Stedenbouwfysica
Bouwfysica 4 2011
19
Droge atmosferische depositie op gebouwen Een oriënterend windtunnelonderzoek naar patronen van droge atmosferische depositie op gebouwgevels
Droge atmosferische depositie is verantwoordelijk voor vervuiling van de gebouwde omgeving en kan daarmee afbreuk doen aan de esthetiek en de duurzaamheid van een gebouw. Deze studie (afstudeeronderzoek) geeft op basis van windtunnelonderzoek met diverse gebouwconfiguraties inzicht in de specifieke patronen van droge atmosferische depositie op verticale vlakken in de gebouwde omgeving.
Droge atmosferische depositie
ir. G.E. (Esther) Slaat, LBP|SIGHT, Nieuwegein prof.dr.ir. B.J.E. (Bert) Blocken, TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde dr. D. (Dirk) Goossens, KU Leuven, afdeling Geografie
Droge atmosferische depositie vindt plaats als partikels die in de atmosfeer aanwezig zijn naar een oppervlak toe bewegen en er vervolgens op neerslaan zonder dat daar bij water of andere componenten betrokken zijn. Deze partikels zijn verantwoordelijk voor de vervuiling van de atmosfeer, het oppervlaktewater, de natuur en de gebouwde omgeving en kunnen voorkomen in gas vormige of vaste fase. Atmosferische depositie is een gevolg van menselijk han delen en van natuurlijke processen. De mens is verant woordelijk voor vrijkomende partikels, in diverse samen stellingen, door onder andere de landbouw, het verkeer, de industrie en diverse vormen van energieopwekking. Oorzaken van natuurlijke aard zijn bijvoorbeeld wind erosie, vulkaanuitbarstingen en branden. Dit onderzoek is gericht op partikels in de vaste fase, die afgezet worden op verticale vlakken in de gebouwde omgeving. De herkomst van de partikels is hierbij niet van betekenis.
Processen van droge atmosferische depositie Voordat de droge partikels daadwerkelijk neerslaan op de gebouwde omgeving zijn ze onderhevig aan een reeks processen (figuur 1). Allereerst worden de partikels uitge
1 Schematische voorstelling van emissie, transport en droge depositie
stoten, bijvoorbeeld door de schoorstenen van een fabriek (1). Na deze emissie worden de partikels meegevoerd met de luchtstroming in de atmosfeer (2). Het is mogelijk dat sommige partikels door chemische reacties in de atmo sfeer een andere samenstelling verkrijgen (3). Door dis persie worden de partikels vervolgens verspreid over een groot gebied (4), waarna ze worden opgenomen in een bepaalde regio (5). Uiteindelijk worden de partikels afge zet op een oppervlak (6). Voor de afzetting van een partikel op een verticaal of horizontaal oppervlak is de luchtstroming rond dat opper vlak van essentieel belang. Figuur 2 illustreert door mid del van stroomlijnen de belangrijkste luchtstromings patronen bij een obstakel. De luchtstroming in het open veld anticipeert op het aanwezige obstakel en wijkt gelei delijk uiteen rond het gebouw (1,7). Een gedeelte van de luchtstroom bereikt de loefzijde van het gebouw en wordt vervolgens zijwaarts, opwaarts of neerwaarts geleid. De stagnatiezone wordt veroorzaakt door overdruk aan de loefzijde en is gepositioneerd op ongeveer 70% van de hoogte van het gebouw (2). De neerwaarts gerichte lucht stroom genereert een staande wervel voor het gebouw met nabij het grondoppervlak een tegengestelde richting als die van de hoofdstroming (3). Aan de bovenzijde van het gebouw wordt de opwaarts stromende lucht geschei den van de loefzijde (4). Ten gevolge van de onderdruk
20
4 2011 Bouwfysica
www.nvbv.org
Windtunnelexperiment Specificaties windtunnel Windtunnelexperimenten zijn uitgevoerd om de depositiepatronen van droge partikels op verticale vlakken van schaalmodellen van gebouwen te onderzoeken. Deze experimenten zijn verricht in de windtunnel van het GeoInstituut van de Katholieke Universiteit Leuven in Vlaanderen, België. Deze windtunnel is geschikt voor zowel windstromingsexperimenten als voor sedimentatieexperimenten. De configuratie van de windtunnel is geïllustreerd in figuur 3.
