418

MODELIRANJE SISTEMA PRIRODNE VENTILACIJE ZGRADA KORIENJEM SOFTVERA ENERGYPLUS

MODELLING OF NATURAL VENTILATION SYSTEMS IN BUILDINGS USING ENERGYPLUS SOFTWARE

JASMINA SKERLI, DANIJELA NIKOLI, DRAGAN CVETKOVI, MARKO MILETI, NOVAK NIKOLI,

Fakultet inenjerskih nauka, Univerzitet u Kragujevcu, Kragujevac

Briga o globalnom zagrevanju poslednjih godina dovela je do porasta interesovanja za prirodnu ventilaciju u zgradama, to je u skladu sa konceptima odrivog razvoja i zelene energije. S obzirom da se u zgradama troi znaajan deo energije, neophodno je istraiti sve aspekte potronje energije, pa se znaajna panja posveuje prirodnoj ventilaciji. Na tokove vazduha unutar prostorija jedne zgrade utie sam poloaj zgrade, veliina i lokacija prozora i vrata, ali i preovlaujui vetrovi koji mogu bitno promeniti pravce strujanja vazduha unutar zgrade. U radu je predstavljen nain modeliranja sistema prirodne ventilacije u zgradama korienjem softvera EnergyPlus. Dat je i jedan ilustrativan primer

All the recent concern about global warming has led to an increased interest in natural ventilation in buildings, which is consistent with the concepts of sustainable development and green energy. Since buildings consume a significant part of ener-gy, it is necessary to investigate all the aspects of energy consumption and, there-fore, considerable attention is paid to natural ventilation. The indoor air flow in a building depends on the building position, size and location of windows and doors, but also on prevailing winds, which can dramatically change the air flow directi-on inside the building. This paper presents a method of modeling the natural venti-lation system in buildings by using EnergyPlus software. There is also an illustrati-ve example provided

Kljune rei: prirodna ventilacija; zgrade; softver EnergyPlusKey words: natural ventilation; buildings; EnergyPlus software

1. UvodPrirodna ventilacija poznata je tehnika od davnina koriena u zgradama jo

3000 godina pre nove ere, da bi kontrolisala toplotnu ugodnost i unutranje okrue-nje stambenih prostora. Prirodna ventilacija ima mogunost da smanji potronju ener-gije i operativne trokove u poreenju sa mehanikom ventilacijom.

419

Prirodna ventilacija je proces snabdevanja i uklanjanja vazduha iz unutranjosti zgrada prirodnim putem, bez upotrebe ventilatora ili bilo kog drugog mehanikog si-stema. Postoje dve vrste ventilacije koje se deavaju u zgradama: ventilacija pomou efekta dimnjaka i ventilacija prouzrokovana vetrom. Pritisci koji su generisani efek-tom dimnjaka su mali (tipine vrednosti: 0,3 Pa 3 Pa), dok su pritisci vetra obino daleko vei (1 Pa 35 Pa). Veina zgrada koje imaju prirodnu ventilaciju oslanjaju se prvenstveno na ventilaciju prouzrokovanu vetrom.

Projektovanje ventilacije prouzrokovane vetrom u zgradama omoguava ven-tilaciju zgrada tako to koristi najmanju koliinu resursa. Koristei projekat zgrade, ventilacija prouzrokovana vetrom koristi prednosti prirodnog prolaza vazduha, bez potrebe za opremom koja troi dosta energije. Specijalno projektovana fasada zgrade ima mogunost da pomogne ventilaciju prouzrokovanu vetrom, usmeravanjem vaz-duha unutar i van zgrade.

