-
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