2 Windstromingspatroon loodrecht op een gebouw. De wind waait van links naar rechts
3 Longitudinale doorsnede van de Leuvense windtunnel met testposities P01 en P02 ((1) bovenste testsectie; (2) onderste testsectie; (3) toevoer sediment) (afmetingen in mm)
zone aan de bovenzijde van het gebouw slaagt de lucht stroming er niet in zich weer te hechten aan het oppervlak (5). De belemmerende werking van het gebouw veroorzaakt aan de lijzijde een onderdrukzone, waardoor de luchtstroom omgeleid wordt richting het gebouw (6) [1]. Een partikel ondervindt verschillende invloeden wanneer het een gebouw nadert. In beginsel heeft een partikel een beginsnelheid in de x-, y- en z-richting en wordt de neer waartse snelheid bepaald door de zwaartekrachtversnel ling. Daarnaast bepalen de partikelconcentratie, de tem peratuurgradiënten en de turbulente, elektrostatische, magnetische en Brownse krachten het af te leggen traject van een partikel [2]. Bij de eigenlijke depositie van parti kels zal de met partikels beladen luchtstroom in de over drukzone aan de loefzijde van een gebouw versnellen naar de randen van het gebouw. Volgens Pesava [3] bevinden de maximale depositiesnelheden van droge par tikels zich aan deze boven- en zijranden van de loefzijde. Als gevolg daarvan worden op deze locaties de hoogste depositiegraden geconstateerd. Ter hoogte van de over drukzone aan de loefzijde van het gebouw bezitten de partikels een lage snelheid, waardoor de depositiegraad hier laag is. Vergelijkbare patronen vindt men uit experi menten en CFD-simulaties van slagregen op gebouwen, waarbij de slagregenpatronen worden beïnvloed door het zogenaamde wind-blocking effect van het gebouw. Het wind-blocking effect is te definiëren als de verstoring van het stromingspatroon stroomopwaarts van het gebouw, meer bepaald de remmende werking op de windsnelheid door precies de aanwezigheid van het gebouw [4].
De windtunnel is van het gesloten type en staat opgesteld in een verticaal vlak, met het aanloopkanaal boven (of onder, naargelang de selectie) het terugloopkanaal. De tunnel beschikt over twee testsecties. De bovenste test sectie (1) is geschikt voor experimenten met relatief lage windsnelheden (minimaal 0,4 m∙s-1, maximaal 8 m∙s-1). Door de kleinere diameter is de onderste testsectie geschikt voor experimenten met relatief hoge windsnelhe den (minimaal 4 m∙s-1 en maximaal ongeveer 45 m∙s-1). Vanwege de lage windsnelheden in de bovenste testsectie is deze gebruikt voor het verkrijgen van alle experimen tele data. De metingen van de diverse aerodynamische parameters hebben plaatsgevonden op posities P01 en P02 in figuur 3. De depositieproeven hebben plaatsgevonden op positie P01. Tijdens de proeven is sediment toegevoegd aan de luchtstroming in de windtunnel op positie (3) met behulp van een volautomatische doseerbalans met instel baar toevoerdebiet. De toevoer van sediment aan de luchtstroom gebeurde op een continue wijze en werd zo ingesteld dat de stofconcentratie ter hoogte van positie P01 betrekkelijk constant bleef tijdens de proeven en ook vergelijkbaar was voor alle experimenten.
