Nationalarenan simulerades fram

Nationalarenan som byggs i Solna ska kunna ta de mest skiftande typer av evenemang med upp till 65 000 i publiken. Med datorbaserade flödessimuleringar kunde konstruktörerna testa mängder av klimatlösningar.

Kraven på klimatlösningarna är höga, när en stor publik avger tre ton svett och fukt i timmen och 5 000 kilowatts värmeeffekt. 44 fläktar i taket ska bidra till bra inneklimat. Illustration: Arenastaden, arkitekterna Krook och Tjäder

Arenakonstruktionen har sina egenheter, som ett öppningsbart tak. Luftvolymen är enorm, med 55 meter till innertaket. Här ska spelas fotboll, ordnas konserter och finnas möjlighet till en rad evenemangstyper, efter invigningen som sker år 2012. Här finns plats för upp till 65 000 besökare. De avger tre ton fukt och svett i timmen och mängder med koldioxid. De alstrar upp till 5 000 kilowatts värmeeffekt, dessutom tillkommer värme från belysningen. Allt detta gör beräkningarna av inneklimatet till en rejäl utmaning.

Uppdraget hamnade hos Projektengagemangs bolag för vvs. Ingemar Nordenadler har följt projekteringprocessen, och kan berätta hur man fann den valda lösningen. Allt började med att Projektengagemang fick i uppdrag att granska en preliminär programhandling, som skulle beskriva funktionskraven. – Kraven var inte var tillräckligt specificerade, säger Ingemar Nordenadler, som konstaterar att vvs-branschen ofta brister när funktionskraven ska fastslås. Projektengagemang fick alltså inleda med att tydligt definiera programkraven för en rad typer av evenemang; bland annat fotboll, bandy, hockey, tennis, konserter och sittande matgäster. Vilken temperatur och fukthalt ska accepteras, vilken lufthastighet och hur mycket koldioxid som är godtagbart, var grundfrågorna. Även kraven på ljudmiljön fastställdes.

Studiebesök utomlands Den dimensionerande utetemperaturen är satt till minus 20 grader vintertid, om sommaren 25 grader och med 50 procents relativ luftfuktighet. Halten koldioxid beräknas bli maximalt 1 200 ppm. Normalt ska arenan inte ha en lägre innetemperatur än 15 grader. Men vissa evenemang kräver högre temperatur, kanske 20 grader. Hur detta skulle lösas praktiskt var långt ifrån självklart. – Vi började med ett studiebesök på arenor i Tyskland, England och USA, för att se vad som fungerat bra och dåligt. Det finns många anläggningar med avdragbart tak, men inte några i klimat med 20 minusgrader, vilket var knepigt, säger Ingemar Nordenadler. Ingående diskuterades sedan hur arenan skulle definieras. Var det en utomhusarena med tak, eller inomhusarena vars tak ibland öppnas? Det senare alternativet vann, vilket har stor betydelse för klimatlösningarna.

Takhöjden, den stora luftvolymen och det öppningsbara taket innebar speciella krav. Projektengagemangs konstruktörer fann att täthetskravet på taket måste vara som i en bostad, annars skulle det uppstå skorstenseffekt med störande drag.

Självdrag blir det ändå, särskilt vid många minusgrader, och luften släpps ut genom spjäll i taket. Upp till 240 kbm/s vintertid, och 360 kbm/s under sommaren. Det ger ett luftsug genom arenans portar som måste bemästras. Till detta kan läggas att de flesta evenemang beräknades ge ett ordentligt värmeöverskott, även vid låg utomhustemperatur. – Vi ville skapa en ventilation som inte behöver värmetillskott. Men hur får man in tillräckligt med uteluft, utan att kyla för mycket, även om det är 20 minusgrader ute? säger Ingemar Nordenadler.