Efekat dimnjaka izazvan je temperaturom. Kada postoji temperaturska razlika izmeu dve susedne zapremine vazduha, topliji vazduh e imati niu gustinu i bie pokretljiviji i na taj nain e se izdii iznad hladnijeg vazduha, stvarajui tok vazdu-ha na gore. Prinudni efekat dimnjaka u zgradama se odvija u tradicionalnim loisti-ma. Pasivni ventilatori pomou efekta dimnjaka uobiajeno se nalaze u veini kupa-tila i prostorijama koje nemaju direktan pristup spoljanjem prostoru. Da bi objekat bio adekvatno provetravan pomou efekta dimnjaka, potrebno je da temperature unu-tar i van budu razliite, tako da se topliji vazduh iz unutranjosti zgrade izdie i izla-zi van zgrade kroz otvore na veim visinama, a hladniji vazduh, vee gustine, ulazi u zgradu kroz otvore na niim visinama.

Najefikasniji projekat prirodne ventilacije zgrada treba da sadri oba tipa venti-lacije. Prirodna ventilacija zgrada se uglavnom oslanja na razlike pritisaka vetra, ali efekat dimnjaka moe pojaati ovu vrstu ventilacije i delimino obnoviti protok vaz-duha tokom toplih dana. Ventilacija pomou efekta dimnjaka moe se implementirati u zgradi tako to se priliv vazduha ne oslanja samo na pravac vetra. S tim u vezi, to moe da obezbedi poboljanje kvaliteta vazduha u zagaenim sredinama kao to su gradovi [1]. Vetar moe da povea dejstvo efekta dimnjaka, ali i smanji njegov uti-caj u zavisnosti od njegove brzine, smera i mesta projektovanja ulaza i izlaza vazdu-ha. Prema tome, vetrovi koji preovlauju moraju se uzeti u obzir prilikom projekto-vanja ventilacije pomou efekta dimnjaka.

Prirodna ventilacija se najee obezbeuje kroz prozore. Prirodna ventilacija podrazumeva kontrolisanje prirodno raspoloive snage za snabdevanje i otklanjanje vazduha iz unutranjosti zgrade. Prirodna ventilacija je nepraktina za velike zgrade, jer su takve zgrade obino zaptivene i imaju kontrolisanu unutranju klimu pomou sistema za grejanje, klimatizaciju i ventilaciju.

Moe se primetiti da je prirodna ventilacija oigledno jedan od najjednostavni-jih i najjeftinijih opcija za hlaenje zgrade. Takoe je najtea za upravljanje, jer se ventilacija i protok vazduha stalno menjaju sa vremenom. Da bi bila uspena venti-lacija mora biti planirana, a ne samo da se desi. Njen znaaj mora da se prepozna u poetnim fazama procesa projektovanja, pre nego to se donesu odluke koje mogu da je uine nefunkcionalnim.

Omota zgrade je sam po sebi kritina komponenta sistema za ventilaciju. Ori-jentacija moe da utie na optereenje sistema za hlaenje. Primena zasenenja moe da smanji potronju energije za hlaenje. Primenljivost prirodne ventilacije za hla-enje e zavisiti od unutranjih dobitaka. Oblik zgrade utie na karakteristike venti-

420

lacije svojom visinom (efekat dimnjaka pri prirodnoj ventilaciji) i oblikom (u odno-su na preovladavajue brzine i pravac vetra koji utie na vetrom indukovanu venti-laciju). Pritisci vetra se mogu suprotstavljati ili potpomagati rezultujue sile potiska ventilacije. Takoe treba voditi rauna da poloaj nove zgrade u odnosu na okolne zgrade utie na raspodelu pritisaka vetra omotaa zgrade i stoga na protok ventilaci-je. Sa druge strane, potrebno je da se tip, veliina, oblik i poloaj prozorskih otvora veoma dobro proue [2].

U veini sluajeva, adekvatna ventilacija moe da obezbedi dobar kvalitet vaz-duha (IAQ), ali unutranje temperature i relativna vlanost, imaju znaajan uticaj na udobnost kao i na IAQ. Nedavna istraivanja su pokazala da se stanari u zgradama sa prirodnom ventilacijom adaptiraju i mogu da prihvate (zapravo i radije) i vei op-seg temperatura. Tokom hladnog vremena stanari zgrada sa prirodnom ventilacijom prihvataju i nie temperature u prostorijama i tokom toplijih dana prihvataju vie temperature u prostorijama. Dakle, postoje jaki dokazi da prirodna ventilacija zgra-da moe da obezbedi prihvatljiv IAQ i udobnost, dok u velikoj meri smanjuje potro-nju energije.

