Fugtmodulet - Avanceret fugtsimulering i konstruktioner og bygninger

Når man installerer fugtmodulet i BSim, bliver programpakkens modul til analyse af energi- og indeklimaforhold i bygninger (tsbi5) udvidet med en mulighed for at simulere fugtforholdene i en vilkårlig bygning modelleret i BSim.

Med fugtmodulet kan der foretages analyser af fugtvariationer i indeklimaet, fugtophobning i konstruktionerne samt kondensrisiko på overflader. Til dette formål er BSim-databasen blevet udvidet med sorptions- og desorptionsegenskaber for byggematerialer.

Fugtmodulet er valideret gennem sammenligning med feltmålinger i konkrete byggerier og med programmet Match.

Komplet beregning af bygningers varme- og fugttekniske forhold
Fugtmodulet udnytter en model til dynamisk beregning af fugtforhold i indeklimaet og bygningsdele. Samlingen af beregningerne i et værktøj giver bedre muligheder for både at analysere de indendørs fugtforhold og for at vurdere fugttilstanden i bygningers klimaskærm og inventar.

En bygnings fugtforhold afhænger meget af de termiske tilstande i bygningen, af hvordan bygningen bliver brugt, samt af dens anlæg for opvarmning, køling og ventilation. Alle disse aspekter dækkes af den integrerede model.

Den nye model finder anvendelse ved undersøgelse af:

• Brugen af byggematerialer og inventar til at moderere udsving i det indendørs fugtniveau
• Vurdering af indendørs luftkvalitet
• Forudsigelse af fugtforhold i bygningskonstruktioner under hensyntagen til de indendørs klimatiske betingelser
• Fugtens indflydelse på den energimæssige ydeevne af udstyr til konditionering af den indendørs luft samt på ventilationsbehovet.

Baggrund

Fugt i indeklimaet er en af de vigtigste faktorer der påvirker den indendørs luftkvalitet. Mange sundhedsrelaterede problemer i indeklimaet kan relateres til fugtige bygninger (Clausen et al., 1999). Fugtniveauet i en bygning afhænger af faktorer såsom fugtkilder, ventilation og luftbevægelser, oplagring af fugt, opvarmning, isolering, udeklimaet, materialer i bygningsdele og inventar samt af bygningens brugere. Blandt disse kan materialers evne til at ophobe og udjævne ekstreme fugtpåvirkninger være en vigtig faktor.

Adskillige tiltag er tidligere udført for at beregne bygningers fugtforhold. Traditionelt har man betragtet fugtforhold i klimaskærmen ved at vurdere det indendørs dugpunkt i forhold til temperaturen i konstruktioner de steder, hvor fugten kunne have adgang, eller man har opstillet skemaer til beregning af dampdiffusion under stationære forhold - den såkaldet Glasers metode. Siden er der udviklet mere nøjagtige, dynamiske beregningsmodeller af de samme forhold, der tager hensyn til det betragtelige tidsmæssige perspektiv, der gør sig gældende ved ophobning af fugt i bygningsmaterialer. MATCH modellen (Pedersen, 1990) er et eksempel på sådanne beregninger, der finder nytte ved vurdering af fugtforholdene for bygningsdele, der påvirkes af kendte inden- og udendørs klimatiske forhold.

Mange bygningssimuleringsprogrammer, fx tsbi5 i BSim har været i stand til at beregne en stationær fugtbalance for indeklimaet ud fra momentane beregninger med udgangspunkt i ventilationsluftens fugtindhold og den indendørs fugtproduktion. Ved teoretiske vurderinger af materialers fugtbufferevne har man også kunnet vurdere indtrængningsdybde af fugt i materialer ved fx en cyklisk fugtpåvirkning, men sådanne vurderinger har i reglen kun drejet sig om den ensidige påvirkning af fugt der fra indeklimaet trænger få cm ind i bygningsdele og inventar ved døgnperiodisk påvirkning. Fugtbuffermodeller har i almindelighed ikke betragtet indtrængning i sammensatte konstruktioner med samtidig temperaturgradient - sådan som man ser det i bygningers klimaskærm.

