KORIŠĆENJE ENERGETSKIH SIMULACIJA PRILIKOM ANALIZE
OBJEKATA SA DVOSTRUKIM VENTILISANIM FASADAMA
Doc. dr Aleksandar Anđelković,Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka,Departman za energetiku i procesnu tehniku
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
IZMERENI
METEOROLOŠKI
PARAMETRI NA OBJEKTU
- Temperatura vazduha
- Relativna vlažnost vazduha
- Atmosferski pritisak vazduha
- Globalno sunčevo zračenje
- Brzina i smer strujanja vetra
PREGLED POSTOJEĆIH MOGUĆNOSTI MODELIRANJA
OBJEKATA SA DVF
IZBOR NAČINA MODELIRANJA OBJEKTA SA DVF
PROGRAM ZA ENERGETSKU SIMULACIJU ENERGY PLUS
U KOMBINACIJI SA MREŽNIM MODELOM STRUJANJA
VAZDUHA AIRFOW NETWORK ALGORITHM
ULAZNI PARAMETRI SIMULACIJE
PODACI O OBJEKTU
- Analiza okoline objekta
- Geometrija objekta
- Postojeći KGH sistemi
- Unutrašnji dobici toplote
- Tip ventilacije u fasadi
KARAKTERISTIKE
MATERIJALA FASADE
- Emisivnost
- Propustljivost
- Provodljivost
- Refleksija
- g - vrednost
TROSTRUKO POTVRĐIVANJE MODELA (TRI REŽIMA) SA SLEDEĆIM
IZABRANIM PARAMETRIMA:
- Izmerene vrednosti temperature površina stakla i parapeta
- Izmerene vrednosti temperature i brzine strujanja vazduha u međuprostoru fasade
VALIDACIJA (POTVRĐIVANJE) MODELA –
ODLUKA O KRITERIJUMIMA
PRIHVATLJIVOSTI
- MBE
- RMSE
- R2
- DMIN
-DMAX
ENERGY PLUS + AIRFOW NETWORK REFERENTNI MODEL
OCENA PREDLOŽENIH
SEZONSKIH OPERATIVNIH
STRATEGIJA
UPOREDNA ANALIZA SA
MODELIMA OBJEKATA SA
TRADICIONALNOM
FASADOM I OCENA
OPRAVDANOSTI PRIMENE
KONCEPTA DVF
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Istorijat
Jan-Batist Jobard, 1849. godina
Steiff Factory, 1903. godina
Le Corbusier period između 1926. i 1947. godine
The Ghekin, 2003. godina
The Sydney Tower - 1 Bligh Street, 2011. godina
One Angle Squere 2013. godina
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Definicija koncepta DVF
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Klasifikacija koncepta DVF
BOX
Prozor
Koridorna
fasada
Šahtno -
kasetna
fasada
Višespratna
fasada
Višespratna
fasada sa
žaluzinama
Sa
kombinovanom
ventilacijom
KONSTRUKCIJA
DVF
Integracija sa
biljnom
vegetacijom,
fazno
promenljivim
materijalima
i OIE
Visina ograničena na jedan sprat Višespratna visina
PRIRODNA MEHANIČKA HIBRIDNATIP
VENTILACIJE
Svežim
vazduhom
Otpadnim
vazduhomReverzibilna
Unutrašnja
zavesa
Spoljašnja
zavesaNAČIN
VENTILACIJEBafer zona
Srbija i DVF
Mali broj izrađenih objekata
Nepostojanje standarda i pravilnika o izgradnji
Iskustvo i znanje domaćih firmi i inženjera na veoma niskom nivou
Projektanti vrše proračune koji ne uključuju uticaj DVF
Primer obračuna bruto građevinske površine (JUS_U.C2.100.2002 & EE PRAVILNIK)
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Opis posmatranog objektaKlimatski podaci Beograda
Beograd ima odlike umereno kontinentalne klime, sa postepenim prelazom izmeđugodišnjih doba (zima, proleće, leto i jesen). Međutim, kako globalno zagrevanje Zemljeuzima sve veći uticaj na klimu, u poslednjih nekoliko godina ovaj prelaz izmeđugodišnjih doba se izgubio. Leta postaju sve toplija sa temperaturama preko 35°C, dok utoku zime, koje su inače snežne, temperature padaju ispod -18°C.
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Zaključci sprovedene analize i merenja
Rezultati su pokazali da postojeće stanje DVF daju mogućnost za uštedu, nekada u većoj, a nekada umanjoj meri. Takođe treba napomenuti, da u toku kraćih ekstremnih sezonskih perioda (visokespoljašnje temperature, intenzivno sunčevo zračenje i snažni vetar), postoji opravdana sumnja, koja jepotkrepljena eksperimentalnom analizom, da se potrošnja energije može i povećati.