Onderzoeksparameters Het doel van het windtunnelexperiment is het onderzoe ken van het effect van de gebouwconfiguratie op de depo sitiepatronen op de loefzijde van de modellen. Derhalve zijn de oriëntaties en de afmetingen van de modellen gevarieerd tijdens de verschillende experimenten. De ori ëntatie van het gebouwmodel loodrecht op de luchtstro ming varieert voor elk gebouw met 0˚, 22,5˚ en 45˚. Daar naast variëren de hoogte, de breedte en diepte van de gebouwmodellen in veelvouden van 25 mm zoals afge beeld in figuur 4. Door de beperkte hoogte van de testsec tie van de windtunnel (60 cm) en de gekozen strijklengte (600 cm), en de als gevolg daarvan beperkte dikte van de grenslaag (ongeveer 20 cm), is de maximale hoogte van de gebouwmodellen beperkt tot 10 cm. Om de condities in de windtunnel te beschrijven, zijn de volgende parameters op posities P01 en P02 bepaald: het gemiddeld snelheidsprofiel, het verticaal verloop van de turbulentie-intensiteit, de horizontale en verticale verde ling van de partikelconcentratie in de testsectie, en de horizontale en verticale variaties in de korrelgrootteverde ling van het sediment in de testsectie.
Sediment Het sediment, zoals afgebeeld in figuur 5, is verkregen via een uitvoerig proces van drogen, vermalen en zeven. Het herkomstmateriaal is bruine kalkhoudende löss vergaard
Stedenbouwfysica
in Korbeek-Dijle in België. De löss werd eerst zorgvuldig gedroogd, daarna geplet om de grootste aggregaten te ver malen, en vervolgens gezeefd door middel van standaard zeven met maaswijdtes van respectievelijk 125 en nadien 63 µm. Herhaaldelijke identieke preparaties van het sedi ment door Goossens [2] hebben uitgewezen dat het sedi ment is samengesteld uit 4% klei (<2 µm), 84% silt (2 tot 63 µm) en 12% zand (>63 µm). De grootst aanwezige korreldiameter is 104 µm. De dichtheid van het sediment is afhankelijk van de korreldiameter en varieert van 2.000 tot 2.760 kg∙m-3 [5].
Testprocedure Door vochtig filterpapier aan te brengen op de gebouw modellen zullen partikels die zich afzetten op de verticale wanden permanent aan de wand blijven kleven, en wordt het neerslagpatroon zichtbaar. Vóór elk experiment wordt het bovenste kanaal van de windtunnel grondig gereinigd, waarna het gebouwmodel wordt gepositioneerd op positie P01. Bij inschakeling van de windtunnel is tijdens de eerste seconden, waarin het snelheidsprofiel zich ontwikkelt, het gebouwmodel afgedekt door een doosconstructie, zodat geen voortijdige depositie op het model kan plaatsvinden. Zodra de gewenste windsnelheid is bereikt, wordt de doos constructie via een katrolsysteem tot tegen het dak van het testkanaal opgetrokken en wordt de stoftoevoer met behulp van de doseerbalans gestart. Het gebouwmodel bevindt zich vervolgens gedurende 2 minuten in de met partikels beladen luchtstroming. Bij uitschakeling van de windtun nel en de stoftoevoer wordt het gebouwmodel weer afge dekt door de doosconstructie neer te laten. Dit geschiedt binnen een fractie van een seconde om te beletten dat de dalende doos het stofpatroon op het model verstoort. Tijdens alle proeven was de vrije stroomsnelheid ingesteld op 2,25 m∙s-1. Bij de gegeven afmetingen van de windtun nel (testkanaal 120 cm breed en 60 cm hoog) is dat ruim voldoende om een volledig turbulente stroming in het kanaal te waarborgen. De minimumwaarde van het tunnelReynoldsgetal u ⋅ [( L + B ) / 2)] / ν , met u de vrije stroom snelheid, L en B respectievelijk de lengte en breedte van u* ⋅kinematische h) / ν het kanaal en v (de viscositeit van de lucht, is voor de hier gebruikte tunnel gelijk aan 3.900 [6, 7]. De (u ⋅experimenten x) /ν waarde tijdens de was 138.700, dus ruim schoots uhoger. B ) / 2kan )] / νmen gemakkelijk berekenen dat de ⋅ [( L +Ook stroming volledig ruw-turbulent was. Het criterium daar voor is (u* ⋅ h) /ν > 70, met u* de sleepsnelheid, h de hoogte van het gebouwmodel en v de kinematische visco ⋅ x) /νde hier gebruikte modellen varieerden de siteit [8].