Ovaj rad prikazuje sistem prirodne ventilacije u zgradama i njegovo modelova-nje pomou softvera EnergyPlus.

2. Simulacioni softver EnergyPlusSimulacioni softver EnergyPlus (verzija 6.0) korien je za analizu prirodne

ventilacije zgrada u ovom radu. Softver EnergyPlus je razvijen 1996. godine u labo-ratoriji Lawrence Berkley u SAD [4], pri emu ima korene u programima BLAST i DOE2, razvijenim i objavljenim u kasnim 70-tim i ranim 80-tim kao alati za ener-getsku simulaciju u zgradama.

EnergyPlus je modularni simulacioni program projektovan da simulira perfor-manse, potronju energije i produkte zagaenja zgrade. Ostale karakteristike simula-cija EnergyPlus-om su vremenski koraci koji se mogu menjati i ulazne i izlazne struk-ture podataka koje definie korisnik. Validnost softvera je ispitana po procedurama IEA HVAC BESTEST E100-E200 [5].

3. Matematiki model

3.1. Model prirodne ventilacije u EnergyPlus-u

EnergyPlus sadri dva modela za prirodnu ventilaciju. Modelu DesignFlowRa-te se pristupa preko objekta ZoneVentilation:DesignFlowRate i zasnovan je na tome da projektovani protok zavisi od uslova ivotne sredine. Model Wind and Stack with Open Area zasniva se na jednainama definisanim u ASHRAE Handbook of Funda-mentals [4], kome se pristupa korienjem ulaznog objekta ZoneVentilation:Windan-dStackOpenArea. Da bi se odredili parametri ventilacije u nekoj zoni, ova dva objek-ta se mogu koristiti samostalno ili zajedno. Ako je vie ZoneVentilation:* objekata navedeno za zonu, onda je ukupan protok vazduha za ventiliranu zonu suma protoka vazduha izraunavana za svaki ZoneVentilation objekat.

Korienjem softvera Energyplus za modeliranje prirodne ventilacije, moemo za neku ventiliranu zonu da izraunamo: osetne (latentne) toplotne gubitke i dobitke, ukupne toplotne gubitke i dobitke, protok ventilacionog vazduha, potronju elektri-ne energije kod ventilatora i temperaturu ulaznog ventilacionog vazduha.

421

zor 3. Stvarna ema i veliine protoka vazduha za odreeni vremenski korak, zavise od mnogo faktora, kao to su: Kakva je raspodela pritisaka vetra, koju oseaju spo-ljanji prozori? Da li su spoljanji prozori otvoreni ili zatvoreni i koliko su oni otvo-reni? Da li su unutranja vrata otvorena ili zatvorena? Koje su temperaturske trazlike izmeu zona i izmeu vazduha u zonama i sopljanjeg vazduha?

Airflow Network model izraunava protoke u sistemu za svaki vremenski korak u zavisnosti od razliitih faktora, ukljuujui pravac i brzinu vetra, veliinu i vertikal-ni poloaj otvora, spoljanje temperature vazduha i temperature vazduha zone.

Vremenski podaci se koriste iz baze vremenskih fajlova EnergyPlus-a. Ovi faj-lovi sadre podatke za svaki od elemenata potrebnih za proraun: temperature po su-vom termometru, temperaturu rose, relativnu vlanost, atmosferski pritisak, smer ve-tra, brzina vetra, pomone podatke za kiu, sneg itd. Podaci su dati ili za svaki sat, ili za vremenske intervale manje od 60 minuta.