Neophodnost regulacije otvorenosti fasade i tehnike prirodne ventilacije u mnogome mogu doprinetismanjenju gubitaka odnosno rizika od pregrevanja vazduha u DVF.
Treba naglasiti da postoji značajna energetska razlika između zona u DVF zbog prisutnog vertikalnogtermičkog gradijenta.
Kao zaključak, raznolikost dobijenih rezultata ukazuje da inženjeri moraju prepoznati da prisustvoDVF ne rezultuje uvek smanjenju energetske potrošnje, iako to predstavlja samo jednu, možda inajvažniju, od mnogih projektnih zahteva buduće zgrade.
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Algoritam toka programa za energetske simulacije
OPIS ZGRADE
Lokacija
Projektni podaci
Podaci o konstrukciji
Termičke zone
Unutrašnji dobici
Profili korišćenja objekta
Infiltracija
OPIS SISTEMA
Tip sistema i dimenzije
Opis ventilatorskog sistema
Opis automatike i kontrole
Opis zahteva spoljšnjeg vazduha
OPIS OPREME
Tipovi i dimenzije opreme
Karakteristike performansi (krive)
Opis dodatne opreme
Opis pojedinačnih opterećenja
Tipovi goriva
EKONOMSKI PODACI
Ekonomski faktori
Životni vek projekta
Visina investicije
Troškovi održavanja i amortizacije
METEOROLOŠKI PODACI
Temperatura po suvom termometru
Temperatura po vlažnom termometru
Faktor oblačnosti
Uticaj vetra
Uticaj sunčevog zračenja
Pritisak
Ostalo
ANALIZA
TOPLOTNOG
OPTEREĆENJA
ANALIZA
SISTEMA
ANALIZA
OPREME
EKONOMSKA
ANALIZA
Časovne vrednosti
toplotnog opterećenjaPikovi toplotnog
opterećenja
Časovne vrednosti
toplotnog opterećenja
vezanih za sistem
Zahtevi i potrošnja goriva
Analiza troškova u
životnom veku
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Pregled literature vezanih za modeliranje DVF
analitički i parametarski modeli
modeli zasnovani na bez-dimenzionoj analizi
modeli kontrolne zapremine
zonski modeli
modeli računarske dinamike fluida – CFD modeli
integrisani modeli – kombinacija više pristupa modeliranju
mrežni modeli protoka vazduha + energetska simulacija
Prilikom izbora modela, pažnju treba pre svega obratiti na rezultat koji želimo da
dobijemo. To se odnosi na očekivani nivo tačnosti rezultata, vreme potrebno zaizvršenje simulacije, složenost i kompleksnost modela, kao i nivo znanjabudućeg korisnika.
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
POSTUPAK FORMIRANJA MODELA OBJEKTA SA DVF
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
POSTUPAK FORMIRANJA MODELA OBJEKTA SA DVF
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
POSTUPAK FORMIRANJA MODELA OBJEKTA SA DVF
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
FINO PODEŠAVANJNE MODELA
Za postizanje što bolje tačnosti, u procesu potvrđivanja modela, korišćeni su sledeći podaci:
-tačne konstruktivne dimenzije omotača i drugih delova objekta;
-termo-fizičke karakteristike korišćenih materijala omotača i drugih delova objekta;
-postojeći KGH sistemi;
-projektne i radne unutrašnje temperature u objektu;
-broj ljudi po prostorijama, tačne karakteristike unutrašnjih uređaja i sistema za osvetljenje;
-realni podaci o nivoima zasenčenja i količini infiltracije;
-postojeći načini korišćenja objekta;
-podaci o koeficijentima pritiska vetra (cp), koji su dobijeni putem ''Gp-generator''-a, za realnu
konfiguraciju posmatranog dela omotača objekta sa DVF;
-generisana meteorološka datoteka na časovnom nivou, formirana na osnovu izvršenih merenja.
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
FINO PODEŠAVANJNE MODELA
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Sam proces potvrđivanja treba da kvantifikuje tačnost rezultata dobijenih simulacijom, u poređenju
sa rezultatima dobijenim merenjem.
Preporuke za validaciju:
ASHRAE Guideline 14-2002, International Performance Measurement and Verification Protocol i
M&V Guidelines for Measurement and Verification for Federal Energy Projects
Preporuke su date za energetsku analizu celog objekta (misli se na potrošnju energije).
Za slučaj predikcije temperature do danas nisu napisane preporuke.