Byggdes upp i datorn För att komma fungerande lösningar på spåren var det teoretiska simuleringar som gällde, dels med beräkningsprogrammet IDA, dels med CFD-program för datoriserad flödessimulering. Inför simuleringen byggdes hela arenan upp i ett tredimensionellt gridmönster i datormiljön, med en upplösning på 3 decimeter. Genom simuleringarna skulle man kunna se hur luften och tillskottet från ventilationen rör sig över tid.

Sålunda kunde man testa sig fram med olika typer av ventilation, placering, luftriktningar och lufthastighet. Resultaten presenterades i grafiska bilder, som tydligt visar temperaturer och hur luften blandas, varför svagheterna i de olika lösningarna blev väldigt tydliga.

Det behövdes massor med datorkörningar för att hitta de tekniska lösningar som gav rätt inomhusklimat på publikplats, vid alla tänkbara scenarier. Simuleringarna kördes på kraftfulla datorer vid ett datacenter i England. Varje körning tog 1 till 2 dygn och den totala kostnader för alla datakörningar låg på 800 000 kronor. Lösningen består bland annat av 44 fläktar högt ovanför de övre läktarna, som kan blåsa in upp till 240 kubikmeter luft i sekunden. Simuleringen avgjorde hur inblåst luft skulle riktas så att den kommer in ordentligt i arenarummet och blandas, utan att publiken riskerar att frysa. Det är nämligen ingen värme tillsatt på inluften. – Ett tag var vi uppe i 60 fläktar, men detaljerade simuleringar visade att det räckte med 44, vilket medförde stora besparingar. Simuleringen visade hur man med rätt mellanrum på 44 fläktar, kunde få en bra blandning mellan kall uteluft och inneluften. – Något vi fick pröva ordentligt med simulering var hur långt in i arenan utblåsningskanalerna skulle dras från fläktarna. Det blev 15 meter in, berättar han.

Självdrag sommartid Sommartid kan flödet ökas till 360 kubikmeter/sekund, tack vare att luft sugs in genom fyra stora portar med hjälp av självdraget. Vid vissa evenemang kommer arenan att behöva värmas upp, från 15 till cirka 20 grader. Det ska göras genom att luften inne får passera cirkulationsvärmare anslutna till fjärrvärmen, vilket ska ge snabb uppvärmning. Att den slutgiltiga lösningen verkligen kommer att ge det önskade inneklimatet, är Ingemar Nordenadler förvissad om.

• Vår erfarenhet från tidigare är att CFD-simuleringar stämmer förvånansvärt bra med det verkliga utfallet, säger han. Vi hade absolut inte kunnat handjaga fram det här.
• Vi har kört så många körningar, med små justeringar, att vi är säkra, betonar han
• Simuleringarna visade att det inte skulle fungera att styra klimatet med termostatgivare.
• Luftvolymen i arenan är så enorm att det blir en mycket stor tröghet i klimatstyrningen.

Istället bygger driften på olika förutbestämda klimatscenarior, där ventilationen och andra installationer körs enligt ett bestämt program beroende på förväntad publikstorlek och typ av evenemang. Ingemar Nordenadler är mycket nöjd med att man också hittat en energieffektiv ventilationslösning: – Innan vi kom in i bilden så var tanken att behöva värma luften till 15 grader, det skulle behövas enorma mängder energi trots god värmeåtervinning.

Lösningen där kall luft kan blåsas in och blandas med varm inneluft, gör att ingen värme krävs. Han uppger att energianvändningen blir en bra bit under den BBR som man bedömer giltig för arenan. Det finns även planer på att ansöka om Green Building-märkning. – Vi räknar med att den totala årliga energianvändningen ska ligga på 65 till 80 kWh/kvm, lite beroende på hur man räknar, uppger han.

Av Björn Åslund, Energi & Miljö nr 1 2011 sid 30-31

• Fakta Nationalarenan i Solna kommer att heta Swedbank Arena, då banken köpt rättigheten för namnet. Byggherrar är Peab, Fabege, Svenska Fotbollförbundet, Solna Stad och Jernhusen.