(uVoor waarde van 308 tot 616 naargelang het geldt u ⋅ [( L +model. B ) / 2)]Verder /ν dat de minimumhoogte van de gebouwmodellen ook ruim schoots voldoende was om dynamische (u* ⋅ h) /νgelijkvormigheid van de stroming (onafhankelijkheid van het Reynoldsgetal) te verkrijgen. Het Reynoldsgetal (u ⋅ x) /ν , met u de vrije stroomsnelheid, x de strijklengte en v de kinematische vis cositeit, was 9,25x105. De verhouding x/h, met x de strijklengte en h de hoogte van het gebouw, varieerde van 48,5 tot 97 afhankelijk van het gebruikte model. De maxi male waarde van x/h om bij simulaties zoals die welke hier worden besproken nog dynamische gelijkvormigheid van stroming te verkrijgen is bij een Reynoldsgetal van 9,25x105 vrijwel exact gelijk aan 1000 [9], dus ruim boven die in de experimenten. Bij alle proeven was dus ruim aan alle simu
Bouwfysica 4 2011
21
4 Onderzochte configuraties van gebouwmodellen (afmeting in mm)
5 Het gebruikte sediment (a) 40x vergroot; (b) 100x vergroot; (c) 400x vergroot
6 Resultaat van een depositie-experiment met oriëntatie 0° (de pijl geeft de stromingsrichting weer)
latie-eisen voldaan. Dit alles betekent, dat de resultaten van de windtunnelexperimenten daadwerkelijk extra poleerbaar zijn naar gebouwen op ware grootte. Figuur 6 toont het resultaat van een experiment, waarbij een gebouwmodel van 50 mm x 50 mm x 50 mm is geposi tioneerd met de voorgevel loodrecht op de windstroming. Het oppervlak van de onderplaat toont een duidelijk patroon met minder partikels rond het gebouwmodel, waar de windsnelheden maximaal waren, en een duidelijke stag natiezone aan de voorzijde. Omdat de onderplaat droog was gedurende het hele experiment, vormen de daar zicht bare neergeslagen partikels niet noodzakelijk het deposi tie-, maar wel het accumulatiepatroon. Door de verhoogde windsnelheid aan weerszijden van het model (een gevolg van de concentratie van de stroomlijnen wanneer de lucht om het model heen buigt) is het mogelijk dat hier de win derosiedrempel wordt overschreden en kunnen gesedimen teerde partikels dus mogelijk weer wegwaaien. Omdat in deze studie de interesse uitging naar het depositiepatroon en niet het accumulatiepatroon, moet er worden vermeden dat er erosie plaatsvindt op de wanden van het gebouw model. Dit wordt gerealiseerd door het filterpapier op de wanden te bevochtigen. Een vochtgehalte van 3 tot 5 % is
22
4 2011 Bouwfysica
www.nvbv.org
Resultaten Oriëntatie
7 Depositiepatronen voor gebouwconfiguratie 1 (zie figuur 4) met oriëntatie (a) 0°; (b) 22,5°; (c) 45°
Figuur 7 toont het depositiepatroon op het frontale opper vlak van een vierkante voorgevel (configuratie 1 in figuur 4) bij oriëntaties van respectievelijk 0°, 22,5° en 45°. Door het verhoogde contrast van de afbeeldingen zijn de depositiepatronen goed zichtbaar, waarbij de rode pixels een hoge depositiegraad vertegenwoordigen en de gele pixels een lage depositiegraad. In (a) is de depositie het grootst op de bovenste helft van de gevel en is de afne mende gradiënt naar onder toe duidelijk zichtbaar, vooral op de linkerhelft. Nabij de zijribben slaan er beduidend minder partikels neer. De smalle gele strook aan de bovenzijde van het frontale oppervlak in (a) treedt typisch op bij gevels loodrecht op de stroming (alle onderzochte modellen met een gevel loodrecht op de stro ming vertoonden deze strook), maar verdwijnt van zodra de wind schuin op de gevel inwaait zoals in (b) en (c). Een duidelijke karakteristiek is de brede strook met lagere depositie aan de onderzijde van de gevel, die door de staande wervel vóór het gebouw wordt veroorzaakt [11, 12]. Ook bij de schuin georiënteerde configuraties (b) en (c) is dit kenmerk zichtbaar. De zijwaartse depositie gradiënt wordt ook sterker naarmate het gebouwmodel schuiner in de wind staat.
