Slagregen op de gebouwschil

Hoofdstuk 1

De duurzaamheid van een gebouwschil (gevels en daken) is beperkt door degradatie zoals vanwege warmte- en vochttransport, depositie van chemische stoffen, ontwerpfouten en fouten tijdens de bouw. Voor een duurzaam ontwerp is kennis van de blootstelling van het gebouw aan de atmosfeer een vereiste. Een van de belangrijke micro-klimatologische parameters is slagregen (``driving rain'' ofwel ``wind-driven rain''). Deze is gedefinieerd als de regen die door de wind op de gebouwschil terecht komt.

Wanneer we de literatuur over slagregen overzagen, bleek dat de kennis over de kwantificering van de slagregen als funktie van gebouwvorm, wind en regen veel leemtes bevatte. Zo bestonden er geen ontwerpregels voor slagregenmeters en waren er geen resultaten van zowel metingen als simulaties van slagregen in dezelfde situatie gepubliceerd. Ons onderzoek heeft de volgende doelen: (1) het ontwikkelen en testen van slagregenmeters, (2) het gedetailleerd meten van slagregen op de gevel van een gebouw samen met de relevante meteorologische grootheden, (3) het ontwikkelen en toepassen van simulaties en rekenmethodes voor de slagregen op de gebouwschil, met verificatie met metingen in dezelfde situatie.

Hoofdstuk 2

In dit hoofdstuk worden de toe te passen grootheden voor wind, regen en slagregen gedefinieerd. In een ``theoretisch model'' beschrijven we slagregen als funktie van de wind nabij het gebouw en de druppelgrootte. Dit model wordt in hoofdstuk 6 voor onze computersimulaties uitgewerkt en toegepast. De hoeveelheid water die per tijdsinterval op de gebouwschil terecht komt, is de som van individuele regendruppels in dat tijdsinterval. Deze som wordt normaliter gemeten en daarvoor wordt een ``empirisch model'' beschreven, dat in hoofdstuk 5 voor onze metingen wordt uitgewerkt en toegepast.

Hoofdstuk 3

In dit hoofdstuk worden het testobjekt en de meetinstrumenten uitgebreid beschreven.

Als testobjekt is het 45 m hoge Hoofdgebouw op het TUE-terrein gekozen. Het gebouw en zijn omgeving (figuren 3.1-3.6) zijn redelijk eenvoudig van vorm. Een bruikbare referentie van het lokale klimaat kan men bovendien aan de westkant van het Hoofdgebouw, op het Auditorium, meten. De referentiewindsnelheid en -windrichting worden op 45 m hoogte, op een mast op het dak van het Auditorium, gemeten; [Geurts 1997] heeft reeds de eigenschappen van de wind in deze situatie bestudeerd. De referentieregenintensiteit wordt op het dak van het Auditorium gemeten.

Slagregen wordt gemeten op twee posities op eenzelfde hoogte op de westgevel van het Hoofdgebouw (figuren 3.7-3.9). Op een middenpositie (P4/5/7) zijn vier verschillende slagregenmeters vlak naast elkaar geïnstalleerd. Ook wordt daar de windsnelheid vlak aan de gevel (50 tot 125 cm) gemeten. De andere meetpositie (P6) is aan de noordelijke rand van de gevel.

Twee slagregenmeters, een traditioneel ontwerp (TUE-I, figuur 3.13) en een verbeterd ontwerp met een draaiende wisser (TUE-II, figuur 3.14), zijn aan de TUE ontwikkeld. De twee andere slagregenmeters zijn aan de Chalmers Universiteit in Göteborg (CTH, figuur 3.17) en respektievelijk aan de Technische Universiteit Denemarken (DTU, figuur 3.18) ontwikkeld. De vier slagregenmeters verschillen in opvangoppervlakte en meetprincipe (tabel 3.5).

Hoofdstuk 4

De registraties van de vier slagregenmeters op de gevel van het Hoofdgebouw worden in dit hoofdstuk met elkaar vergeleken, teneinde ontwerpregels voor slagregenmeters op te stellen. De ontwerpregels zijn in paragraaf 4.4 samengevat.