Den nye fugtmodel for en hele bygning kan ses som en kombination af kendte dynamiske fugtberegningsprincipper for sammensatte bygningskonstruktioner med en model for indeklimaets fugtbalance.

Fugtforholdene kan ikke bestemmes uden at kende de termiske forhold. Det er derfor oplagt at den nye model er udviklet som en udvidelse til en eksisterende model for termisk simulering af bygningers indeklima og konstruktioner. De termiske beregninger for en hel bygning er i sig selv ganske omfattende, og skal kunne tage hensyn til mange varierende betingelser for drift af en bygning. Den termiske beregning i en eksisterende model vil i forvejen være valideret, og for mange brugere vil der eksistere en velkendt grænseflade. Det er derfor naturligt, at den nye model er udviklet i BSim.

Fugtmodel for en hel bygning

Den dynamiske fugtmodel for en hel bygning - dens indeklima og klimaskærm - er udviklet som en udvidelse af tsbi5, der er den termiske bygningssimuleringsmodel i BSim2002. I BSim2002 opfattes en bygning som bestående af et antal zoner, der adskilles fra hinanden og fra udeklimaet ved bygningens konstruktioner. En fugtbalance sættes op separat for hver zone. Balanceligningen udtrykker at fugtighed udveksles ved ventilation og luftskifte med udeklimaet og med tilstødende zoner. Yderligere udveksles fugt mellem luften i en zone og overfladerne af tilstødende konstruktioner, og der frigives fugt som følge af aktiviteter i zonen. Balanceligningen er dynamisk, så den tager hensyn til luftens egen buffervirkning.

Beregningsmodellen gennemfører samtidige instationære beregninger af fugtforholdene i alle konstruktioner i en bygning. I disse beregninger udgør de tilgrænsende zoner eller udeklimaet randbetingelserne for hver af konstruktionerne.

Følgende påvirkninger af indeluftens fugtforhold tages i betragtning:

• Fugttilførsel fra tilstødende konstruktioner
• Tilførsel af fugt fra forskellige kilder og aktiviteter, fx fordampning fra personer, tøjvask og -tørring, badning, madlavning, industrielle processer, befugtning og lufttørring, og andet
• Indtrængning af fugt fra udeklimaet (ved infiltration og udluftning)
• Tilførsel af fugtig luft fra ventilationssystemer
• Fugtig luft tilført fra andre zoner ved opblanding

Modellen for fugttransport i konstruktionerne betragter dampdiffusion som transportform. Fugttransporten internt i konstruktionerne bestemmes på en instationær måde, idet materialernes sorptionskurver benyttes til at indregne deres fugtbuffervirkning. Lagene i en sammensat bygningskonstruktion er inddelt i et passende antal kontrolvolumener. For hvert kontrolvolumen opstilles en balance mellem hvor meget fugt, der tilføres og afgives ved diffusion, og hvor meget fugtindholdet ændres mellem tidsskridtene. Sorptionskurven benyttes til at omregne fra de ændrede fugtindhold til de relative fugtigheder og dermed forbunde damptryk, der driver diffusionen. For sorptionskurven er det muligt at tage hensyn til den hysterese, der hyppigt ses i sådanne kurver, hvilket vil sige at materialerne ændrer egenskaber for fugtoptag alt efter om de er ved at tørre ud eller fugte op.

Modellen tager også hensyn til latent varmetransport, så fugt der fortættes i materialerne afgiver sin kondensationsvarme, når materialernes fugtindhold stiger, eller en tilsvarende varmemængde optages i materialer, der tørrer ud.

Fugtudvekslingen mellem konstruktionernes overflader og de tilstødene zoner styres af det konvektive fugtovergangstal. Dette tal beregnes udfra det tilsvarende varmeovergangstal og den såkaldte Lewis relation, der sammenknytter de to. I BSim kan varmeovergangstallet enten være en fast størrelse, der kan vælges for hver overflade, eller modellen kan beregne overgangstallet løbende ud fra algoritmer for naturlig konvektion ved overflader og strålingsudveksling mellem overfladerne i et rum.

Beregningsmodellen benytter en implicit differensmetode, der altid sikrer numerisk stabile beregninger.