Hoogte
8 Depositiepatronen met oriëntatie 0° op de voorzijde van (a) configuratie 1; (b) configuratie 2; (c) configuratie 3
9 Hoogte van de strook met lage depositie, voor de configuraties 1, 2 en 3
reeds voldoende om winderosie van fijne sedimenten zoals in deze studie te voorkomen [10]. De loefzijde van het gebouwmodel is ogenschijnlijk egaal bedekt met fijne partikels. Door fotoanalyse is het echter mogelijk het contrast te verhogen waardoor de relatieve depositiepatronen zichtbaar worden. De afzetting van de partikels op de loefzijde van de gebouwmodellen kan hiermee op een kwalitatieve manier zichtbaar worden gemaakt.
De resultaten van de experimenten met de configuraties 1, 2 en 3, geïllustreerd in figuur 8, tonen het effect van de hoogte van het gebouw op het depositiepatroon. Dezelfde kenmerken die al eerder zijn genoemd zijn zichtbaar: de brede strook met een lage depositie aan de onderzijde van het frontale opper vlak; een hoge depositie op de bovenste helft van de gevel, met een afnemende gradiënt naar beneden toe; en een lage depositie nabij de zijranden. De neerwaartse gradiënt is goed zichtbaar in (b) en (c) maar is ook in (a) waarneembaar. Daarnaast lijkt de depositie van partikels in de bovenhoeken toe te nemen naarmate het gebouw hoger wordt. Alle depositiepatronen, ook die op schuine gevels, verto nen een brede strook met een lage neerslag aan de basis van het oppervlak. Vanwege het wind-blocking effect en de invloed van de afmetingen op dit verschijnsel [12] is de hoogte van die strook onderzocht voor de verschillen de hoogtes van de gebouwmodellen. De afmetingen van de gebouwen zijn gekwantificeerd met behulp van de Building Scaling Lengte [13]. De Building Scaling Length (BSL) is gedefinieerd als een product van de langste zijde met de kortste zijde van het naar de wind gekeerde oppervlak en wordt berekend door: 1 (1) BSL = ( BL BS2 ) 3 BSL = Building Scaling Length BS = lengte van de korte zijde van het naar de wind gekeerde oppervlak BL = lengte van de lange zijde van het naar de wind gekeerde oppervlak
[mm] [mm] [mm]
Figuur 9 illustreert de relatie tussen deze vormparameter en de hoogte van de strook met lage depositie voor de con figuraties 1, 2 en 3. Hoewel de bepaling van de hoogte van die strook enigszins arbitrair moest gebeuren, is er voor de
Stedenbouwfysica
Bouwfysica 4 2011
frontale oppervlakken een duidelijke verdikking van de strook waar te nemen naarmate de BSL groter wordt. De schuine oriëntaties van 22,5° en 45° daarentegen vertonen geen zichtbare verdikking bij toenemende BSL.
Breedte De foto’s in figuur 10 illustreren de depositiepatronen op het frontale oppervlak van de configuraties 1, 4 en 5 (uit figuur 4) met oriëntatie 0° (dus loodrecht op de windrich ting). Om een beter beeld te krijgen van de kenmerkende strook met lage depositie aan de onderzijde van het fron tale oppervlak, zijn de figuren horizontaal samengedrukt tot een gelijke breedte. Bij breder wordende gebouwen (dus hoe meer naar rechts in figuur 10) neemt de hoogte van de strook met een lage depositiegraad zichtbaar toe. Wanneer die hoogte uitgezet wordt tegen de Building Scaling Length (figuur 11) is er een significante toename voor alle geteste oriëntaties waarneembaar. De reden daarvoor is de toenemende hoogte van de staande wervel voor het gebouw naarmate het gebouw breder wordt.
