UTICAJ TROMBOVOG ZIDA NA POTROŠNJU ENERGIJE ZA GREJANJE

I HLAĐENJE KUĆE NETO-NULTE POTROŠNJE ENERGIJE

JOVAN MALEŠEVIĆ, DRAGAN CVETKOVIĆFakultet inženjerskih nauka u Kragujevcu, Univerzitet u Kragujevcu

RezimeOvaj rad se bavi izučavanjem uticaja Trombovog zida na grejanje i hlađenje kuće neto-nulte potrošnje energije. Kuća neto-nulte potrošnje energije sastoji se iz šest prostorija koje se greju i hlade i nalazi se na području Beograda.Trombov zid, kao pasivni solarni sistem, postavljen je na južnu vertikalnu stranu kuće, kao i na južni kosi deo krova. Osnovni model za simulaciju je kuća bez Trombovog zida. Simulacija je urađena i za modele kuće sa vertikalnim Trombovim zidom, za model kuće sa kosim Trombovim zidom i za model kuće sa oba ova Trombova zida.Kuće, kao i grejanje i hlađenje u njima, modeliraju se pomoću softvera EnergyPlus. Za grejanje i hlađenje koristi se električna energija. Radi uštede energije, na svakom grejnon telu i sobnom klimatizeru, nalaze se termostatski ventili. Simulacija je urađena za celu godinu.Za sve kuće, kao i za odgovarajuće prostorije u njima, porede se temperature i utrošak energije. Simulacijom se dobija ušteda energije za grejanje i hlađenje oko 15% pri upotrebi Trombovog zida.

UVODKuća neto – nulte potrošnje energije (popularan naziv „nulta” kuća), teoretski bi mogla biti nezavisna od energetske mreže, što u praksi znači da električnu energiju dobijenu od sunca pomoću određenih aktivnih i pasivnih uređaja, tokom godine, šalje u javnu energetsku mrežu i da je njen energetski bilans potrošnje i proizvodnje energije jednak nuli. Da bi se to postiglo, energija se mora stvarati unutar objekta, i to korišćenjem obnovljivih izvora energije koji ne zagađuju okolinu, odnosno ispuštaju vrlo malo ili čak nimalo ugljendioksida.Energija Sunca spada u obnovljive izvore energije i može se koristiti aktivno i pasivno. Aktivno korišćenje Sunčevog zračenja podrazumeva njegovu direktnu transformaciju u električnu ili toplotnu energiju. Ova transformacija se vrši pomoću različitih uređaja. Najčešće se koriste solarni kolektori za dobijanje toplotne energije i fotonaponski paneli za dobijanje električne energije.Kod pasivnog korišćenja Sunčevog zračenja nema komplikovanih uređaja i tehnologija, već se pomoću klasičnih materijala za građenje (beton, metal, kamen, staklo, drvo itd.) iskorišćava energija Sunca. Zadatak pasivnog solarnog sistema je da akumulira što više Sunčeve energije u stambenoj zgradi u sezoni grejanja. Međutim, u letnjem periodu, zadatak pasivnog solarnog sistema je da zaštiti zgradu od pregrevanja prostorija usled intenzivnog Sunčevog zračenja.Jedan od načina pasivnog korišćenja Sunčevog zračenja je primena Trombovog zida. Feliks Trombe je francuski naučnik, koji je konstruisao solarnu kuću u Pirinejima 1956.godine [9]. Trombov zid je građevinska konstrukcija (najčešće cigla, beton), debljine 100 do 400 mm. Spoljašnja površina zida obojena je crnom bojom koja ima sposobnost da apsorbuje Sunčeve zrake. Ispred zida, na rastojanju od 20 do 100 mm, postavlja se staklo, koje može biti jednostruko, dvostruko ili trostruko. Unutrašnja površina zida je neravna kako bi se povećala površina za razmenu toplote sa odgovarajućom prostorijom u zgradi.Vertikalni presek pasivnog solarnog sistema sa Trombovim zidom prikazan je shematski na sledećoj slici:

Princip rada ovog pasivnog solarnog sistema je sledeći:

Slika 1 Vertikalni presek Trombovog zida

Sunčevi zraci (1) prolaze kroz staklo (2) i padaju na crnu prednju stranu Trombovog zida (3). Trombov zid je najčešće od masivnog betona, koji se zagreva. Polovinu solarne energije akumulira zid, a druga polovina stvara prirodnu cirkulaciju vazduha, kroz otvore (4) i (6), zbog efekta staklene bašte. S druge strane, Trombov zid zrači akumuliranu toplotu u željenu prostoriju (8).Da se Trombov zid ne bi noću hladio, ugrađuje se zavesa (9) između stakla i zida. Noću, kada prestane zračenje Sunca, zavesa se spušta i ima ulogu termalnog zastora.Međutim, leti se ova zavesa spušta danju da bi se sprečilo pregrevanje zida i prostorije. Noću se ona podiže da se omogući hlađenje zida zračenjem. Na taj način, zavesa sa otvorima za topli vazduh (9) i svež vazduh (10), obavlja proces klimatizacije u letnjem periodu.

Korišćenje Sunčevog zračenja primenom Trombovog zida izučavali su mnogi autori

Tako na primer Fares [1] je ispitivao uticaj raznih komponenti Trombovog zida na toplotno opterećenje kuća u Siriji obzirom na klimatske uslove koji vladaju u toj sredini. Chel i ostali autori [2] su ispitivali primenu Trombovog zida kod skladišta meda u mestu Gvalior u Indiji.Jaber и drugi autori [3] su istraživali optimalnu konstrukciju Trombovog zida u mediteranskom regionu. Značajan rezultat ovog istraživanja je da se Trombovim zidom dobija manje emitovanje ugljen-dioksida (CO2) za 445 kg godišnje.Nwachukwu i Okonkwo [4] su ispitivali različite premaze spoljne površine Trombovog zida koji imaju visoku moć apsorpcije i vrlo nisku emisiju Sunčevog zračenja. Saadatian i drugi autori [5] su proučavali primere primene devet različitih tipova Trombovog zida u zgradama kako po obliku tako i po materijalu komponenti od najstarijih i najednostavnijih do savremenih sa složenijom konstrukcijom.Shen i drugi autori [6] su upoređivali klasične i kompozitne Trombove zidove uz konstataciju da kompozitni Trombovi zidovi imaju bolje toplotne performanse od klasičnih. Stazi i drugi autori [7] su eksperimentalnim putem ispitivali neželjeno pregrevanje Trombovog zida u toplim klimatskim uslovima i kako se osenčenjem i ventilacijom mogu umanjiti ovi neželjeni efekti.Jilmaz i Kundakci [8] su izučavali mogućnosti renoviranja i ugradnje Trombovog zida na južnu fasadu, kako već postojećih stambenih zgrada u Istambulu, tako i obaveznu ugradnju Trombovog zida na južnu fasadu novih stambenih zgrada, obzirom na veliki broj Sunčanih dana u Istambulu.U ovom radu dati su rezultati uštede električne energije, tokom cele godine, u kući neto-nulte potrošnje energije sa Trombovim zidom u odnosu na kuću neto-nulte potrošnje energije bez Trombovog zida. Električna energija se troši na grejanje, hlađenje, unutrašnju opremu i osvetljenje.

