תכנון תרמי – צעד אחר צעד

התכנון התרמי בחברת GreenStage משתנה בין הפרויקטים השונים בהתאם לדרישות בעלי העניין ומאפייני האתר. בהיעדר דרישה אחרת, התכנון התרמי-הסולארי יכלול מספר שלבים עיקריים:

שלב א': ניתוח מיקרו-אקלים

שלב ב': אפיון דרישות מסחרי

בשלב זה נגבש מסמך המסכם את סה"כ דרישות / העדפות היזמים והאדריכלים מצוות התכנון התרמי. המסמך יכלול התייחסות לכלל ההיבטים הטכניים והאסטרטגיים הרלוונטיים ובכללם: הרכב זכוכיות מועדף, מיקומים מועדפים, עיצוב, מבנה, גיאומטריה, נוחות תרמית לדיירים, אורך חיים של מערכת ההצללה, שקיפות הזיגוג, עלויות תפעול (אוורור טבעי / חשמלי), וכמובן גם מסגרת תקציב, לו"ז, חדשנות טכנולוגית, ועמידה בתקני בנייה ירוקה ת"י 5282 ו-ת"י 5281.  

המסמך ייערך ע"י יועץ תרמי מטעם GreenStage, בשיתוף עם היזמים, האדריכלים, מנהלי הפרויקטים וראשי הצוותים השונים.

שלב ג': אפיון דרישות הנדסי

גיבוש מפרט דרישות הנדסי–תרמי. זהו למעשה 'תרגום' של אפיון הדרישות המסחרי לשפה שניתנת למדידה ולהערכה. לדוגמא: המונח 'נוחות תרמית' יבוטא במפרט הדרישות ההנדסי ע"י טווח טמפרטורת רצוי, טווחי אחוזי לחות, סנוור, רעש, איכות האוויר, זמני פעילות ועוד. כל הדרישות יבוטאו באמצעות ערכים פיזיקאליים מוחלטים וברי מדידה.

אפיון הדרישות ההנדסי הוא שלב הכרחי על מנת ליצור שפה משותפת ואחידה בין כל הגורמים השותפים לפרויקט.

שלב ד': איסוף נתונים טכניים

לחומרי המבנה יש השפעה מכרעת על התכנון התרמי ולכן עלינו להכיר את המאפיינים הפיזיקאליים של המרכיבים המרכזיים במעטפת המבנה. בשלב זו ניצור התקשרויות עם יצרני האלומיניום, צלונים, זכוכיות, ואף מערכות חשמליות שונות, על מנת לאמוד ערכים פיזיקאליים כמו: מוליכות תרמית, אמסיביות, מקדם בליעה, הספקים ועוד. לעיתים נבצע בדיקות מעבדה או מדידות בשטח על מנת לאסוף את הנתונים הנדרשים.

בנוסף למפרטים הטכניים, המהנדס התרמי יעיין בהוראות היצרן אודות תנאי הסביבה האופייניים של חומרי המבנה הנ"ל. עלינו להכיר היטב את התנהגות מערכות המבנה תחת חשיפה לתנאי סביבה 'קשים'. לדוגמא: חלק מחומרי האטימה יאבדו מתכונותיהם בחשיפה לטמפ' גבוהות (סכנה לפגיעה באיטום לגשם), ציוד אלקטרוני ייפגע בתנאי לחות גבוהים (קורוזיה), קריאות שגויות של רגשי מדידה תחת חשיפה לקרינת שמש ישירה ועוד.

שלב ה': תכנון תרמי

אחרי שהבנו את דרישות היזמים, והבנו גם תנאי הסביבה והמאפיינים הפיזיקאליים של מערכות המבנה – הגיע הזמן לחבר את הכל.

צוות התכנון יעקב אחר מנגנונים שונים של מעבר חום וזרימת אוויר המתפתחים על גבי ו/או בתוך מעטפת המבנה במטרה לאתר נקודות קיצון תרמיות: אזורים / תנאים עם חשד להתפתחות טמפ' גבוהה או בעיות אחרות. הצוות יבדוק עשרות מסלולים של זרימת חום בהולכה, הסעה, וקרינה; יבחן תהליכים של אידוי עיבוי (שינוי אחוזי לחות באוויר); ויבדוק חסמים לזרימת האוויר, בעיות סירקולציה, ותופעות פיזיקאליות שונות המתפתחות במערכת התרמית של הקיר שלנו.