10 Depositiepatronen bij oriëntatie 0° voor (a) configuratie 1; (b) configuratie 4; (c) configuratie 5
Conclusies De resultaten van het windtunnelexperiment hebben dui delijke patronen in de depositie op de modellen aange toond, waaronder: - Een hoge depositie van partikels op de bovenste helft van naar de wind gekeerde gevels, met een duidelijke afnemende depositie naar onder toe. - Een lage depositie aan de zijranden van de naar de wind gekeerde gevels. - Een dikker wordende strook met lage depositie onderaan de voorgevel bij toenemende hoogte en breedte van het gebouw. - Een toename van de asymmetrie in het depositiepatroon op de naar de wind gekeerde gevel naarmate het gebouw schuiner in de wind staat. Deze patronen vertonen duidelijke overeenkomsten met slagregenpatronen en zijn grotendeels te verklaren door het wind-blocking effect. Ook bij de slagregenpatronen versterken de hoogte en breedte van het obstakel de waargenomen effecten [4]. De resultaten van het windtunnelonderzoek kunnen rechtstreeks worden gebruikt bij het voorspellen van ver vuilingspatronen op verticale gevels van gebouwen. Dat laat onder meer een betere planning toe van waar, en met welke frequentie, nieuwe of bestaande gebouwen naar verwachting zullen moeten worden gereinigd. n
Bronnen [1] Beranek W.J., Van Koten H., 1979, Beperken van
windhinder om gebouwen, deel 1, Stichting Bouwre search no. 65, Kluwer Technische Boeken BV, Deventer [2] Goossens D., 2005, Quantification of the dry aeolian depositions of dust on horizontal surfaces: an experimental comparison of theory and measurements, Sedimentology 52: p. 859-873 [3] Pesava P., Aksu R., Toprak S., Horvath H., Seidl S., 1999, Dry deposition of particles to building surfaces and soiling, The Science of the Total Environment 235: p. 25-35 [4] Blocken B., Carmeliet J., 2006, The influence of the wind-blocking effect by a building on its wind-driven rain
11 Hoogte van de strook met lage depositie, voor de configuraties 1, 4 en 5
exposure, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 94: p. 101-127 [5] Goossens D., 2008, Techniques to measure grainsize distributions of loamy sediments: a comparative study of ten instruments for wet analysis, Sedimentology 55: p. 65-96 [6] Jones O.C., 1976, An improvement in the calculation of turbulent friction factor in rectangular ducts, Journal of Fluids Engineering 98: p. 173-181 [7] Obot N.T., 1988, Determination of incompressible flow friction in smooth circular and noncircular passages, A generalized approach including validation of the century old hydraulic diameter concept, Journal of Fluids Engineering 110: p. 431-440 [8] Cermak J.E., 1984, Physical modelling of flow and dispersion over complex terrain, Boundary Layer Meteorology 30: p. 261-292 [9] Schlichting H., 1968, Boundary-Layer Theory, 6th edition, McGraw-Hill, New York [10] Logie M., 1982, Influence of roughness elements and soil moisture on the resistance of sand to wind erosion, Catena Supplement 1, 161-173 [11] Sahin B., Akilli H., Karakus C., Akar M.A., Ozkul E., 2010, Qualitative and quantitative measurements of horseshoe vortex formation in the junction of horizontal and vertical plates, Measurements 43: p. 245-254 [12] Blocken B., Dezsö G., Beeck J. van, Carmeliet J., 2010, Comparison of calculation models for wind-driven rain deposition on building facades, Atmospheric Environment 44: p. 1714-1725 [13] Wilson D.J., 1989, Airflow around buildings, ASHRAE Handbook of Fundamentals, pp. 14.1-14.18
23
