Eksperimentell validering av modeller for luftinfiltrasjon i bygninger

Abstract

Air infiltration is a crucial factor when calculating energy loss in buildings. In this study, three models for calculating air infiltration are assessed and compared to measured values. One of the models is obtained from Norwegian national standard (NS 3031) whereas the latter from building energy simulation program DesignBuilder (DB). The measurements were conducted in a test building, by using tracer gas method Concentration Decay. The test building was examined in two cases of exposed and partially sheltered conditions. The results from the measurements indicated that infiltration rates were dependent on varying wind speeds and directions, as well as changes in wind exposure. The models from NS 3031 and DB calculating constant infiltration rate, ignore the effect of wind speeds and directions. In exposed conditions, the measured values were overestimated by 50 – 90 % when calculated by NS 3031. In partially sheltered conditions, the measured values were underestimated by merely 20%. A similar trend was found in the wind independent model in DB, however with a higher deviation. The remaining model in DB calculated infiltration rate based on wind pressure coefficients (WPC). In addition to standard WPC from a database, several CFD-simulations were conducted to calculate WPC that reflected the change in shelter conditions. In seven out of nine experiments, the infiltration rate calculated by WPC from the CFD-simulations showed the lowest deviation when compared to the measured values. The remaining two values, however, were highly overestimated. The difference between estimated values and measured results from all models varied depending on wind speeds and directions. Consequently, further investigations are needed to verify these models. Lastly, an annual simulation of energy loss caused by air infiltration was executed with all infiltration models. Depending on the selected infiltration model, the results varied up to 60%.

Luftinfiltrasjon er en viktig faktor ved beregning av energitap i bygninger. I dette studiet ble tre beregningsmodeller for luftinfiltrasjon vurdert og sammenlignet med målte verdier. Én av disse modellene er hentet fra Norsk Standard (NS 3031) og to fra energisimuleringsprogrammet DesignBuilder (DB). Målingene av luftinfiltrasjon ble gjennomført i et testhus ved bruk av sporgassmetoden "Concentration Decay". Testhuset var utsatt for to typer vindskjermingsforhold; eksponert og moderat skjerming fra nord. Resultatene fra feltmålingene indikerer at de målte infiltrasjonsratene var avhengige av varierende vindforhold, og av endringer i vindskjermingen. Modellene fra NS 3031 og DB beregnet konstant infiltrasjonsrate uavhengig av vindforholdene. NS 3031 overestimerte de målte verdiene med 50 – 90% når testhuset var eksponert, og underestimerte de med kun 20% når testhuset var moderat skjermet fra nord. Den vinduavhengige metoden i DB viste samme trend, men med større avvik. Den siste modellen beregnet infiltrasjonsraten basert på vindtrykkoeffisienter (VTK). I tillegg til standard-VTK fra en database, ble VTK fra CFD-simuleringer som gjenspeilet de varierende skjermingsforholdene benyttet. Infiltrasjonsraten beregnet med VTK fra CFD-simuleringer ga det laveste avviket i sju av ni forsøk, imidlertid var de to øvrige verdiene vesentlig overestimert. Estimatene fra alle modellene varierte med forskjellige vindretninger og - styrker sammenlignet med de målte verdiene, og trenger dermed ytterlige undersøkelser for å verifiseres. Avslutningsvis ble også ett års simuleringer utført for beregning av energitapet skapt av luftlekkasjer, der de aktuelle infiltrasjonsmodellene ble benyttet. Resultatene varierte med opptil 60% avhengig av den valgte infiltrasjonsmodellen.