De maandelijkse slagregensommen volgens de CTH-, DTU- en TUE-II-meter verschillen binnen 30% van elkaar (tabel 4.1). De TUE-I-meter (zonder wisser) meet ongeveer de helft van de slagregensom; dit geldt ook voor registraties op 10-minutenbasis (figuur 4.1c). Hieruit concluderen we dat een slagregenmeter met een groot opvangoppervlak (ca. 0,5 m$^{2}$) een grote systematische meetfout heeft indien men niet alle opgevangen slagregenwater laat registeren: de wisser van de TUE-II-meter voorkomt immers afdoende dat opgevangen regendruppels verdampen en daarom ongemeten blijven. Het toepassen van een tipping bucket voor het meten van de opgevangen regenflux, zoals bij de CTH-meter, is niet aan te raden voor het bepalen van slagregenintensiteiten op 5- of 10-minutenbasis, omdat de meetnauwkeurigheid voor zulke tijdsbasissen te klein is. Overigens geldt deze aanbeveling ook voor gewone regenmeters, waarmee men regenintensiteiten door een horizontaal vlak meet. Twee andere aanbevelingen zijn (i) het nader onderzoeken van de invloed van de grootte en vorm van het opvangoppervlak met slagregenmeters met hetzelfde meetprincipe, en (ii) het in volle schaal testen van een slagregenmeter met een druppelteller voor het meten van de flux van het opgevangen regenwater [Bijsterbosch 2000]. Hieruit, samen met de bevindingen uit dit proefschrift, kan een in situ eenvoudiger toe te passen slagregenmeter worden ontwikkeld.

In het vervolg worden uitsluitend de resultaten van de goed gebleken TUE-II-meter gebruikt.

Hoofdstuk 5

Dit hoofdstuk begint met een beschrijving van de dataverwerking en -selektie. Tijdens een periode van 24 maanden hebben de volle-schaalmetingen continu plaatsgevonden. Vervolgens komt een algemene presentatie van deze unieke wind-, regen- en slagregenmetingen in de vorm van statistieken, correlaties tussen grootheden en correlaties tussen meetposities aan bod. De meetgegevens zijn beschikbaar via website http://sts.bwk.tue.nl/drivingrain/ .

Een belangrijk resultaat is de grote spreiding in de gemeten slagregenintensiteiten voor nauwe intervallen van de referentiewindsnelheid, -windrichting en -regenintensiteit (zie bijvoorbeeld figuur 5.14). Het verband tussen de twee meetposities aan de gevel is ingewikkeld (tabel 5.4). De grote spreiding wordt verklaard met de dispersie van regendruppels door turbulentie van de wind en met de grote variatie in regendruppelspektra (grootteverdelingen van regendruppels). Dit laatste blijkt uit de metingen van de regendruppelspektra met een disdrometer (figuren 5.20-5.22; onze metingen van regendruppelspektra beslaan slechts 3 maanden). Tevens blijkt dat parameterisaties van druppelspektra uit de literatuur [Wessels 1972] het aantal grote druppels ($D>$ 1,5 mm) onderschatten (figuur 5.22).

Vervolgens komen in het hoofdstuk twee empirische modellen aan bod voor de slagregenintensiteit als funktie van referentiewindsnelheid, -windrichting, -regenintensiteit en positie op de gevel. Model 1 is een eenvoudige empirische formule (vgl. 5.3) volgens [Lacy 1965], waarop de Britse norm BS 8104 [BSI 1992] voor het schatten van slagregensommen op gevels is gebaseerd. Model 1 gaat uit van totalen van de afzonderlijke 5-minutenwaardes over een langere periode (1 of 2 jaar). Uit onze metingen worden de waardes van de parameters van model 1 bepaald, en deze worden vervolgens gebruikt om de slagregenintensiteiten te schatten. De cumulatieve slagregensom over 24 maanden wordt op de middenpositie P4/5 met 4-46% en op de randpositie P6 met 17-34% overschat. De slagregenintensiteiten op 5-minutenbasis en hun maxima worden slecht geschat: 5-8 mm h$^{-1}$ voor de gemeten maxima van 25-29 mm h$^{-1}$.