Softveri EnergyPlus i Google SketchUp

Ova dva softvera su povezana tako što Google SketchUp daje geometriju kuće neto-nulte potrošnje energije, koja se simulira u EnergyPlus-u. Naime, EnergyPlus ne sadržigrafičke korisničke interfejse za grafičko definisanje geometrije i grafički prikazrezultata, te je porebno koristiti programe za konstruisanje kuće i za prikazivanjerezultata proračuna. U tom cilju korišćeni su programi Google SketchUp sa dodatkomOpenStudio kao i Microsoft Excel.Za simuliranje grejanja, hlađenja, ventilacije, osvetljenja i drugih energetskih tokova u kući neto-nulte potrošnje energije, korišćena je verzija 7.0.0 EnergyPlus-a. Ovaj softvermodelira korišćenje energije u datoj kući. EnergyPlus uzima u obzir sve faktore kojiutiču na termičko opterećenje kuće, kao što su električni uređaji, osvetljenje, prisustvoljudi u kući, uticaj Sunčevog zračenja, uticaj vetra, infiltracija, osenčenost otvorenihprostorija. Ovaj softver nam omogućava da izvršimo simulaciju energetskog ponašanjakuće za definisani vremenski period.

TERMIČKE I GEOMETRIJSKE KARAKTERISTIKE KUĆE NETO-NULTE POTROŠNJE ENERGIJE

2.1 Modeli kuće

Modelirane su četiri kuće neto-nulte potrošnje energije. Osnovni model za simulaciju je kuća bez Trombovog zida (MODEL BTrZ – slika 2). Simulacija je urađena i za modele kuće sa vertikalnim Trombovim zidom (MODEL VTrZ – slika 3), za model kuće sa kosim Trombovim zidom (MODEL KTrZ – slika 4) i za model kuće sa oba ova Trombova zida (MODEL 2TrZ – slika 5).

Slika 3 MODEL VTrZSlika 2 MODEL BTrZ

Slika 4 MODEL KTrZ Slika 5 MODEL 2TrZSvaki od modela kuće sastoji se iz šest prostorija koje se greju (dnevna soba, dve spavaće sobe, kupatilo, hodnik i sprat), a hlade se četiri prostorije (dnevna soba, dve spavaće sobe i sprat). Poprečni preseci za prizemlje i sprat dati su na sledećim slikama

Slika 6 Presek za prizemni deo kuće u 3D Slika 7 Presek za prizemni deo kuće u 2D

Slika 8 Presek za spratni deo kuće u 3D Slika 9 Presek za spratni deo kuće u 2D

Softver EnergyPlus omogućava modeliranje grejanja stambene zgrade uzimajući u obzir sve faktore koji utiču na termičko opterećenje zgrade kao i sve faktore koji utiču na dobitke energije. Ovaj softver daje mogućnosti modeliranja različitih scenarija grejanja zgrade. U ovom radu je analiziran scenario sa dobicima energije od strane elekričnih uređaja, električnih sijalica kao i prisustva ljudi u prostorijama.

2.2 Konstrukcija Trombovog zida

Slika 10 Vertikalni presek Trombovog zida

Trombov zid se sastoji iz masivnog dela (armirani beton), debljine 30 cm i troslojnog stakla debljine (4; 18; 4; 13; 4) mm [10], gde su 18mm i 13mm rastojanja između dva sloja stakla. Staklena konstrukcija je postavljena na 10 cm od armiranog betona. Prednja strana armiranog betona obojena je crnom bojom čiji je koeficijent apsorpcije 0.91.Da bi se zimi noću umanjilo hlađenje betona, a u toku leta danju sprečilo njegovo pregrevanje, a time i prostorija kuće, između betona i stakla je postavljena roletna [11]. Ona se zimi spušta noću, a leti danju. Roletna je od aluminijuma, visine 2.4m i dužine 8.6m. Sastoji se iz 165 lamela punjenih poliuretanom.

REZULTATI I DISKUSIJA

Simulacija je urađena za celu godinu. Grejna sezona traje od 15. oktobra do 15. aprila sledeće kalendarske godine, a sezona hlađenja od 15. aprila do 15. oktobra iste kalendarske godine. Rezultati su prikazani u HTML fajlu tabelarno i korišćenjem programskog paketa Microsoft Excel-a. Rezultati simulacije su dobijeni i prikazani na svakih 15 minuta.