הצוות ייעזר בחומרי תכנון מהאקדמיה, ניסויים, תצפיות, מדידות וניסיון מפרויקטים קודמים, על מנת להעריך את התנאים המתפתחים בתוך הקיר (חללי אוויר) ובצד השני של הקיר – הצד של דיירי הבניין.

דוגמא לנקודת קיצון תרמית:

מעטפת של בניין משרדים גבוהה הפונה לחזית דרום. יחידת קיר בקומה העליונה בבניין, צהריי יום 21 לחודש דצמבר, תחת שמיים בהירים, טמפ' אוויר גבוהה מאוד, יובש גבוה (לחות נמוכה), זיהום אוויר נמוך, רוח חלשה. בצד האחר של יחידת הקיר יש אלמנט מתכתי (כמו מעלית, קונסטרוקציה, שלבי צלונים או אלמנט עיצובי כלשהו) בצבע שחור מט. יחידת הקיר שקופה למחצה (זכוכית שכבתית Low-e). יחידת הקיר הצמודה לה אינה שקופה (מחיצת בטון / בלוקים / גבס / פח וכו').

בגמר הבדיקות, ובהתאם לממצאים שיתגלו, הצוות ייבחן את מידת ההתאמה בין מפרט הדרישות ההנדסי לבין עומסי החום הצפויים בנקודות הקיצון שנאספו, ויגבש המלצות ראשוניות לגבי השינויים ההנדסיים הנדרשים.

למשל: הגדלה / הקטנה של עובי הזכוכיות, שינוי מיקום פתחי אוורור, הגדלה / הקטנה של פתחי אוויר, שינויים גיאומטריים של אלמנטים עיצוביים שונים (שיפור אווירודינמיות), שינוי גאומטרי של רפפות, שינויים בפילטרים, הוספת מפוחים חשמליים, שינויים בחומרי הבידוד ועוד.

חשוב להדגיש,

תכנון תרמו-סולארי מבוסס על פתרון של משוואות דיפרנציאליות מורכבות עפ"י חוקי יסוד פיסיקליים (כמו חוק שימור האנרגיה, חוק שימור המסה, חוק שימור התנע ועוד), תחת תנאי התחלה ותנאי שפה מוגדרים. במרבית המקרים, ובמיוחד במערכות תרמיות מורכבות, נהוג להיעזר בתוכנות מחשב כדי לפתור את המשוואות. בשלב זה הצורך בשימוש באנליזות ממוחשבות יידון בהתאם לממצאים.

שלב ו': אנליזת CFD – זרימה ומעבר חום

צוות התכנון בשלב יבדוק את מסקנותיו הראשוניות באמצעות אנליזות ממוחשבות. אחד הכלים המוכרים והטובים ביותר לפתרון בעיות מעבר חום וזרימה הן תוכנות CFD. ניעזר באנליזות CFD על מנת לבחון מקרים ותגובות שונות. נבחן תרחישים שונים של תנאי אקלים על חלקי מבנה באזורים ספציפיים, ונבדוק את ההשפעות שלהם על המבנה: טמפ' מתפתחות, זרימת אוויר, הפרש לחצים ועוד.

CFD הוא כלי עבודה חשוב מאוד עבור המתכנן התרמי, אך יחד עם זאת – חשוב להשתמש בו בתבונה. שימוש לא נכון בתכנה עלול לגרום לתוצאות שגויות שאינן תואמות את המציאות.

אנליזות CFD יסייעו למתכנן התרמי לגבש המלצות מהימנות עבור מנהלת הפרויקט.

שלב ז': מסקנות והמלצות

עם גמר התכנון הצוות יגבש דו"ח הנדסי בו יפרט את הממצאים, המסקנות וההמלצות העולות מן המחקר שבוצע. רמת הפירוט וההעמקה בתחומים השונים תהיה עפ"י העדפות הלקוח. הדו"ח ישמש כבסיס הנדסי לתהליכי ההמשך: מעבר מפיתוח לייצור, ייצור, רכש, מכרז קבלנים, ניהול פרויקטים, הרכבות, התקנות ועוד.