Model 2 is een door ons voorgesteld verbeterd empirisch model dat preciezer rekening met windrichting en positie op de gevel houdt (vgl. 5.4). Bovendien gaan we uit van afzonderlijke 5-minutenwaardes. Zowel de cumulatieve slagregensom over 24 maanden (afwijkingen van 6-23% voor P4/5 en 8-33% voor P6) als de slagregenintensiteiten op 5-minutenbasis en hun maxima (afwijkingen tot ca. 2 mm h$^{-1}$) worden redelijk tot goed geschat.

Model 2 is dus geschikter voor slagregenintensiteiten op kleine tijdschaal dan model 1. Voor het berekenen van slagregensommen over langere tijd zijn beide modellen bijna even geschikt.

Hoofdstuk 6

In dit hoofdstuk worden de methodes en de resultaten van de computersimulaties van wind en regen rond het Hoofdgebouw en slagregen op de westgevel besproken.

Een standaard $K$-$\epsilon$-model van het programma Fluent (versies 4.4 en 4.5) wordt voor de simulaties gebruikt. Het rekendomein wordt als een ``structured grid'' in cellen opgedeeld, wat helaas op sommige plaatsen tot ongewenste celverhoudingen leidt. Ondanks de beperkingen van het model (zie ook bijvoorbeeld [Murakami et al. 1992]), valt de gesimuleerde windsnelheid vlak voor de gevel bij de middenpositie P4/5 binnen de standaarddeviatie van de gemeten windsnelheid. Verder zijn de gesimuleerde gemiddelde drukcoëfficiënten positief met in situ- en windtunnelmetingen van dezelfde situatie [Geurts 1997] vergeleken.

In de simulatie van slagregen wordt uitgegaan van het reeds berekende windveld nabij het Hoofdgebouw. Bij het berekenen van de banen van de druppels veronderstellen wij dat de regen het windveld niet beïnvloedt en dat regendruppels niet verdampen, niet met elkaar botsen en niet uiteenvallen. We hanteren twee modellen voor het berekenen van de regendruppelbanen, namelijk zònder en mèt turbulente dispersie van druppels (figuur 6.3). Simulaties van slagregen met turbulente dispersie geven duidelijk grotere slagregenintensiteiten dan simulaties zonder turbulente dispersie (figuren 6.16-6.19). Dit komt doordat druppels door de (extra) component van de turbulente windsnelheid makkelijker naar de gevel worden gedreven. Bovendien: hoe langer een druppel langs een gevel vliegt, hoe groter de kans is dat deze door de turbulentie tegen de gevel komt. Tegelijkertijd kan men beargumenteren dat simulaties met turbulente dispersie de slagregen overschatten omdat het $K$-$\epsilon$-model van isotrope turbulentie uitgaat. De gemeten slagregenintensiteiten vallen inderdaad voornamelijk tussen de gesimuleerde slagregenintensiteiten met en die zonder turbulente dispersie. Hierbij gaat het overigens om simulaties die op de parameterisaties van regendruppelspektra door [Wessels 1972] zijn gebaseerd. Duidelijke conclusies aan de hand van de door ons gemeten regendruppelspektra zijn niet mogelijk omdat het aantal spektrametingen met slagregen te beperkt is (een te korte meetperiode).

Hoofdstuk 7

In het laatste hoofdstuk wordt het onderzoek aan de hand van conclusies en aanbevelingen samengevat. Aan de orde komt de vraag onder welke voorwaardes verdere metingen en simulaties kunnen worden gedaan om de kennis over slagregen uit te breiden. Onder andere om onze bevindingen met model 1 en 2 en onze simulaties van turbulente dispersie van regendruppels te controleren, menen we dat het nodig is zodanig verder met in situ-metingen en computersimulaties van andere situaties te gaan dat een redelijke vergelijking met onze resultaten mogelijk is. Hierbij spelen de keuze van het testobjekt (gebouw) met zijn omgevingstopografie, de beperkingen van computersimulaties en de keuze (nauwkeurigheid) van meetinstrumenten een zeer belangrijke rol.