3.1 Specifična potrošnja električne energije za celu godinu

U HTML fajlu data je ukupna potrošnja električne energije na grejanje, hlađenje, unutrašnju opremu i osvetljenje.Za jednogodišnji period simulacija softverom EnergyPlus pokazala je da je najveća specifična potrošnja ukupne električne energije za kuću bez Trombovog zida (122.41 KWh/m2), zatim za kuću sa vertikalnim Trombovim zidom (118.53 KWh/m2), za kuću sa kosim Trombovim zidom (106.77 KWh/m2) i najmanja specifična potrošnja ukupne električne energije je za kuću sa 2 Trombova zida (104.24 KWh/m2). Ovi rezultati su prikazani na slici 11.Ako je osnovni model za simulaciju kuća bez Trombovog zida, onda je ušteda ukupne električne energije za kuću sa 2 Trombova zida 14.84%, za kuću sa kosim Trombovim zidom 12.78% i za kuću sa vertikalnim Trombovim zidom 3.17%.

95

100

105

110

115

120

125

MODBTrZ MOD2TrZ MODKTrZ MODVTrZ

Spec

ElE

n, K

Wh/

m2

Modeli kuće

Slika 11 Specifična potrošnja električne energije za različite modele

Ukoliko se posmatra potrošnja električne energije samo za grejanje, rezultati su sledeći: najveća specifična potrošnja električne energije za grejanje je za kuću bez Trombovog zida (56.30 KWh/m2), zatim za kuću sa vertikalnim Trombovim zidom (51.00 KWh/m2), za kuću sa kosim Trombovim zidom (36.40 KWh/m2) i najmanja specifična potrošnja električne energije za grejanje je za kuću sa 2 Trombova zida (32.83 KWh/m2). Rezultati su dati na slici 12.Posmatrajući kuću bez Trombovog zida kao osnovni model za simulaciju, ušteda električne energije za grejanje je za kuću sa 2 Trombova zida 41.69%, za kuću sa kosim Trombovim zidom 35.35% i za kuću sa vertikalnim Trombovim zidom 9.41%.

0

10

20

30

40

50

60

MODBTrZ MOD2TrZ MODKTrZ MODVTrZ

Spec

Elec

trEn

, KW

h/m

2

Modeli kuće

Slika 12 Specifična potrošnja električne energije za grejanje

21,12

26,41 25,3722,54

0

5

10

15

20

25

30

MODBTrZ MOD2TrZ MODKTrZ MODVTrZSpec

Elec

trEn

, KW

h/m

2

Modeli kuće

Slika 13 Spcifična potrošnjaelektrične energije za hlađenje

Ukoliko se posmatra potrošnja električne energije za hlađenje rezultati su sledeći (slika 13): najvećaspecifična potrošnja električne energije je za kuću sa 2 Trombova zida (26,41 KWh/m2), zatim zakuću sa kosim Trombovim zidom (25,37 KWh/m2), za kuću sa vertikalnim Trombovim zidom (22,54 KWh/m2) i najmanja potrošnja električne energije za hlađenje je za kuću bez Trombovog zida(21,12KWh/m2), što su očekivani rezultati. Međutim, pozitivan uticaj Trombovog zida na grejanje, u grejnoj sezoni, znatno je veći od njegovog negativnog uticaja na hlađenje (pregrevanje prostorija), u sezoni hlađenja. Ovaj zaključak potvrđuje sledeća slika 14, na kojoj je data potrošnja električneenergije na grejanje hlađenje i zbirna za sve modele kuća.

