Tunneln det stormar i

Vinden kan påverka byggnaders energieffektivitet, bland annat om de planeras med hybridventilation. I Gävle testas hela bostadsområden i en elva meter lång vindtunnel.

När dåvarande Statens institut för byggnadsforskning, SIB, utlokaliserades från Stockholm till Gävle i mitten av 1970-talet dök idén om att bygga en för Sverige helt unik vindtunnel upp. Tanken var att i vindtunneln testa modeller för olika vindlaster, det kunde vara enskilda hus, men också hela stadsdelar eller liknande. – Grundtanken till att den byggdes var att man med en byggnadsaerodynamisk vindtunnel med lång mätsträcka, kunde få hjälp med planering och design av bostadsområden avseende vindmiljö och vindkomfort. Dåvarande institutchefen Nils Antoni drev på för att den skulle byggas och vände sig till KTH:s vindtunnelexpert Bengt Wirén som rekryterades för att bygga upp vindtunnellaboratoriet här i Gävle. Det fanns faktiskt ingen sådan tunnel tidigare, endast vindtunnlar där man testade för flygändamål, berättar Leif Claesson. 

 Kontrollrummet för vindtunneln har delvis samma utseende som när det uppfördes för 30 år sedan. Foto: Mark Kretz

Han började sin karriär som medhjälpare åt Bengt Wirén, men är i dag laboratoriechef och ansvarig för vindtunneln på Högskolan i Gävle. Vindtunneln tillhör i dag högskolan och dess verksamhet, sedan SIB lagts ner.  I slutet av förra året flyttade den energirelaterade forskningen ut från sina lokaler i centrala Gävle, där man funnits sedan flytten på 1970-talet, till nybyggda lokaler på andra sidan staden. Vindlaboratoriet flyttades dock inte med – flyttkostnaden skulle bli ungefär lika hög som om man byggt ett nytt laboratorium, cirka 11 miljoner kronor. När det byggdes på 1970-talet var kostnaden cirka två miljoner kronor. Det man planerade för i mitten av 1970-talet har dock inte blivit helt realiserat – uppdragsvolymen är inte så stor som man trodde från början. Man har under åren utfört ett trettiotal forskningsprojekt, både i Sverige och utomlands, samt haft ett sextiotal uppdrag för externa beställare. De flesta har rört sig om spridningsmätningar avseende utsläpp från skorstenar, vindtryck vid brandventilation men också mätningar för att utröna energieffektiviteten i självdrags- och hybridventilationssystem. Ett direkt energirelaterat projekt var när man undersökte vindens avkylning av växthus, med Lantbruksuniversitetet som beställare. – Det verkar vara svårt för planerarna att få in en vindmätning av ett framtida bostadsområde i planprocessen. Vad vi kan visa är ju exempelvis vindriktning, vindhastighet och vilken påverkan blir av husens höjd, placering och liknande för att skapa bra gaturumsmiljöer, men också exempelvis vilka riktningar man har på intagsgaller för ventilation. I vindtunneln finns en roterande skiva, för att kunna simulera olika vindriktningar. Det går att vrida skivan 15 grader åt gången, vilket gör att man kan få upp till 24 olika vindriktningar.   Kopiera naturen För att så realistiskt som möjligt ”kopiera” naturen vill man också skapa ett så kallat atmosfäriskt gränsskikt, som karaktäriseras av att vindhastigheten ökar med höjden över marken, samt en viss turbulens. Den skapas genom att man använder tvärställda triangulära plattor i mätsträckans inloppsdel, samt så kallade råhetselement på tunnelns golv. I dag handlar arbetet med vindtunneln dels om att sälja tjänster till exempelvis kommuner och konsultfirmor som arbetar med stadsmiljöer, dels om att vara en del i forskningen på högskolan. Vindtunneln har också använts för internationella forskningsarbeten, bland annat ett där man mätte upp flöde och föroreningsutspädning i kanalsystemet Canal Grande i Venedig. I ett annat mätte man vindriktning och hastighet i stadsmiljöer med stora öppna ytor, vilket resulterade i en poster på en internationell konferens om stadsmiljö.   Modeller För dessa tester tillverkas en mängd olika modeller, beroende på vad som ska testas. Man har egen modellverkstad, som bygger i både plast, trä eller plexiglas, beroende på användningsområde. Modellernas storlek varierar mellan 1:100 och 1:500, det sistnämnda gäller stora stadsplaner eller terrängavsnitt. Modellskalan bestäms bland annat av kravet att modellen inte får blockera mer än cirka fem procent av mätsträckans tvärsnittsarea. I laboratoriet finns sparade modellstäder, bland annat delar av Stockholms innerstad, Gamla stan och Södermalm. Denna modell användes när man under 1980-talet fick i uppdrag att mäta utsläppsförhållandena vid Söderledstunneln som skulle byggas. – Testerna visade att det bästa var att bygga skorstenar ovan tunneln för att avleda avgaserna. Förslaget stötte dock på motstånd, bland annat från stadens skönhetsråd, så några torn byggdes aldrig till en början. När tunneln väl var i drift, visade det sig dock att bilavgaserna