Potvrđivanje modela
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Statistički indikatori korišćeni prilikom potvrđivanja modela
Kada je model potvrđen –
KRITERIJUMI PRIHVATLJIVOSTI
1.R2≥75%
2.Ostali na osnovu lične procene bazirane na
nivou tačnosti i podudaranja sa rezultatima
dobijenih merenjem
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
REZULTATI POTVRĐIVANJA MODELA
1. temperature površina unutrašnjeg dela stakla pridodatog sloja DVF;
2. temperature površina spoljašnjeg dela prozora osnovnog sloja DVF;
3. temperature površina spoljašnjeg dela parapeta osnovnog sloja DVF;
4. temperature vazduha u DVF;
5. brzine strujanja vazduha u DVF.
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
REZULTATI POTVRĐIVANJA MODELAtemperatura i brzina vazduha u međuprostoru fasade
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0016.2
12 0017.2
12 0018.2
12 0019.2
12 0020.2
12 0020.4
12 0021.4
12 0022.4
12 0023.4
12 0024.4
12 005.7
12 006.7
12 007.7
12 008.7
12 009.7
12 0010.7
Globano sunčevo zračenje, W/m2 Spoljašnja temperatura vazduha, C
Zimski režim Prelazni režim Letnji režim
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Druga
zona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Prva
zona
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0016.2
12 0017.2
12 0018.2
12 0019.2
12 0020.2
12 0020.4
12 0021.4
12 0022.4
12 0023.4
12 0024.4
12 005.7
12 006.7
12 007.7
12 008.7
12 009.7
12 0010.7
Simulacija, C Merenje, C
Treća
zona
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
0012.2
12 0013.2
12 0014.2
12 009.4
12 0010.4
12 0011.4
Globalno sunčevo zračenje, W/m2 Spoljašnja temperatura vazduha, C Brzina vetra / 10, m/s Smer vetra,
Otvorena fasada Zatvorena fasada
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
Prva
zona
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
Druga
zona
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
Merenje MIN Merenje MAX Merenje Simulacija
Treća
zona
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
REZULTATI POTVRĐIVANJA MODELAtemperatura i brzina vazduha u međuprostoru fasade
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
Zaključci potvrđivanja modela
Kombinacija softverskog alata EnergyPlus i Airflow Network mrežnog algoritma strujanja,pokazala se kao dobar i opravdan izbor kada je u pitanju odnos tačnosti i vremena potrebnog zasimulaciju. Simulacije su u proseku trajale oko 10 minuta, što se može smatrati relativno kratkimvremenom za dobijanje rezultata.
Svi korišćeni statistički indikatori pokazali su visok nivo tačnosti i poklapanja rezultata dobijenihsimulacijom i rezultata dobijenih merenjem. Vrednosti odstupaju u zavisnosti od posmatranogrežima i zone i zaključak je, da se bolje vrednosti poklapanja rezultata dobijaju u prelaznom iletnjem režimu, pogotovo kada se analizira najuticajniji parametar - temperatura vazduha u DVF.Takođe, zaključak je da se veća odstupanja pojavljuju u toku dana, što kao razlog može imatisloženo termičko ponašanje DVF koje se reflektuje na nepreciznost i nesigurnost konvektivnogkoeficijenta prelaza toplote.
Kada je u pitanju vrednost brzine vazduha, zaključak je da se ovaj parametar mora analiziratizasebno u mnogo kraćem vremenskom intervalu (interval od nekoliko sekundi). Dobijeni rezultativezani za brzinu vazduha ukazuju, da se vrednosti bolje poklapaju u slučaju kada su klapnespuštene, odnosno kada je posmatrani slučaj bolje kontrolisan.
46. Međunarodni kongres i izložba o KGH, Beograd, 2–4. decembar 2015
46th International HVAC&R Congress and Exhibition, Belgrade, 2–4 December 2015
ZAKLJUČCI
1. efikasnost DVF u najvećoj meri zavisi od trenutnih meteorološkihuslova i načina operativnog korišćenja;
2. eksperimentalno je potvrđeno da DVF štite i u najvećoj meri eliminišunegativne efekte snažnog vetra i intenzivnog sunčevog zračenja;
3. eksperimentalno i numerički potvrđeno je da koncept DVF omogućavavisok stepen dobro regulisanog prirodnog provetravanja, pogotovu uprelaznom i noćnom periodu;
4. međuprostor DVF se može efikasno koristiti kao bezbedan prostor zapredgrevanje vazduha (zimski režim), ili kao prostor za prirodnoprovetravanje (prelazni i letnji režim);
5. numerički modeli objekta sa DVF u procesu potvrđivanja, daju veomadobre statističke indikatore - verifikovan model.