis bestaande uit een beddenhuis met 180 bedden, operatiekamers, intensive care, poliklinieken, radiotherapie met bestralingsbunkers, stafruimten, centraal entreegebied met patiëntenbalies, een restaurant dat de nieuw- en oudbouw verbindt en een ondergrondse parkeergarage. Referenties NKI-AVL te Amsterdam De architect van de nieuwbouw en renovatie is De Jong Gortemaker Algra architecten en ingenieurs. De nieuwbouw is gebouwd direct tegen het bestaande ziekenhuis dat tijdens de bouw in bedrijf is gebleven. De nieuwbouw is in de zomer van 2003 opgeleverd. In een ruimte met een grote glazen pui is onderzocht of hier geen hinder als gevolg van koudeval zou optreden. Indien dit wel zou optreden was de vraag wat het vermogen van het verwarmingselement moet zijn om dit tegen te gaan. In de ruimte wordt mechanisch geventileerd met verwarmde lucht, wat deels de luchtstromen in de ruimte bepaalt. Algemene gegevens van het project Opdrachtgever: Nederlands Kanker Instituut / Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis Type gebouw: Periode: Architect: Omvang: Ziekenhuis 1999 - heden De Jong Gortemaker Algra architecten en ingenieurs 20.000 m² bvo 10
ZRi Dienstenpalet Bouwfysica & Akoestiek Professioneel advies omtrent de fysische aspecten van de binnenruimten van gebouwen is onmisbaar voor het realiseren van een comfortabele en gezonde woon- en werk omgeving. Brandveiligheid De adviseurs van ZRi hebben een gedegen en gedetailleerde kennis van de regelgeving op het gebied van brandveiligheid. Door deskundig advies zorgt ZRi voor brandveilige gebouwen en een brandveilige woon- en werkomgeving. ZRi heeft veel ervaring met het ontwikkelen van gelijkwaardige oplossingen binnen de kaders van de regelgeving. Glas- en geveltechniek De gevel moet presteren op meerdere fronten. De architect streeft naar uitstraling, markante vormgeving en transparantie. De gebruiker wil vooral comfort, bruikbaarheid, veiligheid, een duurzaam karakter en een laag energieverbruik. Bij de gevel ontstaat hier in veel gevallen een spanningsveld. De specialisten van ZRi bezitten de kennis van bouwmaterialen en hun eigenschappen en van de specifieke (on)mogelijkheden van allerlei verschillende geveltypes. Programma s van eisen Door in een vroeg stadium volledig in beeld te hebben wat de prestatie-eisen zijn voor een gebouw als geheel en voor de afzonderlijke ruimten, voorkomt u problemen (verassingen) tijdens het verdere ontwerp en de realisatie van het gebouw. Dit geldt zowel voor ruimtelijk-functionele aspecten als voor technische en kwalitatieve aspecten. Duurzaamheid en energie Met oog voor de verschillende schaalniveaus van omgeving, het gebouw en zijn elementen kan ZRi een samenhangend duurzaamheidconcept ontwikkelen met ondermeer aandacht voor energie, water, materialen en flexibiliteit. De duurzaamheid van een gebouw of concept kan gemeten en beoordeeld worden met verschillende instrumenten. Aanbesteden en contracteren De ervaring leert dat eenzijdige contracten, met tegengestelde belangen, niet duurzaam zijn en dus niet leiden tot de gewenste samenwerking. ZRi begeleidt aanbestedingen en het opzetten van bouworganisaties waarbij belangen gelijkgericht zijn. De ervaring leert dat geïntegreerde contractvormen hierbij vaak de basis vormen. Projectmanagement Diepgaande technisch inhoudelijke kennis van gebouwen in combinatie met uitstekend overzicht over het gehele bouwproces stelt ZRi in staat sterk projectmanagement te voeren, waarin kwaliteitsbeheersing een prominente plaats inneemt. Specials ZRi Dienstenpalet CFD Computational Fluid Dynamics Het simuleren van stromingen met behulp van numerieke computermodellen. Hiermee kunnen ondermeer brandsimulaties worden uitgevoerd of ventilatieconcepten worden beoordeeld. Bio-Energicentrales ZRi voert in samenwerking met de gemeente Eindhoven het projectmanagement voor de realisatie van een drietal Bio-energiecentrales in Eindhoven. Voor meer informatie over de diensten van ZRi kunt u contact opnemen met ZRi via welkom@zri.nl 11
ZRi adviseurs ingenieurs ZRi is een landelijk opererend adviesbureau, met kantoor in Den Haag. De activiteiten van ZRi betreffen zowel bouwmanagement in brede zin, door ZRi adviseurs, als bouwtechnisch en bouwfysisch advies, door ZRi ingenieurs. ZRi adviseurs ZRi adviseurs zorgt voor een transparante, vertrouwde en duurzame relatie tussen partijen in bouwprojecten. ZRi adviseert over het selecteren van ontwerpende en uitvoerende partijen, (Europees) aanbesteden en het bepalen van de optimale samenwerkingsvorm. ZRi ingenieurs ZRi ingenieurs zorgt voor een gezonde, veilige en duurzame woon- en werkomgeving. De activiteiten betreffen primair bouwtechniek en bouwfysica. Dit betreft onder andere duurzaam bouwen, brandveiligheid, behaaglijkheid, daglichtbenutting en glas- en geveltechniek. ZRi adviseurs en ingenieurs Balistraat 1 2585 XK Den Haag T 070 361 55 59 E visie@zri.nl I www.zri.nl