3.2. Projektovani protok ventilacionog vazduha

Ventilacija je namenski protok vazduha iz spoljanje okoline direktno u zonu u cilju obezbeivanja hlaenja bez mehanikih ureaja. Parametri ventilacije zone mogu da se kontroliu pomou rasporeda i kroz specificiranje minimalnih i maksi-malnih temperatura kao to je opisano u nastavku.

Temperature mogu imati jednu konstantnu vrednost tokom cele simulacije, a rasporedi mogu biti razliiti tokom vremena. Specifini detalji su dati u Input/Output reference dokumentu [6]. Stvarni protok ventilacije mogu da promene temperaturska razlika izmeu unutranjeg i spoljanjeg okruenja i brzina vetra. Osnovna jednaina koja se koristi za izraunavanje ventilacije u ovom modelu je:

{ 2( ) ( )= + + +design schedule zone odbVentilation V F A B T T C WindSpeed D WindSpeedgde je Vdesign maksimalni projektovani zapreminski protok (m3/s), Fschedule deo otvorene povrine (vrednost koju definisie korisnik pomou rasporeda, ), A, B, C konstante modela u EnergyPlus-u (), Tzone temperatura zone (K), Todb lokal-

Slika 1. Pojednostavljen sistem prirodne ventilacije u kui

Slika 1 prikazuje pojedno-stavljen model kue sa moguom emom strujanja vazduha, iji su svi prozori i vrata otvoreni [4]. U kui se nalaze tri termike zone, zona 1, zona 2 i zona 3. Posto-je spoljanji prozori koji se mogu otvoriti prozor 1, prozor 2 i prozor 3, i unutranja vrata koja se mogu otvoriti vrata 12 i vrata 23.

Dva spoljanja vora (Exter-nal Nodes) su oznaena. Spolja-nji vor 1 je povezan sa fasadom na kojoj se nalaze prozor 1 i pro-zor 2. Spoljanji vor 2 je povezan sa fasadom na kojoj se nalazi pro-

422

na spoljanja temperatura suvog termometra WindSpeed lokalna spoljanja brzi-na vetra (m/s).

Lokalna spoljanja temperatura po suvom termometru koristi se u osnovnoj jed-naini prikazanoj iznad (Todb) i obino je funkcija visine zone iznad tla. Lokalna spoljnja brzina vetra koju koristimo u osnovnoj jednaini iznad (WindSpeed) je ta-koe u funkciji visine zone iznad tla.

3.3. Ventilacija pomou modela Wind and Stack with Open Area

Za ovaj model ventilacije protok vazduha je u funkciji brzine vetra i toplotnog efekta dimnjaka, zajedno sa povrinom otvora koji se modelira. Ovaj model je name-njen za jednostavnije proraune ventilacije, dok je za detaljnije proraune i istrai-vanje ventilacije mogue izvesti korienjem modela AirflowNetwork. Korienjem modela Wind and Stack with Open Area, protok vazduha pri prirodnoj ventilaci-ji moe da kontrolisati pomou rasporeda gde korisnik definie povrinu otvora i po-mou specifikacije minimalne, maksimalne i razlike temperatura. Temperature mogu imati konstantne vrednosti tokom jedne simulacije ili promenljive vrednosti koje za-vise od zadatih rasporeda. Jednaina koju koristimo za izraunavanje protoka vazdu-ha pri ventilaciji prouzrokovanoj vetrom je:

Qw = AopeningFscheduleV

gde je Qw zapreminski protok vazduha zbog vetra (m3/s), Cw efikasnost otvora

(), Aopening povrina otvora (m2), Fschedule deo povrine otvora (vrednost koju de-finie korisnik pomou rasporeda, ), V lokalna brzina vetra (m/s).