ansamlades i tunnelmynningarna och ställde till stora problem med höga avgashalter i fastigheter nära tunnelmynningen mot centrala Stockholm. Så istället för att bygga tornen i samband med själva tunnelbygget, fick man komplettera tunneln efteråt, vilket förmodligen ledde till förhöjda kostnader jämfört med om man gjort som vi föreslog från början. En annan modell är Cityterminalen (före detta Vasaterminalen) i Stockholm. Där kunde man med hjälp av vindtunneln visa hur och var en vindavledande anordning skulle sättas på taket, så att rök från en eventuell brand inte skulle tryckas ner i fastigheten när takluckorna öppnades. En annan modellstad som man just börjat arbeta med är Nicosia på Cypern, där professor Mats Sandberg är involverad i ett stort internationellt projekt kring luftrörelser i stadsmiljö och föroreningsspridning. Det sistnämnda är ett av de projekt med internationell finansiering som blivit allt vanligare.   Tryck för täthet Förutom tester av vindmodellering i öppna miljöer, kan man även mäta vindtryck på enskilda byggnader. Till sin hjälp har man då små byggnader gjorda i plexiglas. I dessa finns ett stort antal mjuka plaströr med en diameter på 0,5 millimeter, anslutna till små hål i byggnadsskalet, i vilka vindtrycket kan upptas och mätas. På så sätt kan man också ta fram tätheten och ofrivillig ventilation i byggnader. Bland annat har man gjort sådana mätningar för Hamrånge kyrka (se Energi & Miljö nr 10/2009). En miniatyrmodell av kyrkan byggdes med 200 tryckhål för att kunna mäta den ofrivilliga ventilationen. En kanske mer kommersiell del av verksamheten är mätning av rökspridning från skorstenar, där det går att modellera fram en optimal höjd på skorstenen. – Ett exempel var när Akademiska Hus i Uppsala skulle uppföra skorstenar på Ångströmlaboratoriet i Uppsala. Genom vindtunneltest kunde vi visa vilken höjd som var den optimala, det hade blivit lite väl dyrt att göra det experimentet i full skala i verkligheten.   Små vindkraftverk Kopplingar kan också göras mellan vindtunneln och modellering av flöden i dator med hjälp av så kallade CFD-program – Man kan göra vindtunnelprov för att ta fram randvillkor innan man gör CFD-modellen. Med CFD-modellen kan man sedan gå vidare och göra simuleringar som skulle ta längre tid att göra i vindtunneln. En ny tillämpning av vindtunneln är en verksamhet som har en naturlig koppling till just vind, nämligen vindkraftverk. Att placera ut dessa i rätt förhållande till varandra i en vindkraftpark är viktigt. Att mäta tryckförhållandet mellan vindkraftverk är helt avgörande om en vindkraftpark ska fungera optimalt. Ett vindkraftverk får ju inte komma i lä bakom ett annat. – I ett forskningsarbete på KTH har ett sätt att göra små modeller i sprutad plast utvecklats, vilket vi tagit tillvara i detta projekt och designat små vindkraftverk som sedan gjuts via denna sprutmetod. Det förenklar naturligtvis tillverkningen av modeller, som tidigare var mycket tidsödande och kostsam. I vissa fall har arkitekten gjort modellen, i andra fall gör vi modellen.   Miniatyrmätning Att hålla på med mätningar av verkligheten i miniatyrskala ger vissa utmaningar. – Att mäta vindhastighet är mycket tidskrävande, eftersom mätutrustningen måste kalibreras en gång per dag. Vi använder varmtrådsanemometrar, med en diameter på 20 my, där själva avkylningen är vad som mäts. Om man vill mäta vindriktningen på tio punkter i vardera av de 24 ”väderstreck” som den roterande plattan består av kommer man att behöva 240 mätpunkter, alltså varmtrådsanemometrar. Allt måste göras manuellt. – Större projekt – som ett bostadsområde – kan ta flera veckor att mäta upp. För att mäta snödrev – i det fall man ska simulera modellen för olika årstider – har olika material använts, bland annat mannagryn, vilket fick oanade följder. – Just snödrev och vilka stagnationspunkter som uppstår är viktigt att få reda på, så vi testade vid ett tillfälle med mannagryn som verkade ha rätt egenskaper. Problemet med det var att efter testet fick vi inte bort mannagrynen, eftersom det egentligen inte finns något utsug ur vindtunneln. Det fick till följd att dessa gryn blåste runt i systemet i flera år innan vi fick bort alltihop.

Av Mark Kretz, Energi & Miljö nr 2/2011 sid 36

• Fakta Vindtunneln Tunneln är byggd som en rektangulär loop, med två fläktar monterade i dess övre del. Luften trycks sedan igenom loopen till dess nedre del, där mätobjektet finns. I böjen mellan fläkt och mätsträckan finns utrustning för att se till att man får så laminärt och jämnt flöde som möjligt. Total längd 28 meter Mätsträcka, längd                11 meter Mätsträcka, bredd               3 meter Mätsträcka, höjd                  1,5 meter Fläktmotorns effekt             45 kW Maximal vindhastighet        20 m/s

Välkommen till vindtunnellaboratoriet! Foto: Mark Kretz