Slika 14 Specifična potrošnjaelektrične energije na grejanje, hlađenje i zbirna u KWh/m256,3

32,83

36,4

51

21,12

26,41

25,37

22,54

77,42

59,24

61,77

73,54

MODBTrZ

MOD2TrZ

MODKTrZ

MODVTrZ

Grejanje Hlađenje Zbir

3.2 Najhladniji dan meteorološkog fajla

Slika 15 prikazuje temperature vazduha u dnevnoj sobi svih tipova kuća za 24.decembar, koji je najhladniji dan meteorološkog fajla za Beograd. Na slici se vidi da temperature u dnevnoj sobi dostižu konstantnu vrednost kada je grejanje uključeno. Te vrednosti su zadate na termostatima i to za dnevnu sobu 200C. Po prekidu grejanja, temperature u dnevnoj sobi opadaju u zavisnosti od konstrukcije njihovog omotača, tj. od koeficijenta prolaza toplote tako da će srednje vrednosti temperature biti niže od zadanih.

17.78

15.9716.02

14.21

16.31

14.48

17.58

15.76

14

16

18

20

Tem

pera

ture

s in

oC

2TZ

BezTZ

KTZ

VTZ

Slika 15 Temperature u dnevnimsobama za najhladniji dan

Pored temperature mogu se analizirati snage grejnih tela u prostorijama za ekstremno niske temperature, tj. za 24. decembar. Za analizu je korišćena slika 16, koja prikazujesnagu grejnih tela po prostorijama za model kuće sa 2 Trombova zida. Jasno se vidi da grejna tela počinju sa radom u 7 sati i rade do 22 sata. U prvom satu svog rada grejno telo dostiže svoju maksimalnu snagu da bi se postigla zahtevana temperatura u prostoriji. Tokom dana zapažaju se oscilacije snage grejnih tela.Kada se grejna tela isključe u 22 sata, snaga naglo opada. Slika takođe pokazuje da je najveća snaga gejnih tela potrebna za prostoriju na spratu, jer je ona najveća.

Slika 16 Snaga grejnih tela zanajhladniji dan za kuću sa 2TrZ

3.3 Najtopliji dan meteorološkog fajlaSa stanovišta hlađenja interesantno je posmatrati najtopliji dan meteorološkog fajla za

Beograd, a to je 15. juni. Slika 17 prikazuje temperature u prostorijama kuće sa 2 Trombova zida

.

Slika 17 Temperature u prostorijama kuće sa 2TrZ za najtopliji dan

Na slici se vidi da se klima uređaji uključuju u 10 sati, a isključuju u 19 sati i da se propisana temperatura na termostatima od 240C postiže posle jednog sata rada, tj.u 11 sati. Po isključenju klima uređaja temperatura naglo poraste u sledećem satu. Naravno, ovo važi za četiri prostorije koje se hlade (dnevna soba, obe spavaće sobe i sprat).

Takođe, interesantno je posmatrati angažovanu snagu klima uređaja najtoplijeg dana meteorološkog fajla (slika 18)

Slika 18, kao i prethodna slika 17, jasno pokazuje vreme rada klima uređaja od 10 do 19 sati. Najveće opterećenje sistema je u prvom satu rada klima uređaja kada se postiže maksimalna snaga. Kasnije, tokom dana, zapažaju se oscilacije snage klima uređaja.

Slika 18 Snaga klima uređaja po prostorijama za najhladniji dan za kuću sa 2TrZ

Zaključci

U ovom radu prikazani su rezultati uticaja Trombovog zida na elektro grejanje i hlađenje kuće neto-nulte potrošnje energije.Na grejnim telima i klima uređajima nalaze se termostatski ventili radi regulisanja temperature u prostorijama i uštede energije. Pri tome modelirano je grejanje i hlađenje četiri modela kuće.Pored osnovnog modela (kuća bez Trombovog zida), simulacija grejanja i hlađenja urađena je i za modele kuće sa vertikalnim Trombovim zidom, za model kuće sa kosim Trombovim zidom i za model kuće sa oba ova Trombova zida.Na osnovu rezultata simulacije zaključuje se da je najveća ušteda ukupne električne energije ostvarena kod modela kuće sa 2 Trombova zida 14,84%, za model kuće sa kosim Trombovim zidom 12,78% i za model kuće sa vertikalnim Trombovim zidom 3,17%.

HVALA NA PAŽNJI