Jednaina koja se koristi za izraunavanje protoka vazduha pri ventilaciji usled efekta dimnjaka je :

( )2 /= S D opening schedule NPL zone odb zoneQ C A F g H T T T

gde je QS zapreminski protok vazduha usled efekta dimnjaka (m3/s), CD koefi-cijent izlivanja za otvor (), Aopening povrina otvora (m2), Fschedule deo povrine otvora (vrednost koju definisie korisnik pomou rasporeda, ), HNPL visina izme-u srednje take nieg otvora do neutralnog nivoa pritiska (m), Tzone temperatura zone (K), Todb lokalna spoljanja temperatura suvog termometra (K).

Slika 2. Modelirana stambe-na kua

Ukupan protok vazduha pri ventilaciji izra-unavan u ovom modelu je suma kvadrata kom-ponenata protoka vazduha usled vetra i efek-ta dimnjaka:

2 2= +WindAndStock S WV Q Q

4. Rezultati i diskusijaPrirodna ventilacija je modelirana u softve-

ru EnergyPlus. Prirodna ventilacija je simulira-na na kui prikazanoj na slici 2. Kua ima dnev-

423

ni boravak, dve spavae sobe, kuhinju, kupatilo i dva predsoblja. Krov kue je pro-jektovan da omogui kasnije instalaciju PV panela i solarnih prijemnika. Kua je lo-cirana u Beogradu. Iz tog razloga je vremenski fajl koji se koristi za simulaciju da-tog sistema uzet za Beograd. Slika 3 prikazuje spoljanju temperaturu i brzinu vetra u okruenju za avgust.

0

5

10

15

20

25

30

35temperatura po suvom termometru [C] (po satu)brzina vetra [m/s] (po satu)

Slika 3. Spoljanja temperatura i brzina vetra u okruenju za avgust

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

08/0

1 0

1:00

:00

08/0

1 2

2:00

:00

08/0

2 1

9:00

:00

08/0

3 1

6:00

:00

08/0

4 1

3:00

:00

08/0

5 1

0:00

:00

08/0

6 0

7:00

:00

08/0

7 0

4:00

:00

08/0

8 0

1:00

:00

08/0

8 2

2:00

:00

08/0

9 1

9:00

:00

08/1

0 1

6:00

:00

08/1

1 1

3:00

:00

08/1

2 1

0:00

:00

08/1

3 0

7:00

:00

08/1

4 0

4:00

:00

08/1

5 0

1:00

:00

08/1

5 2

2:00

:00

08/1

6 1

9:00

:00

08/1

7 1

6:00

:00

08/1

8 1

3:00

:00

08/1

9 1

0:00

:00

08/2

0 0

7:00

:00

08/2

1 0

4:00

:00

08/2

2 0

1:00

:00

08/2

2 2

2:00

:00

08/2

3 1

9:00

:00

08/2

4 1

6:00

:00

08/2

5 1

3:00

:00

08/2

6 1

0:00

:00

08/2

7 0

7:00

:00

08/2

8 0

4:00

:00

08/2

9 0

1:00

:00

08/2

9 2

2:00

:00

08/3

0 1

9:00

:00

08/3

1 1

6:00

:00

Ven

tilac

ioni

dob

itak

oset

ne to

plot

e (J

/h)

Datum

Slika 4. Ventilacioni dobitak osetne toplote po satu izraunavan u EnergyPlus-u, za celu kuu, za prirodnu ventilaciju tokom avgusta

Slika 4 prikazuje ventilacioni dobitak osetne toplote izraunavane u Ener-gyPlus-u, za prirodnu ventilaciju za celu kuu, tokom avgusta. Ova vrednost se izra-unava za svaki vremenski korak kada su spoljanje temperature po suvom termo-metru vie od temperatura zona u kui (prostorije); u suprotnom, ventilacioni dobi-tak osetne toplote je postavljen na 0. Ventilacioni dobitak osetne toplote ima najvie

424

vrednosti tokom prvih dana avgusta, to odgovara i najviim temperaturama tokom tog perioda, to je prikazano na slici 3.

Slika 5 prikazuje spoljanju temperaturu po suvom termometru i brzinu vetra u okruenju tokom novembra.

20

15

10

5

0

5

10

15

20

25temperatura suvog termometra [C] (po satu)

brzina vetra [m/s] (po satu)

Slika 5. Spoljanja temperatura i brzina vetra u okruenju za novembar

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Ven

tilac

ioni

gub

itak

oset

ne to

plot

e (M

J/h)

Datum

Slika 6. Ventilacioni gubitak osetne toplote po satu izraunavan u EnergyPlus-u, za celu kuu, tokom novembra

425

Slika 6 prikazuje ventilacioni gubitak osetne toplote izraunavan u Ener-gyPlus-u, za prirodnu ventilaciju, tokom novembra. Najvie vrednosti ventilacionih gubitaka osetne toplote su tokom poslednjih dana novembra kada su i temperature po suvom termometru najnie saglasno slici 5.

Slika 7 prikazuje broj izmena vazduha po satu za prirodnu ventilaciju, izrauna-vano za 1. novembar. Vrednosti su predstavljene za svaku prostoriju u kui. Rezulta-ti istraivanja pokazuju da je najvei broj izmena vazduha za predsoblje 2 na drugom spratu, i najmanji broj izmena vazduha za kupatilo i predsoblje na prvom spratu.

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Bro

j izm

ena

vazd

uha

na sa

t (l/h

)

Sati

kupatilopredsobljekuhinjadnevna sobakupatilo 2predsoblje 2spavaa soba

Slika 7. Broj izmena vazduha po satu izraunavano u EnergyPlus-u, za prirodnu ven-tilaciju, za svaku prostoriju, tokom 1. novembra

5. ZakljuakOvaj rad prikazuje modeliranje u softveru EnergyPlus sistema prirodne venti-

lacije u zgradama. Softver ima velike mogunosti za modeliranje ponaanja energi-je zgrada. Koristei EnergyPlus za modeliranje prirodne ventilacije, potronja ener-gije koju koristimo za ventilaciju i grejanje prostora moe se smanjiti promenom ra-zliitih uticajnih veliina.

Zahvalnica

Ovo istraivanje je bilo deo projekta TR 33015 tehnolokog razvoja Republike Srbije i projekta III 42006 integralnih i interdisciplinarnih istraivanja Republike Sr-bije. Naslov prvog projekta je Istraivanja i razvoj srpske kue sa nultom potronjom energije, dok je naslov drugog projekta Istraivanja i razvoj energetskih i ekolokih visoko efektivnih sistema poligeneracije baziranih na obnovljivim energetskim izvo-

426

rima. elimo da se zahvalimo Ministarstvu prosvete i nauke Republike Srbije na fi-nansijskoj podrci tokom ovog istraivanja.

Literatura[1] Kim, T. J., J. S. Park, Natural ventilation with traditional Korean opening in

contemporary house, Building and Environment 45, (2010), pp. 5157.[2] Gratia, E., I. Bruere, A. De Herde, How to use natural ventilation to cool

narrow office buildings, Building and Environment 39, (2004), pp.11571170.[3] Simonson, Carey, Energy consumption and ventilation performance of a na-

turally ventilated ecological house in a cold climate, Energy and Buildings 37, (2005), pp. 2335.

[4] Anonymous, ENERGYPLUS, Input Output Reference The Encyclopedic Re-ference to EnergyPlus Input and Output, University of Illinois & Ernest Orlan-do Lawrence Berkeley National Laboratory, 2009.

[5] Henninger, R. H., M. J. Witte, D. B. Crawley, Analytical and comparative te-sting of EnergyPlus using IEA HVAC BESTEST E100-E200 test suite, Energy and Buildings 36 (8) (2004), 855863.

[6] *** The board of trustees of the University of Illinois and the regents of the Uni-versity of California through the Ernest Orlando Lawrence Berkeley, National Laboratory, ENERGYPLUS, EnergyPlus Engineering Document, The Referen-ce to EnergyPlus Calculations (incaseyouwantoneedtoknow), March 29, 2004.

kgh